Том 38, номер 05, статья № 5

Антохина О. Ю., Гочаков А. В., Зоркальцева О. С., Антохин П. Н., Крупчатников В. Н., Артамонов М. Ф. Опрокидывание волн Россби в стратосфере. Часть II. Условия возникновения внезапных стратосферных потеплений. // Оптика атмосферы и океана. 2025. Т. 38. № 05. С. 358–366. DOI: 10.15372/AOO20250505.
Скопировать ссылку в буфер обмена

Аннотация:

Изучение формирования ВСП и их сложных взаимосвязей с тропосферными и стратосферными процессами имеет фундаментальное значение для углубления понимания динамики атмосферной циркуляции. Это особенно важно в условиях глобальных климатических изменений, которые не только усиливают частоту, но и увеличивают интенсивность аномальных атмосферных явлений. На основании разработанного метода идентификации опрокидываний волн Россби (ОВР), адаптированного к особенностям циркуляции в стратосфере, проанализированы условия возникновения главных внезапных стратосферных потеплений (ВСП) в Северном полушарии. Метод основан на изучении геометрии контуров потенциальной завихренности в стратосфере на уровне 850 К с использованием данных реанализа ERA5. Показано, что аномальное количество ОВР в ноябре и декабре играют ключевую роль в подготовке к возникновению ВСП. Большинство анализируемых событий ВСП связано с увеличением количества ОВР в Азиатско-Тихоокеанском (АТ) регионе в ноябре и декабре, а иногда и январе. В случаях, когда начало ВСП связано с опрокидываниями волн над Атлантикой и Европой, ему также предшествуют аномалии ОВР над АТ-регионом. Для выявленных типов опрокидываний в стратосфере характерны атмосферные блокировки в тропосфере, сопровождающиеся отрицательными аномалиями приземной температуры над Евразией и/или Северной Америкой. Увеличение частоты главных событий ВСП в первой половине зимы согласуется с ранее обнаруженной тенденцией усиления отрицательного температурного отклика на атмосферное блокирование в Северном полушарии. Результаты работы могут быть использованы для улучшения прогнозирования ВСП и связанных с ними экстремальных погодных явлений, а также в климатическом моделировании для учета влияния ОВР на стратосферные процессы.

Ключевые слова:

стратосфера, опрокидывание планетарных волн, опрокидование волн Россби, внезапные стратосферные потепления, аномалии циркуляции, температура

Иллюстрации:

Список литературы:

