Содержание к диссертации
Введение
Изменчивость среднезональных характеристик- атмосферы 13
1 Спектральное представление ПВ, обзор доступных данных 13
2 Используемые данные NCEP/NCAR 16
3 Изменчивость среднезональной температуры и зонального потока, данные NCEP/NCAR ' 18
4 Долговременное изменение средней глобальной температуры 27
Климатическая изменчивость СПВ 31
1 Линеаризованная модель СПВ, постановка задачи 31
2 Результаты моделирования СПВ и сравнение с NCEP/NCAR данными 39
Анализ климатической изменчивости интенсивности васцилляций и амплитуд бегущих ПВ 51
1 Пространственно - временной спектральный анализ глобальных распределений метеорологических полей 51
2 Нормальные атмосферные моды 53
3 Результаты по долгопериодной изменчивости бегущих ПВ 62
Модель МСВА и методика численных экспериментов 71
1 Модельная климатическая изменчивость среднезональной температуры и среднего зонального потока 74
2 Модельная климатическая изменчивость СПВ 1 75
3 Среднеквадратичные отклонения амплитуды СПВ1, характеризующие межгодовую и внутрисезонную изменчивость 80
Долгопериодный ход васциляций СПВ в совокупности с изменчивостью QBO и солнечной активностью 83
Заключение 91
Список использованных источников
- Используемые данные NCEP/NCAR
- Результаты моделирования СПВ и сравнение с NCEP/NCAR данными
- Нормальные атмосферные моды
- Модельная климатическая изменчивость СПВ
Введение к работе
Изучение климатической изменчивости динамических процессов в стратосфере является значимой, актуальной задачей, т.к. представляет собой составной элемент разработки теории общей циркуляции атмосферы. Прикладная значимость исследований определяется влиянием стратосферных процессов на радиационно-активные газовые составляющие, температуру воздуха, а также погоду у поверхности Земли. Динамические процессы в средней атмосфере (высоты от 15 до ПО км) вызывают особый интерес с середины 1970-х гг. Одним из основных объектов исследования являются волны глобального масштаба. Диапазон факторов, стимулирующих этот интерес, велик: от изучения причин и следствий изменения климата Земли до прикладных задач улучшения прогноза погоды в приземном слое. Например, в течение последнего десятилетия ведется довольно успешная разработка методов улучшения долгосрочных и среднесрочных прогнозов погоды в тропосфере с помощью использования данных о циркуляции в средней и верхней атмосфере и стратосферно-тропосферных связях [1, 2].
Среднюю атмосферу выделяют по следующим признакам: она достаточно удалена от земной поверхности и дает возможность пренебречь динамическим эффектом фазовых переходов воды, ее можно рассматривать как хорошо перемешанную на малых масштабах и электрически нейтральную [3]. Неотъемлемая компонента общей циркуляции средней атмосферы -волновые движения планетарного масштаба. Важным свойством планетарных волн (ПВ) является перенос энергии и импульса при их распространении из нижней атмосферы в вышележащие слои. В результате диссипации в стратосфере и выше в мезосфере и термосфере волны передают переносимые энергию и импульс среде, тем самым, воздействуя на тепловой баланс и среднезональную циркуляцию атмосферы. Таким образом, одним из основных механизмов, отвечающих за энергетическое и динамическое взаимодействие различных слоев атмосферы, является процесс распространения и диссипации волн планетарного масштаба.
Цел ъ ю диссертационной работы является исследование климатической изменчивости планетарных волн в стратосфере за последние 50 лет по данным эмпирических данных и численного моделирования. Для достижения поставленной цели по изучению компонент динамики средней атмосферы необходимо было решить задачи, которые включают в себя:
а) исследование климатической, межгодовой и внутрисезонной (стратосферные васцилляции) изменчивости планетарных волн в стратосфере на основе анализа глобальных распределений метеорологических полей;
б) моделирование распространения стационарных планетарных волн (СПВ) с помощью линеаризованной модели и МСВА (модели средней и верхней атмосферы);
в) сопоставление наблюдаемых климатических изменений с результатами моделирования; вывод о значимости возможных вариаций метеорологических параметров и общей циркуляции в стратосфере, обусловленных динамическими процессами в тропосфере.
