Аномально длительное отсутствие полярных стратосферных облаков в Арктике в середине зимы по данным спутниковых наблюдений

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Полярные стратосферные облака (ПСО) играют значительную роль в формировании полярных озоновых аномалий, выступая в качестве “поверхностей” для гетерогенных реакций, протекающих с высвобождением фотохимически активного молекулярного хлора в период с конца зимы по начало весны. Кроме того, в течение зимы на частицах ПСО происходит накопление “резервуаров” хлора, реагентов гетерогенных реакций. В случае разрушения частиц ПСО в середине зимы, процесс накопления соединений хлора прерывается, и в период с конца зимы по весну не наблюдается разрушения озона даже в условиях сильного полярного вихря, в присутствии вновь сформировавшихся ПСО. В работе с использованием метода оконтуривания вихрей исследована динамика арктического полярного вихря зимой 1984/1985, 1998/1999, 2001/2002, 2012/2013 и 2018/2019 гг., как причины аномально длительного отсутствия ПСО в Арктике в середине зимы, когда в январе они существовали в течение не более 5 дней по данным спутниковых наблюдений. Разрушение частиц ПСО в исследуемые годы наблюдалось при ослаблении динамического барьера полярного вихря, вследствие локального уменьшения скорости ветра по границе вихря ниже 20 м/с в нижней стратосфере, которое регистрировалось на протяжении практически всего января. Описанные в работе случаи являются единственными примерами аномального ослабления арктического полярного вихря в середине зимы за период с 1979 по 2022 г.

Об авторах

В. В. Зуев

Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения РАН

Email: esav.pv@gmail.com
Россия, Томск

Е. С. Савельева

Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: esav.pv@gmail.com
Россия, Томск

Е. А. Сидоровский

Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения РАН; Национальный исследовательский Томский государственный университет