1. Charney J.G., Drazin P.G. Propagation of planetary-scale disturbances from the lower into the upper atmosphere // J. Geophys. Res. 1961. V. 66, N 1. P. 83–109. DOI: 10.1029/jz066i001p00083.
2. McIntyre M.E., Palmer T.N. Breaking planetary waves in the stratosphere // Nature. 1983. V. 305, N 5935. P. 593–600. DOI: 10.1038/305593a0.
3. Krupchatnikov V.N., Borovko I.V. Rossby wave breaking and blocking events associated with some atmospheric circulation regimes in the Northern hemisphere based on a climate system model (PlaSim-ICMMG-1.0) // IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 2020. V. 611. P. 012015. DOI: 10.1088/1755-1315/611/1/012015.
4. Baldwin M.P., Ayarzagüena B., Birner T., Butchart N., Butler A.H., Charlton-Perez A.J., Domeisen D.I.V., Garfinkel C.I., Garny H., Gerber E.P., Hegglin M.I., Langematz U., Pedatella N.M. Sudden stratospheric warmings // Rev. Geophys. 2021. V. 59, N 1. DOI: 10.1029/2020rg000708.
5. Зоркальцева О.С., Антохина О.Ю., Антохин П.Н. Долговременная изменчивость параметров внезапных стратосферных потеплений по данным реанализа ERA5 // Оптика атмосф. и океана. 2023. Т. 36, № 3. С. 200–208. DOI: 10.15372/AOO20230306; Zorkaltseva O.S., Antokhina O.Yu., Antokhin P.N. Long-term variations in parameters of sudden stratospheric warmings according to ERA5 reanalysis data // Atmos. Ocean. Opt. 2023. V. 36, N 4. P. 370–378.
6. Kim B.-M., Son S.-W., Min S.-K., Jeong J.-H., Kim S.-J., Zhang X., Shim T., Yoon J.-H. Weakening of the stratospheric polar vortex by Arctic sea – ice loss // Nat. Commun. 2014. V. 5, N 1. DOI: 10.1038/ncomms5646.
7. Lawrence Z.D., Perlwitz J., Butler A.H., Manney G.L., Newman P.A., Lee S.H., Nash E.R. The remarkably strong arctic stratospheric polar vortex of winter 2020: Links to record-breaking Arctic oscillation and ozone loss // J. Geophys. Res.: Atmos. 2020. V. 125, N 22. DOI: 10.1029/2020jd033271.
8. Цветкова Н.Д., Варгин П.Н., Лукьянов А.Н., Кирюшов Б.М., Юшков В.А., Хаттатов В.У. Исследование химического разрушения озона и динамических процессов в стратосфере Арктики зимой 2019–2020 гг. // Метеорол. и гидрол. 2021. № 9. С. 70–83.
9. Wohltmann I., Gathen P., Lehmann R., Deckelmann H., Manney G.L., Davies J., Tarasick D., Jepsen N., Kivi R., Lyall N., Rex M. Chemical evolution of the exceptional Arctic stratospheric winter 2019/2020 compared to previous Arctic and Antarctic winters // J. Geophys. Res.: Atmos. 2021. V. 126, N 18. DOI: 10.1029/2020jd034356.
10. 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.
11. Sun L., Robinson W.A., Chen G. The predictability of stratospheric warming events: More from the troposphere or the stratosphere? // J. Atmos. Sci. 2012. V. 69, N 2. P. 768–783. DOI: 10.1175/jas-d-11-0144.1.
12. Hitchcock P., Haynes P.H. Stratospheric control of planetary waves // Geophys. Res. Lett. 2016. V. 43, N 22. DOI: 10.1002/2016gl071372.
13. Martius O., Polvani L.M., Davies H.C. Blocking precursors to stratospheric sudden warming events // Geophys. Res. Lett. 2009. V. 36, N 14. DOI: 10.1029/2009gl038776.
14. Peings Y. Ural blocking as a driver of early – winter stratospheric warmings // Geophys. Res. Lett. 2019. V. 46, N 10. P. 5460–5468. DOI: 10.1029/2019gl082097.
15. Garfinkel C.I., Feldstein S.B., Waugh D.W., Yoo C., Lee S. Observed connection between stratospheric sudden warmings and the Madden-Julian Oscillation // Geophys. Res. Lett. 2012. V. 39, N 18. DOI: 10.1029/2012gl053144.
16. Диденко К.А., Погорельцев А.И. Исследование взаимодействий стационарных планетарных волн с использованием модельных данных МСВА // Труды Военно-космической академии им. А.Ф. Можайского. 2020. № 674. С. 166–170.
