Характерные изменения циркуляции воздуха в стратосфере

Как и в тропосфере внетропических широт северного полушария, зимой и весной очень часты в стратосфере внутрисезонные изменения полей температуры, геопотенциала и ветра. Крупные аномалии циркуляции в стратосфере охватывают большие промежутки времени, а незначительные происходят повседневно.

Нередки случаи, когда суточные изменения температуры в средней стратосфере высоких и умеренных широт превышают 10—15°. Естественно, что такие большие изменения температуры нельзя объяснить лучистым теплообменом, тем более что они происходят в холодное время года, когда в высоких широтах в условиях полярной ночи отсутствует возможность радиационного нагревания воздуха.

Зимний полярный циклон обычно называют циркумполярным, хотя этот циклонический вихрь редко оправдывает свое название, так как он непрерывно подвергается преобразованиям. Все эти преобразования находятся в тесной связи с процессами, развивающимися в тропосфере. При этих преобразованиях стратосферный полярный циклон обычно раздваивается и возникают два центра, отстоящие друг от друга на тысячи километров.

Такие раздвоения центра циклонического вихря в стратосфере северного полушария вызываются крупными процессами междуширотного воздухообмена, которые начинаются в тропосфере и охватывают нижние и средние слои стратосферы. В этих процессах некоторую роль играет адвекция тепла из средних широт, но главной причиной резких преобразований полей температуры и геопотенциала является неадвективные изменения температуры, вызываемые вертикальными движениями воздуха.

Не случайно, что крупные преобразования полей температуры и ветра происходят в холодное полугодие. Именно в холодное время года радиационный режим не только в тропосфере, но еще больше в стратосфере способствует усилению динамического фактора в развитии атмосферных процессов. К зиме возрастают горизонтальные градиенты температуры и скорости ветра в тропосфере и особенно в стратосфере между средними и высокими широтами.

Зимой чаще возникают мощные вихри и крупные меридиональные преобразования термобарического поля в тропосфере, которые распространяются в верхние слои и преобразуют циркуляцию воздуха в нижней и средней стратосфере, в результате чего происходят аномальные повышения температуры и раздвоение полярного стратосферного циклона.

Условия радиационного освещения зимой таковы, что над полюсом, где полярная ночь особенно продолжительна и затененность атмосферы наиболее велика, должны наблюдаться самые низкие значения температуры и геопотенциала (см. табл. 4). Между тем анализ ежедневных карт высоких уровней показывает, что полюс холода в стратосфере северного полушария обычно не совпадает с географическим полюсом, а несколько смещен в сторону Гренландии — островов Шпицберген или на север Азии на 20-25° N.

Такая асимметрия в распределении температуры в стратосфере несколько отлична от распределения ее в тропосфере, где в формировании сезонного поля температуры существенную роль играют главным образом тепловые условия подстилающей поверхности. Действительно, глубокие тропосферные циклоны имеют различную повторяемость в разных районах полушария, а число их в тропосфере не соответствует их повторяемости в нижней стратосфере.

Циклоны на больших высотах обнаруживаются в северных районах полушария, при этом чаще над материками и реже над океанами. Можно предположить, что чем глубже циклон вблизи поверхности земли, тем вероятнее обнаружить его в нижней половине стратосферы. Ниже приведены карты повторяемости циклонов за январь, полученные по данным за 10 лет (1958—1967).

Для построения карт был применен обычный метод учета циклонов по картам давления у поверхности земли, а также по картам АТ₃₀₀, АТ₁₀₀ и АТ₁₀, разбитым на равные квадраты площадью 1246 х 10³ км². У поверхности земли были учтены все подвижные циклоны с давлением в центре 1000 мб, на поверхности 300 мб — циклоны с величиной геопотенциала 864 дам, на поверхностях 100 и 10 мб — все циклоны, за исключением мелких возмущений, исчезающих в течение суток.

Связь между повторяемостью циклонов у поверхности земли и на высотах оказалась сложной. У поверхности земли они чаще наблюдаются над северными районами Атлантики и Тихого океана (рис. 78 а). На поверхности 300 мб наибольшая повторяемость циклонов приходится на север Канады, на Таймыр и Дальний Восток (рис. 78 б). Причиной этого несоответствия являются особенности распределения температуры в стратосфере.

Известно, что поле абсолютного геопотенциала на высотах определяется соотношением

Из двух факторов, определяющих поле абсолютного геопотенциала на высотах, уже на поверхности 500 мб заметную роль играет температура нижележащих слоев воздуха. С высотой роль температуры возрастает (рис. 78 б, в, г). Так, на поверхности 100 мб число замкнутых циклонических образований значительно возрастает над северными районами материков и резко уменьшается над северными районами океанов (рис. 78 в).

Рис. 78. Повторяемость (%) глубоких циклонов у поверхности земли (а) и на картах АТ₃₀₀ (б), АТ₁₀₀ (в), АТ₁₀ (г) в январе 1958-1967 гг.

На поверхности 10 мб, как правило, циклоны концентрируются севернее 50° N с наибольшей повторяемостью на севере Гренландии и Евразии (рис. 78 г). Интересно, что уже на поверхности 100 мб за 10 лет на западе Северной Америки, в том числе и на Аляске (здесь зимой в стратосфере отмечается более высокая температура) не наблюдались циклоны глубже 1536 дам, а на поверхности 10 мб они вовсе отсутствовали.

Повторяемость полярных циклонов на высотах показывает, что роль температуры в формировании поля абсолютного геопотенциала в стратосфере велика, хотя в отдельных случаях изменения Н₁₀₀₀ существенно влияют на структуру изогипс и циркуляции не только в нижней, но и в средней стратосфере.

Как следует из работы, зональная составляющая ветра севернее 50° N является небольшой по сравнению с меридиональной. В декабре—феврале в нижней стратосфере северная меридиональная составляющая скорости ветра над Восточной Сибирью равна в среднем 6—10 м/сек., а южная составляющая над крайним северо-востоком Азии и севером Тихого океана достигает 10— 15 м/сек.

Меридиональные составляющие ветра в зимние месяцы значительны и над севером Америки и Северной Атлантикой. Однако как в тропосфере, так и в нижней стратосфере скорости их несколько меньше, что связано со сравнительно меньшими размерами охлаждающей поверхности Северной Америки и нагревающей поверхности Северной Атлантики.

Частые смещения стратосферного зимнего полярного вихря к югу на п-ов Таймыр и Среднесибирское плато приводят к еще большему нарушению западного переноса в системе устойчивой широкой стратосферной бароклинной зоны, опоясывающей северное полушарие между широтами 55—75°. Распространение по восточной периферии образовавшейся ложбины сравнительно более теплого воздуха из умеренных широт в высокие обусловливает повышение температуры на крайнем востоке Азии и в тихоокеанском секторе Арктики, включая Аляску.

Так как аналогичные условия для повышения температуры в западном секторе Арктики в периоды смещения центра полярного циклона в Восточную Азию не создаются, эффект радиационного выхолаживания в период полярной ночи проявляется здесь наиболее заметно. Поэтому самые низкие температуры в северном полушарии характерны для района, заключенного между Северным полюсом, Гренландией и островами Шпицберген.