Исследование Земли из Космоса, 2021, № 1, стр. 41-52

ВВЕДЕНИЕ

Стратосферные полярные вихри представляют собой масштабные циклоны, распространяющиеся от тропопаузы до стратопаузы и существующие с осени по весну. Структура и динамика полярных вихрей играет важную роль в распределении стратосферного озона, движении воздушных масс у вихря и температурном режиме над полярной областью (Waugh, Randel, 1999; Waugh, Polvani, 2010; Newman, 2010). Циркуляция зимней полярной стратосферы определяется активностью полярного вихря, и ее изменения в основном связаны с вариациями формы и расположения вихря. Масштабы и глубина разрушения стратосферного озона над полярной областью зависят от силы и устойчивости полярного вихря в весенний период (Solomon et al., 1986; Solomon, 1999; Newman et al., 2004). Границы полярного вихря представляют собой ветровой барьер, препятствуя меридиональному переносу стратосферного озона из тропических и средних широт в полярную область (Grooß et al., 2008; Cámara et al., 2010; Young et al., 2012; Conway et al., 2018). При этом внутри вихря в стратосфере при экстремально низких температурах (ниже ‒78°С) формируются полярные стратосферные облака (ПСО), на поверхности и в объеме которых протекают гетерогенные реакции с высвобождением молекулярного хлора, активно вступающего в каталитический цикл разрушения озона с появлением солнечного излучения над полярным регионом (Finlayson-Pitts, Pitts, 2000). С разрушением полярного вихря весной богатые озоном воздушные массы распространяются в полярную область, реакции формирования озона начинают преобладать над реакциями его разрушения, озоновая аномалия затягивается (Newman et al., 2004). Антарктические весенние озоновые аномалии формируются ежегодно, накрывая большую площадь (до 30 млн км²) и существуя, как правило, с августа по ноябрь. В свою очередь арктические озоновые аномалии образуются примерно раз в три года и регистрируются в период с января по апрель, составляя по длительности от нескольких дней до двух месяцев. Единственный случай за весь период спутниковых наблюдений (с 1979 по 2020 гг.), когда разрушение озона над Арктикой происходило в течение неполных четырех месяцев, наблюдался с января по апрель 2020 г., что по продолжительности сопоставимо с антарктической озоновой дырой. В работе (Varotsos et al., 2020) озоновая аномалия 2020 г. была названа первой озоновой дырой над Арктикой.

Основным фактором, способствующим ослаблению полярного вихря, является активность вертикально распространяющихся планетарных волн Россби (Flury et al., 2009; Smith et al., 2011; Kuttippurath, Nikulin, 2012). Распространяющиеся из тропосферы планетарные волны в стратосфере разрушаются в результате взаимодействия с западным стратосферным течением (т.е. полярным вихрем) (Kuttippurath, Nikulin, 2012). Происходящее при этом сильное смещение или расщепление полярного вихря сопровождается внезапным стратосферным потеплением (ВСП) (Varotsos, 2004). ВСП разделяются на большие и малые. Согласно определению Всемирной метеорологической организации ВСП можно считать большим, если на высотах от 10 гПа и ниже среднеширотная температура резко возрастает по направлению от 60° широт к полюсу при наблюдаемой смене направления зонального потока в течение нескольких дней/часов (WMO, 1978). Если при выраженном росте стратосферных температур направление зональных ветров с западного на восточное не меняется, ВСП считается малым. При малых ВСП происходит сильное смещение полярного вихря, а при больших – его расщепление на два небольших вихря (Flury et al., 2009; Mohanakumar, 2008; Martius et al., 2009; Варгин, Володин, 2016).

