Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Атмосферная циркуляция в тропиках и субтропиках 23
1.1. Особенности циркуляции атмосферных процессов в тропиках 23
1. 1. 1. Гидротермодинамические данные реанализа NCEP/NCA R 23
1. 1.2. Крупномасштабная атмосферная циркуляция в тропиках и субтропиках 25
1.2. Летние и зимние муссоны 31
1.2.1. Определение муссона 31
1.2.2. Муссонный индекс 31
1.2.3. Механизм муссонной циркуляции 34
1.3. Моделирование муссонной циркуляции 37
1.4. Выводы (глава 1) 44
Глава 2. Результаты диагностических расчетов по взаимодействию муссона с атмосферной циркуляцией в средних широтах и тропиках временные тренды атмосферных характеристик 46
2.1. Влияние особенностей планетарной циркуляции на развитие фаз летнего индийского муссона 47
2.2. Воздействие летнего индийского муссона на образование тропических циклонов над акваторией морей Юго-Восточной Азии 52
2.3. Вариации термодинамических характеристик атмосферной циркуляции при аномальных значениях влагосодержания тропосферы по данным реанализа NCEP/NCAR 59
2.4. Межгодовая изменчивость и временные тренды в летнем азиатском муссоне по данным реанализа NCEP/NCAR 65
2.4.1. Межгодовая изменчивость азиатского муссона 65
2.4.2. Временные тренды атмосферных характеристик 66
2.5. Выводы (глава 2) 68
Глава 3. Спектральная гидродинамическая модель общей циркуляции атмосферы 71
3.1. Уравнения гидротермодинамики атмосферы в спектральной модели общей циркуляции атмосферы 74
3.2. Параметризация физических атмосферных процессов 78
3.3. Программный комплекс 95
3.4. Выводы (глава 3) 96
Глава 4. Воспроизведение среднемесячных атмосферных характеристик по спектральной модели общей циркуляции атмосферы 97
4.1. Динамика атмосферных процессов 100
4.1.1. Воспроизведение полей давления науровне моря 100
4.1.2. Ветровой режим модельной атмосферы 101
4.2. Баланс тепла и влаги в модельной атмосфере 103
4.2.1. Термический режим модельной атмосферы 103
4.2.2. Радиационно - тепловой баланс 104
А.23. Баланс влаги 107
4.2А. Климатическая адаптация данных в модели 110
4.3 Орографические эффекты в спектральной модели низкого разрешения 110
4.3.1. Методика задания орографии в модели 112
4.3.2. Воспроизведение поля давления на уровне моря при различных методах задания орографии в модели 118
4.4. Выводы (глава 4) 120
Глава 5. Численные эксперименты по моделированию элементов ОЦА 122
5.1. Анализ и моделирование экстремальной блокирующей ситуации над Восточной Европой в октябре 1987г 123
5.1.1. Анализ синоптической ситуации над Восточной Европой в октябре 1987г 123
5.1.2. Моделирование блокирующей ситуации 127
5.2. Внутренняя и вынужденная изменчивость системы атмосфера -подстилающая поверхность по данным численного моделирования 133
5.3. Воздействие дополнительной тепловой нагрузки на поверхности суши на изменение глобального климата 143
5.4. Моделирование циркуляционных атмосферных возмущений при некоторых аномальных состояниях температуры поверхности океана и инсоляции 151
5.5. Влияние аномалий температуры поверхности океана в Атлантике на развитие атмосферной циркуляции 160
5.5.1. Конечно-разностная модель ОЦА по полным уравнениям гидродинамики 160
5.5.2. Численные эксперименты по воздействию аномалий ТПО на развитие атмосферной циркуляции 165
5.6. Оценки спектральных фрагментов модельных метеорологических полей 169
5.7. Выводы (глава 5) 174
Глава 6. Моделирование осредненных характеристик муссонно и циркуляции в зимнем и летнем сезонах 179
6.1. Моделирование ветрового режима муссонной циркуляции 179
6.2. Основные энергетические характеристики нижней тропосферы в муссонных регионах 181
6.3. Осадки в тропических муссонах 183
6.4. Выводы (глава 6) 186
Глава 7. Численные эксперименты по воспроизведению особенностей муссонной циркуляции 188
7.1. Численное моделирование внутрисезонной изменчивости муссонной циркуляции 189
7.2. Численное моделирование развития летнего муссона в индийском регионе в 1979 г 197
7.2.1. Моделирование фазы наступления летнего индийского муссона 200
7.2.2. Моделирование фазы перебоя индийского муссона 203
7.3. Основные энергетические характеристики атмосферы при различных фазах муссонной циркуляции 206
7.4. Изучение внутрисезонной изменчивости муссона с использованием численной модели в системе координат Лагранжа 207
7.4.1. Математическая формулировка и численная реализация ЛМА 208
7.4.2. Воспроизведение фаз летнего индийского муссона по ЛМА 212
7.5. Моделирование межгодовой изменчивости тропического азиатского муссона 213
7.5.1. Численный эксперимент по моделированию межгодовой изменчивости индийского муссона 214
7.5.2. Наступление летней фазы индийского муссона в различные годы 215
7.5.3. Осадки и тепловой баланс 216
7.6. Температура поверхности океана и инсоляция, как факторы, определяющие развитие летнего индийского муссона 220
7.7. Выводы (глава 7) 228
Иллюстративный материал 233
Заключение 310
Список использованных литературных источников 316
- Крупномасштабная атмосферная циркуляция в тропиках и субтропиках
- Параметризация физических атмосферных процессов
- Воздействие дополнительной тепловой нагрузки на поверхности суши на изменение глобального климата
- Температура поверхности океана и инсоляция, как факторы, определяющие развитие летнего индийского муссона
Введение к работе
Актуальность проблемы.
Муссоны являются одним из феноменов в системе общей циркуляции атмосферы (ОЦА). Регионы с муссонной циркуляцией охватывают огромные территории. Муссоны обладают завидным постоянством сезонной смены направления ветров и выпадения осадков. Тем не менее, внутрисезонная и межгодовая изменчивость муссонов (в первую очередь различия количеств выпавших за сезон осадков) имеют важное значение для народного хозяйства стран в регионах с муссонной циркуляцией.
