Внешнее воздействие на ветер в мезосфере / нижней термосфере

В настоящее время активно исследуется внешнее воздействие на динамику мезосферы/нижней термосферы (МНТ) как снизу (включая внезапные стратосферные потепления), так и сверху, от магнитосферы (эффекты солнечной и геомагнитной активности). Большинство опубликованных ранее результатов, в том числе в работах авторов настоящей статьи [Данилов и др., 1987; Kazimirovsky et al., 1999, 2003, 2006], относилось к отдельным конкретным событиям. В настоящей работе мы представляем усредненные статистически значимые результаты, используя базу данных по скоростям горизонтального ветра МНТ (примерно за 20 лет, с 1974 г. по 1996 г.), измеренным на обсерватории Бадары вблизи Иркутска (52º N, 102º E), и данные по внезапным стратосферным потеплениям и сильным геомагнитным бурям за тот же самый период времени.

Внезапные стратосферные потепления наблюдаются нерегулярно в зимние месяцы и характеризуются аномальным усилением атмосферных планетарных волн с волновыми числами 1 и 2 в полярной стратосфере, усилением околополюсных потоков тепла, с сопутствующим обращением зонального градиента температуры между полярными и средними широтами, разрушением циклонического полярного вихря, ослаблением или даже реверсом западных ветров. Возможно, существует связь между внезапными стратосферными потеплениями и так называемыми квазидвухлетними колебаниями (КДК), т. е. квазипериодическими изменениями направления зонального ветра в экваториальной стратосфере. Если КДК находятся в восточной фазе, атмосферный волновод изменяется таким образом, что распространяющиеся вверх планетарные волны сосредоточиваются внутри полярного вихря, усиливая их взаимодействие со средним потоком. Действительно, было обнаружено статистически значимое различие между частотой появления и характером внезапных стратосферных потеплений в зависимости от фазы КДК [Naujokat, Labitzke, 1993; Labitzke, Naujokat, 2000].

Сильные потепления, как было многократно показано, могут оказывать влияние на ветровой режим МНТ-области атмосферы [Kazimirovsky, et al., 2009]. Конечно, реакция на потепления должна зависеть от характера и интенсивности каждого отдельно взятого события. Во время мощных зимних стратосферных потеплений типа «major», как правило, зональный МНТ-ветер ослабевает или меняет направление с западного на восточное. Наблюдались и случаи усиления южного меридионального ветра, а также и изменений амплитуд и фаз полусуточного прилива (например, [Taubenheim, 1983]). Реакция чаще всего наступает через 1–2 дня после максимума стратосферной температуры. Реакция ветрового режима МНТ-области зависит также от локализации источника возмущений. Она может быть различной в различные зимы и для различных потеплений [Kazimi-rovsky, et al., 1988].

Что касается реакции МНТ-ветра на геомагнитные бури, то хотя она действительно наблюдается как в преобладающих ветрах (включая обращение зонального ветра для некоторых событий), так и в приливных компонентах, пока многочисленные результаты экспериментальных работ достаточно противоречивы [Lastovicka, Kazimirovsky, 1995; Lasto- vicka, 1996; Singer, et al., 1994; Danilov, Lastovicka, 2001]. Возможно, влияние солнечной и геомагнитной активности на ветер в этой области верхней атмосферы маскируется более сильным воздействием снизу.

Задачей настоящей работы, естественного продолжения большого цикла ранее опубликованных работ авторов в области исследования динамики средней атмосферы, является физико-статистический анализ созданной нами за 20 лет базы данных по измерению горизонтальных ветров в области высот около 95 км с целью оценки характера возможного воздействия снизу во время стратосферных потеплений разного типа, для разных фаз КДК и разных гелиоциклов. Кроме того, мы попытались количественно оценить результат воздействия сильных геомагнитных бурь на ветровой режим в этой области верхней атмосферы.

Измерения ветра проводились методом близко разнесенного радиоприема сигналов радиовещательных станций в длинноволновом диапазоне. Измеряя временной сдвиг между замираниями (вариациями амплитуды) отраженного от исследуемой области (нижней ионосферы) и принятого разнесенными в пространстве приемниками сигнала, можно рассчитать скорость горизонтального перемещения ионосферных неоднородностей, движущихся на этих высотах со скоростью нейтрального ветра. Метод неоднократно калибровался другими методами (радиолокация метеорных следов и ракетные измерения), и его репрезентативность признана, а результаты используются в глобальных климатологических моделях [Kazimirovsky, et al., 2006; Казимировский, Кокоуров, 1979; Portnyagin, 2004]. Измерения проводились в ночное время каждые 30 мин. Временные вариации скорости ветра можно аппроксимировать выражением

V(t)=V0+V2 cos [2π/12(t–T2)], где t – местное время в часах, V0 – постоянная составляющая (обычно интерпретируемая как преобладающий ветер), V2 – амплитуда полусуточной гармоники и T2 – фаза (время максимума, когда соответствующая компонента скорости направлена на север или на восток). Таким образом, мы получаем информацию о преобладающем зональном (V0x) и меридиональном (V0y) ветре и cоответствующих характеристиках полусуточного прилива.

