Содержание к диссертации
Введение
1 Общая характеристика диссертационной работы 3
2 Введение 10
2.1 Открытие озоновой дыры в Антарктике и трендов озона в Северном полушарии 13
2.2 Причины уменьшения озонового слоя 16
2.3 Долгопериодная изменчивость циркуляции тропосферы и температуры поверхности океана 19
3 Волновая гипотеза влияния долгопериодных вариаций аномалий температуры поверхности океана на изменения циркуляции стратосферы и озоновый слой 26
3.1 Механизм волновой гипотезы 27
3.2 Ранние потверждения волновой гипотезы 36
4 Данные наблюдений и методы анализа 43
4.1 Банки данных 43
4.2 Эмпирические ортогональные функции и сингулярный анализ связей 45
5 Атмосферный момент импульса и изменения скорости вращения Земли 49
5.1 Соответствие вариаций продолжительности суток и атмосферного момента импульса на коротких временных масштабах 51
5.2 Межгодовые изменения глобального тропосферного, стратосферного моментов и продолжительности суток 57
5.3 Межгодовые вариации зонально-средней стратосферной циркуляции, влияние извержения Пинатубо и явлений ЭльНиньо 76
6 Межродовые вариации содержания озона и стратосферно го момента импульса 85
6.1 Связи сезонно-широтных изменений содержания озона и стратосферного момента импульса 86
6.2 Квазидвухлетние и долгопериодные вариации содержания озона и циркуляции стратосферы 98
6.3 Долготная структура связей изменений содержания озона и стратосферного момента 107
7 Роль Мирового океана в изменениях озонового слоя 123
7.1 Озон и аномалии температуры поверхности Атлантики и Тихого океана в Северном полушарии 123
7.1.1 Атлантический океан 124
7.1.2 Тихий океан 128
7.1.3 Стратосферные потепления и аномалии температуры поверхности Тихого и Атлантического океанов . 135
7.1.4 Арктическая О сцилляция и естественные изменения озонового слоя 147
7.2 Озоновая дыра и аномалии температуры Южных океанов . 165
7.2.1 Эль Ниньо и озоновая дыра 165
7.2.2 Роль межгодовых аномалий ТПО южных океанов в эволюции озоновой дыры 167
8 Эмпирический метод оценок влияния антропогенных факторов на истощение озонового слоя 179
9 Заключение 190
10 Список литературы
- Причины уменьшения озонового слоя
- Ранние потверждения волновой гипотезы
- Межгодовые изменения глобального тропосферного, стратосферного моментов и продолжительности суток
- Долготная структура связей изменений содержания озона и стратосферного момента
Введение к работе
Актуальность работы
Несмотря на огромное количество экспериментальных и теоретических исследований, причины уменьшения озонового слоя и изменений климата Земли до сих пор неизвестны. Если в 1980-1990 - х годах большинство ученых были полностью уверены в антропогенной природе наблюдаемого истощения озонового слоя из-за роста эмиссии в атмосферу антропогенных озоноразрушающих веществ, то в последние годы появились убедительные доказательства большой роли естественных факторов, связанных с долгопериодными вариациями в системе океан-атмосфера, которые сильно изменили динамические процессы переноса и температурный режим стратосферы в течение двух последних десятилетий, создав благоприятные термодинамические условия для химических механизмов разрушения озонового слоя. Таким образом, главным вопросом современного состояния проблемы изменения озонового слоя и климата является разработка физических механизмов, ответственных за естественные долгопериодные изменения в системе океан - атмосфера - озоновый слой и оценки относительной роли антропогенных и естественных факторов в наблюдаемых изменениях озонового слоя.
Актуальность решения этого вопроса состоит также в том, что модельные предсказания эволюции озонового слоя, на которых основан Монреальский Протокол по защите озонового слоя, не учитывают влияния долгопериодных изменений динамики атмосферы на озоновый слой, поэтому степень ограничений производства фреонов и талонов может быть уточнена, что имеет большое практическое значение для промышленности России. Исследование связей межгодовых и долгопериодных изменений озона и климата является актуальным также с точки зрения разработки новых методов сверхдолгосрочных прогнозов резких климатических изменений, которые наблюдаются в последние годы.
