Исследования крупномасштабных явлений в нижней и средней атмосфере и оценка их локального проявления на высотах мезосферы-нижней термосферы.

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-77-10008

НазваниеИсследования крупномасштабных явлений в нижней и средней атмосфере и оценка их локального проявления на высотах мезосферы-нижней термосферы.

Руководитель Зоркальцева Ольга Сергеевна, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт солнечно-земной физики Сибирского отделения Российской академии наук , Иркутская обл

Конкурс №71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле; 07-606 - Верхняя и средняя атмосфера

Ключевые слова Атмосфера, внезапные стратосферные потепления, Эль-Ниньо Южное Колебание, блокинги, мезосфера-нижняя термосфера, планетарные волны, интерферометр Фабри-Перо, SABER/TIMED, TIDI/TIMED.

Код ГРНТИ37.21.37

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В настоящее время накоплены огромные массивы данных наблюдений за нижними слоями атмосферы, созданы модели циркуляции атмосферы с высоким временным и пространственным разрешением, что обуславливает достаточно точный прогноз погоды для любой точки Земного Шара. К сожалению, слои атмосферы выше 50 км, изучены не так хорошо, что в первую очередь объясняется трудоемкостью и высокой стоимостью оборудования для дистанционного зондирования верхней атмосферы. Процессы, происходящие в верхних слоях атмосферы важны для радиофизических задач и задач космической погоды. Также очевидна тенденция современных реанализов «расти» вверх. Все это обуславливает актуальность мониторинга и изучения верхних слоёв атмосферы. Известно, что существенное влияние на циркуляцию средней и верхней атмосферы оказывают распространяющиеся по вертикали волны: приливные (регулярная составляющая), планетарные и гравитационные (нерегулярная составляющая). Частично, источники нерегулярных колебаний находятся в нижних слоях атмосферы. При распространении волн вверх их амплитуда растет, компенсируя уменьшение плотности с высотой. Кроме того, нельзя игнорировать принципиальную возможность передачи волновой энергии и сверху вниз возмущениями внеатмосферного характера (солнечная активность, высыпание частиц в авроральной зоне). Известно, что особенности вертикального распространения волн зависят от сезонных особенностей циркуляции в средней атмосфере и от интенсивности самих источников волновых возмущений. Детали этих процессов исследованы, однако, еще недостаточно, необходимы исследования по комплексным данным, одновременно отражающим и глобальные процессы в нижних слоях атмосферы, и параметры верхних слоев. Для этого в проекте будут использованы данные реанализов, данные оптических инструментов для наблюдения верхних слоёв атмосферы, спутниковые данные и результаты численного моделирования атмосферы. Наиболее благоприятные условия для вертикального распространения планетарных волн наблюдаются в зимний период года, когда в средней атмосфере внетропических широт господствуют западные ветры, поэтому в данном проекте в основном будет рассмотрена циркуляция атмосферы за период с ноября по март. Наиболее ярким событием, наблюдающимся в зимний период года в стратосфере, являются внезапные стратосферные потепления (ВСП). Классическая схема Мацуно, связывающая возникновение ВСП с распространением из тропосферы вверх в стратосферу стационарных волн Россби, уже не удовлетворяет исследователей. Выявлены связи ВСП с динамическими процессами в экваториальной стратосфере, блокингами в тропосфере. На основании статистического анализа ВСП установлено, что ВСП имеют не только глобальный пространственный масштаб, но и характерную временную структуру. Более вероятной представляется гипотеза, что ВСП возникают в результате раскачки собственных неустойчивых колебаний стратосферной циркуляции, на которую влияют факторы, внешние по отношению к полярной стратосфере. На наш взгляд, именно процессы происходящие в стратосфере являются ключевыми с точки зрения вертикальных связей атмосфере, так как могут быть источником возмущенности верхних слоёв, а также являться фильтром для проникновения возмущений из тропосферы. Тропосферный форсинг верхних слоёв атмосферы будет рассмотрен на примере экстремальных эпизодов блокирования, мы попытаемся ответить на вопрос - возможно ли проследить передачу волновой энергии из тропосферы в мезосферу-нижнюю термосферу (МНТ) или влияние тропосферы происходит опосредованно через изменения циркуляции в стратосфере. Более глобальным процессом в тропосфере является Эль-Ниньо Южное Колебание (ЭНЮК). Не вызывает сомнения проявления ЭНЮК в погодных и климатических аномалиях в разных регионах Земного Шара. Также получены свидетельства проявления ЭНЮК на квазидвухлетнюю цикличность экваториального ветра в стратосфере и на динамику внетропической стратосферы. В последнее десятилетия появляются работы, подтверждающие влияние ЭНЮК на динамику внетропической мезосферы и термосферы. В рамках данного проекта первые будет проведено исследование влияние ЭНЮК на верхние слои атмосферы над Восточной Сибирью. Также впервые для Восточной Сибири и Якутии будет выполнен статистический анализ взаимосвязи вариаций атмосферной эмиссии, температуры и скорости горизонтального ветра по данным интерферометра Фабри-Перо, спектрометров и широкоугольной камеры c 1997 г. по наст. время на высотах МНТ до начала, во время максимума и завершения ВСП с помощью метода наложенных эпох.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Сивцева В.И., Аммосов П.П., Гаврильева Г.А., Аммосова А.М., Колтовской И.И. Волновая активность мезосферы в диапазоне планетарных волн по наблюдениям эмиссии ОН (3-1) на станциях Маймага и Тикси за период 2015–2020 гг. Солнечно-земная физика, № 4, Т. 8, Стр. 95–101 (год публикации - 2022)
10.12737/szf-84202209