Арктический полярный вихрь практически на протяжении всего своего жизненного цикла эпизодически подвергается воздействию планетарных волн (Torre et al., 2012). ВСП регистрируются над Арктикой практически ежегодно (Агеева и др., 2017), включая годы, когда наблюдались озоновые аномалии, поскольку ВСП не всегда связаны с окончательным разрушением полярного вихря. Зимой над Арктикой часто наблюдаются кратковременные смещения или расщепления, регистрируемые в течение нескольких дней, после чего полярный вихрь достаточно быстро восстанавливается, вновь формируются ПСО. Устойчивый полярный вихрь должен существовать как минимум до конца апреля, затем в мае происходит естественная смена западного стратосферного течения восточным, в результате постепенного замедления первого, при этом в пределах сильного полярного вихря в течение всей весны наблюдается разрушение озона. Над Арктикой с 1979 по 2020 гг. (или согласно (Агеева и др., 2017) начиная с 1958 г.) ВСП не регистрировалось лишь единожды, в зимне-весенний период 1996/1997 гг. В данной работе анализ арктической озоновой аномалии 2020 г. представлен в сравнении с аномалией 1997 г., динамика полярного вихря с января по апрель 2020 г. рассматривается под влиянием активности планетарных волн.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Среднемесячные данные о скорости зонального ветра, геопотенциале, температуре воздуха и массовой концентрации озона в области 30°–90° с.ш. с горизонтальным разрешением 0.25° × 0.25° на высоте 50 гПа за период c января по апрель 1997 и 2020 гг. получены по данным недавно выпущенного реанализа ERA5 (Hersbach et al., 2020), являющегося пятым поколением реанализов European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) и отличающегося высоким пространственным и временным разрешением (https://doi.org/10.24381/cds.bd0915c6). Среднечасовые данные о скорости зонального ветра, геопотенциале, температуре воздуха и массовой концентрации озона в области 30°–90° с.ш. с горизонтальным разрешением 0.25° × 0.25° на высоте 50 гПа за период c января по апрель 2020 г. также получены по данным реанализа ERA5. Ежедневные данные о скорости зонального ветра на 60° с.ш. и минимальной температуре в области 50°–90° с.ш. на высоте 50 гПа, вихревом потоке тепла в области 45°‒75° с.ш. на высоте 100 гПа, а также объеме ПСО в области 60°‒90° с.ш. и общем содержании озона (ОСО) в области 63°‒90° с.ш. за период с 1979 по 2020 гг. были получены на основе спутниковых данных NASA Goddard Space Flight Center (GSFC) (http://ozonewatch.gsfc.nasa.gov/meteorology/ NH.html). Среднесуточные и среднемесячные оценки потока Элиассена–Пальма (ЭП) на основе реанализа NCEP/NCAR за период c января по апрель 1997, 2009 и 2020 гг. получены по данным NOAA Physical Sciences Laboratory (PSL) (https://psl.noaa.gov/data/epflux/).

Для рассмотрения динамики арктического полярного вихря и связанных метеорологических параметров в период с декабря по апрель 1996/1997, 2008/2009 и 2019/2020 гг. были получены 42-летние климатические средние сезонные циклы скорости зонального ветра на 60° с.ш., минимальной температуры в области 50°–90° с.ш., вихревого потока тепла в области 45°‒75° с.ш., объема ПСО в области 60°‒90° с.ш. и ОСО в области 63°‒90° с.ш. за период с 1979 по 2020 гг. со среднеквадратичными отклонениями (СКО, σ). Климатические средние и их значения СКО были сглажены FFT-фильтром (fast Fourier transform filter) по 15 точкам. Временные изменения исследуемых параметров с декабря по апрель 1996/1997, 2008/2009 и 2019/2020 гг. были сглажены FFT-фильтром по 5 точкам.

РЕЗУЛЬТАТЫ, ИХ АНАЛИЗ И ОБСУЖДЕНИЕ

Разрушение стратосферного озона над Арктикой весной 2020 г. рассмотрено в работах (Varotsos et al., 2020; Manney et al., 2020). В работе (Varotsos et al., 2020) арктическая озоновая аномалия 2020 г. описывается как беспрецедентное атмосферное явление в стратосфере над Арктикой, сопоставимое с антарктическими озоновыми дырами. В качестве одной из причин рассматривается необычная устойчивость и центрированность относительно полюса арктического полярного вихря в зимне-весенний период 2020 г. Озоновая аномалия 2020 г. сравнивается с аномалией 2011 г. по площади полярного вихря, периоду низких температур и объему ПСО (Varotsos et al., 2020). В работе (Manney et al., 2020) арктическая аномалия 2020 г. рассматривается с использованием данных прибора Microwave Limb Sounder (MLS), установленного на спутнике Aura. Согласно данным MLS, разрушение озона в Арктике весной 2020 г. было рекордно низким. Денитрификация и дегидратация в полярной области в зимний период 2019/2020 гг. (протекающая при экстремально низких температурах в процессе формирования частиц ПСО) также была рекордной за исключением зимы 2015/2016 гг. Переход хлора из его резервуаров (HCl и ClONO₂) в радикалы хлора (через гетерогенные и фотохимические реакции) и последующий каталитический цикл разрушения озона начались раньше, чем когда-либо за весь период наблюдений (Manney et al., 2020).