Таким образом, предмет исследования включает в себя:
• бегущие и стационарные планетарные волны с волновыми числами 1 и 2 (СПВ1 и СПВ2);
• нерегулярные колебания амплитуды СПВ и интенсивности среднего потока в стратосфере (стратосферные васцилляции);
• оценка возможных изменений динамического режима стратосферы за последние 50 лет.
Научная новизна результатов отражена в перечне основных полученных результатов, которые представляют собой заметный вклад в решение фундаментальной проблемы атмосферной динамики и изменения климата.
Получены новые данные об изменении термического 7
и динамического режима средней атмосферы, а именно: впервые показано, что изменение широтных градиентов среднезональнои температуры влияет на распределение и положение максимумов тропосферных струйных течений и, в дальнейшем, на условия распространения СПВ (стационарных ПВ); впервые изучена климатическая изменчивость амплитуд СПВ1, СПВ2, 5, 10, 16 -дневных волн и васцилляций СПВ за последние десятилетия.
На защиту выносятся следующие положения:
• оценка долгопериодной изменчивости амплитуд СПВ1, СПВ2 по данным NCEP/NCAR ре-анализа с 1959 г.;
• модельная оценка чувствительности условий распространения и амплитуды СПВ1 в стратосфере к изменениям распределения скорости среднезонального потока в тропосфере;
• изменения амплитуд васцилляций СПВ1 и бегущих 5-, 10-, 16-дневных волн за последние 50 лет;
• анализ долгопериодного хода васцилляций СПВ1 в совокупности с изменением индекса QBO, солнечной активностью. Практическую ценность исследования составляет комплекс собранных
и систематизированных эмпирических данных, разработанные и модифицированные программные средства для выделения ПВ различной природы (стационарные, бегущие, колебания амплитуды стоячей ПВ), результаты исследования их долгопериодной изменчивости и оценки статистической значимости наблюдаемой изменчивости.
Полученные результаты были неоднократно представлены для обсуждения (см. Заключение) и приняты отечественными и зарубежными учеными, ведущими в данной области исследований.
Достоверность полученных результатов основана на применении известных, опубликованных, неоднократно проверенных методов численной обработки эмпирических и модельных данных. Планируется использование достигнутых результатов в дальнейших исследованиях средней и верхней атмосферы, проводимых в рамках Договора о сотрудничестве кафедры метеорологических прогнозов РГГМУ и ЛИМ (Лейпцигский институт метеорологии), и в работах по проектам РФФИ.
По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ.
Диссертационная работа выполнялась в рамках проекта РФФИ 05-05-64485, направленного на решение фундаментальной проблемы динамики атмосферы, связанной с изучением межгодовой изменчивости и климатических трендов температуры и активности планетарных волн в тропо-стратосфере, а также с исследованием возможных эффектов в средней атмосфере, обусловленных этими изменениями. Указанная проблема приобретает особую актуальность в последнее время в связи с необходимостью выяснения относительного вклада динамических и фотохимических процессов в формирование наблюдаемых климатических изменений температуры атмосферы на различных высотах.
Основные результаты работы являются оригинальными и получены либо лично автором, либо при его непосредственном участии. Автор принимал непосредственное участие в расчетах и оценке долгопериодной изменчивости амплитуд СПВ1, СПВ2, васцилляций СПВ1 и бегущих волн по данным NCEP/NCAR ре-анализа и результатам моделирования с помощью МСВА, проанализировал долгопериодный ход васцилляций СПВ1 в совокупности с изменением индекса QBO, солнечной активностью, участвовал в формулировке итогов проведенных исследований взаимосвязи климатической изменчивости активности СПВ и изменения динамики атмосферы.
Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы, ее научная новизна и достоверность. Определены положения, выносимые на защиту, рассмотрена их практическая ценность и апробация, отражен личный вклад автора, а также дано описание структуры диссертационной работы.
