ArticlePDF Available

Внезапные стратосферные потепления: статистические характеристики и влияние на общее содержание NO2 и O3

Authors:
  • A.M. Obukhov Institute of Atmospheric Physics of Russian Academy of Sciences
  • A.M. Obukhov Institute of Atmospheric Physics, Moscow, Russia

Abstract

Cтатистические характеристики больших (major) и малых (minor) внезапных стратосферных потеплений (ВСП) в Северном полушарии за 1958–2015 гг. анализируются по данным реанализов NCEP-NCAR, ERA 40 и ERA-Interim. Выявлена зависимость количества больших ВСП со смещением циркумполярного стратосферного вихря и количества малых ВСП от фазы квазидвухлетней цикличности (КДЦ) экваториального стратосферного ветра и от уровня солнечной активности (СА) в 11-летнем солнечном цикле. Большие ВСП, сопровождающиеся смещением полярного вихря, происходят чаще при высоком уровне СА и при восточной фазе КДЦ экваториального ветра в слое 50–40 гПа, а малые ВСП – наоборот, при низком уровне СА и при западной фазе КДЦ. Выполнен анализ пространственно-временной динамики полярного стратосферного вихря при больших ВСП, выявлены наиболее вероятные направления смещения вихря в результате ВСП. Анализируется влияние больших ВСП на общее содержание в атмосфере NO2 и озона, а также на стратосферную температуру.
545
DOI: 10.7868/S0003351517050014
Ключевые слова: внезапные стратосферные потепления, квазидвухлетняя цикличность, солнечная
активность, диоксид азота, озон.
Cтатистические характеристики больших (major) ималых (minor) внезапных стратосферных по-
теплений (ВСП) вСеверном полушарии за 1958–2015 гг. анализируются по данным реанализов
NCEP-NCAR, ERA 40 иERA-Interim. Выявлена зависимость количества больших ВСП со смеще-
нием циркумполярного стратосферного вихря иколичества малых ВСП от фазы квазидвухлетней
цикличности (КДЦ) экваториального стратосферного ветра иот уровня солнечной активности (СА)
в11-летнем солнечном цикле. Большие ВСП, сопровождающиеся смещением полярного вихря,
происходят чаще при высоком уровне СА ипри восточной фазе КДЦ экваториального ветра вслое
50–40 гПа, амалые ВСП
наоборот, при низком уровне СА ипри западной фазе КДЦ. Выполнен ана-
лиз пространственно-временной динамики полярного стратосферного вихря при больших ВСП, вы-
явлены наиболее вероятные направления смещения вихря врезультате ВСП. Анализируется влияние
больших ВСП на общее содержание ватмосфере NO
2
иозона, атакже на стратосферную температуру.
Поступила вредакцию 15.07.2016 г.
После доработки 15.09.2016 г.
1Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН
119017 Москва, Пыжевский пер., 3
2Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова,
119991 Москва, Ленинские горы
3 Институт мониторинга климатических иэкологических систем СО РАН,
634055 Томск, пр. Академический, 10/3
*E-mail: a.n.gruzdev@mail.ru
© 2017 г. В. Ю. Агеева 1, А. Н. Груздев1,*, А. С. Елохов1,
И. И. Мохов1, 2, Н. Е. Зуева3
ВНЕЗАПНЫЕ СТРАТОСФЕРНЫЕ ПОТЕПЛЕНИЯ:
СТАТИСТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ВЛИЯНИЕ
НА ОБЩЕЕ СОДЕРЖАНИЕ NO2 И O3
УДК 551.510.532; 551.510.534; 551.590.21
ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕА НА, 2017, том 53, № 5, с. 545–555
1. ВВЕДЕНИЕ
Внезапные стратосферные потепления (ВСП)
представляют собой крупномасштабные возмуще-
ния полярной зимней стратосферы, оказывающие
существенное влияние на температуру и цирку-
ляцию средней атмосферы ина содержание атмо-
сферных примесей. Во время ВСП втечение не-
скольких дней вполярной стратосфере происхо-
дит резкое изначительное (на40–60 К) увеличе-
ние температуры [1]. Оно сопровождается суще-
ственным замедлением зонального потока (малые,
или минорные, ВСП) или даже изменением его
направления сзападного на восточное (большие,
или мажорные, ВСП).
Согласно [2], ВСП возникают в результате
диссипации вверхней стратосфере планетарных
волн, генерируемых втропосфере. Потепление
начинается вслое верхней стратосферы инижней
мезосферы иразвивается вниз до нижней страто-
сферы. Встратосферу из тропосферы восновном
проникают наиболее длинные волны сволновыми
числами 1–3. Амплитуда планетарных волн вниж-
ней стратосфере перед ВСП может возрастать
в2 раза по сравнению сее среднемесячными значе-
ниями [2]. Большие ВСП бывают восновном вСе-
верном полушарии всвязи сбольшей активностью
внем планетарных волн по сравнению сЮжным
полушарием [1]. Всреднем вСеверном полуша-
рии происходят два больших ВСП втечение трех
лет [3]. При больших ВСП происходит значитель-
ное ослабление циркумполярного стратосферного
вихря иего смещение всторону от полюса, авряде
случаев
расщепление.
ВСП приводят кзначительным крупномасштаб-
ным изменениям встратосфере, иих следует рассма-
тривать вконтексте общей циркуляции атмосферы.
546 АГЕЕВА и др.
ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА том 53 № 5 2017
Один из важных факторов, влияющих на тепловой
режим, циркуляцию исостав средней атмосфе-
ры средних иполярных широт,
квазидвухлетняя
цикличность (КДЦ), наиболее четко проявляющая-
ся вэкваториальном стратосферном ветре [4–12].
Вчастности, согласно [6, 13], она оказывает суще-
ственное влияние на глобальную циркуляцию на
высотах нижней стратосферы ивоздействует на ква-
зистационарные планетарные волны.
Стратосфера также испытывает воздействие
11-летнего цикла солнечной активности (СА)
[14–18]. Один из механизмов воздействия связан
свлиянием изменений потока ультрафиолетовой
солнечной радиации на зональный ветер через из-
менение меридионального градиента температуры
всубтропической верхней стратосфере, что, всвою
очередь, влияет на условия распространения пла-
нетарных волн [15]. В[17] на основе данных ре-
анализа ERA-Interim показано, что варктической
стратосфере весной усиливается волновая актив-
ность, апотенциальная завихренность в страто-
сфере вхолодный период года ослабевает сростом
уровня СА. Результаты модельных расчетов в[18]
указывают на значительное влияние планетарных
волн на циркуляцию атмосферы ввысоких широ-
тах Северного полушария ина ослабление зимнего
стратосферного вихря втечение максимума 11-лет-
него цикла СА, что, вцелом, согласуется с[17].
Исследованию различных аспектов ВСП по-
священа обширная литература. Многолетние ста-
тистические характеристики ВСП представлены
в[3, 19]. В[20] указано, что ВСП чаще происхо-
дят при сочетании западной фазы КДЦ свысоким
уровнем СА ипри сочетании восточной фазы КДЦ
снизким уровнем СА. Среди работ, посвященных
воздействию ВСП на содержание атмосферных
примесей, отметим недавнюю работу [21] санали-
зом эффектов ВСП встратосферном содержании
О
3
, NO
2
иNO
3
вполярной области по результатам
шестилетних спутниковых измерений.
Цель нашей работы состоит вболее детальном
анализе статистических связей больших ималых
ВСП с КДЦ и уровнем СА, анализе простран-
ственно-временнй эволюции циркумполярного
стратосферного вихря при больших ВСП, атакже
воценке воздействия больших ВСП на общее со-
держание NO
2
иО
3
на основании данных много-
летних измерений.