2. Вяткин А.Н., Зоркальцева О.С Исследование эффектов Эль-Ниньо в верхних слоях атмосферы ТРУДЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ БАЙКАЛЬСКОЙ МОЛОДЕЖНОЙ НАУЧНОЙ ШКОЛЫ ПО ФУНДАМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКЕ и Конференции молодых ученых «Взаимодействие полей и излучения с веществом» Редакционно-издательский отдел ИСЗФ СО РАН, Иркутск, 2022 г., С. 161–162 (год публикации - 2022)

3. Зоркальцева О.С., Антохина О.Ю., Антохин П.Н. Долговременная изменчивость внезапных стратосферных потеплений и их взаимосвязь с процессами в тропосфере ТРУДЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ БАЙКАЛЬСКОЙ МОЛОДЕЖНОЙ НАУЧНОЙ ШКОЛЫ ПО ФУНДАМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКЕ и Конференции молодых ученых «Взаимодействие полей и излучения с веществом» Редакционно-издательский отдел ИСЗФ СО РАН, Иркутск, 2022 г., С. 191–193 (год публикации - 2022)

4. Зоркальцева О.С., Антохина О.Ю. Долговременная изменчивость характеристик внезапных стратосферных потеплений по данным Era 5 Всероссийская конференция, посвященная памяти академика Александра Михайловича Обухова ТУРБУЛЕНТНОСТЬ, ДИНАМИКА АТМОСФЕРЫ И КЛИМАТА 22 – 24 ноября 2022 года Сборник тезисов, С. 67 (год публикации - 2022)

5. Хабитуев Д.С. Особенности циркуляции стратосферного полярного вихря во время зимы 2020-2021гг. Материалы 20-й Международной конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». Электронный сборник материалов конференции. Институт космических исследований РАН. Москва, 2022, С.465. (год публикации - 2022)
10.21046/20DZZconf-2022a

6. Саункин А.В., Зоркальцева.О.С., Васильев Р.В. Климатология эмиссионного слоя 557.7 нм над Югом Восточной Сибири Материалы 20-й Международной конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». Москва: ИКИ РАН, 2022, С. 452 (год публикации - 2022)
10.21046/20DZZconf-2022a

7. Зоркальцева О. С., Антохина О. Ю., Антохин П. Н. Долговременная изменчивость параметров внезапных стратосферных потеплений по данным реанализа ERA5 Журнал "Оптика атмосферы и океана", № 3, Т. 36, С. 200-208. (год публикации - 2023)
10.15372/AOO20230306.

8. Васильев Р., Саункин А., Зоркальцева О., Артамонов М., Михалев А. Climatology of 557.7 nm emissions layer parameters over South-East Siberia. Observations and Model Data. Applied Sciences, 13(8), 5157 (год публикации - 2023)
10.3390/app13085157

9. Антохина О.Ю., Антохин П.Н., Зоркальцева О.С., Гочаков А.В., Мартынова Ю.В., и Мордвинов В.И. Отклик температуры воздуха на повторяемость блокирования в Атлантико-Евроазиатском секторе в осенне-зимний период Метеорология и гидрология (год публикации - 2023)

10. Хабитуев Д.С., Шпынев Б.Г. Циркуляционные структуры в полярной стратосфере Северного полушария во время зим 2019-2020гг. Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса, Т. 20. № 5. С. 307–316 (год публикации - 2023)
10.21046/2070-7401-2023-20-5-307-316

