Прогнозируемость климата в стратосфере

Алексей Карпечко¹, Фиона Туммон² и Секретариат ВМО³

Чтобы точно прогнозировать ежедневную эволюцию метеорологических систем, необходимо подробное описание первоначального состояния атмосферы. Следовательно, необходимо иметь хорошее пред­ставление о фактических условиях в атмосфере. Однако прогнозируемость атмосферы в зависимости от ее первоначального состояния ограничивается примерно 10 сутками. За пределами этого ограни­чения можно прогнозировать лишь статистические свойства атмосферных условий. Из них наиболее важными для общества являются среднее состояние атмосферы за некоторый период времени и вероят­ность экстремальных метеорологических явлений.

Такая прогнозируемость представляется возмож­ной, поскольку состояние атмосферы зависит от других компонентов климатической системы. Они меняются медленнее погоды и тем самым ограни­чивают эволюцию атмосферы по направлению к некоторому предпочтительному состоянию. Эти компоненты включают, например, температуру поверхности моря, почвенную влагу, снежный покров и протяженность морского льда.

Метеорологические системы развиваются и существуют в тропосфере (самом нижнем слое атмосферы). Выше этого слоя находится стратос­фера, которая, судя по названию, является сильно стратифицированной, стабильной и сухой. Она не оказывает непосредственного влияния на развитие суточных синоптических процессов. Наоборот, стратосферные условия накладывают ограниче­ния на изменчивость погоды и климата и таким образом могут увеличить прогнозируемость сверх 10-дневного предела таким же образом, как и в отно­шении температуры поверхности моря и морского ледяного покрова. Роль стратосферы в глобальной климатической системе является одним из главных предметов исследования, координируемого СПАРК

Финский метеорологический институт

Международное бюро проекта СПАРК

Борам Ли, старший научный сотрудник, Всемирная программа исследований климата (стратосферные и тропосферные процессы и их роль в климате), являющегося основным проектом Все­мирной программы исследований климата (ВПИК).

СПАРК, основанный в 1992 г., координирует науч­но-исследовательскую деятельность высокого уровня, касающуюся изучения процессов, происходивших в системе Земля на протяжении более чем двух десятилетий. СПАРК стимулирует и поддерживает новейшие международные исследования в области взаимодействия химических и физических процессов в атмосфере с климатом и его изменением и, в частно­сти, играет ведущую роль в организации различных проектов, направленных на решение многих про­блем, связанных с прогнозируемостью атмосферы. Последние достижения в области исследований сопряженной системы стратосферы-тропосферы побудили к составлению этого краткого обзора, содержащего информацию о том, как и когда стра­тосфера обеспечивает прогнозируемость климата, что должно вызывать интерес у более широкого круга читателей, озабоченных проблемами адаптации к изменению климата и смягчения его воздействий.

Стратосфера и ее воздействие на струйное течение

На средних широтах стратосфера простирается на высоте около 10-50 км над поверхностью Земли. В тропиках стратосфера начинается немного выше, на высоте около 18 км. Доминирующей характе­ристикой стратосферы зимой является холодный околополярный вихрь, окруженный сильными запад­ными ветрами, образующими струйное течение на краю полярной ночи. Сила этого струйного течения варьируется так, что иногда преобладают аномально сильные ветры, а в другое время - аномально слабые. Когда струйное течение на краю полярной ночи ослабевает, западные ветры могут иногда резко менять направление и даже становиться восточными. В такие периоды полярный вихрь теплеет на несколько десятков градусов и может отдалиться от полюса или даже разделиться на более мелкие части. Такие периоды называются внезапным стратосферным потеплением. Летом преобладают восточные ветры, и этот сезон является динамически устойчивым при небольшой изменчи­вости, не считая медленные сезонные изменения.