2. ДАННЫЕ ИМЕТОДЫ АНАЛИЗА
Для выявления ВСП использованы данные ре-
анализов NCEP-NCAR (http://www.esrl.noaa.gov/
psd/data/gridded/data.ncep.reanalysis.pressure.html),
ERA 40 (http://apps.ecmwf.int/datasets/data/era40-
daily/levtype = pl/) иERA-Interim (http://apps.ecmwf.
int/datasets/data/interim-full-daily/levtype = pl/)
отемпературе искорости зонального ветра вСе-
верном полушарии за период 1958–2015 гг. Следуя
определению Всемирной метеорологической ор-
ганизации, потепление идентифицировалось как
большое ВСП, если среднезональная температура
на изобарической поверхности 10 гПа возрастала
внаправлении от 60°N кполярной области (85–
90°N), асредний зональный ветер на поверхности
Таблица 1. Сведения обольших ВСП.
№ п/п Дата Тип Фаза
КДЦ Уровень
СА
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
31.01.1958
30.11.1958
17.01.1960
28.01.1963
23.03.1965
16.12.1965
23.02.1966
07.01.1968
28.11.1968
13.03.1969
02.01.1970
18.01.1971
20.03.1971
31.01.1973
09.01.1977
22.02.1979
29.02.1980
04.03.1981
4.12.1981
24.02.1984
01.01.1985
23.01.1987
08.12.1987
14.03.1988
21.02.1989
15.12.1998
26.02.1999
20.03.2000
11.02.2001
30.12.2001
17.02.2002
18.01.2003
05.01.2004
21.01.2006
24.02.2007
22.02.2008
14.03.2008
24.01.2009
09.02.2010
24.03.2010
06.01.2013
Р
C
C
Р
Р
C
Р
Р
C
C
C
Р
C
Р
Р
Р
C
C
C
C
Р
C
Р
Р
Р
C
Р
Р
C
C
C
Р
C
C
C
C
C
Р
Р
C
Р
З
В
З
В
З
В
В
З
В
В
З
В
В
В
В
З
В
З
В
З/В
В
З/В
З
З
З
В
З/В
З
З/В
В
З/В
З
В
В
З
В
В
З
З/В
В
В
+
+
+
+
+
+
+
+/–
+/–
+
+
+
+
+/–
+/–
+
+/–
+/–
+
+
+
+
+/–
+/–
Обозначения “З” и“В” означают западную ивосточную
фазы КДЦ, обозначения “+” и “-”
высокий инизкий
уровни СА соответственно.
ВНЕЗАПНЫЕ СТРАТОСФЕРНЫЕ ПОТЕПЛЕНИЯ: СТАТИСТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ... 547
ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА ТОМ 53 № 5 2017
10 гПа ишироте 60°N менял направление сзапад-
ного на восточное. Если наблюдалось только из-
менение знака меридионального температурного
градиента, то ВСП классифицировалось как малое
[1]. Рассматривались только потепления впериод
сноября по март. ВСП над Северной Америкой
(т.н. канадские ВСП) не выделялись вотдельную
группу. Информация обольших ВСП содержится
втабл.1, аомалых
втабл.2. Список больших
ВСП втабл.1 дополняет список, который был при-
веден в[3].
Даты больших ВСП втабл.1 соответствуют да-
там смены направления среднезонального ветра на
изобарической поверхности 4 гПа ишироте 60°N.
При этом применялись предложенные в[3] допол-
нительные условия. Одно из них позволяет исклю-
чить учет нескольких последовательных событий,
которые вдействительности могут быть проявле-
нием одного итого же ВСП. Условие заключается
втом, что на протяжении 20 дней до ипосле даты
ВСП ни одно событие не может быть определено
как ВСП. Другое условие позволяет исключить
финальные потепления. Кним причислялись по-
тепления, при которых изменивший направление
среднезональный ветер сохранял восточное на-
правление втечение не менее 10 дней.
Большие ВСП приводят к широтному сме-
щению циркумполярного стратосферного вихря
всторону от полюса или красщеплению вихря.
Эволюция вихря прослеживалась по распреде-
лению потенциальной завихренности на основе
данных реанализов ERA-Interim иERA 40. Вза-
висимости от формы вихря на изобарической по-
верхности 10 гПа большие ВСП были разделены на
два типа: со смещением (тип С) ирасщеплением
(тип Р) полярного стратосферного вихря.
Для определения наиболее вероятных направ-
лений смещения полярного стратосферного вихря
врезультате больших ВСП анализировались поля
потенциальной завихренности на уровне 10 гПа.
По ним определялись долготные сектора впреде-
лах 15° долготы, которые включали область вих-
ря вдень ВСП иза 5 дней до этого. Для больших
ВСП Р-типа аналогичным образом определялись
направления смещения фрагментов вихря после
его расщепления.
Фазы КДЦ и 11-летнего цикла СА, соответ-
ствующие датам ВСП, определялись по средне-
месячным данным о зональной скорости эква-
ториального стратосферного ветра (http://www.
geo.fu-berlin.de/en/met/ag/strat/produkte/qbo/index.
html) иочисле солнечных пятен (http://omniweb.
gsfc.nasa.gov/ow.html). Всоответствии с[6, 12, 22],
для определения фазы КДЦ использовалось сред-
нее значение скоростей ветра на изобарических
поверхностях 40 и50 гПа. Фаза КДЦ считалась
западной (восточной), если скорость западного
(восточного) ветра в этот момент превышала по
модулю 30%-ную величину от среднего значения
максимумов модуля скорости западного (восточно
-
го) ветра. Уровень СА считался высоким (низким),
если число солнечных пятен вэтот момент было
больше (меньше) многолетнего среднего значе-
ния более чем на 30%. Информация офазах КДЦ
и11-летнего солнечного цикла, соответствующих
датам ВСП, содержится втабл.1–2.
Таблица 2. Сведения омалых ВСП.
№ п/п Дата Фаза
КДЦ Уровень
СА
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
13.12.1960
06.03.1961
19.02.1962
10.03.1964
23.02.1972
26.02.1974
01.01.1975
06.03.1975
21.11.1976
20.12.1976
11.03.1976
30.01.1978
10.03.1978
24.01.1979
31.01.1981
24.01.1982
28.01.1983
22.02.1983
28.03.1985
20.01.1986
17.02.1986
13.03.1986
09.02.1990
25.01.1991
19.02.1993
24.01.1995
18.02.1996
8.03.1996
25.12.1997
19.02.1998
07.02.2000
10.12.2000
28.12.2002
15.02.2003
03.01.2006
24.01.2008
31.01.2011
12.01.2012
07.02.2014
01.03.2014
04.01.2015
В
В
З
З
З
З
В
В
З/В
З/В
З
З
З
З
З
В
З
З
З/В
З
З
З
В
З
З
З
З
З
З
З
З
З/В
З
З
В
В
З
З/В
З
З
В
+/–
+/–
+/–
+/–
+/–
+
+
+
+/–
+/–
+
+
+/–
+
+
+/–
+/–
+/–
+/–
+/–
+/–
Обозначения “З” и“В”, “+” и“-” те же, что втабл.1.
548 АГЕЕВА и др.
ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА том 53 № 5 2017
Для анализа влияния ВСП на стратосферное со-
держание примесей использованы результаты назем-
ных спектрометрических измерений общего содержа
-
ния (ОС) NO2 на станциях NDACC (Network for the
Detection of Atmospheric Composition Change)
меж-
дународной Сети по обнаружению изменений соста-
ва атмосферы,
расположенных всредних ивысоких
широтах Северного полушария (табл.3). Измерения
выполняются во время утренних ивечерних суме-
рек по рассеянному из зенита солнечному излуче-
нию ввидимой области спектра. Данные доступны
всети интернет по адресу http://ndacc.org. Значения
ОС NO
2
за 1992–1994 гг. были исключены из анализа
из-за существенного влияния продуктов извержения
вулкана Пинатубо на содержание NO
2
встратосфере
[23, 24].
