Irkutsk, Russian Federation
Irkutsk, Russian Federation
employee
Irkutsk, Russian Federation
Irkutsk, Russian Federation
In this paper, we describe a method for calculating low-frequency zonal-mean zonal wind variations, which we call torsional oscillations. We compare the torsional oscillations calculated from the NCEP/NCAR reanalysis I, MERRA-2, ECWMF ERA-40, and ERA-Interim projects, using different methods of processing the original data. We estimate the degree of consistency of torsional oscillations, obtained from different reanalysis projects, and discuss the use of torsional oscillations to study circulation processes in the atmosphere.
general atmospheric circulation, torsional oscillations, troposphere, stratosphere, sudden stratospheric warming
ВВЕДЕНИЕ
К низкочастотной изменчивости метеорологических величин относятся колебания во временном диапазоне больше синоптического, т. е. больше 7–10 сут. Низкочастотные колебания могут иметь пространственный масштаб от тысяч до нескольких десятков тысяч километров или даже носить глобальный характер, а их энергия превышает энергию возмущений в синоптическом диапазоне [Переведенцев, 1984; Barnston, Livezey, 1987; Blackmon et al., 1977; Branstator, 1992]. Причинами низкочастотной изменчивости могут быть внешнее возбуждение на нижней границе атмосферы за счет аномалий температуры поверхности океана или влагозапаса в почве; явление васцилляции (vacillation); возможность существования двух и более климатических состояний при одном и том же внешнем возбуждении; развитие долгоживущих элементов циркуляции, таких как замкнутые вихри, модоны и солитоны; волновые взаимодействия; воздействие высокочастотных нестационарных возмущений — циклонов и антициклонов [Уоллес, Блэкман, 1988]. Принципиально различными являются подходы к исследованию низкочастотной изменчивости в тропических и внетропических широтах [Roger, Chorley, 2003; Lejenäs, Madden, 2000; Madden, 2007]. В умеренных широтах низкочастотные (и крупномасштабные) аномалии, как правило, геострофичны. Это существенно упрощает анализ (но не понимание) динамики, структуры и источников низкочастотных возмущений. В тропиках условие геострофичности выполняется хуже, а неустойчивости, обусловленные вертикальными градиентами температуры и значительными потоками скрытого тепла, порождают специфическую динамику с сильной дивергентной и конвергентной составляющими и большими вертикальными скоростями.
То, что низкочастотная изменчивость имеет большие пространственные масштабы, может быть использовано для повышения качества долгосрочных прогнозов погоды и краткосрочных климатических прогнозов, особенно во внетропической зоне, характеризующейся высоким уровнем синоптического шума. Может оказаться перспективным использование информации о поведении и особенностях низкочастотных колебаний в исследовании тропосферно-стратосферных связей, например, при поиске предикторов внезапных стратосферных потеплений (ВСП).
В низкочастотном диапазоне большой интерес представляют вариации индексов Арктической и Антарктической осцилляций, дальние связи [Blackmon et al., 1984a, b; Thompson, Wallace, 2000; Namias, 1981; Simmons et al., 1983], вариации глобального углового момента вращения атмосферы [Egger, Weickmann, 2007; Egger et al., 2007], образование и разрушение блокирующих антициклонов [Tung, Lidzen, 1979].
Частным случаем низкочастотной изменчивости являются вариации зонально-усредненных метеорологических величин. В работах [Feldstein, 1998; Lee et al., 2007] проанализированы вариации средних зональных течений на масштабах времени Т~60–100 сут. Для выделения меридиональных дрейфов был использован регрессионный анализ вариаций скорости ветра вдоль различных широтных кругов (22.58°, 45.08° и 66.58° N, 22.58°, 45.08° и 66.58° S). Согласно полученным результатам, во всех широтных зонах преобладал медленный дрейф к полюсу, который, по мнению авторов, может быть объяснен усредненным эффектом влияния вихревых возмущений на среднее течение в условиях меридионального градиента неадиабатического нагрева. Механизм, предложенный в [Feldstein, 1998], был подтвержден модельными расчетами [Lee et al., 2007].
Иной характер имеют вариации средних зональных величин в диапазоне 10–40 сут, например, обнаруженные нами упорядоченные вариации усредненной вдоль широтных кругов зональной компоненты скорости ветра в интервале 15–20 сут [Мордвинов и др., 2009а, б]. Мы назвали это явление крутильными колебаниями. В данной статье мы описываем методику выделения крутильных колебаний, проводим сравнение различных способов фильтрации исходных данных, сопоставляем крутильные колебания, полученные по данным нескольких архивов реанализа. Особый интерес представляет расчет крутильных колебаний по данным ECMWF ERA и MERRA-2 на высотах, превышающих предельный уровень архива NCEP/NCAR Reanalysis. Анализ этих колебаний может быть полезен для исследования источников возбуждения и их прогноза.