Взаимодействие муссонной циркуляции с другими элементами ОЦА в тропиках и в средних широтах представляет актуальную проблему, имеющую важные научные и прикладные аспекты. Выявление механизмов формирования и развития муссонов является одним из важнейших факторов понимания развития процессов ОЦА и причин наблюдаемого изменения климата. Анализ особенностей муссонной циркуляции ведется по двум основным направлениям. Во-первых, это исследования, базирующиеся на различного рода метеорологических и океанографических наблюдениях. В последнее время наиболее репрезентативными данными считаются данные реанализа. По этим данным в настоящее время активно проводятся исследования различных аспектов муссонной циркуляции. Второе направление изучения муссонной циркуляции - численное моделирование с помощью сложных гидродинамических моделей, которые учитывают все основные физические процессы в атмосфере и на подстилающей поверхности.
Об актуальности всестороннего изучения муссонной циркуляции говорит и тот факт, что при Всемирной Метеорологической Организации создана и активно функционирует группа по численному моделированию
муссонов В 1991 г. этой группой была разработана программа по воспроизведению летнего индийского муссона по данным за 1987 - 88 гг. В эти годы наблюдались существенные аномалии осадков в летнем индийском муссоне. В 1987г. в Индии была отмечена засуха, в 1988г. осадки существенно превышали норму. Сравнение таких аномальных муссонных циркуляции позволило лучше понять природу внутрисезонной и межгодовой изменчивости муссона, и, кроме того, выявить отдельные систематические ошибки вычислительных моделей. В сравнении результатов моделирования приняли участие 17 научных групп, которые использовали различные численные модели ОЦА. Диссертант принимал участие в этом проекте.
Подробно изучалась муссонная циркуляция в проектах по сравнению атмосферных моделей AMIP и AMIP2, которые осуществлялись в 90-ые годы двадцатого столетия. Особое внимание в этих проектах было уделено внутрисезонной и межгодовой изменчивости осадков в основных муссонных регионах (южно-азиатском, африканском и австрало-индонезийском).
Цели работы.
Выявить основные механизмы взаимодействия муссонов с другими элементами тропической циркуляции и циркуляцией в средних широтах по данным реанализа и другим диагностическим данным. Провести ряд численных экспериментов по моделям ОЦА для воспроизведения муссонной циркуляции в различных регионах и в различные сезоны года. Проанализировать результаты численных экспериментов для выявления факторов, влияющих на активность и интенсивность муссонов, их внутрисезонную и межгодовую изменчивость. .
Задачи исследования (решаемые задачи).
Для достижения указанных целей предусматривалось решение следующих задач:
1) Расчет параметров муссонной циркуляции по диагностическим данным:
- особенности планетарной циркуляции при различных фазах муссона,
- воздействие южноазиатского муссона на формирование и
интенсивность тропических циклонов, возникающих над акваториями морей
Юго-Восточной Азии.
2) Модели ОЦА:
усовершенствование спектральной модели атмосферы, адаптация этой модели для решения задач воспроизведения атмосферной циркуляции в тропической зоне и ОЦА в целом,
развитие численной модели массопереноса в системе координат Лагранжа с целью использования ее для более наглядного представления распространения муссонных потоков воздуха.
3) Численное моделирование процессов ОЦА:
численное моделирование процессов ОЦА при аномальных значениях температуры поверхности океана (ТПО) и инсоляции,
воздействие дополнительной тепловой нагрузки на поверхности суши на развитие крупномасштабных атмосферных процессов,
выявление внутренней и вынужденной изменчивости атмосферных процессов по результатам длительных численных экспериментов,
4) Моделирование муссонной циркуляции:
численное моделирование внутрисезонной и межгодовой изменчивости летнего муссона,
- динамические и энергетические характеристики атмосферы при
различных фазах муссонной циркуляции,
- воспроизведение внутрисезонной изменчивости муссона по
численной модели в системе координат Лагранжа,
- роль ТПО и инсоляции при развитии летней муссонной циркуляции.
Научная новизна работы.
- В диссертации представлен комплексный подход к проблеме
изучения муссонной циркуляции. Рассмотрены выводы исследований по
данным реанализа NCEP/NCAR и по результатам численных экспериментов,
проведенных с помощью ряда моделей, представленных в диссертации.
Проанализировано влияние аномальных атмосферных условий на интенсивность муссонной циркуляции.
Рассмотрены случаи динамического и энергетического воздействия индийского муссона на генерацию и траектории перемещения тропических циклонов в акваториях морей в Юго-Восточной Азии.
Проведены длительные численные эксперименты при дополнительном тепловом воздействии на атмосферную циркуляцию.
Выявлена роль аномальных значений ТПО и инсоляции на развитие летней муссонной циркуляции.
Рассмотрены особенности ветрового режима муссонной циркуляции с использованием численной модели массопереноса в системе координат Лагранжа.
-Рассчитаны характеристики внутренней и вынужденной изменчивости атмосферных процессов и их географическое распределение. Автор выносит на защиту
1. Результаты численных экспериментов по воспроизведению
внутрисезонной и межгодовой изменчивости муссонной циркуляции.
2. Влияние аномальных значений ТПО и инсоляции на активность
муссонной циркуляции.
3. Результаты диагностических исследований по воздействию
атмосферной циркуляции в средних широтах на активность муссонов.
-
Влияние интенсивности муссонной циркуляции на возникновение и развитие тропических циклонов над акваторией морей в Юго-Восточной Азии (по результатам диагностических расчетов).
-
Определение числовых характеристик внутренней и вынужденной изменчивости атмосферной циркуляции по результатам численных экспериментов.
Практическая значимость
Гидродинамические модели, представленные в диссертации, обладают достаточным научным и технологическим потенциалом для решения задач
воспроизведения ОЦА в целом и отдельных ее компонент (в частности, муссонной циркуляции). Модели успешно воспроизводят достаточно "тонкие" нюансы крупномасштабных атмосферных процессов, и дают вполне реальный отклик на изменение циркуляции при естественных и искусственно заданных воздействиях.
Представленные в диссертации модели успешно использовались в отечественных и зарубежных научных и научно-практических исследованиях. Результаты численных экспериментов, полученных по моделям представленным в диссертации, были рассмотрены и одобрены в международных проектах по воспроизведению летней муссонной циркуляции 1987-88 гг. (Degtiarev A.I., Pavlovskaya L.A., 1991) и моделированию ОЦА (Kurbatkin G.P., Degtiarev АЛ., Trosnikov I.V., 1988). Результаты расчетов по численным моделям, представленным в диссертации, были использованы при составлении документации "Рабочего совещания по обсуждению программы советско-индийского сотрудничества в области гидрометеорологии на 1992-1996 гг.", Дели, Пуна, 1991гг.". Результаты расчетов по лагранжевой гидродинамической модели массопереноса были использованы при составлении предпроектной документации строительства Балтийской Трубопроводной Системы.
