Введение к работе
Актуальность темы .-Одной из важнейших задач физики океана является исследование механизмов взаимодействия верхнего слоя океана с атмосферой. Важность этого круга проблем обусловлена потребностями прогноза погоды и климата, морского флота и многими другими практическими задачами.
Процессы суточной периодичности во взаимодействии пограничных слоев океана и атмосферы связаны по своему происхождению с вращением Земли и соответствующими периодическими изменениями солнечной радиации и других тепловых потоков. Существует выраженный суточный ход температуры воды и воздуха, толщины верхнего перемешанного слоя океана, коэффициентов обмена и параметров турбулентности в обеих средах, а также влажности воздуха, скорости течений и других величин. Для суточного цикла характерны также регулярные периодические колебания уровня океана и атмосферного давления (морские и "атмосферные" приливы). Взаимодействие двух последних друг с другом приводит к появлению регулярного обмена механической энергией между дв„ ля средами. В прибрежных областях важную рпь играют ветрь обладающие суточной периодичностью — бр. зы. Все эти процессы неукоснительно повторяются каждые сутки, хотя их не всегда легко различить на фоне непериодических явлений или процессов более длинной периодичности. Для них характерны глобальные пространственные масштабы. Таким образом, явления суточной периодичности занимают видное место среди циклических процессов взаимодействия океана и атмосферы.
Вместе с тем физические механизмы суточного цикла во взаимодействии пограничных слоев изучены относительно слабо. Этой теме посвящено значительно меньшее число работ, чем,
4.
например, сезонному циклу. Теоретические работы немногочисленны и, оа редким исключением (Колесников А.Г., Пивоваров А.А., 1955, Пивоваров А.А., Протасов С.Н., 1975 и некоторые другие) описывают лишь одну из двух сред, а не оба ногранслоя и их взаимодействии. Экспериментальных исследований опубликовано больше. Однако целевые измерения проводились скорее эпизодически и лишь в отдельных районах океана, преимущественно летом. К сожалению, в настоящее время
\ трудно говорить о наличии полной и систематической экспериментальной информации о суточном ходе гидрофизических и метеорологических параметров в контактных слоях атмосферы и океана.
Временные масштабы порядка суток являются "подсеточны-ми" для большинства существующих прогностических моделей взаимодействия. Основные энергопотоки межд океаном и атмосферой, влияющие на формирование климата и погоды, традиционно связываются с более длительными масштабами времени. В последние годы, однако, стало ясно, что тахие представления справедливы лишь отчасти.
Недавние результаты (Страмма, Корниллон и др. (Straxn-ша L.P., Cornillon R.A. et al.), 1986, Тафт и МахФадея (Taft В.A., McPhaden M.J.), 1988, Имаваки и др. (Imawaki S. et al.), 1988, Лукас (Lukas R.), 1988,1989,1991) говорят о том, что пренебрежение внутрисут* -шой динамикой гидрофизических параметров может приводить к крайне существенным ошибкам в расчетах, даже если последние рассматривают намного более длинные временные масштабы. Аналогично, в ряде работ, посвященных приземному слою воздуха (например, Казна-чееваВ.Д., 1978,1980,1982) показано, что "используемое большинством справочных материалов по аэроклиматологии предпо-
5.
поженив об отсутствии суточного хода метеоэлементов в приземном слое недопустимо". Поэтому включение суточных и под-суточных масштабов в модели взаимодействия и изучение физики суточного цикла признаны сегодня одной ио приоритетных задач.
Целевые исследования в этой области были включены в ряд крупнейших национальных и международных исследовательских программ, таких как TOGA, EPOCS и другие. В обзоре резугь-татов программы TOGA (iaiern. TOGA Sci. Conf. Proa, Honolulu, J990) отмечается, что "суточный цикл может оказаться ключевым для понимания механизмов сезонного и более длиннопериодпого теплового баланса" В измерениях в рамках программы WEPOCS (Лукас (Lukas R.) 1989,1991) зарегистрированы высокие амплитуды суточного хода температуры поверхности океана, сравнимые с сезонной и межгодовой изменчивостью.
В перечисленных работах делается вывод о том, что суточный цикл температуры влияет на формирование ее средних, более медленно меняющихся значений и ставится вопрос о параметризации и определяющих факторах температурного режима и энергообмена в погранслоях в суточном цикле.
Исследованию этого крута проблем и посвящена предлагаемая диссертационная работа.
Цели работы
состоят в 1) развитии на основе уже существующих усовершенствованной совместной математической модели суточного цикла температуры в контактных слоях океана и атмосферы; 2) теоретическом исследовании на базе модели некоторых представляющих интерес вопросов физики теплового взаимодействия оке-
6.
