Особенности распределения струйных течений Северного и Южного полушарий
|
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. СТРУЙНЫЕ ТЕЧЕНИЯ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ 6
1.1. Причины возникновения струйных течений 6
1.2. Классификация планетарных высотных фронтальных зон и струйных течений 8
1.3. Структурные элементы струйных течений 13
1.4. Роль струйных течений в атмосфере Земли 17
1.5. Особенности струйных течений Северного и Южного полушарий 20
1.6. Особенности струйных течений умеренных и тропических широт 23
1.7. Положение и характер тропопаузы в области струйного течения 26
1.8. Наблюдаемые тенденции в изменении глобальных характеристик струйных
течений во второй половине 20 века 32
1.8.1. Климатология струйных течений 32
1.8.2. Северное полушарие 34
1.8.3. Южное полушарие 36
1.8.4. Категоризация струйных течений 37
ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУЙНЫХ ТЕЧЕНИЙ В ПЕРИОД С 2017 ПО 2021 ГОД 41
2.1. Принципы составления и анализа карт повторяемости струйных течений 41
2.2. Связь струйных течений с крупномасштабными атмосферными явлениями 43
2.2.1. Западно-атлантическое колебание 43
2.2.2. Североатлантическое колебание 43
2.2.3. Волны Россби 45
2.3. Данные реанализа ERA5 51
2.4. Используемые данные в работе 54
2.5. Результаты 55
2.5.1. Анализ сезонной и межгодовой изменчивости струйных течений Северного и
Южного полушарий 55
2.5.2. Анализ взаимосвязи Североатлантического колебания и струйных течений 73
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 77
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 79
ПРИЛОЖЕНИЯ 82
ГЛАВА 1. СТРУЙНЫЕ ТЕЧЕНИЯ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ 6
1.1. Причины возникновения струйных течений 6
1.2. Классификация планетарных высотных фронтальных зон и струйных течений 8
1.3. Структурные элементы струйных течений 13
1.4. Роль струйных течений в атмосфере Земли 17
1.5. Особенности струйных течений Северного и Южного полушарий 20
1.6. Особенности струйных течений умеренных и тропических широт 23
1.7. Положение и характер тропопаузы в области струйного течения 26
1.8. Наблюдаемые тенденции в изменении глобальных характеристик струйных
течений во второй половине 20 века 32
1.8.1. Климатология струйных течений 32
1.8.2. Северное полушарие 34
1.8.3. Южное полушарие 36
1.8.4. Категоризация струйных течений 37
ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУЙНЫХ ТЕЧЕНИЙ В ПЕРИОД С 2017 ПО 2021 ГОД 41
2.1. Принципы составления и анализа карт повторяемости струйных течений 41
2.2. Связь струйных течений с крупномасштабными атмосферными явлениями 43
2.2.1. Западно-атлантическое колебание 43
2.2.2. Североатлантическое колебание 43
2.2.3. Волны Россби 45
2.3. Данные реанализа ERA5 51
2.4. Используемые данные в работе 54
2.5. Результаты 55
2.5.1. Анализ сезонной и межгодовой изменчивости струйных течений Северного и
Южного полушарий 55
2.5.2. Анализ взаимосвязи Североатлантического колебания и струйных течений 73
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 77
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 79
ПРИЛОЖЕНИЯ 82
В последнее время исследованиями общей циркуляции атмосферы и ее составных частей занимается все больше и больше учёных, проводятся многочисленные исследования, строятся модели, описывающие и прогнозирующие многие атмосферные процессы. Одним из активно изучаемых объектов общей циркуляции атмосферы являются струйные течения (СТ). Развитие сети зондирования атмосферы, а именно ветрового и температурного зондирования привело к тому, что была установлена важная закономерность: вблизи тропопаузы над обширными территориями наблюдаются сильные ветры, которые имеют характер струйных потоков. Эти потоки опоясывают большую часть, а иногда и все полушарие (Воробьев, 1960).