Апробация работы
Всего диссертантом опубликовано 66 научных работ. Результаты диссертационной работы изложены в 26 публикациях, из которых две монографии.
Среди научных трудов диссертанта опубликовано в журналах: Изв. АН Физика атмосферы и океана 3 работы, Метеорология и гидрология - 15, Труды Гидрометцентра СССР (РФ) - 10. Кроме того, работы диссертанта были опубликованы в зарубежных журналах и сборниках статей.
Основные положения диссертационной работы были представлены на национальных и международных семинарах, конференциях и симпозиумах: "Modelling the sensitivity and variations of the ocean-atmosphere system",
Reading, 1988; "Взаимосвязь региональных и глобальных процессов в атмосфере и гидросфере", Тбилиси, 1988; "Air-sea interaction processes in relation to monsoon dynamics", Goa, "Sagar Kanja" ORV, 1988; "Четвертая всесоюзная конференция по исследованию роли энергоактивных зон океана в короткопериодных колебания климата (программа "РАЗРЕЗЫ")", Одесса, 1990; "Рабочее совещание по обсуждению программы советско-индийского сотрудничества в области гидрометеорологии на 1992-1996 гг.", Дели, Пуна, 1991; " Simulation of interannual and intraseasonal monsoon variability", Boulder, 1991; "5 международный симпозиум по проблемам метеорологии", Обнинск, 1991; "Научная конференция по результатам исследований в области гидрометеорологии и мониторинга природной среды", Москва, 1996; "Aerosol science, devices software and technologies", St-Petersburg, 1998; "23-rd NATO/CCMS international technical meeting on air pollution modelling and its application", Vama, 1998; "Всемирная конференция по изменению климата", Москва, 2003; научно-практическая конференция "Гидрометеорологические прогнозы и гидрометеорологическая безопасность", Москва, 2004.
Личный вклад автора
Модель атмосферы в системе координат Лагранжа разработана диссертантом лично; реализована и опробована, с проведением ряда численных экспериментов, совместно с Н.В. Штыревой. В спектральную модель атмосферы автором внесен ряд модификаций. Усовершенствована схема параметризации орографии и учета климатических данных. Создан экономичный вычислительный блок модели и система обмена данными. Ряд модификаций внесен автором в конечно-разностную модель атмосферы.
Численные эксперименты, результаты которых представлены в диссертации, проведены и проанализированы автором лично.
Диссертация состоит из введения, семи глав, списка основных сокращений и обозначений, заключения и списка использованных литературных источников. Она содержит 346 страниц машинописного текста, из которых 75 рисунков и 31 таблица.
Крупномасштабная атмосферная циркуляция в тропиках и субтропиках
Схематично крупномасштабную атмосферную циркуляцию в тропиках и субтропиках можно представить в следующем виде. Примерно на широтах 30 для каждого полушария в нижней тропосфере расположены зоны повышенного давления с антициклоническими климатическими центрами действия атмосферы. Наиболее значимыми ЦДА в субтропиках являются азорский и северотихоокеанский антициклоны в Северном полушарии и южноатлантический, южноиндийский и южнотихоокеанский антициклоны в Южном. Кроме того, в поясе низких широт наблюдаются сезонные центры действия. Это южноазиатский летний циклон в Северном полушарии (плохо различим на картах реанализа) и южноамериканский, южноафриканский и австралийский летние (январские) циклоны. Вопросам формирования и эволюции ЦЦА посвящены работы (Васильев П.П., 1972а; Васильев П.П., 19726; Мохов И.И., 1993) и многие другие, где показано, что ЦЦА возникают в результате миграции барических центров под воздействием температурных контрастов между материками и океанами. Особо следует отметить экваториальную депрессию, которая медленно мигрирует из Северного полушария в Южное в зависимости от склонения Солнца. Ее максимально северное положение приходится на июль, а наиболее южное - на январь.
На рис. 1.1.1 и 1.1.4 показаны климатические поля давления на уровне моря и их средние квадратические отклонения (СКО) для опорных месяцев каждого из четырех сезонов по данным реанализа (Kalnay E.S., 1996; Kistler R, Kalnay E.S., 2000). Рисунки показывают, что воспроизведение интенсивности и местоположения всех ЦДА, как в средних широтах, так и субтропических ЦДА высокого давления, которые существенно влияют на атмосферную циркуляцию в тропиках, практически совпадают с климатическими данными полученными по другим методикам (см. подраздел 4.1.1 диссертации). Как видно из рисунков ИДА реанализа являются постояннодествующими (круглогодичными). Рис. 1.1.1 — 1.1.4 демонстрируют, что СКО давления на уровне моря в тропической зоне очень малы по сравнению со средними широтами. Исключение составляет область в Северной Африке, где доминирует африканский муссон, который известен своей межгодовой изменчивостью. СКО в этом районе достигает 2 гПа во всех 4-х сезонах.
На рис. 1.1.5 представлены поля линий тока на изобарической поверхности 850 гПа для января и июля. Анализ карт линий тока особенно важен для тропиков, так как здесь отсутствует четкая связь между полями ветра и давления на уровне моря. Карты реанализа полей линий тока на изобарической поверхности 850 гПа позволяют подчеркнуть географическое расположение ЦДА на глобусе. На протяжении всего года в Северном полушарии на изобарической поверхности 850 гПа отчетливо выделяются азорский и североамериканский субтропические антициклоны. В Южном полушарии очевидны южноатлантический, южнотихоокеанский и южноиндийский субтропические ЦДА высокого давления, летом заметны австралийский и южноафриканский ЦДА высокого давления. Перманентное существование перечисленных выше субтропических максимумов обеспечивает постоянство пассатных ветров в нижней тропосфере.
Максимальные пассатные ветры наблюдаются над акваториями Тихого, Атлантического и Индийского океанов. Из рис. 1.1.56 видно, что в субтропиках Северного полушария существует разрыв зоны повышенного давления над Африкой и Южной Азией, здесь наблюдается ряд термических и муссонных депрессий. Эти депрессии создают условия для развития тропической муссонной циркуляции над Африкой и Южной Азией. Формированию муссонной циркуляции над Индией и западной частью Тихого океана способствует также существование второй ветви экваториальной ложбины, которая располагается несколько южнее основной.
