Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Динамико-статистическое моделирование крупномасштабного взаимодействия океана и атмосферы высоких и умеренных широт Северного полушария

ВАК РФ 11.00.08, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Динамико-статистическое моделирование крупномасштабного взаимодействия океана и атмосферы высоких и умеренных широт Северного полушария"

МИНИСТЕРСТВО ЭКОЛОГИИ И ПРКРОЦШ РЕСУРСОВ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ КОЯЧТЕТ ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ И МОНИТОРИНГУ СКРУЗШиЕЯ С.РЕДН

АРКТИЧЕСКИЙ И АНТАРКТИЧЕСКИ« НАУЧ!!Э-МССЛГДОВЛТЕЛЬГ!(НЯ ИНСТИТУТ

Ка иравэх рукописи

ПОЛГОРНЫП ИГОРЬ АРЬЕПИЧ

ДИНАХЬКО-С'ГОХАСТИЧЕСКОЕ ИОДЕЛИРОЛАНИЕ КРУТЪОИЮПЧБКОГО БЗАИМОДЕЯСТВНЯ ОКЕАНА К АТМОСФЕРЫ БНСОКИХ И УМЕРЕННЫХ ПКРОТ СЕВЕРНОГО ПОЛУЯАРИЯ

Специальность Н.ОО.Ов " океанология

АВТОРЕФЕРАТ Лкс^иргаиих кг сгмекание учено» сгвпо?4И ■санл.чдата физнио-аагвтатичвских наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1992

Работа выпо.гнэна в Арктлчвским ягучно-иссдедователъском институте.

и Антарктическом

НАУЧНИЕ РУКОВОДИТЕЛИ:

доктор географических кгук Алексзев Генрих Васильевич

дсчсгср фивиад-мэтэматкческих. наук Савченко Виктор Гаврилович

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

.доктор физию-кзте'мтичесяих наук, прсХЕйссср

Рсжов Валентин Алексеевич

до:стор фиажо-мзталзттескюс ичук

Рябчеако Владимир Алексеевич

ЬЕДУДАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ:

Гэсуцарствбьчыя окэавогрэфичэскж институт

Згацига дкосэртащм оос^-оютя И-йД Б Р^ - ?9г г. в

-часов на заседании ЯпэциалигирэваЕното саБСТа Д.ОсЛ.04.01 з Арктическом и Лнт ••арктическом научно-иеследовате.^скен иаституте пс «здресу: 153391, Сэн:гг~гатэрйург, >.7. Бгрдогг, д.38.

С т^слартацией гемо ознбкоми:ъ?р. в .Ьй-ясс»?:« Арктического и Ллтзр;тл«т-даикогс азута^-йсс.ждх'атАЛьсуого янотгчпг.

■ р*зослгн \i_2_;" а С I & £ р/__т.

'Азгорофвзэт

Зчета секретарь Олзгаалгзлроыкного 'совета,

качдедаг ге')п>а$швс.клх нэ^х у П.П. Капклик

I-;-----с

Актуальность исследования. Сцинка возмспшьгх гослздотвкй

влития чвлсватвсяоз дзлтелшостл еь кжмзтствскуя систему Земли тесто связана с дальнейшая прогрессом в изучении естествсниоа климатической измеатавосп: (lorraiz 1979). Последнее тасхЗходамо как для игвестноа задачи вдеьтификааш антропогенного ситара па фоне погодаого духа, тгк и для (¡сжо надэкрого прогнозирования далшетгих иометяхв тотэта (Clitrete cliange . 1993;. Ocoiyo специфику прсСломв придает то, что реакция плаката па внешнее воздаястркэ мэяет быть овязгяа переходом з качественно иное состоянии функциошфэвани'я скстокы окэан-этмпсфора из-за наличия нзлипеэткх сЗратныл с.ияаез мэаду ее гпделъиыта элементами (Rroeeker et oi. 1985; Breeder 1987; Jens«;, Veuia 1990). Нииквнэв исслэдаваннует часть климатьчеслсои система Ззлли составляет Мировой океан, что связано с кр?йнз ограните яшм объемом ртитричзского материала, характеризующего ею моягодоаую изменчивость.

