Том 39, номер 02, статья № 2

Аннотация:

В зимний период основную роль в формировании режима атмосферы играют атмосферные волны планетарного масштаба, а в стратосфере формируется полярный вихрь. Яркий пример межгодовой изменчивости стратосферного полярного вихря, вызванной планетарными волнами, – это внезапное стратосферное потепление (ВСП). На основе данных реанализа MERRA-2 исследована внутренняя динамика главных внезапных стратосферных потеплений, сопровождающихся смещением и расщеплением стратосферного полярного вихря, с точки зрения расчета в явном виде нелинейных взаимодействий планетарных волн между собой и со средним потоком для выявления схожих тенденций при формировании ВСП различных типов. В частности, показано, что формирование ВСП с расщеплением стратосферного полярного вихря не всегда сопровождается вариациями волновой активности стационарной планетарной волны с зональным волновым числом 2 (СПВ2), но определяется максимальными взаимодействиями СПВ2 со средним потоком. Для группы ВСП со смещением стратосферного полярного вихря получено, что межволновые взаимодействия при генерации вторичной стационарной планетарной волны с зональным волновым числом 1 (СПВ1) максимальны за одну-две недели до даты ВСП, а при генерации вторичной СПВ2 – за пять-десять дней. Результаты исследования, направленные на выявление предикторов формирования ВСП, важны в связи с тем, что ВСП значительно влияют на всю среднюю атмосферу, ионосферу, а также на погодные условия в тропосфере и формирование экстремальных погодных явлений.

Ключевые слова:

внезапное стратосферное потепление, стратосферный полярный вихрь, планетарные волны, возмущенная потенциальная энстрофия, волновая активность

Иллюстрации:

Список литературы:

