Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2021, T. 500, № 1, стр. 77-82

ВВЕДЕНИЕ

Озоновой “мини-дырой” (ОМД) принято называть глубокую нестационарную аномалию синоптического масштаба в поле общего содержания озона (ОСО). ОМД проявляется в средних и высоких широтах, причем чаще зимой, чем летом и чаще в Северном полушарии, чем в Южном [1]. В отличие от антарктической озоновой “дыры”, образование ОМД обусловлено главным образом динамическими факторами – горизонтальной адвекцией и вертикальными движениями [2–4], однако в ряде работ не исключается вклад процессов химического разрушения озона [4, 5].

Общепринятых критериев определения ОМД нет. В качестве нижних порогов принимаются как абсолютные величины ОСО (обычно 220 единиц Добсона (е.Д.)), так и аномалии ОСО величиной от –50 до –70 е.Д., рассчитанные относительно различных климатологических средних [4].

Формирование ОМД часто связано с блокированием зонального потока в среднеширотной атмосфере. Согласно [6], половина ОМД над Европой проявляется в условиях атмосферных блокирований, при этом связанные с блокингами ОМД отличаются наибольшей глубиной и устойчивостью. В связи с глобальным потеплением, на фоне увеличения вероятности более длительных атмосферных блокирований [7, 8], в Евро-Атлантическом секторе ожидается учащение зимних ОМД [6].

Целью данной работы является анализ характеристик и механизмов формирования озоновой “мини-дыры” на примере отрицательной аномалии ОСО, отмечавшейся над Сибирью зимой 2015/2016 гг., в том числе ее связи с атмосферным блокированием.

ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДАННЫЕ

Использовались данные измерений общего содержания и профиля озона спутниковым ИК-зондировщиком AIRS (Atmospheric InfraRed Sounder) платформы Aqua. В алгоритме восстановления озона AIRS используются измерения ИК-радиации в области длин волн 9.3–10.1 мкм и сопутствующие измерения микроволнового радиометра AMSU (Advanced Microwave Sounding Unit), позволяющие восстанавливать атмосферные параметры при облачном покрытии до 80% [9]. Пространственное разрешение данных AIRS/AMSU по измерениям в надир ~ 45 км cканирующая система обеспечивает ежедневное покрытие данными 95% поверхности. Расчетная точность определения общего содержания озона в атмосфере составляет 20%.

К анализу привлекались также измерения температуры на разных высотах и высоты тропопаузы спектрометром AIRS. Расчетная точность измерений температуры составляет 1 К в слое 1 км [9].

Ежедневные данные дневных измерений ОСО, высоты тропопаузы, а также профилей озона и температуры, доступные на 24 уровнях в атмосфере в диапазоне 1000–1 гПа, на широтно-долготной сетке 1° × 1° (AIRXSTD 006), получены с использованием системы сбора, анализа и визуализации данных Giovanni https://disc.sci.gsfc.nasa.gov/giovanni, разработанной и поддерживаемой NASA GES DISC [10].

Для анализа региональных особенностей атмосферной циркуляции, в частности режима блокирования зональной циркуляции в среднеширотной тропосфере, использовались данные NCEP/NCAR реанализа [11]. Среднесуточные данные геопотенциальных высот, а также скорости ветра, доступны на 17 уровнях атмосферы в диапазоне 1000–10 гПа с широтно-долготным разрешением 2.5° × 2.5° (https://psl.noaa.gov/data/gridded/data.ncep.reanalysis).

МЕТОДЫ АНАЛИЗА

Основой работы являются расчеты аномалий атмосферных параметров. Пространственные распределения аномалий параметра X в период блокирования представлены отклонениями локальных (в разрешении 1° × 1°) средних значений X в период 26–30 января 2016 г. от соответствующих средних многолетних значений X для периодов 26–30 января 2003–2015 гг. Ежедневные аномалии рассчитывались как отклонения ежедневных пространственно осредненных величин Х в 2016 г. от соответствующих данному дню пространственно осредненных величин Х в период 2003–2015 гг. Высотно-временные распределения аномалий параметра Х рассчитывались отдельно на каждом из 24 уровней давления как ежедневные отклонения усредненных по области атмосферного блокирования (60°–75° с.ш., 70°–100° в.д) величин Х в 2016 г., от соответствующих данному дню усредненных по указанной области многолетних значений Х в период 2003–2015 гг.