Таким образом, в июле, в поле линий тока на изобарической поверхности 850 гПа наблюдается два пояса субтропических антициклонов в Северном и Южном полушариях. Экваториальная ложбина в январе находится в более прогретом Южном полушарии, а в июле — в Северном
На изобарической поверхности 200 гПа (рис. 1.1.6) субтропическое струйное течение Северного полушария в январе интенсивней, чем в июле и расположено южнее. В Южном полушарии в январе субтропическое струйное течение интенсивнее, чем в Северном, и здесь оно охватывает больший широтный пояс. В апреле и октябре положение субтропических струйных течений имеет промежуточное положение.
Как известно, поля осадков имеют очень "пестрый" характер. Как видно из рис. 1.1.7 и 1.1.8 в тропической зоне выпадает значительная часть осадков от общей их суммы по глобусу. Эти рисунки показывают, что максимальные значения выпавших осадков наблюдаются в районах, расположенных в окрестностях ВЗК и мигрируют вместе с расположением этого барического образования. В январе зона максимальных значений выпавших осадков расположена в районе Кордильер (до 14 мм/сут) и Филиппинских островов (11 мм/сут). В июле максимальные осадки наблюдаются над индийским регионом (до 17 мм/сут); велики количества выпавших осадков над регионом центральной Америки. Для муссонных областей характерен сезонный ход выпадения осадков. Рис. 1.1.76 и 1.1.86 показывают высокий уровень межгодовой изменчивости осадков, причем в особенности это относится к муссонным регионам.
Одним из основных вопросов тропической метеорологии является перераспределение тепла, поступающего от Солнца. Это тепло в избытке поступает в приэкваториальные широты, тогда как в приполярных широтах преобладает отток тепла от поверхности. Достаточно правомерная гипотеза трехмерной тропической циркуляции атмосферы была предложена Гадлеем в 1735 г. (см. Тараканов Г.Г., 1980). Основным механизмом переноса тепла и влаги из тропических широт является ячейка Гадлея, в которой происходит движение воздушных масс в нижней тропосфере от субтропических широт к экватору (пассаты), вертикальные движения в приэкваториальных широтах и отток теплого воздуха в верхней тропосфере к субтропикам. С некоторыми дополнениями и исправлениями эта гипотеза обратилась в современную климатическую теорию пространственных трехмерных движений в тропической зоне. Вертикально - меридиональная циркуляционная ячейка в тропической и субтропической зонах получила название ячейки Гадлея.
Как уже отмечалось, в субтропиках обоих полушарий наблюдаются зоны повышенного давления с постоянно действующими климатическими центрами действия над Атлантическим и Тихим океанами (в Южном полушарии еще и над Индийским океаном). В то же время в приэкваториальных широтах располагается медленно мигрирующая из Северного полушария в Южное (в зависимости от сезона) экваториальная депрессия. Барический градиент, постоянно существующий между этими широтными поясами, является первопричиной постоянно действующих воздушных пассатных течений. В нижней тропосфере пассатные ветры имеют северо-восточное направление в Северном полушарии и юго-восточное в Южном. Над материками и западными частями океанов пассаты могут быть выражены неотчетливо, а над восточными частями океанов пассаты устойчивы круглый год (Тараканов Г. Г., 1980; Хромов С. П., Мамонтова Л. И., 1980). Кроме постоянства направления ветра характерными чертами пассатного климата является малая облачность, небольшое количество выпавших осадков, а также наличие постоянного слоя пассатной инверсии. Внутритропическая зона конвергенции (ВЗК) является областью сходимости пассатных ветровых течений Северного и Южного полушарий. ВЗК мигрирует в приэкваториальной зоне вместе с экваториальной депрессией, следуя за сезонным изменением интенсивности солнечной инсоляции. Экваториальная ложбина практически всегда опоясывает весь Земной шар, однако, конвергенция в ней на разных долготах может сильно менятьсяЛТо данным аэрологического зондирования вТРОПЭкс-74 наНИС Профессор Зубов" из 73 сроков ВЗК находилась в активной фазе при 38 измерениях и размытой - при 35 измерениях (Петросянц М.А. и др., 1976)./ Понятно, что активная фаза ВЗК сопровождается мощной облачностью и обильными осадками. Следует также отметить, что положение ВЗК имеет неодинаковое для разных долгот широтное положение. Так над восточными акваториями Тихого океана и над Атлантикой ВЗК практически весь год находится в Северном полушарии, а над Африкой и Индийским океаном она может смещаться в течение года на 32е по широте (Тараканов Г.Г.,1980).
В тропических регионах преимущественно на стыке континентов и океанов происходит полугодовая смена ветрового режима. Ветры с устойчивым полугодовым изменением направления на противоположный называют муссонами. В муссонной циркуляции резко разграничены влажный и сухой сезоны в отдельных регионах. Наиболее отчетливо муссонные области в тропической зоне выражены в районах, прилегающих к Южной и Юго-Восточной Азии, приэкваториальной Африке, а также Индонезии и северу Австралии. Причины возникновения муссонной циркуляции, интенсивности муссонов в различных регионах будут рассмотрены в следующем разделе.
Параметризация физических атмосферных процессов
Моделирование атмосферных источников и стоков энергии, связанных с потоками импульса, тепла и влаги, часто играет определяющую роль в задачах общей циркуляции атмосферы и изменения климата. Диабатические физические процессы, связанные с турбулентными и конвективными движениями, фазовыми преобразованиями воды, облачности, а также потоками в атмосфере солнечной радиации существенно влияют на развитие атмосферной циркуляции. Эти процессы связаны с пространственно малыми или даже микрофизическими явлениями, поэтому они не могут быть явно включены в численную модель, Их воздействие на крупномасштабные течения, которые являются объектом исследования, может учитываться только параметрически, т. е. описание мелкомасштабных физических процессов производится с помощью параметров модели - крупномасштабных переменных.
Проблему учета физических процессов в задаче моделирования атмосферных процессов можно рассматривать и с другой точки зрения. Изначально, в результате применения пространственно-временного осреднения уравнений гидротермодинамики для описания процессов крупномасштабной циркуляции появляются новые неизвестные, характеризующие флуктуации основных переменных. Эти неизвестные могут быть параметризованы через основные переменные с использованием ряда гипотез и эмпирических соотношений.