1. Baldwin M.P., Ayarzagüena B., Birner T., Butchart N., Charlton-Perez A.J., Butler A.H., Domeisen D.I.V., Garfinkel C.I., Garny H., Gerber E.P., Hegglin M.I., Langematz U., Pedatella N.M. Sudden Stratospheric Warmings // ESS Open Archive. 2020. DOI: 10.1002/essoar.10502884.1.
2. Butler A.H., Seidel D.J., Hardiman S.C., Butchart N., Birner T., Match A. Defining sudden stratospheric warmings // Bull. Am. Meteorol. Soc. 2015. V. 96. P. 1913–1928. DOI: 10.1175/BAMS-D-13-00173.1.
3. Варгин П.Н., Володин Е.М., Карпечко А.Ю., Погорельцев А.И. О стратосферно-тропосферных взаимодействиях // Вестн. РАН. 2015. Т. 85, № 1. С. 39–46. DOI: 10.7868/S0869587315010181.
4. Holton J.R. The Dynamic Meteorology of the Stratosphere and Mesosphere. Boston: American Meteorological Society, 1975. P. 209–216. DOI: 10.1007/978-1-935704-31-7.
5. Rhodes C.T., Barton C., Eckermann S., Kuhl D., Ma J. Evidence of the double amplification of traveling planetary waves during the January 2021 sudden stratospheric warming // Mon. Weather Rev. 2024. V. 152. P. 2679–2695. DOI: 10.1175/MWR-D-23-0226.1.
6. Yang Y., Li H. Planetary wave activity during 2019 sudden stratospheric warming event revealed by ERA5 reanalysis data // Remote Sens. 2024. V. 16, N 4739. DOI: 10.3390/rs16244739.
7. Антохина О.Ю., Гочаков А.В., Зоркальцева О.С., Антохин П.Н., Крупчатников В.Н. Опрокидывание волн Россби в стратосфере. Часть I. Климатология и долговременная изменчивость // Оптика атмосф. и океана. 2024. Т. 37, № 5. С. 415–422. DOI: 10.15372/AOO20240509; Antokhina O.Yu., Gochakov A.V., Zorkaltseva O.S., Antokhin P.N., Krupchatnikov V.N. Rossby wave breaking in the stratosphere: Part I – Climatology and long-term variability // Atmos. Ocean. Opt. 2024. V. 37, N 4. P. 514–521.
8. Polvani L.M., Waugh D.W. Upward wave activity flux as a precursor to extreme stratospheric events and subsequent anomalous surface weather regimes // J. Clim. 2004. V. 17. P. 3548–3554. DOI: 10.1175/1520-0442(2004)017<3548:UWAFAA>2.0.CO;2.
9. Hannachi A., Lechner M., Finke K., Mukhin D. Stratospheric polar vortex, wave absorption/reflection and effect on surface climate // Clim. Dyn. 2025. V. 63, N 126. DOI: 10.1007/s00382-025-07610-1.
10. Charlton A.J., Polvani L.M. A new look at stratospheric sudden warmings. Part I: Climatology and modeling benchmarks // J. Clim. 2007. V. 20. P. 449–469. DOI: 10.1175/JCLI3996.1.
11. Seviour W.J.M., Gray L.J., Mitchell D.M. Stratospheric polar vortex splits and displacements in the high-top CMIP5 climate models // J. Geophys. Res.: Atmos. 2016. V. 121. P. 1–14. DOI: 10.1002/2015JD024178.
12. Boljka L., Birner T. Tropopause-level planetary wave source and its role in two-way troposphere–stratosphere coupling // Weather Clim. Dyn. 2020. V. 1. P. 555–575. DOI: 10.5194/wcd-2020-23.
13. Bancalá S., Krüger K., Giorgetta M. The preconditioning of major sudden stratospheric warmings // J. Geophys. Res. 2012. V. 117. P. D04101. DOI: 10.1029/2011JD016769.
14. Barriopedro D., Calvo N. On the relationship between ENSO, stratospheric sudden warmings, and blocking // J. Clim. 2014. V. 27, N 12. P. 4704–4720. DOI: 10.1175/JCLI-D-13-00770.1.
15. Hitchcock P., Simpson I.R. The downward influence of stratospheric sudden warmings // J. Atmos. Sci. 2014. V. 71. P. 3856–3876.
16. Kidston J., Scaife A., Hardiman S., Mitchell D.M., Butchart N., Baldwin M.P., Gray L.J. Stratospheric influence on tropospheric jet streams, storm tracks and surface weather // Nature Geosci. 2015. V. 8. P. 433–440. DOI: 10.1038/ngeo2424.
17. Maycock A.C., Masukwedza G.I., Hitchcock P., Simpson I.R. A regime perspective on the north Atlantic Eddy-driven jet response to sudden stratospheric warmings // J. Clim. 2020. V. 33. P. 3901–3917. DOI: 10.1175/JCLI-D-19-0702.1.