Существеияоо различна интегральных теплоемкостея атмосферы и океана приводит к толу, что калыэ И5!'.зг.з;пя температуры последнего могут быть связаны со значительным откликом я воздшаоа оболочка Земли. Последнее означает, vre. изменчивость крущомаситабяого ьзаимоцеистЕ'ля окезнг к атмосферы ноякт диэгностироЕагься на Case кмзшихся архшев прказкноз темюратуры (Го) воздуха Чри зтоа aeoöxofiwo уплывать, что характерное прамя приспособивши к температуре деятельного слоя океана <т°с) составляет e&jctkhj от двух месяцев до ишгугода (Николаев 1931). Д/агност;ке< стая оцэьки роли внутреязих механизмов крушомасштабнол) взаимодийстзия в системе океан-атмосфера-супа, выполненные с учетом способности океана к иаменевко структуры ь высоких и умеренных широтах при постоянных свободных колебазтх атмосферноа таркулидаи, показали {Алексеев 1ЗД2) их заяшьй вклад в формирование изменчивости

хлимэтэ.

В cb.°si' с 'заем возникает кооЗхсдайюсть в разработке гзроггпд дапашшо-стсхасг.гг'згкик . модат ди» моделирования заутренних

кгмачизосли в системе океаи-суща-агиосфзрз; а сравнении результат» моделирования с сширичесшми оцеккзмк а в ттсисмэ ясеьгх кодхсд;г. дум диагЕОС'гичаскчзс исследовании климата. 1-еш'лга лостгп."С'ш;лг -задачи иоэдоляэт nc-яовоад оценктъ ву-лэд щхздэссов ¿ц.утас^асшггйвого взаи*эдмкггвия океана и атмосфера в формирование естсстъуллоД мгыецщгваста климата и является, той CJMiW, акт/йли'ыл.

Цель л згцли псследозгш* состоят з разработке нового класса СЕергсбалг^солзах кедэл&в клшата, учотававдих ¿вода^еегкость рэ^ггрздаяокчя суид к океана, нслшегнооть сйвислчосги ухс'ьъеъ дишноволнешог ргтзиял О'Ш') от нризе.уной ючше'йтури ртдуха о.'), сгехасимзякия харостер эетгаефор30 »a'cpüiBpöaccoa юг/а к еиускесгеа при этом аналипявокоэ решение; модэльнм:« воспрдасьздоЕии полярного усилен®! измэкчгаости гродьез-шашюс тежьи^турк; ошвд» в-и<?да радиайдотае-адвехтившх Kojisi-льй .члймятэ з форшровчякь естоствадята ■ клматачогкой ьзкей'члчоста; н-дольнсм бсспоо'изводэнид статистических харктеристия охеашпсскоя кемюнзнты естественное изменчивости ' к.тдлатп (корралтще «авду гкомалияд»! проотравствзтамх ееодароцЕоэтз« ргглрадрлэййя щзюияакА температуры ьоздрса w со орэд.тоикшлого знэчэнкя, «Ьуаедн. о^ктральной плотности, фушгции зжгерэктпзст;!).

'-yjMfJifi йсккнз работы ccjicw б vom, тло прюкнекие нового '' класса акэргобглэкссый': климата пиз»о,л»дэ aaaumwscsii м '.

чиакпсс Bcnr-jwvusenra рад згтдкокираостьс, ««»(гофширо-зашш рячэо и UEsMiriNtcicw apxmat-i. ГатоайстзЕпде кодрлм гдалгуя

возможным получение ава-отпесхжи методами имого раса лростьк шраяениа» связызакгдис статистические характерно пйси корзтаолвриоднсй такенчжости климата с талракл дачтального слоя, рзспрэдэлендам суши и окэпна, амплитуде2 годоъиго тела пругока т&ша в умореяляые в^етм.