Цель работы
Целью диссертационной работы является исследование и разработка механизма влияния межгодовых вариаций температуры поверхности океана (ТПО) на циркуляцию стратосферы и озоновый слой для оценки относительного воздействия антропогенных и естественных факторов на изменения атмосферного озона.
Для достижения поставленной цели в рамках данной работы были проведены следующие исследования:
проведены численные модельные эксперименты с целью
разработки физического механизма влияния изменений ТПО на
волновую активность стратосферы и вихревой перенос озона,
с помощью современных математических методов и
использованием банков данных наблюдений проведен анализ связей
межгодовых аномалий ТПО, стратосферной циркуляции и общего
содержания озона в глобальном масштабе для подтверждения
реальности разработанного физического механизма,
исследованы связи основных мод изменений климата Северного и
Южного полушарий (Арктической и Антарктической Осцилляции) с
аномалиями ТПО Тихого, Атлантического и Индийского океанов,
предложены эмпирические оценки относительной роли
долгопериодных изменений динамических процессов в
наблюдаемых трендах содержания озона.
Научная новизна
Разработано новое направление в исследованиях озонового слоя -
влияние межгодовых и долгопериодных аномалий температуры
поверхности Мирового океана внетропических широт на изменения
озонового слоя.
Впервые разработан простой физический механизм волновой
гипотезы воздействия аномалий ТПО на изменения стратосферной
циркуляции и озоновый слой, который основан на интерференции орографического и термического источников стационарных планетарных волн.
На основе анализа данных содержания озона и циркуляции
стратосферы впервые показано, что в начале 1980 - х годов
произошел резкий переход динамики стратосферы средних широт к
новому долгопериодному режиму, который в последующие годы
привел к сильной изолированности стратосферных вихрей
Антарктики и Арктики. Обнаружены сильные корреляции
межгодовых изменений стратосферной циркуляции и содержания
озона, включая эволюцию озоновой дыры в Антарктике.
Впервые показано, что межгодовые изменения содержания озона
в средних и высоких широтах Северного полушария, а также
вариации динамики стратосферного вихря Арктики сильно связаны
с разностью аномалий ТПО северной части Тихого океана (центр
действия южнее Алеутских островов) и Атлантики (центр действия
вблизи Ньюфаундленда) - в диполе аномалий ТПО через Скалистые
горы. Эволюция озоновой дыры в Антарктике и динамики
стратосферы средних широт Южного полушария также тесно
связаны с аномалиями ТПО южной части Тихого и Атлантического
океанов в диполе через Анды и аномалиями ТПО южной Атлантики
и Индийского океана в диполе через Африку.
Обнаружены сильные связи аномалий ТПО в диполе через
Скалистые горы с Арктической Осцилляцией. Это означает, что
причиной Арктической Осцилляции может быть внешнее
возбуждение изменений волновой активности атмосферы
аномалиями ТПО вполне определенной структуры в соответствии с
механизмом волновой гипотезы
Эмпирические оценки показали, что относительный вклад
"антропогенных" факторов в наблюдаемые тренды озона не
превышает 50%.
Научная и практическая ценность
Разработанный физический механизм и результаты анализа данных наблюдений свидетельствуют о большой роли аномалий температуры поверхности Мирового океана вполне определенной структуры в межгодовых и долгопериодных изменениях стратосферной циркуляции и озонового слоя в глобальном масштабе.
Тот же самый механизм может быть ответственен за основные моды изменений климата - Арктической и Антарктической Осцилляции.
Результаты работы могут быть использованы в моделях общей циркуляции атмосферы и океана для оценок относительной роли антропогенных и естественных факторов в изменениях озонового слоя и климата Земли.
Практическое значение полученных результатов состоит в необходимости уточнения Монреальского Протокола, что является важным для промышленности России. Кроме того, результаты данной работы могут быть основой для разработки нового метода прогноза экстремальных погодных условий (например, холодных зим на территории России) по данным измерений общего содержания озона.
Положения, выносимые на защиту
Механизм волновой гипотезы объяснения влияния внетропических
аномалий ТПО на изменения волновой активности и циркуляцию
стратосферы и озонового слоя.
Результаты анализа связей межгодовых вариаций ТПО, циркуляции
стратосферы и содержания озона, подтверждающие реальность
механизма волновой гипотезы.
