Исследование разделения полярного вихря в Антарктике в сентябре 2002 г. П. Варгин 1, Д. Петерс 2, Х. Кёрних³. В последние более чем 20 лет в весенний сезон. - презентация

1 Исследование разделения полярного вихря в Антарктике в сентябре 2002 г. П. Варгин 1, Д. Петерс 2, Х. Кёрних³. В последние более чем 20 лет в весенний сезон (сентябрь-октябрь) в Антарктике наблюдалось постоянное (за исключением 1988 г.) увеличение озонной аномалии. В этой связи, особенный интерес представляет исследование рекордно малой озонной дыры 2002 г. Сильная возмущенность стратосферы, ослабленная зональная циркуляция, высокая интенсивность планетарных волн и, впервые зарегистрированное в Южном полушарии сильное стратосферное потепление (ССП), привели к разделению на две части полярного вихря. Высокая интенсивность планетарных волн привела к интенсивному вихревому меридиональному переносу озона из средних в полярные широты и значительному сокращению озонной дыры [Варгин, Жадин, Метеор. и Гидрол., 2004]. Недавно было показано [Nishii, Nakamura, GRL, 2004], что усиление антициклона в Южной Атлантике в период ССП, связано с планетарной волной, возникшей в регионе сильной конвекции (характеризуемом сильной отрицательной аномалией уходящей длинноволновой радиации), расположенном вблизи Индонезии. В настоящей работе проводиться анализ пространственной структуры и временной изменчивости планетарных волн в зимне-весенний сезон 2002 г. в Южном полушарии и исследуется дополнительный к описанному Nishii, Nakamura [2004], источник волновой активности, усиление которого также оказало влияние на разделение полярного вихря в сентябре 2002 г. [Peters, Vargin, Körnich, Tellus, в редакции]. До настоящего времени остаются открытыми вопросы: Почему интенсивность планетарных волн была рекордно высокой в Антарктике 2002 г.? Каковы причины межгодовой изменчивости планетарных волн ? ССП 2002 г.в Антарктике – случайное событие или ССП связано с восстановлением озонного слоя? Почему произошло разделение полярного вихря ? – исследуется в настоящей работе Статьи посвященные антарктической озонной дыре 2002 г. – > J.Atmos. Science, vol.62, No.3, Тезисы август – октябрь 1998 август – октябрь 2002 Разделение полярного вихря в Антарктике сентября 2002 г. Выводы Межгодовое изменение интенсивности истощения озона в Антарктике с 1979 г. до 2004 г. Межгодовое изменение интенсивности истощения озона в Антарктике с 1979 г. до 2004 г. Межгодовая изменчивость среднемесячного зонально-осредненного общего содержания озона (е.Д.) на 75° ю.ш. в сентябре с 1979 по 2004 г. (Отсутствующее значение за 1995 г. заменено средним климатическим.) Моделирование разделение полярного вихря в сентябре 2002 г. Модель общей циркуляции: ECHAM4 разработана на основе модели Европейского Центра Среднесрочных прогнозов погоды (ECMWF). Горизонтальная сетка модели задаётся при помощи сферических гармоник, число гармоник Вертикальное представление: гибридная координатная система, 19 уровней от поверхности до 10 г Па. Шаг интегрирования: 24 минуты. Пограничный слой задается согласно теории подобия Обухова - Монина. Используется упрощенный вариант модели общей циркуляции - simplified global circulation model (SGCM). SGCM отличается от GCM в описании нагрева: радиационная схема заменяется параметризацией Ньютоновского выхолаживания (в уравнении термодинамики) – в результате температура релаксируется к основному состоянию (среднемесячное значение температуры в сентябре 2002 г.) с определенным временем релаксации - tau. Основные этапы модельного эксперимента: Модельный эксперимент проводится для постоянного расположения Солнца - сентябрь. 1-й этап -12 месяцев вычисляются с сильной релаксацией (tau=0.3 дней ) 2-й этап – 12 месяцев вычисляются с слабой релаксацией (tau=10/15/20 дней) 3-й этап – 1 месяц - расчет проводятся с функцией, описывающей источники планетарных волн Анализ распространения планетарных волн в Антарктике в сентябре 2002 г. Вектор Элиассена-Пальма [Plumb, 1985] направлен параллельно групповой скорости (распространение энергии волн), а дивергенция ЕР определяет влияние планетарных волн (ослабление или усиление) на зональную циркуляцию (зональный ветер). В результате ССП произошло резкое сокращение озонной дыры - увеличение общего содержания озона (ОСО) более чем на 100 е.Д. (!!) Изменение средне зонального ОСО (е.Д.), осредненного по области 80-60° ю.ш. с 1 августа по 31 октября 1998 и 2002 г. 3 малых стратосферных потепления : конец августа, начало, середина сентября 2002 г. -Впервые зарегистрировано Сильное Стратосферное Потепление (ССП) в Юж.П В результате: разделение полярного вихря в стратосфере на две части -увеличение тем-ры ~50°С (макс. ~25 км), изменение градиента Т°С между 60° и 90° ю.ш. -изменение направления зонального ветра с западного на восточное -По интенсивности ССП 2002 г. превосходит все известные страт. потепления в Сев. П. и Юж.