1. Barnston A.G., Livezey R.E. Classification, seasonality, and persistence of low-frequency atmospheric circulation patterns. Mon. Wea. Rev. 1987, vol. 115, pp. 1083-1126. DOI:https://doi.org/10.1175/1520-0493(1987)115<1083:CSAPOL>2.0.CO;2.
2. Blackmon M.L., Wallace J.M., Lau N., Mullen S.L. An observational study of the Northern Hemisphere wintertime circulation. J. Atmos. Sci. 1977, vol. 34, pp. 1040-1053. DOI: 10.1175/ 1520-0469(1977)034<1040:AOSOTN>2.0.CO;2.
3. Blackmon M.L., Wallace J.M., Lee Y.-H. Horizontal structure of 500-mb height fluctuations with short, medium and long time scales. J. Atmos. Sci. 1984a, vol. 41, pp. 961-979. DOI:https://doi.org/10.1175/1520-0469(1984)041<0961:HSOMHF>2.0.CO;2.
4. Blackmon M.L., Wallace J.M., Lee Y.-H., Hsu H.-H. Time variation of 500-mb height fluctuations with short, medium and long time scales. J. Atmos. Sci. 1984b, vol. 41, pp. 981-991. DOI:https://doi.org/10.1175/1520-0469(1984)041<0981:TVOMHF>2.0.CO;2.
5. Branstator G. The maintenance of low-frequency atmospheric anomalies. J. Atmos. Sci. 1992, vol. 49, pp. 1924-1945. DOI:https://doi.org/10.1175/1520-0469(1992)049<1924:TMOLFA>2.0.CO;2.
6. Dee D.P., Uppala S.M., Simmons A.J., Berrisford P., Poli P., Kobayashi S., Andrae U., Balmaseda M.A., Balsamo G., Bauer P., Bechtold P., Beljaars A.C.M., van de Berg L., Bidlot J., Bormann N., Delsol C., Dragani R., Fuentes M., Geer A.J., Haimberger L., Healy S.B., Hersbach H., V. Hólm E., Isaksen L., Kållberg P., Köhler M., Matricardi M., McNally A.P., Monge-Sanz B.M., Morcrette J.J., Park B.K., Peubey C., de Rosnay P., Tavolato C., Thépaut J.-N., Vitart F. The ERA-Interim reanalysis: configuration and performance of the data assimilation system. Q. J. R. Meteorol. Soc. 2011, vol. 137, pp. 553-597. DOI:https://doi.org/10.1002/qj.828.
7. Egger J., Weickmann K.M. Latitude-height structure of the atmospheric angular momentum cycle associated with the Madden-Julian oscillation. Mon. Weather Rev. 2007, vol. 135, no. 4, pp. 1564-1575. DOI:https://doi.org/10.1175/MWR3363.1.
8. Egger J., Weickmann K.M., Hoinka K.-P. Angular momentum in the global atmospheric circulation. Rev. Geophys. 2007, vol. 45. DOI:https://doi.org/10.1029/2006RG000213.
9. Feldstein S.B. An observational study of the intraseasonal poleward propagation of zonal mean flow anomalies. J. Atmos. Sci. 1998, vol. 55, pp. 2516-2529. DOI:https://doi.org/10.1175/1520-0469(1998)055<2516:AOSOTI>2.0.CO;2.
10. Kalnay E., Kanamitsu M., Kistler R., Collins W., Deaven D., Gandin L., Iredell M., Saha S., White G., Woollen J., Zhu Y., Chelliah M., Ebisuzaki W., Higgins W., Janowiak J., Mo K.C., Ropelewski C., Wang J., Leetmaa A., Reynolds R., Roy J., Dennis J. The NCEP/NCAR 40-year reanalysis project. Bull. Amer. Meteor. Soc. 1996, vol. 77, pp. 437-470. DOI:https://doi.org/10.1175/1520-0477(1996)077<0437: TNYRP>2.0.CO;2.
11. Kochetkova O.S., Mordvinov V.I., Rudneva M.A. Analysis of factors affecting the origination of stratospheric warmings. Optika atmosfery i okeana [Atmospheric and Oceanic Optics]. 2014, vol. 27, no. 8, pp. 719-727. (In Russian).
12. Korn G., Korn T. Mathematical Handbook for Scientific Workers and Engineers. Moscow, Nauka Publ., 1984. 831 p. (In Russian).
13. Lee S., Son S-W., Grise K., Feldstein S.B. A mechanism for the poleward propagation of zonal mean flow anomalies. J. Atmos. Sci. 2007, vol. 64, pp. 849-869. DOI:https://doi.org/10.1175/JAS3861.1.
14. Lejenäs H., Madden R.A. Mountain torques caused by normal-mode global Rossby waves, and the impact on atmospheric angular momentum. J. Atmos. Sci. 2000, vol. 57, pp. 1045-1051. DOI:https://doi.org/10.1175/1520-0469(2000)057<1045:MTCBNM>2.0.CO;2.