Аномальные условия характера атмосферной цирку­ляции могут влиять на атмосферу на всем протяжении до поверхности Земли. Ключевыми характеристиками тропосферы, которые чувствительны к силе струйного течения на краю полярной ночи, являются сред­нее положение тропосферной западной струи (так называемого струйного течения) и пути циклонов, проходящие вдоль этого струйного течения.

Когда стратосферное струйное течение на краю полярной ночи является аномально слабым, пути циклонов сдвигаются к экватору. Это позволяет холодным арктическим и континентальным воздуш­ным массам проникать в районы с более умеренным климатом. В Северном полушарии такие вторжения холодных воздушных масс обычно происходят на севере Европе и на востоке США. В противном случае, когда струйное течение на краю полярной ночи является аномально сильным, пути цикло­нов направлены к полюсу и приносят умеренные температуры и влажный воздух на север Евразии. Аномальные условия, установившиеся в зимней стра­тосфере, могут сохраняться до нескольких недель, прежде чем она вернется к нормальному состоянию. Такая продолжительность стратосферных аномалий помогает поддерживать аномальное состояние тро­посферной циркуляции и приземного климата, тем самым способствуя повышению прогнозируемости.

Таким образом, когда зимняя стратосфера находится в аномальном состоянии, климатические условия на средних широтах становятся более предсказуемыми. В экстремальных случаях, таких как внезапное стра­тосферное потепление, точные прогнозы средних температур и вероятности вторжения холодных воздушных масс возможны с заблаговременностью до двух месяцев. Прогнозы с расширенным сроком действия могут осуществляться либо с помощью инициализированных динамических систем, либо даже с использованием статистических методов. Но какова причина этих стратосферных аномалий, и можем ли мы прогнозировать их на сезон или даже на год вперед?

Основным механизмом, приводящим к аномалиям стратосферной циркуляции, является воздействие на среднее стратосферное состояние крупных атмос­ферных вихрей, генерируемых топографией и тепло­вой неоднородностью у поверхности Земли. Эти вихри могут распространяться до стратосферы как волны планетарного масштаба только при западных ветрах в стратосфере. Вот почему стратосферные условия изменчивы зимой, но не летом, когда имеют место восточные ветры. Увеличение или уменьшение величины климатологических планетарных волн, которые всегда присутствуют в тропосфере, при­водят соответственно к ослаблению или усилению струйного течения на краю полярной ночи.

Существует множество факторов, контролирующих зарождение и распространение планетарных волн, и благодаря этому точное прогнозирование эволю­ции стратосферы в значительной мере зависит от начальных условий, как и в случае с тропосферой. Таким образом, прогнозируемость аномальных стратосферных условий в большинстве случаев ограничивается примерно 10 сутками, что в равной мере относится и к метеорологическим системам. Тем не менее предполагается возможность прогно­зирования вероятности экстремальных стратосфер­ных явлений до того, как начнется зима.

Планетарные волны

Некоторые факторы, влияющие на зарождение и рас­пространение планетарных волн, можно прогнози­ровать с большой заблаговременностью. Например, изменчивость температур поверхности моря влияет на зарождение планетарных волн в тропосфере. Явление Эль-Ниньо/Южное колебание (ЭНЮК) в тропической части Тихого океана, вероятно, является наиболее заметной характеристикой изменчивости температуры поверхности моря. Во время теплой фазы ЭНЮК, называемой Эль-Ниньо, поток плане­тарных волн в стратосферу Северного полушария зимой обычно увеличивается, также повышается и вероятность внезапного стратосферного потепле­ния. Поскольку фазу ЭНЮК можно прогнозировать с заблаговременностью в несколько месяцев, это позволяет точно предсказывать аномалии стратос­ферного вихря и, следовательно, приземный климат.

