1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Известия РАН. Физика атмосферы и океана
  4. T. 57, № 3, 2021

Известия РАН. Физика атмосферы и океана, 2021, T. 57, № 3, стр. 278-285

Исследование с помощью лагранжевых методов аномально устойчивого арктического стратосферного вихря, наблюдавшегося зимой 2019–2020 гг.

А. Н. Лукьянов a, *, П. Н. Варгин a, **, В. А. Юшков a, ***

a Центральная аэрологическая обсерватория Росгидромета
141701 Московская область, Долгопрудный, ул. Первомайская, 3, Россия

* E-mail: lukyanov@caomsk.mipt.ru
** E-mail: p_vargin@mail.ru
*** E-mail: vladimir@caomsk.mipt.ru

Поступила в редакцию 25.01.2020
После доработки 09.02.2021
Принята к публикации 17.02.2021

Полный текст (PDF)

Аннотация

Представлены результаты применения лагранжевых методов исследования тонкой динамической структуры стратосферного полярного вихря в зимне-весенний период 2019–2020 гг. Представлены сравнительные характеристики структуры вихря для этой зимы с сильным полярным вихрем и зимы 2018–2019 гг., когда вихрь был слабым. Вследствие низкой активности планетарных волн, полярный вихрь в 2019–2020 гг. оставался устойчивым вплоть до конца апреля, что создало условия для рекордного разрушения озона в Арктике. Представлены вариации горизонтальной динамической структуры, полученной с помощью метода заполнения пространства обратными траекториями, и силы вихря, представленной в виде М-функции, в зависимости от времени и высотного уровня. Также представлены вариации озона и термодинамических параметров, осредненные по ансамблю траекторий внутри вихря, с использованием данных реанализа ERA5.

Ключевые слова: траектории воздушных масс, стратосферный полярный вихрь, стратосферный озон

1. ВВЕДЕНИЕ

Как правило, в каждый зимний сезон вследствие крупномасштабного температурного градиента между высокими и средними широтами в диапазоне высот ~100–1 мбар образуется стратосферный полярный вихрь (СПВ). Вихрь начинает формироваться осенью в отсутствие солнечного нагревания в полярной области, усиливается зимой и разрушается с возвращением солнца весной. При этом дата весенней перестройки циркуляции может меняться от года к году в течение двух месяцев [1–3]. Крупномасштабные планетарные волны, распространяющиеся из тропосферы в стратосферу, ослабляют вихрь, смещают его центр от полюса и могут разрушить его в результате внезапного стратосферного потепления (ВСП) [4].

Вследствие повышенной волновой активности в зимний период в средних и высоких широтах Северного полушария СПВ не является столь мощным и устойчивым, каким является антарктический. Арктический СПВ обычно не симметричен, в результате смещения или вытягивания его край может достичь средних широт, вытягивается и расщепляется на фрагменты, и, в конечном итоге, разрушается в результате финального ВСП. Ярким примером таких явлений являются зимы 2015–2016 гг. и 2018–2019 гг. [5]. В первом случае в декабре–январе сформировался устойчивый СПВ, температура внутри которого опускалась ниже пороговых значений образования полярных стратосферных облаков (ПСО) не только первого, но и второго типа, что крайне редко наблюдается в Арктике [6]. Таким образом, были созданы условия для сильного химического разрушения озона. Однако в результате ВСП в начале февраля рекордного разрушения озона не произошло. Хотя по степени его разрушения зима 2015–2016 гг. оказалась второй после рекордной зимы 2010–2011 гг. Зимой 2018–2019 гг. ВСП произошло уже в январе, что привело к незначительному разрушению озона. Сравнительный анализ этих зим приведен в работе [5].

В этой связи зима 2019–2020 гг. в Северном полушарии оказалась исключением, поскольку по аналогии с Южным полушарием СПВ оказался достаточно устойчивым и изолированным от средних широт в течение всей зимы [7]. Как и зимой 2015–2016 г. температура внутри вихря опускалась ниже пороговых значений образования ПСО обоих типов, на поверхности которых проходили гетерогенные реакции, обеспечивая последующее газофазное химическое разрушение озона в присутствии солнечного излучения. Таким образом, одним из условий протекания таких процессов является изолированность СПВ от средних широт в течение зимне-весеннего периода.

