О квазидвухлетней цикличности ветра в стратосфере экваториальной зоны

К интересным явлениям атмосферной циркуляции можно отнести открытую в 50-х годах квазидвухлетнюю цикличность ветра в экваториальной стратосфере на высотах 20—35 км. Как известно, цикличность характеризуется тем, что в течение периода времени, равного приблизительно одному году, ветры в стратосфере имеют восточное направление, а в следующем году — западное.

Такое чередование направления ветра сравнительно лучше выражено в узкой зоне между экватором и 8—10° северной и южной широты. Ниже 18—20 км и выше 35—40 км к северу и югу от этой зоны в смене направления ветра в стратосфере цикличность плохо прослеживается. Установлено, что продолжительность цикла может длиться около 20 месяцев и более 30 месяцев, а в среднем 26 месяцев. Поэтому она получила и второе название - «26-месячная цикличность ветра».

Таким образом, в экваториальной зоне шириной 2000 км в нижней и средней стратосфере почти зональный мощный воздушный поток в течение одного года направлен на запад, а в течение другого года— на восток. Это явление очень крупного масштаба и, пожалуй, превосходит все известные цикличности фазных явлений в атмосфере. Поэтому, естественно, что оно сразу привлекло внимание метеорологов многих стран, и уже много исследований посвящено ему.

Среди многочисленных высказываний о причинах квазидвухлетней цикличности ветра можно отметить следующие. Существует мнение, что цикличность тесно связана с изменениями поля температуры. Причиной этих изменений считаются нисходящие движения и повышение температуры непосредственно над экватором. При этом принимается, что ветры в узкой зоне экваториальной стратосферы находятся лишь в приближенном геострофическом равновесии.

Другие считают, что цикличность определяется волновыми движениями, в результате чего тепло распространяется вниз, а источником тепла является ультрафиолетовая радиация, влияющая на слой озона. Интересным можно считать мнение о внешнем воздействии, в частности о солнечной активности, которая сопровождается изменениями ультрафиолетовой радиации, а также колебаниями температуры и ветра в слое озона.

При этом уже имеются попытки установить, что цикл солнечных пятен, как и магнитных изменений, равен немногим более двух лет. Если такое влияние действительно существует, то оно, по-видимому, должно распространяться на всю земную стратосферу. Однако в этом случае в экваториальной зоне оно должно проявляться более заметно, поскольку здесь при малых горизонтальных градиентах температуры и давления даже небольшие колебания температуры могут вызвать существенные изменения ветра.

Попытка установить связь между 26-месячным колебанием интенсивности зональной циркуляции в тропосфере умеренной зоны северного полушария и 26-месячным колебанием средней гелиографической широты В солнечных пятен сделана в монографии.

Полученные связи позволили заключить, что такие колебания общей циркуляции атмосферы находятся в зависимости от притока солнечной радиации, т. е. от солнечной активности. Однако по мнению автора, полученные результаты трудно применить при долгосрочном прогнозировании погоды, так как периоды 26-месячных колебаний ветра сильно изменчивы.

К глобальному явлению можно отнести и обнаруженную в последние годы в верхней стратосфере экваториальной зоны полугодовую цикличность ветра, которая определяется сезонными изменениями глобального поля температуры.

Выражается она в том, что в переходные сезоны года в верхней стратосфере экваториальной зоны наблюдаются западные ветры, а зимой и летом — восточные. По мере удаления от экватора амплитуда их также уменьшается. -Можно упомянуть и о годовом ходе ветра внеэкваториальной зоны — западном переносе в холодное время года и восточном переносе в теплое. Как видим, для всей стратосферы характерны крупные изменения циркуляции, которые, очевидно, находятся в сложном взаимодействии.

При глобальности отмеченных выше особенностей циркуляции в стратосфере должна существовать связь между квазидвухлетней и полугодовой цикличностью циркуляции в экваториальной зоне и процессами внетропических широт. При ее обнаружении, возможно, будет установлена какая-то последовательность между цикличностью и развитием процессов во внетропических широтах, что будет полезно в долгосрочном прогнозировании погоды.

Для успешного развития исследований в этом направлении необходимо определить истинную природу цикличности. Однако этому все еще препятствует недостаточность данных ракетного зондирования.

Для установления характера цикличности ветра часто производится осреднение данных о направлении и скорости ветра в экваториальной зоне по месяцам, которые даются графически. Такие графики построены для ряда пунктов, расположенных вблизи экватора.

