Влияние квазидвухлетних осцилляций (КДО) на стратосферный полярный вихрь в Антарктике

Квазидвухлетние осцилляции (КДО) экваториальной стратосферы являются существенной частью глобальной циркуляции атмосферы и оказывают значительное влияние на процессы в высоких широтах. Зависимость стратосферного полярного вихря, который является необходимым условием образования озоновой дыры в Антарктике, от фазы КДО общеизвестна как эффект Холтона–Тана. Согласно многочисленным исследованиям, в Южном полушарии эффект Холтона–Тана отмечается только весной, что обычно объясняется большей интенсивностью зимнего южного вихря по сравнению с вихрем Северного полушария. В данной работе предложен новый метод анализа наблюдений, учитывающий сезонные закономерности КДО. Проведенное исследование позволило выявить ранее неизвестные особенности межгодовых вариаций интенсивности вихря и озоновой дыры в Антарктике, обусловленные КДО модуляцией. Показано, что влияние КДО на вихрь наблюдается не только весной на стадии ослабления зимнего вихря, но и в период его максимума в июне–августе. При этом изменения скорости ветра в вихре во время его максимума зимой противоположны изменениям весной во время озоновой дыры. Результаты могут быть использованы при сравнении моделируемых эффектов КДО с наблюдениями и, следовательно, при проверке предполагаемых механизмов влияния КДО на высокоширотную атмосферу.

1. World Meteorological Organization (WMO). Executive Summary. Scientific Assessment of Ozone Depletion: 2022, GAW Report No. 278. Geneva: WMO; 2022. 56 p. https://ozone.unep.org/system/files/documents/Scientific-Assessment-of-Ozone-Depletion-2022-Executive-Summary.pdf

2. Krummel P.B., Fraser P.J., Derek N. The 2022 Antarctic Ozone Hole Summary: Final Report, Report prepared for the Australian Government Department of Climate Change, Energy, the Environment and Water. Australia: CSIRO; 2023. 30 p. https://www.dcceew.gov.au/sites/default/files/documents/2022-aoh-final-report.pdf

3. Solomon S., Ivy D.J., Kinnison D., Mills M.J., Neely R.R., Schmidt A. Emergence of healing in theAntarctic ozone layer. Science. 2016;353(6296):269–274. https://doi.org/10.1126/science.aae0061

4. Baldwin M.P., Gray L.J., Dunkerton T.J., Hamilton K., Haynes P.H., Randel W.J., Holton J.R., Alexander M.J., Hirota I., Horinouchi T., Jones D.B.A., Kinnersley J. S., Marquardt C., Sato K., Takahashi M. The quasi-biennial oscillation. Reviews of Geophysics. 2001;39(2):179–229. https:// doi.org/10.1029/1999RG000073

5. Bojkov R.D. The 1979–1985 ozone decline in Antarctic, as reflected in ground level observations. Geophysical Research Letters. 1986;13(12):1236–1239. https://doi.org/10.1029/GL013i012p01236

6. Garcia R., Solomon S. A possible relationship between interannual variability in Antarctic ozone and quasi-biennial oscillation. Geophysical Research Letters. 1987;14(8):848–851. https://doi.org/10.1029/GL014i008p00848

7. Lait L., Schoeberl M.R., Newman P.A. Quasi biennial modulation of the Antarctic ozone depletion. Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 1989;94(D9):11559–11571. https://doi.org/10.1029/JD094iD09p11559

8. Angell J.K. Reexamination of the relation between depth of the Antarctic ozone hole, and equatorial QBO and SST, 1962–1992. Geophysical Research Letters. 1993;20(15):1559–1562. https://doi.org/10.1029/93GL01762

9. Herman J.R., Newman P.A., Larko D. Meteor 3/TOMS observations of the 1994 ozone hole. Geophysical Research Letters. 1995;22(23):3227–3229. https://doi.org/10.1029/95GL02850

10. Holton J.R., Tan H.-C. The influence of the equatorial quasibiennial oscillation on the global circulation at 50 mb. Journal of the Atmospheric Sciences. 1980;37(10):2200–2208. https://doi.org/10.1175/1520-0469(1980)0372.0.CO;2

11. Anstey J.A., Osprey S.M., Alexander J., Baldwin M.P., Butchart N., Gray L., Kawatani Y., Newman P.A., Richter J.H. Impacts, processes and projections of the quasi-biennial oscillation. Nature Reviews and Earth Environment. 2022;3:588–603. https://doi.org/10.1038/s43017-022-00323-7

12. Anstey J.A., Shepherd T.G. High-latitude influence of the quasi-biennial oscillation. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. 2014;140(678):1–21. https://doi.org/10.1002/qj.2132

13. Garfinkel C.I., Shaw T.A., Hartmann D.L., Waugh D.W. Does the Holton-Tan mechanism explain how the quasi-biennial oscillation modulates the arctic polar vortex? Journal of the Atmospheric Sciences. 2012;69(5):1713–1733. https://doi.org/10.1175/JAS-D-11-0209.1.