Область СПВ характеризуется пониженными значениями геопотенциальной высоты на изобарических поверхностях, а также повышенными значениями потенциальной завихренности (ПЗ) на изэнтропических уровнях. Для визуализации вихря широко используются карты ПЗ, поскольку этот параметр сохраняет свои значения на изэнтропических поверхностях, являясь “динамическим трассером”. Изменения формы и площади полярного вихря исследуются с помощью диагностики контуров ПЗ на изэнтропических поверхностях. Консервативность ПЗ используется в методе заполнения пространства обратными траекториями (Reverse Domain Filling – RDF) [8] для получения тонкой пространственной структуры СПВ. Результаты использования данного метода будут представлены ниже.

Лагранжев подход широко используется для анализа структуры СПВ. Количественные оценки массообмена вихря со средними широтами могут быть получены с использованием искусственного трассера, инициализированного внутри и вне вихря и адвектируемого вдоль траекторий [9]. Для оценки перемешивания и транспортных барьеров в стратосфере широко используется экспонента Ляпунова, описывающая изменение по времени расстояния между соседними воздушными частицами вдоль траекторий. Например, данный подход был использован для анализа антарктического СПВ [10]. Один из традиционных методов оценки силы вихря и определения его границы основан на вычислении градиента ПЗ [11]. Максимальные значения этого параметра соответствуют границе вихря, а их абсолютная величина характеризует степень его изолированности. Сравнительно недавно [12, 13] в качестве другого параметра, определяющего границу и силу (изолированность) вихря, стала использоваться так называемая М-функция, характеризующая продолжительность траекторий, проходящих через узлы заданной сетки. Поскольку продолжительность траектории складывается из произведений скорости воздушной частицы на каждом шаге по времени на его величину, области максимальных значений М-функции совпадают со струйными течениями. В случае вихря эти области совпадают с его границей и также характеризуют его изолированность. Впервые определение М-функции было приведено при исследовании [14], позднее М-функция использовалась для исследования океанических течений [15, 16]. Применительно к СПВ преимуществом М-функции по сравнению с градиентом ПЗ является ее неоднородность вдоль границы вихря, что позволяет оценить региональные особенности массообмена вихревой области со средними широтами. Методологически этот подход близок к RDF методу, поэтому и тот и другой методы были использованы в данной работе для анализа структуры и силы СПВ зимой 2019–2020 гг.

Актуальность таких исследований обусловлена тем, что изолированность СПВ определяет степень химического разрушения озона в стратосфере, а также может влиять на циркуляцию тропосферы, приводя в некоторых случаях к вторжениям холодных воздушных масс в средние широты [17–19]. Кроме этого, расположение и тонкая динамическая структура СПВ важна, например, при анализе данных вертикального зондирования атмосферы (как спутниковых, так и наземных), модельных расчетов изменения химического состава стратосферы, процессов горизонтального переноса.

2. МЕТОДЫ ЗАПОЛНЕНИЯ ПРОСТРАНСТВА ОБРАТНЫМИ ТРАЕКТОРИЯМИ И РАСЧЕТА М-ФУНКЦИИ

RDF метод заполнения пространства обратными траекториями [8] используется для получения тонкой пространственной структуры трассеров (ПЗ или химически пассивных компонент). Сущность метода заключается в использовании обратных траекторий протяженностью в несколько дней, рассчитанных из узлов сетки, покрывающей заданную область. Значения атмосферных трассеров заданы на сетке в начальный момент времени t0. Траектории при этом рассчитываются в обратном по времени направлении из узлов сетки в момент времени t1, когда значения трассеров в узлах еще не определены. Затем в момент t0 эти известные значения трассеров интерполируются в конечные точки обратных траекторий и возвращаются без изменения уже в прямом направлении в узлы сетки в момент t1. Начальные значения трассеров задаются из наблюдений, либо из данных реанализа. RDF метод является аналогом полулагранжевой схемы адвекции, с той лишь разницей, что обратные траектории рассчитываются не на один шаг по времени, а на множество шагов. В описанном лагранжевом подходе не учитывается реальная атмосферная диффузия, но также отсутствует и численная диффузия, присущая эйлеровым сеточным моделям, осуществляющая искусственное сглаживание пространственных полей атмосферных компонент. По этой причине лагранжев подход позволяет получить более градиентную структуру полей трассеров в виде тонких нитеобразных структур (филаментов).