Email: esav.pv@gmail.com
Россия, Томск; Россия, Томск

Список литературы

  1. Агеева В.Ю., Груздев А.Н., Елохов А.С., Мохов И.И., Зуева Н.Е. Внезапные стратосферные потепления: статистические характеристики и влияние на общее содержание NO2 и O3 // Известия РАН. ФАО. 2017. Т. 53. № 5. С. 545–555. https://doi.org/10.7868/S0003351517050014 [Ageyeva V.Y., Gruzdev A.N., Elokhov A.S., Mokhov I.I., Zueva N.E. Sudden stratospheric warmings: statistical characteristics and influence on NO2 and O3 total contents // Izv. Atmos. Ocean. Phys. 2017. V. 53. № 5. P. 477–486. 10.7868/S0003351517050014
  2. Алоян А.Е., Ермаков А.Н., Арутюнян В.О. Моделирование образования полярных стратосферных облаков с учетом кинетических и гетерогенных процессов // Известия РАН. ФАО. 2015. Т. 51. № 3. С. 276–286. https://doi.org/10.7868/S0002351515030025 [Aloyan A.E., Yermakov A.N., Arutyunyan V.O. Modeling the formation of polar stratospheric clouds with allowance for kinetic and heterogeneous processes // Izv. Atmos. Ocean. Phys. 2015. V. 51. № 3. P. 241–250. 10.7868/S0002351515030025
  3. Зуев В.В., Савельева Е.С., Павлинский А.В. Анализ динамики арктического полярного вихря во время внезапного стратосферного потепления в январе 2009 г. // Проблемы Арктики и Антарктики. 2021. Т. 67. № 2. С. 134–146. [Zuev V.V., Savelieva E.S., Pavlinsky A.V. Analysis of the Arctic polar vortex dynamics during the sudden stratospheric warming in January 2009 // Arctic and Antarctic Research. 2021. V. 67. № 2. P. 134–146. https://doi.org/10.30758/0555-2648-2021-67-2-134-146]
  4. Зуев В.В., Савельева Е.С., Павлинский А.В. Особенности ослабления стратосферного полярного вихря, предшествующие его разрушению // Оптика атмосф. и океана. 2022. Т. 35. № 1. С. 81–83. [Zuev V.V., Savelieva E.S., Pavlinsky A.V. Features of stratospheric polar vortex weakening prior to breakdown // Atmos. Ocean. Opt. 2022. V. 35. № 2. P. 183–186. https://doi.org/10.1134/S1024856022020142]https://doi.org/10.15372/AOO20220112
  5. Ayarzagüena B., Polvani L.M., Langematz U., Akiyoshi H., Bekki S., Butchart N., Dameris M., Deushi M., Hardiman S.C., Jöckel P., Klekociuk A., Marchand M., Michou M., Morgenstern O., O’Connor F.M., Oman L.D., Plummer D.A., Revell L., Rozanov E., Saint-Martin D., Scinocca J., Stenke A., Stone K., Yamashita Y., Yoshida K., Zeng G. No robust evidence of future changes in major stratospheric sudden warmings: a multi-model assessment from CCMI // Atmos. Chem. Phys. 2018. V. 18. № 15. P. 11277‒11287. https://doi.org/10.5194/acp-18-11277-2018
  6. Brunet G., Montgomery M.T. Vortex Rossby waves on smooth circular vortices: Part I. Theory // Dynam. Atmos. Oceans. 2002. V. 35. № 2. P. 153–177. https://doi.org/10.1016/S0377-0265(01)00087-2
  7. Ebert M., Weigel R., Kandler K., Günther G., Molleker S., Grooß J.-U., Vogel B., Weinbruch S., Borrmann S. Chemical analysis of refractory stratospheric aerosol particles collected within the arctic vortex and inside polar stratospheric clouds // Atmos. Chem. Phys. 2016. V. 16. № 13. P. 8405–8421. https://doi.org/10.5194/acp-16-8405-2016
  8. Engel I., Luo B.P., Pitts M.C., Poole L.R., Hoyle C.R., Grooß J.-U., Dörnbrack A., Peter T. Heterogeneous formation of polar stratospheric clouds – Part 2: Nucleation of ice on synoptic scales // Atmos. Chem. Phys. 2013. V. 13. № 21. P. 10769–10785. https://doi.org/10.5194/acp-13-10769-2013
  9. Gelaro R., McCarty W., Suárez M.J., Todling R., Molod A., Takacs L., Randles C.A., Darmenov A., Bosilovich M.G., Reichle R., Wargan K., Coy L., Cullather R., Draper C., Akella S., Buchard V., Conaty A., da Silva A.M., Gu W., Kim G.-K., Koster R., Lucchesi R., Merkova D., Nielsen J.E., Partyka G., Pawson S., Putman W., Rienecker M., Schubert S.D., Sienkiewicz M., Zhao B. The Modern-Era Retrospective Analysis for Research and Applications, Version 2 (MERRA-2) // J. Climate. 2017. V. 30. № 14. P. 5419–5454. https://doi.org/10.1175/JCLI-D-16-0758.1
  10. Gomez-Martin L., Toledo D., Prados-Roman C., Adame J.A., Ochoa H., Yela M. Polar stratospheric clouds detection at Belgrano II Antarctic station with Visible ground-based spectroscopic measurements // Remote Sens. 2021. V. 13. № 8. P. 1412. https://doi.org/10.3390/rs13081412