Наибольшую известность получили графики, выражающие цикличность среднего месячного направления и скорости ветра, построенные по данным радиозондирования на ст. о. Кантон (2°46' S и 171° 43' W). Последние приведены во многих статьях и монографиях, содержащих сведения о двухлетней цикличности ветра.

На других участках экваториальной зоны цикличность ветра также проявляется. Это видно на приведенных графиках (по средним месячным данным) направления и скорости ветра за 1964— 1970 гг. в экваториальной зоне (рис. 111). Из рисунка следует, что на станциях, расположенных в зоне между экватором и 5—6° северной и южной широты, цикличность ветра достаточно хорошо выражена.

Рис. 111. Временные вертикальные разрезы зональной составляющей ветра в экваториальной зоне (1965—1970 гг.)

Обратим внимание на одну деталь. Скорости восточной составляющей ветра везде заметно превышают скорости западной. Кроме того, восточная составляющая направления ветра, как отмечено многими авторами, наблюдается более продолжительное время, чем западная. Очень важно также, что переход восточной составляющей ветра на западную и обратно происходит почти одновременно во всех районах экваториальной зоны. Последний факт дает основание предположить, что цикличность ветра — явление глобального характера.

Подобные графики, построенные по данным радиозондовых подъемов на станциях Сонгла, Кодор и Майюро, расположенных вблизи 7° N (восточная часть севера Индийского океана и западная часть Тихого океана), показали, что на этой широте за указанные годы также наблюдалась цикличность ветра, хотя и в более слабовыраженной форме. Вместе с тем, на ст. Шерман, находящейся в западном полушарии, на широте около 9° N по данным ракетных измерений цикличность ветра не всегда легко обнаруживается.

Ее трудно обнаружить и на ст. Ассенсьен (о. Вознесения, 8° S). Как видно, цикличность ветра осуществляется в сравнительно узкой экваториальной зоне, где характерны весьма малые горизонтальные градиенты температуры и давления.

Средние месячные карты барической топографии (см. рис. 27— 34) не выражают этих важных деталей режима ветра в экваториальной зоне. Это и естественно, поскольку они, как правило, отражают преобладающие особенности режима. Средние месячные карты барической топографии всех поверхностей в тропосфере и нижней стратосфере показывают, что в экваториальной зоне преобладают восточные ветры.

Это находится в согласии с данными наблюдений. В действительных условиях повторяемость восточных составляющих ветра в экваториальной зоне больше, чем западных, и к тому же скорости западных ветров меньше скоростей восточных. Можно сказать, что в соответствии с распределением температуры и давления в стратосфере низких широт и прежде всего в экваториальной зоне, естественны восточные составляющие ветра, а переход их на западное направление является своего рода нарушением основного режима.

Преобладание восточных составляющих ветра в экваториальной зоне получило хорошее отражение и на схемах горизонтальной циркуляции атмосферы (см. гл. одиннадцатую). Почти во все сезоны года восточные ветры абсолютно преобладают в слое между поверхностью земли и высотами 8—10 км, как и выше 20—25 км. Между этими слоями на высотах 10—20 км довольно часты западные ветры, которые, судя по схемам, являются периферией субтропических струйных течений северного или южного полушарий в зависимости от сезона года.

Это нашло отражение не только на схемах общей циркуляции атмосферы, но и на средних месячных вертикальных разрезах, построенных вдоль различных меридианов. Естественно, что если на средних разрезах отображается крайний, периферия струйных течений с малыми скоростями западного ветра, то в реальных условиях при больших меридиональных преобразованиях полей температуры и давления происходит большее смещение струи в экваториальную зону и скорости ветра над экватором возрастают.

Однако эти западные ветры, по-видимому, не имеют непосредственной связи с западными ветрами в нижней и средней стратосфере. Первые тесно связаны с сезонными смещениями высотной фронтальной зоны и субтропических струйных течений, вторые — составная часть квазидвухлетней цикличности ветра.

В монографии А. Л. Каца приведены интересные данные о повторяемости западного направления ветра со, скоростями 30 м/сек. в экваториальной зоне Тихого океана. По этим данным, из общего числа 147 случаев западные ветры, т. е. периферийные ветры субтропических струйных течений северного и южного полушарий, наблюдались в верхней тропосфере в 32% случаев при средних скоростях 38 м/сек., а в стратосфере на средней высоте, равной 29 км, всего в 3% случаев.