17. Holton J.M., Tan H.-C. The Quasi-Biennial Oscillation in the Northern Hemisphere Lower Stratosphere // J. Met. Soc. Jpn. Ser. II. 1982. V. 60, N 1. P. 140–148. DOI: 10.2151/jmsj1965.60.1_140.
18. Okui H., Koshin D., Watanabe S., Sato K. Roles of gravity waves in preconditioning of a stratospheric sudden warming // J. Geophys. Res.: Atmos. 2024. V. 129, N 10. DOI: 10.1029/2023JD039881.
19. Zhang Y., Yi Y., Ren X., Liu Y. Statistical characteristics and long-term variations of major sudden stratospheric warming events // J. Meteorol. Res. 2021. V. 35, N 3. P. 416–427. DOI: 10.1007/s13351-021-0166-3.
20. Варгин П.Н., Кострыкин С.В., Ракушина Е.В., Володин Е.М., Погорельцев А.И. Исследование изменчивости дат весенних перестроек циркуляции стратосферы и объема полярных стратосферных облаков в Арктике по данным моделирования и реанализа // Изв. РАН. Физ. атмосф. и океана. 2020. Т. 56, № 5. C. 1–13. DOI: 10.31857/S0002351520050119.
21. Hauchecorne A., Claud C., Keckhut P., Mariaccia A. Stratospheric final warmings fall into two categories with different evolution over the course of the year // Commun. Earth Environ. 2022. V. 3, N 1. DOI: 10.1038/s43247-021-00335-z.
22. Baldwin M.P., Dunkerton T.J. The stratospheric major warming of early December 1987 // J. Atmos. Sci. 1989. V. 46, N 18. P. 2863–2884. DOI: 10.1175/1520-0469(1989)046%3C2863:tsmwoe%3E2.0.co;2.
23. Manney G.L., Sabutis J.L., Swinbank R. A unique stratospheric warming event in November 2000 // Geophys. Res. Lett. 2001. V. 28, N 13. P. 2629–2632. DOI: 10.1029/2001gl012973.
24. Mukougawa H., Hirooka T. Predictability of stratospheric sudden warming: A case study for 1998/99 winter // Mon. Weather Rev. 2004. V. 132, N 7. P. 1764–1776. DOI: 10.1175/1520-0493(2004)132%3C1764:posswa%3E2.0.co;2.
25. Manney G.L. The remarkable 2003–2004 winter and other recent warm winters in the Arctic stratosphere since the late 1990s // J. Geophys. Res. 2005. V. 110, N D4. DOI: 10.1029/2004jd005367.
26. Naujokat B. The early major warming in December 2001 – exceptional? // Geophys. Res. Lett. 2002. V. 29, N 21. DOI: 10.1029/2002gl015316.
27. Rao J., Garfinkel C.I., Chen H., White I.P. The 2019 new year stratospheric sudden warming and its real – time predictions in multiple S2S models // J. Geophys. Res.: Atmos. 2019. V. 124, N 21. P. 11155–11174. DOI: 10.1029/2019jd030826.
28. Randel W.J., Boville B.A. Observations of a major stratospheric warming during December 1984 // J. Atmos. Sci. 1987. V. 44, N 15. P. 2179–2186. DOI: 10.1175/1520-0469(1987)044%3C2179:ooamsw%3E2.0.co;2.
29. Lu Q., Rao J., Liang Z., Guo D., Luo J., Liu S., Wang C., Wang T. The sudden stratospheric warming in January 2021 // Environ. Res. Lett. 2021. V. 16, N 8. P. 084029. DOI: 10.1088/1748-9326/ac12f4.
30. Coy L., Eckermann S., Hoppel K. Planetary wave breaking and tropospheric forcing as seen in the stratospheric sudden warming of 2006 // J. Atmos. Sci. 2009. V. 66, N 2. P. 495–507. DOI: 10.1175/2008jas2784.1.
31. Nath D., Chen W., Zelin C., Pogoreltsev A.I., Wei K. Dynamics of 2013 sudden stratospheric warming event and its impact on cold weather over Eurasia: Role of planetary wave reflection // Sci. Report. 2016. V. 6, N 1. DOI: 10.1038/srep24174.
32. Harada Y., Goto A., Hasegawa H., Fujikawa N., Naoe H., Hirooka T. A major stratospheric sudden warming event in january 2009 // J. Atmos. Sci. 2010. V. 67, N 6. P. 2052–2069. DOI: 10.1175/2009jas3320.1.
