Характеристики мелкомасштабных волновых возмущений, связанных с эволюцией струйного течения в зимней стратосфере и нижней мезосфере

Циркумполярный вихрь представляет собой крупномасштабную ячейку циклонической циркуляции, которая формируется в холодной воздушной массе над полярной областью и охватывает верхнюю стратосферу и нижнюю мезосферу. Циркумполярный вихрь характеризуется развитием струйного течения – узкого, четко ограниченного потока атмосферного газа с почти горизонтальной осью, высокими скоростями и большими вертикальными и горизонтальными сдвигами ветра. Установлено, что сдвиговые неустойчивости в струйном течении могут приводить к генерации атмосферных волн [1]. Результаты теоретических расчетов показали, что до 10-15% от полной энергии струйного течения может уходить на генерацию волновых возмущений [2]. Конфигурация струйного течения изменяется в течение зимы, при этом распределение основных параметров струйного течения характеризуется значительной пространственной неоднородностью. В результате чего генерация возмущений в стратосфере также происходит не равномерно: выделяются локализованные области, соответствующие более эффективной генерации.
В настоящем исследовании проанализированы характеристики мелкомасштабных возмущений, возникающих в периоды развития и трансформации струйного течения в стратосфере и нижней мезосфере средних и высоких широт в зимние периоды. Для анализа использовались данные архива реанализа ERA5 [3], в том числе: зональная и меридиональная скорости газа, вертикальная скорость. На основе анализа пространственных спектров вариаций в вертикальной скорости газа (w) определены основные параметры возникающих волновых возмущений. Наибольшая интенсивность возмущений регистрируется в областях, соответствующих высоким горизонтальным скоростям струйного течения (от 100 м/с и выше). В Северном полушарии это широты ~ 40-60º с.ш. Показано, что в спокойные зимние периоды, когда в стато-мезосфере сформировалось устойчивое струйное течение, горизонтальная длина наиболее интенсивных возмущений варьируется в пределах 300-1000 км, вертикальная длина волны – 5-10 км. С учетом полученных оценок установлено, что типичные периоды наблюдаемых возмущений соответствует периодам внутренних гравитационных волн (ВГВ). В периоды, предшествующие развитию внезапных стратосферных потеплений (ВСП), струйное течение существенно трансформируется, либо расщепляется. В эти же периоды в пространственных спектрах вариаций регистрируется возникновение интенсивных крупномасштабных планетарных возмущений на высоких широтах, происходит смещение максимума в направлении более длинноволновой области: горизонтальная длина волны наиболее интенсивных возмущений составляет до 10000 км и более. В периоды максимумов ВСП и на фазе восстановления стратосферной циркуляции наблюдается существенное ослабление генерации волновых возмущений, связанное с разрушением струйного течения. Для отдельных событий такое ослабление наблюдалось до месяца после максимума ВСП (например, после ВСП 2010 г.).
Исследование выполнено при финансовой поддержке РНФ в рамках гранта 20-77-00070.