Взаимодействие тропосферы и стратосферы на различных

Взаимодействие тропосферы и
стратосферы на различных
временных масштабах по данным
наблюдений и климатических моделей
Володин Е.М.
Институт вычислительной математики РАН
Варгин П.Н.
Центральная аэрологическая обсерватория Росгидромета
Квазидвухлетнее колебание скорости ветра в экваториальной стратосфере
Скорость ветра на Экваторе (черный) и ускорение вследствие разрушения
гравитационных волн (красный). Месяц 1
Месяц 2
Месяц 3
Месяц 4
Месяц 5
Месяц 6
Месяц 7
Месяц 8
Месяц 9
Месяц 10
Месяц 11
Месяц 12
Месяц 13
Месяц 14
Месяц 15
Месяц 16
Месяц 17
Месяц 18
Месяц 19
Квазидвухлетнее колебание скорости ветра в экваториальной
стратосфере в модели при современном климате (вверху) и при
учетверении концентрации СО2 (внизу)
Внезапные стратосферные потепления:
Вектор Элиассена-Пальма
FY = -ρ0 U’V’
FZ = ρ0 V’T’/∂θ/∂z
Среднеклиматическая высота 500 гПа в январе, NCEP
Изолинии – среднее вдоль круга широты, среднее – отклонение (волны)
Амплитуда волны 1 и 2 в декабре-феврале по данным ERA
Пример ВСП. Вверху – температура арктической стратосферы в модели, внизу –
поток температуры на север осредненный по 60N-80N
Температура в стратосфере во время максимума потепления
Аномалия геопотенциала при сдвиге полярного вихря (волновое число 1) и
расщеплении (волновое число 2).
Наблюдалось всего 18 ВСП. Со сдвигом – 12, с расщеплением – 6.
В модели ИВМ всего было 10 потеплений. Со сдвигом 5-6, с расщеплением – 4-5.
Аномалия скорости зонального ветра (нормированная на СКО) на
60-70N для всех случаев стратосферных потеплений по данным
наблюдений.
Рис. из Baldwin, M.P., Dunkerton T.J. Downward propagation of the Arctic Oscillation from the
stratosphere to the troposphere, J. Geophys. Res.1999, V104, P.30937-30946.
То же по данным модели
То же для всех модельных потеплений со сдвигом (к=1)
Механизмы влияния ВСП на динамику
тропосферы в настоящее время исследуются:
Gerber et al., Assessing and Understanding the Impact of Stratospheric Dynamics and
Variability on the Earth System, BAMS, 2012
http://math.nyu.edu/~gerber/pages/documents/gerber_etal-BAMS-2012.pdf
Mechanisms.
A key coupling between the stratosphere and troposphere is the link between the strength of
the stratospheric polar vortex and the position of the troposphere midlatitude jet and storm
track, as illustrated on intraseasonal and decadal time scales in Figs. 3 and 4, respectively.
Several mechanisms have been proposed, but it has been difficult to isolate the key
pathway(s). One view focuses on the balanced response of the troposphere to stratospheric
potential vorticity anomalies and wave-driven changes in the meridional circulation (e.g.,
Hartley et al. 1998; Thompson et al. 2006). A second body of research suggests that the
tropospheric response involves changes in synoptic eddies (e.g., Kushner and Polvani 2004;
Song and Robinson 2004). Mechanisms based on linear theory highlight the influence of
lower-stratospheric conditions on the refraction of synoptic waves (Limpasuvan and
Hartmann 2000; Simpson et al. 2009) and the potential for constructive and destructive
influence of climatological and forced planetary waves (Fletcher and Kushner 2011).
Lower-stratospheric wind and temperature perturbations may also directly affect baroclinic
instability (e.g., Riviиre 2011) and impact tropospheric wave breaking (Wittman et al. 2004;
Chen and Held 2007; Kunz et al. 2009). The range of possible mechanisms suggests a need
for greater connection between our theoretical understanding with observations and model
simulations.
То же для всех модельных потеплений с расщеплением (к=2). В природе,
наоборот, потепления с К=2 оказывают большее влияние на погоду внизу
(Mitchell et al. J. Climate 2013)
Аномалия температуры на 850 гПа за месяц до ВСП в модели для К=1 (слева) и
К=2 (справа)
По данным из литературы, на ВСП и последующеее
ослабление скорости зонального ветра в тропосфере
могут влиять:
1.  Большая чем обычно площадь снежного покрова в Евразии осенью. Приводит
к увеличению повторяемости ВСП.
Allen and Zender. 2011. J. Climate, V24, 6528-6539.
Мартынова, Крупчатников 2010. ФАО.
2.
Аномалии ТПО к востоку от Японии. Положительные аномалии приводят к
уменьшению вероятности ВСП.
Hurwitz et al. 2012. JGR. doi:10.1029/2012JD017819
3.
Аномалии сплоченности морского льда в Арктике.
Cohen et al. 2012. Env. Res. Lett. doi:10.1088/1748-9326/7/1/014007
4. Аномалии ТПО в Северной Атлантике.
Schimanke et al. 2011. GRL, doi:10.1029/2010GL045756
Здесь мы покажем, что динамика атмосферы “запоминает”
и непосредственно аномалии вертикального потока
волновой энергии предыдущей осенью.
Ансамбль численных экспериментов с 1 ноября по
конец февраля с атмосферным блоком модели
INMCM5
Из 30 состояний модельной атмосферы на 1 ноября
различных лет были выбраны 3 состояния с самым
большим вертикальным потоком волновой энергии. С
каждого из выбранных состояний было проведено по 10
расчетов продолжительностью 4 месяца, для чего в
начальные данные вносились небольшие возмущения.
Температура поверхности океана и сплоченность морского
льда задавались среднеклиматическими.
Аномалия скорости зонального ветра в декабре, осредненная по 30
экспериментам
Аномалия скорости зонального ветра в январе
Аномалия давления на уровне моря в январе-феврале, осредненная
по 30 экспериментам
Cтратосферные потепления в моделях CMIP5. Charlton-Perez et al. JGR 2014
Влияние тропосферы на стратосферу в моделях CMIP5 с высокой и низкой
верхней границей.
Изменение вертикального потока массы в тропической стратосфере вследствие
глобального потепления в моделях CMIP5. Manzini et al. 2014.
Вопросам исследования динамики и химии стратосферы посвящена
деятельность рабочей группы SPARC (stratosphere-troposphere
processes and their role in climate). В частности, она проводит
сравнения моделей CCMVAL (Chemistry Climate Model Validation).
Butchart et al. JGR 2011.
Амплитуда квазидвухлетнего экваториального колебания (слева) и дата весеннего
потепления стратосферы по данным CCMVAL-2.