К настоящему времени накоплен достаточно большой опыт работы с различными схемами параметризаций подсеточных процессов в гидродинамических моделях. Известно, что включение наиболее значимых диабатических факторов в модель дает безусловно положительный эффект при моделировании метеорологических элементов начиная примерно с третьих суток интегрирования, и только учет этих факторов делает возможным воспроизведение глобальных процессов ОЦА. Кроме своего прямого назначения - описания какого-либо физического процесса - схема параметризации в гидродинамической модели должна быть приемлемой с точки зрения вычислительной эффективности. Поэтому для различных классов моделей разработаны различные по своей детализации схемы параметризации. Еще одним условием успешного применения схем параметризации является сбалансированность всех схем диабатических процессов в данном варианте модели, т. е. они все должны иметь примерно одну и ту же точность при расчете соответствующих физических компонентов.
Набор параметризационных модулей, задействованных в СМА, содержит следующие схемы: линейная горизонтальная диффузия 4-го порядка, вертикальные диффузионные потоки в приземном слое и выше его, крупномасштабная конденсация, влажная конвекция, процессы на поверхности и в почве, солнечная радиация и облачность.
В современных гидродинамических моделях используются различные по сложности, а следовательно, и по вычислительной эффективности, схемы параметризации неадиабатических процессов. Их описанию посвящена обширная литература, поэтому останавливаться на сравнении и выявлении достоинств и недостатков отдельных схем здесь не представляется целесообразным. Обзор ряда подходов к параметризациям подсеточных процессов, активно используемых в моделях ОЦА и изменения климата, представлен в работе (Louis J.-F., 1982). Анализ результатов серии среднесрочных прогнозов погоды, полученных с использованием двух различных наборов параметризационных схем, рассмотрен в (Hollingsworth A., et al., 1980; Tiedke М, 1977). Обзор методов параметризации планетарного пограничного слоя атмосферы в гидродинамических моделях и сравнение отдельных подходов содержится в (Лыкосов В.Н., 1988; Bhumralkar СМ., 1976; Driedon A.G., Tennekes Н., 1981). Особенности развития процессов распространения в атмосфере потоков солнечной радиации достаточно полно представлены в работе (Лиоу Ку-Нан., 1984). В (Fels S., Schwarzkopf M.D., 1975; Lacis A.A., Hansen J.E., 1974;Slingo J., 1982) обсуждаются способы учета эффектов коротковолнового солнечного и длинноволнового теплового излучений в численных моделях. Механизм облачно-радиационного взаимодействия при расчете облачности в модели из диагностических соотношений рассмотрен в (Slingo J., Ritter В., 1985). В работе (Pumpel Н., 1984) показано, что учет суточного хода солнечной радиации позволяет воспроизвести более реалистичную картину при моделировании отдельных характеристик атмосферной циркуляции.
Горизонтальная макротурбулентность При интегрировании модели по времени может происходить перенос кинетической энергии по спектру в сторону высокочастотных колебаний и неправдоподобное возрастание амплитуд коротких волн вблизи границы спектрального усечения. Этот эффект часто называют спектральным блокированием. Для устранения этого явления необходимо параметризовать переход кинетической энергии в волны масштаба, сравнимого с разрешением модели.
Для параметризации мелкомасштабных процессов горизонтальной турбулентности в СМА применена диффузионная линейная схема четвертого порядка(Воигке W. et al., 1977). Диффузионные члены препятствуют паразитарному росту амплитуд высокочастотных гармоник, близких по масштабу к порогу усечения. В соответствующих прогностических уравнениях определены диффузионные члены Линейная диффузионная схема четвертого порядка для спектральной модели высокоэффективна в вычислительном плане и практически не уступает нелинейным схемам в подавлении паразитарных шумов.
Вертикальные турбулентные потоки в приземном слое. В приземном слое атмосферы (0 — 100 м) наблюдаются максимальные вертикальные градиенты метеорологических элементов. В связи с этим особую роль приобретает расчет в этом слое турбулентных потоков импульса, энтальпии и влаги. Эффективная параметризация процессов в приземном слое определяет чувствительность модели к процессам на подстилающей поверхности. В моделях с достаточным вертикальным разрешением параметризация этих процессов реализуется в нижнем приповерхностном слое модели.
Вертикальные потоки в приземном слое определяются в основном термической стратификацией в этом слое и характером земной поверхности. Вычисления вертикальных потоков основано на теории подобия Монина -Обухова (Монин А.С., Обухов A.M., 1954). Выражения, описывающие потоки импульса, энтальпии и влаги в терминах крупномасштабных параметров модели, получены в (Louis J.-F., 1979) с учетом эмпирических исследований (Businger J.A. et al., 1971).
Задача определения коэффициента вертикальной диффузии К решается с помощью гипотезы о пути смешения Прандтля, что является характеристикой интенсивности турбулентности. Предполагается, что коэффициент вертикальной диффузии К в (3.2.12) — (3.2.14) зависит от сдвига ветра и статической устойчивости. Коэффициент диффузии К зависит от пути смешения. В СМА этот параметр определен в соответствии с (Blackadar А.К., 1962).
Крупномасштабная конденсация. Пространственное разрешение современных моделей достаточно для описания процессов конденсации в слоистых облаках, развивающихся в крупных воздушных массах. Физическая интерпретация этого механизма заключается в том, что выделение теплоты конденсации повышает температуру соответствующей массы воздуха. Конкретные же схемы параметризации крупномасштабной конденсации различаются по существу только вычислительными алгоритмами.
В СМА параметризация крупномасштабной конденсации основана на предположении о том, что фазовые переходы осуществляются в тех узлах сетки, где влажность превосходит значение, соответствующее насыщению. Далее, в теплых облаках, в которых температура верхней границы выше — 12С, осадки выпадают в том случае, когда содержание жидкой влаги превосходит критическое значение wcrjt =2 мм. При этом количество выпавших осадков вычисляется с учетом того, что содержание жидкой воды в данной точке расчетной сетки не должно быть меньше Wcr;t. В переохлажденных облаках, когда температура в верхней части облака ниже — 12С, вся сконденсировавшаяся влага выпадает в виде осадков. Таким образом, параметризуется эффект увеличения скорости конденсации в переохлажденных облаках за счет ледяной фазы и интенсивности выпадения осадков из них.