По определению аэрологической комиссии Всемирной метеорологической организации «струйное течение - сильное, со значительными градиентами скорости узкое течение большой протяженности в верхней тропосфере и нижней стратосфере, проходящее вдоль максимальных ветров и эллиптическое по форме вертикального сечения». Это определение сопровождается следующими пояснениями «обычно в струйном течении скорость ветра вдоль оси превышает 30 м/с, вертикальный градиент скорости ветра превышает 5 м/с на 1 км, а горизонтальный градиент скорости ветра достигает 10 м/с и более на 100 км» (Воробьев, 1960).
Сильные ветры на высотах впервые были зарегистрированы в 20-х годах XX века, но это были одиночные наблюдения, и им не придали большого значения. Достоверных знаний о распределении сильных потоков в верхних слоях тропосферы не было получено до 1933 г., когда Вильгельм Фриман Корен Бьеркнес, выдающийся норвежский
метеоролог, построил меридиональные разрезы, используя температурное зондирование нескольких, удаленных друг от друга станций. Бьеркнес вычислил геострофический ветер и подтвердил ранние качественные и эпизодические количественные наблюдения высоких скоростей ветра в верхней тропосфере. Однако его открытию не было уделено должного внимания (Дашко, 2005).
Считается, что открытие струйных течений произошло в конце Второй мировой войны, и принадлежит американским летчикам дальней авиации. Тяжелые американские бомбардировщики, взлетая с Гавайских островов, летевшие со скоростью 350-400 км/ч, попадали на высоте 8-9 км в область очень сильного встречного ветра, который отклонял их от курса, а иногда заставлял практически зависать в воздухе без продвижения вперед. После этого, струйные течения стали всесторонне изучать.
Струйные течения являются значительным элементом динамики атмосферы и во многом определяют ее энергетику, распределение термодинамических параметров и 4
газовых примесей в верхней тропосфере и стратосфере, а также в них сосредоточена основная кинетическая энергия воздушной оболочки Земли. Помимо этого они могут быть эффективным источником внутренних гравитационных волн (ВГВ), осуществляющих обмен энергией и импульсом между тропосферой и верхней атмосферой. Струйные течения могут вызывать болтанку самолетов вблизи своих границ, также с ними связывают аномальные погодные явления. Проявление аномальных погодных явлений привязывают к аномальному поведению струйных течений, выражающееся в изгибах их траекторий, в результате чего происходит возмущение линий движения воздушных масс, определяющих погоду на обширных территориях (Нерушев и др., 2021). Поэтому изучение характеристик струйных течений, особенностей распределения, развития, временной и пространственной изменчивости, а также взаимосвязи с другими атмосферными процессами и явлениями является актуальной современной научной задачей.
Целью данного исследования является изучение характеристик струйных течений, особенностей распределения, сезонной и межгодовой изменчивости в Северном и Южном полушариях.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
1) Изучить понятие струйных течений, их роль в атмосфере, структурные элементы, классификацию, причины возникновения;
2) Изучить и проанализировать особенности данных реанализа ERA5;
3) Сформировать архив данных за период с 2017 по 2021 год:
- полей метеорологических параметров на уровне 300 гПа для анализа условий формирования и динамики струйных течений по данным реанализа ERA5;
4) Ознакомиться с крупномасштабными атмосферными явлениями и проанализировать их связь со струйными течениями;
5) Провести анализ сезонной и межгодовой изменчивости струйных течений, определить их количество, максимальные скорости ветра, эффективное время жизни; провести сравнительный анализ полученных характеристик между Северным и Южным полушариями.
По определению аэрологической комиссии Всемирной метеорологической организации «струйное течение - сильное, со значительными градиентами скорости узкое течение большой протяженности в верхней тропосфере и нижней стратосфере, проходящее вдоль максимальных ветров и эллиптическое по форме вертикального сечения». Это определение сопровождается следующими пояснениями «обычно в струйном течении скорость ветра вдоль оси превышает 30 м/с, вертикальный градиент скорости ветра превышает 5 м/с на 1 км, а горизонтальный градиент скорости ветра достигает 10 м/с и более на 100 км» (Воробьев, 1960).