В качестве индекса блокирования использовался критерий, предложенный в работе [12], основанный на анализе меридиональных градиентов высоты геопотенциальной поверхности 500 гПа (Н500).

АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ

Зимой 2015/2016 гг., в атмосфере над Россией отмечалось существенное уменьшение содержания озона [13]. Согласно результатам анализа данных AIRS, средние пентадные аномалии ОСО в разрешении 1° × 1° над севером Сибири в конце январе 2016 г. достигали –140 е.Д. (–40% от соответствующего локального многолетнего среднего значения), при этом площадь с отрицательными аномалиями ОСО не менее –100 е.Д. превышала 1 млн км² (рис. 1). Размер, глубина и продолжительность озоновой аномалии свидетельствуют о формировании в атмосфере над Сибирью в январе 2016 г. озоновой “мини-дыры”.

Рис. 1.

Пространственное распределение аномалий ОСО над территорией Северной Евразии 26–30 января 2016 г.

Анализ топографии поверхности геопотециальных высот на уровне 500 гПа (H500) свидетельствует об атмосферном блокировании над Сибирью во второй половине января–начале февраля 2016 г. Пространственное распределение Н500 в конце января характеризовалось обширной малоподвижной областью высокого давления с максимумом вблизи 60° с.ш., 80° в.д. (значения Н500 в центре которой превышали 5500 гпм) и двумя сопредельными областями низкого давления западнее и восточнее (рис. 2а). Подобные особенности Н500 характерны для атмосферного блокирования триплетного типа – омега-блокирования.

Рис. 2.

Пространственные распределения над территорией России: Н500 [гпм] (а), векторов ветра V₅₀₀ на уровне 500 гПа [м/с] (б) и аномалий высоты тропопаузы ΔH_троп [м] (в) 26–30 января 2016 г.

В рамках работы была исследована роль процессов атмосферной динамики в формировании озоновой “мини-дыры”. С атмосферным блокированием связаны интенсификация и стационирование планетарных волн типа волн Россби [14]. При этом с гребнями волн (отклонениями воздушного потока к северу) связаны восходящие движения воздуха, а с ложбинами – нисходящие [15]. Нисходящие движения в толще атмосферы способствуют увеличению ОСО, а восходящие – его уменьшению [16]. Формированию отрицательной аномалии ОСО в области блокирования могли способствовать восходящие движения воздуха в гребне волны над северной периферией блокирующего антициклона (ср. рис. 1 с рис. 2а).

Анализ атмосферной циркуляции свидетельствует, что воздушный поток при приближении к антициклонической области блокирования отклонялся к северу, огибал ее и далее отклонялся к югу (рис. 2б). По многолетним данным максимум ОСО над северными сибирскими регионами в зимний период отмечается вблизи 75° с.ш. [16]. Перенос воздуха с юга на север над западной периферией блокирующего антициклона приводит к замещению обогащенного озоном воздуха вблизи зимнего максимума ОСО обедненным озоном субтропическим воздухом. При этом замещение арктического воздуха субтропическим связано с подъемом высоты тропопаузы (рис. 2в), что также способствует уменьшению ОСО.

При доминировании южного ветра в атмосфере на западе области блокирования и северного – на востоке отмечается тесная связь межсуточных вариаций меридионального ветра над западной и восточной перифериями блокирующего антициклона (рис. 3а). Достаточно высокое (по модулю) значение коэффициента корреляции (r = = ‒0.69) между вариациями меридиональной компоненты ветра, усредненного по области (50°–75° с.ш., 60°–75° в.д.), и вариациями меридиональной компоненты ветра, усредненного по области (50°–75° с.ш., 100°–115° в.д.), характеризует общую связность атмосферных потоков в антициклоническом вихре. Усиление антициклонической циркуляции было отмечено в периоды 20–22 января, 25–30 января и 2–4 февраля 2016 г. (рис. 3а).

Рис. 3.

Межсуточные вариации меридионального ветра над западной периферией области блокирования (50°–75° с.ш., 60°–75° в.д., сплошная линия, ${{{v}}_{ \uparrow }}$) и над восточной периферией области блокирования (50°–75° с.ш., 100°–115° в.д., пунктирная линия, ${{{v}}_{ \downarrow }}$) (а), а также вариации ОСО (сплошная линия) и высоты тропопаузы (пунктир) над областью блокирования (60°–75° с.ш., 70°–100° в.д.) (б) и индекса блокирования над Сибирью (в) в январе-феврале 2016 г.