Большинство станций расположены вдали от
промышленных центров, тропосферное содержа-
ние NO
2
там обычно невелико, иОС NO
2
близко
ксодержанию ввертикальном столбе стратосферы.
Что касается Звенигородской станции, располо-
женной взападном Подмосковье, то используемая
на ней методика наблюдений позволяет восстанав-
ливать вертикальные профили NO2 ипо ним непо-
средственно рассчитывать содержание NO2 встра-
тосферном столбе [23, 25].
В работе также использованы данные о стра-
тосферной температуре из реанализа ERA-Interim
(1979–2014 гг.) иданные спутниковых измерений
общего содержания озона (ОСО) спомощью при-
боров TOMS (1979–2004 гг.) иOMI (2004–2014 гг.).
Для получения значений ОСО над станциями на-
блюдений NO
2
использовался интернет-сервис
Giovanni (http://giovanni.gsfc.nasa.gov/giovanni/).
3. РЕЗУЛЬТАТЫ
3.1. Связь ВСП сКДЦ иуровнем СА. Из обще-
го количества больших ВСП 41 девятнадцать (46%)
классифицированы как потепления срасщеплением
стратосферного вихря идвадцать два
как потепле-
ния со смещением вихря (табл.1), т.е. всреднем оба
типа потеплений происходят примерно содинаковой
частотой, несмотря на различия предшествующих им
состояний атмосферы. Вчастности, для возникно-
вения больших ВСП типа Р существенно наличие
сильного зонального потока втропосфере над тихо-
океанским сектором [3].
Большие и малые ВСП происходят при раз-
ных фазах КДЦ исолнечного цикла (табл.1 и2).
Втабл.4 приведено число потеплений различных
типов иих комбинаций взависимости от фазы
КДЦ (при произвольном уровне СА). Там же при-
ведено число потеплений взависимости от уров-
ня СА (при произвольной фазе КДЦ), при этом из
распределений ВСП по фазам солнечного цикла
исключены данные за последний неполный цикл
(после 2002 г.). По данным, приведенным втабл.4,
выявляется статистически достоверная (науров-
не не хуже 0.05) связь числа больших ВСП С-типа
как сфазой КДЦ, так исуровнем СА. Такие поте-
пления происходят чаще при восточной фазе КДЦ
(при произвольном уровне СА) и высоком уров-
не СА (при произвольной фазе КДЦ). Зависимо-
сти больших ВСП типа Р от фазы КДЦ или фазы
солнечного цикла не выявлены. При объединении
потеплений типов Р иСв единую группу харак-
тер изменения их количества сфазой КДЦ ифа-
зой солнечного цикла сохраняется, но эти разли-
чия статистически незначимы.
По результатам табл.1 можно предположить,
что сочетание восточной фазы КДЦ ивысокого
уровня СА благоприятствует большим ВСП С-типа,
асочетание западной фазы КДЦ инизкого уровня
СА не благоприятствует им. Однако различия чи-
сел ВСП при их разбивке на 4 группы взависимо-
сти одновременно от фазы КДЦ ифазы солнечно-
го цикла оказались статистически незначимыми на
уровне 0.05
вероятно, из-за недостаточной стати-
стики. Мы не можем сдостоверностью (науровне
0.05) подтвердить иупоминавшееся выше указание
[20] обольшей вероятности ВСП (без разделения
их на типы Р иС) при определенных сочетаниях
фаз КДЦ исолнечного цикла.
Таблица 3. Станции ипериоды наблюдений ОС NO2
Станция Широта Долгота Период наблюдений, гг.
1. Ню-Олесунн (Ny-Ålesund)
2. Скорсбисунн (Scoresbysund)
3. Кируна (Kiruna)
4. Соданкюля (Sodankyla)
5. Жиганск
6. Харестуа (Harestua)
7. Звенигород
8. Юнгфрауйох (Jungfraujoch)
9. Иссык-Куль
78.92°N
70.48°N
67.84°N
67.37°N
66.76°N
60.22°N
55.69°N
46.55°N
42.62°N
11.93°E
21.95°W
20.41°E
26.63°E
123.35°E
10.75°E
36.77°E
7.98°E
76.99°E
1995–2008
1992–2013
1991–2010
1990–2013
1992–2012
1994–2013
1990–2013
1991–2012
1983–2012
ВНЕЗАПНЫЕ СТРАТОСФЕРНЫЕ ПОТЕПЛЕНИЯ: СТАТИСТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ... 549
ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА ТОМ 53 № 5 2017
Согласно табл.4, зависимости числа малых по-
теплений от фазы КДЦ иот уровня СА статистиче-
ски значимы ипротивоположны тем, что получены
для больших потеплений типа С: малые потепле-
ния случаются чаще при западной фазе КДЦ (при
произвольном уровне СА) и при низком уровне
СА (при произвольной фазе КДЦ). При объедине-
нии больших ВСП типа Сималых ВСП вединую
группу статистически значимая зависимость числа
ВСП от фазы КДЦ или уровня СА не выявляется.
Таким образом, согласно полученным резуль-
татам, повторяемость ВСП вцелом не зависит от
фазы КДЦ или уровня СА. Зависимость появляет-
ся только для больших ВСП типа Сималых ВСП,
анализируемых раздельно. Можно предложить
концептуальную схему этой зависимости. Потепле-
ния формируются на высотах верхней стратосфе-
ры инижней мезосферы ираспространяются вниз,
амалые потепления можно рассматривать как не-
состоявшиеся большие ВСП типа С. При этом ус-
ловие достижения развивающимся потеплением
стадии большого потепления на более низком вы-
сотном уровне зависит от КДЦ иуровня СА. Вос-
точная фаза КДЦ ивысокий уровень СА не влияют
на сам факт потепления, но способствуют его уси-
лению. Этим можно объяснить ипротивополож-
ный характер зависимостей больших ВСП С-типа
ималых ВСП от фаз КДЦ исолнечного цикла. От-
метим, что, согласно табл.1–2, половина ВСП из
общего числа потеплений типа Сдостигает стадии
больших ВСП.
Большие ВСП преимущественно происходят
всередине иконце зимы. При этом распределение
потеплений типа Сне имеет выраженной внутри-
сезонной зависимости, тогда как потепления типа
Р чаще бывают вянваре ифеврале. Согласно [6, 13],
при восточной фазе КДЦ уже вначале зимы (но-
ябрь–декабрь) зачастую происходит усиление пла-
нетарных волн сволновым числом 1. Такие волны
способствуют большим ВСП типа С. Сдругой сто-
роны, при западной фазе КДЦ впериод сянваря по
март выше активность планетарных волн сволно-
вым числом 2, которые способствуют ВСП типа Р.
Вывод [18] оболее сильном влиянии планетарных
волн на циркуляцию стратосферы при максиму-
ме СА по сравнению сминимумом СА согласуется
сполученной нами зависимостью больших ВСП
С-типа от уровня СА (табл.4).
Данные табл.1 указывают на возрастание коли-
чества больших ВСП в23-м (1996–2008 гг.) и24-м
(с2008 г. по настоящее время) циклах СА. Кроме
того, за период 2004–2010 гг., соответствующий
низкому уровню СА, произошло шесть больших
ВСП типа С, тогда как за предыдущие 45лет толь-
ко два.