Доказательства большой роли межгодовых вариаций ТПО в диполе
через Скалистые горы в Северном полушарии и диполях через Анды
и Африку в Южном полушарии в наблюдаемом уменьшении озона,
а также внешнего возбуждения Арктической и Антарктической
Осцилляции.
Эмпирические оценки относительной роли изменений динамики
стратосферы в трендах озонового слоя.
Достоверность полученных результатов
Механизм волновой гипотезы, предложенный в данной работе, имеет простой и ясный физический смысл. Данные наблюдений межгодовых вариаций ТПО, циркуляции стратосферы и общего содержания озона получены независимыми методами и их точность неоднократно проверялась.
Сравнение рассчитанных изменений атмосферного момента импульса с вариациями скорости вращения Земли, которые измеряются с огромной точностью, также свидетельствует о достоверности используемых данных. Математический аппарат,
примененный для анализа данных, широко используется в физике атмосферы и океана и других областях знаний в последние годы.
Личный вклад
Основные результаты работы были получены автором диссертации. Апробация работы
Результаты работы были доложены на многочисленных международных конференциях, в том числе международном совещании по подготовке международного отчета по оценкам озонового слоя, Швейцария, 1991; симпозиуме по исследованиям средней атмосферы (IAMAS), Киото, Япония, 1992; семинарах в Метеорологическом исследовательском институте, Цукуба, Япония, 1994; международном симпозиуме по солнечно-земной физике, Сендай, Япония, 1994; международных совещаниях по воздействию стратосферной авиации на озоновый слой, Вирджиния Бич, США, 1995 и 1998; международных симпозиумах по химии атмосферы (IGAC), Нагоя, Япония, 1997 и Болонья, Италия, 1999; конференции IAMAS, Инсбрук, Австрия, 2001.
В России результаты докладывались на семинарах в Центральной Аэрологической Обсерватории, Институте Прикладной Геофизики, Московском Государственном Университете, Институте Физики Атмосферы, Институте Вычислительной Математики РАН.
Общее число опубликованных статей 48, в том числе по теме диссертации - 41.
Структура и объем работы
Причины уменьшения озонового слоя
При этом должны наблюдаться очень большие концентрации СЮ и сильное уменьшение озона. И, действительно, это было обнаружено, например, во время самолетной американской экспедиции в Антарктике 1987 года. Другие многочисленные результаты экспериментальных и теоретических исследований подтвердили химические механизмы образования озоновой дыры в Антарктике. Причина истощения озонового слоя в глобальном масштабе, полагают [109], связана с увеличением промышленного производства фреонов и талонов, которые имеют большое время жизни в тропосфере (несколько лет) и поэтому не исчезают в химических реакциях в нижних слоях атмосферы. Однако, проникая в верхнюю стратосферу, фотодиссоциация фреонов приводит к увеличению хлорных компонентов, которые разрушают озоновый слой.
Содержание озона в атмосфере изменяется не только с высотой, но и с широтой и долготой, а также испытывает сезонные, межгодовые и более долгопериодные колебания. До появления озоновой дыры наибольшие содержания озона наблюдались в субполярных широтах Северного и Южного полушарий в зимне-весенний период. В экваториальной области содержание озона минимально и не имеет значительных сезонных изменений. Такое поведение озона полностью противоречит чисто фотохимической теории озонового слоя. Согласно ей максимум содержания озона должен находиться на экваторе, где солнечная радиация наиболее интенсивна и производится наибольшее количество озона в соответствии с реакцией (2.1). Это означает, что большую роль в распределении озона в атмосфере играют динамические процессы, которые переносят озон из экваториальной области в средние и высокие широты.
Процессы переноса в атмосфере имеют еще более сложный характер, чем фотохимические. Их можно разделить на упорядоченные (адвективные) - вертикальный, меридиональный, зональный перенос с соответствующими скоростями и турбулентные процессы переноса тепла, импульса, озона и других составляющих планетарными и гравитационными волнами [25,26]. Адвективный перенос представляет собой ячейку Гадлея с восходящими (нисходящими) движениями над летним (зимним) полюсом и переносом воздушных масс от теплых к холодным полярным областям. Над экватором в нижней стратосфере воздушный поток в основном направлен вверх. Отметим, что поднятие (опускание) воздушных масс приводит к уменьшению (увеличению) общего содержания озона [26]. Именно динамические процессы формируют сезонно-широтную структуру содержания озона. Изменения озона по долготе также сильно зависят от вариаций параметров атмосферных циклонов и антициклонов (планетарных волн) в верхней тропосфере ж стратосфере особенно зимой в Северном полушарии.