11. Антохина О.Ю. Антохин П.Н., Зоркальцева О.С., Бобровников С.М., Жарков В.И., Трифонов Д.А. Characteristics of the dynamics and relationships of the troposphere and stratosphere in the winter period 2022-2023 PROCEEDINGS OF SPIE, 127804Q (год публикации - 2023)
10.1117/12.2688249

12. А. Саункин, Р. Васильев, О. Зоркальцева, М. Артамонов, А. Михалев Climatology of atmospheric parameters in mesosphere-lower thermosphere region of the Southern of Eastern Siberia. PROCEEDINGS OF SPIE, 127807E (год публикации - 2023)
10.1117/12.2690774

13. Хабитуев Д.С. Блокирующие свойства стратосферного полярного вихря в Северном полушарии во время зим 2019-2021гг Сборник трудов Международного симпозиума по атмосферной радиации и динамике МСАРД-2023, C. 290-293 (год публикации - 2023)

14. Вяткин А.Н., Зоркальцева О.С., Мордвинов В.И. Влияние Эль-Ниньо на параметры на параметры средней и верхней атмосферы над Восточной Сибирью по данным реанализа и моделирования в зимний период. Солнечно-земная физика, Т.10, № 1, С.44-52 (год публикации - 2024)
10.12737/szf-101202406

15. Зоркальцева О.С., Антохина О.Ю., Антохин П.Н., Артамонов М.Ф. Взаимодействие тропосферы и стратосферы до и после усиления Арктики 2000-х: изменчивость нелинейных процессов и корреляционные паттерны. Сборник трудов Международного симпозиума по атмосферной радиации и динамике МСАРД-2023, С.228-230 (год публикации - 2023)

16. Зоркальцева О.С., Антохина О.Ю., Антохин А.Н., Мартынова Ю.В. Relationship between tropospheric blocking events and stratospheric temperature in winter Proceedings of VIII International Conference ATMOSPHERE, IONOSPHERE, SAFETY, P. 135-138 (год публикации - 2023)

17. Саункин А.В., Васильев Р.В., Зоркальцева О.С., Артамонов М.Ф., Михалев А.В. Климатология параметров эмиссионного слоя 557.7 нм над югом Восточной Сибири Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы: Материалы XXIX Международного симпозиума. Электронный ресурс Е., E-171 - E-174 (год публикации - 2023)

18. Антохина О.Ю., Антохин П.Н., Зоркальцева О.С., Бобровников С.М., Жарков В.И., Трифонов Д.А. Особенности динамики и связи тропосферы и стратосферы в зимний период 2022–2023 гг. Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы: Материалы XXIX Международного симпозиума. Электронный ресурс D., D-231 - D-237 (год публикации - 2023)

19. Антохина О.Ю., Гочаков А.В., Антохин П.Н., Зоркальцева О.С. и Крупчатников В.Н. Исследование геометрии контуров потенциальной завихренности на уровне 850 К: диагностический инструмент для анализа динамики средней стратосферы XV Сибирское совещание и школа молодых ученых по климато-экологическому мониторингу, 17-20 октября 2023 г., г. Томск: тезисы докладов., C. 11-14 (год публикации - 2023)

20. Антохина О.Ю., Гочаков А.В., Зоркальцева О.С., Антохин П.Н., Крупчатников В.Н. Опрокидывание волн Россби в стратосфере. Часть I. Климатология и долговременная изменчивость Оптика атмосферы и океана (год публикации - 2024)

21. Антохина О.Ю., Антохин П.Н. Антохина О.Ю., Антохин П.Н., Зоркальцева О.С., Мартынова Ю.В Отклик температуры воздуха в нижней тропосфере и стратосфере в зимний период на изменение повторяемости блокирований над Уралом - Сибирью Всероссийская конференция, посвященная памяти академика Александра Михайловича Обухова ТУРБУЛЕНТНОСТЬ, ДИНАМИКА АТМОСФЕРЫ И КЛИМАТА 22 – 24 ноября 2022 года Сборник тезисов, С. 53 (год публикации - 2022)

22. Антохина О. Ю., Бобровников С. М., Жарков В. И., Зоркальцева О. С., Трифонов Д. А. Особенности вертикального распределения температуры над г. Томском во время внезапного стратосферного потепления зимой 2023 г. по данным Сибирской лидарной станции Оптика атмосферы и океана, Т.37, №11, С. 947-953 (год публикации - 2024)
10.15372/AOO20241107

23. Зоркальцева О.С., Артамонов М.Ф., Антохина О.Ю., Гочаков А.В. Взаимосвязь вариаций площади вихря и температуры в полярной стратосфере Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы: Материалы XXX Международного симпозиума. Электронный ресурс, Е41-Е44 (год публикации - 2024)

