„Късната пролет няма да излъже.“

Един от най-големите и значими обекти на общата атмосферна циркулация в Арктика е циркумполярният вихър. В студената част на годината той е циклон от планетарен мащаб с център близо до полюса както в тропосферата, така и в стратосферата, формиращ движението на въздушните маси от запад на изток. В тропосферата планетарният циклоничен вихър се запазва в топлата част на годината, но в стратосферата по това време настъпват дълбоки промени в топлинните и циркулационните режими.

С настъпването на пролетта, с увеличаване на слънчевата радиация и нейното поглъщане от озона, полярната стратосфера се нагрява, и то толкова силно, че меридионалният температурен градиент обръща знака си в сравнение със зимата (относителна топлина на полюса, студ на екватора) . Съответно, баричният градиент също се обръща в цялото полукълбо и зимният циклоничен вихър се заменя от стратосферен циркумполярен летен антициклон. В резултат на това в стратосферата се формира пренос изток-запад.

Този процес се нарича пролетно стратосферно пренареждане и се случва всяка година по различно време. Най-ранното преструктуриране се наблюдава в началото на март, най-късното – в средата на май. Редица изследвания показват как датата на пролетната стратосферна циркулация влияе върху формирането на дългосрочни аномалии в тропосферната циркулация и времето. Една от тези разработките за ефекта на стратосферните пренареждания върху температурния режим на европейската територия на Русия вдъхнови авторите да анализират връзката между пренарежданията и времето над територията на Арктика. Нека разгледаме как датата (срока) на стратосферните пренареждания може да повлияе на температурния режим на Арктическия регион.

Като начало беше подготвен масив с датите на пролетните пренареждания на стратосферата. Данните от повторния анализ на NCEP от уебсайта на US NOAA в точките на мрежата от 2,5 на 2,5 градуса бяха използвани като първоначални данни за работата. Формирани са бази данни за температурата на въздуха в близост до земната повърхност от 1948 до 2020 г. и геопотенциалната височина на изобарната повърхност от 10 hPa от 2000 до 2020 г. на ширини 40° с.ш. ш. и 90° с. ш.

Ежегодни дати на пролетните стратосферни пренареждания от 1958 до 2003 г. включително се използват от работата на Е. А. Бакулин и А. И. Угрюмов. Авторите изчисляват индекса на зоналната атмосферна циркулация от A. L. Kats върху изобарната повърхност от 10 hPa (31 km). Тук също анализирахме времето на пренареждане, използвайки метода на D. A. Pedya и заключихме, че изборът на метод не влияе на резултатите. Следователно, през последните години (от 2003 до 2020 г.), за простота, датите на пролетните пренареждания бяха определени по метода на D. A. Pedya въз основа на времевия ход на стойностите на скоростта на планетарния вихър върху изобарна повърхност от 10 hPa :

където H = nƩHi; L е параметърът на Кориолис; g е ускорението на свободното падане; H е средната стойност на абсолютния геопотенциал Hi (gp. dam) по окръжност с радиус r (по паралела φ = 40° N); H0 е стойността на геопотенциала на полюса. r е разстоянието между полюса и 40° северна ширина.

Въз основа на стабилния преход на Ω през 0 към положителни стойности през пролетния период беше определена датата на преструктуриране на стратосферата. Като критерии за видовете пренареждания са използвани градации от: ранни от 9 март до 5 април, средни от 6 април до 26 април и късни от 27 април до 13 май.
Така допълнената таблица за видовете пренареждания на пролетната циркулация в стратосферата на ниво от 10 hPa от 1958 до 2020 г. изглежда както следва:
Таблица 1 Дати на пролетни стратосферни пренареждания от 1958 до 2020 г.

За да се анализира тенденцията във времето на преструктуриране, е изградена графика на повторяемостта на преструктурирането по десетилетия (рис. 1).

Рис. 1. Повторяемост на типовете стратосферни пренареждания в продължение на десетилетия

От 1970 до 1980 г има максимум на ранни пренареждания. От 1980 до 1990 г броят на ранните пренареждания намалява значително, но все пак техният брой преобладава над другите типове. От 1990 г. по-голямата част от пренарежданията вече е средно. Максималният брой късни типове е отбелязан от 2000 до 2010 г. Така през последните години броят на ранните пренареждания значително намалява и се увеличава броят на средните и късните.

След това се анализира връзката между времето на преструктуриране и температурата на въздуха. От всички видове са разгледани само ранните пренареждания, тъй като в предишни работи с тях са били получени най-добрите резултати.

За годините с ранни преструктурирания, за всеки месец от март до май включително, се нанасят полетата на аномалиите на температурата на въздуха в Арктика. Във всяка точка годишните температурни аномалии на повърхността за март, април и май бяха изчислени по формула (2):

където ΔTа е температурната аномалия във възела на мрежата; Ti,j,k е средната месечна температура във възела на мрежата; Tсрv i,j е средната месечна температура във възела на мрежата, осреднена за периода 1958–2020 г.

