1.7 Результаты анализа изменчивости потоков импульса и связанной с ней долговременной изменчивости параметров приливных колебаний, оценки долговременных трендов в характеристиках приливных колебаний и анализ точек разрыва трендов на основе данных MERRA2.

С использованием данных реанализов была рассчитана и усреднены для каждого из трех секторов составляющие потока волновой активности и рассчитаны долговременные тренды. Трехмерный вектор потока волновой активности описывает направление распространения планетарных волн.
Рассмотрение вертикальной компоненты потока волновой активности на высоте 20 км показало наличие зоны распространения восходящего потока волновой активности над Дальним Востоком России и отсутствие заметной зоны распространения нисходящего потока. Более того, в первые зимние месяцы наблюдаются наибольшие значения вертикальных потоков из тропосферы в стратосферу с максимумом в декабре.
Рассмотрены усредненные значения вертикальной компоненты потока за 5 лет (2018-2022 гг.) для декабря, января, февраля и марта в Северном полушарии на различных высотных уровнях. Результаты расчетов показали, что на высоте 20 км нисходящие потоки из стратосферы в тропосферу наблюдаются над Гренландией и севером Канады (в третьем секторе), но порядок величин мал в сравнении со значениями восходящей составляющей.
При рассмотрении долговременных трендов потоков волновой активности для зимних месяцев было отмечено, что
• Статистически значимый восходящий тренд наблюдается в январе и марте.
• Расчеты также показали, что, в январе увеличение потока волновой активности из тропосферы в стратосферу характерно для всех секторов.
• В декабре межгодовая изменчивость усиливается только в III секторе.
• Нисходящий статистически значимый тренд потока из тропосферы в стратосферу зафиксирован нами в I секторе в феврале.
• За последние 5 лет тренды существенно отличаются: в феврале величины потоков волновой активности слабеют во всех секторах, а в марте – наоборот, заметно существенное усиление, причем как восходящего потока во втором секторе, так и нисходящего – в третьем. В декабре и январе также происходит существенное усиление потоков волновой активности.
Выявленные долговременные тренды в потоках волновой активности, усиливающиеся в течение последних лет, могут свидетельствовать о динамическом отклике атмосферы на изменение климата. Однако, выявление механизмов, способствующих изменению волновой активности – дополнительная задача, которую еще предстоит решить.


2.6 Описание выявленных закономерностей в колебаниях концентрации озона в средней атмосфере и в ее чувствительности к изменениям фаз КДК и ЭНЮК. Корректный учет потоков озона возможен только на базе расчета ОМЦ.

Для анализа распределения содержания озона над средними и высокими широтами в холодное время года в стратосфере в разных условиях Эль-Ниньо южного колебания (ЭНЮК) и фаз КДК были выбраны и проанализированы 12 зим. По три зимы, соответствующие следующим фазам: Эль-Ниньо + вКДК; Эль-Ниньо + зКДК; Ла-Нинья + вКДК; Ла-Нинья + зКДК. Было проанализировано изменение соотношения смеси озона по месяцам с ноября по март для всех выбранных лет. Для анализа динамических факторов, влияющих на изменение содержания озона, была рассчитана ОМЦ. Основные результаты представлены ниже:
• Максимум содержания над рассматриваемой территорией (30°-90° с.ш.) чаще наблюдается над п-вом Камчатка и Охотским морем. Наблюдаемые исключения связаны с возникновением в атмосфере таких экстремальных возмущений, как ВСП.
• При комбинации фаз Ла-вКДК показатели содержания озона минимальны для января при рассмотрении всех зим в разных условиях.
• Из анализируемых лет ВСП в декабре наблюдалось 1998 г., конце декабре – в 2002 г. и 1982 г., в январе 1986 г., 2009 г. 1999 г. (слабое), 2011 г. 1982 г. и 1994 г., а также серия слабых ВСП в январе 2018 г. Исходя из количества и мощности данных событий, минимальное содержание озона в январе в условиях Ла-вКДК, вероятно, связано с «накопительным эффектом», вызванным слабой остаточной меридиональной циркуляцией.
• При сравнении фазы Ла-Нинья с фазой Эль-Ниньо, более высокие вертикальные скорости в тропической стратосфере способствуют тому, что, при переносе озона на большие высоты и уменьшении его горизонтального переноса в полярную стратосферу, уменьшается его содержание в середине зимы.