  11. Grooß J.-U., Müller R. Simulation of record Arctic stratospheric ozone depletion in 2020 // J. Geophys. Res. Atmos. 2021. V. 126. № 12. P. e2020JD033339. https://doi.org/10.1029/2020JD033339
  12. Harris N.R.P., Lehmann R., Rex M., von der Gathen P. A closer look at Arctic ozone loss and polar stratospheric clouds // Atmos. Chem. Phys. 2010. V. 10. № 17. P. 8499–8510. https://doi.org/10.5194/acp-10-8499-2010
  13. Hersbach H., Bell B., Berrisford P., Hirahara S., Horányi A., Muñoz-Sabater J., Nicolas J., Peubey C., Radu R., Schepers D., Simmons A., Soci C., Abdalla S., Abellan X., Balsamo G., Bechtold P., Biavati G., Bidlot J., Bonavita M., de Chiara G., Dahlgren P., Dee D., Diamantakis M., Dragani R., Flemming J., Forbes R., Fuentes M., Geer A., Haimberger L., Healy S., Hogan R.J., Hólm E., Janisková M., Keeley S., Laloyaux P., Lopez P., Lupu C., Radnoti G., de Rosnay P., Rozum I., Vamborg F., Villaume S., Thépaut J.-N. The ERA5 global reanalysis // Q. J. Roy. Meteor. Soc. 2020. V. 146. № 729. P. 1–51. https://doi.org/10.1002/qj.3803
  14. Hoyle C.R., Engel I., Luo B.P., Pitts M.C., Poole L.R., Grooß J.-U., Peter T. Heterogeneous formation of polar stratospheric clouds – Part 1: Nucleation of nitric acid trihydrate (NAT) // Atmos. Chem. Phys. 2013. V. 13. № 18. P. 9577–9595. https://doi.org/10.5194/acp-13-9577-2013
  15. Jaiser R., Dethloff K., Handorf D. Stratospheric response to Arctic sea ice retreat and associated planetary wave propagation changes // Tellus A. 2013. V. 65. № 1. P. 19375. https://doi.org/10.3402/tellusa.v65i0.19375
  16. Kim B.-M., Son S.-W., Min S.-K., Jeong J.-H., Kim S.-J., Zhang X., Shim T., Yoon J.H. Weakening of the stratospheric polar vortex by Arctic sea-ice loss // Nat. Commun. 2014. V. 5. P. 4646. https://doi.org/10.1038/ncomms5646
  17. Kirner O., Ruhnke R., Buchholz‑Dietsch J., Jöckel P., Brühl C., Steil B. Simulation of polar stratospheric clouds in the chemistry‑climate-model EMAC via the submodel PSC // Geosci. Model Dev. 2011. V. 4. № 1. P. 169–182. https://doi.org/10.5194/gmd-4-169-2011
  18. Lawrence Z.D., Perlwitz J., Butler A.H., Manney G.L., Newman P.A., Lee S.H., Nash E.R. The remarkably strong Arctic stratospheric polar vortex of winter 2020: Links to record-breaking Arctic Oscillation and ozone loss // Geophys. Res. Lett. 2020. V. 125. № 22. P. e2020JD033271. https://doi.org/10.1029/2020JD033271.
  19. Manney G.L., Zurek R.W. On the motion of air through the stratospheric polar vortex // J. Atmos. Sci. 1994. V. 51. № 20. P. 2973‒2994. https://doi.org/10.1175/1520-0469(1994)051<2973:OTMOAT>2.0.CO;2
  20. Massoli P., Maturilli M., Neuber R. Climatology of Arctic polar stratospheric clouds as measured by lidar in Ny-Ålesund, Spitsbergen (79° N, 12° E) // J. Geophys. Res. Atmos. 2006. V. 111. № 9. P. D09206. https://doi.org/10.1029/2005JD005840
  21. Mitchell D.M., Osprey S.M., Gray L.J., Butchart N., Hardiman S.C., Charlton-Perez A.J., Watson P. The effect of climate change on the variability of the Northern Hemisphere stratospheric polar vortex // J. Atmos. Sci. 2012. V. 69. № 8. P. 2608–3812. https://doi.org/10.1175/JAS-D-12-021.1
  22. Molleker S., Borrmann S., Schlager H., Luo B., Frey W., Klingebiel M., Weigel R., Ebert M., Mitev V., Matthey R., Woiwode W., Oelhaf H., Dörnbrack A., Stratmann G., Grooß J.-U., Günther G., Vogel B., Müller R., Krämer M., Meyer J., Cairo F. Microphysical properties of synoptic-scale polar stratospheric clouds: in situ measurements of unexpectedly large HNO3-containing particles in the Arctic vortex // Aтыtmos. Chem. Phys. 2014. V. 14. № 19. P. 10785–10801. https://doi.org/10.5194/acp-14-10785-2014
  23. Montgomery M.T., Brunet G. Vortex Rossby waves on smooth circular vortices: Part II. Idealized numerical experiments for tropical cyclone and polar vortex interiors // Dynam. Atmos. Oceans. 2002. V. 35. № 2. P. 179–204. https://doi.org/10.1016/S0377-0265(01)00088-4
  24. Newman P., Lait L.R., Schoeberl M., Nash E.R., Kelly K., Fahey D.W., Nagatani R., Toohey D., Avallone L., Anderson J. Stratospheric meteorological conditions in the Arctic polar vortex, 1991 to 1992 // Science. 1993. V. 261. № 5125. P. 1143–1146. https://doi.org/10.1126/science.261.5125.1143
  25. Newman P.A., Kawa S.R., Nash E.R. On the size of the Antarctic ozone hole // Geophys. Res. Lett. 2004. V. 31. № 21. P. L21104. https://doi.org/10.1029/2004GL020596