Долгопериодная изменчивость циркуляции тропосферы и температуры поверхности океана Стратосферная циркуляция тесно связана с вариациями динамики тропосферы, поскольку большую роль в изменениях атмосферных параметров играют стационарные планетарные волны, источниками которых являются большие горные массивы (Скалистые горы, Тибеты, Анды) и термическое возбуждение, связанное с контрастами температуры материков и океанов. Изучению межгодовых и более долгопериодных вариаций циркуляции тропосферы и их связей с аномалиями температуры поверхности океана (ТПО) посвящено большое количество работ (см., например, [23,82]). В этом разделе приведены лишь некоторые результаты исследований, касающиеся межгодовых изменений тропосферной циркуляции в средних и высоких широтах, волновой активности, их связей с аномалиями ТПО и содержания озона.
Одной из основных особенностей межгодовых вариаций тропосферной циркуляции средних и высоких широт Северного полушария в зимний период (декабрь-март) является большая изменчивость параметров Алеутского и Исландского циклонов и Сибирского антициклона [23]. Это проявляется как в изменчивости давления на уровне моря, так и в изменениях геопотенциала средней и верхней тропосферы, т.е. имеет баро-тропный (почти без сдвига фазы по высоте) характер. Такая картина изменчивости тропосферной динамики хорошо воспроизводится в линейных моделях вынужденных планетарных волн с реалистичной орографией и термическим возбуждением [62], а также в моделях общей циркуляции атмосферы [75].
Совсем недавно Хонда и соавторы [53] показали, что на межгодовых временных масштабах в конце зимы (конец января - начало марта) наблюдаются противоположные колебания тропосферных параметров в центрах Алеутского и Исландского циклонов. Коэффициент корреляции между интенсивностью циклонов в этот период достигает г — — 0,7 и статистически значим на 99% уровне достоверности для 1973-1994 годов. Было также показано, что в начале зимы усиливается волновая активность в области Алеутского циклона, затем происходит распространение волн через северную Америку и это вызывает противоположные изменения интенсивности Исландского циклона в середине и конце зимнего периода. Возможная роль межгодовых изменений Алеутского и Исландского циклонов в изменчивости стратосферного полярного вихря Арктики будет рассмотрена в последующих разделах.
Одним из самых важных результатов исследований межгодовых вариаций динамики тропосферы является открытие так называемых "дальних связей". Уоллес и Гатцлер [107] рассчитали корреляции межгодовой изменчивости геопотенциала на уровне 500 гПа (Zsoo) в каждой точке Северного полушария к северу от 20с.ш. с вариациями Zsoo в других точках и обнаружили, что имеются вполне определенные структуры корреляций, которые они назвали дальними связями. Вариации Z Q ЛИШЬ в некоторых географических районах сильно коррелируют с Z50o в других районах, причем корреляции изменяют знак вдоль траектории их распространения, что свидетельствует о волновой природе дальних связей
Ранние потверждения волновой гипотезы
Поведение коэффициента ЭОФ1 аномалий SAM похоже на годовое скользящее среднее глобального SAM (рисунок 13) с заметным нисходящим трендом в течение 1980-1992 годов. Наибольшая восточная тенденция SAM связанная с этим трендом, проявляется в экваториальной области летом-осенью (июль-октябрь), а также в субтропиках Южного полушария в июне-августе. Наоборот, в субтропиках Северного полушария имеется противоположная (западная) тенденция, также как и в субтропиках Южного полушария в январе-феврале и в средних и высоких широтах Южного полушария зимой-весной.
