Известия РАН. Физика атмосферы и океана, 2023, T. 59, № 3, стр. 265-274

ВВЕДЕНИЕ

Струйные течения (СТ) в атмосфере – воздушные потоки со скоростью, достигающей и превышающей 100 м/с – существенно большей, чем в окружающих атмосферных слоях. Высотные СТ отмечаются в верхней тропосфере и нижней стратосфере, менее интенсивные – в нижней тропосфере. На фоне атмосферного переноса в восточном направлении выделяются субтропические СТ (ССТ) с максимальными скоростями вблизи уровня 200 гПа в разрыве тропопаузы и полярные СТ вблизи тропопаузы в высотных фронтальных зонах в субполярных широтах [Хромов и Мамонтова, 1955; Джорджио, 1956; Воробьев, 1960; Джорджио и Петренко, 1967; Palmén and Newton, 1969; Лайхтман, 1976; Мохов, 1993].

В [IPCC, 2021] представлены различные оценки особенностей современных режимов СТ и их изменчивости, а также прогностические оценки возможных изменений. Особая роль СТ проявляется в формировании региональных погодно-климатических аномалий. С режимами СТ, с их неустойчивостью и извилистостью [Обухов и др., 1984; Мохов, 2011; Мохов, 2020] связано развитие блокирований (блокингов) в тропосфере средних широт [Rex, 1950; Lupo et al., 2019]. Особенности широтного положения и интенсивности СТ проявляются в изменениях взаимодействия атмосферы и океана, вариациях траекторий атмосферных циклонов, региональной изменчивости приповерхностной температуры и осадков [Hall et al., 2014; Ma et al., 2020]. Отмечается связь режимов СТ с ключевыми модами климатической изменчивости, включая Североатлантическое, Арктическое и Южное колебания, с протяженностью морских льдов и снежного покрова над континентами [Дюкарев и др., 2008; Strong and Davis, 2008].

Режимы СТ, как характерные структурные и динамические особенности общей циркуляции атмосферы, должны изменяться при изменениях климата. В частности, в [Strong and Davis, 2007] отмечена связь скорости ветра в ядре ССТ с интенсивностью меридиональной ячейки Хэдли. Согласно [Francis and Vavrus, 2015] глобальное потепление с уменьшением межширотного температурного градиента из-за проявления Арктического усиления с более сильным потеплением в тропосфере более высоких широт способствует замедлению полярного СТ и большей его извилистости. При этом, как отмечено в [Мохов, 2011], при общем потеплении субтропическое струйное течение может усиливаться в связи с выхолаживанием страто-мезосферы на фоне тропосферного потепления. При различных температурных тенденциях в слоях тропосферы и стратосферы возможны различные тенденции для режимов СТ [Мохов, 2022]. Проявляются также различия режимов СТ и их изменений в Северном и Южном полушариях [Archer and Caldeira, 2008; Pena-Ortiz et al, 2013].

В связи с отмеченными особенностями СТ и их изменчивости необходимо наряду с локальными режимами анализировать интегральные характеристики атмосферной динамики, связанные с СТ. В данной работе представлены результаты анализа кинетической энергии СТ в атмосфере Северного полушария (Ек СТ СП) и ее изменений в годовом ходе и межгодовой изменчивости с использованием данных реанализа для периода 1980–2021 гг.

ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДАННЫЕ И МЕТОДЫ АНАЛИЗА

Для определения характеристик СТ СП использовались данные реанализа NCEP/NCAR для зональной и меридиональной компонент скорости ветра в тропосфере и нижней стратосфере с широтно-долготным разрешением 2.5° × 2.5° и с суточным временным шагом для периода 1980–2021 гг. При этом использовались данные реанализа на всех доступных уровнях в атмосфере от 500 гПа до 100 гПа: 500, 400, 300, 250, 200, 150 и 100 гПа. Анализ проводился при различных условиях для минимальных значений V_m скорости ветра в СТ: при V_m ≥ 20, V_m ≥ 30 и V_m ≥ 40 м/с. Варьирование значений V_m позволяет выделять, наряду с интегральными характеристиками системы СТ в атмосфере СП в целом, особенности отдельных ветвей СТ в разных широтно-высотных слоях атмосферы. Выбор различных значений V_m позволяет также более детально проанализировать особенности изменений в области СТ, в том числе в области ядра СТ, и сопредельных слоях атмосферы.