24. Антохина О.Ю., Гочаков А.В., Зоркальцева О.С., Антохин П.Н., Крупчатников В.Н. Климатология и долговременная изменчивость Опрокидываний волн Россби в стратосфере. Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы: Материалы XXX Международного симпозиума. Электронный ресурс (год публикации - 2024)

25. Саункин А.В., Зоркальцева О.С., Васильев Р.В., Гаврильева Г.А. Исследование влияния внезапных стратосферных потеплений на вариации эмиссионного слоя 557.7 нм над обсерваториями Маймага и Торы Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы: Материалы XXX Международного симпозиума. Электронный ресурс, Е192-198 (год публикации - 2024)

26. О. Антохина, П. Антохин, О. Зоркальцева, А. Гочаков, В. Мордвинов The Autumn-winter Response of Air Temperature to the Blocking Frequency in the Atlantic-Eurasian Sector Japan Geoscience Union. Japan Geoscience Union Meeting 2024. (год публикации - 2024)

27. Збиранник А. А., Антохина О. Ю. Режимы атмосферной циркуляции при аномальном формирования снежного покрова в Западной Сибири Сборник трудов конференции ENVIROMIS 2024 (год публикации - 2024)

28. Хабитуев Д.С., Зоркальцева О.С. Impact of the lunar gravitational tide on dynamical processes in the upper stratosphere based on Era-5 reanalysis data, The 15-th Russian-Chinese workshop on space weather The 15th Russian-Chinese Workshop on Space Weather (год публикации - 2024)

29. Антохина О.Ю. , Антохин П.Н. , Белан Б.Д., Зоркальцева О.С. , Гочаков А.В. Артамонов М.Ф. Событийный анализ аномалий циркуляционного режима в феврале 2024: процессы тропосферно-стратосферного взаимодействия и результаты самолетного зондирования Сборник тезисов "ТУРБУЛЕНТНОСТЬ, ДИНАМИКА АТМОСФЕРЫ И КЛИМАТА" (год публикации - 2024)

30. Зоркальцева О., Саункин А., Васильев Р., Гаврильева Г., Артамонов М., Антохина О. Effects of sudden stratospheric warmings on airglow emissions layers over Siberia Advances in Space Research, Volume 75, Issue 7, Pages 5603-5614 (год публикации - 2025)
doi.org/10.1016/j.asr.2025.01.054

31. Хабитуев Д.С., Зоркальцева О.С. Колебания вертикальной скорости ветра в полярной стратосфере Северного полушария по данным реанализа ERA5 и их связь с лунным приливом Оптика атмосферы и океана, Т. 38, № 4, с. 278-285 (год публикации - 2025)
DOI: 10.15372/AOO20250405

32. Зоркальцева О.С., Антохина О.Ю., Гочаков А.В., Артамонов М.Ф. Эволюция стратосферного полярного вихря на примере зимних периодов 2022–2024 ГГ. Солнечно-земная физика (год публикации - 2025)

33. Антохина О.Ю., Гочаков А.В., Зоркальцева О.С., Антохин П.Н., Крупчатников В.Н., Артамонов М.Ф. Опрокидывание волн Россби в стратосфере. Часть II. Условия возникновения внезапных стратосферных потеплений Оптика атмосферы и океана (год публикации - 2025)

