Внезапное стратосферное потепление (ВСП) — это событие, при котором температура полярной стратосферы повышается на несколько десятков градусов ( вплоть до повышения примерно на 50 °C (90 °F)) в течение нескольких дней. [1] Потеплению предшествует замедление, а затем разворот западных ветров в стратосферном полярном вихре . ВСП происходят примерно шесть раз за десятилетие в северном полушарии [2] и примерно раз в 20-30 лет в южном полушарии. [3] [4] Наблюдались только два южных ВЮЗ. [5]
Первые постоянные измерения стратосферы были проведены Ричардом Шерхагом в 1951 году с использованием радиозондов для получения надежных показаний температуры в верхней стратосфере (~ 40 км), и он стал первым, кто наблюдал стратосферное потепление 27 января 1952 года. После своего открытия он собрал группа метеорологов , специально изучавшая стратосферу в Свободном университете Берлина, и эта группа в течение многих лет продолжала картировать стратосферную температуру и геопотенциальную высоту северного полушария, используя радиозонды и ракетозонды .
В 1979 году, когда началась эра спутников , метеорологические измерения стали гораздо более частыми. Хотя спутники в основном использовались для исследования тропосферы , они также записывали данные и для стратосферы. Сегодня для измерений стратосферы используются как спутники , так и стратосферные радиозонды .
ВСП тесно связано с разрушением полярных вихрей . Метеорологи обычно делят разрушение вихрей на три категории: большие, малые и окончательные. Однозначного стандартного определения этих явлений до сих пор не принято. [2] Однако различия в методологии обнаружения ВСП не актуальны, пока циркуляция в полярной стратосфере разворачивается. [6] «Основные ВСП возникают, когда зимние полярные западные ветры в стратосфере меняются на восточные. При незначительных потеплениях градиент полярной температуры меняется на противоположный, но циркуляция не меняется, а при финальных потеплениях вихрь разрушается и остается восточным до следующей бореальной осени» . [2]
Иногда включается четвертая категория – канадское потепление из-за его уникальной и отличительной структуры и эволюции.
«Существует два основных типа ВСП: события смещения, при которых стратосферный полярный вихрь смещается от полюса, и события разделения, при которых вихрь разделяется на два или более вихрей. Некоторые ВСП представляют собой комбинацию обоих типов». [2]
Это происходит, когда западные ветры на высоте 60 с. ш. и 10 гПа меняют направление, т. е. становятся восточными. Наблюдается полное разрушение полярного вихря , и вихрь либо разделится на дочерние вихри, либо сместится из своего нормального положения над полюсом.
По данным Комиссии по атмосферным наукам Всемирной метеорологической организации (Mclnturff, 1978) [ кто? ] : стратосферное потепление можно назвать значительным, если на высоте 10 мб или ниже средняя температура по широте увеличивается к полюсу от 60 градусов широты и наблюдается связанное с этим изменение направления циркуляции (т. е. преобладающие средние западные ветры к полюсу от 60 градусов широты сменяются означают восточные ветры в том же районе).
Незначительные потепления аналогичны большим потеплениям, однако они менее драматичны, западные ветры замедляются, но не обращаются вспять. Поэтому срыва вихря никогда не наблюдается.
Макинтурф [ кто? ] гласит: стратосферное потепление называется незначительным, если наблюдается значительное повышение температуры (т. е. не менее 25 градусов в течение недели и менее) на любом стратосферном уровне в любом районе зимнего полушария. Полярный вихрь не разрушен, и смена ветра с запада на восток менее обширна.
Радиационный цикл в стратосфере означает, что зимой средний поток направлен на запад, а летом — на восток (запад). На этом переходе происходит окончательное потепление, так что полярные вихревые ветры меняют направление по мере потепления и не возвращаются обратно до следующей зимы. Это связано с тем, что стратосфера вступила в летнюю восточную фазу. Оно является окончательным, поскольку новое потепление летом произойти не может, поэтому это последнее потепление нынешней зимы.
Канадские потепления происходят в начале зимы в стратосфере Северного полушария, обычно с середины ноября до начала декабря. У них нет аналогов в южном полушарии.
Обычно зимой в северном полушарии происходит несколько незначительных потеплений, причем крупное событие происходит примерно каждые два года. Одна из причин крупных стратосферных потеплений, происходящих в северном полушарии, заключается в том, что орография и контрасты температур суши и моря ответственны за генерацию длинных ( волновое число 1 или 2) волн Россби в тропосфере . Эти волны поднимаются вверх в стратосферу и там рассеиваются, замедляя западные ветры и нагревая Арктику. [7] Именно по этой причине крупные потепления наблюдаются только в северном полушарии, за двумя исключениями. В 2002 и 2019 годах наблюдались крупные потепления в южном полушарии. [8] [9] [10] Эти события до конца не изучены.
В начальный момент в тропосфере устанавливается блокирующий тип циркуляции . Этот шаблон блокировки приводит к тому, что волны Россби с зональным волновым числом 1 и/или 2 [ 11] растут до необычно больших амплитуд. Растущая волна распространяется в стратосферу и замедляет средние западные зональные ветры. [ нужны разъяснения ] Таким образом, полярная ночная струя ослабевает и одновременно искажается растущими планетарными волнами. Поскольку амплитуда волны увеличивается с уменьшением плотности, этот процесс восточного ускорения неэффективен на довольно высоких уровнях. [ почему? ] Если волны достаточно сильны, средний зональный поток может настолько замедлиться, что зимние западные ветры повернут на восток. В этот момент планетарные волны больше не могут проникать в стратосферу [12] [ необходимы разъяснения ] ). Следовательно, дальнейшая передача энергии вверх полностью блокируется, и на этом критическом уровне происходит очень быстрое ускорение на восток и полярное потепление, которое затем должно двигаться вниз, пока в конечном итоге потепление и изменение зонального ветра не затронут всю полярную стратосферу. Распространение планетарных волн вверх и их взаимодействие со средним стратосферным потоком традиционно диагностируется с помощью так называемых потоков Элиассена-Пальма. [13] [14]
Существует связь между внезапными стратосферными потеплениями и квазидвухгодичными колебаниями : если КДК находится в восточной фазе, атмосферный волновод модифицируется таким образом, что распространяющиеся вверх волны Россби фокусируются на полярном вихре , усиливая их взаимодействие с средний поток. Таким образом, существует статистически значимый дисбаланс между частотой внезапных стратосферных потеплений, если эти события сгруппировать по фазе КДК (восточной или западной).
Хотя внезапные стратосферные потепления в основном вызваны волнами планетарного масштаба, которые распространяются вверх из нижних слоев атмосферы, существует также последующий обратный эффект внезапных стратосферных потеплений на приземную погоду. После внезапного стратосферного потепления высотные западные ветры меняют направление и сменяются восточными. Восточные ветры продвигаются вниз по атмосфере, часто приводя к ослаблению тропосферных западных ветров, что приводит к резкому снижению температуры в Северной Европе. [15] Этот процесс может занять от нескольких дней до нескольких недель. [1]