3.3 Результаты изучения возможных изменений амплитуд приливных колебаний (мигрирующих и немигрирующих) под воздействием ВСП. Изучение структур ОМЦ перед, во время и после событий ВСП, в зависимости от состояния КДК и ЭНЮК и распространения приливных колебаний на высотах МНТ.

В этой части проекта были рассмотрены следующие приливы: мигрирующие суточный и полусуточный прилив с зональными волновыми числами, соответственно, 1 и 2, а также немигрирующие суточный и полусуточный приливы с зональными числами, соответственно, 2 и 1. Были получены следующие основные результаты:
• Структура приливов мало восприимчива к воздействию ВСП во всех случаях. Наблюдается незначительное уменьшение амплитуд приливов во время ВСП в северном полушарии и увеличение – после. Аналогичный эффект наблюдается по данным реанализа в стратосфере.
• Во время фазы Ла-Нинья + вКДК (рис. 3.3.3 справа) заметно существенное увеличение амплитуды суточного немигрирующего прилива во время ВСП. Амплитуды немигрирующего суточного прилива во время Эль-Ниньо, как правило, больше, чем при Ла-Нинья, а выраженного изменения его структуры во время ВСП не наблюдается.
• Результаты анализа полусуточного немигрирующего прилива показали его усиление во время ВСП для всех рассмотренных сценариев.
• Относительные изменения амплитуд приливов в стратосфере больше, чем в МНТ области, т.е. эффект от ВСП, локализующегося преимущественно в стратосфере, с ростом высоты ослабевает.
Проведенные расчеты амплитуд приливов на разных стадиях ВСП и при усилении стратосферного полярного вихря показали, что изменение структуры зональной циркуляции в арктической области стратосферы может оказывать существенное влияние на такие крупномасштабные возмущения. При определенных условиях, например, во время мажорного ВСП, амплитуда прилива может меняться в 2-3 раза, что связано с температурным и динамическим балансом приполярной области. К указанным изменениям проявляет чувствительность и остаточная меридиональная циркуляция, что объясняется в первую очередь динамическими механизмами, приводящими ее в движение. Например, возникающее во время ВСП усиление нисходящей ветви ОМЦ способно включаться в процесс нагрева приполярной области за счет адиабатического нагрева перемещающихся вниз элементов среды.


3.4 Результаты расчетов пространственно-временных распределений ПВ и приливов в МНТ по во время ВСП в численном и графическом виде.

Были рассчитаны амплитуды и фазы распространяющихся на запад планетарных волн (нормальных атмосферных мод) и стационарных волн на разных стадиях ВСП для внешних условий, характерных для восточной и западной фаз КДК, а также теплой и холодной фаз ЭНЮК. Были получены следующие основные результаты:
• СПВ1 на высотах 30 - 70 км в средних и высоких северных широтах усиливается во время ВСП во всех комбинациях Эль-Ниньо и КДК. После потепления СПВ1 ослабевает и становится меньше, чем была перед потеплением.
• Во время ВСП северная граница волновода СПВ1 смещена на север очень близко к северному полюсу на высотах 30–110 км по сравнению с таковой до ВСП. Это происходит за счет расширения волновода, что создает лучшие условия для распространения СПВ1 во время ВСП, и может объяснить большие вторые максимумы амплитуд СПВ1 на высотах 70–100 км, наблюдаемые во время ВСП на рис. 3.4.1, и большие величины потока ЭП в этой области.
• Более существенное усиление СПВ1 во время потепления происходит при Эль-Ниньо + зКДК; Ла-Нинья + вКДК.
• Важной особенностью 5-дневной волны являются максимумы амплитуд, заметные не только в северной, но и в южной стратосфере, куда распространяются ее волноводы. Это связано с тем, что волны с большими фазовыми скоростями способны распространяться вверх сквозь структуры направленного на запад зонального струйного течения, характерного для летнего (в нашем случае - южного) полушария. Основным условием наличия там волноводов – положительная разность между зональным ветром и фазовой скоростью.
• Для комбинации Эль-Ниньо + вКДК характерны лучшие условия для распространения 5-дневной волны в северном полушарии во время ВСП, сопровождаемые усилением потока ЭП, что приводит к увеличению ее амплитуды именно в это промежуток времени.
• Эль-Ниньо и КДК. Таким образом формируется структура с двойным максимумом амплитуды. При этом происходит и соответствующее изменения ЭП потока, восходящая компонента которого усиливается в стратосфере и МНТ области во время ВСП.
С учетом анализа горизонтальной компоненты потоков Элиассена-Пальма, можно заключить, что рассмотренные планетарные волны обеспечивают динамическую связь обоих полушарий в средней и верхней атмосфере. Вертикальные компоненты потока ЭП для 5- и 10-дневной НАМ, как правило, положительные в средней атмосфере на средних и высоких широтах северного полушария. Это соответствует тепловым волновым потокам, направленным к полюсу, и дополнительному нагреву приполярной стратосферы.
К печати подготовлена статья с описанием выявленных в данном разделе закономерностей.