Несмотря на действительно рекордную, сопоставимую с антарктическими озоновыми дырами, продолжительность арктической озоновой аномалии 2020 г. (неполных 4 месяца), по масштабу и глубине разрушения озона она сравнима лишь с ранними антарктическими аномалиями (до 1985 г.). В свою очередь в Арктике ближайшее по продолжительности и степени разрушения озона явление наблюдалось весной 1997 г. На рис. 1 приведены среднемесячные поля геопотенциала, зонального ветра, температуры и массовой концентрации озона на высоте 50 гПа (~20 км) над Арктикой с января по апрель 1997 и 2020 гг., полученные по данным реанализа ERA5. Поля геопотенциала достаточно точно отражают форму полярного вихря, поскольку внутри вихря происходит понижение давления, низкие значения геопотенциала характеризуют область внутри вихря, а у его границы значение геопотенциала составляет ~19.5 × 10⁴ м²/с² (на рис. 1 выделены контуром) (Zuev, Savelieva, 2020). Поля зонального ветра и температуры характеризуют границы и силу полярного вихря. Внутри вихря происходит понижение температуры, а у его внешних границ преобладают теплые воздушные массы. При этом чем сильнее полярный вихрь, тем ниже значения температуры в его пределах. На полях зонального ветра выделены контуром значения 20 м/с, при которых граница полярного вихря становится динамическим барьером (Zuev, Savelieva, 2020).

Рис. 1.

Среднемесячные поля геопотенциала, зонального ветра, температуры и массовой концентрации озона на высоте 50 гПа над Арктикой с января по апрель 1997 и 2020 гг.

Как видно из рис. 1, в 1997 г. разрушение озона наблюдалось с марта по апрель, в то время как в 2020 г. с января по апрель. В январе 1997 г. происходило ослабление полярного вихря (без регистрации ВСП), проявившееся в его вытягивании и, как следствие, более высоких температурах внутри вихря, чем в феврале 1997 г. Затем в феврале 1997 г. наблюдалось восстановление полярного вихря, после чего в марте и апреле регистрировалось разрушение озона, в марте – до значений ниже 220 ед. Д. (согласно спутниковым данным NASA GSFC). При этом в марте и апреле 1997 г. полярный вихрь был даже масштабнее, чем в эти же месяцы в 2020 г. С января по апрель 2020 г. над Арктикой существовал устойчивый, хорошо центрированный относительно полюса, сильный полярный вихрь, небольшое ослабление которого наблюдалось лишь в апреле (в конце апреля произошло его разрушение). Разрушение озона внутри полярного вихря в 2020 г. усиливалось с января по март (рис. 1). Глубокое разрушение озона в период с марта по апрель 2020 г. можно объяснить не только как результат сильного и устойчивого полярного вихря (несмотря на то, что это основное условие), но и как результат пролонгации озоноразрушающих процессов, начавшихся с января.

На рис. 2 приведены внутригодовые изменения скорости зонального ветра на 60° с.ш. и минимальной температуры на высоте 50 гПа, объема ПСО и ОСО над Арктикой с декабря по апрель 1996/1997, 2008/2009 и 2019/2020 гг. в сравнении со средними значениями за 1979‒2020 гг., полученные на основе спутниковых данных NASA GSFC. Зимой 2008/2009 гг., 24 января, наблюдалось одно из крупнейших ВСП в результате расщепления полярного вихря под действием планетарных волн (Labitzke, Kunze, 2009; Iida et al., 2014; Зуев и др., 2017). На рис. 2 внутригодовые изменения исследуемых параметров в зимне-весенний период 2008/2009 гг. приведены для сравнения и демонстрируют обратную динамику по сравнению с ходом исследуемых параметров в зимне-весенние периоды 1996/1997 и 2019/2020 гг. В 2009 г., после расщепления полярного вихря 24 января и его последующего разрушения до конца января, ход зонального ветра, температуры и ОСО начиная с февраля иллюстрируют их динамику в отсутствие полярного вихря. После внезапного разрушения полярного вихря и заполнения полярной области теплыми, богатыми озоном воздушными массами в феврале произошла временная смена знака стратосферного меридионального температурного градиента и в результате восточное направление зонального ветра стало преобладающим. В марте 2009 г. восстановилось западное течение, при относительно низких значениях скорости зонального ветра, характерных для нижней стратосферы в летний период. Обратная ситуация наблюдалась в зимне-весенние периоды 1997 и 2020 гг. Значительное усиление полярного вихря наблюдалось в феврале и марте, с неизбежным ослаблением в апреле. В результате в полярной области произошло существенное понижение температуры, ПСО в оба года существовали вплоть до апреля, глубокое разрушение озона регистрировалось до конца апреля. В период с января по апрель 2020 г. ОСО достигало минимальных значений в течение 57% времени по сравнению с соответствующими значениями для каждого дня за 1979–2020 гг. Более высокие скорости зонального ветра с декабря по январь 2019/2020 гг. по сравнению с 1996/1997 гг. способствовали формированию более низких температур внутри полярного вихря и большему объему ПСО, что привело к увеличению периода разрушения озона на два месяца в 2020 г. по сравнению с 1997 г.