П. Задание источников генерации планетарных волн. Эволюция аномалий (отклонений от климатологического значения с 1979 по 2001 г.) длинноволновой уходящей радиации [W/m²] в июле-сентябре 2002 г., осредненные по регионам: (20-40° E; 10-30° S), (20-40° E; 20-40° S), (30-50° E; ° S) – черная, красная и пунктирная линии. Литература Полученные в настоящей работе результаты подтверждают и уточняют предложенный в работе [Nishii, Nakamura, 2004] механизм возникновения ССП в Антарктике в сентябре 2002 г. и могут являться объяснением причин разделения полярного вихря, а именно: разделение полярного вихря на две части в ходе ССП произошло вследствие усиления двух антициклонов: в южной Атлантике и в юго-западной части Тихого океана. Усиление данных антициклонов произошло благодаря действию двух планетарных волн, возникших в регионах с сильной конвекцией вблизи Индонезии и в юго-западной части Индийского океана в середине сентября 2002 г. Проведенные модельные вычисления подтвердили возможность усиления наблюдавшихся в Антарктике в период сентября 2002 г. антициклонов и модификации полярного вихря вследствие действия планетарных волн. Для достижения в ходе модельных расчетов разделения полярного вихря необходимо продолжение модельного эксперимента. Peters, D., Vargin, P., and H. Körnich, A Study of the Zonally Asymmetric Tropospheric Forcing of the Austral Vortex Splitting During September 2002, Tellus, (в редакции), Варгин П.Н., Жадин Е.А., Влияние стратосферного потепления на антарктическую озоновую дыру 2002 года; Метеорология и Гидрология, 8, стр.36-45, Жадин Е.А., Варгин П.Н. Антарктическая озоновая дыра 2002 г. Известия РАН, Физика атмосферы и океана, т.40, 6, стр , Andrews D., McIntyre M., Planetary waves in horisontal and vertical shear. J.Atmos.Sci., 33, ,1976. Charney J., Drazin P., Propagation of planetary-scale disturbances from the lower to upper atmosphere, J. Geophys. Res., 66, , Matsuno, T., A dynamical model of stratospheric sudden warming, J. Atmos. Sci., 28, , Nishii, K., Nakamura, H., Tropospheric influence on Antarctic ozone hole split 2002, Geophys. Res. Letters, Plumb, R., On the Three-dimensional Propagation of Stationary Waves, J. Atmos. Sci., vol. 42, p , Sardeshmukh, P., and B. Hoskins, The generation of global rotational flow by steady idealized tropical divergence, J.Atmos. Sci., 45, , Планетарные волны (ПВ) возникают вследствие неоднородностей орографии и температурного режима поверхности суши и океанов, а также в результате процессов неустойчивости, нелинейного взаимодействия волн и др. Планетарные волны могут влиять на распределение параметров атмосферы при условии, что: ПВ нестационарный или присутствует диссипация - теорема о не взаимодействии [Andrews, McIntyre, 1976]. ПВ могут быть: квазистационарными – с фазовой скоростью близкой к нулю и бегущими – распространяющиеся вдоль круга долгот (фазовая скорость ~10-20 м/с) Основные параметры планетарных волн Зональное волновое число k - количество максимумов по кругу долгот (основная волновая структура стратосферы определяется планетарными волнами с k =1-3) Длина волн - тысячи км., период от 1-2 суток и более Сезон – квазистационарные ПВ проникают в стратосферу из тропосферы в зимний сезон - необходим западный зональный ветер [Charney, Drazin 1961]. Формула для скоростей распространения ПВ была получена Россби: где - параметр Россби, - радиус, широта и скорость углового вращения Земли. полное волновое число. В зависимости от скорости зонального ветра U и K планетарная волна может распространяться на запад (С>0), восток (C<0) или быть стационарной (С=0). в стратосфере ЮП доминируют квазистационарная волна k=1 и бегущая на восток k=2 Планетарные ( крупномасштабные) атмосферные волны Геопотенциал (м*100) на 30 г Па (~25 км) и ОСО (е.Д.) в Антарктике ИССЛЕДОВАНИЕ НАИБОЛЕЕ СЛАБОГО ЗА ПОСЛЕДНИЕ 20 ЛЕТ ИСТОЩЕНИЯ ОЗОНОВОГО СЛОЯ В АНТАРКТИКЕ В 2002 г. Зонально-осредненный поток озона (ppmvм/с) на 10 г Па (~32 км) [Варгин, Жадин, Мет. и Гидр., 2004] 2002 г. max: поток озона к Южному полюсу ~28 ppmvм/с в сентябре 1998 г.: ( большая озонная дыра ! ) max: поток к Южному полюсу ~14 ppmvм/с в конце октября Высотно-широтная диаграмма зонально-осредненных векторов Элиассена-Пальма [m²/s²] и дивергенции [10-5 m/s²] в период г. (слева) и 2001 г. (справа). Структура 2-х источников планетарных волн: 1-й Индонезийский (NN, 2004) 2-й вблизи Мадагаскара (Peters, Vargin, Kornich, 2006 ) Сравнение меридионального вихревого переноса озона в августе-октябре 1998 и 2002 гг. Интенсивность доминирующих планетарных волн в июле-сентябре 2002 г. в Антарктике была рекордно высокой за последние 25 лет. Амплитуда планетарных волн с волновыми числами k=1,2,3 в геопотенциале (м * 10) на 10 г Па (~32 км) в области 70-60° ю.ш. в мае-октябре в 1988 г. и 2002 г., а также среднее значение амплитуд с 1979 по 2003 г. В работе используются ежедневные глобальные регулярные данные температуры, геопотенциала, зонального и меридионального ветра (NCEP-Reanalysis, ECMWF), общего содержания озона (TOMS), ассимилированные данные вертикального распределения озона (DAO, NASA), данные длинно-волновой уходящей радиации (NOAA). В августе-сентябре 2002 г. наблюдался интенсивный вихревой перенос богатых озоном воздушных масс из средних широт в полярные. (3) Факультет физики атмосферы, Университет г. Стокгольм, Швеция (2) Институт физики атмосферы, Университет г. Ростока, г.Кюхлунгсборн, Германия (1) ГУ Центральная Аэрологическая обсерватория, г. Долгопрудный, Московская область, Россия (