LINEBURG


<< Пред. стр.

страница 2
(всего 3)

ОГЛАВЛЕНИЕ

След. стр. >>

продолжительности суток (Length Of Day - LOD) на коротких (от
суток до 2-3 лет) и более длительных временных масштабах. Ранее
было установлено хорошее соответствие вариаций тропосферного
(в слое 1000-100 гПа) момента импульса AAM(100) и
продолжительности суток на коротких временных масштабах
[Hide,R., and J.O.Dickey, Science, 253, 629-637, 1991]. Однако, в
некоторые годы наблюдались заметные рассогласования между
AAM(100) и LOD. Включение стратосферы в расчеты атмосферного
момента импульса привело к почти полному совпадению изменений
полного атмосферного момента AAM (в слое 1000 гПа-0,4 гПа) и
продолжительности суток на коротких временных масштабах. Это
означает, что на этих временных масштабах изменения скорости
вращения Земли вызваны атмосферным воздействием [23].
Для проверки надежности данных измерений зонального ветра
атмосферы было проведено сравнение изменений полного
атмосферного момента импульса с высокоточными измерениями
изменений скорости вращения Земли или продолжительности суток.
Сравнение показало, что на коротких временных масштабах (от
суток до 2-3 лет) причиной изменений скорости вращения Земли
является воздействие атмосферы, а на более длительных масштабах
медленные процессы внутри Земли дают большое рассогласование в
связь изменений атмосферного момента импульса и
продолжительности суток. Таким образом, было получено еще одно
независимое подтверждение точности используемых данных
атмосферных динамических параметров. Рассчитанные для каждого
дня изменения полного атмосферного момента показывают
существенное увеличение AAM и LOD во время явлений Эль-Ниньо
1982/83, 1986/87 и 1991/92 годов, а также значительные различия
между AAM и LOD на длительных временных масштабах, которые
вызваны воздействием процессов внутри Земли на изменения
скорости вращения Земли.

10
Расчеты среднемесячных аномалий глобально-средних значений
тропосферного AAM(100) и стратосферного моментов показали, что
глобально-средняя тропосферная циркуляция наиболее сильно
реагирует на явления Эль-Ниньо/Ла-Нина [Rosen,R.D., et al., Science,
225, 411-414, 1984], что также свойственно и глобально-средней
стратосферной циркуляции. Однако, в [5,6] показано, что
существуют большие различия межгодовых и долгопериодных
вариаций тропосферной и стратосферной динамики (рисунок 1).
Если в течение 1979-1992 гг. в вариациях AAM(100) нет заметного
долгопериодного тренда, то в изменениях глобально-среднего SAM
наблюдался резкий переход от сильных отрицательных (восточных)
аномалий в 1979 году к большим положительным (западным)
аномалиям летом 1980 года. Анализ аномалий зонального ветра
стратосферы показал, что этот переход связан с резким усилением
западного зонального ветра летом 1980 года в субтропиках нижней
стратосферы как в Южном, так и в Северном полушариях [5,6] Эти
западные аномалии сохранялись в течение последующих лет,
распространяясь в течение десятилетия из субтропиков в средние и
высокие широты, следуя так называемой V - структуре
долгопериодного распространения аномалий тропосферного
атмосферного момента [Dickey,J.O., S.L.Marcus, and R.Hide, Nature,
357, 484-488, 1992]. На рисунке 1 видна южная ветвь V – образного
распространения западных аномалий SAM от экватора к полярным
широтам Южного полушария в течение октябрей 1980-1992 годов.
После 1980 года наблюдался долгопериодный тренд глобального
стратосферного момента с квазидвухлетними вариациями и
постепенным затуханием сильных западных аномалий, которые
возникли летом 1980 года.
Таким образом, в начале 1980-х годов произошел резкий переход
циркуляции стратосферы к новому долгопериодному режиму, что
привело к формированию динамического "барьера" как в
субтропиках, так и в приполярных широтах Антарктики и Арктики в
зимне-весенний период.

В главе 6 исследованы связи межгодовых вариаций содержания
озона и стратосферного момента импульса как сезонно - широтных,
так и их долготных особенностей для января Северного и октября
Южного полушарий в 1979-1992 гг.




11
Рис.1. Годовое скользящее среднее аномалий глобального
тропосферного момента импульса AAM(100) (сплошная кривая - sl),
стратосферного момента (пунктирная кривая - dh) в 1979-1991 гг.
(a). Аномалии стратосферного момента (зонально-средних) (b) и
содержания озона (c) для октябрей 1979-1991 гг. Аномалии
среднезонального содержания озона на 75°ю.ш. (е.Д.) и
стратосферного момента на 50°ю.ш. для октябрей 1979-1991 гг. (d).
Единицы относительные, r указывает коэффициент их корреляций.