Наоборот, восточные ветры в верхней тропосфере наблюдались в 3% случаев, а в стратосфере на средней высоте, равной 26 км,— в 62% случаев. Эти результаты показывают, что для верхней тропосферы экваториальной зоны 1 характерны западные ветры, а для средней стратосферы — восточные ветры. Если бы учитывался ветер со скоростями менее 30 м/сек., величины повторяемости соответственно были бы больше.

В работе подсчитана также повторяемость однородного по 1 вертикали воздушного потока восточного направления в тропосфере и стратосфере и определено, что она составляет не более ; 4—8% случаев. Однако из этого нельзя сделать вывод, что на схемах циркуляции и средних месячных картах барической топографии восточный перенос в тропосфере и стратосфере низких широт получился в результате сглаживания важнейших черт циркуляции.

Справедливо, что при осреднении любых элементов многие интересные детали исчезают. Однако преобладающее явление, как правило, получает отражение на средних картах и графиках. Заметим также, что при построении схем горизонтальной циркуляции, как и средних месячных карт ветра, однородность потоков по вертикали никогда не учитывается.

Известно, что подобные схемы и карты строятся путем осреднения скорости и направления ветра и величины геопотенциала на каждом уровне или поверхности отдельно. На полученных таким способом схемах и картах средней месячной и сезонной барической топографии отображено, что в низких широтах преобладающим переносом является восточный.

Что касается вертикальной неоднородности воздушных течений в экваториальной зоне, то, согласно данным наблюдений, система их здесь близка к простейшей трехслойной. Трехслойность или многослойность составляющих ветра в экваториальной зоне указывает на то, что поля температуры и давления в низких широтах имеют сложную структуру, а по изменению направления ветра во времени, можно заключить, что структура эта достаточно изменчива.

Трехслойность, как и большее число слоев изменения направления ветра по высоте, указывает на неоднородность его в экваториальной зоне и на возможность появления здесь восточных и западных составляющих ветра, но не объясняет его цикличности.

Так как изменение направления ветра связано с изменением поля давления, то можно схематически изобразить поле давления на любом уровне, а следовательно, и на ряде уровней, соответствующих условиям возникновения западного и восточного ветра в стратосфере экваториальной зоны. Подобные попытки уже существуют. Однако важно, чтобы схемы отражали действительную картину поля давления, особенно при западных ветрах в нижней и средней стратосфере.

Очень важно также определить истинную природу возникновения именно такой структуры поля давления в низких широтах, которой определяется продолжительное существование западного ветра в стратосфере экваториальной зоны.

Данные сети ракетных измерений уже позволяют изучать годовой ход изменений температуры и ветра в разных широтных зонах до высот 60-80 км. Но, к сожалению, в самой экваториальной зоне их еще далеко не достаточно, чтобы можно было сделать правильные выводы о природе квазидвухлетней цикличности.

То же относится и к запускам ракет на кораблях погоды, носящих еще эпизодический характер. Вместе с тем многими авторами изучены и описаны некоторые особенности атмосферной циркуляции в экваториальной зоне и в результате сделаны различные выводы. В частности, некоторые авторы считают, что западные ветры возникают в верхней стратосфере и нижней мезосфере и затем распространяются или, как обычно пишут, «опускаются» в нижние слои стратосферы.

При этом определено, что западные ветры, зарождаясь в верхних слоях, распространяются вниз со скоростью 1,0—1,5 км за месяц. Судя по известному графику квазидвухлетней цикличности ветра, построенному по данным радиозондирования на ст. о. Кантон, такое распространение сверху вниз как западного, так и восточного ветра происходит довольно четко.

Заметам, однако, что графики квазидвухлетней цикличности часто строят по осредненным по месяцам данным ветра. В результате осреднения и в этом случае исчезают многие интересные особенности. Чтобы более детально изучить характер режима ветра, были построены аналогичные графики для ряда пунктов, в том числе и для о. Кантона, но по ежедневным данным радиоветровых наблюдений (рис. 112).

Рис. 112. Временные вертикальные разрезы зональной составляющей ветра по ежедневным и средним месячным данным радиозондирования на о. Кантон (1960—1965 гг.)

Построенные по ежедневным наблюдениям графики скорости и направления ветра за шесть лет (1960—1965 гг.) также показали, что квазидвухлетняя цикличность ветра в Кантоне хорошо выражена.