3.2. Эволюция полярного стратосферного вихря
при больших ВСП. Большие ВСП оказывают силь-
ное влияние на циркумполярный стратосферный
вихрь. Вбольшинстве случаев перед большими
ВСП структура вихря близка кзонально-симме-
тричной, тогда как впроцессе развития потепле-
ния для вихря характерна сильная зональная асим-
метрия. Анализ более 40 событий ВСП выявил
определенные закономерности положения страто-
сферного вихря. В[13], основываясь на анализе
17 зим (14 больших ВСП), отмечено усиление вол-
ны сволновым числом 1 наряду сослаблением
волны счислом 2 на 60°N как характерной осо-
бенности предварительных условий для возникно-
вения больших ВСП.
На рис.1а показано долготное распределение
смещения арктического стратосферного вихря для
разных фаз развития больших ВСП втечение все-
го анализируемого периода 1958–2015 гг. (рис.1 а),
ана рис.1б-1г
для января ифевраля за период,
соответствующий периоду наблюдений NO
2
(без
1992–1994 гг.). Перед большими ВСП полярный
стратосферный вихрь обычно смещается вдолгот
-
ный сектор 120°W-120°E (кривая 1 на рис.1а). При
этом за почти 60-летний период не было отмечено
случаев его смещения втихоокеанский сектор. Из-
вестно, что эта область стратосферы находится под
влиянием алеутского антициклона [26].
В дальнейшем стратосферный вихрь либо
остается цельным исмещается восточнее, либо
Таблица 4. Число ВСП взависимости от фазы КДЦ иуровня СА (по4 полным циклам).
Фаза КДЦ
и
уровень СА
Большие
ВСП обоих
типов
Большие
ВСП типа Р Большие
ВСП типа С Малые
ВСП Малые ВСП
ибольшие ВСП
типа С
Фаза КДЦ З14 10 427 31
В21 714 923
Уровень СА +16 610 717
– 9 7 217 19
Примечание: Выделенные жирным курсивом значения соответствуют статистически значимым на уровне 0.05 различиям.
550 АГЕЕВА и др.
ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА том 53 № 5 2017
расщепляется (обычно на два фрагмента). Вдни
больших ВСП С-типа полярный стратосферный
вихрь обычно сдвигается вдолготный сектор 60°W–
120°E (кривая 2 на рис.1а). Вбольшинстве случаев
стратосфера над центральной исеверной частя-
ми Европы находится под его влиянием. Во время
больших ВСП вдоль периферии вихря идет интен-
сивный меридиональный перенос. На юго-восточ-
ной периферии вихря, чаще всего над территорией
Сибири, перенос происходит из низких ввысокие
широты. Это должно приводить кизменениям тем-
пературы исодержания примесей встратосфере
над Сибирью, противоположным их изменениям
над Европой.
Во время больших ВСП Р-типа один из фраг-
ментов стратосферного вихря вбольшинстве слу-
чаев смещается в область канадской Арктики
(120°W–60°W), адругой
вцентральную Евразию
(30°E–90°E) (кривая 3 на рис. 1а). Расщепление
вихря сопровождается вторжением между его фраг-
ментами стратосферного воздуха из низких широт
всвязи сусилением характерного для ВСП мери-
дионального переноса.
Поскольку большие ВСП типа С происхо-
дят чаще при максимуме СА ипри этом поляр-
ный вихрь смещается всторону Евразии (рис.1а),
то следует ожидать понижения температуры
стратосферы вэтой области при высоком уровне
СА. В[18] по модельным расчетам получено значи-
тельное уменьшение температуры на высоте 30км
над Евразией иее увеличение над Аляской при
максимуме СА по сравнению сминимумом СА.
3.3. Влияние больших ВСП на ОС NO
2
, ОСО
итемпературу стратосферы. Сильная межгодовая
изменчивость ОС NO
2
, ОСО итемпературы стра-
тосферы в зимний период вСП отражает отсут-
ствие или наличие больших ВСП и,как следствие,
холодную, изолированную полярную стратосфе-
ру или, наоборот, более теплую стратосферу сбо-
лее активным межширотным обменом. На рис.2
приведены изменения среднемесячных значений
ОС NO
2
, ОСО итемпературы стратосферы вгоды
сбольшими ВСП относительно лет без больших
ВСП. Характер временнй зависимости эффектов
ВСП втемпературе исодержании примесей на раз-
ных станциях неодинаков.
Изменения всех трех величин на полярной ст.
Ню-Олесунн вфеврале (аразность температуры
ивдекабре–январе) существенно выше в годы
сбольшими ВСП, чем вгоды без них (рис.2 а–2в).
Это связано сфизико-химическими процессами,
обусловливающими дефицит озона варктической
стратосфере. Вгоды без больших ВСП циркум-
полярный стратосферный вихрь идинамическая
20
12
16
8
4
4
6
2
0
4
6
2
0
4
6
2
0
0
–180–150 –120–90 –60 –30 0 30 60 90 120 150 180 –180–150 –120–90 –60 –30 0 30 60 90 120 150
180
–180–150 –120–90 –60 –30 0 30 60 90 120 150 180 –180–150 –120–90 –60 –30 0 30 60 90 120 150
180
Долгота Долгота
1
1
1
1
2
2
2
2
3
Число ВСП Число ВСП
(а) (б)
(в) (г)
Рис.1. Долготное распределение числа случаев, когда сместившийся от полюса врезультате больших ВСП полярный
стратосферный вихрь накрывал соответствующий долготный сектор: а
за 5 дней до даты ВСП (1), на дату ВСП типа
С(2) ина дату расщепления вихря при ВСП типа Р (3);б
на даты ВСП обоих типов вянваре (1) ифеврале (2); в – на
даты ВСП типа Свянваре (1) ифеврале (2) иг
на даты расщепления вихря при ВСП типа Р вянваре (1) ифеврале (2).
ВНЕЗАПНЫЕ СТРАТОСФЕРНЫЕ ПОТЕПЛЕНИЯ: СТАТИСТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ... 551
ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА ТОМ 53 № 5 2017
изоляция полярной стратосферы сильнее, чем
вгоды спотеплениями. Это способствует сильному
выхолаживанию арктической стратосферы иобра-
зованию вней полярных стратосферных облаков.
Гетерогенные химические реакции на поверхности
частиц облаков приводят кденитрификации по-
лярной стратосферы (и, как следствие, уменьше-
нию ОС NO2) споследующим усилением разруше-
ния озона врезультате возрастания эффективности
хлорного цикла [27, 28]. Низкие значения содержа-
ния NO
2
зарегистрированы ивсредних широтах
[22, 29–31].
На станциях Скандинавского полуострова (Ки-
руна, Соданкюля иХарестуа) ист. Скорсбисунн,
так же как ина ст. Ню-Олесунн, значения ОСО
итемпературы стратосферы вянваре ифеврале
выше вгоды сВСП (рис.2б, 2в), тогда как разность
Δ T, °C
0
2
4
6
8
–2 дек. янв. февр.
Δ ОСО, е. Д.
0
25
50
125
100
75
150
–25
(б)
Δ ОС NO2, 1015 см–2
0
0.1
–0.1
0.2
0.3
0.4
–0.2
(a)
0
–2
2
4
–4 дек. янв.
февр.
0
–10
–20
10
20
30
–30
(д)
(в)
Hю-Олесунн
Скорсбисунн
Кируна
Соданкюля
Харестуа
Жиганск
Звенигород
Юнгфрауйох
Иссык-Куль
(е)
–0.1
0.1
–0.3
–0.2
0
0.2
–0.4
(г)
Рис.2. Разности между средними значениями ОС NO
2
по данным вечерних измерений (верхний ряд), ОСО (средний ряд)
итемпературы на изобарической поверхности 50 гПа (нижний ряд) вгоды сбольшими ВСП ибез них (значение “с ВСП”
минус значение “без ВСП”) взависимости от месяца на станциях, где проводятся измерения ОС NO2. Вертикальные от-
резки
95%-ные доверительные интервалы.