18. Domeisen D.I, Butler A.H., Charlton-Perez A.J., Ayarzagüena B., Baldwin M.P., Dunn-Sigouin E., Furtado J.C., Garfinkel C.I., Hitchcock P., Karpechko A.Yu., Kim H., Knight J., Lang A.L., Lim E.-P., Marshall A., Roff G., Schwartz C., Simpson I.R., Son S.-W., Taguchi M. The role of the stratosphere in subseasonal to seasonal prediction: 2. Predictability arising from stratosphere–troposphere coupling // J. Geophys. Res. 2020. V. 125. DOI: 10.1029/2019JD030923.
19. Gupta S., Upadhayaya A.K., Siingh D. Ionospheric response to sudden stratospheric warming events across longitudes during solar cycle 24 // J. Geophys. Res.: Space Phys. 2021. V. 126. DOI: 10.1029/2021JA029206.
20. Hocke K., Wang W., Ma G. Influences of sudden stratospheric warmings on the ionosphere above Okinawa // Atmos. Chem. Phys. 2024. V. 24. P. 5837–5846. DOI: 10.5194/acp-24-5837-2024.
21. Klimenko M.V., Klimenko V.V., Koren'kov Yu.N., Bessarab F.S., Karpov I.V., Ratovsky K.G., Chernigovskaya M.A. Modeling of response of the thermosphere-ionosphere system to sudden stratospheric warmings of years 2008 and 2009 // Cosmic Res. 2013. V. 51, N 1. P. 54–63. DOI: 10.1134/S001095251301005X.
22. Matsuno T.A. Dynamical model of stratospheric warmings // J. Atmos. Sci. 1971. V. 28. P. 1479–1494. DOI: 10.1175/1520-0469(1971)028<1479:ADMOTS>2.0.CO;2.
23. Cullens С.Y., Thurairajah B. Gravity wave variations and contributions to stratospheric sudden warming using long-term ERA5 model output // J. Atmos. Sol.-Terr. Phys. 2021. V. 219. DOI: 10.1016/j.jastp.2021.105632.
24. Pogoreltsev A.I., Savenkova E.N., Aniskina O.G., Ermakova T.S., Chen W., Wei K. Interannual and intraseasonal variability of stratospheric dynamics and stratosphere–troposphere coupling during northern winter // J. Atmos. Sol.-Terr. Phys. 2015. V. 136. P. 187–200. DOI: 10.1016/j.jastp.2015.08.008.
25. Диденко К.А., Ермакова Т.С., Коваль А.В., Погорельцев А.И. Диагностика нелинейных взаимодействий стационарных планетарных волн // Ученые записки РГГМУ. 2019. № 56. С. 19–29. DOI: 10.33933/2074-2762-2019-56-19-29.
26. Кандиева К.К., Анискина О.Г., Погорельцев А.И., Зоркальцева О.С., Мордвинов В.И. Влияние осцилляции Маддена–Джулиана и квазидвухлетнего колебания на динамику внетропической стратосферы // Геомагнетизм и аэрономия. 2019. Т. 59, № 1. С. 114–124. DOI: 10.1134/S0016794018060068.
27. Ermakova T.S., Aniskina O.G., Statnaya I.A., Motsakov M.A., Pogoreltsev A.I. Simulation of the ENSO influence on the extra-tropical middle atmosphere // Earth, Planets and Space. 2019. V. 71, N 8. DOI: 10.1186/s40623-019-0987-9.
28. Лифарь В.Д., Диденко К.А., Коваль А.В., Ермакова Т.С. Численное моделирование влияния фаз КДК и ЭНЮК на распространение планетарных волн и формирование внезапного стратосферного потепления // Оптика атмосф. и океана. 2024. Т. 37, № 2. С. 138–144. DOI: 10.15372/AOO20240207; Lifar V.D., Didenko K.A., Koval A.V., Ermakova T.S. Numerical simulation of QBO and ENSO phase effect on the propagation of planetary waves and the evolvement of sudden stratospheric warming // Atmos. Ocean. Opt. 2024. V. 37, N 3. P. 415–421.
29. Kuroda Y., Kodera K. Effect of solar activity on the polar-night jet oscillation in the Northern and Southern Hemisphere winter // J. Meteorol. Soc. Japan. 2002. V. 80. P. 973–984. DOI: 10.2151/jmsj.80.973.
30. Anstey J.A., Shepherd T.G. High-latitude influence of the Quasi-Biennial Oscillation // Q. J. Roy. Meteor. Soc. 2014. V. 140. P. 1–21. DOI: 10.1002/qj.2132.
31. Gerber E.P., Butler A., Calvo N., Charlton-Perez A., Giorgetta M., Manzini E., Perlwitz J., Polvani L.M., Sassi F., Scaife A.A., Shaw T.A., Son S.-W., Watanabe S. Assessing and understanding the impact of stratospheric dynamics and variability on the Earth system // Bull. Am. Meteorol. Soc. 2012. V. 93. P. 845–858. DOI: 10.1175/BAMS-D-11-00145.1.
32. Eliassen A., Palm E. On the transfer of energy in stationary mountain waves // Geophys. Publ. 1961. V. 22. P. 1–23.
33. Andrews D.G., McIntyre M.E. Planetary waves in horizontal and vertical shear: The generalized Eliassen–Palm relation and zonal acceleration // J. Atmos. Sci. 1976. V. 33. P. 2031–2053. DOI: 10.1175/1520-0469(1976) 033<2031:PWIHAV>2.0.CO;2.