Первая глава содержит обзор и анализ использования данных NCEP/NCAR реанализа. Отмечен вклад ряда отечественных и зарубежных ученых в развитие системы знаний о динамике средней атмосферы. Обоснована эффективность исследуемых климатических изменений планетарных волн. Сформулирована цель и подробно изложены результаты первого этапа исследований климатических изменений среднезональных полей характеристик состояния средней атмосферы, а именно: трендов температуры и зонального потока по данным NCEP/NCAR реанализа. Для оценивания долгопериодных (климатических) трендов температуры была рассчитана скорость линейного изменения температуры в тропо-стратосфере. В результате сопоставления полученных данных с климатическим распределением температуры, мы увидели, что в среднем происходит рост абсолютной величины широтного градиента температуры на средних широтах в тропосфере, что должно приводить к усилению тропосферного струйного течения в зимнем полушарии. Сопоставление полученного результата с климатическим распределением тропосферных струйных течений показало, что происходит смещение максимума тропосферной струи зимнего полушария к высоким широтам, что должно сказаться на условиях распространения СПВ из тропосферы в стратосферу.
Во второй главе представлена оценка долгопериодной изменчивости СПВ 1, 2 и васцилляций амплитуд СПВ1. С использованием линеаризованной модели ПВ и распределений фонового зонального потока для 1960 и 2000 годов были проведены модельные расчеты распространения СПВ с m = 1. Активность СПВ1 в стратосфере усилилась. С целью проверки этих результатов были рассчитаны среднемесячные амплитуды и фазы возмущений геопотенциальной высоты и фонового зонального потока для зональной гармоники с m = 1 для января за период с 1959 по 2007 гг. NCEP/NCAR реанализа. Отмечено, что происходило увеличение амплитуд и их квадратичных отклонений в стратосфере зимнего полушария в течение последних лет. Также
СПВ1 сместилась в сторону высоких широт, и появился дополнительный максимум в амплитуде среднеквадратического отклонения в средних широтах. Возможно, появление этого максимума вызвано увеличением числа спутниковых наблюдений в низких широтах в стратосфере, которые были ассимилированы в модели NCEP/NCAR. Оценка линейной скорости изменения СПВ1 в нижней стратосфере проводилась посредством анализа СПВ1 и СПВ2 с использованием геопотенциальной высоты по данным NCEP/NCAR. Линейная скорость изменения амплитуды СПВ2 меньше по сравнению с СПВ1, выявлено изменение распределения фазы СГТВ1 в тропосфере и нижней стратосфере зимнего полушария, которое отражает изменение условий распространения волны. Рост амплитуды СПВ1 должен сопровождаться также усилением нелинейного взаимодействия этой волны со средним потоком и, как следствие, увеличением амплитуды стратосферных васцилляций, т.е. внутрисезонной изменчивости амплитуды волны.
В третьей главе рассматривается климатическая изменчивость бегущих волн и взаимодействия ПВ со среднезональным потоком. Приведено описание процедуры разделения волн на васцилляций и на бегущие на запад или восток волны. Анализ выполнялся построением спектров амплитуд возмущений геопотенциальной высоты, осредненных за период с 1959 по 2006 годы. Рассматриваются спектры для васцилляций СПВ и бегущих на запад волн.
В четвертой главе рассматривается используемая модель средней и верхней атмосферы (МСВА), приводится методика численных экспериментов и анализ результатов. Модельные расчеты с помощью МСВА показали рост амплитуды СПВ и увеличение внутрисезонной изменчивости, которая характеризует интенсивность стратосферных васциляций, изменение распределения фазы СПВ1 в тропосфере и нижней стратосфере зимнего полушария, которое отражает изменение условий распространения волны. Рассчитанные по модели изменения среднего зонального потока в тропосфере подобны изменениям, наблюдаемым по данным NCEP/NCAR, т.е. первопричиной климатических изменений тропосферных струйных течений является изменение распределения среднезональнои температуры в тропосфере, а не какие-либо динамические факторы. Наблюдается также незначительное увеличение межгодовой изменчивости амплитуды СПВ1 от 1960 к 2000 году и заметное увеличение внутрисезонной изменчивости амплитуды этой волны. Приведена оценка внутрисезонной и межгодовой изменчивости амплитуды и фазы СПВ1.
