Влияние динамических процессов на сроки весенней перестройки циркуляции стратосферы

• Автор: Савенкова, Елена Николаевна
• Шифр специальности: 25.00.30
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 121 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР
1.1 Динамические процессы в стратосфере
1.2 Взаимодействие стратосферы и тропосферы
1.3 Внезапные стратосферные потепления
1.4 Финальные стратосферные потепления и перестройка циркуляции с зимнего режима на летний
2 АНАЛИЗ ДИНАМИЧЕСКОГО РЕЖИМА СТРАТОСФЕРЫ ВО ВРЕМЯ ВЕСЕННЕЙ ПЕРЕСТРОЙКИ ЦИРКУЛЯЦИИ
2.1 Анализ существующих подходов к определению даты весенней перестройки циркуляции
2.2 Метод определения даты весенней перестройки
2.3 Климатическая изменчивость сроков весенней перестройки
2.4 Влияние планетарных волн на процесс перестройки циркуляции стратосферы
2.5 Влияние квазидвухлетних колебаний и северной кольцевой моды на дату весенней перестройки циркуляции стратосферы
3 МОДЕЛЬ СРЕДНЕЙ И ВЕРХНЕЙ АТМОСФЕРЫ МСВА
3.1 Основные уравнения модели
3.2 Постановка начальных и граничных условий
3.3 Параметризация бегущих планетарных волн в МСВА
3.4 Методы решения уравнений модели
4 АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЧИСЛЕННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ С УСОВЕРШЕНСТВОВАННОЙ МСВА
4.1 Результаты моделирования с помощью МСВА
4.2 Сравнение результатов моделирования с результатами наблюдений
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
Изучение динамических процессов, протекающих на различных высотах атмосферы Земли, и их взаимодействия является одной из важнейших фундаментальных задач метеорологии, в общем, и физики атмосферы в частности. В последние десятилетия, благодаря интенсивному развитию наземных и аэрокосмических систем наблюдения, накоплен огромный объем данных измерений, касающихся тепловой структуры, газового состава и динамических характеристик атмосферы. Ассимиляция этих данных в моделях общей циркуляции атмосферы (таких, как NCEP/NCAR, ECMWF, UK Met Office) позволила создать архивы глобальных распределений метеорологических параметров, которые доступны для анализа. Результаты обработки данных, ассимилированных в указанных моделях, свидетельствуют о постоянном присутствии в атмосфере Земли волновых возмущений глобального масштаба (планетарных волн). Стационарные планетарные волны (СПВ) возникают в тропосфере вследствие крупномасштабных неоднородностей рельефа и различий в нагреве поверхности суши и океана. До последнего времени считалось, что только тропосфера оказывает существенное влияние на имеющую значительно меньшую плотность стратосферу за счет распространения СПВ снизу вверх. В последние годы на основе анализа данных наблюдений и результатов модельных расчетов установлено, что изменчивость циркуляции стратосферы оказывает существенное влияние на условия распространения и отражения СПВ [Chen and Robinson, 1992; Perlwitz and Hamik, 2003]. Отраженные от стратосферы СПВ могут достигать высот тропосферы, трансформироваться в результате нелинейных взаимодействий и/или фокусировки трехмерного потока волновой активности в волны меньшего масштаба и оказывать влияние на формирование погодных условий отдельных регионов. Так, например, учет динамической ситуации в стратосфере путем ассимиляции данных ECMWF при сезонных прогнозах

погоды Северного полушария позволил существенно повысить успешность прогнозов в зимние месяцы [Douville, 2009]. Таким образом, исследования стратосферно-тропосферного взаимодействия имеют также важное практическое значение.
Особо важную роль указанные исследования играют в связи с необходимостью обнаружения и контроля возможных климатических изменений, связанных с антропогенными и естественными воздействиями. Анализ климатической изменчивости температуры с использованием данных NCEP/NCAR показал, что наблюдаются заметные изменения зимней температуры нижней атмосферы, которые имеют противоположный знак в низких и высоких широтах [Канухина и др., 2007]. Эти изменения приводят к соответствующим изменениям интенсивности и расположения максимумов тропосферных струйных течений и, тем самым, к улучшению условий распространения СПВ. Анализ данных NCEP/NCAR позволил выявить также существенный рост амплитуды СПВ1 (планетарная волна с зональным числом т=1) в зимней стратосфере за последние десятилетия [Kanukhina et al., 2008]. Наблюдаемое в последние десятилетия возрастание амплитуды СПВ1 может вести к фундаментальному изменению стратосферной динамики, т.е. к переходу от квазистационарного режима при малых амплитудах СПВ1 к квазипериодическим и/или даже хаотическим осцилляциям (васцилляциям) при больших амплитудах СПВ1 [Holton and Mass, 1976]. Расчеты, выполненные с использованием Модели Средней и Верхней Атмосферы (МСВА) [Погорельцев, 2007], показали, что изменения условий распространения СПВ приводят как к существенному увеличению самой амплитуды СПВ1 в стратосфере, так и к заметному усилению внутрисезонной изменчивости среднего потока и амплитуды СПВ1 в зимний сезон [Pogoreltsev et al., 2009], т.е. к увеличению амплитуды стратосферных васцилляций. Модельные расчеты климатических сценариев развития внезапных стратосферных потеплений (ВСП) для 21 столетия показали статистически значимый положительный тренд (примерно одно событие

перестройка влияет на гидрологический цикл, вегетационный период роста растений и продуктивность экосистемы в целом [Cayan et al., 2001; D’Odoric et al., 2002]. Межгодовая изменчивость сроков весенней перестройки связана с вариациями АО и с близко с ней связанной СКМ [D’Odoric et al., 2002; Overland et al., 2002], а также связана с региональными изменениями толщины морского льда, содержания тропосферного озона, облачности и температуры воздуха [Wang and Key, 2004; Belchansky et al., 2004; Lamarque and Hess, 2004]. На изменчивость сроков весенней перестройки влияют также квазидвухлетние колебания и 11-летний цикл солнечной активности. В последние годы уделяется большое внимание изучению динамических процессов и волновых движений в атмосфере Земли. Взаимодействие циркуляционных процессов в тропосфере и стратосфере всегда привлекало внимание исследователей, особенно с точки зрения использования закономерностей этого взаимодействия в долгосрочных прогнозах погоды. Несмотря на это механизмы естественной межгодовой изменчивости динамики стратосферы-тропосферы по-прежнему остаются не до конца изученными. Именно совершенствование воспроизведения естественной изменчивости динамики стратосферы-тропосферы является одной из важнейших задач развития численных моделей циркуляции атмосферы, а также включающих их более сложных современных климатических моделей.
Важнейшим фактором, определяющим характер зимней циркуляции стратосферы средних и высоких широт в Северном полушарии, является возникновение В СП. Несмотря на то, что эти явления активно исследуются на протяжении последних 60 лет, по-прежнему остается много открытых вопросов о механизмах их возникновения, их интенсивности, продолжительности, факторах определяющих распространение влияния ВСП в нижнюю стратосферу. Необходимо отметить, что до сих пор отсутствует возможность сколь угодно заблаговременного прогнозирования их возникновения, интенсивности, продолжительности и проникновения в нижнюю стратосферу. В свою очередь количество и интенсивность ВСП в