NO2, будучи неодинаковой вразные месяцы, из-
меняется от станции кстанции (рис.2а). При этом
можно отметить сходство тенденций изменения
разности NO2 от месяца кмесяцу на ст. Скорсби-
сунн иКируна, атакже Соданкюля иХарестуа.
Значения ОС NO2 вначале зимы на ст. Соданкюля
иХарестуа выше вгоды без больших ВСП. Это
можно связать сменее возмущенным полярным
вихрем сбольшей динамической изоляцией поляр-
ной стратосферы и,как следствие, более слабым
межширотным обменом на границе вихря.
Для объяснения других особенностей измене-
ния NO
2
привлечем долготные распределения
направления смещения полярного стратосфер-
ного вихря при больших ВСП типов СиР в ян-
варе и феврале (рис. 1б–1г). Значения ОС NO
2
на ст. Скорсбисунн иКируна вгоды сбольшими
552 АГЕЕВА и др.
ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА том 53 № 5 2017
ВСП меньше вянваре ибольше вфеврале, азна-
чения ОС NO2 на ст. Соданкюля иХарестуа вянва-
ре выше вгоды спотеплениями. Стратосфера над
станциями вдаты январских потеплений обычно
находится под влиянием полярного вихря, что,
по-видимому, ипривело кболее низким значени-
ям ОС NO
2
на ст. Скорсбисунн иКируна вгоды
сВСП по сравнению сгодами без ВСП. Однако
за период наблюдений NO
2
вянваре произошло
три больших ВСП типа Ситри потепления Р-типа
(табл.1). Расщепление вихря сопровождается втор-
жением между его фрагментами богатого окислами
азота стратосферного воздуха из низких широт. Во
время январских ВСП типа Р эта область преиму-
щественно располагалась над Скандинавским по-
луостровом (кривая 1 на рис.1г), что привело кбо-
лее высоким значениям ОС NO2 на ст. Соданкюля
иХарестуа вгоды сВСП. Такое же соотношение
можно было бы ожидать идля ст. Кируна, однако
из-за отсутствия данных наблюдений NO
2
на ней
после 2010 г. (табл.3) более высокий вклад враз-
ность NO
2
внесли не потепления типа Р, апоте-
пления С-типа.
При больших ВСП вфеврале над ст. Скорсби-
сунн обычно располагается область северо-запад-
ной периферии стратосферного вихря (кривая 2
на рис.1в), над которой происходит интенсивный
перенос стратосферного воздуха со значитель-
ной меридиональной составляющей, что, вероят-
но, ипривело кболее высоким значения ОС NO
2
вгоды сбольшими ВСП. Стратосфера над стан-
циями Скандинавского полуострова вфеврале на-
ходится под влиянием полярного вихря во время
ВСП типа С, апри ВСП Р-типа
вобласти, близ-
кой кзоне меридионального переноса между фраг-
ментами вихря (кривые 2 на рис 1в, 1г). Вероятно,
по этой причине значения NO2 на этих станциях
статистически незначимы (рис.2а).
Временные зависимости разностей NO
2
, O
3
иT на высокоширотной ст. Жиганск сибирского
региона (рис.2 г–2е) контрастируют сзависимо-
стями на высокоширотных европейских станци-
ях, при этом межмесячные изменения NO2 иO3
имеют общий характер. Вдекабре ОС NO
2
истра-
тосферная температура над Жиганском всреднем
выше вгоды сВСП, чем без них. Обычно стратос-
фера над станцией находится под влиянием поляр-
ного вихря. Более высокая активность планетарных
волн вгоды сбольшими ВСП и,как следствие, ос-
лабленный стратосферный вихрь иприводят пред-
положительно кболее высоким значениям ОС NO
2
истратосферной температуры. Вфеврале ОС NO2
выше, но стратосферная температура ниже вгоды
с большими ВСП. Положительный знак NO
2
обусловлен, вероятно, тем, что при потеплениях
Жиганск располагается под юго-восточной пери-
ферией сместившегося стратосферного вихря, где
на высотах средней стратосферы (высотный мак-
симум NO
2
расположен вслое 25–30км [23]) про-
исходит перенос богатого окислами азота страто-
сферного воздуха из низких широт. Часто над стан-
цией располагается край стратосферного вихря
(рис.1б–1г). Вертикальная структура вихря дефор-
мируется под действием ВСП, идля нее характерно
сильное горизонтальное смещение свысотой. По-
этому разные слои стратосферы над Жиганском
могут вэтом случае находиться во внутренней или
внешней по отношению ккраю вихря областях.
Предположительно вэтом заключается причина
различий взначениях NO
2
, O
3
иT, проявив-
шихся вфеврале. По контрасту сдекабрем ифев-
ралем ОС NO
2
иОСО вгоды сВСП меньше, чем
вгоды без потеплений. Однако, отметив этот факт,
мы не можем ему дать объяснения.
На среднеширотной ст. Звенигород выявлены
статистически значимые эффекты больших ВСП
вОС NO
2
вдекабре ифеврале, авОСО истрато-
сферной температуре
вконце зимы (рис.2 г-2е).
Влияние ВСП на ОС NO
2
на этой станции обу-
словлено сдвигом полярного стратосферного вих-
ря всредние широты (рис.1б–1г). Поэтому значе-
ния ОС NO2 вгоды сВСП были обычно ниже, чем
вгоды без потеплений. Однако, согласно рис.1б–1г,
над ст. Звенигород при потеплениях часто распола-
гался край вихря, иэто могло стать причиной раз-
ных эффектов ВСП вОС NO
2
, содной стороны,
иэффектов вОСО итемпературе, сдругой.
Большие по модулю значения NO
2
получены
для среднеширотной ст. Юнгфрауйох (рис.2г). Но
вотличие от полярной ст. Ню-Олесунн, на кото-
рой эффект ВСП тоже проявился довольно силь-
но, ОС NO
2
на ст. Юнгфрауйох вгоды спотепле-
ниями было существенно меньше, чем вгоды без
потеплений. Это объясняется частым смещением
полярного стратосферного вихря всторону Евро-
пы при больших ВСП (рис.1). Стратосферная тем-
пература, ОСО иОС NO
2
всредних широтах СП
зимой обычно выше, чем вполярной области. По-
этому смещение полярного вихря, вызванное боль
-
шими ВСП, приводит кзначительным аномалиям
этих величин.
В преддверии больших ВСП встратосфере над ст.
Иссык-Куль, широта которой на 4° меньше широты
европейской ст. Юнгфрауйох, идет перенос воздуха
из более низких широт, сопровождающийся увели-
чением ОС NO2 иОСО. Однако затем стратосфера
над ст. Иссык-Куль оказывается под влиянием сме-
щающегося впроцессе развития ВСП полярного
вихря сболее низкими значениями ОС NO
2
иОСО.
Врезультате этого значения разностей NO
2
иО
3
на ст. Иссык-Куль невелики истатистически незна-
чимы (рис.2г, 2д). Однако изменения температуры
заметны иболее значительны, чем на европейской
станции, вчем проявился доминирующий вклад
ВНЕЗАПНЫЕ СТРАТОСФЕРНЫЕ ПОТЕПЛЕНИЯ: СТАТИСТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ... 553
ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА ТОМ 53 № 5 2017
вразность Т всреднеазиатском регионе эпизодов
смещения полярного вихря, вызванных потепле-
ниями (рис.2е).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
По данным реанализов NCEP-NCAR, ERA 40
иERA-Interim выявлена статистически значимая
зависимость формирования больших ВСП со сме-
щением стратосферного циркумполярного вихря
ималых ВСП от фазы КДЦ иуровня СА. Большие
ВСП С-типа происходят чаще при высоком уровне
СА (при произвольной фазе КДЦ) ипри восточной
фазе КДЦ экваториального стратосферного ветра
вслое 50–40 гПа (при произвольном уровне СА),
амалые ВСП, наоборот, чаще при низком уров-
не СА ипри западной фазе КДЦ. При объедине-
нии больших ВСП С-типа ималых ВСП вединую
группу, атакже по группе, объединяющей все ВСП,
статистически значимая зависимость ВСП от фазы
КДЦ или фазы 11-летнего солнечного цикла не
выявлена. Это позволяет предположить, что вли-
яние КДЦ иСА проявляется через соотношение
больших потеплений типа Сималых потеплений
таким образом, что восточная фаза КДЦ или вы-
сокий уровень СА способствуют тому, чтобы поте-
пление, начавшееся на высотах верхней стратосфе-
ры инижней мезосферы, при его распространении
вниз достигло такого уровня интенсивности вни-
жележащих слоях стратосферы, чтобы его можно
было классифицировать как большое ВСП.