Практическая цэяноегь. РязргСотгнние !5а,гэ\зтичоскк& тпрлн и метода гнаама являются достаточно уншерог-яъккми и могут б:лъ приметены для дальЕэ<шя тооропносклс •исвЛЕГижалйк роет о.кязнз в форякреваит -зсгвстЕвизог климатач&евдг изменчивости». Полученные результата могут о'мт* испо/ь'зозэны также прм плэотрозании доагяоотачэсюд исслэдоватмй оствстда&ной ктоиттаехэл изменчивости по ишвдимоя архивам, прс ссстеалрйии клтаопальсых и ведомственных протрав химатамесюп исслэлсзэшэ, при г.рогно1ьротк:!н чродс'оявдх шквнений глоб&лшого Алиагг.

Апройзция. Результаты ргйим. доиаддаэтеь на семинарах отдела взаиммраствия океана 1«. атмосЗвуы ААНЧИ <19$0-1^92), на итоговой сессии З'ченсго оиветг ДАНИИ < Т 9911 йа Ве-эсскжюа ньучноя колферегада по исследованию родя уйер-оилглзььи зон скеэна в А'рсштоиерисдкых колебаниях глййггга (¿фегрзкма •Уазр&гы") <8-1 октября 1990 г*,. Одесса) I ка II (.'е^дународги! свдт'ОЯиумэ по комплексному глобалыюму мониторингу Ияроэсто окета <15-21 этоелг. 1494 г., Ленинград), на Всвсоютом совещании ш 'липамчке» гп-сеаза (19-21 ноября 1591 г., Новосибирск)> на наушом сеюиарп "Пробить; не/йшейисй атаооуерней диьаикке и жзкенчивоек! клакэг?" (17 мйрта 199? г., 0.-Пэ'1ерсурт), на Ие-здунарокком созвшзши ;то уз-.йнч".таоогги клумэтз «»тлзнтичэсчого окэавз (13-1Т июля 1952 г., Мсскаа/.

Публикации. По тема да-ссертэцки одуешяовэяо 1Е> яаучнкх робот, большая часть которых приведена в котаэ гзтерэфарэта.

Структур? и объем работы. Дксзртааия cocí ост из вездекия, трех глаз, зэкяпчешш. описка литература и приложения, соцэрютг 118 страши, включая 1Ü3 страницы мапсгаопксного текста и 16 рисунков ла 15 сгрзлядах. Список литераторы состоит из 106 иажвтагпт, из кстор^я 131 - иностранных авторов.

СОДЕРа/.НИЕ РАБОТЫ:

Во введения обосновывается зкгугльность зшсш«шщ;2 работы, дается es краткое описание. опроделякггег. щли и иадачи исследования.

Парвая глаза сэдзрктсг сбзир латэрэтуры не проб.семе изучения чороткошриодных <10° лат) к вяугризекозьк (1С1 лет) ф-луктуапля климата ка Саж матеиатгооскиг моделог разного .уровня сложности. При этом основало внимание удуэлязтон кажгодово? агкзгчивостя процессов крупномасштабно <-0 взаимодавствия в системе океаа-атшсфзра-мор<жой лед, которые довиваются в соответствии с определенномданные в работе (Лэшо и др. 1990).

Хогк а вастаядзэ время при Биспрскзэедешм короткогаркодашс колебаний шгмлчгг в рамках с.овместгы? кедэлоа . обдай циркуляции существует ряд язречюшых проблем, следует г-тмэткгь Ееоомденный yerra* применения подобных модадэа ■ для исследования Эль-Ншье/ХЬиаого кслэбания (КееШ. i990; Sperber et Eil. 19<?7), Созеро-Атларткческого {PittalwalE, Haatod 1991) и кзазвдзухлэтнэго ко.теСания (Currie, Itaeed 1088} и "полюсного прилива" (Harnend, СШ'Г1А 19C9).