Для того чтобы исследовать связи зонально-средних вариаций тропосферной и стратосферной циркуляции, были рассчитаны несколько первых SVD мод аномалий ААМ (100) и SAM (рисунок 18). Поведение коэффициентов их первых SVD мод (корреляция между ними 91%) очень похоже на на временной ход глобального SAM (рисунок 13) и коэффициента первой ЭОФ аномалий SAM (рисунок 17), так же как и сезонно-широтная структура первой SVD моды аномалий стратосферного момента. Следовательно, ведущая мода стратосферной динамики сильно связана с тропосферной циркуляцией. Однако, эта мода тропосферной циркуляции не является ни первой, ни второй ЭОФ ее изменчивости. Первая SVD мода связей проекции ААМ(100) на SAM очень похожа на третью ЭОФ изменчивости тропосферной циркуляции! Заметьте, что поведение коэффициентов ЭОФ1 аномалий SAM и ЭОФЗ аномалий ААМ(Ю0) близки друг к другу.
Таким образом, лишь небольшая часть изменений в тропосфере связана с основными чертами изменчивости страЪсферной динамики. Видно E0F1(17.8%) AAM(IOO) также, что либо изменения тропосферы зимой (ноябрь-январь) связаны с изменениями стратосферы весной (март-май), либо наоборот. Кодера, Ямазаки и другие [66] заметили сильные корреляции изменений зонального ветра (зонально-среднего) в декабре на 1 гПа, 50с.ш. с ветром нижней стратосферы к северу от 50с.ш. в январе и тропосферы Арктики в феврале следующего года в течение 1979-1987 гг. Возмущения, кажется, возникают сначала в верхней стратосфере ранней зимой и в течение последующих двух месяцев распространяются вниз, достигая нижней тропосферы. Причиной такого нисходящего распространения динамических возмущений авторы [66] считают влияние 11-летнего солнечного цикла на озон и динамику верхней стратосферы и последующие изменения динамических условий для распространения планетарных волн. Заметим, что во время стратосферных потеплений сигнал в изменениях циркуляции и температуры сначала также появляется в верхней стратосфере и потом опускается вниз, но причиной возникновения стратосферных потеплений является воздействие стационарных планетарных волн, распространяющихся из тропосферы в стратосферу в зимний период [25]. Подчеркнем, что, вряд ли источники планетарных волн каким-то образом могут быть связаны с изменениями солнечной активности.
Для того чтобы выяснить - в каких областях стратосферы и тропосферы вариации зонального ветра наиболее сильно связаны? - был проведен SVD анализ аномалий зонального ветра в декабре - январе следующего года, январе - феврале, а также феврале - марте (рисунок 19) для 1979-1992 гг. Оказалось, что SVD моды для соответствующих пар месяцев сильно связаны - корреляции их коэффициентов превышают 90%. Для декабря - января наибольшие корреляции наблюдаются между аномалиями на 30 с.ш. в декабре и Ь0с.ш. в январе верхней стратосферы. Возмущения, возникшие в декабре в субтропиках верхней стратосферы, распространяются в высокие широты на тех высотах. После этого те же самые январские возмущения распространяются вниз в нижнюю стратосферу в феврале на тех же широтах 50 — 60с.ш., как это видно из рисунка 19. Наблюдаются противоположные по знаку (дипольные) изме
Корреляции (в %) межгодовых аномалий зонального ветра стратосферы и тропосферы с изменениями коэффициентов первых SVD мод связей зонального ветра в декабре - январе, январе - декабре и феврале -марте для 1979-1992 годов. нения зонального ветра тропосферы и стратосферы между субтропиками и средними широтами, что является обычным для вариаций зонального ветар в январе-феврале [98]. Межгодовые изменения коэффициентов первых SVD мод в январе - феврале - марте качественно согласуются между собой с положительными пиками в январе 1985 и 1987 гг., когда наблюдались сильные стратосферные потепления. Отрицательные значения коэффициента январской SVD моды в целом соответствуют холодному и сильно изолированному стратосферному вихрю Арктики [71]. Развитие сильных стратосферных потеплений в декабре - январе - феврале можно представить следующим образом: ранней зимой происходит ослабление западных ветров в субтропической верхней стратосфере, потом в январе эти восточные аномалии распространяются в высокие широты на тех же высотах и в феврале опускаются вниз в нижнюю стратосферу в приполярных районах Арктики.