Проводилось сравнение данных по ветрам в нижней термосфере и стратосферных данных для полугодовых периодов (с ноября по апрель). Использовались данные о температуре на Северном полюсе для уровня 30 гПа и фазы квазидвухлетних колебаний экваториального ветра в стратосфере, опубликованные в [Labitzke, Naujokat, 2000]. Классификация внезапных стратосферных потеплений по типам и их подробное описание приводятся в монографии [Labitzke, Van Loon, 1999].

Для выявления корреляционной связи в геофизике и метеорологии часто применяется сравнительно простой метод – так называемый метод наложенных эпох [Chree, Stagg, 1928; Пановский, Брайер, 1972], когда накладываются друг на друга и усредняются временные ряды до и после момента события, влияние которого на исследуемые ряды оценивается. Этот момент называется ключевым или, реперным, а в нашем ана- лизе он соответствует дню стратосферного потепления или сильной геомагнитной бури. Этим методом оценивалось возможное влияние внезапных стратосферных потеплений на преобладающий ветер и амплитуду полусуточного прилива, соответственно: для всех событий (61) и отдельно – для сильных потеплений типа «major» (13), для слабых потеплений типа «minor» (30) и для финальных («final») потеплений, во время которых в стратосфере происходит окончательный переход от зимних температур к летним (18).

Анализ и обсуждение результатов

Результаты расчетов для всех потеплений (их 61) и для 13 потеплений типа «major» представлены на рис. 1, а , б соответственно. За реперную дату был взят день максимума температуры в стратосфере на уровне 30 гПа во время потепления. Наиболее сильно влияние этих стратосферных потеплений проявляется для преобладающего зонального и меридионального ветра (отчетливо выраженные пики вблизи

б

Рис . 1. Реакция параметров МНТ - ветра ( V 0x , V 0y , V 2x , V 2y ) на внезапные зимние стратосферные потепления : на 61 потепление за 20- летний период ( а ) и отдельно ( б ) на потепления типа « major» ( метод наложенных эпох ). При ведены значения рассчитанного для каждого пика крите рия 3 σ . Горизонтальные линии – средние за три дня вблизи пика значения скорости ветра .

реперного дня на рис. 1). Положительные значения V _ox и V _oy соответствуют западным и северным ветрам, отрицательные – восточным и южным ветрам соответственно. Возрастание западного зонального ветра в нулевой (реперный) день и ослабление северного меридионального ветра спустя один день после реперного дня очевидно для шестидесяти одного события в целом (рис. 1, а ) и для потеплений типа «major» (рис. 1, б ).

Скорость зонального преобладающего ветра во время потеплений типа «major» возрастала с 8 м/с до 25 м/с (примерно в 3 раза) во время максимума температуры в стратосфере, а скорость меридионального преобладающего ветра увеличивалась более чем в 10 раз спустя одни сутки после максимума Т ₃₀. Реакция амплитуд зонального и меридионального полусуточного прилива на сильные стратосферные потепления выражены существенно слабее. Значимость полученных пиков определялась по критерию 3 а . Расчет этого критерия проводился по данным, относящимся к интервалу ± 1 сут возле пика, т. е. использовались данные за трое суток, включая день пика-максимума. Рассчитывалась среднеквадратическая ошибка измерения и умножалась на 3. Полученный пик считался статистически значимым, если значение в нем было выше критерия 3 а . Для большей репрезентативности результатов рассчитывалась еще и средняя за трое суток величина скорости вблизи пика. Эти величины на рис. 1, а , б представлены прямыми горизонтальными линиями в области соответствующих пиков значений скорости. Как следует из рис. 1, все обозначенные пики значений скорости ветра не только значительно (в несколько раз) превышают соответствующие рассчитанные критерии 3 а , но и гораздо больше средних за трое суток значений, особенно для преобладающего зонального и меридионального ветра.

