Динамика стратосферного полярного вихря в циркуляции внетропической тропосферы Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 551.465.553

В.Н. Крупчатников, И.В. Боровко

ИВМиМГ СО РАН, Новосибирск

ДИНАМИКА СТРАТОСФЕРНОГО ПОЛЯРНОГО ВИХРЯ В ЦИРКУЛЯЦИИ ВНЕТРОПИЧЕСКОЙ ТРОПОСФЕРЫ

Аннотация

С помощью спектральной модели общей циркуляции исследуется влияние динамики стратосферного полярного вихря на циркуляцию внетропической тропосферы. Известно, что такая реакция тесно связана с кольцеобразной вихревой модой, генерируемой моделью (Thompson, Wallace 1998, 2000; Thompson and Solomon 2002).

При этом вертикальный поток вихревой активности из тропосферы уменьшается, а меридиональный поток волновой активности от высоких к низким широтам увеличивается.

Таким образом, когда происходит выхолаживание стратосферы (усиление полярного вихря), волновое сопротивление в стратосфере уменьшается. Сигнал резкого охлаждения в стратосфере распространяется вниз на масштабах времени, оценки которых получены в теории взаимодействия стратосферы и тропосферы.

Введение. Динамика взаимодействия тропосферы и стратосферы.

Стратосферный озон: Изменения в стратосферном озоне приводят к изменениям UV радиации, а также меняется приток озона в тропосфере, что может иметь значительное влияние на концентрацию озона у поверхности.

Радиационный баланс тропосферы:

Нижняя стратосфера играет важную роль в радиационном балансе тропосферы и вариации парниковых газов (озон, водяной пар) в нижней стратосфере оказывает прямое влияние на температуру поверхности.

Погода и климат: В то время как в прогнозе погоды и моделировании климата стратосфере уделяется меньше внимания, чем тропосфере, существуют доказательства влияния стратосферы на тропосферу, например заметное влияние на погоду и климат оказывает стратосферный аэрозоль, вызванный вулканической деятельностью, что может означать важную роль стратосферы в определении будущего климата в тропосфере при увеличении СО2 и других парниковых газов.

Вариации приходящей солнечной радиации: Вертикальное

взаимодействие стратосферы и тропосферы, возможно, даст нам понимание механизма влияния вариации приходящей солнечной радиации на погоду и климат в тропосфере.

Композитные структуры в поле ветра, соответствующие высокому и низкому индексу NAM; поток Элиассена - Пальма, который указывает

направление распространение волн и перенос зонального момента, и его дивергенция.

(Hartmann et al. 2000.)

Lag correlation with AO signature time series

November December January February March

Корреляция между временными рядами на каждом уровне измерений NAM с данными на 10 hPa. Это может быть интерпретировано как распространение фазы сверху вниз

Уравнения динамики атмосферы

В качестве прогностических переменных берутся вертикальная компонента абсолютного вихря ^ ^ + / и горизонтальная дивергенция

Б.

Уравнение для вихря

д£_ 1

дt 1 -ju2 дЛ

д F “F-—-k(- 1)"V2n—,

ди т f

Уравнение для дивергенции

3D

1

— =-----------------------2— Fu + — Fv -V2

8t 1 - и дЛ ди

rU2 +У2

2(1 -и1)

+ Ф + Tr ln Ps

D

- к (- 1)n V 1nD (2)

Уравнение термодинамики

=-------------Ц- д(иТ r)- — (vT')+ D ■ T '-о — + K ^

8t 1 - и дЛ ди до p

+ ■

TD - T

т

k (-1)" V 2nT'

Уравнение неразрывности

д ln Ps

6t

U д ln Ps у д ln Ps D до

1 - и2 дЛ ди до

(1)

г

Уравнение квазистатики

дФ = -Т (5)

д 1п^

ф

Вертикальная скорость (в терминах — = ~ ) находится из уравнения

— = V-V 1п р,-—\(р + V-V 1п р, }іа (6)

ф

Р а 0

Распределение фоновой температуры в стратосфере зависело от широты следующим образом:

Тк 2 (а, (р) = {1 - ф{(р))Го + 0){(р)г1 (а) ф =-у] 1 - $>тф

Т (а) = Т + ГН 1п(а/ а )

Т * 210Г

Возможные механизмы:

1. Один из возможных механизмов заключается в нелокальности обратного оператора PV. Любое изменение в PV в нижней стратосфере окажет мгновенное влияние на изменение ветра и температуры в тропосфере.

2. Волновой форсинг локализованный в нижней стратосфере будет, через индуцированную меридиональную циркуляцию, вызовет усиление циркуляции в тропосфере.

3. Влияние распространяющиеся вверх волны Россби сопровождается с эффектом влияния изменений кольцеобразных вихревых структур на стратосферу.

Заключение

Ключевой динамической проблемой в моделировании климата стратосферы является прогноз изменения волнового форсинга G.

Результаты численного моделирования с моделями общей циркуляции показывают, что увеличение концентрации СО2 приводит к усилению распространения планетарных волн в стратосферу и следовательно к усилению средней меридиональной циркуляции.

При достаточно сильном выхолаживании зимней полярной стратосферы тропосферное струйное течение смещается к северу и значительно усиливается у поверхности, это сопровождается некоторым падением давления в высоких широтах.

БИБЛИОГРАЧИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Bermejo R., Staniforth, A. The conversion of semi-lagrangian advection schemes to quasi-monotone schemes / Mon.Wea. Rev., 1992, V 120, pp. 2622-2631.

2. Крупчатников В.Н., Курбаткин Г.П. Моделирование крупномасштабной динамики атмосферы. Численные методы / Новосибирск, ВЦ СО АН СССР, 1990.

3. Крупномасштабные динамические процессы в атмосфере / под редакцией Б. Хоскинса, Р. Пирса / Москва, «Мир», 1988.

4. Крупчатников В.Н. , Фоменко А.А. Полулагранжева полунеявная схема переноса в климатической модели ECSib / Новосибирск, ИВМиМГ СО РАН, 1997.

5. Метод контурной динамики в океанологических исследованиях / под редакцией Козлова В.Ф. / Владивосток, ДВО АН СССР, 1990

6. Квасов Б.И. Изогеометрическая интерполяция сплайнами / Новосибирск, НГУ,

1998.

© В.Н. Крупчатников, И.В. Боровко, 2007