Введение к работе
Актуальность темы. Детальное изучение структуры и эволюции атмосферного пограничного слоя (АПО) крайне важно для понимания процессов, происходящих как в атмосфере, так и в океане, а в конечном счете, для прогноза погоды и короткопериодных колебаний климата. За счет циклонической активностисредние широты играют ключевую роль в глобальном перераспределении энергии. Отдельные среднеширотные области океанов вовлечены в энергообмен с атмосферой в различной степени. Экспериментальные данные свидетельствуют об "очаговом" характере взаимодействия океана и атмосферы, лежащем в основе концепции энергоактивных зон Мирового океана (Марчук, 1972). В рамках этой концепции особая роль принадлежит внетропическим регионам и, в частности, Ньюфаундлендской ЭАЗО (НЭАЗО). Дело в том, что процессы в НЭАЗО оказывают непосредственное влияние на погоду Европы. Кроме того взаимодействие Атлантического океана с атмосферой на масштабах, сопоставимых с его размерами, отличается от аналогичных процессов над Тихим океаном. И наконец, качество и объем экспериментальной информации по НЭАЗО выше, чем для других энергоактивных областей. Эти обстоятельства и определили наш выбор - проблема, вынесенная в заголовок работы, рассматривается нами на примере НЭАЗО. Градиенты температуры поверхности океана (ТПО) в ней создают специфические условия синоптического взаимодействия океана и атмосферы, характеризующиеся повышенной интенсивностью процессов обмена и сильной пространственно-временной изменчивостью параметров (Гулев и Колинко, 1990; Уаи and
Jean, 1989; Гулев и Лашо, 1990). При этом термические и динамические неоднородности подстилающей поверхности являются лишь одной из причин пространственно-дифференцированного энергоснабжения атмосферы вблизи фронтальных океанских разделов. Вторая причина связана с синоптической изменчивостью атмосферных процессов.
В целом, проведение специализированных экспериментов по исследованию подобных процессов существенно затруднено, экспериментальных данных часто недостаточно, что, в свою очередь, сдерживает работы по моделированию синоптической и мезомасштабной изменчивости атмосферных пограничных слоев в средних широтах (Волков, Лыкосов, 1987). В создавшихся условиях актуальным является продолжение экспериментальных исследований региональных процессов и численные эксперименты, с целью разработки эффективных параметризаций для моделей общей циркуляции атмосферы и совершенствования региональных моделей.
Основные цели работы следующие. Во-первых - это описание закономерностей синоптической и мезомасштабной изменчивости АПС над океаном в средних широтах Северной Атлантики на основе анализа экспериментальных данных. Во-вторых - разработка и тестирование дифференциальных моделей АЛС, адекватно описывающих эту изменчивость.
Круг решаемых нами задач отражает стремление ответить на вопросы о том, какие атмосферные процессы и в какой степени обеспечивают энергоактивность океана. Для этого необходимо выявить и описать количественно специфические механизмы, обеспечивающие передачу, перенос и трансформацию тепла и влаги в атмосфере в условиях термической
неоднородности подстилающей поверхности и сильной нестационарности атмосферных процессов. Таким образом, для достижения поставленных целей решались следующие задачи:
получить значения характеристик энергооОмена между океаном и атмосферой для различных синоптических ситуаций и разных структурных зон океанской поверхности;
изучить значимость различных источников тепла в атмосфере: в первую очередь, потоков на поверхности и притоков за счет конденсации влаги;
исследовать трансформацию атмосферных воздушных масс при их перемещении над относительной теплыми и холодными водами;
рассчитать характеристики бароклинности атмосферы;
исследовать особенности генерации и эволюции внетропических циклонов над термически неоднородной поверхностью океана.
