ВВЕДЕНИЕ 4
1. Атмосфера 7
1.1. Описание атмосферы Земли 7
1.2. Вертикальная структура атмосферы 9
1.3. Особенности полярных регионов 12
1.4. Методы и средства исследований полярной атмосферы 16
1.4.1. Зондирование атмосферы с помощью метеорологических радиолокаторов 17
1.4.2. Дистанционное зондирование атмосферы с помощью спутниковых систем 18
1.5 Циркуляция в средней атмосфере 19
1.5.1 Радиационный приток тепла 19
1.5.2 Стратосферная циркуляция Брюэра-Добсона 20
1.5.3 Страто-мезосферная циркуляция 22
1.5.4 Зимний полярный вихрь 25
1.5.5 Влияния характера зимнего стратосферного вихря на погодные системы 27
1.5.6. Внезапные стратосферные потепления 28
1.6. Ресурсы и порталы сбора данных по внезапным стратосферным потеплениям 30
1.6.1. Атмосферный реанализ 30
1.6.2. Спутники Aura (радиометр MLS) и TIMED (радиометр SABER) 31
2. Результаты анализа 32
2.1 Каталог 3-D карт температуры в Арктической зоне по данным реанализа MERRA-2 32
2.2 Структура крупномасштабных возмущений в полярной стратосфере 40
2.2.1 Эволюция большого ВСП по мультииструментальным измерениям 41
2.2.1.1 Отбор ВСП в северном полушарии 41
2.2.1.2 Структура термического и ветрового поля во время больших ВСП 2009, 2013 и 2019 по реанализу MERRA 42
2.2.1.3 Влияние больших ВСП на термическую структуру вышележащей мезосферы 44
2.2.1.4 Влияние больших ВСП на циркуляцию полярной мезосферы 46
2.2.2. Стабильный зимний стратосферный полярный вихрь 49
2.2.2.1 Стратосферный ветер 49
2.2.2.2 Истощение озона 50
2.2.2.3 Зональный ветер в стратосфере и мезосфере 51
2.2.2.4 Структура теплового поля 54
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 56
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 57
Атмосфера Земли представляет собой совокупность сложнейших процессов различного масштаба. Для понимания цельной картины необходимо изучать эти процессы в отдельности. Описание физики каждого явления не поддается какому-либо одному алгоритму, поскольку причины возникновения и динамики этих процессов имеют абсолютно разную природу. Неоднородный рельеф местности, альбедо, солнечная активность, наличие растительности и много другое изменяются по широте и долготе,
В данной работе рассматриваются крупномасштабные явления, которые наблюдаются выше 65 широты в северной части земного шара, а именно - внезапные стратосферные потепления. Это явление изучается в данное время многими учеными в России и в зарубежных странах, поскольку оказывает большое влияние на температуру, циркуляцию и содержание атмосферных примесей в нижележащих и вышележащих слоях, что приводит к значительным крупномасштабным изменениям в полярной атмосфере, а, следовательно, и к изменениям погодных условий в тропосфере.
Изучение климата полярного региона имеет стратегическое значение для нашей страны, поскольку на данной территории широко распространены месторождения различных полезных ископаемых, освоение которых является важной частью российской экономики.
Полярный регион является слабоизученным, поскольку сбор данных в условиях крайнего севера является затруднительным, причинами служат недостаточно развитая сеть наземных метеорологических станций, а также не высокий уровень их обеспечения, крайне низкая плотность населения и тяжелые погодные условия. Однако с развитием инновационных технологий, увеличением числа спутников и усовершенствованием методов зондирования становится возможным более детально изучать процессы, протекающие в атмосфере на различных высотах, в том числе и в верхних ее слоях, простирающихся выше стратосферы.
Новые методы зондирования позволяют выявить условия и время зарождения, а также эволюцию внезапных стратосферных потеплений, в том числе и выше стратопаузы.
Данный слой является оптимальным для осуществления полетов различных гиперзвуковых летательных аппаратов, в следствии чего мониторинг и прогноз изменения циркуляции и погодных условий становится актуальным вопросом безопасности. Воздействие внезапных стратосферных потеплений на стратосферу и мезосферу слабо изучено, поскольку наблюдения за данной зоной являются сложной задачей. На высотах выше стратопаузы наблюдений с помощью радиозондирования не проводится, для спутникового мониторинга высота является недостаточной, наблюдательная сеть лидаров и радаров довольно редкая.
Целью данной работы является анализ термических и динамических эффектов, вызванных внезапными стратосферными потеплениями в стратосфере и вышележащих слоях атмосферы.
