Внезапные стратосферные потепления в Южном полушарии
|
ВВЕДЕНИЕ 4
1 Внезапное стратосферное потепление 7
1.1 ВСП в Северном полушарии 9
1.2 ВСП в Южном полушарии 11
2 Использованные данные 15
2.1 Фаза КДК 16
2.2 Фаза ТДО 18
2.3 Индексы Эль - Ниньо Южное колебание. MEI индекс. ONI индекс 22
2.4 Данные американского реанализа MERRA - 2 26
2.5 Данные европейского реанализа ERA5 27
3 Результаты исследования 29
3.1 Исследование среднезональной температуры 29
3.2 Исследование среднезональной зональной компоненты 34
3.3 Анализ давления 36
3.4 Анализ поведения планетарных волн 42
3.5 Приливные колебания и быстрые волны перед событием ВСП и в 46
момент ВСП
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 70
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАНЬЕ ИСТОЧНИКОВ 72
1 Внезапное стратосферное потепление 7
1.1 ВСП в Северном полушарии 9
1.2 ВСП в Южном полушарии 11
2 Использованные данные 15
2.1 Фаза КДК 16
2.2 Фаза ТДО 18
2.3 Индексы Эль - Ниньо Южное колебание. MEI индекс. ONI индекс 22
2.4 Данные американского реанализа MERRA - 2 26
2.5 Данные европейского реанализа ERA5 27
3 Результаты исследования 29
3.1 Исследование среднезональной температуры 29
3.2 Исследование среднезональной зональной компоненты 34
3.3 Анализ давления 36
3.4 Анализ поведения планетарных волн 42
3.5 Приливные колебания и быстрые волны перед событием ВСП и в 46
момент ВСП
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 70
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАНЬЕ ИСТОЧНИКОВ 72
Внезапное стратосферное потепление (ВСП) - одно из самых впечатляющих динамических событий в стратосфере. События ВСП включают в себя большое и быстрое повышение температуры в средних и верхних слоях стратосферы и, нередко, инверсии климатологических западных среднезональных ветров, связанных со струйным течением в стратосфере во время полярной ночи [1-3]. Обычно они вызваны диссипацией планетарных волн при проникновении их из тропосферы в стратосферу.
В литературе есть много определений для типа ВСП: основное, второстепенное, финальное и канадское. Главное определение основных ВСП, утвержденное ВМО, звучит так: стратосферное потепление отмечается, если на уровне 10 гПа или ниже, зонально осредненная температура возрастает к полюсу от 60 градусов широты, и наблюдается связанное с этим изменение циркуляции (т.е. зональные западные ветры на 60-ой широте меняют свое направление на восточное).
Значительные ВСП в середине зимы редко встречаются в Южном полушарии, в основном из-за более слабых амплитуд стационарных планетарных волн [4]. Единственное наблюдаемое исключение было в сентябре 2002 года, когда произошло крупное ВСП: температура стратосферы увеличилась примерно на 40 К, зональная компонента поменяла свое направление. Многие исследования описывают динамику и проблему озоновой дыры в атмосферы до и во время этого события [5,6]. Еще одно сильное ВСП в Южном полушарии произошло в 2019 году. Здесь важно сравнение его характеристик с характеристиками сильного ВСП 2002 года для выявления сходства между этими двумя событиями для будущих возможных исследований не только в стратосфере, но также и в ионосфере или тропосфере.
ВСП очень важно изучать, поскольку связанные с ними аномалии температуры и ветра могут спускаются вниз в тропосферу во временных масштабах от недель до месяцев и иметь значительные воздействия на зимнюю приземную погоду в обоих полушариях. Например, после ВСП в Северном полушарии очень холодный воздух проникает на некоторые территории Северной Америки, Северной Евразии и Сибири, то есть происходит похолодание. В Южном полушарии ВСП приводит также к аномальной погоде с похолоданием и увеличением количества осадков в Тасмании, южной части Новой Зеландии и южных частях Южной Америки, а также к аномально теплым и засушливым условиям над большей территорией Австралии [7], что может значительно повысить риск возникновения лесных пожаров в этом регионе [8].
