Анализ динамики арктического полярного вихря во время внезапного стратосферного потепления в январе 2009 г

Арктический полярный вихрь во время своего жизненного цикла часто подвергается воздействию волновой активности. Распространяющиеся из тропосферы в стратосферу планетарные волны Россби эпизодически приводят к смещению или расщеплению полярного вихря, сопровождающемуся внезапным стратосферным потеплением (ВСП). В январе 2009 г. наблюдалось одно из сильнейших ВСП за весь период наблюдений в Арктике. В данной работе динамика полярного вихря во время ВСП 2009 г. рассмотрена с использованием нового метода, позволяющего определить площадь вихря и скорость ветра по границе вихря, а также оценить средние значения температуры и массового отношения смеси озона внутри вихря на основе данных реанализа ERA5. На основе анализа динамики арктического полярного вихря за 42 года и на примере ВСП 2009 г. показано, что, как правило, при снижении площади вихря менее 10 млн км2 и уменьшении средней скорости ветра по границе вихря ниже 30 и 45 м/с соответственно в нижней и средней стратосфере полярный вихрь становится небольшим циклоном, который полностью разрушается в течение 1–3 недель.

1. Waugh D.W., Randel W.J. Climatology of Arctic and Antarctic polar vortices using elliptical diagnostics // J. Atmos. Sci. 1999. V. 56. № 11. P. 1594–1613.

2. Waugh D.W., Polvani L.M. Stratospheric polar vortices // The Stratosphere: Dynamics, Transport, and Chemistry. Geophysical Monograph Series. 2010. V. 190. P. 43–57.

3. Polvani L.M., Saravanan R. The three-dimensional structure of breaking Rossby waves in the polar wintertime stratosphere // J. Atmos. Sci. 2000. V. 57. № 21. P. 3663–3685.

4. Plumb R.A. Planetary waves and the extratropical winter stratosphere // The Stratosphere: Dynamics, Transport, and Chemistry. Geophysical Monograph Series. 2010. V. 190. P. 23‒41.

5. Butler A.H., Seidel D.J., Hardiman S.C., Butchart N., Birner T., Match A. Defining Sudden Stratospheric Warmings // Bull. Amer. Meteor. Soc. 2015. V. 96. № 11. P. 1913–1928.

6. Limpasuvan V., Thompson D.W.J., Hartmann D.L. The life cycle of the Northern Hemisphere sudden stratospheric warmings // J. Climate. 2004. V. 17. № 13. P. 2584–2596.

7. Charlton A.J., Polvani L.M. A new look at stratospheric sudden warmings. Part I: Climatology and modeling benchmarks // J. Climate. 2007. V. 20. № 3. P. 449–469.

8. Charlton A.J., Polvani L.M., Perlwitz J., Sassi F., Manzini E., Shibata K., Pawson S., Nielsen J.E., Rind D. A new look at stratospheric sudden warmings. Part II: Evaluation of numerical model simulations // J. Climate. 2007. V. 20. № 3. P. 470–488.

9. Matthewman N.J., Esler J.G., Charlton-Perez A.J., Polvani L.M. A new look at stratospheric sudden warmings. Part III: Polar vortex evolution and vertical structure // J. Climate. 2009. V. 2. № 6. P. 1566‒1585.

10. Abridged final report of the seventh session of the commission for atmospheric sciences, Manila, 27 February — 10 March 1978. WMO Rep. 509. Geneva: WMO, 1978. 113 p.

11. Flury T., Hocke K., Haefele A., Kämpfer N., Lehmann R. Ozone depletion, water vapor increase, and PSC generation at midlatitudes by the 2008 major stratospheric warming // J. Geophys. Res. 2009. V. 114. № 18. P. D18302.

12. Kuttippurath J., Nikulin G. A comparative study of the major sudden stratospheric warmings in the Arctic winters 2003/2004–2009/2010 // Atmos. Chem. Phys. 2012. V. 12. № 17. P. 8115–8129.

13. Torre L., Garcia R.R., Barriopedro D., Chandran A. Climatology and characteristics of stratospheric sudden warmings in the Whole Atmosphere Community Climate Model // J. Geophys. Res. 2012. V. 117. № 4. P. D04110.

14. Варгин П.Н., Кострыкин С.В., Ракушина Е.В., Володин Е.М., Погорельцев А.И. Исследование изменчивости дат весенних перестроек циркуляции стратосферы и параметров стратосферного полярного вихря в Арктике по данным моделирования и реанализа // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2020. Т. 56. № 5. С. 526–539.

15. Savenkova E.N., Kanukhina A.Yu., Pogoreltsev A.I., Merzlyakov E.G. Variability of the springtime transition date and planetary waves in the stratosphere // J. Atmos. Sol.-Terr. Phys. 2012. V. 90–91. P. 1–8.

16. Solomon S., Garcia R.R., Rowland F.S., Wuebbles D.J. On the depletion of Antarctic ozone // Nature. 1986. V. 321. P. 755–758.

17. Newman P.A., Kawa S.R., Nash E.R. On the size of the Antarctic ozone hole // Geophys. Res. Lett. 2004. V. 31. № 21. P. L21104.

18. Solomon S. Stratospheric ozone depletion: a review of concepts and history // Rev. Geophys. 1999. V. 37. № 3. P. 275–316.

19. Manney G.L., Zurek R.W. On the motion of air through the stratospheric polar vortex // J. Atmos. Sci. 1994. V. 51. № 20. P. 2973‒2994.