Ьт^.рык rio jfs'üjMl! ".rm посла Зль йигьо - Юж )го колебания сигналом, адк гкфицируэкь»; в ктамапганжой систоко окявк-атм'.'сфчрэ.. янляогся колгбьквд, евдааа'ые с тоиенчэт.сстыи кагеяскзьсегл торки жг-литам циркуляции н Северной Атлантика и

обладающие характерным временным масштабом порядаа 1С1 лэт. Моделирование этих колебаний с необходимостью трзбуот детализированного учета сгюцяфики взашгадеествкя океана и атмосфэры в арктических регионах геюнэты (Arctic System Science 1990). При освещэики отого вопроса использованы результаты работ, выполненных цри участии эЕГора (Meksfctas. PocJgorny 1990; Bogorodsky, Podgorny 195?; Богородскиа и лр. 1992).

Известным дополнением к описанио остестаенноз хлиматическоа кзмоЕчиаости за базэ совмэстных ксделея обвей циркуляции мсявт служить ее изучониэ при помощи цэлой гсорархш гидродинамических нэдэлэе, каждая го которых долгая решать свои сгоцифическ/ю и конкротнув задачу (Савченко, Кзгурзъга 19ЭТ). При этом роль простых нодэлэй климата долтаа состоять га столько в точном воспроизведанил ©го наблюдаемых характеристик, сколько в выяснении основных механизмов, яргоодяотх к тем ащ. изым особенностям его

формирования. Использованные в настоягаа работе

t

диначико-стохэстичзскаэ кодрдн кащиаяэш на кссязд^ваниэ иэханизков изменчивости климата в какок-дийо ограниченной спектральном диапазона и представляет с сбой достаточно простые дкаамиче сюте системы, на собственные регония которых могут быть наложены случайные возмуцэния.

В ззкляченда главы сформулирована математическая модель естественной изменчивости термического рквиз высоких и . умеренных широт, которая является ословоп для излсшняя ватержла во зтороя и третьей главах дассерггации:

<*£{ n.t)

r{a,i)--- (7(k(o,t>v>T(n,t> I - П f F(o,t). <i>

<»t •

Зжсь X-rt = BI(o,t) ч CI* (n.t) - гавясяаая от a r>(r>,t)

независящая it 1 часть УДР, I - приходящая корстксволвовая . рэьдащтр., i - время, fi - обойщеякая пространстаетая коордккптг, k(a,t) - коэффициент мзкродийфугда тепла, - теплоемкость

скотеш о::аак-суаа-атмосфэра. Нулевой отст?вг температуры выбрач ., • таким образом, чтобы <X(o,i>> ss'O (треугольные скобки обознача>ог зсредченте до ¡хространству. э горизонтальная черта - осредгениз по вр&квли). Кроме того, с учетом результатов работа (van den Bool, Horel 1984), предполагается, "что i=Ta=too.

При яаписл уравнения <1) сделаны следующие допущения: 1; Голь ойлачлости формально учитывается только независящей от 'гошэрзтури и некоррелированно?. з ьространстве и времени . •> изменчивостью У11?. Дело ь том, что пвязь между изменояиэм обцэго Санлг или прост ранстя&ншго распределения сблачнпго покрова и сродног глобальной темпзратуроя в настоящее врамя кэ определена ' * дзя-е с точаостыо до онаса (Пароль 1983), поскольку облака оказывэиг вличтда как на приходящую короткоЕодЕовую, так и на улодящу» длинноволновую радаэцы; -- ува/шчэяпв облачности может спосоОстшьать :;зк отгавдэнил, так и нагреванию клматачэекмг \ системы Зекли (Ceos, Potter 1987; Arklng 1991)-

2. Одаии та ваййсше адзчдаьгх факторов, . опредалящих совреченвш климат, является обратная связь мор-люй лед - альбедо: таяние льда уменьшает средне® поверхностное' альбедо, • что ведет к .дополнительному прогреву Земли и, как следствие • - дальнейшему . таянию льда. Укачэкыьа механизм формирования климата довольно год*сбко исследовался при иокмда свергобалансовах коделеА климата -,' (Карал, 1930; Хуэлевцов 19В8; Еог'ьЬ et al.1931>. С другой стороны, яедявяке исглодовавил (Сезз ot.' &1, 1989; brgraai et al. 19S9) йскааали, что «льСедяый механизм значительно более сложен, чем продаодйгалэсь ранее, поскольку ■ йьязан с необходимостью. учога.