С помощта на корелационните коефициенти на Фехнер беше оценена връзката между аномалиите на температурата на въздуха за март, април и май през годините на ранните пренареждания на стратосферата. Коефициентът на корелация се изчислява по следната формула:

където nсовп е броят точки на мрежата, при които аномалиите на двете сравнявани полета съвпадат по знак, nнесовп е броят точки на мрежата, при които аномалиите на двете сравнявани полета не съвпадат по знак, N е общият брой на мрежата точки.
За март, април и май са изградени корелационни матрици на аномалните полета на температурата на въздуха. Ще приемем, че полетата са подобни, ако коефициентът на корелация ρ ≥ 0,2. Така всички години могат да бъдат разделени на класове. За по-нататъшно изследване бяха избрани два класа за всеки разглеждан месец: топъл и студен. Не е препоръчително да се вземат повече класове, с увеличаване на броя на класовете се появяват нови видове студени полета.

Март

Рис. 2. Видове полета на температурни аномалии през март

Тип 1. Топло. Цялата централна част на Арктика се намира в зоната на положителни температурни аномалии. Максималната температура се наблюдава между архипелага Свалбард и Земята на Франц Йосиф и е 6 °С. Малък минимум на температурни аномалии се наблюдава в близост до Канадския архипелаг, Източносибирско и Чукотско море до –2 °С.
Тип 2. Студено. Температурите са под нормалните в по-голямата част от Арктика. С минимум в централната част, близо до Канадския архипелаг, Източносибирско и Чукотско море до -4 °C. Максималните температурни аномалии се наблюдават в Норвежко и Баренцово море и възлизат на 1 °C.

Април
Тип 1. Топло. Положителните температурни аномалии преобладават в цяла Арктика, с максимум в северната част на Баренцово море при 4°C. Отрицателните се простират по цялото арктическо крайбрежие на Евразия.
Тип 2. Студено. На цялата разглеждана територия се наблюдават отрицателни температурни аномалии. В Източносибирско море поне с температурна аномалия до –3 °С.

Рис. 3. Видове полета на температурни аномалии през април

Май

Рис. 4. Видове полета на температурни аномалии през май

Тип 1. Топло. Температурните аномалии в цяла Арктика са над 0 °C, с изключение на Източносибирско море и централната част на Гренландия. Максималната температура се наблюдава в близост до Колски полуостров, Канадския архипелаг и полуостров Аляска и е 4 °C.
Тип 2. Студено. Температурното аномално поле на цялата разглеждана територия е малко под нормата (–1 °C). Положителните аномалии обхващат по-голямата част от Гренландия, Норвежко море и западната част на Баренцово море.
Повторяемостта на класовете полета на температурни аномалии за ранни пренареждания по месеци е показана в табл. 2.
Честота на типовете полета на температурни аномалии за ранни пренареждания на стратосферата от март до май, %

По този начин, в години с ранни пренареждания в стратосферата, отрицателните температурни аномалии в близост до повърхността обикновено преобладават в цялата Арктика: през май в 90% от случаите, през април – в 70%, през март броят на студените месеци леко надвишава (броят на топлите месеци) е 55%). Възможно е почти еднаквата вероятност за топли и студени месеци през март да се дължи на факта, че през този период се извършва самото преструктуриране (от средата на март до началото на април). След настъпването й през пролетта (април, май) температурите са предимно под нормата, главно в централната част на Арктика. Преобладаването на студените над топлите месеци може да се дължи на особеностите на атмосферната циркулация в този регион. В централната част на Арктика топлината навлиза в атмосферата главно от горните слоеве.
Установяването на източни ветрове в стратосферния антициклон по време на ранните пренареждания създава забавящ слой на границата със западния пренос на тропосферата. През него не проникват въздушни маси, включително топлина отгоре, от стратосферата. Температурният режим в близост до повърхността през този период се развива с по-малко участие на горните слоеве, образувайки отрицателни аномалии в близост до земята.

Интересно е да се отбележи, че според резултатите от предишни работи са получени напълно различни заключения за територията на умерените ширини. По време на ранните пренареждания на стратосферата през пролетта над европейската територия на Русия преобладава необичайно топло време. Може би това се дължи на разликите в географската ширина между регионите, относителната изолация на Арктика от преноса запад-изток и формирането на отделни циркулационни процеси тук.

Резултатите, получени в работата, могат да допринесат за дългосрочни прогнози за времето, тъй като още през март, с началото на ранното преструктуриране, могат да се прогнозират отрицателни температурни аномалии в централните райони на Арктика. А намаляването на броя на ранните пренареждания през последните години, което вече беше отбелязано по-горе, води до повишаване на температурата на въздуха в Арктика през пролетта.