В Главе 5 представлен анализ долгопериодного хода васцилляций в совокупности с временным изменением индекса QBO и солнечной активностью. Стратосферная динамика весьма чувствительна к изменению внешних факторов, таких как, солнечное излучение, способствуя распространению возникающих флуктуации метеорологических величин, а следовательно, и амплитуд планетарных волн, в тропосферу. Выявить четкий характер связи между васцилляциями амплитуды СПВ1 по данным NCEP/NCAR и изменениями QBO не удалось. Более детальное рассмотрение внешнего воздействия солнечной активности на описанные связи было сделано с использованием значений чисел Вольфа. Слабая отрицательная корреляция была выявлена между солнечной активностью и васцилляциями СПВ1 при западном QBO. Для восточной фазы QBO характерна положительная скользящая корреляция васцилляций и количества солнечных пятен.
В заключении сформулированы основные результаты, полученные при работе над диссертацией.
Используемые данные NCEP/NCAR
Исходными данными для представленной работы являлись распределения NCEP/NCAR реанализа для температуры, геопотенциала и зонального потока в тропо- и стратосфере с 1948 по 2007 годы на 8 изобарических поверхностях: 1000, 500, 400, 300, 200, 100, 30, ЮгПа, которые предоставлялись с 6-часовым временным интервалом. Для исследования возможных климатических изменений СПВ были выбраны декабрь, январь и февраль, поскольку известно, что наибольшая активность СПВ в стратосфере наблюдается в зимний период [10, 11]. Такая сезонная зависимость объясняется тем, что стационарные планетарные волны представляют собой вынужденные возмущения среднезонального состояния атмсоферы, генерируемые в тропосфере орографическими неоднородностями и неадиабатическим нагреванием [12]. Эти волны могут распространятся в стратосферу, только когда среднезональные ветры имеют восточное направление, и скорость их ниже критического значения, обратно пропорционального квадрату полного волнового числа [13]. Т.е вертикальное распространение стационарных планетарных волн возможно зимой при западных (направленных на восток) стратосферных ветрах. Кроме того, данные реанализа для северного полушария более надежные [6, 14].
Известно, что значимые климатические тренды были выявлены в различных тропо-стратосферных полях и процессах. Например, значительный положительный тренд, начиная с 1960 до 1990-х гг. наблюдался в индексах Северо-Атлантической (North Atlantic Oscillation - NAO), Арктической Осцилляции (Arctic Oscillation - АО), и в зонально-осредненном угловом моменте [15, 16].
Первоначально был выполнен детальный анализ трендов температуры, зонального потока и стационарных планетарных волн по данным NCEP/NCAR ре-анализа. Вначале для каждого момента времени .и на каждой широте долготные изменения исследуемых метеорологических параметров представлялись в виде суммы среднезонального значения и суперпозиции 12 зональных гармоник, для которых определялась величина амплитуд и фаз (положение гребня соответствующей гармоники). По найденным величинам на каждой широте рассчитывались реальные и мнимые части комплексной амплитуды для каждой зональной гармоники и вычислялись их среднемесячные значения. В результате такого осреднения существенно ослаблялись эффекты короткопериодных бегущих планетарных волн, (например, 16-, 10- и 5-дневных нормальных атмосферных мод). Далее проводилось осреднение по 11-летним интервалам (с 1948 по 1958, с 1959 по 1969, с 1970 по 1980, с 1981 по 1991, с 1992 по 2002 гг.), чтобы устранить влияние 11-летнего цикла солнечной активности [17, 18] и подавить межгодовую изменчивость. Кроме этого, использование при анализе СПВ значений, осредненных за 11 лет, позволило дополнительно уменьшить вклад бегущих планетарных волн. Следует отметить, что для оценки межгодовой изменчивости среднезональной температуры и зонального потока изначально использовались данные NCEP/NCAR за весь временной интервал реанализа, т.е. начиная с 1948 г. Но, как было указано выше, в течение первых лет реанализа не было достаточного количества данных наблюдений, в результате чего, предварительные расчеты показали, что некоторые хорошо известные явления (например, квази-двухлетние колебания зонального потока в экваториальной стратосфере) воспроизводятся недостаточно корректно. И в дальнейшем для оценки возможных климатических изменений атмосферных характеристик использовались только данные NCEP/NCAR, начиная с 1959 г.