Для осуществления поставленной цели были определены следующие задачи:
1. На основе атмосферного реанализа создать каталог карт эволюции температурного поля в зимней полярной атмосфере для северного полушария в период с 1981 по 2021 годы.
2. Отобрать зимы, когда в средней атмосфере реализовывались экстремальные условия, а именно при большом внезапном стратосферном потеплении (ВСП) с одной стороны и при развитии стабильного полярного вихря с другой. Выделить морфологические особенности термического режима и зональных ветров в стратосфере и мезосфере при таких событиях.
3. Проанализировать эволюцию термических и динамических эффектов в зимней полярной стратосфере и вышележащей мезосфере с использованием данных спутниковых и радарных наблюдений.
4. Провести сравнительную оценку эволюции атмосферных параметров при событиях ВСП и при стабильном полярном вихре.
Материалами для выполнения работы послужили данные о температуре и скорости ветра по атмосферному реанализу MERRA, взятые с сайта NASA (https://gmao.gsfc.nasa.gov/reanalysis/MERRA/), данные измерений вертикального профиля температуры лимбовым микроволновым радиометром MLS, установленного на борту спутника AURA (https://earthdata.nasa.gov/earth- observation-data/near-real-time/download-nrt-data/mls-nrt), а также измерения высотного ветра с помощью метеорного радара, расположенного в обсерватории Соданкюля, Финляндия (https://www.sgo.fi/Projects/SLICE/).
Данная выпускная квалификационная работа состоит из введения, 2 глав, заключения и списка использованных литературных источников.
Список используемых литературных источников содержит 22 наименований.
Состояние полярной атмосферы оказывает сильнейшее влияние на глобальную циркуляцию всего земного шара, поэтому его изучение является важной задачей.
В данной работе на основе атмосферного реанализа MERRA был создан каталог карт температурного поля в зимней полярной атмосфере для северного полушария в период с 1981 по 2021 годы. Были отобраны два крайних состояния полярной атмосферы в зимний период - сильный стратосферный вихрь и большое внезапное стратосферное потепление. Было проанализировано их влияние на изменение температуры воздуха, направление ветра и концентрацию озона в обширном диапазоне высот от поверхности Земли до мезосферы. В анализе использовались данные атмосферного реанализа, данные спутникового зондирования и измерения высотных ветров с помощью метеорного радара, применялись программные средства визуализации данных.
Таким образом, поставленная цель была выполнена. В данной работе по результатам анализа вертикальных разрезов температурных и ветровых полей в диапазоне высот от тропосферы до мезосферы для зим 1981-2020 гг. и выделения типичных событий двух типов можно сделать следующие основные выводы:
1. Внезапные стратосферные потепления возникают в зимней полярной атмосфере примерно два раза за каждые три года, значение изменения температуры воздуха на высотах около 25 км составляют до 50 градусов. Увеличение температуры прослеживается сначала в верхней стратосфере, затем опускается и усиливается, с течением времени доходит до слоя тропосферы и сохраняется довольно долго, в течение нескольких недель.
2. При наиболее сильных внезапных стратосферных потеплениях, когда температура воздуха достигает наибольших значений, изменяется направление зонального ветра на противоположное, при этом значения концентрации озона достигают так же наибольших значений, что связано с ослаблением или даже разрушением полярного вихря, который перестает экранировать холодный полярный воздух, бедный озоном, от среднеширотного воздуха, насыщенного озоном.
3. Во время ВСП, при увеличении температуры воздуха в стратосфере, наблюдается очаг холодного воздуха в слое мезосферы и выше. Таким образом, во время внезапных стратосферных потеплений наблюдается двойная мезопауза. Вертикальный профиль температуры имеет форму «термического диполя».
4. Во время ВСП на высотах 80-100 километров зональный ветер также меняет свое направление на противоположное. Важно, что изменение направления западного ветра в верхних слоях атмосферы происходят на несколько дней раньше, чем в стратосфере. Таким образом, мониторинг верхней атмосферы может использоваться для улучшения прогноза ВСП.
5. В годы, когда наблюдается господство стабильного зимнего стратосферного полярного вихря, происходит сильное истощение концентрации озона в высоких широтах (уменьшение общего содержания озона на несколько десятков единиц Добсона). Уменьшение концентрации наиболее заметно в весенний период.
6. В условиях сильного изолированного полярного вихря западный ветер не изменяет своего направления, его скорость на протяжении зимы около 50 м/с по всей толщине слоя стратосферы-мезосферы. Температура относительно стабильна и не превышает 250 К.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