3.5 Результаты изучения изменений термодинамической структуры полярной стратосферы, вызванных потоками тепла за счет ОМЦ до и во время событий ВСП.

Для расчета ОМЦ и потоков тепла были использованы композиты ВСП, состоящие из 6 индивидуальных событий, для 3 комбинаций КДК и ЭНЮК. ОМЦ и потоки тепла рассчитывались для 10-дневных временных отрезков на разных стадиях ВСП. Были получены следующие основные результаты:
• Для всех комбинаций Эль-Ниньо и КДК во время ВСП наблюдается потепление приполярной стратосферы (ниже 60км) и охлаждение мезосферы. Это сопровождается, соответственно, усилением нисходящей ветви остаточной циркуляции и ее ослаблением.
• Ослабление меридионального переноса более холодных воздушных масс в МНТ области между 60ЮШ и50СШ способствует потеплению этого района. Перед ВСП различим обратный процесс – усиление ОМЦ в МНТ области и соответствующее ее охлаждение.
• Усиление потоков волновой активности, сопровождающееся увеличением амплитуд ПВ (особенно СПВ1) тормозит (вплоть до разворота) стратосферный зональный поток во время ВСП, при этом согревая приполярную область.
• В южном полушарии проявляется существенное изменение ОМЦ и температуры после ВСП, характерное для Эль-Ниньо + зКДК; Ла-Нинья + вКДК (рис. 3.5.1 по центру и справа).
Для более детального анализа особенностей циркуляции во время ВСП при разных комбинациях КДК и Эль-Ниньо были рассчитаны изменения ОМЦ и температуры в зависимости от изменения фазы КДК (при Эль-Ниньо) и от изменения Ла-Нинья- Эль-Ниньо (при вКДК). Для анализа волнового воздействия на средний поток были получены распределения вихревой меридиональной циркуляции. Были получены следующие основные результаты:
• Прежде всего вызывают внимание изменения в южном полушарии, связанные главным образом с изменением структуры 5-дневной волны. Ее усиление при Эль-Ниньо + зКДК; Ла-Нинья + вКДК провоцирует нагревание южной МНТ области за счет ослабления ОМЦ, а конкретно, ее восходящей ветви.
• Изменение фазы Эль-Ниньо (рис. 3.5.2 справа) вызывает постоянный эффект, не зависящий от ВСП и заключающийся в охлаждении приполярной стратосферы и тропосферы (ниже 45-50 км) и нагревании вышележащего слоя.
• Вихревая циркуляция усиливается во время ВСП для всех комбинаций. В целом, это ожидаемый эффект, связанный с усилением волновой активности ПВ во время стратосферного потепления.
• После ВСП волновая активность существенно падает, а эффект от вихревой циркуляции меняет свое направление. Вместо ускорения нисходящих потоков у полюса в стратосфере наблюдается их торможение. Все это говорит о важности учета взаимодействий между ПВ и средним потоком, существенно меняющихся во время ВСП.
• При комбинации Эль-Ниньо + вКДК вихревой вклад в меридиональную циркуляцию сильнее, чем при остальных комбинациях, хотя общие тенденции усиления/ослабления вертикального переноса не меняются.
Для анализа термического состояния стратосферы во время ВСП, были рассчитаны меридиональные и вертикальные вихревые потоки тепла. Показано, что композитное ВСП при комбинации Эль-Ниньо + вКДК наиболее сильное, поток тепла в высокоширотной стратосфере также максимален. Во всех трех комбинациях видно, что перед потеплением вихревой поток тепла усиливается, внося вклад в формирование ВСП. При этом при Эль-Ниньо + вКДК перед потеплением поток тепла, формирующий ВСП, сильнее. Во время потепления он достигает своего пика и резко слабеет после ВСП.
Результаты проведенных численных экспериментов показали существенное отличие в термической и динамической структуре не только стратосферы, но и МНТ области обоих полушарий, возникающее при разных комбинациях КДК и Эль-Ниньо. Т.е., не смотря на то, что эти процессы локализованы в приэкваториальной стратосфере, их влияние, в частности, за счет изменения структур ПВ, распространяется по всей атмосфере. Для более детального исследования механизмов таких взаимодействий и эволюции этих механизмов на разных стадиях ВСП необходимо осуществить более детальный анализ условий распространения волн и взаимодействия волн со средним потоком, включающий в себя анализ волноводов, показателя преломления атмосферы, изменений меридиональных температурных градиентов, 3-мерного потока волновой активности и его дивергенции. Помимо этого, важную роль в крупномасштабных динамических процессах играют нелинейные взаимодействия между различными волнами.
Тщательный анализ всех перечисленных условий запланирован нами на следующие этапы реализации проекта. Это позволит продвинуться в понимании развития динамических процессов, прежде всего, с целью обеспечения возможности их прогнозировать. Так, ВСП обычно сопровождается деформацией полярного вихря, вследствие которого холодный арктический воздух способен вторгаться глубоко в умеренные широты, приводя к экстремальным похолоданиям. Ущерб от таких процессов можно минимизировать, имея возможность заблаговременно к ним подготовиться.