Смещение полярного стратосферного вихря
при больших ВСП происходит обычно всторону
определенных долготных секторов. Перед поте-
плением вихрь зачастую вытягивается исмещается
от полюса внаправлении средних широт впреде-
лах долготного сектора 120°W-120°Е (при отсчете
внаправлении сзапада на восток). Смещение вих-
ря втихоокеанский сектор маловероятно. Вдни
больших ВСП типа Сстратосферный вихрь обыч-
но располагается над центральной исеверной ча-
стями Европы. Свнешней стороны вихря происхо-
дит интенсивный перенос стратосферного воздуха
со значительной меридиональной составляющей
всторону полюса на юго-восточной периферии
вихря, обычно находящейся над Сибирью. Изме-
нения температуры исодержания О3 иNO2 вэтом
регионе противоположны изменениям втой части
европейского сектора, над которой располагается
сместившийся стратосферный вихрь. При больших
ВСП Р-типа вбольшинстве случаев один из фраг-
ментов вихря смещается вобласть канадской Ар-
ктики, адругой
ксеверной части Евразии.
ВСП оказывают сильное влияние на эволюцию
циркумполярного стратосферного вихря иинтен-
сивность меридиональной циркуляции, что при-
водит кзначительным изменениям содержания
малых газовых составляющих встратосфере. При
больших ВСП выявлены характерные особенности
изменчивости ОС NO
2
, ОСО итемпературы. Из-
менения ОС NO
2
иОСО всредних широтах при
декабрьских ВСП можно связать сболее активным
межширотным перемешиванием вгоды сбольши-
ми ВСП при более высокой активности планетар-
ных волн перед ВСП. Вянваре ифеврале на разли-
чия значений ОС NO
2
, ОСО итемпературы влияют
игеографические факторы: положение пункта на-
блюдений относительно полярного стратосферно-
го вихря на различных стадиях развития ВСП.
Использованные вработе данные об ОС NO
2
доступны на сайте NDACC. Авторы благодарны
всем, имеющим отношение кизмерениям, обра-
ботке иархивированию данных NDACC, втом
числе В.М. Дорохову, В.П. Синякову, В.К. Семе-
нову, Ф.В. Кашину, В.Н. Арефьеву, Ж.-П. Пом-
меро (J.-P. Pommereau), Ф. Гоутайл (F. Goutail),
А. Пазмино (A. Pazmino), М. Ван-Розендалю
(M. Van Roozendael), Ф. Гендрику (F. Hendrick),
М. Де-Мазьер (M. De Maziere), П.В. Джонстону
(P.V. Johnston), К. Крехер (K. Kreher), С.В. Вуду
(S.V. Wood), Дж.П. Барроузу (J.P. Burrows), К. Сте-
бел (K. Stebel), Т. Свендби (T. Svendby). Для полу-
чения данных об ОСО использован интернет-сер-
вис Giovanni, созданный иподдерживаемый NASA
GES DISC. Использованы температурные данные
реанализа ERA-Interim Европейского центра сред-
несрочных прогнозов погоды (ECMWF), данные
Берлинского свободного университета оскорости
экваториального стратосферного ветра иданные
очисле солнечных пятен Мирового центра данных
SILCO (WDC-SILCO) вКоролевской обсерватории
Бельгии (Royal Observatory of Belgium) вБрюсселе.
Работа выполнена при поддержке РФФИ (про-
екты №№ 16-05-00663, 16-35-50017) и программ
РАН, анализ особенностей вихревой активности
ватмосфере проводился врамках тематики проек-
та РНФ (14-17-00806).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
Andrews D.G., Holton J. R., Leovy C.B. Middle
Atmosphere Dynamics. Orlando: Academic Press,
1987. 489 p.
2.
Schoeberl M.R. Stratospheric warmings: Observations
and theory // Rev. Geophys. Space Phys. 1978. V. 16.
№ 4. P.521–538.
3.
Charlton A.J., Polvani L.M. A new look at stratospheric
sudden warmings. Part I: climatology and modeling
benchmarks // J. Climate. 2007. V. 20. № 3. P.449–
469. doi:10.1175/JCLI3996.1.
4.
Baldwin M.P., Gray L.J., Dunkerton T.J. et al. The
quasi-biennial oscillation // Rev. Geophys. 2001.
V. 39. № 2. P.179–229.
554 АГЕЕВА и др.
ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА том 53 № 5 2017
5.
Gruzdev A.N., Bezverkhny V.A. Two regimes of
the quasi-biennial oscillation in the equatorial
stratospheric wind // J. Geophys. Res. 2000. V. 105.
№ D24. P.29435–29443.
6.
Holton J.R., Tan H.-C. The influence of the equatorial
quasi-biennial oscillation on the global circulation
at 50 mb // J. Atmos. Sci. 1980. V. 37. № 10.
P.2200–2208.
7.
Holton J.R., Tan H.-C. The quasi-biennial oscillation
in Northern Hemisphere lower stratosphere //
J. Meteorol. Soc. Jap. 1982. V. 60. № 1. P.140–147.
8.
Zawodny J.M., McCormick M.P. Stratospheric aerosol
and gas experiment-II measurements of the quasi-
biennial oscillations in ozone and nitrogen-dioxide //
J. Geophys. Res. 1991. V. 96. № D5. P.9371–9377.
9.
Груздев А.Н., Мохов И.И. Квазидвухлетняя циклич-
ность вглобальном поле общего содержания озо-
на по данным наземных наблюдений // Изв. РАН.
Физика атмосферы и океана. 1992. Т. 28. № 5.
С.475–486.
10.
Chipperfield M.P., Gray L.J, Kinnersley J.S., Zawod-
ny J.M. A two-dimensional model study of the QBO
signal in SAGE II NO2 and O3 // Geophys. Res. Lett.
1994. V. 21. № 7. P.589–592.
11.
Груздев А.Н. Квазидвухлетние вариации обще-
го содержания NO2 // ДАН. 2011. Т.438. № 5.
C. 678–682.
12.
Агеева В.Ю., Груздев А.Н. Сезонные особенности
квазидвухлетних вариаций стратосферного со-
держания NO2 по результатам наземных измере-
ний // Изв. РАН. Физика атмосферы иокеана.
2017. Т.53. № 1. С.74–85.
13.
Labitzke K. On the interannual variability of the
middle stratosphere during the northern winters //
J. Meteorol. Soc. Japan. 1982. V. 60. № 1. P.124–139.
14. Gray L. J., Beer J., Geller M. et al. Solar influences on
climate // Rev. Geophys. 2010. V. 48. № 4. RG4001,
doi:10.1029/2009RG000282.
15. Kodera K., Kuroda Y. Dynamical response to the solar
cycle // J. Geophys. Res. 2002. V. 107, № D24. 4749,
doi:10.1029/2002JD002224.
16.
Kodera K., Kuroda Y. Eect of solar activity on the
polar-night jet oscillation in the northern and southern
hemisphere winter // J. Meteorol. Soc. Japan. 2002.