33. Dörnbrack A., Pitts M., Poole L.R., Orsolini Y.J., Nishii Kazuaki, Nakamura H. The 2009–2010 Arctic stratospheric winter – general evolution, mountain waves and predictability of an operational weather forecast model // Atmos. Chem. Phys. 2012. V. 12, N 8. P. 3659–3675. DOI: 10.5194/acp-12-3659-2012.
34. Tyrlis E., Manzini E., Bader J., Ukita J., Nakamura H., Matei D. Ural blocking driving extreme Arctic Sea ice loss, cold Eurasia, and stratospheric vortex weakening in autumn and early winter 2016–2017 // J. Geophys. Res.: Atmos. 2019. V. 124, N 21. P. 11313–11329. DOI: 10.1029/2019jd031085.
35. Rao J., Ren R., Chen H., Yu Y., Zhou Y. The stratospheric sudden warming event in February 2018 and its prediction by a climate system model // J. Geophys. Res.: Atmos. 2018. V. 123, N 23. DOI: 10.1029/2018jd028908.
36. Steenrod S.D., Rood R.B., Lamich D.J., Rosenfield J.E., Govindaraju R.C. The minor stratospheric warming of January 1989: Results from STRATAN, a stratospheric – tropospheric data assimilation system // Mon. Weather Rev. 1992. V. 120, N 1. P. 221–229. DOI: 10.1175/1520-0493(1992)120%3C0221:TMSWOJ%3E2.0.CO;2.
37. Limpasuvan V., Thompson D.W.J., Hartmann D.L. The life cycle of the Northern hemisphere sudden stratospheric warmings // J. Clim. 2004. V. 17, N 13. P. 2584–2596. DOI: 10.1175/1520-0442(2004)017<2584:tlcotn >2.0.co;2.
38. Boschat G., Simmonds I., Purich A., Cowan T., Pezza A.B. On the use of composite analyses to form physical hypotheses: An example from heat wave – SST associations // Sci. Rep. 2016. V. 6, N 1. P. 29599. DOI: 10.1038/srep29599.
39. Plumb R.A. On the three-dimensional propagation of stationary waves // J. Atmos. Sci. 1985. V. 42, N 3. P. 217–229. DOI: 10.1175/1520-0469(1985)042%3C0217:ottdpo%3E2.0.co;2.
40. Hersbach H., Bell B., Berrisford P., Hirahara Sh., Horányi A., Muñoz-Sabater J., Nicolas J., Peubey C., Radu R., Schepers D., Simmons A., Soci C., Abdalla S., Abellan X., Balsamo G., Bechtold P., Biavati G., Bidlot J., Bonavita M., de Chiara G., Dahlg-ren P., Dee D., Diamantakis M., Dragani R., Flemming J., Forbes R., Fuentes M., Geer A., Haimberger L., Healy S., Hogan R.J., Hólm E., Janisková M., Keeley S., Laloyaux P., Lopez Ph., Lupu C., Radnoti G., de Rosnay P., Rozum I., Vamborg F., Villaume S., Thépaut J.-N. The ERA5 global reanalysis // Q. J. R. Meteorol. Soc. 2020. V. 146, N 730. P. 1999–2049. DOI: 10.1002/qj.3803.
41. Vargin P.N., Koval A.V., Guryanov V.V. Arctic stratosphere dynamical processes in the winter 2021–2022 // Atmosphere. 2022. V. 13, N 10. P. 1550. DOI: 10.3390/atmos13101550.
42. Labitzke K. Interannual variability of the winter stratosphere in the Northern hemisphere // Mon. Weather Rev. 1977. V. 105, N 6. P. 762–770. DOI: 10.1175/1520-0493(1977)105%3C0762:ivotws%3E2.0.co;2.
43. Chen B., Cui H., Qiao F., Zhang Z., Sun X., Gao C., Song Y. Causes of the extreme cold event in December 2023 on Eastern China // Environ. Res. Commun. IOP Publishing. 2024. V. 6, N 8. P. 081002. DOI: 10.1088/2515-7620/ad6bf7.
44. Zhang P., Wu Y., Simpson I.R., Smith K.L., Zhang X., De B., Callaghan P. A stratospheric pathway linking a colder Siberia to Barents-Kara Sea ice loss // Sci. Adv. 2018. V. 4, N 7. DOI: 10.1126/sciadv.aat6025.
45. Taguchi M. Is there a statistical connection between stratospheric sudden warming and tropospheric blocking events? // J. Atmos. Sci. 2008. V. 65, N 4. P. 1442–1454. DOI: 10.1175/2007jas2363.1.
46. Антохина О.Ю., Антохин П.Н., Зоркальцева О.С., Гочаков А.О., Мартынова Ю.В., Мордвинов В.И. Изменение отклика приземной температуры воздуха на колебания повторяемости блокирования в Атлантико-Евроазиатском секторе в осенне-зимний период // Метеорол. и гидрол. 2023. № 11. С. 5–19. DOI: 10.52002/0130-2906-2023-11-5-19.