Траектории очагов тепла в стратосфере зимой

В последние годы проводятся исследования траекторий областей тепла, возникающих при потеплениях. Эти исследования проводятся в целях установления закономерностей движения их в различные годы. Сделаны также попытки определения их двухгодичных циклов, подобных стратосферным ветрам экваториальной зоны.

Зимние аномальные повышения температуры в стратосфере средних и высоких широт, как мы видели, возникают под влиянием динамики атмосферных процессов. При крупных меридиональных преобразованиях полей геопотенциала и воздушных течений области тепла и высокого давления проходят сложный путь из средних широт в высокие в течение многих дней. Так как это обычно бывает связано с единым процессом перемещения системы конвергирующих ветров и нисходящих движений воздуха, то определение траектории областей тепла в этом случае не представляет большого труда.

При малой деформации стратосферного циклона сохраняется западный перенос и области тепла либо перемещаются в восточном направлении, либо описывают неопределенные петли в зависимости от характера относительно малоинтенсивных процессов, развивающихся на периферии стратосферного полярного циклона.

В последнем случае бывает трудно проследить их траекторию, так как при небольших горизонтальных градиентах температуры эти области изменяют свое положение в зависимости от восходящих и нисходящих движений воздуха вблизи района очага.

Иначе говоря, почти непрерывно возникают и усиливаются новые очаги тепла, в которых температура воздуха иногда оказывается выше, чем в старом очаге. При формальном проведении траекторий в таких случаях часто допускаются ошибки. Этому способствуют малая освещенность карт топографии высоких поверхностей и неточность их анализа.

В работе рассмотрено несколько примеров различных по характеру траекторий областей тепла и холода на высотах 20 — 30 км. Примеры относятся к крупнейшим зимним стратосферным потеплениям 1958 и 1963 гг. и сравнительно малоинтенсивным потеплениям, наблюдавшимся в 1960 и 1965 гг.

Не касаясь подробностей развития процессов, укажем лишь, что потеплениям 1958 и 1963 гг. предшествовали интенсивные процессы в тропосфере и прежде всего крупные меридиональные преобразования, которые, распространяясь в вышележащие слои воздуха, т. е. в нижнюю, а затем и в среднюю стратосферу, вызывали здесь аналогичную перестройку циркуляции.

В результате возникшей конвергенции ветра и нисходящих движений воздуха над Южной Европой 22—23 января 1958 г. оформилась область повышенных температур, которая в соответствии с преобразованием циркуляции над всем полушарием перемещалась в сторону Гренландии и Канады.

Одновременно другая область тепла также вследствие меридионального преобразования поля течений распространилась со стороны Берингова моря в направлении Центральной Арктики и 4 февраля слилась с областью тепла над Канадой. В результате над Северной Америкой возникла обширная область высоких температур и высокого давления. Низкие значения температуры обособились на севере Евразии, тогда как в начале развития процесса потепления область холода находилась над восточной половиной Северной Америки, Центральной Арктикой и севером Азии.

На рис. 84 изображены траектории двух областей тепла в период с 21 января до 4 февраля, т. е. до дня слияния обеих областей тепла. На картах АТ₂₅ (рис. 85) показаны характерные особенности этого крупного меридионального преобразования термобарического поля.

Рис. 84. Траектории очагов тепла в январе 1958 г.

Рис. 85. Карты АТ₂₅ 22/1 (а) и 26/1 (б) 1958 г.

Как следует из карт АТ₂₅ и ветровых данных на карте траекторий (рис. 84), направление перемещения очагов тепла отличалось от направления основных воздушных течений. Перемещение очагов происходило в сторону конвергирующих течений, т. е. в том направлении, в котором повышалась температура воздуха в стратосфере. После меридионального преобразования слияние двух очагов тепла и высокого давления произошло в западном полушарии.

В то же время в восточном полушарии оказалась область холода и низкого давления. Другой пример формирования области тепла, также относящийся к середине зимы, известен из исследований ряда авторов и рассмотрен нами в параграфе 8.3. Очаг тепла в этом случае возник над Северной Атлантикой вблизи широты 46° N 14—16 января 1963 г. В первые 2—3 дня температура в очаге на АТ₁₀ повысилась до —35°, при этом очаг оставался в пределах океана.

Однако в последующие дни в соответствии с развивающимся меридиональным преобразованием термобарического поля он начал смещаться в северо-западном направлении, а температура в нем повысилась к 28—29 января 1963 г. до —25° на АТ₅₀ и до 0° на АТ₁₀.

На рис. 86 изображена траектория области тепла с 15 по 30 января на поверхности 10 мб. На рисунке видно, что одновременно с указанной усиливающейся областью тепла другая более слабая область тепла в районе Японских островов в соответствии с преобразованием термобарического поля в стратосфере медленно перемещалась в северном направлении. 28—30 января она слилась с первой более интенсивной областью тепла в районе с координатами 80° N и 140° Е.

Рис. 86. Траектории областей тепла на поверхности 10 мб н январе 1963 г

Для представления структуры поля геопотендиала и циркуляции в этот период на рис. 87 приведены три карты АТ₁₀, относящиеся к различным стадиям развития этого интенсивного процесса. 20 января стратосферный полярный циклон был уже несколько деформирован и на его периферии над Атлантикой и Дальним Востоком находились слабовыраженные области тепла.