М-функция, характеризующая изолированность или силу вихря [13], на изэнтропической поверхности представляет собой следующую функцию:

(1)
$M\left( {{{x}_{0}},{{y}_{0}},{{t}_{0}}} \right) = \int\limits_{{{t}_{0}} - \tau }^{{{t}_{0}} + \tau } {dt\sqrt {{{{\left( {\frac{{dx}}{{dt}}} \right)}}^{2}} + {{{\left( {\frac{{dy}}{{dt}}} \right)}}^{2}}} } ,$
где: x, y – горизонтальные координаты, t – время.

По сути, М-функция – это не что иное, как изэнтропическая траектория продолжительностью 2τ, проходящая через точку x0, y0 в момент времени t0. Поэтому, по аналогии с RDF методом, для расчета М-функции также используются траектории, только кроме обратных траекторий из узлов заданной сетки также рассчитываются прямые траектории такой же протяженностью. М-функция является лагранжевой характеристикой течения воздушных масс, которая позволяет визуализировать тонкую динамическую структуру по аналогии с полями ПЗ, полученными RDF методом. Применительно к полярному стратосферному вихрю максимальные значения М-функции находятся на его границе и используются для ее определения. Таким образом, совместное использование RDF метода и М-функции позволяет определить горизонтальную структуру полярного вихря и степень его изолированности от средних широт.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ

Для моделирования тонкой структуры СПВ рассчитывались изэнтропические траектории продолжительностью 10 дней (для более продолжительного времени необходимо учитывать неадиабатическое охлаждение), а в качестве трассера использовалась ПЗ. Для расчета траекторий использовались траекторная модель TRACAO [20] и данные реанализа ERA5 [21] с пространственным разрешением 0.25° × 0.25° и временным разрешением 1 ч.

Для демонстрации устойчивости арктического вихря зимой 2019–2020 гг. в качестве сравнения была рассмотрена зима 2018–2019 гг. с большой волновой активностью и, как следствие, со слабым вихрем. Как показано в работе [22], зимой 2018–2019 гг. в начале марта вследствие ослабления волновой активности на уровне 10 мб вихрь являлся наиболее устойчивым за весь зимне-весенний период. Зимой 2019–2020 гг. в начале февраля волновая активность возрастала, но затем опять уменьшилась и оставалась низкой вплоть до середины марта. В качестве примера для сравнения тонкой структуры и силы вихря были рассмотрены даты этих зим с относительно устойчивым вихрем 12 марта 2019 г. и 17 февраля 2020 г. На рис. 1 представлены карты ПЗ для этих дат (12.03.2019 – слева и 17.02.2020 – справа) на уровне потенциальной температуры 850 К (~30 км), а на рис. 2 показаны соответствующие поля М-функции. Как видно из рисунков, ПСВ 17 февраля 2020 г. в целом имеет однородную структуру с высокими значениями ПЗ, хотя и с филаментами, характеризующими относительно слабый массообмен между вихрем и средними широтами. При этом граница вихря отчетливо прослеживается и характеризуется высокими значениями М-функции. ПСВ 12 марта 2019 г. менее компактен, со слабо выраженной границей и низкими значениями М-функции. В таком слабом вихре происходит интенсивный массообмен со средними широтами, в результате температуры внутри вихря выше пороговых значений образования ПСО и условия для разрушения озона отсутствуют.

Рис. 1.