На рис. 3б показаны межсуточные вариации аномалий ОСО и Н_троп в области атмосферного блокирования (60°–75° с.ш., 70°–100° в.д.). Корреляционный анализ вариаций свидетельствует о тесной связи аномалий ОСО и Н_троп – с коэффициентом корреляции r = –0.73. В периоды усиления антициклонической циркуляции в атмосфере над областью блокирования отмечались уменьшение ОСО и увеличение Н_троп, (см. рис. 3а и 3б). При этом выявлена статистически значимая антикорреляция аномалий ОСО в атмосфере над областью блокирования с меридиональным ветром над западной периферией блокирующего антициклона в период c 15 января по 10 февраля (с коэффициентом корреляции r = = –0.78). Согласно полученным результатам, более 60% дисперсии ОСО в рассматриваемый период можно объяснить процессами меридиональной адвекции озона. Анализ долготно-временных вариаций индекса блокирования (рис. 3в) свидетельствует о прямой связи отрицательных аномалий ОСО, отмечавшихся в атмосфере над севером Сибири в конце января 2016 г., с интенсивностью процессов блокирования в долготном секторе (60°–140° в.д.).

Согласно результатам анализа вертикальных профилей максимальная убыль озона над областью блокирования (60°–75° с.ш., 70°–100° в.д.) отмечалась в нижней стратосфере (рис. 4а). Локальные минимумы аномалий отношения смеси озона в атмосфере отмечались на уровне 70 гПа 21, 26 и 29 января, а также 4 февраля 2016 г. Наибольшая по абсолютной величине отрицательная аномалия (–1570 ppbv) была достигнута 26 января 2016 г. (–47% относительно многолетнего отношения смеси озона для данного дня и данного уровня в 2003–2015 гг.).

Рис. 4.

Высотно-временные разрезы для аномалий отношения смеси озона (а) и аномалий температуры (б) в атмосфере над областью блокирования (60°–75° с.ш., 70°–100° в.д.) в январе–феврале 2016 г. Показаны также области значений температуры ниже –78°С (светлая пунктирная линия) и ниже –85°С (фиолетовая сплошная линия).

Сравнение вертикальных профилей аномалий озона и температуры в атмосфере свидетельствует о том, что в нижней стратосфере над областью блокирования отрицательные аномалии содержания озона соответствуют сильным отрицательным аномалиям температуры (ср. рис. 4а с рис. 4б). В частности, 30 января 2016 г. аномалия температуры уровне 10 гПа достигала –32°С. Согласно результатам анализа, в нижней стратосфере в период с 15 января по 5 февраля отмечались значения температуры ниже 78°С, а в период с 24 по 30 января 2016 г. – ниже 85°С (рис. 4б). Такие низкие значения температуры способствуют образованию в нижней стратосфере полярных стратосферных облаков (ПСО) I и II типов и интенсивному разрушению озона в гетерогенных реакциях на частицах ПСО [17]. Сопоставление рис. 4а с рис. 4б свидетельствует о том, что наиболее экстремальные отрицательные аномалии отношения смеси озона были отмечены при значениях температуры ниже –85°С в период 25–30 января 2016 г. Вместе с тем следует отметить, что экстремальные отрицательные аномалии отношения смеси озона в стратосфере и ОСО, отмечавшиеся 21 января 2016 г., не сопровождались экстремально низкими значениями температуры в стратосфере.

В феврале 2016 г. рост температуры в стратосфере (рис. 4б) и сопутствующее увеличение озона (рис. 4а) были обусловлены внезапным стратосферным потеплением, развитие которого (как и озоновая “мини-дыра”) также могло быть следствием влияния атмосферного блокирования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ характеристик и механизмов формирования озоновой “мини-дыры” над Сибирью зимой 2015/2016 гг. свидетельствует о связи ОМД с атмосферным блокированием. Уменьшение озона в атмосферном столбе (до 40%) было об-условлено главным образом уменьшением отношения смеси озона в нижней стратосфере. При ключевом вкладе динамических процессов в формирование озоновой “мини-дыры” определенный вклад в разрушение озона могли вносить процессы атмосферной химии вследствие усиления разрушения озона в гетерогенных реакциях на поверхности полярных стратосферных облаков, образовавшихся в связи с сильным понижением температуры в стратосфере над областью блокирования.