Рис. 2.

Внутригодовой ход скорости зонального ветра на 60° с.ш. и минимальной температуры в области 50°–90° с.ш. на высоте 50 гПа, объема ПСО в области 60°‒90° с.ш. и ОСО в области 63°‒90° с.ш. с декабря по апрель 1996/1997, 2008/2009 и 2019/2020 гг. на фоне средних значений за 1979‒2020 гг. с СКО (±1 σ).

Ослабление арктического полярного вихря, как правило, происходит под влиянием вертикально распространяющихся планетарных волн Россби. Одной из основных характеристик, используемых при оценке активности планетарных волн, является вихревой поток тепла (Hoshi et al., 2017). Вихревой поток тепла определяется как v'T ', где v – меридиональный ветер, T – температура воздуха, а штрих ' обозначает отклонение от зонального среднего (Kim et al., 2014; Hoshi et al., 2017). В частности, в работе (Polvani, Waugh, 2004) было показано, что высокая активность вихревого потока тепла в области 45°‒75° с.ш. на высоте 100 гПа предшествует ослаблению полярного вихря, а низкая – его усилению. При этом повышенная активность вихревого потока тепла приводит к расщеплению полярного вихря и возникновению ВСП (Polvani, Waugh, 2004). На рис. 3 приведены изменения вихревого потока тепла в области 45°–75° с.ш. на высоте 100 гПа с декабря по апрель 1996/1997, 2008/2009 и 2019/2020 гг. в сравнении со средними значениями за 1979–2020 гг., полученные на основе спутниковых данных NASA GSFC.

Рис. 3.

Внутригодовой ход вихревого потока тепла в области 45°‒75° с.ш. на высоте 100 гПа с декабря по апрель 1996/1997, 2008/2009 и 2019/2020 гг. на фоне средних значений за 1979‒2020 гг. с СКО (±1 σ).

Как видно из рис. 3, в январе 2009 г. наблюдалось аномальное усиление вихревого потока тепла в нижней стратосфере, что привело к расщеплению полярного вихря 24 января и возникновению ВСП. В период с января по апрель 1997 и 2020 гг. небольшое усиление активности наблюдалось в первой половине января 1997 г., в марте 2020 г., а также в апреле 1997 и 2020 гг. Одной из удобных диагностических величин для исследования влияния вихревых движений на зональное течение (полярный вихрь) является поток Элиассена‒Пальма (ЭП) (Боровко, Крупчатников, 2009). Поток ЭП представляет собой векторную величину с ненулевыми компонентами в плоскости широта–высота, направление и значение которой оценивают вихревой поток тепла и поток импульса. На рис. 4 приведены векторные представления усредненных за 30 дней потоков ЭП с января по апрель 1997, 2009 и 2020 гг., по данным NOAA PSL. Как видно из рис. 4, изменения активности потока ЭП хорошо согласуются с вариациями вихревого потока тепла. Аномально высокая активность потока ЭП наблюдалась в январе 2009 г., кроме того, небольшое усиление активности проявляется в марте 2020 г. (рис. 4), которое, вероятно, повлияло на динамику полярного вихря с марта по апрель 2020 г., когда он был слабее, чем в этот же период 1997 г. (рис. 1).

Рис. 4.

Поток ЭП с января по апрель 1997, 2009 и 2020 гг. (по оси Y: высота, гПа; по оси X: широта, град.).