Карты ПЗ в единицах (K м2 кг–1 с–1 × 10–6) для 12 марта 2019 г. (слева) и 17 февраля 2020 г. (справа) на уровне потенциальной температуры 850 К (~30 км).

Рис. 2.

Поля М-функции в единицах (×1000 км) для 12 марта 2019 г. (слева) и 17 февраля 2020 г. (справа) на уровне потенциальной температуры 850 К.

Для исследования высотной зависимости силы вихря зимы 2019–2020 гг. рассчитывались траектории на трех изэнтропических уровнях 400 K (~15 км), 500 K (~20 км) и 850 K (~30 км) в первой половине зимы и перед финальным потеплением. На рис. 3 показаны карты М-функции на этих уровнях слева направо, соответственно, для 29 января 2020 г., демонстрируя возрастание с высотой ее значений на границе вихря, что свидетельствует о больших скоростях ветра на этих уровнях и изолирующей силе вихря. Однако, как показано на рис. 4, ослабление вихря перед его разрушением (20 апреля 2020 г.) было сильнее на верхних уровнях, значения М-функции на 850 K были примерно такие же, как на 400 K, а ее максимальные значения наблюдались на уровне 500 К, где наиболее интенсивно разрушается озон.

Рис. 3.

М-функция на уровнях 400, 500 и 850 K (слева направо) для 29 января 2020 г.

Рис. 4.

М-функция на уровнях 400, 500 и 850 K (слева направо) для 20 апреля 2020 г.

Эволюция вихря по времени на уровне 500 К показана на рис. 5. В левой колонке представлены карты потенциальной завихренности, полученные RDF методом, в правой колонке – карты М‑функции для 16 января 2020 г., 8 февраля 2020 г., 15 февраля 2020 г. и 20 апреля 2020 г. сверху вниз соответственно. В первой половине зимы, как обычно, сформировался устойчивый вихрь, достаточно изолированный от средних широт (16 января 2020 г.). Затем, вследствие усиления волновой активности в начале февраля, наблюдается раздвоение вихря (8 февраля 2020 г.), которое часто является началом его разрушения. В то же время значения М-функции, характеризующие его силу, оставались достаточно высокими. В результате к середине февраля (15 февраля 2020 г.) вихрь не только восстановился, но стал еще устойчивей (значения М-функции выше по сравнению с 16 января 2020 г. и вихрь симметрично расположен над полюсом). В результате финальное потепление наступило только в конце апреля (20 апреля 2020 г.). Карта потенциальной завихренности 20 апреля 2020 г. примерно соответствует ситуации 8 февраля 2020 г., но сила вихря в единицах М-функции уже значительно ниже. Как будет показано ниже, такой устойчивый и долгоживущий вихрь обеспечил условия для рекордного разрушения озона зимой 2019–2020 гг.

Рис. 5.

В левой колонке поля ПЗ для 16 января 2020 г., 8 февраля 2020 г., 15 февраля 2020 г. и 20 апреля 2020 г. (сверху вниз) на уровне 500 К, в правой колонке поля М-функции соответственно.

Оценки потерь озона внутри вихря также были проведены с использованием траекторий и данных отношения смеси озона ERA5 по аналогии с [5]. Рассчитывался ансамбль 120-дневных траекторий, инициализированных 17 декабря внутри вихря на уровне потенциальной температуры 475 К. Значения озона и метеопараметров интерполировались в точки вдоль траекторий, а затем определялись их средние значения и среднеквадратичные отклонения по ансамблю траекторий.

На рис. 6 показаны вариации средних значений (черная линия) и среднеквадратичных отклонений (серая затененная область) широты, потенциальной температуры, температуры и озона вдоль траекторий. Как видно из рисунка, воздушные частицы преимущественно оставались в высоких широтах, медленно неадиабатически оседая с уровня 475 К (~20 км) до 430 К (~17 км). Судя по значениям среднеквадратичных отклонений, минимальные температуры достигали пороговых значений образования ПСО. В результате потери озона на этих уровнях оказались рекордными для Арктики, составляя 70% от значений в начале зимы. Эти результаты согласуются с результатами других работ, в которых представлены сравнительные оценки зим с большим разрушением озона [23–26].