На рисунке 1 показано также распространение по широте аномалий
стратосферного момента и содержания озона для октябрей 1979-

12
1991 гг. Видно близкое соответствие межгодовых вариаций
содержания озона над Антарктикой и стратосферного момента в
средних 40°ю.ш. - 60°ю.ш. южных широтах, где наблюдается
высокая межгодовая изменчивость стратосферной циркуляции: -
положительные (западные) аномалии SAM соответствуют
уменьшению озона, в то время как отрицательные (восточные)
аномалии SAM - увеличению озона, например, в октябре 1988 года
[4,5,7] Коэффициент корреляции между эволюцией озоновой дыры и
изменениями стратосферной динамики в окрестности полярного
вихря Антарктики очень большой (-0,91) и статистически значим на
95% уровне достоверности. Преобладание западных аномалий SAM
в средних широтах Южного полушария и V - образное
распространение (южная ветвь) западных аномалий от экватора к
высоким широтам в течение десятилетия привело к cильной
изолированности стратосферного вихря Антарктики после начала
1980-х годов и создало термодинамические условия (низкие
температуры в полярном вихре Антарктики, формирование
полярных стратосферных облаков, уменьшение вихревого обмена
озоном со средними широтами) для химических механизмов
разрушения озонового слоя над Антарктикой в зимне-весенний
период. Анализ сезонно-широтного хода зонального ветра
стратосферы показал, что межгодовые вариации стратосферной
циркуляции вызваны изменениями волновой активности
стратосферы, а не влиянием изменений радиационного режима из-за
уменьшения озона. Например, наибольшее усиление западных
ветров в нижней стратосфере Южного полушария происходило в
июне-августе перед появлением озоновой дыры в Антарктике, что
не может быть вызвано влиянием уменьшения озона на
радиационный режим и динамику стратосферы [14]. Аналогичная
картина связей межгодовых зонально средних вариаций
стратосферной циркуляции и содержания озона наблюдается в
Северном полушарии в январе-марте с несколько меньшими
корреляциями, что связано с большими долготными
неоднородностями изменений содержания озона в Северном
полушарии.
Проведен спектральный фурье-анализ межгодовых вариаций
стратосферного момента и содержания озона с выделением
квазидвухлетних колебаний в спектральном интервале 18-32 месяца
и долгопериодных колебаний в интервале более 39 месяцев. В этих
спектральных интервалах также наблюдаются сильные корреляции
вариаций среднезональных значений стратосферного момента в
окрестности полярного вихря Антарктики и соответствующих
компонентов изменений антарктической озоновой дыры. Ранее

13
[Garcia,R., and S.Solomon, Geoph. Res. Lett., 14, 848-851, 1987] были
обнаружены связи вариаций озоновой дыры в Антарктике для 1979-
1986 гг. c экваториальным квазидвухлетним циклом (КДЦ)
зонального ветра нижней стратосферы: при западной фазе КДЦ
происходило уменьшение озона над Антарктикой, а при восточной
фазе - относительное увеличение. Однако, после 1988/89 гг. эти
связи не наблюдались. Анализ квазидвухлетней компоненты SAM
аномалий для октября показал, что причиной этого нарушения
связей является не усиление антропогенных воздействий
(С.Соломон, частное сообщение), а долгопериодные изменения
соответствия квазидвухлетних связей циркуляции стратосферы
вблизи экватора, средних и высоких широт Южного полушария.
После 1987/88 гг. эти связи изменились на противоположные,
поэтому не наблюдалось корреляций озоновой дыры и
экваториального КДЦ после 1988 года, хотя связи вариаций озона
над Антарктикой с квазидвухлетней компонентой циркуляции
стратосферы в средних южных широтах наблюдаются всегда [7].
Межгодовые и долгопериодные вариации атмосферной
циркуляции и озонового слоя имеют большие долготные
неоднородности, связанные с воздействием планетарных и
гравитационных волн на зональную динамику и состав атмосферы.
В главе 6 проведен также анализ долготной структуры связей
изменений содержания озона и стратосферного момента импульса,
рассчитанного в зависимости от широты и долготы , если в (1) не
проводить усреднение по широте.
Рассчитанные линейные тренды содержания озона, выраженные в
единицах Добсона (е.Д.) в год для январей 1979-1992 гг. обнаружили
хорошо известные максимумы уменьшения озона над Европой (-4,5
е.Д./год), восточной Сибирью и Тихим океаном (-3,5 е.Д./год). Над
Лабрадором и Канадским арктическим архипелагом в этот период
наблюдалось некоторое увеличение озона (1,5 е.Д./год), что, само по
себе, может свидетельствовать о большой роли динамики в
изменчивости озонового слоя. Эти положительные тренды близки к
95% уровню статистической значимости. В Южном полушарии
также есть области либо с положительными (1 е.Д./год) трендами в
июле между Африкой и Антарктикой, либо с отсутствием трендов
западнее Чили в октябре на фоне очень больших отрицательных
трендов (-7 е.Д./год) над Антарктикой [11,17].
Тренды стратосферного момента имеют сложную
пространственную структуру как в Северном, так и в Южном
полушариях. Структура трендов SAM в Северном полушарии,
вероятно, каким-то образом связана с известными дальними связями
изменчивости тропосферной динамики [Wallace,J.M., and