Такая схема крупномасштабной конденсации сохраняет суммарную влагу в модели, так как исключен мнимый источник, обусловленный возникновением областей с отрицательными значениями массовой доли влаги.
Влажная конвекция. В настоящее время нет единого подхода к параметризации процессов влажной конвекции. Это связано с тем, что горизонтальный размер конвективного облака мал по сравнению с сеточным разрешением модели, а также с тем, что эффект влажной конвекции значителен во многих регионах. Интенсивность конвективных процессов определяется распределением влажности, потоками тепла и влаги от поверхности и мезомасштабными движениями внутри конвективного облака. Таким образом, параметризация влажной конвекции является комплексной проблемой, включающей взаимодействие между конденсацией, вертикальной диффузией и крупномасштабной динамикой.
Воздействие дополнительной тепловой нагрузки на поверхности суши на изменение глобального климата
Изменения в состоянии климатической системы атмосфера — подстилающая поверхность очевидны: происходит так называемое глобальное потепление (Кароль И.Л., 1988; Динамика климата, 1998; Глобальное потепление, 1993; Глобальный климат, 1987; Израэль Ю.А., Груза Г.В. и др., 2001; Груза Г.В., Ранькова ЭЛ.,2004).
Одной из важнейших причин глобального потепления является приток тепла, вызванный жизнедеятельностью человека (Кларк У.К., 1989; Глобальное потепление, 1993; Израэль Ю.А., Груза Г.В. и др., 2001). Антропогенная энергетическая нагрузка уже в настоящее время достаточно велика (Борисенков Е.П., Ефимова Л.К., 1984; Израэль Ю.А., 1991). Здесь и автотранспорт, и отопление помещений (низкие теплые площадные источники) и деятельность промышленного энергетического комплекса (вертикальный выброс до 100-200 м по высоте; точечные горячие источники).
В настоящем разделе проводится анализ длительных численных экспериментов, проведенных по глобальной СМА21. В качестве воздействия на ОЦА в экспериментах задано дополнительное возмущение тепловой нагрузки на поверхности суши. Известно (Борисенков E.IL, Ефимова Л.К., 1984), что для воздействия на изменение динамического режима ОЦА достаточно энергии 2-3 Вт/м2 на территории, сравнимой с масштабами внетропического циклона. По модели проведен численный эксперимент на 50 лет модельного календаря с учетом дополнительного (искусственно заданного) теплового воздействия. В эксперименте с таким тепловым воздействием (АТВ) задана дополнительная тепловая нагрузка на атмосферу, определяемая постоянно действующим тепловым источником на поверхности суши. Интенсивность этого источника зависит от значения температуры подстилающей поверхности суши, которая вычисляется в модели. При экстремальных географо-метеорологических условиях (низкая температура) тепловая нагрузка на атмосферу в эксперименте достигает 6 Вт/м . Такие величины тепловой нагрузки на атмосферу реализованы в зимние месяцы в Западной и Центральной Европе и северной части восточного побережья Северной Америки.
Для сравнения с экспериментом АТВ был проведен 50-и летний контрольный эксперимент (КЭ). Этот эксперимент отличается от АТВ только отсутствием дополнительной тепловой нагрузки на атмосферу по указанному выше алгоритму.
Сравнение результатов КЭ с аномальным АТВ показало, что осредненная за каждый год интегрирования температура поверхности, в особенности в Северном полушарии, где тепловая нагрузка значительно выше, чем в Южном, имеет положительный временной тренд (табл. 5.3.1). При сравнительном анализе АТВ и КЭ была рассмотрена температура приповерхностного воздуха (нижний расчетный уровень модели). Оказалось, что наибольшие положительные различия (АТВ-КЭ) располагаются в Западной Европе (до 0.9С), Центральной Сибири (до 1.9С), Северной Африке (до 1.0С) и на северо-западе Канады (до 0.9С). Отрицательные величины этой разности приходятся на юг и юго-восток Северной Америки, район Северного моря в Атлантике (до 0.7С) и на Берингов пролив (до 0.6С). Причем, местоположение этих аномалий перманентно для каждой из 5 десятилетних выборок аномального эксперимента. Величины аномалий растут от первого десятилетия к пятому.
В табл. 5.3.2 и 5.3.3 показаны среднегодовые величины теплового и влажностного балансов за 41-50 годы АТВ. Временной ход баланса влаги на глобусе от года к году на этом временном интервале меняется от 0.029 мм/сут в 42 году модельного календаря до минимального значения 0.018мм/сут в 48г. В КЭ соответствующие значения составляли 0.018 и 0.006 мм/сут. При данных возмущающих условиях временная изменчивость модельной климатической системы в большей степени содержит внутреннюю изменчивость, однако, заданная тепловая нагрузка на подстилающей поверхности приводит к некоторому временному тренду баланса влаги.
На рис. 5.3.1 показаны различия температур между экспериментами АТВ и КЭ на изобарической поверхности 850 гПа (а) и на подстилающей поверхности (б). На изобарической поверхности 850 гПа максимальные различия приходятся на Северную Атлантику (до 2.2"С), Европу (до 2.2 С), Восточную Сибирь и западное побережье Тихого океана (до 1.6С). Рис. 5.3.1а показывает ярко выраженную волновую структуру областей положительных и отрицательных различий. Различия значений температур поверхности между экспериментами расположены в Европе (до 2.5С), на Урале (до 1.6"С), на восточном побережье Северной Америки (до 2.2"С), что соответствует сценарию эксперимента АТВ. Рис. 5.3.2 подтверждает существенную волновую структуру полей различий температуры между экспериментами АТВ И КЭ на изобарических поверхностях 300 и 500 гПа. Причем, оказалось, что на изобарической поверхности 300 гПа различия даже больше, чем на 500 гПа.
На временном интервале эксперимента АТВ (50лет) динамические характеристики модельной атмосферы (стационарные волны давления, струйное течение на изобарической поверхности 200 гПа, вихревая активность модельной атмосферы) не претерпели существенного изменения по сравнению с КЭ. К наиболее значимым отличиям струйных течений в верхней тропосфере (более 5 м/с) следует отнести: превышение результатов КЭ над АТВ на 6 м/с над Зпадной Атлантикой Северного полушария в январе, превышение АТВ на 11 м/с над Центральной Атлантикой Северного полушария в апреле, превышение КЭ над Западной Сибирью на 5 м/с и на 6 м/с над восточной частью Северной Америки, в октябре различий более 5 м/с не наблюдалось.