Кинетическая энергия слоя атмосферы СП рассчитывается как в [Archer and Caldeira, 2008]

Здесь $p$ – атмосферное давление, $g$ – ускорение силы тяжести, $\varphi $ – географическая широта, $u~\,\,{\text{и}}\,\,~v$ – зональная и меридиональная компоненты скорости ветра, $i~\,\,{\text{и}}\,\,~j$ – номера узлов сетки по широте и долготе; $k$ характеризует высоту атмосферного слоя, L, H – нижняя и верхняя границы всего анализируемого атмосферного слоя. В частности, оценивались значения E_K в слое высот от 500 гПа до 100 гПа.

Определялись также доля (P_Ек) кинетической энергии СТ в общей кинетической энергии атмосферы СП и доля (P_V) занимаемого СТ объема в атмосфере.

Наряду с оценками тенденций изменения характеристик СТ в последние десятилетия анализировались их особенности в связи явлениями Эль-Ниньо, с которыми ассоциируются сильнейшие межгодовые вариации глобальной приповерхностной температуры. Явления Эль-Ниньо детектировались с использованием индексов Nino 3, Nino 4 и Nino 3.4, характеризующих аномалии температуры поверхности в экваториальных широтах Тихого океана (https://psl.noaa.gov/data/ climateindices/list).

РЕЗУЛЬТАТЫ АНАЛИЗА

На рис. 1 представлены средние для периода 1980–2021 гг. значения скорости ветра в зависимости от высоты и широты в атмосфере СП для января (а) и июля (б). Максимальные значения скорости ветра отмечаются в области ядра ССТ на уровне 200 гПа около 30° с.ш в январе и около 45° с.ш. в июле.

В табл. 1 приведены средние для периода 1980–2021 гг. значения Ек СТ СП для разных сезонов при различных V_m. Максимальные значения Ек СТ характерны для зимнего сезона, минимальные – для летнего. При этом максимальная межгодовая изменчивость, характеризуемая среднеквадратическими отклонениями (СКО), проявляется в промежуточные сезоны, особенно весной.

На рис. 2 представлены широтные зависимости Ек для атмосферы СП и Ек СТ при разных V_m в январе (а) и июле (б) в среднем для периода 1980–2021 гг. Максимальные значения Ек в январе (рис. 2а) отмечаются вблизи 30° с.ш. с максимальной скоростью СТ в ядре ССТ СП. В июле (рис. 2б) максимальные значения Ек, как и ядро ССТ СП, смещаются к 45° с.ш. При этом в июле проявляется высокоширотная особенность около 70° с.ш., связанная со вторым максимумом скорости в области полярно-фронтового СТ, и низкоширотная особенность в области 0–20° с.ш., связанная с экваториальным СТ, которое, как и ССТ, летом смещается к северу.

В табл. 2 представлены оценки трендов Ек СТ СП для разных месяцев. Наиболее значимые тенденции отмечены для летних месяцев. В том числе, отмечены статистические значимые тенденции уменьшения Ек СТ в июле (при V_m ≥ 20 и V_m ≥ 30 м/с) и в августе (при V_m ≥ 20 м/с) – см. рис. 3 (а, б, в). В другие сезоны оценки трендов Ек СТ СП получены статистически незначимыми (и разного знака).

На рис. 4 представлено пространственное распределение общей Ек в атмосфере СП в слое 400–100 гПа в зимний (а) и летний (б) сезоны для периода 1980–2021 гг. Максимальные значения Ек соответствуют зонам СТ. Зимой (рис. 4а) выделяется область СТ с наибольшими значениями Ек (до 20 кДж/м² и более) в субтропических широтах над западной частью Тихого океана. В области еще одного максимума Ек в атмосфере у восточного побережья Северной Америки среднесезонные значения Ек намного меньше. Летом (рис. 4б) области СТ с наибольшими значениями Ек смещаются на север. Максимальные значения Ек летом (существенно меньшие, чем зимой) отмечаются над акваторией Тихого океана.