14
D.S.Gutzler, Mon. Wea. Rev., 109, 784-812, 1981]. В высоких широтах
Северного полушария наблюдаются противоположные по знаку
тренды: в январе 1979-1992 гг. происходило ослабление западных
зональных ветров стратосферы в западной Арктике, а в восточной
Арктике, наоборот, - ускорение вращения стратосферы. Это
означает, что межгодовые вариации влияния планетарных волн на
циркуляцию и температуру стратосферы Арктики (межгодовых
изменений стратосферных потеплений) имели противоположный
характер в западном и восточном полушариях и привели к миграции
центра стратосферного вихря Арктики.

Тренды SAM в Южном полушарии (октябрь) также имеют
сложную пространственную структуру. Наибольшее усиление
западных зональных ветров стратосферы над Антарктикой
происходило между Халли Бей и Южным полюсом на 85°ю.ш.,
30°з.д., в области, где была открыта озоновая дыра. В субтропиках и
средних широтах Южного полушария наблюдаются положительные
(западные) тренды SAM над Тихим океаном и отрицательные
(восточные) тренды над Атлантикой к востоку от Анд.

Как хорошо известно [Andrews, D.G., and M.E.McIntyre, J. Atmos.
Sci., 33, 2031-2048, 1976], лишь небольшая часть стратосферной
динамики (остаточная циркуляция) влияет на перенос озона, тепла и
момента импульса из-за сильной компенсации упорядоченных и
вихревых процессов переноса. Поэтому только часть изменений
SAM может быть связана с наблюдаемыми вариациями состава
озонового слоя. Проведенный ЭОФ и SVD анализы связей
изменений стратосферного момента и содержания озона в целом
подтверждают следствия теоремы о неускорении, описывающей
остаточную циркуляцию. В Северном полушарии первая ЭОФ
аномалий содержания озона, описывающая 31,4% общей
изменчивости, имеет пространственную структуру, очень близкую к
картине трендов озона, и ее коэффициент имеет ясно выраженный
тренд в течение январей 1979-1992 гг. с некоторыми
квазидвухлетними колебаниями. Вторая ЭОФ сравнимого вклада
(29,8%) изменчивости в основном ответственна за изменения озона в
высоких широтах c ясно выраженными противоположными
(дипольными) вариациями между северной частью Тихого океана и
северной Атлантикой. Ее коэффициент не имеет заметного тренда в
1979-1992 гг., но в его поведении имеются экстремумы в 1985 и 1991
гг., в годы с сильными стратосферными потеплениями. Третья ЭОФ
имеет много меньший вклад (10,8%) в общую изменчивость [12].

15
Проведенный SVD анализ связей межгодовых вариаций озона и
стратосферного момента показал наличие сильных нелокальных
корреляций стратосферной динамики и содержания озона как в
Северном, так и в Южном полушариях. В Северном полушарии
структура и межгодовая изменчивость первой SVD моды аномалий
озона (28,5% изменчивости) соответствует второй ЭОФ вариаций
озона, которая описывает изменения озона в высоких широтах.
Соответствующая SVD мода (14,6%) аномалий SAM описывает
дипольные изменения стратосферной динамики между западной и
восточной Арктикой, а также дипольные изменения по широте с
наиболее сильными различиями между Тихим океаном, США и
Сибирью. Рисунок 2 иллюстрирует сильные корреляции
содержания озона и стратосферной динамики в районах с наиболее
сильными связями, найденными при помощи SVD анализа.




Рис.2. Аномалии содержания озона (сплошные кривые) и
стратосферного момента (с обратным знаком, пунктир) в наиболее
сильно связанных географических районах для января (a,b)

16
Северного и октября (c,d) Южного полушарий в 1979-1997 гг. в
относительных единицах. В скобках указаны коэффициенты их
корреляций.