К сожалению, подъемы радиозондов, как правило, ограничивались высотами 25—30 км, поэтому судить о скорости распространения ветра соответствующего направления из более высоких слоев атмосферы не представляется возможным. Что касается средней стратосферы, то, судя по рис. 112, не всегда легко определить распространение ветра того или иного направления сверху вниз, и еще труднее говорить о средних его скоростях.

Для сравнения графиков (по Кантону), построенных по среднемесячным и ежедневным данным о ветре, внизу рисунка 132 изображен график зональной составляющей ветра на этой станции, построенный по средним месячным данным. На построенных по ежедневным данным графиках незаметно четкое «опускание» направления ветра из верхних слоев в нижние, как это следует из нижнего графика за те же годы.

Нечеткость распространения одного и того же направления ветра сверху вниз видна и на графиках (рис. 111), построенных по средним месячным данным радиоветровых измерений на ряде экваториальных станций. Если по осредненным данным и видна общая тенденция распространения вниз западных или восточных ветров, то скорости опускания самые различные, отличающиеся от среднего показателя 1,0—1,5 км/месяц.

Не располагая систематическими ракетными измерениями на станциях, расположенных непосредственно вблизи экватора, как сказано выше, были построены графики ветра до высот 60—80 км по ежедневным ракетным данным на двух станциях: Шерман (9°20'N и 79°59'W) и Ассенсьен (о. Вознесение, 07°59'S и 14°25/W) (см. рис. 77).

Как следует из этих графиков, режим ветра над обоими пунктами достаточно сложный. Цикличность ветра плохо выражена. В слое 20—40 км преобладали восточные составляющие ветра. Выше 40 км в переходные сезоны преобладали западные ветры, а в летние месяцы и частично зимой восточные ветры. Шестимесячный цикл ни в одном году не был выражен четко. Зимой при общем преобладании западных ветров в отдельные месяцы, особенно в декабре, в верхней стратосфере северного полушария появлялись ветры восточного направления.

В октябре и ноябре почти за все годы выше 40 км преобладали западные ветры. То же наблюдалось и в апреле—мае как в Шермане, так и в Ассенсьене, т. е. весной в северном и осенью в южном полушарии. Опускание соответствующих ветров до нижней стратосферы, судя по графикам, осуществляется не столь регулярно. Например, западные ветры, наблюдавшиеся на ст. Шерман в 1968 г. вблизи высоты 50 км, за четыре месяца распространились до уровня 35 км, т. е. со скоростью около 4 км/месяц. Осенью за два месяца западные ветры распространились вниз более чем на 30 км, т. е. со скоростью 15 км/месяц.

Приблизительно с такими же скоростями распространялись вниз и западные ветры на ст. Ассенсьен до уровня 30—35 км, а в 1968 г. даже до уровня 20 км. Однако после этого западные ветры не устанавливались, а исчезали столь же быстро, как и появлялись. Их заменяли ветры восточные.

Заметим также, что западные ветры в верхней стратосфере и нижней мезосфере над ст. Ассенсьен обычно появлялись не в дни весеннего и осеннего равноденствия, а значительно раньше,— в августе и январе—феврале.

Приведенные графики ветра в стратосфере и нижней мезосфере по ракетным измерениям относятся к пунктам, расположенным в отдалении от экватора на 8—9° меридиана. Ракетные измерения, произведенные на Индийской ракетной станции вблизи широты 7°N показали, что распространение ветра сверху вниз здесь также происходит нечетко и с различными скоростями.

Пока книга готовилась к печати, автором была исследована полугодовая цикличность ветра в верхней стратосфере и нижней мезосфере и определена ее природа. Получено, что характерные для зимних и летних месяцев восточные ветры и для переходных сезонов года западные ветры обусловлены не значительными колебаниями температуры на самом экваторе, как предполагали многие исследователи, а сезонными изменениями глобального поля температуры, и особенно в средних и высоких широтах.

Автором установлено, что шестимесячная цикличность ветра — такое же периодическое явление, обусловленное сезонными радиационными условиями, как летняя восточная и зимняя западная циркуляция воздуха в стратосфере Земли.

В заключение можно сказать, что метеорологи, изучающие квазидвухлетнюю цикличность, испытывают большой недостаток данных систематических ракетных измерений. Большие планы организации специальных наблюдений предусмотрены программой ПИГАП. Они послужат основой для широких исследований особенностей квазидвухлетней цикличности ветра в целях познания ее природы и установления связей с циркуляцией внетропических широт, необходимых для долгосрочного прогнозирования.