Введение к работе
Актуальность темы: Изучение аномалий температуры верхнего слоя океана с позиций современного состояния геофизической науки является важной задачей как для физики взаимодействия атмосферы и океана, так и для ряда направлений в океанологии. Аномалии разных масштабов являются как наиболее показательным индикатором взаимодействия атмосферы и океана, так и важным активным звеном этого взаимодействия. Отметим две крупных области современных исследований, где это знание актуально и практически необходимо, -это задача долгосрочного прогноза погоды и задача короткоперподных вариаций климата. Большая часть работ по аномалиям ТПО (АТПО) посвящена изучению долгопериодных АТПО с характерным временем жизни 2-4 месяпа, причем основные результаты получены в направлении динамико-стохастического моделирования п статистического исследования их свойств. Все эти работы выполнены на основе ежемесячных реализаций АТПО. При этом мы не имеем достоверных количественных оценок и даже целостной качественной картины развития аномалий на меньших временных масштабах от первых суток до 1.5-2.0 месяцев (синоптика). Актуально комплексное изучение свойств и механизмов развития синоптических аномалий. В известном смысле теория моделирования АТПО и многочисленные модели перемешивания верхнего слоя океана существуют сейчас несколько обособленно друг от друга. Необходимо их объединение для диагноза взаимодействия процессов перемешивания в верхнем слое океана и эволюции АТПО, что в частности позволило бы уточнить количественные оценки роли аномалий толщины верхнего перемешанного слоя в процессах развития АТПО. Отметим также и ряд существующих на сегодняшний день противоречий во взглядах на взаимодействие АТПО и поля течений в океане на разных пространственно-временных масштабах. Многочисленные вопросы существуют и в проблеме диагноза эффектов долгопериодных АТПО в межгодовой п многолетней изменчивости динамических и термохалин-ных полей деятельного слоя океана. Каковы характеристики объединенных мод колебаний-АТПО и скорости течений верхнего слоя океана? В каких ключевых районах АТПО наиболее значимо влияют на климат системы океан-атмосфера? Проблематика такого рода является содержанием интенсивно развивающейся сейчас международной программы исследований климата CLIYAR. Актуальность данной работы состоит в создании ряда оригинальных моделей и методов исследования аномалий температуры верхнего слоя океана для изучения физики их формирования и развития на внутримесячных масштабах времени с одной стороны и взаимодействия их с динамикой на масштабах более года с другой.
Основной целью настоящей работы является комплексное исследование физики развития аномалий температуры верхнего слоя океана на внутримесячном и внутрпсезонном интервале масштабов, а также диагноз интегральных эффектов долгопериодных аномалий на длительных отрезках времени вплоть до десятилетий. В связи с этим решены следующие задачи:
создана оригинальная методика моделирования и диагноза аномалий термохалинной структуры верхнего слоя океана на внутрисезонных масштабах времени;
даны количественные оценки вкладов различных физических факторов в формирование синоптических аномалий в океане, их связи с процессами перемешивания и с фазами сезонного хода стратификации океана, а также выявлены черты подобия и различия с долгопериодными АТПО;
получены оценки влияния на синоптические аномалии температуры верхнего слоя океана адвекции тепла течениями разной природы;
на основе модели общей циркуляции океана создана методика моделирования и диагноза влияния долгопериодных АТПО на динамическую и термохалинную структуру деятельного слоя океана;
- получены оценки влияния течений на формирование долгопериод
ных АТПО, выявлены взаимные связи процессов развития АТПО с ко
лебаниями типа север-юг в поле крупномасштабных течений в средних
широтах Атлантики, обнаружена тесная связь АТПО с изменениями ме
ридиональных переносов тепла течениями за последние десятилетия.
Научная новизна. Впервые на основе эволюционной модели аномалий температуры с привлечением современных учащенных данных наблюдений диагнозированы процессы, ответственные за развитие синоптических АТПО на масштабах времени от 2-3 суток до 1.0-2.0 месяцев. Изучена временная и пространственная структура АТПО. влияние на ппх адвекции тепла течениями и локальных процессов взаимодействия с атмосферой и вертикального перемешивания в океане. Использование балансовой модели деятельного слоя океана в вариантах адаптации к средней сезонной эволюции вертикальных профилей температуры и солености и к сезонному тренду теплозапаса верхнего перемешанного слоя океана позволило впервые провести многолетнее моделирование и моделирование на всей акватории Северной Атлантики синоптических аномалий температуры и толщины верхнего перемешанного слоя океана, дать их диагноз и сопоставление численных результатов с реальными ежесуточными АТПО. Впервые получен очень важный для проблемы взаимодействия океана и атмосферы результат, состоящий в том, что сино-
птические аномалии с декабря по март развиваются в активном подслое, занимающем лишь верхнюю половину квазподнородного слоя океана. На основе экспериментов с моделью общей циркуляции океана впервые рассмотрено взаимодействие долгопериодных АТПО с процессами генерации геострофпческих аномалий скорости в океане, что позволило по-новому взглянуть на проблему интердекадной изменчивости Северной Атлантики.