Однако, корреляции вариаций зонального ветра в средних и высоких широтах нижней стратосферы в феврале и тропосфере Арктики в марте не превышают 40% в отличие от результатов [66]. Подчеркнем, что в обоих анализах использовались одни и те же данные, но методы анализа были разные. Вызывает также большое сомнение влияние солнечного цикла на динамику нижней стратосферы и тропосферы, предположенное в [66], скорее всего нисходящее распространение возмущений связано с механизмом стратосферных потеплений [78]. Связи тропосферно - стратосферной циркуляции во время стратосферных потеплений, их отношение к Арктической Осцилляции будут рассмотрены в дальнейших разделах. 5.3 Межгодовые вариации зонально-средней стратосферной циркуляции, влияние извержения Пи-натубо и явлений Эль Ниньо
Представляет интерес рассмотреть вариации зонально-средних аномалий стратосферного момента импульса для 1979-1992 годов, В [40] было показано, что распространение низкочастотных аномалий тропосферного момента ААМ(ЮО) имеет так называемую V - структуру с первоначальным зарождением аномалий различного знака вблизи экватора и их последующим распространением к полюсам в течение около 5 лет. Низкочастотная компонента аномалий тропосферного момента для 1976-1991 годов рассчитывалась в [40] при помощи фильтрации всех периодов, кроме тех, что в 32-88 - месячном спектральном интервале. На рисунке 20 показаны результаты расчетов низкочастотных аномалий тропосферного и стратосферного моментов в широтных зонах для 1979-1992 [8]. Фильтрация высокочастотных гармоник (годовых, полугодовых, осцилляции Маддена-Джулиана с периодами 30-60 дней) была проведена при использовании годового скользящего среднего. Распространение аномалий ЛАМ(100) качественно похоже на К - структуру распространения тропосферного углового момента, обнаруженную в [40]. Положительные (западные) и отрицательные (восточные) аномалии зарождаются в тропиках и, распространяясь в средние и высокие широты Северного и Южного полушарий, достигают субполярных районов спустя несколько лет после их зарождения. Сильные западные (восточные) аномалии ЛАМ(100) в тропиках и субтропиках обоих полушарий, вероятно, связаны с влиянием Эль-Ниньо 1982/83 и 1987 гг. (Ла-Нина 1984 и 1989 гг.). Отметим, однако, значительные западные тропические аномалии ЛАМ(100) в 1981 году и восточные аномалии в средних и высоких широтах Южного полушария в 1979-1981 годах.
Межгодовые изменения глобального тропосферного, стратосферного моментов и продолжительности суток
Большую роль в связях динамики и озона играют квазидвухлетние колебания. В [29,35,45,112] были найдены связи между QBO зонального ветра в экваториальной нижней стратосфере и вариациями озона в высоких широтах, в том числе в области озоновой дыры в Антарктике. Относительное от года к году увеличение (уменьшение) содержания озона над Антарктикой соответствовало восточной (западной) фазе экваториального QBO в течение 1979-1988 годах [45]. Подобные связи были обнаружены и в высоких широтах Северного полушария [35]. Причиной этих связей может быть влияние экваториального QBO на степень изолированности полярных вихрей Арктики [52] и Антарктики. В последующие годы (1989-1992 гг.) эти связи не наблюдались [74], что требует объяснения. Для того чтобы ответить на вопрос - почему связи развития озоновой дыры в Антарктике с экваториальным QBO не наблюдаются после 1989 года? - были рассчитаны QB и LF компоненты меридионального распространения аномалий содержания озона и стратосферного момента аналогично расчетам глобальных аномалий (глава 5).
На рисунке 27 показаны широтное распределение QB компонентов (в спектральном интервале 18-31 месяц) аномалий стратосферного момента и содержания озона, а также их поведение в высоких широтах Южного полушария и на экваторе для октябрей 1979-1991 годов [10].
Подчеркнем, что на рисунке показаны рассчитанные данные только для октября соответствующего года, т.е. внутригодовые значения являются следствием графической интерполяции. Хотя вблизи экватора в зоне 10ю.ш. — \dс.ш. данные по зональному ветру были получены интерполяцией между полушариями, знак QB компоненты аномалий стратосферного момента на экваторе совпадает со знаком QBO зонального ветра на 50 г Па над Сингапуром, поэтому аномалии стратосферного момента на экваторе могут быть использованы в качестве индикатора фазы QBO зонального ветра экваториальной нижней стратосферы. Весной в Южном полушарии наблюдается две ветви распространения экстремумов QB составляющей аномалий стратосферного момента - в тропиках и широтной зоне 30к?.ш. — 60 ю.ш., Квазидвухлетняя цикличность аномалий озона в основном проявляется в области озоновой дыры над Антарктикой. Соответствие восточных (западных) аномалий QB стратосферного момента в зоне 30ю.ш. 60ю.ш. и положительных (отрицательных) вариаций содержания озона в области озоновой дыры прослеживается в течение всего рассматриваемого периода 1979-1991 гг. Это верно не только для QB компонентов аномалий стратосферного момента и содержания озона, но и для нефильтрованных среднемесячных значений [8,10].
