Izvestiya, Atmospheric and Oceanic PhysicsIzvestiya, Atmospheric and Oceanic PhysicsИзвестия РАН. Физика атмосферы и океана0002-35153034-6487The Russian Academy of Sciences68293910.31857/S0002351525010072HFARFYArticlesСтатьиResearch ArticleEstimates of the tropopause height and its variations based on the reanalysius dataОценка высоты тропопаузы и ее вариаций по данным реанализаKuzminA. M.КузьминА. М.
Russian Federation

Физический факультет

Aleksey.kuz.min@yandex.ruEliseevA. V.ЕлисеевА. В.
Russian Federation

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Физический факультет;

Aleksey.kuz.min@yandex.ruMokhovI. I.МоховИ. И.
Russian Federation

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Физический факультет;

Aleksey.kuz.min@yandex.ruLomonosov Moscow State UniversityМосковский государственный университет им. М.В. ЛомоносоваObukhov Institute of Atmospheric Physics RASИнститут физики атмосферы им. А.М. Обухова РАНMarchuk Institute of Numerical Mathematics RASИнститут вычислительной математики им. Г.И. Марчука РАНGaponov-Grekhov Institute of Applied Physics RASИнститут прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАНMoscow Institute of Physics and TechnologyМосковский физико-технический институт (университет)2801202561110011005062025Copyright ©; 2025, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2025, Российская академия наук2025Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0https://journals.eco-vector.com/0002-3515/article/view/682939

Estimates of the tropopause height for the period 1980–2023 were obtained from the monthly average data of the ERA5 reanalysis and NCEP/DOE II for the atmospheric temperature and (in the case of using the isobaric vertical coordinate) geopotential height on a three–dimensional grid. Algorithm for estimating tropopause height Htr is refined with the possibility of applying to data of high spatial resolution. The estimated multi–year means of tropopause height change from 16–17 km in the tropics to 8–9 km in the polar regions with only relatively weak non–zonal features. At the same time, interannual variations of Htr characterized by standard deviations are comparable to the vertical resolution of the used reanalysis data (several hundred meters), reaching one and a half to two kilometers in the subtropical regions, two kilometers in the regions of subtropical jets (especially in the winter hemisphere). The peculiarities of variations of the tropopause height with a period of about 4 years were revealed, which can be explained by the influence of El Niño/La Niña events on the regional processes of formation of the deep convection in the atmosphere. the statistically significant linear trends of the tropopause height in the subtropics (several m/year) were noted.

Получены оценки высоты тропопаузы для периода 1980–2023 гг. по среднемесячным данным реанализа ERA5 и NCEP/DOE II для температуры атмосферы и (в случае использования изобарической вертикальной координаты) высоты геопотенциала на трехмерной сетке. Алгоритм оценки высоты тропопаузы Htr уточнен с возможностью применения к данным высокого пространственного разрешения. Для оцененных средних многолетних значений высоты тропопаузы в диапазоне от 16–17 км в тропиках до 8–9 км в полярных широтах отмечены относительно слабые незональные особенности. При этом межгодовые вариации Htr, характеризуемые стандартными отклонениями, сопоставимы с вертикальным разрешением использованных данных реанализа (несколько сот метров), достигая полутора–двух километров в областях субтропических струйных течений (особенно в зимнем полушарии). Выявлены особенности вариаций высоты тропопаузы с периодом около 4 лет, которые можно объяснить влиянием событий Эль-Ниньо/Ла-Нинья на региональные процессы формирования глубокой конвекции в атмосфере. По данным реанализа для периода 1980–2023 гг. отмечены статистически значимые линейные тренды высоты тропопаузы в субтропиках (несколько м/год).