Для рассмотрения влияния планетарных волн на динамику полярного вихря в зимне-весенний период 2020 г. на рис. 5 приведены векторные представления усредненных за 1 день потоков ЭП в период с 1 января по 23 апреля 2020 г. для выборочных дат с шагом 8–15 дней, по данным NOAA PSL. На рис. 6 приведены поля геопотенциала, зонального и меридионального ветра, массовой концентрации озона на высоте 50 гПа над Арктикой с 1 января по 23 апреля 2020 г. для тех же дат, что и на рис. 5, по данным реанализа ERA5. Граница полярного вихря ориентировочно определяется значениями геопотенциала ~19.5 × 10⁴ м²/с² (на рис. 5 выделена контуром), а при значениях зонального и меридионального ветра более 20 м/с (для меридионального ветра: более 20 м/с и менее –20 м/с) граница полярного вихря становится динамическим барьером (также выделены контуром). При вытягивании вихря в некоторых частях его граница определяется меридиональной составляющей ветра, тогда в этой части уменьшается скорость зонального ветра и увеличивается меридионального. Как видно из рис. 5 и 6, между активностью планетарных волн и динамикой полярного вихря наблюдается высокая согласованность. В частности, усиление потока ЭП 1 января, 1 февраля, 15 марта и 15 апреля способствовало ослаблению полярного вихря, сопровождающемуся его смещением или вытягиванием. В периоды уменьшения потока ЭП 15 января, 15 февраля, 1 марта и 1 апреля наблюдалось восстановление полярного вихря (рис. 5, 6). В итоге небольшое увеличение потока ЭП с 20 по 23 апреля привело к расщеплению полярного вихря (рис. 6), произошло ВСП. Как видно из рис. 5 и 6, в середине зимы значительное увеличение потока ЭП (например, 1 февраля) способствовало небольшому смещению или вытягиванию полярного вихря, в то время как весной (и особенно в апреле) при существенно меньшем увеличении потока ЭП наблюдалось заметное ослабление полярного вихря, вплоть до его расщепления. При этом в зимний период значительного ослабления полярного вихря после усиления активности планетарных волн в 2020 г. не происходило по причине кратковременности этого усиления. Например, при высокой активности потока ЭП 1 февраля (рис. 5) средняя за февраль была достаточно низкой (рис. 4). Несмотря на периодические ослабления полярного вихря с января по апрель 2020 г., ОСО внутри вихря понижалось вплоть до середины апреля и сохранялось низким до полного разрушения вихря в конце апреля (рис. 6).

Рис. 5.

Поток ЭП для выборочных дат в период с января по апрель 2020 г. (по оси Y: высота, гПа; по оси X: широта, град.).

Рис. 6.

Поля геопотенциала, зонального ветра, меридионального ветра и массовой концентрации озона на высоте 50 гПа над Арктикой для выборочных дат в период с января по апрель 2020 г.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе представлен анализ арктической озоновой аномалии 2020 г. в сравнении с аномалией 1997 г., наиболее крупной за период с 1979 по 2019 гг. В 1997 г. разрушение озона наблюдалось с марта по апрель, в то время как в 2020 г. с января по апрель впервые над Арктикой в течение практически 4-месячного периода. В 2020 г., как и в 1997 г., наблюдалась необычная устойчивость и центрированность относительно полюса арктического полярного вихря (за исключением января 1997 г.). При этом в марте и апреле 1997 г. полярный вихрь был даже масштабнее, чем в эти же месяцы 2020 г. Разрушение озона внутри полярного вихря в 2020 г. усиливалось с начала января до середины апреля, несмотря на небольшое ослабление полярного вихря в марте и апреле по сравнению с февралем. Значительное понижение ОСО в период с марта по апрель 2020 г. объясняется, в частности, длительным периодом продолжительности озоновой аномалии, при этом основным условием разрушения озона было существование устойчивого полярного вихря.

Динамика арктического полярного вихря в период с января по апрель 2020 г. в данной работе рассматривается под влиянием активности вертикально распространяющихся планетарных волн Россби. Показано, что устойчивость полярного вихря в значительной степени зависит от активности планетарных волн, и даже кратковременные небольшие увеличения потока ЭП откликаются ослаблением полярного вихря (проявляющемся в его смещении или вытягивании). С началом весны и особенно в апреле совсем небольшое увеличение потока ЭП способствовало существенному ослаблению или даже расщеплению полярного вихря, как это наблюдалось с 20 по 23 апреля 2020 г. (произошло ВСП). В то время как в середине зимы гораздо более значительное увеличение потока ЭП не приводило к таким серьезным изменениям в динамике полярного вихря и проявлялось лишь в его небольшом смещении или вытягивании.