Введение к работе
Актуальность исследования
Исследование глобальной проблемы устойчивости климата Земли, в частности короткопериодных изменений климата, является одной из важнейших среди задач, стоящих перед науками о Земле /Отчет Межправительственной Группы Экспертов по Изменению Климата (МГЭИК/ IPCC), 2001,2007/. Эта задача имеет огромное прикладное значение, поскольку понимание физических механизмов формирования климата и умение прогнозировать его вариации предоставляют человечеству возможность принимать своевременные и обоснованные решения в выборе перспективных направлений развития и предупреждения возможных катастрофических последствий.
Для предсказания изменений климата планеты первостепенную важность приобретают регулярные наблюдения за состоянием и изменчивостью основных составляющих климатической системы Земли, к которым относятся атмосфера, гидросфера, криосфера, деятельный слой почвы и биосфера [WMO, 1975]. В рамках стартовавшей в 1980 г. Всемирной климатической программы (ВПК/ WCP ) проводится интенсивная работа по организации систем наблюдений, сбору информации и созданию архивов данных, отражающих процессы, протекающие в климатической системе. Однако проводимые измерения остаются недостаточными для полноценного исследования ввиду нерегулярности информации и отсутствия длительных рядов наблюдений. Восполнить этот пробел могут методы математического моделирования, позволяющие проводить диагностические расчеты и интерпретировать данные наблюдений на основе усвоения информации.
Глобальные совместные модели климатической системы являются основным и наиболее перспективным инструментом решения задач воспроизведения современного климатического распределения, выявления причин наблюдаемых изменений и прогноза возможных будущих состояния системы. Одной из задач, сформулированной в рамках международных программ, таких как CLIVAR (Climate variability, ), ВПИК (Всемирной программы исследования климата ВПИК/WCRP, ), является разработка и усовершенствование физических математических моделей, которые способны воспроизводить и оценивать предсказуемость климатической системы в различных временных и пространственных масштабах. Международные проекты сравнения моделей
() создают основу для оценки моделей и их дальнейшего совершенствования.
Фундаментальная задача предсказания состояния климатической системы включает в себя множество отдельных задач, среди которых присутствует задачи анализа климатических изменений, происходящих в отдельных блоках системы и выяснения причин этих изменений. Циркуляция океана, рассматриваемого как самостоятельный объект, формируется как отклик на возбуждающее воздействие атмосферы. Основной задачей диссертационной работы является изучение крупномасштабной циркуляции океана и исследование ее изменчивости в ответ на вариации атмосферной динамики. Поскольку метод численного моделирования является одним из основных методов решения таких задач, то значительный акцент в исследовании был сделан на разработку современной численной модели океанической циркуляции, обладающей повышенной чувствительностью к атмосферному воздействию, способной воспроизводить реакцию океана на короткопериодные и долгопериодные колебания атмосферы. При проведении исследования климатических процессов, происходящих в полярных областях необходимо рассматривать не только океан, а единую систему океан-лед, поэтому разработанная океаническая модель была объединена с ледовой моделью CICE-3.11(The Los Alamos Sea Ice Model, ).
Результаты, изложенные в настоящей работе, соответствуют целям и задачам национальных и международных программ, в том числе ФЦП «Мировой океан» и «Всемирной программы исследования климата».
Целями диссертационной работы являются:
-
Создание численной модели общей циркуляции океана, предназначенной для исследования климата и климатической изменчивости Мирового океана и его отдельных регионов в рамках совместных моделей. Исследование применимости различных подходов в аппроксимации рельефа дна океана при построении численных моделей динамики глобального океана.
-
Исследование закономерностей формирования и изменчивости термохалинной структуры вод и глобальной циркуляции океана в рамках концепции «конвейерной системы» на временных масштабах порядка 100 - 1000 лет с использованием модели общей циркуляции океана.
-
Исследование особенностей обмена вод в системе Северный Ледовитый океан -Северная Атлантика. Анализ климатических изменений, происходивших под
влиянием изменчивости атмосферной динамики во второй половине XX столетия на основе совместной модели океан - лед.