Основные результаты и положения, выносимые на защиту, состоят в следующем:
1) Созданы оригинальные модели и методы моделирования аномалий
характеристик верхнего слоя океана и специальной обработки результа
тов наблюдений и численных экспериментов, включающие:
эволюционную модель аномалий,
балансовую модель деятельного слоя океана,
метод многолетнего воспроизведения аномалий характеристик верхнего слоя океана на основе настройки балансовой модели на сезонный ход вертикальной стратификации океана,
метод расчета аномалий по алгоритму расщепленпя на три физических процесса воздействия на них (средняя адвекция - локальные аномалии потоков на поверхности - аномальная адвекция),
метод воспроизведения аномалий динамики и термохалинных процессов с помощью модели общей циркуляции океана,
метод инициализации профилей температуры н солености в задаче расчета синоптических аномалий н метод расчета мерпдпональных переносов тепла в океане с помощью коррекции потоков тепла,
методы определения основных структурных особенностей вертикальных профилей океанских характеристик и вовлекаемых из термоклина в перемешанный слой потоков тепла п солп,
метод оптимизации параметров модели верхнего слоя океана в 4-мерном пространстве координат-параметров,
использование статистических методов выделения крупномасштабных пространственных структур в пространственно-временных полях для океанологической проблематики.
2) Впервые выполнено комплексное исследование на масштабах менее
1-2 месяцев физики аномалий температуры верхнего перемешанного слоя
океана ежесуточного разрешения (синоптические аномалии):
- при анализе существенных (величиной более 80% дисперсии) ано
малий с временнымп масштабами менее половпны года обнаружено, что
существуют четыре основных группы АТПО с характерными временами жизни около 5-7, 9-13, 14-18 и 21-30 суток. АТПО с временем жизни более 50 суток не было обнаружено. Показана спектральная структура АТПО. Медианное время жизни синоптических аномалий равно 11-14 суткам. Показаны особенности пространственной структуры аномалий и их обратных связей с потоками тепла из атмосферы в Северной Атлантике.
определены количественные вклады (среднее, дисперсии, экстремумы) в эволюцию аномалий различных физических'факторов. Установлено, что большинство тенденций в поведении синоптических аномалий температуры обусловлены, в порядке значимости, следующими четыремя процессами: аномалиями бюджета тепла поверхности океана; совместным эффектом аномалий толщины верхнего перемешанного слоя океана и сезонного хода его температуры; адвекцией тепла аномальным дрейфовым течением в среднем поле температуры и аномалиями вовлекаемого на нижней границе перемешанного слоя потока тепла. Аналогичные оценки получены для вкладов в процесс эволюции аномалий скрытого и явного потоков тепла, коротковолновой солнечной радиации, и эффективного излучения. Впервые на внутрисезонных масштабах времени получены оценки влияния на аномалии температуры переносов тепла аномальными дрейфовыми течениями в поле суммарной температуры и переносов тепла средними климатическими течениями в поле синоптических аномалий температуры верхнего перемешанного слоя для акватории Северной Атлантики.
рассмотрена вертикальная структура изменчивости синоптических аномалий температуры воды в деятельном слое океана. Установлено, что синоптические аномалии развиваются в активном подслое верхнего квазиоднородного слоя океана. В теплый период он охватывает весь квазиоднородный слой, а с декабря по март занимает в основном верхнюю половину квазиоднородного слоя. Приведены характеристіиси временной эволюции и особенностей пространственного распределения в Северной Атлантике активного подслоя. Показаны физические причины выделения активного подслоя из верхнего квазиоднородного слоя зимой. Установлено, что вертикальное перемешітанпе выступает прежде всего как механизм модуляции характеристик аномалий сезонным циклом при росте толщины активного подслоя от лета к зиме (время жизни аномалий зимой на 30% продолжительнее, а величины на 15% меньше, чем летом).