Целью исследовательской работы является выявление закономерностей в поведении термодинамических характеристик, приливов и планетарных волн перед ВСП и в момент ВСП в Южном полушарии. Для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи:
1. анализ поведения среднезональной температуры и зональной компоненты ветра в высоких широтах Южного полушария на высотах стратосферы для определения даты наступления ВСП в 2002 и 2019 годах;
2. исследование поля геопотенциальной высоты над Антарктидой для анализа поведения стратосферного полярного вихря для 2002 и 2019 годов;
3. расчет амплитуд планетарных волн с волновым числом 1, 2 и 3, для оценки усиления гармоник до и во время ВСП для 2002 и 2019 годов;
4. определение фаз тропических осцилляций для проведения сравнительного анализа поведения волн в аналогичные годы и в годы, 1995 и 2004, когда события ВСП не было;
5. анализ мигрирующих и немигрирующих приливных колебаний, а также быстрых волн перед событием ВСП и в момент ВСП 2002 и 2019 гг. и для 1995, 2004 гг., когда события ВСП не было;
Бакалаврская работа состоит из трех глав, введения, заключения. В первой главе описаны основные теоретические сведения о явлении ВСП, о возможных причинах его образования, механизме взаимодействия планетарных волн и полярного вихря, о влиянии ВСП на приземную погоду. Вторая глава посвящена используемым данным реанализа MERRA2 и ERA5. Также в этой главе приведена информация о тропических периодических осцилляциях и тихоокеанской декадной осцилляции. В третьей главе изложены результаты практической части исследовательской работы, анализ итогов, основные закономерности. В заключении приведены выводы по выполненным задачам.
В литературе есть много определений для типа ВСП: основное, второстепенное, финальное и канадское. Главное определение основных ВСП, утвержденное ВМО, звучит так: стратосферное потепление отмечается, если на уровне 10 гПа или ниже, зонально осредненная температура возрастает к полюсу от 60 градусов широты, и наблюдается связанное с этим изменение циркуляции (т.е. зональные западные ветры на 60-ой широте меняют свое направление на восточное).
Значительные ВСП в середине зимы редко встречаются в Южном полушарии, в основном из-за более слабых амплитуд стационарных планетарных волн [4]. Единственное наблюдаемое исключение было в сентябре 2002 года, когда произошло крупное ВСП: температура стратосферы увеличилась примерно на 40 К, зональная компонента поменяла свое направление. Многие исследования описывают динамику и проблему озоновой дыры в атмосферы до и во время этого события [5,6]. Еще одно сильное ВСП в Южном полушарии произошло в 2019 году. Здесь важно сравнение его характеристик с характеристиками сильного ВСП 2002 года для выявления сходства между этими двумя событиями для будущих возможных исследований не только в стратосфере, но также и в ионосфере или тропосфере.
ВСП очень важно изучать, поскольку связанные с ними аномалии температуры и ветра могут спускаются вниз в тропосферу во временных масштабах от недель до месяцев и иметь значительные воздействия на зимнюю приземную погоду в обоих полушариях. Например, после ВСП в Северном полушарии очень холодный воздух проникает на некоторые территории Северной Америки, Северной Евразии и Сибири, то есть происходит похолодание. В Южном полушарии ВСП приводит также к аномальной погоде с похолоданием и увеличением количества осадков в Тасмании, южной части Новой Зеландии и южных частях Южной Америки, а также к аномально теплым и засушливым условиям над большей территорией Австралии [7], что может значительно повысить риск возникновения лесных пожаров в этом регионе [8].
Целью исследовательской работы является выявление закономерностей в поведении термодинамических характеристик, приливов и планетарных волн перед ВСП и в момент ВСП в Южном полушарии. Для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи:
1. анализ поведения среднезональной температуры и зональной компоненты ветра в высоких широтах Южного полушария на высотах стратосферы для определения даты наступления ВСП в 2002 и 2019 годах;
2. исследование поля геопотенциальной высоты над Антарктидой для анализа поведения стратосферного полярного вихря для 2002 и 2019 годов;
3. расчет амплитуд планетарных волн с волновым числом 1, 2 и 3, для оценки усиления гармоник до и во время ВСП для 2002 и 2019 годов;
4. определение фаз тропических осцилляций для проведения сравнительного анализа поведения волн в аналогичные годы и в годы, 1995 и 2004, когда события ВСП не было;
5. анализ мигрирующих и немигрирующих приливных колебаний, а также быстрых волн перед событием ВСП и в момент ВСП 2002 и 2019 гг. и для 1995, 2004 гг., когда события ВСП не было;
Бакалаврская работа состоит из трех глав, введения, заключения. В первой главе описаны основные теоретические сведения о явлении ВСП, о возможных причинах его образования, механизме взаимодействия планетарных волн и полярного вихря, о влиянии ВСП на приземную погоду. Вторая глава посвящена используемым данным реанализа MERRA2 и ERA5. Также в этой главе приведена информация о тропических периодических осцилляциях и тихоокеанской декадной осцилляции. В третьей главе изложены результаты практической части исследовательской работы, анализ итогов, основные закономерности. В заключении приведены выводы по выполненным задачам.