В табл. 3 приведены среднесезонные значения P_Ек СТ СП при разных значениях V_m. При всех V_m значения P_Ек СТ максимальны зимой и минимальны летом. При этом наибольшая межгодовая изменчивость P_Ек СТ СП, характеризуемая СКО, проявляется в переходные сезоны.

В табл. 4 представлены оценки трендов P_Ек СТ СП (%/10 лет) для разных месяцев для периода 1980–2021 гг. Наиболее значимые тенденции отмечены для летних месяцев. В том числе, отмечены статистические значимые тенденции уменьшения P_Ек СТ при V_m ≥ 20 м/с во все летние месяцы и при V_m ≥ 30 м/с в июле – см. также рис. 5 (а, б, в, г). В другие сезоны оценки трендов P_Ек СТ СП получены статистически незначимыми (и разного знака), за исключением статистически значимого положительного тренда P_Ек в октябре при V_m ≥ 40 м/с (рис. 5д).

В табл. 5 приведены среднесезонные значения P_V СТ СП при разных значениях V_m. При всех V_m значения P_V СТ максимальны зимой и минимальны летом. При этом наибольшая межгодовая изменчивость P_V СТ СП, характеризуемая СКО, проявляется в переходные сезоны.

В табл. 6 представлены оценки трендов P_V СТ СП для разных месяцев для периода 1980–2021 гг. Наиболее значимые тенденции отмечены для летних и зимних месяцев. В том числе, отмечены статистические значимые тенденции уменьшения P_V СТ в июле (при V_m ≥ 30 м/с) и августе (при V_m ≥ 20 и V_m ≥ 30 м/с), а также в декабре (при V_m ≥ ≥ 20 м/с) и январе (при V_m ≥ 20 и V_m ≥ 30 м/с) (см. рис. 6). В переходные сезоны оценки трендов P_V СТ СП получены статистически незначимыми (и разного знака).

Наряду с анализом трендов для характеристик СТ в атмосфере СП проведен анализ связи режимов СТ с явлениями Эль-Ниньо, с которыми связаны сильнейшие межгодовые вариации глобальной приповерхностной температуры. На рис. 7 приведены коэффициенты корреляции между среднемесячными значениями Ек СТ СП и индексами Эль-Ниньо Nino 3, Nino 4 и Nino 3.4 при разных значениях V_m.

Наиболее высокие коэффициенты корреляции среднемесячных значений Ек СТ СП и индексов Эль-Ниньо, статистически значимые на уровне 95%, отмечены с января по апрель.

Проведен также анализ связи с явлениями Эль-Ниньо субтропического струйного течения Северного полушария (ССТ СП). На рис. 8 приведены коэффициенты корреляции среднемесячных значений зональной скорости ветра u в ядре ССТ на уровне 200 гПа с индексами Эль-Ниньо – Nino 3, Nino 4 и Nino 3.4 по данным для периода 1980–2021 гг.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе данных реанализа для периода 1980–2021 гг. получены количественные оценки кинетической энергии Ек высотных струйных течений Северного полушария и ее изменений в годовом ходе и межгодовой изменчивости. Сделаны также соответствующие количественные оценки доли P_Ек общей кинетической энергии атмосферы Северного полушария, связанной с СТ, и доли P_V объема атмосферных слоев в области СТ в СП в общем анализируемом слое атмосферы.

Наиболее значимые изменения отмечены для летних сезонов, в том числе значимые тренды ослабления характеристик СТ Ек, P_Ек и P_V. В зимние сезоны выявлены только значимое уменьшение P_V.

Отмечены также сезонные особенности связи СТ с явлениями Эль-Ниньо, наиболее значимо проявляющиеся с января по апрель.

Работа выполнена в рамках госзадания ИФА им. А.М. Обухова РАН (темы № FMWR-2022-0011, № FMWR-2022-0014). Особенности связи режимов струйных течений в атмосфере с явлениями Эль-Ниньо оценивались в рамках проекта РНФ 19-17-00240.