вззимного приспособления облаков, переноса радиации и осадков арктической атмосферы, что, в свою очередь, впечет изкеиэял} ледрзых условий аз нжшей гранило. С учетом изложенные соображения, и исходя кз того, что глэеной излыо настокцего исоледавания ПЕЛяется даучочш роли океана в формировании короткопериодноа изменчивости климата, альбедння механизм тагсвд кал. к облачность не зключея явным обрзгом в уравнение (1).

3. Наконец, уравнение (1) исходит из классического представ.»штя о кжнате, как о статистическом ансамбле состояний (Мокин 19Sci) и не .учитывает, тем самым, зоакокзосгл качественно иного, нэлияазаого поведения системы окоая-атшефера ^Ачексеев, Свяцэкьжов 1931; Алексеев 1592).

Уравнешие (1) реаается з лродоэло:кетга, что С-О. К(о, с) = к(о) и (?(fi,i) =0, после чего ицэтея поправка к репа низ <l'(o,t))p ьозниказщая sa счет 00 и малых вяризцка К (К (n,t)) и />(o,t), формализующих эффекты внутренней кзквячпзости атассфорноз циркуляции.

. Разделение временных масштабов производэтея следуювда образом:

I)(y(p,t) Etr'(n,t) Dtk'(n.t) I;(J(o.t) /<ft,t> 'T'(n.t) ' r<fl,t) i5(Cl,t) '

гдэ обозначает производную по врзйеяи.

При анагизе уравнения (1) предполагается, что <>.' О,

</v(0, t)> = о, г звтекорреляша; k <c~.,t> и *.) равм» нулю во всех случаях кроме t=tt (белыя шум во времени). Это предположеш-ьэ. но сути, является обобщэаизм концепции Хассеимпна (Hassclnann 141 ь) о возбуждении естественной климатической изменчивости. агкссфэриыш вс.аиуцэниши, дэмпфируэинмя иноршонапя океаном, и сгоаседлкзо для

И

вре-шкнлк прслекуткоа башне одного месяца ' и _ пространственных . . «зсдтао'он, соивтаримых с гианетарнымя масштабами (Leung, Ногй 1991). для которых, собстшано говоря, только и выполняэтся диффузионное ппиближпш (Ьогеш 1979).

Дла опредаления статистических характеристик решений уравнения {)) совершается пароход в пространство Фурье-образов (Г), аанлсгаци. в обща;« случае от пространства ниой координаты а также лришньется метод Галеркина, т.е. переход из физического пространства л пространства базисных функций. . Для дэлъта-кооредироьэнного па сфере случайного возбуждения такими функциями (естественными. ортогональными составляющими) согласно .теорема Обухова является сферические гармоники. При независящих от прооораяственкьд хоордшэт параметрах г и К и предположении о, линэааости УДР сферические гармоники являются так-:® собственными функциями оператора макродиффузии тепла на сфере, В зтом случав при k (o,t)=0 и С=0 основное уравнение задачи приобретает даагоаадьяыа вид в пространства базисных функция (North et al. 1У31), следствием чого является отоутствю коррашш между средкеа глобальаоа температурог и флуктуэциями пространственных шодаородаостэя в ее рзспрэдэ-шлия:

cor«t(n,t)>,<(T(fi,t)-<T:(n>,t)>)l> = о. (?)