Результаты моделирования СПВ и сравнение с NCEP/NCAR данными
Результаты модельных расчетов широтно-высотных распределений геопотенциальной высоты и зонального ветра для СПВ с m = 1 (СПВ1) для I960 и 2000 гг. представлены на рисунках 2.2 и 2.3, соответственно. Из рисунков видно, что активность СПВ1 в стратосфере должна усиливаться. Необходимо отметить также, что значительный рост амплитуды СПВ1 в стратосфере должен влиять на фоновое распределение зонального ветра и температуры. Используемая линеаризованная модель не содержит механизмов, воспроизводящих подобную обратную связь. Но оценить влияние СПВ на зональные поля можно с помощью расчетов таких параметров, как поток Эллиасена-Пальма, нелинейный поток тепла или дивергенция остаточной циркуляции.
Однако известно, что амплитуды вторичных стационарных волн с зональным волновым числом, равным 2, являющиеся результатом нелинейного взаимодействия первичных СПВ1 в стратосфере, сравнимы с амплитудами первичных СПВ2, распространяющихся снизу [32]. Поэтому для моделирования СПВ2 в средней атмосфере необходимо использовать нелинейную модель общей циркуляции. С целью проверки результатов моделирования, показавших рост активности СПВ1 в стратосфере, были рассчитаны среднемесячные амплитуды и фазы возмущений геопотенциальной высоты и фонового зонального потока для зональной гармоники (т = 1) для января с 1959 по 2002 гг. NCEP/NCAR реанализа. Сначала был выполнен расчет с использованием данных о зональном потоке. Осреднение проводилось для интервалов с 1959 по 1980 и с 1981 по 2002 гг., т.е. не по 11 годам, как в предыдущем анализе изменчивости среднезональных характеристик, а по 22 годам во избежание влияния сильной межгодовой изменчивости СПВ в стратосфере, например, из-за развития быстрых стратосферных потеплений. Широтно-высотные распределения амплитуд возмущений зонального ветра для СПВ1 и их среднеквадратические отклонения, полученные после осреднения за интервалы с 1959 по 1980 и с 1981 по 2002 гг. временные интервалы показаны на рисунках 2.4, 2.5 и 2.6, 2.7, соответственно.
Сравнение этих рисунков показывает увеличение амплитуд и их квадратичных отклонений в стратосфере зимнего полушария в течение последних лет. Также СПВ 1 немного сместилась в сторону высоких широт, и появился дополнительный максимум в амплитуде среднеквадратического отклонения в средних широтах.
Широта, град Рисунок 2.7 - Среднеквадратичная изменчивость амплитуд возмущений зонального ветра для СПВ с m = 1, осредненные за временной интервал с 1981 по 2002 гг., метры в секунду вызвано увеличением числа спутниковых наблюдений в низких широтах в стратосфере, которые были ассимилированы в модели NCEP/NCAR. Оценка линейной скорости изменения СПВ в нижней стратосфере проводилась посредством анализа СПВ1 и СПВ2 с использованием геопотенциальной высоты по данным NCEP/NCAR. Амплитуды СПВ1 и СПВ2 осреднялись за три зимних месяца. Широтное распределение оцененной линейной скорости, стандартного отклонения и модуль отношения линейных скоростей к этим отклонениям (т-тест) амплитуд геопотенциальной высоты для СПВ1 и СПВ2 на уровне 30 гПа показано на рисунках 2.8 и 2.9.
Видно, что статистически значимые изменения амплитуд СПВ1 существуют в средних широтах северного полушария зимой. В случае СПВ2 (см. рисунок 2.9), существуют статистически значимые изменения амплитуд в средних широтах северного полушария и в низких широтах (южное полушарие). В высоких широтах зимой статистическое значение ниже для обоих случаев (СПВ1 и СПВ2) преимущественно благодаря сильной межгодовой изменчивости. В общем линейная скорость изменения амплитуды СПВ2 меньше по сравнению с СПВ 1.
Долгопериодные изменения амплитуд геопотенциальной высоты СПВ1 на уровне 30 гПа и на 62.5 с.ш., и амплитуд геопотенциальной высоты СПВ2 на 42.5 с.ш. и 17.5 ю.ш. показаны на рисунке 2.10 и 2.11, соответственно. Рисунок 2.10 показывает чистый положительный тренд амплитуды геопотенциальной высоты для СПВ1 на уровне 30 гПа на 62.5 с.ш. Линейный рост составил около 100 м в течение временного интервала с 1959 по 2006 гг.