Для эксперимента АТВ интересно рассмотреть изменчивость атмосферных процессов, а именно межгодовую ее составляющую. Межгодовую изменчивость процессов ОЦА можно разделить, как и в разделе 5.2, на внутреннюю и вынужденную изменчивость. Внутренняя изменчивость определяется конкретным разнообразием динамических атмосферных процессов. Вынужденная изменчивость зависит от внешних факторов по отношению к атмосферной циркуляции.
Вопрос о соотношении внутренней (динамика атмосферной циркуляции) и вынужденной (в данном случае - дополнительная тепловая нагрузка на поверхности суши) изменчивости системы атмосфера — подстилающая поверхность представляет определенный интерес. Расчет внутренней и вынужденной изменчивости проводился по формулам 5.2.1 и 5.2.2, представленным в предыдущем разделе. Для расчета внутренней и вынужденной изменчивости, как и в предьщущем разделе, проведены 10 численных экспериментов (реализаций) на 20 лет модельного времени каждый с одинаковым набором ТПО, но с различными начальными данными. Начальные данные задавались аналогично тому, как это делалось в предыдущем разделе диссертации. В данном разделе представлены результаты вычислений, соответствующие январским условиям.
Сценарий этих экспериментов подразумевает корректировку величин температуры поверхности (Ts) за счет дополнительного теплового воздействия на поверхности суши. Рис. 5.3.3а и 5.3.36 показывают внутреннюю и вынужденную изменчивость Ts в эксперименте с дополнительной тепловой нагрузкой. На этих рисунках, как и в предьщущем разделе, представлены стереографические северные полярные проекции полей давления на уровне моря.
Видно, что наибольшие значения внутренней изменчивости наблюдаются в Центральной Европе (до 1.7С) и центральной части Северной Америки (до 1.6вС). Существуют также отдельные центры максимальных значений внутренней изменчивости меньшей интенсивности (Аляска, Чукотка, Гренландия, восточная часть северного Китая). Один из максимумов вынужденной изменчивости также дислоцируется в центральной Европе (до 0.44 С), другой, несколько менее мощный — восточнее. В Северной Америке наблюдается двухцентровыи максимум значений вынужденной изменчивости (в западной и юго-восточной частях США (до 0.38 С)).
Рис. 5.3.4 показывает распределение величин внутренней (рис. 5.3.4а) и вынужденной (рис. 5.3.46) изменчивости температуры на изобарической поверхности 700 гПа (Т700) для эксперимента с дополнительной тепловой нагрузкой. Оказалось, что внутренняя изменчивость уменьшается от Северного полюса к экватору. Имеются лишь небольшие центры максимальных значений этой величины в североатлантическом и тихоокеанском регионах. В основном, изолинии имеют квазизональный характер. Поле значений вынужденной изменчивости Т700 характеризуется многоцентровостью. Наиболее интенсивные центры расположены в полярных широтах. Центры меньшей интенсивности находятся над Камчаткой, Аляской, югом Гренландии и Уралом.
Внутренняя и вынужденная изменчивость поля давления на уровне моря показаны на рис. 5.3.5а и 5.3.56. Из рис. 5.3.5а видно, что максимальные значения внутренней изменчивости располагаются вблизи циклонических центров действия низкого давления в Северном полушарии. В исландском минимуме значения внутренней изменчивости достигают 5.2 гПа, а в алеутском (он сдвинут в сторону Северной Америки) - 6.4 гПа. В Северной Атлантике имеется второй центр повышенной внутренней изменчивости, максимум которого выше 5.0 гПа. Еще следует отметить полярный центр максимальных значений внутренней изменчивости. В остальных регионах наблюдается квазизональность изолиний внутренней изменчивости давления на уровне моря при уменьшении этой величины от полюса к экватору.
Температура поверхности океана и инсоляция, как факторы, определяющие развитие летнего индийского муссона
В данном разделе диссертации выявлена роль некоторых диабатических факторов, а именно температуры поверхности океана и приходящей солнечной радиации, на возникновение и развитие летней фазы азиатского муссона. Здесь рассмотрены некоторые условия необходимости и достаточности развития летней муссонной циркуляции в азиатском регионе.
Для выявления основных метеорологических характеристик, определяющих развитие летнего азиатского муссона, проведен ряд численных экспериментов на базе СМА21. В первой серии экспериментов был зафиксирован поток инсоляции. Были рассчитаны эксперименты: РА — инсоляция постоянна, значения инсоляции соответствуют 1 апреля, РМ - мая, РИ - I июня, РИл - Іиюля. Во второй серии экспериментов была зафиксирована ТПО в глобальном масштабе. Были проведены эксперименты с фиксированной ТПО на 1 апреля (ТА), 1 мая (ТМ), 1 июня (ТИ), 1 июля (ТИл). Все эксперименты с аномальными граничными условиями проведены на основе контрольного эксперимента (КЭ) с учетом его вычислительных опорных точек за каждый из указанных месяцев. В КЭ при моделировании учитывался годовой ход всех климатических переменных модели.
При анализе аномальных экспериментов рассмотрены основные атмосферные характеристики, которые являются индикатором наличия и интенсивности летнего азиатского муссона. Одной из них является ветровой режим на изобарической поверхности 850 гПа (рис. 7.6.1). При нормальной муссонной циркуляции в летние месяцы в индийском регионе в нижней тропосфере наблюдается резкая смена направления ветра восточнее п-ова Сомали (кроссэкваториальный поток) и устойчивые юго-западные ветры над Аравийским морем, Индией и тропическими районами восточнее.
Анализ проведенных экспериментов показал, что в эксперименте РА ветровой режим в июле и августе модельного календаря не соответствует реальной летней муссонной циркуляции в индийском регионе. Кроссэкваториальный поток практически отсутствует, западный муссонный поток значительно ослаблен и располагается существенно южнее, чем он должен быть в действительности. В ТА летняя муссонная циркуляция также не промоделирована, хотя над Индией существует очень слабый западный ветер.