Сильные ветры на высотах впервые были зарегистрированы в 20-х годах XX века, но это были одиночные наблюдения, и им не придали большого значения. Достоверных знаний о распределении сильных потоков в верхних слоях тропосферы не было получено до 1933 г., когда Вильгельм Фриман Корен Бьеркнес, выдающийся норвежский
метеоролог, построил меридиональные разрезы, используя температурное зондирование нескольких, удаленных друг от друга станций. Бьеркнес вычислил геострофический ветер и подтвердил ранние качественные и эпизодические количественные наблюдения высоких скоростей ветра в верхней тропосфере. Однако его открытию не было уделено должного внимания (Дашко, 2005).
Считается, что открытие струйных течений произошло в конце Второй мировой войны, и принадлежит американским летчикам дальней авиации. Тяжелые американские бомбардировщики, взлетая с Гавайских островов, летевшие со скоростью 350-400 км/ч, попадали на высоте 8-9 км в область очень сильного встречного ветра, который отклонял их от курса, а иногда заставлял практически зависать в воздухе без продвижения вперед. После этого, струйные течения стали всесторонне изучать.
Струйные течения являются значительным элементом динамики атмосферы и во многом определяют ее энергетику, распределение термодинамических параметров и 4
газовых примесей в верхней тропосфере и стратосфере, а также в них сосредоточена основная кинетическая энергия воздушной оболочки Земли. Помимо этого они могут быть эффективным источником внутренних гравитационных волн (ВГВ), осуществляющих обмен энергией и импульсом между тропосферой и верхней атмосферой. Струйные течения могут вызывать болтанку самолетов вблизи своих границ, также с ними связывают аномальные погодные явления. Проявление аномальных погодных явлений привязывают к аномальному поведению струйных течений, выражающееся в изгибах их траекторий, в результате чего происходит возмущение линий движения воздушных масс, определяющих погоду на обширных территориях (Нерушев и др., 2021). Поэтому изучение характеристик струйных течений, особенностей распределения, развития, временной и пространственной изменчивости, а также взаимосвязи с другими атмосферными процессами и явлениями является актуальной современной научной задачей.
Целью данного исследования является изучение характеристик струйных течений, особенностей распределения, сезонной и межгодовой изменчивости в Северном и Южном полушариях.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
1) Изучить понятие струйных течений, их роль в атмосфере, структурные элементы, классификацию, причины возникновения;
2) Изучить и проанализировать особенности данных реанализа ERA5;
3) Сформировать архив данных за период с 2017 по 2021 год:
- полей метеорологических параметров на уровне 300 гПа для анализа условий формирования и динамики струйных течений по данным реанализа ERA5;
4) Ознакомиться с крупномасштабными атмосферными явлениями и проанализировать их связь со струйными течениями;
5) Провести анализ сезонной и межгодовой изменчивости струйных течений, определить их количество, максимальные скорости ветра, эффективное время жизни; провести сравнительный анализ полученных характеристик между Северным и Южным полушариями.
В результате данного исследования были изучены характеристики струйных течений Северного и Южного полушарий за период с 2017 по 2021 год. Выявлены особенности распределения струйных течений, а также сезонная и межгодовая изменчивость их параметров. Основной причиной образования струйных течений служит адвективное сближение, разных по своим свойствам воздушных масс, при котором происходит возрастание горизонтальных градиентов температуры, давления и ветра, определяющих скорость на оси струйного течения.
Анализ основных исследуемых характеристик СТ показал, что данные за выбранный пятилетний период хорошо согласуются с результатами работ других авторов (Воробьев, 1960; Нерушев, Ивангородский, 2017). Обобщая весь вышеописанный анализ и выделяя ключевые моменты, можно сделать следующие выводы: сезонная конфигурация и распределение струйных течений определяется особенностями температурного поля, а именно уменьшением разности температуры между полюсами и экватором летом и увеличением этой разности зимой. Отличия между струйными течениями Северного и Южного полушарий можно объяснить неравномерным распределением суши и океана, а также разностью климатических условий, что влияет на свойства воздушных масс, на границах которых образуются струйные течения. Максимальный сдвиг центров струйных течений к полюсам наблюдается с середины лета и начала осени для каждого полушария. Стоит отметить, что для Южного полушария область центра струйных течений имеет выраженный сдвиг в сторону экватора, как во внутригодовом ходе, так и в межгодовом. Выявлено, что лучше всего струйные течения прослеживаются над океанами и восточными и юго-восточными побережьями материков, как и отмечалось в работе (Накоренко Н.Ф., Токарь Ф.Г., 1959).