34. Andrews D.G., McIntyre M.E. Generalized Eliassen–Palm and Charney–Drazin theorems for waves on axisymmetric mean flows in compressible atmosphere // J. Atmos. Sci. 1978. V. 35. P. 175–185. DOI: 10.1175/1520-0469(1978)035<0175:GEPACD>2.0.CO;2.
35. Smith A.K., Gille J.C., Lyjak L.V. Wave–wave interactions in the stratosphere: Observations during quiet and active wintertime periods // J. Atmos. Sci. 1984. V. 41. P. 363–373. DOI: 10.1175/1520-0469(1984)041<0363:WIITSO>2.0.CO;2.
36. Schoeberl M.R., Smith A.K. The integrated enstrophy budget of the winter stratosphere diagnosed from LIMS data // J. Atmos. Sci. 1986. V. 43. P. 1074–1086. DOI: 10.1175/1520-0469(1986)043<1074:TIEBOT>2.0.CO;2.
37. Giannitsis C., Lindzen R.S. Nonlinear saturation of topographically forced Rossby waves in a barotropic model // J. Atmos. Sci. 2001. V. 58. P. 2929. DOI: 10.1175/1520-0469(2001)058<2927:NSOTFR>2.0.CO;2.
38. Waite M.L. Potential enstrophy in stratified turbulence // J. Fluid Mech. 2013. V. 722. P. 1–3. DOI: 10.1017/jfm.2013.150.
39. Jung J.-H., Konor C.S., Mechoso C.R., Arakawa A. A study of the stratospheric major warming and subsequent flow recovery during the winter of 1979 with an isentropic vertical coordinate model // J. Atmos. Sci. 2001. V. 58. P. 2630–2649. DOI: 10.1175/1520-0469(2001)058<2630:ASOTSM>2.0.CO;2.
40. Tao X. Wave-mean flow interaction and stratospheric sudden warming in an isentropic model // J. Atmos. Sci. 1994. V. 51. P. 134–153.
41. Gelaro R., McCarty W., Suárez M.J., Todling R., Molod A., Takacs L., Randles C., Darmenov A., Bosilovich M.G., Reichle R., Wargan K., Coy L., Cullather R., Draper C., Akella S., Buchard V., Conaty A., da Silva A., Gu W., Kim G.K., Koster R., Lucchesi R., Merkova D., Nielsen J.E., Partyka G., Paw-son S., Putman W., Rienecker M., Schubert S.D., Sienkiewicz M., Zhao B. The modern-era retrospective analysis for research and applications, version 2 (MERRA-2) // J. Clim. V. 2017. V. 30, N 13. Р. 5419–5454. DOI: 10.1175/JCLI-D-16-0758.1.
42. Butler A.H., Sjoberg J.P., Seidel D.J., Rosenlof K.H. A sudden stratospheric warming compendium // Earth Syst. Sci. Data. 2017. V. 9. P. 63–76. DOI: 10.5194/essd-9-63-2017.
43. Martineau P., Son S.-W., Taguchi M., Butler A.H. A comparison of the momentum budget in reanalysis datasets during sudden stratospheric warming events // Atmos. Chem. Phys. 2018. V. 18. P. 7169–7187. DOI: 10.5194/acp-18-7169-2018.
44. Siddiqui T.A., Yamazaki Y., Stolle C., Lühr H., Matzka J., Maute A., Pedatella N. Dependence of lunar tide of the equatorial electrojet on the wintertime polar vortex, solar flux, and QBO // Geophys. Res. Lett. 2018. V. 45. P. 3801–3810. DOI: 10.1029/2018GL077510.
45. Choi H., Kim B.-M., Choi W. Type classification of sudden stratospheric warming based on pre- and postwarming periods // J. Clim. 2019. V. 32. P. 2349–2367. DOI: 10.1175/JCLI-D-18-0223.1.
46. Li Y., Kirchengast G., Schwaerz M., Yuan Y. Monitoring sudden stratospheric warmings under climate change since 1980 based on reanalysis data verified by radio occultation // Atmos. Chem. Phys. 2023. V. 23. P. 1259–1284. DOI: 10.5194/acp-23-1259-2023.
47. Smith A.K. Observation of wave—wave interactions in the stratosphere // J. Atmos. Sci. 1983. V. 40. P. 2484–2493. DOI: 10.1175/1520-0469(1983)040<2484:OOWWII>2.0.CO;2.
48. Диденко К.А., Бикбулатов Б.А., Ермакова Т.С., Коваль А.В. Исследование волновых процессов во время сложных внезапных стратосферных потеплений // Гидрометеорол. и экология. 2024. № 75. С. 251–268.
49. Didenko K.A., Koval A.V., Ermakova T.S., Sokolov A.V., Toptunova O.N. Analysis of a Secondary 16-day Planetary Wave Generation through Nonlinear Interactions in the Atmosphere // Earth, Planet Space. 2024. V. 76. P. 124. DOI: 10.1186/s40623-024-02072-x.
50. Pogoreltsev A.I. Numerical simulation of secondary planetary waves arising from the nonlinear interaction of the normal atmospheric modes // Phys. Chem. Earth (Part C). 2001. V. 26. P. 395–403. DOI: 10.1016/S1464-1917(01)00020-4.