Рис. 87. Карты АТ₁₀ 20/I (а), 25/I (б) и 29/I (в) 1963 г.

Деформация поля геопотенциала продолжалась, и полярная депрессия приняла форму эллипса, вытянутого между Евразией и востоком Тихого океана. Над Канадой в зоне сильной конвергенции потоков температура уже повысилась до —20°.

В последующие дни преобразование поля продолжалось и к 25 января возникло поле деформации, а максимальная температура достигла 0°. В результате такого преобразования поля геопотенциала скорость ветра начала ослабевать, вертикальные движения уменьшились и 29—30 января температура в очаге тепла уже понизилась до — 10, —20°.

Приведенные два экстремальных случая преобразования термобарического поля сопровождались самыми большими повышениями температуры в стратосфере в середине зимы за последнее десятилетие. Они идентичны как по условиям возникновения, так и по траекториям и слиянию двух очагов тепла в околополюсном районе. Очевидно, что перемещение на север и слияние двух очагов тепла тесно связано с крупными меридиональными преобразованиями поля геопотенциала в тропосфере и стратосфере.

В случае западной траектории очага тепла полярный циклон сохраняется и происходит лишь небольшая его деформация. Такой процесс развивался в период с 6—7 по 16—17 марта 1965 г.

На рис. 88 дана траектория области тепла, возникшей в районе Средиземного моря и к 20 марта переместившейся в район 75° N, 160° Е. Вначале температура на поверхности 10 мб достигала —40°. Эта область тепла в малоградиентном поле в течение первых шести дней марта испытывала неопределенные смещения в пределах западной части Средиземного моря в зависимости от структуры поля ветра и нисходящих движений воздуха.

Рис. 88. Траектория области тепла в марте 1965 г.

То же происходило и с областью холода в районе Гренландии. В первой декаде марта она находилась в районе Гренландии, а во второй декаде переместилась на север Европейской территории СССР. Судя по картам АТ₁₀, в процессе перемещения области тепла в Восточную Арктику стратосферный полярный циклон в период с 5 марта до 16 марта лишь немного был деформирован, а центр его оставался в пределах высоких широт (рис. 89 а).

Только под влиянием усилившейся циклоничности над Северной Америкой 21 марта в стратосфере образовалось деформационное поле (рис. 89 6). В результате контрасты температуры и скорости течений ослабли, а разности температур в очагах тепла и холода уже не превышали 30°.

Рис. 89. Карты АТ₁₀ 5/ІІІ (а) и 21/III (б) 1965 г.

Следующий пример, относящийся к зиме 1960 г., является показательным в смысле трудности определения траектории области тепла и высокого давления. При формальном просмотре можно, по-видимому, заключить, что область высокого давления (кстати сказать, изображенная на неосвещенной территории Азии (карты АТ₁₀)), проделала путь до западного побережья США.

В действительности на периферии двухцентрового стратосферного циклона в середине января (рис. 90 а) в районах наибольших скоростей ветра местами происходило адиабатическое повышение температуры. 15 января такое потепление произошло несколько южнее Ньюфаундленда, где температура воздуха на поверхности 10 мб повысилась до —37, —40°.

В результате перестройки поля ветра температура в этом районе немного понизилась, а над юго-западной частью Европы под областью конвергирующих течений к 19 января она повысилась. К началу третьей декады января под усилившейся зоной конвергенции над средней частью Северной Америки температура возросла более значительно, чем в остальных районах, в связи с чем область высокого давления здесь, а затем и над прилегающей частью Атлантики заметно усилилась (рис. 90 6).

Рис. 90. Карты АТ₁₀ 16/1 (а) и 31/1 (б) I960 г.

Таким образом, в разных районах широтной зоны 30—50° N (от Северной Америки до Западной Азии) в течение второй половины января в зависимости от перестройки поля течений и адиабатического повышения температуры усиливался антициклон. В этом случае не было обнаружено какое-либо движение и, следовательно, нельзя было определить его траекторию. Заметим, что в течение второй половины января во всей упомянутой выше зоне осуществлялся западный перенос воздуха.

Аналогичные сложные преобразования полей температуры и воздушных течений происходили в феврале и первой половине марта. В этот период, так же как и в январе, стратосферный полярный циклон испытывал лишь некоторые деформации, а области тепла и высокого давления возникали на его периферии. В таких случаях проведение единой западной или восточной траектории этих областей не достигло бы цели, так как такая траектория не отображала бы особенностей происходящих атмосферных процессов.

Анализ процессов, развивающихся в стратосфере в 1958— 1967 гг., не позволил выявить чередование по годам западных и восточных траекторий областей тепла и высокого давления, в какой-то мере напоминающее квазидвухлетнюю цикличность, наблюдающуюся в нижней стратосфере некоторых районов экваториальной зоны.

Как уже было сказано, существуют и другие взгляды на зимние потепления в стратосфере северного полушария. Среди них можно назвать и гипотезу о влиянии солнечной активности на изменение температуры и циркуляции воздуха в стратосфере, в том числе и на зимние потепления.