На защиту выносятся:
-
Численная модель глобальной океанической циркуляции, использующая различные подходы в выборе вертикальной координаты и аппроксимации рельефа дна (о - модель и z - модель), предназначенная для использования в качестве базовой для исследования циркуляции Мирового океана, его частей и внутренних морей, а также для использования в качестве океанического блока в совместных моделях климатической системы.
-
Результаты исследования особенностей воспроизведения ветровой и термохалинной циркуляции океана в моделях, использующих различные подходы в выборе вертикальной координаты и аппроксимации рельефа дна (о - модель и z -модель).
-
Результаты исследования закономерностей формирования и изменчивости циркуляции Мирового океана, реализующейся в виде «глобального конвейера». Оценка особой роли высоких широт Северной Атлантики в рамках этой циркуляции.
-
Анализ отклика системы океан-лед Северного Ледовитого океана и Северной Атлантики во второй половине XX столетия на вариации атмосферной динамики.
Достоверность и обоснованность результатов
Основой построения математической модели циркуляции океана являются физические законы динамики и термодинамики жидкости на вращающейся Земле. Численная модель является сеточным аналогом математической модели, построенным с использованием известных методов вычислительной математики в соответствии с требованиями выполнения условий аппроксимации и устойчивости численных алгоритмов. Оценкой адекватности численной модели и достоверности результатов численного эксперимента является анализ воспроизводимого моделью современного состояния океана и его вариаций на основе сравнения с данными наблюдений. В ходе исследования использовались данные архива наблюдений для периода 1948-1993 гг., созданного в рамках программы Совместной Российско-Американской Комиссии по экономическому и технологическому сотрудничеству EWG (Environmental Working Group, 1997), данные ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler), данные поплавковых анализаторов PALACE за 1999-2000 годы. Анализ результатов численного моделирования
совместной системы океан- лед в Арктике и Северной Атлантике подтвердил ряд гипотез, разработанных исследователями на основе анализа данных наблюдений.
Многочисленные международные проекты сравнения численных моделей климатической системы и ее отдельных составляющих, ставящие своей задачей исследование различных вопросов моделирования климата, создают основу для всестороннего тестирования, выяснения особенностей и ошибок моделей и оценки их качества. Результаты климатического распределения, полученного на 1000 - летнем периоде для двух версий численной модели Мирового океана ИВМиМГ СО РАН сравнивались с результатами расчетов, полученными по широко используемой в мире модели МОМ2 GFDL. Представленная в диссертационной работе z - версия океанической модели ИВМиМГ СО РАН принимает участие в международном проекте AOMIP (Arctic Ocean Model Intercomparison Project, ) - сравнения численных моделей океан-лед Арктического бассейна.
Научная новизна.
Две версии численной модели циркуляции океана с различным способом учета вертикальной координаты и аппроксимации рельефа дна океана (о - модель и z - модель) являются оригинальной разработкой ИВМиМГ СО РАН, созданной на основе известных методов вычислительной математики. Численная модель обладает повышенной чувствительностью к атмосферному воздействию и способна воспроизводить реакцию океана на вариации атмосферной динамики.
Использованы новые подходы в решении основных проблем численных моделей океана в о-системе координат, связанных с корректной аппроксимацией горизонтальных градиентов давления и диффузионного оператора. Модифицированная версия о-модели позволяет проводить исследования для бассейна Мирового океана на климатических периодах порядка тысячелетий, в отличие от ее зарубежных аналогов. Численная о-модель Мирового океана ИВМ РАН [Залесный, 1998;Дианский и др.2002] использует иные подходы для решения обозначенных проблем.
Впервые в модели Мирового океана для расчета на 1000-летнем периоде проведен сравнительный анализ климатического распределения, полученного на основе двух версий численной модели в о - системе иг- системе вертикальной координаты.