14. Gray L.J., Anstey J.A., Kawatani Y., Lu H., Osprey S., Schenzinger V. Surface impacts of the quasibiennial oscillation. Atmospheric Chemistry and Physics. 2018;18(11):8227–8247. https://doi.org/10.5194/acp-18-8227-2018

15. Peсa-Ortiz C., Manzini E., Giorgetta M.A. Tropical deep convection impact on southern winter stationary waves and its modulation by the quasi-biennial oscillation. Journal of Climate. 2019;32(21):7453–7467. https://doi.org/10.1175/JCLI-D-18-0763.1

16. White I.P., Lu H., Mitchell N.J., Phillips T. Dynamical response to the QBO in the northern winter stratosphere: signatures in wave forcing and eddy fluxes of potential vorticity. Journal of the Atmospheric Sciences. 2015;72(12):4487–4507. https://doi.org/10.1175/JAS-D-14-0358.1

17. Holton J.R. Influence of the annual cycle in meridional transport of the quasi-biennial oscillation in total ozone. Journal of the Atmospheric Sciences. 1989;46(10):1434–1439. https://doi.org/10.1175/1520-0469(1989)0462.0.CO;2

18. Gray L.J., Ruth S. The modeled latitudinal distribution of the ozone quasi-biennial oscillation using observed equatorial winds. Journal of the Atmospheric Sciences. 1993;50(8):1033–1046. https://doi.org/10.1175/1520-0469(1993)0502.0.CO;2

19. Baldwin M.P., Birner T., Brasseur G., Burrows J., Butchart N., Garcia R., Geller M., Gray L., Hamilton K., Harnik N., Hegglin M.I., Langematz U., Robock A., Sato K., Scaife A. A. 100 years of progress in understanding the stratosphere and mesosphere. Meteorological Monographs. 2019;59(27):1–62. https://doi.org/10.1175/AMSMONOGRAPHS-D-19-0003.1

20. Baldwin M.P., Dunkerton T.J. Quasi-biennial modulations of the Southern Hemisphere stratospheric polar vortex. Geophysical Research Letters. 1998;25(17):3343–3346. https://doi.org/10.1029/98GL02445

21. Габис И.П., Трошичев О.А. Квазидвухлетние осцилляции в экваториальной стратосфере: сезонные закономерности изменения ветра, дискретность периода цикла и прогноз его длительности. Геомагнетизм и аэрономия. 2011;51(4):508–519. https://doi.org/10.1134/S0016793211040104

22. Gabis I.P., Troshichev O.A. QBO cycle identified by changes in height profile of the zonal winds: new regularities. Journal of Atmospheric and Solar–Terrestrial Physics. 2005;67(1–2):33–44. https://doi.org/10.1016/j.jastp.2004.07.015

23. Gabis I.P. Forecast of development of quasi-biennial oscillation in the equatorial stratospheric wind until April 2014. Journal of Atmospheric and Solar–Terrestrial Physics. 2012;80:79–91. https://doi.org/10.1016/j.jastp.2012.03.008

24. Gabis I.P. The validity of long-term prediction of quasi-biennial oscillation (QBO) as a proof of the exact seasonal synchronization of the equatorial stratospheric QBO cycle. Journal of Atmospheric and Solar–Terrestrial Physics. 2015;124:44–58. https://doi.org/10.1016/j.jastp.2015.01.015

25. Gabis I.P. Seasonal dependence of the quasi-biennial oscillation (QBO): New evidence from IGRA data. Journal of Atmospheric and Solar–Terrestrial Physics. 2018;179:316–336. https://doi.org/10.1016/j.jastp.2018.08.012

26. Troshichev O.A., Gabis I.P., Krivolutsky A.A. Influence of cosmic weather on the Earth’s atmosphere. Arctic and Antarctic Research. 2021;67(2):177–207. https://doi.org/10.30758/0555-2648-2021-67-2-177-207

27. Gabis I.P. Quasi-biennial oscillation of the equatorial total ozone: A seasonal dependence and forecast for 2019–2021. Journal of Atmospheric and Solar–Terrestrial Physics. 2020;207(С):105353. https://doi.org/10.1016/j.jastp.2020.105353

28. Gabis I.P. Quasi-biennial modulation of total ozone distribution from equator to polar regions based on observations. Journal of Atmospheric and Solar–Terrestrial Physics. 2023;247:106076. https://doi.org/10.1016/j.jastp.2023.106076