Отметим интересную особенность широтного распределения QB компоненты аномалий стратосферного момента. Если в течение 1979-1986 годов знаки аномалий SAM около экватора и в средних и высоких широтах были одинаковы, то начиная с 1987 года восточные аномалии вблизи экватора соответствуют западным аномалиям в средних широтах, и наоборот. Корреляции развития озоновой дыры над Антарктикой и межгодовыми вариациями стратосферной динамики вблизи границы стратосферного полярного вихря имеют место в течение всего периода: восточные (западные) аномалии SAM соответствуют относительному увеличению (уменьшению) содержания озона в области озоновой дыры над Антарктикой, Таким образом, причиной нарушения связей вариаций озона над Антарктикой с QBO зонального ветра над Сингапуром [45] является не усиление воздействия химических механизмов разрушения озонового слоя (как было предположено С.Соломон, частное сообщение), а изменения долгопериодных межширотных связей стратосферной динамики Южного полушария.
На рисунке 28 показано широтное распределение низкочастотной LF компоненты (в спектральном интервале более 39 месяцев) аномалий стратосферного момента и содержания озона для октябрей 1979-1991 годов. Замечательной чертой межгодовых изменений LF компоненты стратосферного момента является преобладание западных аномалий в средних широтах Южного полушария после 1979-1981 годов (исключение составляют лишь 1982 и 1988 гг.) и V - образная структура распространений во времени (ее южная ветвь), которая характерна и для среднемесячных нефильтрованных аномалий стратосферного момента [8]. Долгопериодные аномалии динамики атмосферы возникают вблизи экватора и медленно (в течение десятилетия) распространяются в полярные районы. Долгопериодная компонента содержания озона показывает тренд в области озоновой дыры над Антарктикой. Отрицательный тренд озона над Антарктикой связан с положительным трендом стратосферного момента в средних широтах. Очень глубокая озоновая дыра 1987 года может быть объяснена конструктивной интерференцией западных аномалий QB и LF компонентов стратосферной динамики, в то время как в 1988 году наблюдалась деструктивная интерференция этих составляющих и произошло относительное увеличение озона над Антарктикой. С этой точки зрения большие восточные аномалии стратосферной циркуляции, возникшие в начале 90-х годов вблизи экватора, при их возможном распространении в течение нескольких лет к Южному полюсу могли бы привести к постепенному исчезновению озоновой дыры [8,10,57], если бы не было бы сильного явления Эль - Ниньо в 1997/98 гг. [27], которое приводит к появлению западных аномалий в субтропиках (глава 5) и к более сильной озоновой дыре в последующие годы.
Долготная структура связей изменений содержания озона и стратосферного момента
Механизм волновой гипотезы предполагает сильные связи вариаций озонового слоя не только с изменениями стратосферной циркуляции, но и с аномалиями температуры поверхности океанов Северного и Южного полушарий, причем вполне определенной структуры, которая могла бы привести к сильным изменениям волновой активности атмосферы на межгодовых и долгопериодных временных масштабах из-за интерференции орографического и термического источников возбуждения планетарных волн.
В этой главе приведены результаты анализа связей изменений содержания озона и стратосферного момента импульса с аномалиями ТПО Северного и Южного полушарий. Анализ проводился как для каждого из океанов, так и для их совместного влияния.
Исследованиям связей изменений содержания озона и аномалий ТПО Северного полушария посвящено очень мало работ в отличие от исследований изменений ТПО и климата [68,89]. В [29,65,67] было рассмотрено влияние явлений Эль Ниньо на озон и найдено, что это влияние не превышает 3-5% от климатической нормы. Однако, в [5] были обнаружены сильные корреляции аномалий ТПО Атлантики в зимний период с изменениями содержания озона над Европой (глава 3). В последние годы в связи с открытием Арктической Осцилляции, интерес к изучению связей аномалий ТПО Атлантики и долгопериодных изменений циркуляции тропосферы и стратосферы резко обострился [31,33,89].