показано, что на масштабах времени от 2 до 50 суток верхний слой океана выступает как система, интегрирующая синоптические возмуще-
ни я в потоках тепла и скорости ветра на границе с атмосферой (отклик типа "красного шума" на высокочастотные сигналы атмосферных характеристик). Этот обший тип реакции существенно осложнен наличием ряда значимых пиков в частотных характеристиках системы верхнего слоя океана. Колебания температуры с периодом в 20 суток связаны прежде всего с возмущениями ветра. Менее интенсивно проявляются колебания с периодом на 5.5 и ряд перноднчностей на 7 14 сутках. Реакция температуры и толщины верхнего перемешанного слоя океана на атмосферное воздействие хорошо описывается линейной относительно преобразований Фурье системой с входами в виде потоков тепла и ветра.
выявлен ряд важных признаков подобия синоптических и долгопериодных аномалий температуры верхнего слоя океана с временем жизни 2 4 месяца, позволяющий предположить, что долгопериодные аномалип есть результат взаимодействия синоптических аномалий и процессов межгодовой и многолетней изменчивости.
3) Впервые рассмотрено взаимодействие долгопериодных аномалий температуры поверхности и полей скорости в океане на масштабах от месяцев до десятилетий:
впервые исследована роль геострофнчеекпх аномалий скорости течений в эволюции аномалий температуры верхнего слоя океана. Показано, что в задаче переноса долгопериодных аномалий температуры течениями, аномалип нельзя рассматривать как пассивную и консервативную примесь.
показан характер и причины изменений меридиональных переносов тепла течениями за последние десятилетия, выявлены моды аномалий температуры, связанные с этими изменениями через возмущения в поле кинетической энергии течении верхнего слоя океана.
- обнаружена отрицательная пространственно-временная обратная связь главных мод колебаний типа севе]) юг аномалий температуры и скорости течений в средних широтах океана, которая может быть важным звеном интердекадной изменчивости.
Научная обоснованность и достоверность положений и выводов работы подтверждается тем. что они основаны на совместном анализе многочисленных современных данных наблюдений и результатов численных экспериментов с современными хорошо тестированными и апробированными моделями. Использованы статистические методы анализа, позволившие получить оценки достоверности. Ряд выводов проверен с точки зрения различных независимых методических подходов.
Научная и практическая значимость связана с решением фун-
даментальноц научной проблемы комплексного количественного диагноза физических особенностей и закономерностей развития синоптических аномалий температуры верхнего перемешанного слоя океана. Полученные выводы позволяют понять причины возникновения и механизмы развития синоптических и долгопериодных аномалий температуры в деятельном слое океана, их влияние на короткопернодные вариации климата, включая интердекадную изменчивость. Практическая значимость состоит в создании ряда оригинальных методик моделирования аномалий с использованием модели деятельного слоя океана и модели общей цирку-л'ішш океана. Модели и методы воспроизведения АТПО, разработанные в диссертации, использованы при построении совместной модели атмосфера-верхний слой океана, где атмосферным блоком служит модель общей циркуляции атмосферы, разработанная в ИВМ РАН. На основе полученных результатов сформулирована программа исследований климата Атлантики, выполняемая при поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований.
Апробация работы. Результаты диссертации докладывались на многочисленных специализированных семинарах ИВМ РАН, ГОИН и ИО РАН в 1988-1996гг.; на конференциях по Всесоюзной программе "Разрезы" (май 1986г., Одесса и июнь 1988г., Одесса); на Всероссийской школе ИФА РАН по климату (март 1993г.): на международных конференциях: "Atlantic Ocean Climate Variability Workshop" (июль, 1992, Москва), "Dynamics of ocean and atmosphere" (дважды: ноябрь 1993г., Москва, ГОИН и ноябрь 1995г., Москва, ИО РАН). "Tnterdecadal changes of the North Atlantic -In a view ot the resent changes of the subpolar gyre" (июль 199G, Москва) п на конференции Росгидромета и Межгосударственного совета по гидрометеорологии стран СНГ (декабрь 1996, Москва, Росгидромет).
Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав. заключения п списка цитируемой литературы. Работа содержит 277 страниц текста, 58 рисунков (по 2-3 фрагмента каждый), 9 таблиц, библиографию из 191 наименования.