15. Madden R.A. Large-scale, free Rossby waves in the atmosphere - an update. Tellus. Series A: Dynamic Meteorology and Oceanography. 2007, vol. 59, iss. 5, pp. 571-590. DOI: 10.1111/ j.1600-0870.2007.00257.x.
16. Mordvinov V.I., Ivanova A.S., Devyatova E.V. Excitation of Arctic and Antarctic Oscillations by torsional vibrations. Solnechno-zemnaya fizika [Solar-Terr. Phys.]. 2009a, iss. 13, pp. 55-65. (In Russian).
17. Mordvinov V.I., Ivanova A.S., Devyatova E.V. Excitation of Arctic Oscillation by torsional vibrations. Optika atmosfery i okeana [Atmospheric and Oceanic Optics]. 2009b, vol. 22, no. 2, pp. 1-8. (In Russian).
18. Namias J. Teleconnections of 700 mb height anomalies for the Northern Hemisphere. CALCOFI. 1981, no. 29, 265 p.
19. Perevedentsev Yu.P. Tsirkulyatsionnye i energeticheskie protsessy v srednei atmosphere [Circulation and energy processes in the middle atmosphere]. Kazan, KSU Publ., 1984, 167 p. (In Russian).
20. Rienecker M.M., Suarez M.J., Gelaro R., Todling R., Bacmeister J., Liu E., Bosilovich M.G., Schubert S.D., Takacs L., Kim G.-K., Bloom S., Chen J., Collins D., Conaty A., da Silva A., Gu W., Joiner J., Koster R.D., Lucchesi R., Molod A., Owens T., Pawson S., Pegion P., Redder C.R., Reichle R., Robertson F.R., Ruddick A.G., Sienkiewicz M., Woollen J. MERRA: NASA’s Modern-ERA Retrospective Analysis for Research and Applications. J. Climate. 2011, vol. 24, pp. 3624-3648. DOI:https://doi.org/10.1175/JCLI-D-11-00015.1.
21. Roger G.B., Chorley R.J. Atmosphere, Weather and Climate. Eighth edition by Routledge 11 New Fetter Lane. London EC4P 4EE. 2003, 421p.
22. Rozhkov V.A. Theory and Methods for Statistical Estimation of probabilistic characteristics of random variables and functions with hydrometeorological examples. Saint Petersburg, Gidrometeoizdat, 2002. 779 p. (In Russian).
23. Simmons A.J., Wallace J.M., Branstator G.W. Barotropic wave propagation and instability, and atmospheric teleconnection patterns. J. Atmos. Sci. 1983, vol. 40, no. 6, pp. 1363-1392. DOI:https://doi.org/10.1175/1520-0469(1983)040<1363:BWPAIA>2.0.CO;2.
24. Thompson D.W.J., Wallace J.M. Annular modes in the extratropical circulation, Part I: Month-to-month variability. J. Climate. 2000, vol. 13, pp. 1000-1016. DOI:https://doi.org/10.1175/1520-0442(2000)013<1000:AMITEC>2.0.CO;2.
25. Tung K.K., Lindzen R.S. Theory of stationary long waves. Part I: Simple theory of blocking. Mon. Wea. Rev. 1979, vol. 107, pp. 714-734. DOI:https://doi.org/10.1175/1520-0493(1979) 107<0714:ATOSLW>2.0.CO;2.
26. Uppala S.M., Kållberg P.W., Simmons A.J., Andrae U., da Costa Bechtold V., Fiorino M., Gibson J.K., J. Haseler, Hernandez A., Kelly G.A., Li X., Onogi K., Saarinen S., Sokka N., Allan R.P., Andersson E., Arpe K., Balmaseda M.A., Beljaars A.C.M., van de Berg L., Bidlot J., Bormann N., Caires S., Chevallier F., Dethof A., Dragosavac M., Fisher M., Fuentes M., Hagemann S., Hólm E., Hoskins B.J., Isaksen L., Janssen P.A.E.M., Jenne R., Mcnally A.P., Mahfouf J.-F., Morcrette J.-J., Rayner N.A., Saunders R.W., Simon P., Sterl A., Trenberth K.E., Untch A., Vasiljevic D., Viterbo P., Woollen J. The ERA-40 re-analysis. Q. J. R. Meteorol. Soc. 2005, vol. 131, iss. 612, pp. 2961-3012. DOI:https://doi.org/10.1256/qj.04.176.
27. Wallace J.M., Blackmon M.L. The observable low-frequency variability of the atmosphere. Large-scale dynamic processes in the atmosphere. Moscow, Mir, 1988, pp. 66-109. (In Russian). English edition: Wallace J.M., Blackmon M.L. Observation of low-frequency atmospheric variability. Large-Scale Dynamical Processes in the Atmosphere. Academic Press, 1983, pp. 55-94.