20. Sobel A.H., Plumb R.A., Waugh D.W. Methods of calculating transport across the polar vortex edge // J. Atmos. Sci. 1997. V. 54. № 18. P. 2241–2260.

21. Finlayson-Pitts B.J., Pitts J.N. Chemistry of the Upper and Lower Atmosphere: Theory, Experiments, and Applications. California: Academic Press, 2000. 969 p.

22. Whiteway J.A., Duck T.J., Donovan D.P., Bird J.C., Pal S.R., Carswell A.I. Measurements of gravity wave activity within and around the Arctic stratospheric vortex // Geophys. Res. Lett. 1997. V. 24. № 11. P. 1387‒1390.

23. Dee D.P., Uppala S.M., Simmons A.J., Berrisford P., Poli P., Kobayashi S., Andrae U., Balmaseda M.A., Balsamo G., Bauer P., Bechtold P., Beljaars A.C.M., van de Berg L., Bidlot J., Bormann N., Delsol C., Dragani R., Fuentes M., Geer A.J., Haimberger L., Healy S.B., Hersbach H., Hólm E.V., Isaksen L., Kållberg P., Köhler M., Matricardi M., McNally A.P., Monge-Sanz B.M., Morcrette J.-J., Park B.-K., Peubey C., de Rosnay P., Tavolato C., Thépaut J.-N., Vitart F. The ERAInterim reanalysis: configuration and performance of the data assimilation system // Q. J. Roy. Meteor. Soc. 2011. V. 37. № 656. P. 553–597.

24. Hersbach H., Bell B., Berrisford P., Hirahara S., Horányi A., Muñoz-Sabater J., Nicolas J., PeubeyC., 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. Roy. Meteor. Soc. 2020. V. 146. № 729. P. 1–51.

25. Lawrence Z.D., Manney G.L., Wargan K. Reanalysis intercomparisons of stratospheric polar processing diagnostics // Atmos. Chem. Phys. 2018. V. 18. № 18. P. 13547–13579.

26. Smith M.L., McDonald A.J. A quantitative measure of polar vortex strength using the function M // J. Geophys. Res. 2014. V. 119. № 10. P. 5966–5985.

27. Holton J. An Introduction to Dynamic Meteorology. 4th Edition. California: Academic Press, 2004. 535 p.

28. Manney G.L., Schwartz M.J., Krüger K., Santee M.L., Pawson S., Lee J.N., Daffer W.H., Fuller R.A., Livesey N.J. Aura Microwave Limb Sounder observations of dynamics and transport during the record-breaking 2009 Arctic stratospheric major warming // Geophys. Res. Lett. 2009. V. 36. № 12. P. L12815.

29. Wang H., Fuller-Rowell T.J., Akmaev R.A., Hu M., Kleist D.T., Iredell M.D. First simulations with a whole atmosphere data assimilation and forecast system: The January 2009 major sudden stratospheric warming // J. Geophys. Res. 2011. V. 116. № 12. P. A12321.

30. Klimenko M.V., Bessarab F.S., Sukhodolov T.V., Klimenko V.V., Koren’kov Yu.N., Zakharenkova I.E., Chirik N.V., Vasil’ev P.A., Kulyamin D.V., Shmidt Kh., Funke B., Rozanov E.V. Ionospheric effects of the sudden stratospheric warming in 2009: Results of simulation with the first version of the EAGLE model // Russ. J. Phys. Chem. B. 2018. V. 12. № 4. P. 760–770.

31. Labitzke K., Kunze M. On the remarkable Arctic winter in 2008/2009 // J. Geophys. Res. 2009. V. 114. P. D00I02.

32. Iida C., Hirooka T., Eguchi N. Circulation changes in the stratosphere and mesosphere during the stratospheric sudden warming event in January 2009 // J. Geophys. Res. 2014. V. 119. № 12. P. 7104–7115.

33. Funke B., Ball W., Bender S., Gardini A., Harvey V.L., Lambert A., López-Puertas M., Marsh D.R., Meraner K., Nieder H., Päivärinta S.-M., Pérot K., Randall C.E., Reddmann T., Rozanov E., Schmidt H., Seppälä A., Sinnhuber M., Sukhodolov T., Stiller G.P., Tsvetkova N.D., Verronen P.T., Versick S., von Clarmann T., Walker K.A., Yushkov V. HEPPA-II model–measurement intercomparison project: EPP indirect effects during the dynamically perturbed NH winter 2008–2009 // Atmos. Chem. Phys. 2017. V. 17. № 5. P. 3573–3604.

34. Tao M., Konopka P., Ploeger F., Grooß J.-U., Müller R., Volk C.M., Walker K.A., Riese M. Impact of the 2009 major sudden stratospheric warming on the composition of the stratosphere // Atmos. Chem. Phys. 2015. V. 15. № 15. P. 8695–8715.

35. Gray L.J., Brown M.J., Knight J., Andrews M., Lu H., O’Reilly C., Anstey J. Forecasting extreme stratospheric polar vortex events // Nature Communication. 2020. V. 11. P. 4630.

36. Zuev V.V., Savelieva E. The role of the polar vortex strength during winter in Arctic ozone depletion from late winter to spring // Polar Sci. 2019. V. 22. P. 100469.

37. Zuev V.V., Savelieva E. Arctic polar vortex dynamics during winter 2006/2007 // Polar Sci. 2020. V. 25. P. 100532.