Том 38, номер 09, статья № 10

Аннотация:

Для исследования характеристик и динамики стратосферных полярных вихрей необходимо корректное определение их границ. Методы оконтуривания полярных вихрей основываются главным образом на значениях потенциальной завихренности (ПЗ) или геопотенциала (ГПТ). Основная проблема прямого сравнения методов ПЗ и ГПТ заключается в том, что первый из них определяет границы вихря на изоэнтропических поверхностях, а второй – на изобарических. В настоящей работе представлен алгоритм, разработанный для адекватного сравнения результатов оконтуривания полярных вихрей с помощью данных методов. В основе алгоритма лежит проецирование границ вихря на общие для обоих методов изопотенциальные поверхности – поверхности постоянной геопотенциальной высоты. Оконтуривание антарктического полярного вихря 2019 г. по предложенному алгоритму показало: 1) в период устойчивого существования вихря (1.06–31.08.2019 г.) его площадь на изопотенциальных поверхностях, оцененная методом ГПТ, превышает площадь, оцененную методом ПЗ, на 16,17–21,20 млн км² в диапазоне геопотенциальных высот 20,89–24,37 км соответственно; 2) динамика границы и площади вихря, оцененная обоими методами, в целом схожа, однако границы вихря, полученные методом ГПТ, являются более гладкими, тогда как сильная нерегулярность границ вихря по методу ПЗ приводит к скачкообразным изменениям площади вихря. Алгоритм будет полезен при исследовании динамики полярных вихрей от начала их формирования до момента разрушения в обоих полушариях.

Ключевые слова:

стратосферный полярный вихрь, метод оконтуривания, геопотенциал, потенциальная завихренность, ERA5

Иллюстрации:

Список литературы:

1. Waugh D.W., Randel W.J. Climatology of Arctic and Antarctic polar vortices using elliptical diagnostics // J. Atmos. Sci. 1999. V. 56, N 11. P. 1594–1613. DOI: 10.1175/1520-0469(1999)056<1594:COAAAP>2.0.CO;2.
2. Waugh D.W., Sobel A.H., Polvani L.M. What is the polar vortex and how does it influence weather? // Bull. Am. Meteorol. Soc. 2017. V. 98, N 1. P. 37–44. DOI: 10.1175/BAMS-D-15-00212.1.
3. Manney G.L., Zurek R.W., Gelman M.E., Miller A.J., Nagatani R. The anomalous Arctic lower stratospheric polar vortex of 1992–1993 // Geophys. Res. Lett. 1994. V. 21, N 22. P. 2405–2408. DOI: 10.1029/94GL02368.
4. Schoeberl M.R., Lait L.R., Newman P.A., Rosenfield J.E. The structure of the polar vortex // J. Geophys. Res. 1992. V. 97, N D8. P. 7859–7882. DOI: 10.1029/91JD02168.
5. Solomon S. Stratospheric ozone depletion: A review of concepts and history // Rev. Geophys. 1999. V. 37, N 3. P. 275–316. DOI: 10.1029/1999RG900008.
6. Newman P.A., Kawa S.R., Nash E.R. On the size of the Antarctic ozone hole // Geophys. Res. Lett. 2004. V. 31, N 21. P. L21104. DOI: 10.1029/2004GL020596.
7. Newman P.A. Chemistry and dynamics of the Antarctic ozone hole // The stratosphere: Dynamics, Transport, and Chemistry. American Geophysical Union, 2010. V. 190. P. 157–171. DOI: 10.1029/2004GL020596.
8. Finlayson-Pitts B.J., Pitts J.N., Jr. Chemistry of the Upper and Lower Atmosphere: Theory, Experiments, and Applications. San Diego, CA: Academic Press, 2000. 969 p.
9. Holton J.R., Haynes P.H., McIntyre M.E., Douglass A.R., Rood R.B., Pfister L. Stratosphere–troposphere exchange // Rev. Geophys. 1995. V. 33, N 4. P. 403–439. DOI: 10.1029/95RG02097.
10. Hsu J., Prather M.J. Is the residual vertical velocity a good proxy for stratosphere-troposphere exchange of ozone? // Geophys. Res. Lett. 2014. V. 41, N 24. P. 9024–9032. DOI: 10.1002/2014GL061994.
11. Alexander S.P., Murphy D.J., Klekociuk A.R. High resolution VHF radar measurements of tropopause structure and variability at Davis, Antarctica (69°S, 78°E) // Atmos. Chem. Phys. 2013. V. 13, N 6. P. 3121–3132. DOI: 10.5194/acp-13-3121-2013.
12. Mihalikova M., Kirkwood S. Tropopause fold occurrence rates over the Antarctic station Troll (72 °S, 2.5 °E) // Ann. Geophys. 2013. V. 31, N 4. P. 591–598. DOI: 10.5194/angeo-31-591-2013.
13. Gray L.J., Brown M.J., Knight J., Andrews M., Lu H., O’Reilly C., Anstey J. Forecasting extreme stratospheric polar vortex events // Nat. Commun. 2020. V. 11, N 1. P. 4630. DOI: 10.1038/s41467-020-18299-7.
14. Lu Y., Tian W., Zhang J., Huang J., Zhang R., Wang T., Xu M. The impact of the stratospheric polar vortex shift on the Arctic oscillation // J. Climate. 2021. V. 34, N 10. P. 4129–4143. DOI: 10.1175/JCLI-D-20-0536.1.
15. Nash E.R., Newman P.A., Rosenfield J.E., Schoeberl M.R. An objective determination of the polar vortex using Ertel's potential vorticity // J. Geophys. Res. 1996. V. 101, N D5. P. 9471–9478. DOI: 10.1029/96JD00066.
16. Evtushevsky O., Klekociuk A., Grytsai A., Milinevsky G., Lozitsky V. Troposphere and stratosphere influence on tropopause in the polar regions during winter and spring // Int. J. Remote Sens. 2011. V. 32, N 11. P. 3153–3164. DOI: 10.1080/01431161.2010.541515.
17. Roscoe H.K. Possible descent across the “tropopause” in Antarctic winter // Adv. Space Res. 2004. V. 33, N 7. P. 1048–1052. DOI: 10.1016/S0273-1177(03)00587-8.
18. Tomikawa Y., Nishimura Y., Yamanouchi T. Characteristics of tropopause and tropopause inversion layer in the polar region // Sci. Online Lett. Atmos. 2009. V. 5. P. 141–144. DOI: 10.2151/sola.2009-036.
19. 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. P. e2020RG000708. DOI: 10.1029/2020RG000708.
20. Gerasimov V.V., Zuev V.V., Savelieva E.S., Nevzorov A.V. The impact of volcanic eruptions, pyrocumulonimbus plumes, and the Arctic polar vortex intrusions on aerosol loading over Tomsk (Western Siberia, Russia) as observed by lidar from 2018 to 2022 // Int. J. Remote Sens. 2024. V. 45, N 16. P. 5464–5505. DOI: 10.1080/01431161.2024.2377833.