Рис. 6.

Вариации средних значений (черная линия) со стандартными отклонениями (серая область) широты, потенциальной температуры, температуры и озона по ансамблю траекторий.

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе представлены Лагранжевые методы исследования структуры полярного стратосферного вихря 2019–2020 гг. и результаты этих исследований. Показана информативность совместного применения RDF метода и М-функции для визуализации тонкой горизонтальной структуры стратосферного полярного вихря и его границы. Проведены сравнительные оценки силы вихря на протяжении зимне-весеннего сезона 2019–2020 гг., а также ее зависимость от вертикального уровня. Также представлены вариации озона и термодинамических параметров данных реанализа ERA5, осредненных вдоль ансамбля траекторий внутри вихря. Полученные оценки убыли озона в слое 17–20 км оказались рекордно высокими для стратосферы Арктики.

Список литературы

  1. Savenkova E.N., Kanukhina A.Yu., Pogoreltsev A.I., Merzlyakov E.G. Variability of the springtime transition date and planetary waves in the stratosphere // J. Atmos. Sol.-Terr. Phys. 2012. V. 90–91. P. 1–8.

  2. Варгин П.Н., Кострыкин С.В., Ракушина Е.В., Володин Е.М., Погорельцев А.И. Исследование изменчивости дат весенних перестроек циркуляции стратосферы и объема полярных стратосферных облаков в Арктике по данным моделирования и реанализа // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2020. Т. 56. № 5. С. 1–13.

  3. Butler A., Charlton-Perez A., Domeisen D., Simpson I., Sjoberg J. Predictability of Northern Hemisphere final stratospheric warmings and their surface impacts // Geoph. Res. Lett. 2019. V. 46. P. 10578–10588.

  4. Waugh D.W., Polvani L.M. Stratospheric polar vortices / The Stratosphere: Dynamics, Transport, and Chemistry, Geophys. Monogr. 2010. V. 190. Amer. Geophys. Union. P. 43–57.

  5. Варгин П.Н., Лукьянов А.Н., Кирюшов Б.М. Динамические процессы стратосферы Арктики зимой 2018–2019 г. // Метеорология и гидрология. 2020. № 6. С. 5–18.

  6. Solomon S., Haskins J., Ivy D., Min F. Fundamental differences between Arctic and Antarctic ozone depletion // Proc. Nat. Acad. Sci. 2014. V. 111. № 17. P. 6220–6225.

  7. Lawrence Z., Perlwitz J., Butler A., Manney G., Newman P., Lee S., and Nash E. The Remarkably Strong Arctic Stratospheric Polar Vortex of Winter 2020: Links to Record Breaking Arctic Oscillation and Ozone Loss. // J. Geophys. Res. 2020. V. 125. e2020JD033271. https://doi.org/10.1029/2020JD033271

  8. Sutton R.T., MacLean H., Swinbank R., O’Neill A., Taylor F.W. High-resolution stratospheric tracer fields estimated from satellite observations using Lagrangian trajectory calculations // J. Atmos. Sci. 1994. V. 51. P. 2995–3005.

  9. Chen, P. The permeability of the Antarctic vortex edge // J. Geophys. Res.1994. V. 99. P. 20563–20571.

  10. Joseph B., Legras B. Relation between kinematic boundaries, stirring, and barriers for the Antarctic polar vortex // J. Atmos. Sci. 2002. V. 59(7). P. 1198–1212.

  11. Nash E.R., Newman P.A., Rosenfield J.E., Schoeberl M.R. An objective determination of the polar vortex using Ertel’s potential vorticity // J. Geophys. Res. 1996. V. 101. P. 9471–9478.

  12. de la Camara A., Mancho A.M., Ide K., Serrano E., Mechoso C.R. Routes of transport across the Antarctic polar vortex in the southern spring // J. Atmos. Sci. 2012. V. 69(2). P. 741–752.