tropopause heightdouble tropopausesubtropical jetsreanalysis dataERA5NCEP/DOE Reanalysis IIвысота тропопаузыдвойная тропопаузасубтропическое струйное течениеданные реанализаERA5NCEP/DOE Reanalysis IIРоссийский научный фондRussian Science Foundation23–62–10043Российский научный фондRussian Science Foundation24-17-00211Безотеческая Е.А., Чхетиани О.Г., Мохов И.И. Изменчивость струйных течений в атмосфере Северного полушария в последние десятилетия (1980–2021 гг.) // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2023. Т. 59. № 3. С. 265–274.Дженкинс Г., Ваттс Д. Спектральный анализ и его приложения. Т. 1. M.: Мир, 1971. 318 с.Дженкинс Г., Ваттс Д. Спектральный анализ и его приложения. Т. 2. M.: Мир, 1972. 288 с.Иванова А.Р. Тропопауза — многообразие определений и современные подходы к идентификации // Метеорология и гидрология. 2013. № 12. С. 23–36.Маховер З.М. Климатология тропопаузы. Л.: Гидрометеоиздат. 1983. 256 c. Моханакумар К. Взаимодействие стратосферы и тропосферы. М.: Физматлит, 2011. 452 с.Мохов И.И. Метод амплитудно-фазовых характеристик для анализа динамики климата // Метеорология и гидрология. 1985. № 5. С. 80–89.Мохов И.И. Диагностика особенностей годового хода температурного режима атмосферы в модели общей циркуляции // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1989. Т. 25. № 2. С. 143–150.Мохов И.И. Диагностика структуры климатической системы. СПб.: Гидрометеоиздат. 1993. 270 с.Мохов И.И., Елисеев А.В., Хандорф Д. и др. Северо-Атлантическое Колебание: диагноз и моделирование декадной изменчивости и ее долгопериодной эволюции // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2000. Т. 36. № 5. С. 605–616.Мохов И.И., Елисеев А.В., Хворостьянов Д.В. Эволюция характеристик климатической изменчивости, связанной с явлениями Эль–Ниньо/Ла–Нинья // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2000. Т. 36. № 6. С. 741–751.Мохов И.И., Акперов М.Г. Вертикальный температурный градиент в тропосфере и его связь с приповерхностной температурой по данным реанализа // Изв. РAH. Физика атмосферы и океана. 2006. Т. 42. № 4. C. 467–475.Шакина Н.П., Борисова В.В. Опыт использования потенциального вихря для расчета высоты тропо-паузы // Метеорология и гидрология. 1992. № 9. С. 57.Bethan S., Vaughan G., Reid S.J. A comparison of ozone and thermal tropopause heights and the impact of tropopause definition on quantifying the ozone content of the troposphere // Quart. J. Roy. Meteorol. Soc., Part B. 1996. V. 122. № 532. P. 929–944.Deser C., Alexander M.A., Xie S.P., Phillips A.S. Sea surface temperature variability: Patterns and mechanisms // Annual review of marine science. 2010. V. 2. № 1. P. 115–143.Handorf D., Petoukhov V.K., Dethloff K. et al. Decadal climate variability in a coupled atmosphere-ocean climate model of moderate complexity // J. Geophys. Res. 1999. V. 104. № D22. P. 27253–27275.Hersbach H., Bell B., Berrisford P. et al. The ERA5 global reanalysis // Quart. J. Roy. Meteorol. Soc. 2020. V. 146. № 730. P. 1999–2049.Hoinka K.P. Statistics of the global tropopause pressure // Mon. Weather Rev. 1998. V. 126. № 12. P. 3303–3325.Hoerling M.P., Schaack T.K., Lenzen A.J. Global objective tropopause analysis // Mon. Weather Rev. 1991. V. 119. № 8. С. 1816–1831.Holton J.R., Haynes P.H., McIntyre M.E. et al. Stratosphere-troposphere exchange // Reviews of geophysics. 1995. Т. 33. № 4. P. 403–439.Hu S., Vallis G.K. Meridional structure and future changes of tropopause height and temperature // Quart. J. Roy. Meteorol. Soc. 2019. V. 145. № 723. P. 2698–2717.Kanamitsu M., Ebisuzaki W., Woollen J. et al. Ncep–doe amip–ii reanalysis (r–2) // Bull. Am. Meteorol Soc. 2002. V. 83. № 11. P. 1631–1644.Liu C. Severe weather in a warming climate // Nature. 2017. V. 544. № 7651. P. 422–423. Liu C., Barnes E. Synoptic formation of double tropopauses // Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 2018. V. 123. № 2. P. 693–707.Liu N., Liu C. Global distribution of deep convection reaching tropopause in 1 year GPM observations // Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 2016. V. 121. № 8. P. 3824–3842.Mateus P., Mendes V.B., Pires C.A.L. Global empirical models for tropopause height determination // Remote Sensing. 2022. V. 14. № 17. P. 4303.Meng L., Liu J., Tarasick D.W. et al. Continuous rise of the tropopause in the Northern Hemisphere over 1980–2020 // Science Advances. 2021. V. 7. № 45. eabi8065.Reed R.J. A study of a characteristic tpye of upper-level frontogenesis // Journal of Atmospheric Sciences. 1955. V. 12. № 3. P. 226–237.Reichler T., Dameris M., Sausen R. Determining the tropopause height from gridded data // Geophysical research letters. 2003. V. 30. № 20.Shapiro M.A. Turbulent mixing within tropopause folds as a mechanism for the exchange of chemical constituents between the stratosphere and troposphere // Journal of Atmospheric Sciences. 1980. V. 37. № 5. P. 994–1004.Son S.W., Polvani L.M., Waugh D.W. et al. The impact of stratospheric ozone recovery on the Southern Hemisphere westerly jet // Science. 2008. V. 320. № 5882. P. 1486–1489.Taylor C.M., Belušić D., Guichard F. et al. Frequency of extreme Sahelian storms tripled since 1982 in satellite observations // Nature. 2017. V. 544. № 7651. P. 475–478.Thuburn J., Craig G.C. GCM tests of theories for the height of the tropopause // Journal of the Atmospheric Sciences. 1997. V. 54. № 7. P. 869–882.Tinney E.N., Homeyer C.R., Elizalde L. et al. A Modern Approach to a Stability-Based Definition of the Tropopause // Mon. Weather Rev. 2022. V. 150. № 12 P. 3151–3174.Ulbrich U., Pinto J.G., Kupfer H. et al. Changing Northern Hemisphere storm tracks in an ensemble of IPCC climate change simulations // Journal of Climate. 2008. V. 21. № 8. P. 1669–1679.Wilcox L.J., Hoskins B.J., Shine K.P. A global blended tropopause based on ERA data. Part I: Climatology // Quart. J. Roy. Meteorol. Soc. 2012. V. 138. № 664. P. 561–575.Wilcox L.J., Hoskins B.J., Shine K.P. A global blended tropopause based on ERA data. Part II: Trends and tropical broadening // Quart. J. Roy. Meteorol. Soc. 2012. V. 138. № 664. P. 576–584.WMO. World Meteorological Organization (WMO): Geneva, Switzerland. 1957. V. 6. P. 136.Wu X., Fu Q., Kodama C. Response of Tropical Overshooting Deep Convection to Global Warming Based on Global Cloud-Resolving Model Simulations // Geophysical Research Letters. 2023. V. 50. № 14. e2023GL104210.Zängl G., Hoinka K.P. The tropopause in the polar regions // Journal of Climate. 2001. V. 14. № 14. P. 3117–3139.