В Южном полушарии (октябрь) также наблюдаются сильные
связи изменений стратосферной динамики и содержания озона.
Первая ЭОФ (65,8% изменчивости), описывающая поведение
озоновой дыры в Антарктике, почти точно совпадает с первой SVD
модой (64,2%) связей содержания озона и стратосферного момента.
Замечательной чертой пространственных структур этих мод
являются дипольные изменения озона с некоторым повышением
озона в октябре 1979-1992 гг. над Тихим океаном к западу от Чили и
понижением озона над Атлантикой к востоку от Аргентины.
Пространственная структура первой SVD (28,9%) аномалий
стратосферного момента имеет сложную структуру с чередованием
как западных так и восточных аномалий. В средних широтах
(40°ю.ш.-60°ю.ш.) наблюдается тенденция к западным аномалиям
SAM, что соответствует усилению изолированности стратосферного
вихря Антарктики в 1979-1992 гг. Рисунок 2 показывает также
корреляции содержания озона и стратосферного момента в
критических точках Южного полушария, где имеют место
наибольшие связи озона и стратосферной циркуляции. Сильные
корреляции поведения озоновой дыры с изменениями
стратосферной динамики в средних широтах находятся в
соответствии с результатами анализа для зонально-средних
значений.
В главе 7 исследованы связи межгодовых аномалий температуры
поверхности Мирового океана, стратосферного момента импульса и
содержания озона в Северном и Южном полушариях. Анализ
проведен для аномалий ТПО как для каждого из океанов (Тихого и
Атлантического в Северном полушарии), (Тихого, Атлантического и
Индийского в Южном полушарии), так и для их совместного
влияния в каждом из полушарий для января в Северном и октября в
Южном полушариях.
Самыми заметными событиями в Мировом океане являются
явления Эль-Ниньо/Ла-Нина в Тихом океане, связанные с большими
аномалиями ТПО в экваториальной части Тихого океана. Был
проведен анализ связей этих явлений с межгодовыми изменениями
содержания озона и стратосферного момента как для Северного, так
и для Южного полушарий. Первая SVD мода аномалий ТПО Тихого
океана этих связей, рассчитанная для широтной зоны 12°ю.ш.-
60°с.ш., представляет собой первую ЭОФ (40% изменчивости),
которая описывает явления Эль-Ниньо/Ла-Нина с сильными

17
повышениями температуры Тихого океана вблизи экватора во время
Эль-Ниньо 1982/83, 1986/87 и 1991/92 гг. Корреляции изменений
содержания озона Северного полушария в январе с коэффициентом
этой SVD моды (индексом Южной Осцилляции) невелики, за
исключением Европы (˜60%) и соответствующая SVD мода
аномалий озона не является какой либо главной модой (ЭОФ)
изменений озона. То же самое верно и для связей индекса Южной
Осцилляции с межгодовыми вариациями внетропической
стратосферной циркуляции Северного полушария. Корреляции
озона над Европой c явлениями Эль-Ниньо могут быть следствием
некоторой когерентности аномалий ТПО экваториального Тихого
океана и аномалий ТПО Атлантики к западу от Англии, как показал
SVD анализ связей ТПО Тихого и Атлантического океанов. Таким
образом, прямое влияние явлений Эль-Ниньо/Ла-Нина на
внетропическую стратосферу не является большим. Эти результаты
не означают, что явления Эль-Ниньо не влияют на циркуляцию
атмосферы в глобальном масштабе. Известно [Jacobs,G.A., et al.,
Nature, No.370, 360-363, 1994], что Эль-Ниньо обладают
долгопериодной "памятью", например, сильное Эль-Ниньо 1982/83
гг. привело к изменениям течения Куросио несколькими годами
позже, т.е. изменения аномалий ТПО в средних и высоких широтах
Тихого океана могут зависеть от предшествующих событий Эль-
Ниньо/Ла-Нина.
Совершенно другая картина наблюдается для связей межгодовых
вариаций содержания озона, стратосферной циркуляции и ТПО
Атлантики в Северном полушарии. Первая SVD мода аномалий
ТПО Атлантики их связей с изменениями содержания озона почти
точно совпадает с главной модой ЭОФ1 (23,4% изменчивости) ТПО
Атлантики, а соответствующая SVD мода вариаций озона близка к
ЭОФ2 (29%), которая описывает изменения озона в высоких
широтах Северного полушария. Как показал SVD анализ, связи
аномалий ТПО Атлантики и стратосферного момента также велики
и воспроизводят главные черты их изменчивости. Следовательно, в
отличие от явлений Эль-Ниньо/Ла-Нина, межгодовые аномалии
ТПО Атлантики (особенно дипольные изменения ТПО в районе
Гольфстрима и северо-атлантического течения) очень сильно
связаны с изменениями стратосферной циркуляции и озона в
средних и высоких широтах [12].
Таким образом, роль межгодовых и долгопериодных изменений
ТПО Атлантики может быть очень важной в изменчивости волновой
активности Северного полушария в зимне-весенний период и
озонового слоя. Этот вывод также подтверждается близким
соответствием пространственных структур Северо-Атлантического