ЭНЮК может быть самым заметным приземным фактором, определяющим изменчивость крупномас­штабных планетарных волн в сезонном временном масштабе, но не единственным. Исследования пред­полагают, что другие режимы изменчивости ТПМ, такие как Атлантическое внутривековое колебание или Тихоокеанское десятилетнее колебание, а также осенние аномалии протяженности арктического морского льда также могут оказывать влияние на силу полярного вихря. На континентах снежный покров также создает крупномасштабные тепловые контрасты и тем самым способствует зарождению планетарных волн и возможному возмущению струйного течения на краю полярной ночи.

Тропики и полюса

Другим важным фактором, влияющим на распростра­нение планетарных волн в стратосфере, является направление стратосферных ветров над экватором. В экваториальной стратосфере направление ветра чередуется между западным и восточным с периодом

Комплексная система

Несмотря на то, что стратосфера составляет лишь малую часть атмосферы, она является ключевым компонентом прогнозируемости климата с заблаго-временностью более нескольких суток. Некоторые определяющие климатические факторы, такие как КДК и изменения солнечного цикла или стратосферного озона, непосред­ственно взаимодействуют с климатом в стратосфере. Другие же, такие как ЭНЮК, оказывают влияние на климат непосредственно в тропосфере, но также проникают и в стратосферу, продлевая тем самым свое влияние и воздействуя на климат в отдаленных районах за счет дальних корреля­ционных связей и повышая прогнозируемость. Следует признать, что в большинстве случаев успешность долгосрочных прогнозов приземного климата на основе прогнозируемости стратосферы невысока, но даже этот уровень успешности полезен для многих конечных пользователей и сфер применения. Примером является использование сезонных прогнозов морского льда для прохождения судов в Балтийском море.

Будущее

Какие действия необходимо предпринять, чтобы и в дальнейшем получать пользу от прогнозируемости климата в стратосфере? Пока еще остается много вопросов, на которые предстоит ответить, и много проблем, которые предстоит решить. Для повышения прогнозируемости климата с заблаговременностью от нескольких недель до нескольких месяцев чрезвычайно важно лучше понять и представлять в клима­тических моделях факторы, влияющие на зарождение планетарных волн и их взаимодействие со стратосферной циркуляцией.

Для решения некоторых из этих проблем необходимо поднять верхний уровень моделей, используемых для прогноза климата, выше стратосферы и получить возможность осуществления внутренней генерации КДК в моделях. Несколько центров моделирования климата во всем мире уже внесли эти усовершенствования в свои модели оперативных прогнозов. Кроме того, более точная фиксация сигналов солнечного цикла и измен­чивости стратосферного озона также может потребовать представления в явной форме взаимодействия климата и химических веществ в модели. Это дает потенциальную возможность улучшения прогнозируемости с заблаговременностью на сезон и на более длительный период.

Международное сотрудничество между научно-исследовательскими группами и центрами моделирования климата является наиважнейшим для решения научных проблем и проблем моделирования и, следо­вательно, для совершенствования прогнозов климата.

¹ Finnish Meteorological Institute
² International Project Office for SPARC
³ Boram Lee, Senior Scientific Officer, World Climate Research Programme 