Внезапное стратосферное потепление есть результат взаимодействия волн планетарного масштаба и стратосферного полярного вихря. В процессе исследовательской работы были изучены изменения, происходящие в атмосфере стратосферы, во время этого явления в Южном полушарии. Были выполнены поставленные задачи с помощью построения распределения среднезональной температуры, среднезональной зональной компоненты ветра, поля геопотенциальной высоты на высотах стратосферы, расчета амплитуд ПВ, эволюцию мигрирующих и немигрирующих приливных колебаний во времени. По результатам проделанной работы можно сделать следующие выводы:
-I- лавинообразное повышение температуры отмечалось уже перед ВСП, а непосредственно в момент события ВСП увеличение температуры было максимальным и резким: в оба года рост составил до 40 К; такое развитие температуры наблюдалось около двух недель в 2002 и 2019 гг.; потепление в стратосфере распространилось не только над территорией Антарктиды, но и над прибрежными территориями материка;
-I- в момент ВСП наблюдалось ослабление зональной компоненты ветра: в 2002 году скорость составила 30 м/с восточного направления, в 2019 - 20 м/с западного направления; только в 2002 году также произошло обращение этой компоненты;
-I- в поле давления прослеживалось изменение геопотенциальной высоты: к моменту возникновения ВСП давление начало
увеличиваться; во время ВСП происходило деформирование вихря: в 2002 году обнаружилось его расщепление на 2 центра, в 2019 - уменьшение его площади и небольшое смещение от центра полюса;
-I- в рассмотренных годах фаза КДК с января по март была западной, в августе - сентябре - восточной;
-I- поведение стационарных планетарных волн с волновыми числами 1 и 2 соответствует аналогичному поведению волн при ВСП в Северном полушарии, но усиление ПВ3 во время максимального развития ВСП в Южном полушарии нетипично для Северного полушария;
-I- отмечены различия в поведении квазидвухдневной волны с волновым числом 1 и 2 в 1995, 2002, 2004, 2019 гг. в 2002 и 2019 гг. В 2002 и 2019 гг. Усиление квазидвухдневной волны с волновым числом 2 в поле зональной и меридиональной компонент ветра началось уже в июне 2002 г. (20 м/c и 26 м/с) и в июле 2019 г. (18 м/с и 16 м/с). Наибольшее усиление этой же волны с волновым числом 1 было в августе и достигало в поле зональной компоненты 55 м/с в 2002 году, 45 м/с - в 2019 г., в поле меридиональной - 54 м/с в 2002 году, 26 м/с - в 2019 г. В условиях аналогичных фаз 1995 и 2004 гг. такого усиления не отмечается. Отклика в приливах не обнаружилось.
-I- лавинообразное повышение температуры отмечалось уже перед ВСП, а непосредственно в момент события ВСП увеличение температуры было максимальным и резким: в оба года рост составил до 40 К; такое развитие температуры наблюдалось около двух недель в 2002 и 2019 гг.; потепление в стратосфере распространилось не только над территорией Антарктиды, но и над прибрежными территориями материка;
-I- в момент ВСП наблюдалось ослабление зональной компоненты ветра: в 2002 году скорость составила 30 м/с восточного направления, в 2019 - 20 м/с западного направления; только в 2002 году также произошло обращение этой компоненты;
-I- в поле давления прослеживалось изменение геопотенциальной высоты: к моменту возникновения ВСП давление начало
увеличиваться; во время ВСП происходило деформирование вихря: в 2002 году обнаружилось его расщепление на 2 центра, в 2019 - уменьшение его площади и небольшое смещение от центра полюса;
-I- в рассмотренных годах фаза КДК с января по март была западной, в августе - сентябре - восточной;
-I- поведение стационарных планетарных волн с волновыми числами 1 и 2 соответствует аналогичному поведению волн при ВСП в Северном полушарии, но усиление ПВ3 во время максимального развития ВСП в Южном полушарии нетипично для Северного полушария;
-I- отмечены различия в поведении квазидвухдневной волны с волновым числом 1 и 2 в 1995, 2002, 2004, 2019 гг. в 2002 и 2019 гг. В 2002 и 2019 гг. Усиление квазидвухдневной волны с волновым числом 2 в поле зональной и меридиональной компонент ветра началось уже в июне 2002 г. (20 м/c и 26 м/с) и в июле 2019 г. (18 м/с и 16 м/с). Наибольшее усиление этой же волны с волновым числом 1 было в августе и достигало в поле зональной компоненты 55 м/с в 2002 году, 45 м/с - в 2019 г., в поле меридиональной - 54 м/с в 2002 году, 26 м/с - в 2019 г. В условиях аналогичных фаз 1995 и 2004 гг. такого усиления не отмечается. Отклика в приливах не обнаружилось.