Показана необходимость использования численных схем повышенного порядка для аппроксимации операторов переноса, что позволяет существенно уменьшить вязкость численной модели. Применяемый подход способствует воспроизведению в модельных расчетах тонкой структуры халоклина полярных областей, что позволяет отказаться от
условия релаксации поверхностного значения солености к заданному климатическому распределению, используемому во многих моделях Северного Ледовитого океана.
Результаты анализа климатических изменений, происходивших под влиянием атмосферного воздействия в динамике и структуре вод Северной Атлантики и Северного Ледовитого океана, являются новыми, полученными на основе совместной модели океан -лед в рамках действующего международного проекта AOMIP. В ходе моделирования воспроизведены основные изменения, происходящие в климатической системе океан - лед второй половины XX столетия в Северной Атлантике и Северном Ледовитом океане, выявлена взаимосвязь событий, подтверждены научные гипотезы, выдвинутые на основе анализа данных наблюдений.
Научная и практическая значимость работы
Научная значимость работы состоит в разработке современной численной модели динамики океана - одного из блоков совместных моделей взаимодействия климатической системы, которые являются наиболее перспективным инструментом в исследовании климатической изменчивости Земли. Разработанная численная модель представляет комплекс программ, реализуемых как на современных ЭВМ, так и на персональном компьютере. Кроме основного блока модели, определяющего численное решение системы гидродинамических уравнений, к модели относится комплекс программ, обеспечивающих организацию входных массивов и параметров для области моделирования, а также анализ и визуализацию результатов.
Научная значимость работы подтверждается многолетней поддержкой исследований Российским Фондом Фундаментальных Исследований (РФФИ -96-05-65953-а, 01-05-65420-а, 02-05-64956-а, 03-05-96828-р2003югра_а, 05-05-64990-а, 08-05-00457-а, 08-05-00708-а), Российской Академией Наук (проект ОМН РАН 1.3.9), Президиумом РАН (проекты 14.3 и 17.3.6)
Результаты исследований по совместной модели океан-лед вместе с результатами, полученными по другим моделям, принимающим участие в международном проекте AOMIP, используются для выработки рекомендаций по усовершенствованию численных моделей в целях описания климатических изменений в Арктике.
Практическая значимость работы состоит в использовании разработанной модели динамики океана в качестве базовой для проведения исследований в отдельных регионах Мирового океана и внутренних морях с целью оценки последствий возможных климатических изменений, связанных с естественной изменчивостью климата или с
антропогенными воздействиями. Численная модель крупномасштабной динамики океана, основанная на ступенчатой аппроксимации рельефа дна океана (z-версия модели)
использовалась для расчетов двух состояний течения Куросио на основе банка данных, предоставленного в рамках договора о совместном исследовании с Дальневосточным региональным научно исследовательским гидрометеорологическим институтом;
послужила основой численной модели Японского моря для проведения исследований в рамках сотрудничества с Чунгнамским университетом Южной Кореи.
была адаптирована к бассейну Аральского моря для расчета распространения
пресной речной воды по международному проекту ИНТАС REBASOWS
«Восстановление экосистем и биопродуктивности в акватории Аральского моря при
ограниченных водных ресурсах (INTAS 2001 - 0511)».
Результаты этих исследований не вошли диссертационную работу. Список публикаций по этим направлениям приводится в приложении 4.