V. 80. № 4B. P.973–984.
17.
Груздев А.Н. Изменения температуры ицирку-
ляции атмосферы в11-летнем цикле солнечной
активности по данным реанализа ERA-Interim //
Изв. РАН. Физика атмосферы иокеана. 2017. Т.53.
№ 4. С. 502–511.
18.
Arnold N. F., Robinson T.R. Solar cycle changes to
planetary wave propagation and their influence on the
middle atmosphere circulation // Ann. Geophys. 1998.
V. 16. № 1. P.69–76.
19.
Gomez-Escolar M., Fueglistaler S., Calvo N.,
Barriopedro D. Changes in polar stratospheric
temperature climatology in relation to stratospheric
sudden warming occurrence // Geophys. Res. Lett.
2012. V. 39. L22802, doi:10.1029/2012GL053632.
20.
Gray L.J., Beer J., Geller M. et al. Solar influence
on climate // Rev. Geophys. 2010. V. 48. RG4001,
doi:10.1029/2009RG000282.
21.
Sofieva V.F., Kalakoski N., Verronen P.T. et al. Polar-
night O3, NO2 and NO3 distributions during sudden
stratospheric warmings in 2003–2008 as seen by
GOMOS/Envisat // Atmos. Chem. Phys. 2012. V. 12.
№ 2. P.1051–1066.
22.
Агеева В.Ю., Груздев А.Н., Елохов А.С., Гришаев М.В.
Зимне-весенние аномалии стратосферного со-
держания NO2 по результатам наземных измере-
ний // Изв. РАН. Физика атмосферы иокеана.
2015. Т.51. № 4. С.455–463.
23.
Елохов А.С., Груздев А.Н. Измерения общего со-
держания ивертикального распределения NO2
на Звенигородской научной станции // Изв. РАН.
Физика атмосферы и океана. 2000. Т.36. № 6.
С.831–846.
24.
Груздев А.Н. Оценка эффектов извержения вул-
кана Пинатубо встратосферном содержании O3
иNO2 сучетом вариаций уровня солнечной ак-
тивности // Оптика атмосферы и океана. 2014.
Т.27. № 6. С.506–514.
25.
Gruzdev A.N., Elokhov A.S. Variability of stratospheric
and tropospheric nitrogen dioxide observed by
the visible spectrophotometer at Zvenigorod,
Russia // Internat. J. Remote Sensing. 2011. V. 32.
№ 11. P.3115–3127.
26.
Тарасенко Д.А. Структура ициркуляция страто-
сферы имезосферы северного полушария. Л.: Ги-
дрометеоиздат, 1988. 413 с.
27.
Solomon S. Stratospheric ozone depletion: A review
of concepts and history // Rev. Geophys. 1999. V. 37.
№ 3. P.275–316.
28.
Adams C., Strong K., Zhao X. et al. Severe 2011 ozone
depletion assessed with 11 year ozone, NO2, and
OClO measurements at 80°N // Geophys. Res. Lett.
2012. V. 39. L05806, doi:10.1029/2011GL050478
29.
Агеева В.Ю., Гришаев М.В., Груздев А.Н., Ело-
хов А.С., Сальникова Н.С. Аномалии стратосфер-
ного содержания NO2 над Сибирью, связанные
сарктической озонной дырой 2011 г. // Оптика
атмосферы иокеана. 2014. Т.27. № 1. С.40–45.
30.
Груздев А.Н., Кропоткина Е.П., Соломонов С.В.,
Елохов А.С. Аномалии содержания озона идву-
окиси азота встратосфере над Московским ре-
гионом как проявление динамики стратосфер-
ного полярного вихря // ДАН. 2016. Т.468. № 4.
С.451–455.
31.
Груздев А.Н., Кропоткина Е.П., Соломонов С.В.,
Елохов А.С. Зимне-весенние аномалии содержа-
ния озона иNO2 встратосфере над московским
регионом в2010 и2011 гг. // Изв. РАН. Физика
атмосферы иокеана. 2017. Т.53. № 2. С.223–231.
ВНЕЗАПНЫЕ СТРАТОСФЕРНЫЕ ПОТЕПЛЕНИЯ: СТАТИСТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ... 555
ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА ТОМ 53 № 5 2017
Keywords: sudden stratospheric warmings, quasi-biennial oscillation, solar activity, nitrogen dioxide, ozone.
Statistical characteristics of major and minor sudden stratospheric warming (SSWs) in the northern
hemisphere (NH) for 1958–2015 are analyzed using data of NCEP-NCAR, ERA 40, and ERA-
Interim reanalyses. Dependences of the number of major SSWs with displacement of the circumpolar
stratospheric vortex and the number of minor SSWs on the phase of the quasi-biennial oscillation (QBO)
of the equatorial stratospheric wind and on the level of solar activity (SA) in the 11-year solar cycle has
been revealed. Major SSWs accompanied by a displacement of the polar vortex occur more often under
high level of SA and under the easterly phase of the QBO in 50–40 hPa layer while minor SSWs occur
more often under low SA level and under the westerly phase of the QBO. Analysis of spatio-temporal
dynamics of the stratospheric polar vortex under major SSWs is done. The most probable directions of
vortex displacements caused by the SSWs have been revealed. Influences of the major SSWs on the total
contents of NO2 and ozone as well as on temperature are analyzed.
1Obukhov Institute of Atmospheric Physics, Russian Academy of Sciences,
Pyzhevsky per. 3, Moscow, 119017 Russia
2Lomonosov Moscow State University,
Leninskie Gory, Moscow, 119991 Russia
3Institute of Monitoring of Climatic and Ecological Systems, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences
Akademichesky ave. 10/3, Tomsk, 634055 Russia
*E-mail: a.n.gruzdev@mail.ru
© 2017 V. Yu. Ageyeva 1, A.N. Gruzdev1,*, A.S. Elokhov1,
I.I. Mokhov1, 2, N.E. Zueva3
Sudden Stratospheric Warmings: Statistical Characteristics
and Influence on NO2 and O3 Total Contents
Conference Paper
Full-text available
The influence of stratospheric processes on the troposphere is defined by a multifactorial mechanism containing various geophysical and photochemical processes. This interaction determines the weather and climate of a particular region of the Earth. The number of sudden stratospheric warmings (SSW) over Eurasia has doubled over the past 20 years if compared with the second half of the 20th century. As a result, one had an increase in dangerous weather phenomena associated with those stratospheric-tropospheric interactions. In this regard, there is a certain need for an early forecast of such dangerous weather phenomena and their study within the framework of the climate of a given region. The paper presents a possible mechanism of the interaction of the mesosphere, stratosphere and troposphere layers (the so-called "ozone mechanism"). Due to its orographical and geographical position, the northern region of the East European Plain is characterized by accumulation of total ozone (TO) over this territory and formation of sharp and severe colds during SSW. The conclusion is made about the key contribution of the "ozone mechanism" to the development of SSW in 2018, which has become the largest in the Northern Hemisphere over the past 20 years.
Article
Full-text available
По данным реанализа ERA-Interim получены оценки изменений температуры, геопотенциала и его крупномасштабных зональных гармоник, скорости ветра, потенциального вихря в тропосфере и стратосфере Cеверного и Южного полушарий в течение 11-летнего солнечного цикла. Оценки получены с помощью метода множественной линейной регрессии. Выявлены особенности отклика указанных атмосферных параметров на солнечный цикл в отдельных областях атмосферы в целом за год и в зависимости от сезона. Результаты анализа указывают на наличие достоверной статистической связи крупномасштабных динамических и термодинамических процессов в тропосфере и стратосфере с 11-летним солнечным циклом.