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Проект направлен на изучение механизмов взаимодействия стратосферных процессов с тропосферой и верхними слоями атмосферы, включая мезосферу и нижнюю термосферу. В рамках проекта разработаны новые методы объективной оценки стратосферной динамики: 1. Метод идентификации опрокидываний волн Россби (ОВР) в стратосфере, основанный на анализе геометрии контуров потенциальной завихренности на изэнтропической поверхности 850 К. 2. Метод расчёта площади стратосферного полярного вихря (СПВ) по полю потенциальной завихренности с использованием данных реанализа ERA5. Установлено, что после 1998 г. частота событий ранних (до середины февраля) внезапных стратосферных потеплений (ВСП) увеличилась с 0.2 до 0.6 случаев в год. Это коррелирует с усилением волновой активности в стратосфере, приводящей к дестабилизации СПВ. Анализ ОВР показал, что чаще всего опрокидывания волн Россби в октябре–декабре локализованы в секторе 120°–180° в.д. (север Тихого океана и Восточная Азия). Наблюдается значимый рост частоты ОВР в ранний (октябрь–декабрь) и поздний (март–апрель) зимние периоды при снижении в середине зимы (январе–феврале). Выделены 4 типа ОВР, предшествующих возникновению ранних ВСП, в зависимости от локализации центров опрокидываний. Предложена классификация сценариев расщепления вихря: медленное расщепление (временной масштаб 10–14 суток) связано с ростом ОВР над Азией и быстрое расщепление (3–7 суток) обусловлено синхронным усилением ОВР в Атлантическом и Тихоокеанском секторах. Для каждого типа ОВР был проведен композитный анализ полей температуры, геопотенциала и потока волновой активности Пламба в тропосфере и стратосфере. Композитный анализ выявил, что подготовительная фаза ВСП характеризуется формированием блокирующих антициклонов в тропосфере над Уралом и Западной Сибирью, отрицательными аномалиями температуры приземного воздуха над Евразией и Северной Америкой и усилением вертикального потока волновой активности в стратосферу. Хотя тропосфера служит основным источником возмущений в зимней стратосфере, наши исследования выявили существование дополнительных механизмов, способных модулировать её динамику. В частности, спектральный анализ скорости зонального ветра продемонстрировал роль долгопериодных лунных приливов в формировании предвестников ВСП. Эти процессы, проявляющиеся в отдельные зимы, могут выступать триггером стратосферных событий в периоды ослабления доминирующих тропосферных воздействий. Влияние ВСП на вышележащие слои атмосферы по данным лидара (Томск), модели WACCM и реанализа ERA5 для зим 2022–2025 гг. показало, что все события ВСП отразились на вертикальных профилях температуры, полученных по данным лидарных измерений. Сравнение данных лидарных измерений с моделями WACCM и ERA5 показало высокую точность и согласованность до высоты 30 км, с небольшими отличиями в более высоких слоях, что может быть связано с особенностями данных моделей. Во время ВСП отмечается деформация стратопаузы, ее расщепление на 2–3 пика с амплитудой до 8 К на высотах 40–50 км. Выявленные особенности, связанные с деформацией стратопаузы, оказались сильно сглажены в модели по сравнению с лидарными данными, что подчеркивает важность наземных наблюдений для более точного и детального анализа атмосферных процессов. Данные спутника SABER/TIMED и наземных оптических наблюдений позволили оценить эффекты ВСП на высотах мезосферы и термосферы над Сибирью. Было обнаружено статистически значимое влияние ВСП на слои собственного свечения атмосферы в линиях свечения атомарного кислорода 557,7 нм и гидроксила. Зафиксировано смещение эмиссионных слоев, подъём максимума слоя на высоту около 2 км и снижение интенсивности свечения во время сильных ВСП. Температурные аномалии над сибирскими обсерваториями отмечаются за 5–7 дней до начала ВСП и выражены в инверсии термической структуры: охлаждение мезосферы и нагрев нижней термосферы. Наблюдаемые аномалии температуры и интенсивности собственного свечения атмосферы можно объяснить распространением планетарных волн во время ВСП, адиабатическим охлаждением и нагревом, вызванными изменениями в остаточной меридиональной циркуляции. Полученные результаты подтверждают гипотезу о ключевой роли стратосферы как медиатора вертикальных взаимодействий в системе «тропосфера–термосфера». Информация о публикациях в СМИ, посвященных результатам проекта, с упоминанием Фонда: https://www.rscf.ru/news/release/vnezapnye-stratosfernye-potepleniya-izmenili-yarkost-svecheniya-nochnogo-neba-nad-sibiryu/ https://scientificrussia.ru/articles/vnezapnye-stratosfernye-poteplenia-izmenili-arkost-svecenia-nocnogo-neba-nad-sibiru https://www.baikal-daily.ru/news/16/495866/

Публикации

Возможность практического использования результатов
Полученные в ходе проекта результаты имеют значительный потенциал для практического применения в различных секторах экономики и социальной сфере Российской Федерации, прежде всего в области метеорологического прогнозирования и климатического мониторинга. Разработанные методы анализа стратосферных процессов и выявленные закономерности их изменчивости могут быть использованы для совершенствования систем долгосрочного и сезонного прогноза погоды, что особенно актуально для таких отраслей, как сельское хозяйство, энергетика и транспортная логистика в условиях Сибири и Арктических территорий. Установленные связи между стратосферными аномалиями и экстремальными погодными явлениями позволяют разрабатывать более точные методы предупреждения опасных метеорологических событий, что способствует повышению безопасности населения и снижению экономических потерь. Кроме того, созданные в рамках проекта алгоритмы обработки атмосферных данных и методики дистанционного зондирования могут найти применение в современных системах мониторинга окружающей среды, а также послужить основой для разработки новых отечественных технологий в области метеорологического и климатического моделирования, что соответствует стратегическим задачам научно-технологического развития России в условиях меняющегося климата.