Рассмотрим сначала связи изменений содержания озона и стратосферной циркуляции Северного полушария с аномалиями температуры поверхности Атлантики. На рисунке 39 показаны рассчитанные две первые эмпирические ортогональные функции аномалий ТПО Атлантики (январь), выраженные в виде корреляций (в %) аномалий ТПО в каждой точке Атлантики с временными изменениями коэффициента соответствующей функции в 1979-1992 гг. Основные черты первой ЭОФ (ее вклад в полную изменчивость равен 23,4%) имеют структуру в виде "сэндвича" с положительными корреляциями в северной Атлантике, отрицательными - в районе Гольфстрима, положительными корреляциями в тропической Атлантике и, в целом, согласуются с результатами подобных расчетов для более длительного периода [89,108]. Обращает на себя внимание резкое изменение коэффициента ЭОФ1 в 1982-1983 гг. Эта мода описывает противоположные изменения ТПО в центрах действия вблизи Гольфстрима, северо-атлантического течения и тропической Атлантики Северного полушария и, вероятно, связана с Северо-Атлантической Осцилляцией (NAO) изменений параметров тропосферы [108].
Вторая ЭОФ (13,9% изменчивости температуры) имеет несколько другую структуру и описывает изменения ТПО в центрах действия южнее Ньюфаундленда и Исландии. Ее пространственная структура согласуется с результатами расчетов ЭОФ2 аномалий ТПО Атлантики за более длительный (1900-1989 гг.) период [39], где было показано, что эта компонента имеет квазидесятидетнюю (8-12 лет) цикличность. Третья ЭОФ (11,2%) (не показано) ответственна за изменения ТПО тропической Атлантики Южного полушария, ее коэффициент также имеет заметный долгопериодный тренд с резким изменением в 1989-1990 гг.
На рисунке 40 представлены результаты расчетов первых SVD мод связей межгодовых вариаций ТПО Атлантики и содержания озона для января 1979-1992 гг., представленные как гетерогенные и гомогенные корреляции аномалий (в %) с поведением коэффициента SVD моды темпе ратуры Атлантики (синяя линия внизу рисунка 40). Пространственная структура первой SVD моды (19,7% вклада в изменчивость) аномалий температуры очень хорошо соответствует первой эмпирической функции аномалий ТПО Атлантики, так же как и поведение ее коэффициента (рисунок 39). Корреляция между коэффициентами SVD1 и ЭОФ1 аномалий ТПО составляет 84% и статистически значима на 95% уровне вероятности. Лишь в 1988 году наблюдается заметное различие в поведении их коэффициентов. Структура первой SVD моды (29,1% изменчивости содержания озона) связей вариаций содержания озона с аномалиями ТПО Атлантики похожа на структуру первой эмпирической функции (рисунок 33) вариаций содержания озона в средних широтах и описывает долгопериодную компоненту (тренды, рисунок 31) его изменчивости. Основные различия в структуре ЭОФ1 и SVD1 аномалий содержания озона связаны со сдвигом максимума корреляций от Европы к субтропической Атлантике, а также в поведении их коэффициентов в 1991-1992 гг.
Таким образом, структуры первых SVD мод ТПО аномалий Атлантики и вариаций содержания озона в Северном полушарии очень близки к структурам их первых эмпирических функций, так же как и их межгодовые изменения, т.е. они представляют собой главные (ведущие) моды изменчивости и связей этих полей. С другой стороны, ковариации первых SVD мод аномалий содержания озона и ТПО Атлантики являются большими, например, корреляция коэффициентов первых SVD мод вариаций содержания озона и ТПО Атлантики равна 85,5% снова с заметным различием в их поведении лишь в 1988 году (рисунок 40). Тот факт, что первые ЭОФ аномалий ТПО Атлантики и содержания озона в Северном полушарии зимой тесно связаны, свидетельствует о большой роли Атлантики в изменениях озонового слоя всего Северного полушария и подтвержает ранее полученные результаты о сильных связях межгодовых изменений ТПО Атлантики и изменчивости озона над Европой в 1965-1988 гг. [5].