Article
Full-text available
По результатам наземных спектрометрических измерений обнаружены значительные отрицательные аномалии стратосферного содержания NO2 в зимне-весенний период 2011 г. на ряде станций северного полушария. Они сопровождались аномалиями общего содержания озона (ОСО) и стратосферной температуры и были вызваны переносом воздуха из области арктической озонной дыры. Анализ вертикальных профилей NO2 на Звенигородской научной станции показал, что определенный вклад в отрицательные аномалии NO2 2011 г. внесла денитрификация полярной стратосферы в области озонной дыры. Выполнен анализ связи вариаций общего содержания NO2 с вариациями ОСО и температуры в северном и южном полушариях в зимне-весенние периоды. Установлено, что она зависит от фазы квазидвухлетней цикличности экваториального стратосферного ветра. Корреляционная связь обычно усиливается, если рассматривать только эпизоды отрицательных аномалий, вызванных переносом стратосферного воздуха из области озонной дыры.
Article
Full-text available
Unusually cold conditions in Arctic winter 2010/11 led to large stratospheric ozone loss. We investigate this with UV-visible measurements made at Eureka, Canada (80.05°N, 86.42°W) from 1999-2011. For 8-22 March 2011, OClO was enhanced, indicating chlorine activation above Eureka. Ozone columns were lower than in any other year in the record, reaching minima of 237 DU and 247 DU in two datasets. The average NO2 column inside the vortex, measured at visible and UV wavelengths, was 46 ± 30% and 45 ± 27% lower in 2011 than the average NO2 column from previous years. Ozone column loss was estimated from two ozone datasets, using a modeled passive ozone tracer. For 12-20 March 2011, the average ozone loss was 27% and 29% (99 DU and 108 DU). The largest percent ozone loss in the 11-year record of 47% (250 DU and 251 DU) was observed on 5 April 2011.
Article
Full-text available
Sudden stratospheric warmings (SSW) are large-scale transient events, which have a profound effect on the Northern Hemisphere stratospheric circulation in winter. During the SSW events the temperature in stratosphere increases by several tens of Kelvins and zonal winds decelerate or reverse in direction. Changes in temperature and dynamics significantly affect the chemical composition of the middle atmosphere. In this paper, the response of the middle-atmosphere trace gases during several sudden stratospheric warmings in 2003-2008 is investigated using measurements from the GOMOS (Global Ozone Monitoring by Occultation of Stars) instrument on board the Envisat satellite. We have analyzed spatial and temporal changes of NO2 and NO3 in the stratosphere, and of ozone in the whole middle atmosphere. To facilitate our analyses, we have used the temperature profiles data from the MLS (Microwave Limb Sounder) instrument on board the Aura satellite, as well as simulations by the FinROSE chemistry-transport model and the Sodankylä Ion and Neutral Chemistry model (SIC). NO3 observations in the polar winter stratosphere during SSWs are reported for the first time. Changes in chemical composition are found not to be restricted to the stratosphere, but to extend to mesosphere and lower thermosphere. They often exhibit a complicated structure, because the distribution of trace gases is affected by changes in both chemistry and dynamics. The tertiary ozone maximum in the mesosphere often disappears with the onset of SSW, probably because of strong mixing processes. The strong horizontal mixing with outside-vortex air is well observed also in NO2 data, especially in cases of enhanced NO2 inside the polar vortex before SSW. Almost in all of the considered events, ozone near the secondary maximum decreases with onset of SSW. In both experimental data and FinROSE modelling, ozone changes are positively correlated with temperature changes in the lower stratosphere in the dynamically controlled region below ~35 km, and they are negatively correlated with temperature in the upper stratosphere (altitudes 35-50 km), where chemical processes play a significant role. Large enhancements of stratospheric NO3, which strongly correlate with temperature enhancements, are observed for all SSWs, as expected by the current understanding of temperature-dependence of NO3 concentrations and simulations with the CTM.
Article
Full-text available
Stratospheric Sudden Warmings (SSWs) strongly affect the polar stratosphere during winter months mainly in the Northern Hemisphere. The intraseasonal distribution and type of SSWs for the 1958–1979 and 1979–2002 periods in ERA-40 and NCEP-NCAR reanalyses reveal differences. In the pre-satellite era, most events occur in January and are vortex splits. In the post-satellite era, the distribution is bimodal (peaking in December and February), and shows more displacement events. The difference in the seasonal distribution of SSWs leads to changes in the climatological state of stratospheric temperatures, with differences up to 5.9 K at 10 hPa and 3.6 K at 20 hPa in February between pre- and post-1979 periods. We find that the temperature evolution at 20 hPa is in better qualitative agreement with theoretical expectations than at 10 hPa. Hence, 10 hPa may be affected more strongly by artifacts related with satellite data assimilation, which have, however, limited impact on identification of SSWs.
Article
Full-text available
An analysis of changes in the period of the quasi-biennial oscillation (QBO) in the zonal velocity of the equatorial stratospheric wind on isobaric surfaces 70, 50, 40, 30, 20, 15, and 10 hPa for 1953-1997 is made. In particular, wavelet analysis, high-resolution spectral analysis, and circle map analysis have been made. Different methods reveal that the QBO in the equatorial wind velocity at the noted stratospheric levels manifests itself mainly as two prevailing regimes with periods of about 2 and 2.5 years alternating with each other. At middle-stratosphere levels the QBO amplitude changes as well with the changing period (increases with the period increase). The two periods are in a rational ratio to the annual period (with the ratios of corresponding frequencies to the annual frequency equal to one half and two fifths), thus pointing out the phase locking of the QBO to the annual cycle. Spectra of wind velocity exhibit, in addition to the main QBO periods, the annual and semiannual oscillations as well as 20-, 8-, and 8.6-month oscillations corresponding to oscillations with combination frequencies equal to the difference and sum of the annual frequency and the main QBO frequencies. Hypothetical conceptual mechanisms of the two regimes of the QBO are discussed.
Article
Monthly mean Northern Hemisphere geopotential heights and temperatures on the 10, 30, 50, 100, and 300mb surfaces for a 16 year period (1962-1977) are composited with respect to the phase of the equatorial quasi-biennial oscillation (QBO) at 50mb for the winter months (November-March). The composited fields show zonally symmetric seesaw oscillations in both heights and temperatures with negative (positive) anomalies in polar regions and positive (negative) anomalies in midlatitudes during the westerly (easterly) phase of the equatorial QBO. Latitude-height cross sections of the zonal mean geostrophic wind for the 10-300mb layer indicate that during the westerly (easterly) phase of the equatiorial QBO at 500mb the polar night jet is stronger (weaker) than normal and the ttopospheric midlatitude jet is slightly weaker (stronger) than normal. Similar composites for zonal wavenumbers 1 and 2 and composites of the Eliassen-Palm flux show some indication of a QBO in stratospheric planetary waves, but the signal is surprisingly small considering the large amplitude QBO in the polar night jet.
Article
Calculations of the QBO signal in SAGE II O3 and NO2 data between 1984 and 1991 are presented and have been investigated by using a two-dimensional model. The isentropic 2D model is a fully interactive radiative-dynamical-chemical model in which the eddy fluxes of chemical species are calculated in a consistent manner. The QBO in the model has been forced by relaxing the equatorial zonal wind toward the observations at Singapore allowing the comparison of the model with observations from specific years. The model reproduces the observed vertical structure of the equatorial ozone anomaly with the well-known transition from dynamical to photochemical control at around 28km. The model also reproduces the observed vertical structure of the SAGE II observed NO2 anomaly. The model studies have shown that it is the QBO modulation of NO2 which is the main cause of QBO signal in O3 above 30km. The model also reproduces the observed latitudinal structure of the QBO signals in O3 and NO2. Due to the differing horizontal distribution of O3 and NO(y) the ozone signal shows a distinct phase change in the subtropics whereas the NO2 anomaly gives a broader signal.