  26. Pitts M.C., Poole L.R., Gonzalez R. Polar stratospheric cloud climatology based on CALIPSO spaceborne lidar measurements from 2006 to 2017 // Atmos. Chem. Phys. 2018. V. 18. № 15. P. 10881–10913. https://doi.org/10.5194/acp-18-10881-2018
  27. Polvani L.M., Saravanan R. The three-dimensional structure of breaking Rossby waves in the polar wintertime stratosphere // J. Atmos. Sci. 2000. V. 57. № 21. P. 3663–3685. https://doi.org/10.1175/1520-0469(2000)057<3663:TTDSOB>2.0.CO;2
  28. Rodriguez J.M., Ko M.K.W., Sze N.D., Heisey C.W., Yue G.K., McCormick M.P. Ozone response to enhanced heterogeneous processing after the eruption of Mt. Pinatubo // Geophys. Res. Lett. 1994. V. 21. № 3. P. 209–212. https://doi.org/10.1029/93GL03537
  29. Screen J.A. Simulated atmospheric response to regional and pan-Arctic sea ice loss // J. Climate. 2017. V. 30. № 11. P. 3945–3962. https://doi.org/10.1175/JCLI-D-16-0197.1
  30. Screen J.A. Arctic sea ice at 1.5 and 2°C // Nat. Clim. Change. 2018. V. 8. P. 362–363. https://doi.org/10.1038/s41558-018-0137-6
  31. Sigmond M., Fyfe J.C., Swart N.C. Ice-free Arctic projections under the Paris Agreement // Nat. Clim. Change. 2018. V. 8. P. 404‒408. https://doi.org/10.1038/s41558-018-0124-y
  32. Sobel A.H., Plumb R.A., Waugh D.W. Methods of calculating transport across the polar vortex edge // J. Atmos. Sci. 1997. V. 54. № 18. P. 2241–2260. https://doi.org/10.1175/1520-0469(1997)054<2241:MOCTAT>2.0.CO;2
  33. Solomon S., Garcia R.R., Rowland F.S., Wuebbles D.J. On the depletion of Antarctic ozone // Nature. 1986. V. 321. P. 755–758. https://doi.org/10.1038/321755a0
  34. Solomon S. Stratospheric ozone depletion: a review of concepts and history // Rev. Geophys. 1999. V. 37. № 3. P. 275–316. https://doi.org/10.1029/1999RG900008
  35. Solomon S., Kinnison D., Bandoro J., Garcia R. Simulation of polar ozone depletion: An update // J. Geophys. Res. 2015. V. 120. № 15. P. 7958–7974. https://doi.org/10.1002/2015JD023365
  36. Steiner M., Luo B., Peter T., Pitts M.C., Stenke A. Evaluation of polar stratospheric clouds in the global chemistry–climate model SOCOLv3.1 by comparison with CALIPSO spaceborne lidar measurements // Geosci. Model Dev. 2021. V. 14. № 2. P. 935–959. https://doi.org/10.5194/gmd-14-935-2021.
  37. Stenchikov G., Robock A., Ramaswamy V., Schwarzkopf M.D., Hamilton K., Ramachandran S. Arctic Oscillation response to the 1991 Mount Pinatubo eruption: Effects of volcanic aerosols and ozone depletion // J. Geophys. Res. 2002. V. 107. № 24. P. ACL28. https://doi.org/10.1029/2002JD002090
  38. Stroeve J., Notz D. Changing state of Arctic sea ice across all seasons // Environ. Res. Lett. 2018. V. 13. № 10. P. 103001. https://doi.org/10.1088/1748-9326/aade56
  39. Tritscher I., Pitts M.C., Poole L.R., Alexander S.P., Cairo F., Chipperfield M.P., Grooß J.-U., Höpfner M., Lambert A., Luo B., Molleker S., Orr A., Salawitch R., Snels M., Spang R., Woiwode W., Peter T. Polar stratospheric clouds: Satellite observations, processes, and role in ozone depletion // Rev. Geophys. 2021. V. 59. № 2. P. e2020RG000702. https://doi.org/10.1029/2020RG000702.
  40. Waugh D.W., Randel W.J. Climatology of Arctic and Antarctic polar vortices using elliptical diagnostics // J. Atmos. Sci. 1999. V. 56. № 11. P. 1594–1613. https://doi.org/10.1175/1520-0469(1999)056<1594:COAAAP>2.0.CO;2
  41. Waugh D.W., Sobel A.H., Polvani L.M. What is the polar vortex and how does it influence weather? // Bull. Amer. Meteor. Soc. 2017. V. 98. № 1. P. 37–44. https://doi.org/10.1175/BAMS-D-15-00212.1
  42. Zuev V.V., Savelieva E. The role of the polar vortex strength during winter in Arctic ozone depletion from late winter to spring // Polar Sci. 2019. V. 22. P. 100469. https://doi.org/10.1016/j.polar.2019.06.001
  43. Zuev V.V., Savelieva E. Arctic polar vortex dynamics during winter 2006/2007 // Polar Sci. 2020. V. 25. P. 100532. https://doi.org/10.1016/j.polar.2020.100532
  44. Zuev V.V., Savelieva E. Sensitivity of polar stratospheric clouds to the Arctic polar vortex weakening in the lower stratosphere in midwinter // Proc. SPIE. 2021. V. 11916. P. 1191674. https://doi.org/10.1117/12.2599025

Дополнительные файлы


© В.В. Зуев, Е.С. Савельева, Е.А. Сидоровский, 2023