Наибольшее количество струйных течений в Северном полушарии наблюдается осенью (преимущественно в ноябре) и весной - около (6-7 струйных течений), в Южном полушарии - в основном, в мае-июне и осенью (около 7-8 струйных течений). Наименьшее количество струйных течений наблюдается в обоих полушариях в летний период: в июле и августе в СП обнаруживается около 4-5 струйных течения и 3-5 струйных течения в ЮП с декабря по февраль (минимум количества СТ достигается в последний месяц сезона). Максимальные площади отмечаются для зимы и конца осени. Минимальные площади струйных течений характерны для летнего полушария, при этом СТ ЮП по своим размерам и интенсивности превосходят СТ СП. Скорости ветра на оси струйных течений для Северного полушария начинают доходить до своих максимальных значений (от 80 м/с и более) с середины октября и устанавливаются в декабре-январе, а минимальные значения характеризуют конец весны и лето (в среднем до 50 м/с). В Южном полушарии максимальные скорости ветра на оси струйного течения приходятся на июль-август (до 100 м/с), а минимальные на ноябрь-декабрь и апрель (в среднем от 50 до 60 м/с), при этом в ЮП в течение каждого месяца могут наблюдаться СТ со скоростями превышающими 70 м/с. Эффективное время жизни струйных течений в обоих полушариях имеет тот же принцип распределения, как и их площади: наибольшее время жизни свойственно для струйных течений, образующихся зимой, а наименьшее - для летних СТ. При этом более устойчивыми во времени являются СТ Северного полушария. Так время жизни струйного течения, образующегося над Японией и северо-западной частью Тихого океана, может достигать 7 дней.
В межгодовой изменчивости можно заметить незначительное ослабление зимних струйных течений и усиление летних. Также в ходе исследования были отмечены некоторые особенности распределения струйных течений в Северном и Южном полушариях: количество струйных течений (со скоростями на оси 60 м/с и более) и их площади в зимнее время больше в ЮП, чем в СП. В целом, можно сказать, что струйные течения ярче выражены в Южном полушарии. Струйные течения Северного полушария характеризуются максимальными значениями скоростей ветра и эффективного времени жизни. В Южном полушарии наблюдается максимальное количество СТ с повторяемостью скорости ветра на оси более 70 м/с.
При анализе взаимосвязи струйных течений с Североатлантическим колебанием было выявлено, что между ними существует связь нелинейного характера. Не всегда поведение струйных течений соотносится с фазой САК. В некоторых случаях, когда наблюдаются положительные значения индекса, центры струйных течений сдвигаются к полюсу, хотя должны к экватору. В этом случае накладываются другие крупномасштабные атмосферные явления и процессы, такие как, внутригодовой ход основных параметров струйных течений, волны Россби, Эль-Ниньо и Ла-Нинья, внезапные стратосферные потепления и другие, которые вносят свои коррективы и оказывают влияние на конфигурацию струйных течений и изменчивость их основных параметров. Поэтому судить об однозначной связи струйных течений с каким-либо атмосферным явлением довольно сложно, так как они находятся в постоянном взаимном влиянии друг на друга, и часто возникновение одного явления ведет к развитию других.