  13. Smith M.L., McDonald A.J. A quantitative measure of polar vortex strength using the function M // J. Geophys. Res.: Atmos. 2014. V. 119. P. 5966–5985.

  14. Jimenez Madrid J.A., Mancho A.M. Distinguished trajectories in time dependent vector fields // Chaos. 2009. V. 19(013). P. 111.

  15. Mendoza C., A.M. Mancho Hidden geometry of ocean flows // Phys. Rev. Lett. 2010. V. 105(3). P. 501.

  16. Mendoza C., Mancho A.M. The Lagrangian description of aperiodic flows: A case study of the Kuroshio Current // Nonlinear Processes Geophys. 2012. V. 19(4). P. 449–472.

  17. Baldwin M., Dunkerton T. Stratospheric harbingers of anomalous weather regimes // Science. 2001. № 294. P. 581–584.

  18. Kolstad E., Breiteig T., Scaife A. The association between stratospheric weak polar vortex events and cold air outbreaks in the Northern Hemisphere // Quart. J. Roy. Meteor. Soc. 2010. V. 136. P. 886–893.

  19. Huang J., Tian W. Eurasian Cold Air Outbreaks under Different Arctic Stratospheric Polar Vortex Strength // J. Atmos. Sci. 2019. V. 76. P. 1245–1264.

  20. Lukyanov A., Nakane H., Yushkov V. Lagrangian Estimation of Ozone Loss in the core and Edge Region of the Arctic Polar Vortex 1995/1995: Model Results and Observations // J. Atmos. Chemistry. 2003. V. 44. P. 191–210.

  21. Hersbach H., Bell B., Berrisford P., Hirahara S., Hornyi A., Munoz-Sabater J., Nicolas J., Peubey C., Radu R., Schepers D., Simmons A., Soci C., Abdalla S., Abellan X., Balsamo G., Bechtold P., Biavati G., Bidlot J., Bonavita M., Chiara G. D., Dahlgren P., Dee D., Diamantakis M., Dragani R., Flemming J., Forbes R., Fuentes M., Geer A., Haimberger L., Healy S., Hogan R. J., Hólm E., Janiskova M., Keeley S., Laloyaux P., Lopez P., Lupu C., Radnoti G., de Rosnay P., Rozum I., Vamborg F., Villaume S., and Thépaut J.-N.: The ERA5 Global Reanalysis // Q. J. Roy. Meteor. Soc. 2020. V. 146, P. 1999–2049.

  22. Lee S.H., Butler A.H. The 2018–2019 Arctic stratospheric polar vortex // Weather. 2020. V. 75. P. 52–57.

  23. Цветкова Н.Д., Варгин П.Н., Лукьянов А.Н., Кирюшов Б.М., Юшков В.А., Хаттатов В.У. Исследование химического разрушения озона и динамических процессов в стратосфере Арктики зимой 2019–2020 г. // Метеорология и гидрология. 2021 (в печати).

  24. Smyshlyaev S., Vargin P., Lukyanov A., Tsvetkova N., Motsakov M. Dynamical and chemical processes contributing to ozone loss in exceptional Arctic stratosphere winter/spring of 2020 // Atmos. Chem. Phys. Discuss. 2021 (in press).

  25. Manney G.L., Livesey N.J., Santee M.L., Froidevaux L., Lambert A., Lawrence Z.D., Millán L.F., Neu J.L., Read W.G., Schwartz M.J., Fuller R.A. Record-low Arctic stratospheric ozone in 2020: MLS observations of chemical processes and comparisons with previous extreme winters // Geophys. Res. Lett. V. 47. e2020GL089063.

  26. Wohltmann I., von der Gathen P., Lehmann R., Maturilli M., Deckelmann H., Manney G. L., Davies J., Tarasick D., Jepsen N., Kivi R., Lyall N., Rex M. Near-complete local reduction of Arctic stratospheric ozone by severe chemical loss in spring 2020 // Geophys. Res. Lett. 2020. V. 47. e2020GL089547.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Известия РАН. Физика атмосферы и океана

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал