Прогнозируемость климата в стратосфере

Чтобы точно прогнозировать ежедневную эволюцию метеорологических систем, необходимо подробное описание первоначального состояния атмосферы. Следовательно, необходимо иметь хорошее пред­ставление о фактических условиях в атмосфере. Однако прогнозируемость атмосферы в зависимости от ее первоначального состояния ограничивается примерно 10 сутками. За пределами этого ограни­чения можно прогнозировать лишь статистические свойства атмосферных условий. Из них наиболее важными для общества являются среднее состояние атмосферы за некоторый период времени и вероят­ность экстремальных метеорологических явлений.

Такая прогнозируемость представляется возмож­ной, поскольку состояние атмосферы зависит от других компонентов климатической системы. Они меняются медленнее погоды и тем самым ограни­чивают эволюцию атмосферы по направлению к некоторому предпочтительному состоянию. Эти компоненты включают, например, температуру поверхности моря, почвенную влагу, снежный покров и протяженность морского льда.

Метеорологические системы развиваются и существуют в тропосфере (самом нижнем слое атмосферы). Выше этого слоя находится стратос­фера, которая, судя по названию, является сильно стратифицированной, стабильной и сухой. Она не оказывает непосредственного влияния на развитие суточных синоптических процессов. Наоборот, стратосферные условия накладывают ограниче­ния на изменчивость погоды и климата и таким образом могут увеличить прогнозируемость сверх 10-дневного предела таким же образом, как и в отно­шении температуры поверхности моря и морского ледяного покрова. Роль стратосферы в глобальной климатической системе является одним из главных предметов исследования, координируемого СПАРК

Финский метеорологический институт

Международное бюро проекта СПАРК

Борам Ли, старший научный сотрудник, Всемирная программа исследований климата (стратосферные и тропосферные процессы и их роль в климате), являющегося основным проектом Все­мирной программы исследований климата (ВПИК).

СПАРК, основанный в 1992 г., координирует науч­но-исследовательскую деятельность высокого уровня, касающуюся изучения процессов, происходивших в системе Земля на протяжении более чем двух десятилетий. СПАРК стимулирует и поддерживает новейшие международные исследования в области взаимодействия химических и физических процессов в атмосфере с климатом и его изменением и, в частно­сти, играет ведущую роль в организации различных проектов, направленных на решение многих про­блем, связанных с прогнозируемостью атмосферы. Последние достижения в области исследований сопряженной системы стратосферы-тропосферы побудили к составлению этого краткого обзора, содержащего информацию о том, как и когда стра­тосфера обеспечивает прогнозируемость климата, что должно вызывать интерес у более широкого круга читателей, озабоченных проблемами адаптации к изменению климата и смягчения его воздействий.

Стратосфера и ее воздействие на струйное течение

На средних широтах стратосфера простирается на высоте около 10-50 км над поверхностью Земли. В тропиках стратосфера начинается немного выше, на высоте около 18 км. Доминирующей характе­ристикой стратосферы зимой является холодный околополярный вихрь, окруженный сильными запад­ными ветрами, образующими струйное течение на краю полярной ночи. Сила этого струйного течения варьируется так, что иногда преобладают аномально сильные ветры, а в другое время - аномально слабые. Когда струйное течение на краю полярной ночи ослабевает, западные ветры могут иногда резко менять направление и даже становиться восточными. В такие периоды полярный вихрь теплеет на несколько десятков градусов и может отдалиться от полюса или даже разделиться на более мелкие части. Такие периоды называются внезапным стратосферным потеплением. Летом преобладают восточные ветры, и этот сезон является динамически устойчивым при небольшой изменчи­вости, не считая медленные сезонные изменения.

Аномальные условия характера атмосферной цирку­ляции могут влиять на атмосферу на всем протяжении до поверхности Земли. Ключевыми характеристиками тропосферы, которые чувствительны к силе струйного течения на краю полярной ночи, являются сред­нее положение тропосферной западной струи (так называемого струйного течения) и пути циклонов, проходящие вдоль этого струйного течения.

Когда стратосферное струйное течение на краю полярной ночи является аномально слабым, пути циклонов сдвигаются к экватору. Это позволяет холодным арктическим и континентальным воздуш­ным массам проникать в районы с более умеренным климатом. В Северном полушарии такие вторжения холодных воздушных масс обычно происходят на севере Европе и на востоке США. В противном случае, когда струйное течение на краю полярной ночи является аномально сильным, пути цикло­нов направлены к полюсу и приносят умеренные температуры и влажный воздух на север Евразии. Аномальные условия, установившиеся в зимней стра­тосфере, могут сохраняться до нескольких недель, прежде чем она вернется к нормальному состоянию. Такая продолжительность стратосферных аномалий помогает поддерживать аномальное состояние тро­посферной циркуляции и приземного климата, тем самым способствуя повышению прогнозируемости.

Таким образом, когда зимняя стратосфера находится в аномальном состоянии, климатические условия на средних широтах становятся более предсказуемыми. В экстремальных случаях, таких как внезапное стра­тосферное потепление, точные прогнозы средних температур и вероятности вторжения холодных воздушных масс возможны с заблаговременностью до двух месяцев. Прогнозы с расширенным сроком действия могут осуществляться либо с помощью инициализированных динамических систем, либо даже с использованием статистических методов. Но какова причина этих стратосферных аномалий, и можем ли мы прогнозировать их на сезон или даже на год вперед?

Основным механизмом, приводящим к аномалиям стратосферной циркуляции, является воздействие на среднее стратосферное состояние крупных атмос­ферных вихрей, генерируемых топографией и тепло­вой неоднородностью у поверхности Земли. Эти вихри могут распространяться до стратосферы как волны планетарного масштаба только при западных ветрах в стратосфере. Вот почему стратосферные условия изменчивы зимой, но не летом, когда имеют место восточные ветры. Увеличение или уменьшение величины климатологических планетарных волн, которые всегда присутствуют в тропосфере, при­водят соответственно к ослаблению или усилению струйного течения на краю полярной ночи.

Существует множество факторов, контролирующих зарождение и распространение планетарных волн, и благодаря этому точное прогнозирование эволю­ции стратосферы в значительной мере зависит от начальных условий, как и в случае с тропосферой. Таким образом, прогнозируемость аномальных стратосферных условий в большинстве случаев ограничивается примерно 10 сутками, что в равной мере относится и к метеорологическим системам. Тем не менее предполагается возможность прогно­зирования вероятности экстремальных стратосфер­ных явлений до того, как начнется зима.

Планетарные волны

Некоторые факторы, влияющие на зарождение и рас­пространение планетарных волн, можно прогнози­ровать с большой заблаговременностью. Например, изменчивость температур поверхности моря влияет на зарождение планетарных волн в тропосфере. Явление Эль-Ниньо/Южное колебание (ЭНЮК) в тропической части Тихого океана, вероятно, является наиболее заметной характеристикой изменчивости температуры поверхности моря. Во время теплой фазы ЭНЮК, называемой Эль-Ниньо, поток плане­тарных волн в стратосферу Северного полушария зимой обычно увеличивается, также повышается и вероятность внезапного стратосферного потепле­ния. Поскольку фазу ЭНЮК можно прогнозировать с заблаговременностью в несколько месяцев, это позволяет точно предсказывать аномалии стратос­ферного вихря и, следовательно, приземный климат.

ЭНЮК может быть самым заметным приземным фактором, определяющим изменчивость крупномас­штабных планетарных волн в сезонном временном масштабе, но не единственным. Исследования пред­полагают, что другие режимы изменчивости ТПМ, такие как Атлантическое внутривековое колебание или Тихоокеанское десятилетнее колебание, а также осенние аномалии протяженности арктического морского льда также могут оказывать влияние на силу полярного вихря. На континентах снежный покров также создает крупномасштабные тепловые контрасты и тем самым способствует зарождению планетарных волн и возможному возмущению струйного течения на краю полярной ночи.

Схема взаимодействия стратосферы и тропосферы зимой. (Слева) Поток аномальных планетарных волн поднимается и нагревает стратосферный полярный вихрь. (В центре) Теплые стратосферные условия влияют на положение тропосферного струйного течения и (справа) приводят к приземным погодным аномалиям в разных частях Северного полушария.

Солнечный цикл и крупные вулканы

Одиннадцатилетняя периодичность солнечной активности открывает возможность для еще более долгосрочного прогнозирования климата. Согласно исследованиям, в период зим с высокой солнечной активностью струйное течение на краю полярной ночи обычно бывает более интенсивным, а припо­верхностные температуры на северных средних широтах - более умеренными. Противоположная картина наблюдается в годы с низкой солнечной активностью. Это происходит из-за неравномерного нагревания стратосферы за счет поглощения озоном ультрафиолетовой солнечной радиации, что создает температурные градиенты от экватора к полюсу и влияет на распространение планетарных волн и их взаимодействие со струйным течением на краю полярной ночи. По-видимому, это является главным компонентом механизма, контролирующего моду­ляцию климата за счет солнечного цикла.

Поступление аэрозолей в тропическую стратос­феру при крупных вулканических извержениях также может создавать сильные меридиональные температурные градиенты, усиливая тем самым струйное течение на краю полярной ночи и приводя к более мягким зимам на севере Евразии, хотя такие масштабные явления редки.

Тропики и полюса

Другим важным фактором, влияющим на распростра­нение планетарных волн в стратосфере, является направление стратосферных ветров над экватором. В экваториальной стратосфере направление ветра чередуется между западным и восточным с периодом

Комплексная система

Несмотря на то, что стратосфера составляет лишь малую часть атмосферы, она является ключевым компонентом прогнозируемости климата с заблаго-временностью более нескольких суток. Некоторые определяющие климатические факторы, такие как КДК и изменения солнечного цикла или стратосферного озона, непосред­ственно взаимодействуют с климатом в стратосфере. Другие же, такие как ЭНЮК, оказывают влияние на климат непосредственно в тропосфере, но также проникают и в стратосферу, продлевая тем самым свое влияние и воздействуя на климат в отдаленных районах за счет дальних корреля­ционных связей и повышая прогнозируемость. Следует признать, что в большинстве случаев успешность долгосрочных прогнозов приземного климата на основе прогнозируемости стратосферы невысока, но даже этот уровень успешности полезен для многих конечных пользователей и сфер применения. Примером является использование сезонных прогнозов морского льда для прохождения судов в Балтийском море.

Многоразовый космический корабль «Индевор» работает на орбите на высоте более 200 миль, охватывая стратосферу и мезосферу. Оранжевый слой представляет тропосферу, где зарождаются и локализуются все погодные характеристики и облака, которые мы обычно наблюдаем и испытываем на себе. Этот оранжевый слой переходит в светлую стратосферу, а затем в мезосферу.

(Источник: NASA/STS-130 Shuttle Mission)

Будущее

Какие действия необходимо предпринять, чтобы и в дальнейшем получать пользу от прогнозируемости климата в стратосфере? Пока еще остается много вопросов, на которые предстоит ответить, и много проблем, которые предстоит решить. Для повышения прогнозируемости климата с заблаговременностью от нескольких недель до нескольких месяцев чрезвычайно важно лучше понять и представлять в клима­тических моделях факторы, влияющие на зарождение планетарных волн и их взаимодействие со стратосферной циркуляцией.

Для решения некоторых из этих проблем необходимо поднять верхний уровень моделей, используемых для прогноза климата, выше стратосферы и получить возможность осуществления внутренней генерации КДК в моделях. Несколько центров моделирования климата во всем мире уже внесли эти усовершенствования в свои модели оперативных прогнозов. Кроме того, более точная фиксация сигналов солнечного цикла и измен­чивости стратосферного озона также может потребовать представления в явной форме взаимодействия климата и химических веществ в модели. Это дает потенциальную возможность улучшения прогнозируемости с заблаговременностью на сезон и на более длительный период.

Международное сотрудничество между научно-исследовательскими группами и центрами моделирования климата является наиважнейшим для решения научных проблем и проблем моделирования и, следо­вательно, для совершенствования прогнозов климата.