Для потеплений типа «minor» хорошо выражено только ослабление северного меридионального ветра. Результаты для финальных потеплений неопределенные. Амплитуды приливных компонент уменьшаются в нулевой день или спустя 1–2 дня для трех случаев: для всех событий (рис. 1, а ), потеплений типа «minor» и финальных потеплений, но для потеплений типа «major» (рис. 1, б ) мы не обнаружили какого бы то ни было значительного влияния стратосферных потеплений на амплитуду полусуточного прилива, особенно зонального.

Наблюдается различная реакция динамических параметров на стратосферные потепления в восточную и западную фазы КДК. Рисунок 2 демонстрирует различия в отклике МНТ-ветров на внезапные стратосферные потепления в зависимости от фазы квазидвухлетних колебаний зонального ветра в экваториальной стратосфере: в восточную фазу КДК (east) отмечается более четко выраженная реакция скорости ветра на сильные потепления, при этом отмечается уменьшение амплитуды полусуточного прилива и зонального, и меридионального ветра либо в реперный день, либо спустя одни сутки. Что касается преобладающего ветра, то в восточную фазу КДК во время сильных стратосферных потеплений ти-

Рис . 2. Отклик динамических параметров МНТ - облас - ти на стратосферные потепления , наблюдавшиеся в вос точную (east) и западную (west) фазы КДК : для всех поте плений типа «major» – метод наложенных эпох .

па «major» происходит усиление северо-западных ветров вблизи максимума температуры в стратосфере на уровне 30 гПа (в области сдвигов по фазе 0 ^ +1 сут). Эти различия существуют для всех типов внезапных стратосферных потеплений и показывают, что их воздействие на ветровой режим в мезосфере и нижней термосфере средних широт зависит от характера ветров в экваториальной стратосфере.

Сравнивались среднемесячные значения V _0x, V _0y, V 2x , V 2y во время рассматриваемого периода отдельно для восточной (еast) и западной (west) фаз ква-зидвухлетних колебаний в экваториальной стратосфере. При сравнении полугодового хода динамических параметров для западной и восточной фаз КДК оказалось (рис. 3), что в период восточной фазы КДК происходит уменьшение зональных западных ветров V _0x и усиление меридиональных северных ветров V 0y . Полугодовой ход амплитуды полусуточного и зонального, и меридионального прилива также меняется при переходе от западной к восточной фазе КДК. Вполне очевидно, что для меридионального преобладающего ветра V 0y и для амплитуды меридионального полусуточного прилива V 2y существуют наиболее заметные различия. Причина этого может быть связана с возмущающим влиянием меридионального ветра на достаточно стабильную общую зональную циркуляцию в МНТ-области.

Следует также отметить некоторые различия для среднемесячных значений ветра, оцененных отдельно для 21-го и 22-го солнечных циклов. На рис. 4 приводится полугодовой ход динамических параметров V ox , V oy , V 2x , V 2y с усредненными для каждого месяца значениями в 21-м и 22-м циклах солнечной активности. Как видно, в 22-м цикле существенно уменьшился зональный ветер, особенно преобладающий ветер V ox (для отдельных месяцев примерно на 10 м/с). Что касается меридионального преобладающего ветра V 0y , то в 22-м цикле солнечной активности почти во все месяцы рассматриваемого полуго-

Рис . 3. Полугодовой ход среднемесячных значений динамических параметров V 0x^, V 0y^, V 2x^, V 2y в восточную (east) и западную (west) фазы КДК .

Рис . 4. Временной ход среднемесячных значений ди намических параметров V 0x , V 0y , V 2x , V 2y в 21- м и 22- м циклах солнечной активности .

дового хода наблюдалось усиление северных ветров (за исключением марта, когда наблюдалось значительное ослабление северного ветра при незначительном возрастании западного зонального ветра). Среднемесячные амплитуды и зонального V 2x , и меридионального V 2y полусуточного прилива в 21-м цикле солнечной активности были примерно на 3–4 м/с выше по сравнению с последующим 22-м циклом. Таким образом, для 22-го цикла солнечной активности характерно систематическое уменьшение как западного зонального, так и южного меридионального ветра в нижней термосфере над Иркутском зимой и во время весенне-осенней перестройки циркуляции в выбранный нами интервал времени с ноября по апрель.