*

■Учет флуктуация температуры за спет k (o.t) также. сохраняет справедливость выражения (?.). '

, Ваяете з гэч, натурные данные свидетельствуй! о существовании значимых хорр&лядаг шзд средней то пространству температурой и Езсднодностдак в во рэгирадашеки и п наличии дальних ттростралственгых сояээа н шлях ыэгвоэлвйзнтов (Александров и

др.1986: Авдксззв. Свяернников 1991; Дэданко, Перфилсь 1937; 1яи, иьыз 1583; ИаИссе, оЧКгаег 1981). Лрошворечш меад? зтмм ьлгаричесгагаи сеидз,'шъс7взми и выражением (2), возникаюпгзэ при использование простых знэргоРалтасовых моделей климата, свмтаегся при учета пространственно« рэодисродаоста в распределении теплоемкости системы окзан-суша-татосфера и при; гчрвдошзжении о аолинеаяоя зэзксийости УД? от 1 (Алексеев 199?.).

Основная задача зтороя тл+вы дассэртацга - Былсненда рэлгл окзэна в фор.тарозэ'таи иолярлсго усшзикя изменчивости зонально ссродаонроги хлилагэ, апэл»» радиациогво-эдвэктивньи колобаяиа климата и рв^смс1-решв собстаенных Фуанций оператора макродаффузии тепла.

Неустойчивость атмосЗюрноя Ц{р;суляцхи приводит к колэбэниям гтмосфорных переносов тепла как медау высокими к гаыдаи широтами, так и мьжду океаническими и контирэнтальныш областями, и, как слэдствие - к изменэнияк соотБэтсгэутада гор;гаонтальньи контрастов. Эмпирическю даншз свидетельствуют о том, что сслэйлепив температурных контрастов связано, как правило, с повышением сродней иргаемноа температуры воздуха :>зд ^верным го.*ущарюм, а их уоилениз сопровождается еа псЕгкегшм (Алексеев, " Свядааникоз 1991). .

Одной ж причин этого являотся кэ левака я связь между зд? и Г, возникайжал при короткогирюдгьс. флуктуавккг иагсросокбЕ-з теплом. в течение ксто1)ых те услэвжт срас'отат:-, механизмы, оОосгюч-иваюцко липеягаую зяеисикогть у.ежду УДР у Т.' В раЗстэх (Алексеев и др. 1590, 1991; Алатссезя. Псдгсрша 11>9') приведены лвоточис.юкеь» 1тршэры, подпватавдаюгрга ьэа:ад:ностъ рзпзития в замкнуог климатической систекв о нелинвазьи стоком тепла. л сродавм нэхо^шцэятч & »лучистом равновесии о окрукагийй срол:?,

каазСаккг средхес теиюрггщу ьслвдпзге флзппуяциа адкжтивниго трзясса теши внутри сислолм. Эта: колебания было предложено ка&ывать -радиационными vjh адзелггнвнымй колэбанияки

гдооаяьсото члмата <Ллексеев и др. 1990).

Оцэяка вклад«! гдаоктизных каязбзкяй ео фл? ягу ¿пум сродной глобальней температуры былз прогавэевна прк таеоци простых зльргоб&яавспви?: кдалеа климата, тто сделали возможным издзЕтафяц5фоцать л}моугтгою адьэктсвно-ргдагцкошоа составляющей з естзотв&аюа изкеятиьссти глобальное среднее темгарзгури зоьдухз (Алмссеев и др. 19SQ; Алексеев, Шдхорььга 1501).

Рэгнк:» задэти 'итуркй-Лиувкллр для опзрчтора макрздоффузии тепла, получаемого из ¡ыергобалздепвого соотнсиэяия дня зоналънс перадльнчогз гсзаэта позволило сделать аледукдпгз вывода:

- при. лселйдоБания корсткогеруодвоЕ изменчивости среддезояальяих еаэчяятгя приг-ачног тыикрзтура -в ргмках lipccroi! модели достаточно сграккчэтьсг. учетом трог стгрикс гаряоахк <полиёэмое Лежаадра)-PuU:, Р(Ы s íjlx). В этом случаи везмущзезкз езраметры к (х,х) и РО:. i) могут . быть рассмотрены :йк дактэнетрролкрэванкьк. е гространстм.