Анализ основных исследуемых характеристик СТ показал, что данные за выбранный пятилетний период хорошо согласуются с результатами работ других авторов (Воробьев, 1960; Нерушев, Ивангородский, 2017). Обобщая весь вышеописанный анализ и выделяя ключевые моменты, можно сделать следующие выводы: сезонная конфигурация и распределение струйных течений определяется особенностями температурного поля, а именно уменьшением разности температуры между полюсами и экватором летом и увеличением этой разности зимой. Отличия между струйными течениями Северного и Южного полушарий можно объяснить неравномерным распределением суши и океана, а также разностью климатических условий, что влияет на свойства воздушных масс, на границах которых образуются струйные течения. Максимальный сдвиг центров струйных течений к полюсам наблюдается с середины лета и начала осени для каждого полушария. Стоит отметить, что для Южного полушария область центра струйных течений имеет выраженный сдвиг в сторону экватора, как во внутригодовом ходе, так и в межгодовом. Выявлено, что лучше всего струйные течения прослеживаются над океанами и восточными и юго-восточными побережьями материков, как и отмечалось в работе (Накоренко Н.Ф., Токарь Ф.Г., 1959).
Наибольшее количество струйных течений в Северном полушарии наблюдается осенью (преимущественно в ноябре) и весной - около (6-7 струйных течений), в Южном полушарии - в основном, в мае-июне и осенью (около 7-8 струйных течений). Наименьшее количество струйных течений наблюдается в обоих полушариях в летний период: в июле и августе в СП обнаруживается около 4-5 струйных течения и 3-5 струйных течения в ЮП с декабря по февраль (минимум количества СТ достигается в последний месяц сезона). Максимальные площади отмечаются для зимы и конца осени. Минимальные площади струйных течений характерны для летнего полушария, при этом СТ ЮП по своим размерам и интенсивности превосходят СТ СП. Скорости ветра на оси струйных течений для Северного полушария начинают доходить до своих максимальных значений (от 80 м/с и более) с середины октября и устанавливаются в декабре-январе, а минимальные значения характеризуют конец весны и лето (в среднем до 50 м/с). В Южном полушарии максимальные скорости ветра на оси струйного течения приходятся на июль-август (до 100 м/с), а минимальные на ноябрь-декабрь и апрель (в среднем от 50 до 60 м/с), при этом в ЮП в течение каждого месяца могут наблюдаться СТ со скоростями превышающими 70 м/с. Эффективное время жизни струйных течений в обоих полушариях имеет тот же принцип распределения, как и их площади: наибольшее время жизни свойственно для струйных течений, образующихся зимой, а наименьшее - для летних СТ. При этом более устойчивыми во времени являются СТ Северного полушария. Так время жизни струйного течения, образующегося над Японией и северо-западной частью Тихого океана, может достигать 7 дней.
В межгодовой изменчивости можно заметить незначительное ослабление зимних струйных течений и усиление летних. Также в ходе исследования были отмечены некоторые особенности распределения струйных течений в Северном и Южном полушариях: количество струйных течений (со скоростями на оси 60 м/с и более) и их площади в зимнее время больше в ЮП, чем в СП. В целом, можно сказать, что струйные течения ярче выражены в Южном полушарии. Струйные течения Северного полушария характеризуются максимальными значениями скоростей ветра и эффективного времени жизни. В Южном полушарии наблюдается максимальное количество СТ с повторяемостью скорости ветра на оси более 70 м/с.
При анализе взаимосвязи струйных течений с Североатлантическим колебанием было выявлено, что между ними существует связь нелинейного характера. Не всегда поведение струйных течений соотносится с фазой САК. В некоторых случаях, когда наблюдаются положительные значения индекса, центры струйных течений сдвигаются к полюсу, хотя должны к экватору. В этом случае накладываются другие крупномасштабные атмосферные явления и процессы, такие как, внутригодовой ход основных параметров струйных течений, волны Россби, Эль-Ниньо и Ла-Нинья, внезапные стратосферные потепления и другие, которые вносят свои коррективы и оказывают влияние на конфигурацию струйных течений и изменчивость их основных параметров. Поэтому судить об однозначной связи струйных течений с каким-либо атмосферным явлением довольно сложно, так как они находятся в постоянном взаимном влиянии друг на друга, и часто возникновение одного явления ведет к развитию других.