Может ли солнечная активность влиять на характер реакции МНТ-ветра на внезапные стратосферные потепления? Рассмотрение рис. 5, позволяет положительно ответить на этот вопрос. При сравнении методом наложенных эпох влияний 27 потеплений, наблюдавшихся в 21-м цикле солнечной ний, наблюдавшихся в 21-м цикле солнечной активности, с эффектом 34 потеплений, наблюдавшихся в 22-м цикле солнечной активности, более четко выраженная реакция динамических параметров в нижней термосфере на стратосферные потепления обнаружена в 21-м цикле солнечной активности (рис. 5, а). Реакция на стратосферные потепления особенно ярко проявляется в этом цикле для меридионального преобладающего ветра V0y и выражается в смене направления ветра и значительном усилении северных ветров вблизи реперного дня (сплошная кривая на рис. 5, а). Для 21-го цикла солнечной активности отмечается и более резкое уменьшение амплитуды меридионального V2y полусуточного прилива в реперный день. Что касается зонального ветра, то в этом цикле во время зимних стратосферных потеплений все значения скорости преобладающего ветра V0x и амплитуды полусуточного прилива V2x в области сдвигов по фазе ±6 дней лежат выше соответствующих значений скорости в 22-м

Рис . 5. Влияние стратосферных потеплений на пара метры M Н T- ветра ( V 0x , V 0y , V 2x , V 2y ) отдельно для 21- го и 22- го цикла солнечной активности : для всех потеплений ( а ) и потеплений типа «major» ( б ) – метод наложенных эпох .

цикле солнечной активности (сплошная кривая на рис. 5, а ). Возможно, это связано с отмечаемым выше (на рис. 4) уменьшением зонального ветра в нижней термосфере во время 22-го цикла солнечной активности.

При рассмотрении воздействий потеплений типа «major» на ветер в нижней термосфере отдельно для 21-го цикла (1974/1975–1984/1985 гг. – метод наложенных эпох для восьми сильных потеплений) и для 22-го цикла (1985/1986–1995/1996 гг. – метод наложенных эпох для пяти сильных потеплений) в 22-м цикле реакция практически для всех динамических параметров была противоположной по знаку (либо значительно смещенной по фазе) наблюдавшейся в 21-м цикле (рис. 5, б ). При этом влияние стратосферных потеплений, наблюдавшихся в зимы, относящиеся к 22-му циклу солнечной активности, на преобладающий (и зональный, и меридиональный) ветер более ярко выражено со сменой направления ветра на противоположное вблизи максимума температуры в стратосфере на уровне 30 гПа.

Таким образом, в некоторых случаях наблюдаются существенные различия в реакции на стратосферные потепления для разных циклов солнечной активности. Это особенно очевидно для зонального ветра и внезапных стратосферных потеплений типа «major». Причины таких различий пока неясны, оба последовательных гелиоцикла близки по амплитуде и величине максимума солнечной активности.

На рис. 6 представлена реакция параметров динамического режима в нижней термосфере над Иркутском на сильные магнитные бури с А р >100. За рассматриваемый здесь ~ 20-летний период измерений (1974–1995 гг.) наблюдалось 26 таких сильных магнитных бурь, при этом 12 бурь было во время 21го цикла солнечной активности и 14 бурь – в 22-м цикле. Как показано на рис. 6, во время сильных магнитных бурь наблюдается ослабление юго-западных преобладающих ветров и, соответственно, усиление северо-восточных в области сдвигов по фазе -1 ^ 0 сут, а амплитуда зонального полусуточного прилива через

Рис . 6. Реакция параметров МНТ - ветра ( V 0x , V 0y , V 2x , V 2y ) на сильные магнитные бури с A _p>100: метод нало женных эпох для 26 бурь .

одни сутки после сильных магнитных бурь возрастает примерно в 2 раза. При этом форма изменчивости этих параметров ветра во время магнитных бурь, наблюдавшихся в 21-м и 22-м циклах солнечной активности, мало меняется, но значительно меняется величина скорости в реакции на магнитные возмущения: в 22-м цикле солнечной активности скорости ветра значительно ослабевают.

Таким образом, при отклике МНТ-ветра на сильные геомагнитные бури (планетарный индекс геомагнитной активности A p >100) происходит ослабление юго-западного преобладающего ветра и увеличение амплитуды зонального полусуточного прилива вблизи нулевого дня (дня максимума A p ). Но характер отклика остается качественно одинаковым для двух следующих друг за другом солнечных циклов (рис. 6).

Заключение

В результате проведенных расчетов полученные нами ранее результаты изучения влияния стратосферных потеплений и геомагнитных бурь на ветер в МНТ-области были, в основном, подтверждены и дополнены на основе более полной статистики.

Статистически значимые свидетельства о внешнем воздействии на ветры в мезосфере/нижней термосфере снизу и сверху показывают, что дальнейший анализ должен обязательно проводиться с учетом типа внезапных стратосферных потеплений, фазы КДК и отличий реакции в разных гелиоциклах.