1.8 Результаты анализа структур атмосферных приливов, выделенных на основе численного моделирования и данных наблюдений.

Работы по анализу структур атмосферных приливов, рассчитанных на основе данных COSMIC-2, MERRA-2, данных моделирования, а также работы по их сопоставлению и изучению особенностей воздействия полярного вихря на приливы проводились параллельно и представлены в следующем разделе.

3.6 Результаты анализа влияния состояние полярного вихря (в частности, влияющего на события ВСП) на распространение приливных колебаний, рассчитанные по данным радиозатменного эксперимента COSMIC-2.

Для анализа структур атмосферных приливов были привлечены данные COSMIC-2 и MERRA-2, а также данные моделирования. Основные результаты следующие:
• Общая структура приливов в целом между данными реанализа и наблюдений близка, хотя на широтах 30 град СШ и ЮШ по данным реанализа в стратосфере наблюдаются большие величины суточного прилива, чем в данных COSMIC-2. В низкоширотной области также присутствует сходство: например, во время потепления амплитуда суточного прилива на высоте 50-60км уменьшается, а на 30-40 км увеличивается.
Проведенное сопоставление рассчитанных структур приливов по COSMIC-2 и MERRA-2 с данными моделирования показало, что:
• Как и по данным COSMIC-2 и по реанализу, при моделировании выявляется небольшое усиление амплитуды суточного прилива в экваториальной стратосфере во время ВСП и дальнейшее усиление – после потепления.
• Во внетропической южной стратосфере амплитуда приливов практически не меняется во время ВСП, как по данным реанализа, так и по результатам моделирования.
• Сходство реанализа и моделирования обнаруживается и во внетропической северной стратосфере, где наблюдается ослабление прилива после ВСП.
• Если рассматривать полусуточный мигрирующий прилив, то во время потепления наблюдается усиление на высотах 40 – 60 км и ослабление после ВСП. Схожие тенденции проявляются и при моделировании. В целом, модель МСВА адекватно воспроизводит рассмотренные приливные компоненты.
По данным COSMIC-2 и MERRA-2 также были построены структуры приливов во время усиления стратосферного полярного вихря. Рассчитанные амплитуды приливов во время усиления стратосферного полярного вихря представлены на Рис. 3.6.11. Существенным отличием структуры суточного мигрирующего прилива во время усиления полярного вихря от случаев, рассмотренных выше является увеличение его амплитуды в низкоширотной области и в южном полушарии, в то время как в высокоширотной северной стратосфере наблюдается, наоборот, уменьшение. Таким образом, можно сделать вывод об ослаблении волновой активности приливов, сопровождающем усиление полярного вихря. Ослабление суточного прилива в арктической стратосфере сказывается и на формировании суточного немигрирующего прилива в соответствующей области, что вызвано описанными выше причинами. Рассмотрение полусуточного немигрирующего прилива не дало возможность выделить его реакцию на структуру полярного вихря.
В целом, детальное сопоставление рассчитанных структур приливов по данным наблюдений и моделирования подтвердило наши предыдущие сведения о том, что модель МСВА удовлетворительно воспроизводит данные крупномасштабные процессы. В дальнейшем планируется расширить изучение приливов, в том числе их чувствительность к изменению солнечного воздействия при разных уровнях солнечной активности.