В РМ, как и в ТМ, летняя муссонная циркуляция в индийском регионе в общих чертах воспроизведена. Однако, как в одном, так и в другом эксперименте отсутствует южная составляющая скорости ветра над Аравийским морем, т. е. ветер на изобарической поверхности 850 гПа имеет строго западное направление. В КЭ ветер в этом районе имеет реалистичное направление с южной составляющей. Интенсивность муссонной циркуляции в РМ и ТМ сильно занижена. Так в эксперименте РМ скорость ветра над Западной Индией достигает 6-8 м/с, а в ТМ лишь 3-5 м/с. Из этого можно сделать вывод, что для не возникновения ветрового режима летней муссонной циркуляции годовой ход ТПО имеет несколько большую значимость, чем годовой ход инсоляции. Эксперименты РИ и ТИ качественно достаточно хорошо воспроизводят ветровой режим летней муссонной циркуляции (рис.7.6. 1) и мало отличаются от КЭ.
Анализ результатов экспериментов, касающихся субтропического струйного течения Северного полушария на изобарической поверхности 200 гПа, показал, что в аномальных экспериментах ось этого течения расположена ближе к экватору, чем в КЭ. Аналогичные отклонения наблюдаются при рассмотрении результатов по Южному полушарию. Большие отклонения оси струйного течения, как и следовало ожидать, из анализа рис. 7.6.1 оказались в эксперименте ТА по сравнению с РА.
Другой, пожалуй, наиболее важной характеристикой летней муссонной циркуляции является количество выпавших осадков в регионе и отдельных его частях. Распределение выпавших осадков по результатам аномальных экспериментов представлено на рис.7.6.2. Видно, что в эксперименте с фиксированной апрельской ТПО (ТА) моделирование атмосферных процессов не приводит к образованию летних муссонных осадков. В эксперименте РА муссонные осадки очень слабы. В обоих экспериментах ВЗК над Индийским океаном в июле-августе располагается южнее экватора. В экспериментах ТИ и РИ (фиксация июньских значений ТПО и инсоляции, соответственно) летняя муссонная циркуляция воспроизведена правдоподобно.
В табл. 7.6.1 представлены среднемесячные суммы выпавших осадков в июле и августе при проведении экспериментов с фиксированной ТПО (ТА, ТМ, ТИ) и в КЭ над Аравийским морем, Индией, Бенгальским заливом и Индокитаем. В табл. 7.6.2 показаны аналогичные результаты экспериментов с фиксированной инсоляцией (РА, РМ, РИ). Данные этих таблиц подтверждают, что фиксация соответствующих граничных условий в экспериментах ТА и РА не позволяет развиться летней муссонной циркуляции в указанных районах с присущим ей обильным выпадением осадков. В экспериментах ТА и РА в барическом поле над азиатским континентом перестройка на летний режим не воспроизведена; условия для развития муссонной ложбины не создаются/Наступление летней фазі муСсонной циркуляции связано, как выявлено при изучении натурн/іх данных и /результатов моделирования у (Тропические муссоны, Krishnami)frty ТЛчК, Bhaime/N.H., 1976; La/к.-М.; Song Уа _1996) с езким перемещением ВЗК во второй половине мая от экваториальных u/ирот к широтаїу около 10 сі ш. Видимо/ эти два положения ВЗК уйвляются остойчивыми климатическими состояниями муссоннвй циркуляции. В ДА и РА ВЗК остается южнее своего климатического положения, тгуказанный триггерный механизм не срабатывает. В экспериментах ТМ и РМ количества выпавших осадков, существенно больше, чем в ТА и РА. Атмосферную циркуляцию в экспериментах ТМ и РМ по количеству выпавших осадков можно сравнить с очень слабым летним муссоном. Следует отметить, что в РМ величина осадков несколько больше, чем в ТМ. Это подтверждает вывод, сделанный при изучении ветрового режима, о том, что годовой ход ТПО дает несколько больший вклад в не развитие летней муссонной циркуляции, чем инсоляция, конечно при достаточно высоком солнце (май). Количества осадков в ТИ и РИ, а также ТИл и РИл вполне сравнимы с осадками в КЭ.
Таким образом, проведенные эксперименты показали, что фиксация ТПО или инсоляции на уровне их апрельских значений не дает возможности развития нормальной циркуляции летнего азиатского муссона. Причем оба эффекта приводят к близким по количеству изменениям атмосферной циркуляции. Фиксация вышеупомянутых граничных условий на уровне их майских значений приводит к появлению качественно верного процесса летней муссонной циркуляции, но очень слабой интенсивности. Эксперименты с постоянной июньской ТПО или инсоляцией показали, что муссонная циркуляция промоделирована достаточно успешно, и результаты этих экспериментов сравнимы с результатами КЭ.
Попытаемся выяснить основные причины, которые препятствуют развитию летнего муссона при апрельской ТПО или инсоляции. На рис. 7.6.3 представлены осредненные за июль-август разности температур подстилающей поверхности в экспериментах ТА, РА, ТИ, РИ по сравнению с КЭ. В экспериментах ТА и РА наблюдается большой (до 4-5С) перегрев подстилающей поверхности в июле-августе месяцах по сравнению с КЭ. Перегрев объясняется малой облачностью в аномальных экспериментах по сравнению с КЭ из-за отсутствия в них нормальной летней муссонной циркуляции в этом регионе. В экспериментах ТМ и РМ перегрев достигает 3С. В эксперименте ТИ перегрев около 2С в центре Индии, а в РИ он практически отсутствует.
В табл. 7.6.3 представлен осредненный за июль-август тепловой баланс у подстилающей поверхности в субрегионах азиатского муссона. Из таблицы видно, что тепловой баланс в указанных субрегионах для апрельских и майских аномальных экспериментов имеет противоположный знак по сравнению с КЭ (за исключением Бенгальского залива в ТМ). Причем, наибольшие положительные значения теплового баланса (нагрев поверхности) получены для ТА. В ТИ и РИ знак теплового баланса у поверхности совпадает с КЭ (кроме ТИ над Индией), но значения почти всегда немного занижены. Отдельные компоненты теплового баланса над Аравийским морем и Индией представлены в табл. 7.6.4а и б. Из этой таблицы следует, что в аномальных экспериментах ТА и РА, и в меньшей степени в ТМ и РМ, поток инсоляции превалирует над остальными компонентами теплового баланса и определяет его знак. Этот факт также связан с незначительной облачностью в регионе при отсутствии или низкой интенсивности летнего азиатского муссона.