Апробация работы
Основные результаты, вошедшие в диссертационную работу, были представлены на российских и международных конференциях и совещаниях: IPY Oslo Science Conference, 2010; Всероссийский симпозиум "Контроль окружающей среды и климата: КОСК-2010" Томск; международная научная конференция «Морские исследования полярных областей Земли в Международном полярном году 2007/08», Санкт-Петербург, ААНИИ, 2010; 13-th Workshop Artctic Ocean Model Intercomparison Project, WHOI, USA, 2009; V Международный научный конгресс «ГЕО-Сибирь-2009». - Новосибирск; Международная научная конференция «Современные проблемы вычислительной математики и математической физики», Москва, 2009; Международная научная конференция «CITES-2007, -2009», Томск; PICES 17th Annual Meeting "Beyond observations to achieving understanding and forecasting in a changing North Pacific: Forward to the FUTURE " Dalian, China, 2008; Международная конференция по математическим методам в геофизике (ММГ-2008), Академгородок, Новосибирск,2008; International Symposium "TOPICAL PROBLEMS OF NONLINEAR WAVE PHYSICS" NWP-2008 Нижний Новгород,2008; «Polar Research - Arctic and Antarctic perspectives in the International Polar Year» . SCAR/IASC IPY Open Science Conference. St. Petersburg, Russia, 2008; Международная конференция по измерениям, моделированию и информационным системам для изучения окружающей среды: « ENVIROMIS -2006, -2008, -2010», Томск; SEARCH for
DAMOCLES Workshop, Paris, 2007; 5-th Korean-Russian Symposium, Новосибирск,2007; PICES 16-th Meeting. "The changing North Pacific: Previous patterns, future projections, and ecosystem impacts". Victoria, ВС, Canada, 2007; Международная конференция "Mathematical modeling of dynamic processes in Atmosphere, Ocean, and Solid Earth', Новосибирск, 2006; Международный научный конгресс «ГЕО-Сибирь», Новосибирск, 2005; GLOBEC Symposium on Climate Variability and Sub-Arctic Marine Ecosystems, Canada, Victoria, 2005; PICES XIV, Vladivostok, 2005; 9-th Workshop Artctic Ocean Model Intercomparison Project, Canada, Montreal, 2005; Bjerknes Centenary: Climate Change in High Latitude. Bergen, Norway, 2004; The 2-nd CREAMS Simposium. Japan, 1997. Результаты работы обсуждались также на семинарах в Университете Нового Южного Уэльса (г. Сидней, Австралия), научном семинаре ААНИИ. В полном объеме диссертация докладывалась на семинарах ИВМ РАН и ИВМиМГ СО РАН.
Личный вклад автора.
Диссертационная работа является итогом исследования, проводимым автором с 1981 года в ИВМиМГ СО РАН (ВЦ СО АН СССР). Начальная версия о-модели, основанная на комбинации метода конечных элементов и метода расщепления, была разработана в соавторстве и под непосредственным руководством профессора, д.ф.-.м.н. В.И. Кузина (1981 - 1990 гг). Результаты совместных исследований опубликованы в работах [12,18-21].
Ревизия модели и все основные изменения в численных алгоритмах о-модели, перечисленные в параграфе 1.2 главы 1, разработка z-модели Мирового океана, перевод z-модели в общую ортогональную криволинейную систему координат, замена численных схем для аппроксимации уравнения переноса-диффузии трассеров, реализация граничных условий на участках «жидких» границ проведены непосредственно автором. Численные эксперименты по модели Мирового океана (глава 2 и глава 3) были проведены автором. В совместных работах [13,17] написано 100% текста. В совместной модели океан - лед в качестве ледового блока использовалась модель CICE-3.11(The Los Alamos Sea Ice Model, ). Адаптация ледовой модели и организация вычислений по совместной модели проведена к.ф.-м.н. Г.А.Платовым. Постановка основных численных экспериментов, направленных на воспроизведение динамики Атлантических вод в Арктическом бассейне, реализация численных экспериментов и анализ результатов в океанической модели Северный Ледовитый океан - Северная Атлантика (глава 4) проводились автором, в работах [7,10,14] написано не менее 50% текста.
Постановка эксперимента по исследованию климатической изменчивости второй половины XX столетия соответствует программе АОМІР (Arctic Ocean Model Intercomparison Project). Основная часть анализа моделирования климатической изменчивости в системе Арктика - Северная Атлантика (глава 5) проведена автором, в работе [3] написано 80% текста, в работах [1,9] - 30% текста. В работе [8], опубликованной на основе сравнения результатов расчетов численных моделей, участвующих в AOMIP, были предоставлены результаты модели ИВМиМГ СО РАН. В совместных работах [4,5] описание всех результатов, относящихся к океанической динамике, проведено автором диссертации.
Структура и объем диссертации
Похожие диссертации на Моделирование циркуляции океана и его отклика на вариации атмосферной динамики