21. Zhang Y., Li J., Zhou L. The relationship between polar vortex and ozone depletion in the Antarctic stratosphere during the period 1979–2016 // Adv. Meteorol. 2017. V. 2017. P. 3078079. DOI: 10.1155/2017/3078079.
22. Lawrence Z.D., Manney G.L., Wargan K. Reanalysis intercomparisons of stratospheric polar processing diagnostics // Atmos. Chem. Phys. 2018. V. 18, N 18. P. 13547–13579. DOI: 10.5194/acp-18-13547-2018.
23. Lawrence Z.D., Manney G.L. Characterizing stratospheric polar vortex variability with computer vision techniques // J. Geophys. Res. D: Atmos. 2018. V. 123, N 3. P. 1510–1535. DOI: 10.1002/2017JD027556.
24. Lecouffe A., Godin-Beekmann S., Pazmiño A., Hauchecorne A. Evolution of the intensity and duration of the Southern Hemisphere stratospheric polar vortex edge for the period 1979–2020 // Atmos. Chem. Phys. 2022. V. 22, N 6. P. 4187–4200. DOI: 10.5194/acp-22-4187-2022.
25. Serra M., Sathe P., Beron-Vera F., Haller G. Uncovering the edge of the polar vortex // J. Atmos. Sci. 2017. V. 74, N 11. P. 3871–3885. DOI: 10.1175/JAS-D-17-0052.1.
26. Waugh D.W. Fluid dynamics of polar vortices on Earth, Mars, and Titan // Ann. Rev. Fluid Mech. 2023. V. 55. P. 265–289. DOI: 10.1146/annurev-fluid-120720-032208.
27. Holton J.R., Hakim G.J. An introduction to dynamic meteorology. 5th Edition. San Diego: Academic press, 2013. V. 88. 552 p. DOI: 10.1016/C2009-0-63394-8.
28. Zuev V.V., Savelieva E.S. Antarctic polar vortex dynamics depending on wind speed along the vortex edge // Pure Appl. Geophys. 2022. V. 179, N 6–7. P. 2609–2616. DOI: 10.1007/s00024-022-03054-4.
29. Зуев В.В., Савельева Е.С., Павлинский А.В. Особенности ослабления стратосферного полярного вихря, предшествующие его разрушению // Оптика атмосф. и океана. 2022. Т. 35, № 1. С. 81–83. DOI: 10.15372/AOO20220112; Zuev V.V., Savelieva E.S., Pavlinsky A.V. Features of stratospheric polar vortex weakening prior to breakdown // Atmos. Ocean. Opt. 2022. V. 35, N 2. P. 183–186.
30. Zuev V.V., Savelieva E.S. Stratospheric polar vortex dynamics according to the vortex delineation method // J. Earth Syst. Sci. 2023. V. 132, N 1. P. 39. DOI: 10.1007/s12040-023-02060-x.
31. Зуев В.В., Сидоровский Е.А., Павлинский А.В. Динамика стратосферного полярного вихря в 2022/23 г. по методам оконтуривания с помощью геопотенциала и потенциальной завихренности // Оптика атмосф. и океана. 2024. Т. 37, № 10. С. 857–860. DOI: 10.15372/AOO20241007; Zuev V.V., Sidorovski E.A., Pavlinsky A.V. Dynamics of the stratospheric polar vortex in 2022/2023 by vortex delineation methods using geopotential and potential vorticity // Atmos. Ocean. Opt. 2025. V. 38, N 1. P. 65–68.
32. Lee S.H., Butler A.H. The 2018–2019 Arctic stratospheric polar vortex // Weather. 2020. V. 75, N 2. P. 52–57. DOI: 10.1002/wea.3643.
33. Hersbach H., Bell B., Berrisford P., Hirahara S., 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., Dahlgren 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 P., 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.
34. Weisstein E.W. Cubic Spline. From MathWorld – a Wolfram Web Resource. URL: https://mathworld.wolfram.com/CubicSpline.html (last access: 10.05.2025).
35. Bartels R.H., Beatty J.C., Barsky B.A. Hermite and cubic spline interpolation // An Introduction to Splines for Use in Computer Graphics and Geometric Modeling. San Francisco: Morgan Kaufmann, 1998. P. 9–17.
36. Smale D., Strahan S.E., Querel R., Frieß U., Nedoluha G.E., Nichol S.E., Robinson J., Boyd I., Kotkamp M., Gomez R.M., Murphy M., Tran H., McGaw J. Evolution of observed ozone, trace gases, and meteorological variables over Arrival Heights, Antarctica (77.8 °S, 166.7 °E) during the 2019 Antarctic stratospheric sudden warming // Tellus B. 2021. V. 73, N 1. P. 1–18. DOI: 10.1080/16000889.2021.1933783.