18
Колебания и Арктической Осцилляции в атлантическом секторе
[Wallace,J.M. Quart. J. Roy. Met. Soc., 126, 564, 791-805, 2000].




Рис.3 Первые SVD моды связей аномалий содержания озона (a),
стратосферного момента (b) и ТПО Тихого и Атлантического
океанов (c), выраженные в виде корреляций (в%) аномалий
соответствующего поля с межгодовыми изменениями коэффициента
первой SVD моды cвязей аномалий ТПО и стратосферного момента
(сплошная кривая, d). Пунктиром показан коэффициент третьей
ЭОФ аномалий ТПО.

Механизм волновой гипотезы предполагает интерференцию
орографического (Скалистые горы) и термического источника
стационарных волн, связанного с аномалиями ТПО как Тихого, так и
Атлантического океанов. Поэтому был проведен SVD анализ связей
изменений содержания озона, стратосферного момента и
совместных аномалий ТПО севернее 20°с.ш., результаты которого
показаны на рисунке 3. Пространственные структуры первых SVD

19
мод межгодовых вариаций содержания озона и SAM близки к
первым SVD модам связей озона и стратосферного момента. С
этими модами очень сильно связана первая SVD мода аномалий
ТПО северного Тихого и Атлантического океанов (рисунок 3с),
структура которой характеризуется дипольными изменениями ТПО
с центрами действий вблизи Куросио (35°с.ш.,150°в.д.), южнее
Алеутов (50°с.ш.,150°з.д.), и в Атлантике вблизи Ньюфаундленда
(50°с.ш.,45°з.д.), Гольфстрима (35°с.ш.,55°з.д.). Анализ межгодовых
аномалий ТПО отдельно для Тихого и Атлантического океанов
показал, что пространственная структура первой SVD моды
(рисунок 3с) в Тихом океане близка к структуре ЭОФ3 (12,7%
изменчивости) аномалий ТПО Тихого океана, а в Атлантике
практически совпадает со структурой ЭОФ1 ТПО отдельно для
Атлантики. Для совместных аномалий ТПО как структура SVD
моды, так и поведение ее коэффициента разложения почти
совпадают с характеристиками ЭОФ3 (11%изменчивости)
совместных ТПО аномалий. Это означает, что лишь очень тонкие
черты аномалий ТПО Тихого океана и главные черты ТПО
Атлантики сильно связаны с межгодовыми вариациями
стратосферного вихря Арктики, который имеет дипольную
структуру в западном и восточном полушариях, и содержания озона
в высоких широтах Северного полушария. Отметим, что Северо-
Атлантическое Колебание, описывающее дипольные изменения
приземного давления между Исландским циклоном и Азорским
антициклоном, тесно связано с первой ЭОФ аномалий ТПО
Атлантики [Wallace,J.M., C.Smith, and Q.Jiang., J. Climate, 3, 990-
998, 1990].
Большую роль в межгодовых изменениях стратосферного вихря
Арктики и озона в высоких широтах играют стратосферные
потепления. Причиной стратосферных потеплений является
воздействие планетарных волн на средний зональный поток, в
результате которого температура стратосферы Арктики повышается
на 20-30°C, а западный зональный ветер стратосферы испытывает
сильное торможение и даже может происходить реверс на восточное
направление. Действительно, рассчитанная первая ЭОФ (43%
изменчивости) аномалий зонального ветра на 30 гПа показывает
сильное изменение западного ветра в высоких широтах и над
Атлантикой на восточные ветры во время сильных стратосферных
потеплений в январе 1985 и 1987 гг. Анализ связей изменений
зонального ветра стратосферы и тропосферы показал, что в области
полярного струйного течения изменения зонального ветра

<< Пред. стр.

страница 2
(всего 3)

ОГЛАВЛЕНИЕ

След. стр. >>

Copyright © Design by: Sunlight webdesign