Нормальные атмосферные моды
Планетарные волны представляют собой вынужденные колебания атмосферы. Однако атмосфера Земли может рассматриваться также как колебательная система, в которой существуют собственные (резонансные) глобальные колебания, т.н. атмосферные моды [43, 44]. Многие научные исследования нормальных атмосферных мод выполнялись с использованием анализов тропосферных и нижних стратосферных метеорологических полей. В настоящее время изучение глобальной структуры бегущих ПВ в верхней стратосфере основывается в основном на ограниченных по времени рядах, получаемых в результате спутниковых измерений. Дальнейший прогресс в нашем понимании крупномасштабных динамических процессов в средней атмосфере может быть достигнут, если спутниковые и радарные измерения скомбинировать со стратосферными метеорологическими полями, ассимилированными в общей циркуляционной модели. Хорошая возможность для исследования климатологических особенностей изменчивости стратосферы представляется с использованием стратосферных ассимилированных полей Met Office. Эти данные имеются в распоряжении British Atmospheric Data Center, которые достаточно длинны, чтобы обнаружить большинство климатологических особенностей и вариаций планетарных волн в стратосфере. По этим данным были проведены исследования изменчивости бегущих ПВ в стратосфере за период с 1992 по 2001 гг. Результаты этих анализов показывают, что долгопериодные ПВ (10 Т 20 дней) имеют значительные амплитуды в основном в течение зимы в северном полушарии. Распространяющиеся на запад волны преобладают в северном полушарии, но в южном полушарии волны, распространяющиеся на запад и на восток, имеют сравнимые амплитуды. В короткопериодной части спектра вейвлет (Т 10 дней) преобладают волны, распространяющиеся на запад, и наблюдаемый максимум в спектре амплитуд может быть соотнесен с первыми симметричными нормальными атмосферными модами, так называемыми 4-х и 5-ти дневными волнами. Эти волны присутствуют в стратосфере в течение большей части года, увеличиваясь во время сезонного перехода. На рисунке 3.1 показаны рассчитанные резонансные отклики возмущений атмосферы на нижней границе [31] и широтные структуры собственных колебаний приливного оператора Лапласа (функций Хафа) для зональных волновых чисел m = 1 и m =2. Следует отметить, что наличие в исходных временных рядах распространяющихся в противоположных направлениях волн с одинаковыми периодами и амплитудами указывает на то, что в действительности имеется неподвижная волна, амплитуда которой изменяется во времени периодически. Поэтому разбиение планетарных волн на распространяющиеся на восток и запад является неоднозначным.
Вначале для каждого момента времени и на каждой широте долготные изменения геопотенциальной высоты представлялись в виде суммы среднезонального значения и суперпозиции 15 зональных гармоник, для которых определялись значения амплитуды и фазы (положения гребня соответствующей гармоники). Для каждой зональной гармоники восстанавливались временные ряды для реальной и мнимой частей (поведение рассматриваемой величины на долготах, сдвинутых на четверть длины волны), рассчитывались амплитуды и фазы временных спектральных составляющих для двух долгот и производилось разделение планетарных волн на распространяющиеся на восток и запад. В результате такого разделения получались временные ряды амплитуд и фаз временных гармоник для этих волн. Затем восстанавливались новые временные ряды (отдельно для распространяющихся на восток и запад волн) и к ним применялось вейвлет преобразование Морле [45]. В результате такого анализа получили динамические спектры вейвлет амплитуд для распространяющихся на восток и запад волн (см. рисунки 3.5 и 3.6) Следует отметить, что наличие в исходных временных рядах распространяющихся в противоположных направлениях волн с одинаковыми периодами и амплитудами указывает на то, что в действительности имеется неподвижная волна, амплитуда которой изменяется во времени периодически. В связи с этим, разбиение планетарных волн на распространяющиеся на восток и запад является неоднозначным. Сравнивая рисунки 3.5 и 3.6, видим, что в спектрах наблюдаются значительные максимумы 10- и 16-дневных волн как для распространяющихся на запад, так и для распространяющихся на восток волн. В действительности же наблюдается амплитуда стационарной волны.