ана и атмосферы в суточном цикле; 3) количественной оценке поправок, вносимых регулярным суточным ходом гидрофизических параметров в расчет тепловых потоков в приповерхностном слое океана и 4) в расчете при помощи опубликованных экспериментальных данных регулярного механического оиергообмена между океаном и атмосферой за счет суточного приливного взаимодействия.
Научная новиэна
Все результаты работы, выносимые на защиту (см. "Заключение"), являются новыми. В частности, впервые получено аналитическое решение для суточного хода температуры воздуха при наличии взоздухе распределенного источника тепла общего вида, впервые теоретически выведена эмпирическая формула Лу-laca (Lukas R., 2991), связывающая суточный ход температуры океана и облачность. Новым, в известном смысле, является и сам подход, связанный с представлениями о существенной роли суточного цикла в процессах энергопереноса в системе океан-атмосфера.
Практическая значимость
результатов определяется рядом полученных теоретических выводов о физических механизмах суточного цикла, а также выполненными количественными оценками вклада суточного цикла в энергопотоки в системе контактных слоев. Эти результаты найдут свое применение в области моделирования взаимодействия океана и атмосферы и практических расчетов энергообмена между ними, как одного из главных факторов, формирующих погоду и климат.
7.
Работа выполнена в рамках темы плана НИР и ОКР Роском-гидромета на 1989-1992 гг. - "Исследование взаимодействия океана и атмосферы с целью выявления климато- погодообракующих факторов для долгосрочных прогнозов погоды".
Фактический материал
Предлагаемая диссертационная работа имеет скорее теоретический характер. Однако для апробации модели, численных оценок и проверки ряда положений и выводов используется довольно обширный опубликованный экспериментальный материал, опубликованный в печати.
Мы используем данные о суточном ходе гидрофизических параметров, собранные американскими нис "Wecoma"/'Thompson" и "Moana Wave", а также на 10 заякоренных станциях в рамках программ EPOCS и TROPIC HEAT в 1983 - 1985 годах в районе (0, 110 — 165з.д.). Судами "Wecoma" и "Thompson" выполнены несколько тайм-серий средней длительностью 12 суток. Профили температуры в интервале глубин 0 - 100м. фиксировались 5 - 10 раз в час. Используются также часовые измерения температуры воздуха на высоте палубы, выполненные нис "Моапа Wave" в указанном районе в июне - июле 1988г. Длительность отой серии составила 36 суток.
Также были использованы известные данные наблюдений за суточным ходом температуры воды, собранные нис "Московский Университет" в Черном море в ходе четырех экспедиций в 1965 и 1966 годах на девяти суточных станциях общей продолжительностью 256 часов при непрерывной регистрации температуры.
В отдельных параграфах работы использованы, кроме названных, и некоторые другие данные. Так, в параграфе 3.4 используются результаты измерений индийского нис "Sagar Ка-
8.
пуа" в экваториальной части Индийского океана (22-31 августа 1991 г., экватор, 52 — 67я.д.) Автор принимал участие в этом рейсе в рамках Межправительственной программы советско -индийского научного сотрудничества. Температура воды намерялась в течение трех отдельных суток на 23 блиоко распопа женных станциях в верхнем 50-метровом слое, через каждые 5 метров глубины.
Наконец, для расчета приливного механического взаимодействия океана и атмосферы в суточном цикле были выбраны климатические стандартные данные о параметрах океанского и "атмосферного" приливов по всей акватории мирового океана (Aav лас океанов, иодание ГУНИО МО СССР, 1977), приведенные нами к сетке с шагом 10 по широте и долготе.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на 4-ой научно-технической конференции "Вклад молодых ученых и специалистов в решение современных проблем океанологии и гидробиологии" (МГИ, Севастополь, 1989); на 28-ой конференции молодых ученых Гидрометцентра (ГМЦ, Москва, 1990); на семинарах в Тихоокеанском Океанологическом институте (Владивосток, 1991), Национальном институте океанографии (National Institute of Oceanography) (Гоа, Индия, 1991), Государственном Океанографическом институте (Москва, 1986-1992).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 6 работ ([1-6])-
Структура п об'єм диссертации Диссертация состоит но введения, четырех глав, заключения а списка литературы. Об'єм работы - 97 страниц (текст распечатан на компьютере с помощью издательского редактора iAgX, причем параметры форматирования подобраны таким образом, чтобы были соблюдены стандартные требования к формату машинописного текста), она содержит 21 рисунок и 3 таблицы. Библиография насчитывает 108 наименований.
Похожие диссертации на Суточный цикл в тепловом и механическом взаимодействии контактных слоев океана и атмосферы