References

• Baldwin, M.P. and T.J. Dunkerton, 2001: Stratospheric harbingers of anomalous weather regimes. Science, 294:581–584.
• Christiansen B., 2005: Downward propagation and statistical forecast of the near-surface weather. Journal of Geophysical Research, 110:D14104, doi:10.1029/2004JD005431.
• Cohen, J., M. Barlow, P.J. Kushner and K. Saito, 2007: Stratosphere–troposphere coupling and links with Eurasian land surface variability. Journal of Climate, 20:5335–5343.
• Gray, L.J., J. Beer, M. Geller, J.D. Haigh, M. Lockwood, K. Matthes, U. Cubasch, D. Fleitmann, G. Harrison, L. Hood, J. Luterbacher, G.A. Meehl, D. Shindell, B. van Geel and W. White, 2010: Solar influences on climate. Reviews of Geophysics, 48:RG4001, doi:10.1029/2009RG000282.
• Ineson, S. and A. Scaife, 2009: The role of the stratosphere in the European climate response to El Niño. Nature Geoscience, 2:32–36.
• Karpechko, A.Yu., K.A. Peterson, A.A. Scaife, J. Vainio and H. Gregow, 2015: Skilful seasonal predictions of Baltic Sea ice cover. Environmental Research Letters, 10:044007, doi:10.1088/1748-9326/10/4/044007.
• Kim, B.-M., S.-W. Son, S.-K. Min, J.-H. Jeong, S.-J. Kim, X. Zhang, T. Shim and J.-H. Yoon, 2014: Weakening of the stratospheric polar vortex by Arctic sea-ice loss. Nature Communications, 5:4646, doi:10.1038/ncomms5646.
• Kirtman, B., D. Anderson, G. Brunet, I.-S. Kang, A. Scaife and D. Smith, 2013: Prediction from weeks to decades. In: Climate Science for Serving Society: Research, Modelling and Prediction Priorities(G.R. Asrar and J.W. Hurrell, eds.). Dordrecht, Springer Science + Business Media.
• Omrani, N.E., N.S. Keenlyside, J.R. Bader and E. Manzini, 2014: Stratosphere key for wintertime atmospheric response to warm Atlantic decadal conditions. Climate Dynamics, 42:649–663.
• Pohlmann, H., W.A. Müller, K. Kulkarni, M. Kameswarrao, D. Matei, F.S.E. Vamborg, C. Kadow, S. Illing and J. Marotzke, 2013: Improved forecast skill in the tropics in the new MiKlip decadal climate predictions. Geophysical Research Letters, 40:5798–5802, doi:10.1002/2013GL058051.
• Polvani, L.M., D. Waugh, G. Correa and S. Son, 2011: Stratospheric ozone depletion: the main driver of twentieth-century atmospheric circulation changes in the southern hemisphere. Journal of Climate, 24:795–812.
• Scaife, A.A., M. Athanassiadou, M. Andrews, A. Arribas, M. Baldwin, N. Dunstone, J. Knight, C. MacLachlan, E. Manzini, W.A. Müller, H. Pohlmann, D. Smith, T. Stockdale and A. Williams, 2014a: Predictability of the quasi-biennial oscillation and its northern winter teleconnection on seasonal to decadal timescales. Geophysical Research Letters, 41:1752–1758, doi:10.1002/ 2013GL059160.
• Scaife, A.A., A. Arribas, E. Blockley, A. Brookshaw, R.T. Clark, N. Dunstone, R. Eade, D. Fereday, C.K. Folland, M. Gordon, L. Hermanson, J.R. Knight, D.J. Lea, C. MacLachlan, A. Maidens, M. Martin, A.K. Peterson, D. Smith, M. Vellinga, E. Wallace and J. Waters, 2014b: Skillful long-range prediction of European and North American winters. Geophysical Research Letters, 41:2514–2519, doi:10.1002/2014GL059637.
• Scaife, A.A., A. Yu. Karpechko, M.P. Baldwin, A. Brookshaw, A.H. Butler, R. Eade, M. Gordon, C. MacLachlan, N. Martin, N. Dunstone and D. Smith, 2015: Seasonal winter forecasts and the stratosphere.Atmospheric Science Letters, 17:51–56, doi:10.1002/asl.598.
• Sigmond, M., J.F. Scinocca, V. Kharin and T.G. Shepherd, 2013: Enhanced seasonal forecast skill following stratospheric sudden warmings. Nature Geoscience, 6:98–102.
• Timmreck, C., 2012: Modeling the climatic effects of large explosive volcanic eruptions. WIREs Climate Change, 3:545–564, doi:10.1002/wcc.192.
• Woo, S.-H., M.-K. Sung, S.-W. Son and J.-S. Kug, 2015: Connection between weak stratospheric vortex events and the Pacific Decadal Oscillation. Climate Dynamics, 45:3481–3492