Модельная климатическая изменчивость СПВ
На рисунке 4.4 показаны широтно-высотные распределения амплитуд (а, б) и фаз (в, г) возмущений геопотенциальной высоты для СПВ1, полученные осреднением за январь-февраль и по 10 вариантам расчетов для условий 1960 и 2000 годов. Имеется существенное увеличение амплитуды СПВ1 за последние десятилетия (см. рисунок 4.4). Можно отметить также некоторое изменение распределения фазы СПВ1 в тропосфере и нижней стратосфере зимнего полушария, которое отражает изменение условий распространения волны. Рост амплитуды СПВ1 должен сопровождаться также усилением нелинейного взаимодействия этой волны со средним потоком и, как следствие, увеличением амплитуды стратосферных васцилляций, т.е. внутрисезонной изменчивости амплитуды волны.
Оценка внутрисезонной и межгодовой изменчивости может быть сделана по среднеквадратичным изменениям амплитуды СПВ1 при осреднении за январь-февраль (внутрисезонная изменчивость) и по среднеквадратичным изменениям амплитуды волны при последующем осреднении по 10 вариантам расчетов (межгодовая изменчивость).
На рисунке 4.6 приведены широтно-высотные распределения межгодовой (слева) и внутрисезонной (в январе-феврале, справа) изменчивости амплитуды возмущений геопотенциальной высоты для СПВ 1, полученные при обработке 10 вариантов расчетов для условий 1960 (вверху) и 2000 (внизу) годов. Следует отметить, что межгодовая изменчивость амплитуды СПВ1 (показана слева) рассчитывалась при осреднении по 10 вариантам расчетов с использованием средних за январь-февраль амплитуд и фаз волны для каждого варианта. В результате климатическая изменчивость амплитуды СПВ1 несколько занижена по сравнению с климатической изменчивостью, рассчитанной, например, для каждого месяца в отдельности (такие расчеты предполагается провести при подготовке статьи к публикации). Тем не менее, можно отметить некоторое увеличение межгодовой изменчивости амплитуды СПВ1 от 1960 к 2000 году и заметное увеличение внутрисезонной изменчивости амплитуды этой волны (рисунки справа). Рост рассчитанной амплитуды СПВ1 от 1960 к 2000 году (см. рисунки 4.1 и 4.2) в стратосфере превосходит два стандартных отклонения, рассчитанных для межгодовой изменчивости, что указывает на статистически значимый рост амплитуды СПВ1 по данным моделирования с помощью МСВА.
Стратосферная динамика весьма чувствительна к изменению внешних факторов, таких как, солнечное излучение, способствуя распространению возникающих флуктуации метеорологических величин, следовательно и амплитуд планетарных волн, в тропосферу [1, 2, 53, 54]. Действующим механизмом перераспределения энергии в атмосфере является следующий процесс. Колебания уровня приходящей солнечной радиации влияют на содержание озона и поле температуры в стратосфере, что влечет за собой колебания термического градиента и последующее изменение ветрового режима. Перераспределение динамических характеристик нижней и средней атмосферы отражается на условиях распространения планетарных волн и , как следствие, на общей циркуляции атмосферы.
Для общей циркуляции в средней атмосфере в приэкваториальных широтах характерно то, что в слое от 20 до 40 км в течение примерно одного года преобладает восточный зональный перенос, а затем в течение следующего года — западный. Это явление известно как квазидвухлетняя цикличность (QBO). Временной ход QBO представлен на рисунке 23, вертикальные линии отмечают начало января каждого года. Квазидвухлетняя цикличность отчетливо выражена в приэкваториальной зоне, простирающейся до 10 градусов по обе стороны от экватора. Она имеет наибольшую амплитуду на нижних уровнях средней атмосферы, где средняя продолжительность цикла составляет около 26 месяцев в отдельные периоды она может существенно отличаться от средней. Каждый из указанных зональных переносов возникает на высотах до 40 км и распространяется вниз. По мере удаления в сторону высоких широт и выше 35 км в атмосфере наблюдается