Цели, связанные с численным моделированием предполагается достичь в результате решения следующих задач:
изучить возможность применения одномерных дифференциальных моделей для исследования синоптической и мезомасштабной изменчивости нестационарного и горизонтально неоднородного АПС;
разработать методику тестирования этих моделей на основе сопоставления с экспериментальной информацией;
- провести численные эксперименты с целью изучения
чувствительности моделей к различным параметризациям
адвективных процессов;
- моделировать трансформацию воздушных масс с помощью
одномерной модели АПС в лагранжевых координатах;
Фактичекий материал и методы исследования. Для решения поставленных задач, наряду с опубликованными материалами, использовались архивные данные ГМЦ России. В основе работы лежат данные наблюдений, выполненных на судах Государственного океанографического института (ГОИН) в рамках программы "РАЗРЕЗЫ": во время двадцатисуточной стационарной фазы эксперимента "НЬЮАЭКО-88" и в ходе полигонных съемок (эксперимент "АТЛАНТЭКС-90"). Часть данных была получена при непосредственном участии автора. В целом экспериментальный массив включал в себя результаты около 2000 метеорологических сроков, 270 радиозондирований и 67 аэростатных зондирований атмосферы. Исходя из целей исследования выбирались и методики, которые включали как традиционные методы анализа экспериментальной информации, так и численные эксперименты с математическими моделями.
Научная новизна работы определяется тем, что для района вблизи среднеширотного гидрологического фронта (СГФ):
- получены статистические характеристики АПС для различных
' синоптических ситуаций над различными по ТПО зонами океана;
- на основе анализа экспериментальных данных предложена
параметризация, использующая автомодельность распределения
потоков тепла на поверхности во фронтальной зоне;
разработан, изготовлен и применен в натурном среднеширотном эксперименте судовой аэростатный комплекс;
- в результате анализа отдельных членов уравнения тенденции
вертикальной составляющей вихря скорости оценен вклад
бароклинного члена в формирование завихренности для
различных типов внетропических циклонов;
- построена модель АПС с параметризацией адвективных
процессов путем задания эмпирических горизонтальных
градиентов компонент скорости, температуры, влажности и
даления; - случай вторжения холодного воздуха с относительно теплой
воды на холодную промоделирован с помощью одномерной
дифференциальной модели АПС.
Научная и практическая ценность. Результаты работы могут найти применение при планировании натурных экспериментов: выборе районов, сроков и координат наблюдений, инструментальных средств. Полученные статистические характеристики взаимодействия океана и атмосферы могут быть использованы при построении и тестировании различных численных моделей: пограничного слоя атмосферы, общей циркуляции атмосферы, совместных моделей. Подготовка диссертации являлась частью плановых НИР, проводившихся в отделе океанографии ГОИНа и в отделе крупномасштабного взаимодействия океана и атмосферы Института океанологии им.П.П.Ширшова РАН (ИО РАН).
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на IV Всесоюзной конференции по программе "Разрезы" (Одесса, 1990); на советско-канадской конференции по исследованию Ньюфаундлендской энергоактивной области (Одесса, 1990); на VI конференции "Комплексное изучение природы Атлантического океана" (Калининград; 1991); на международном семинаре по исследованию взаимодействия океана и атмосферы (Москва; 1992); на симпозиуме по взаимодействию океана и атмосферы (Марсель; 1993); на II конференции "Взаимодействие океана и атмосферы. Метеорология и океанография прибрежных зон" (Лиссабон; 1994); на семинарах
отдела океанографии ГОИНа (Москва, 1983-1992); . отдела крупномасштабного взаимодействия океана и атмосферы. ИО РАН (Москва, 1995); Росгидрометцентра (Москва, 1995); на объединенном семинаре Института физики атмосферы, ИО РАН и Института вычислительной математики РАН "Пограничные слои океана и атмосферы" (Москва; 1995).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ. В работах, выполненных в соавторстве, личный вклад диссертанта заключался в участии во всех этапах: от постановки задачи исследования до написания статьи.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, приложений и списка цитируемой литературы (99 наименований). Работа содержит 173 страниц, в том числе 61 страницу с рисунками и таблицами.