- Кзучет мрий зэлксуностй с|гдпевональш2 теллоенкогти системы .CKd-aa-cyiii£--a-r»xc(íe¡i¿. сткхсйе? привести к зяачигглыгш спайкам. в гтц-здчлгаим клидэтическсс еяетечк иг йущгхтуации чн~эь*:чьрз'.лл аткосфарн^й пиргуллря- • .

Огличт'з.илса азоЗегяЬс-ги> встестаода:« глимегк- кскоь шмютгасстл алля-згся e'j уеючка*» з укорйльк г., осссйедо . высоких 'ищлпа иОгш. шлувариг:. Зчгл йеаокл ^лдогд; "лдеясруап; я ira ¡еокихюя ярздвгл сродаьчасА-аои таипер^дург, зриземгсгс даз/егля , гекполалдол* я о^лачно'-ггя. Унза?акоо яЗовягдогея в

к?к "Г)П.<ярнш улиеяте'' (З^хар-зз 1931), «ля,

справедливости рада, след;/er откатить, что этот термин в чал-ояжод время кэ является сСйопркЕятым.

Гюлярзсз усядакке, кэссмяэняо, wer комплексную природа, «о отражает иалстка шоп« фазггоров, регултауютда «стострэеяув изменчивость климата. В работ© (Алексеев, Овягрякихов 19?1) предлжен подход, пизволяосш сеязйть проязлэаия полярного усиления з изиэяччвости различных средкзюфглных характерисгак с гомог.чизостью средг-езонатюноа тетзэшетг токторатуш воздуха, глаЕяог причиной которые, ло мязним авторов, являйтся колебания атмосферной циркуляции. Близкая точка оумния высказывалась Ta:w,e е работах (Волощук, Нэдоступенко 1984; Демченко 1^34; Лемчсико, Зубарев 1939; North et al. 1982).

Вклад в полярное усиление могут вносить таючэ неравномернее по широте альбедо и теплоемкость системы 'окезн-сушз-этмосферз. Роль тарвого детально анализировалась в работе (Алексеев. Подгорный 19?)) на базе простой энергсбэлзнаоЕпз y.i сроднеаонэльного длшэтэ с дайузноа яэрачгтркззцие;: т?рииосэ тепла и с агшрокс.^агуик УД? по Стэфану-Ьольцмзну. В результате численных знсперкентсь было устэлсвлэно, что при улияы&ш». альбедо изменчивость сродаеетфотпых: тоетэрэтур б высоки« шротах, ¿ызваянад фду:сгузгиггак здзоктпбных шреьосов. та «же сктеэотся.

В настс.1а;бЕ диссертанта oiehos зкдад в полярно« зс^лищк? дпуу других факгерог - ьэлтмогноа чгвквлкогти У.ЗГ от ? ■»"эялерату^ы и нэрЕвпажрнгщ по идо я» тэп-дсомколи еяетвш сквак-суьа •угкисферг. Для ятог? jc.ik кепо.льзовэна гяалкплзская ::<.'33'\и!удэй

сп^одалить яэстахжнэрну» рэскцяо еррдяезэчлльчой чей®;»туры, задзвпемоа к '

■С(х,г ) -- e4(vj?o<x) + в О )р (X) «^(rtf'.u). rm * -nrvii),

вэ малое изменение когф^идизата мердетояалшог макродиффус-ш.

Посла тамеяетач Фурьо-првефазоьанин к решения:« модели и с учетом авлмжгног завжлмосте УЦР от 5 ггри помошк ;взтршн ьолжейнм поправок э(С) выражение для Фурье-офааа адвективных . колвСа:1чг срэддезшальяои "емшрзтуру записывается в вида:

2 ' 2

}=О као

где 1к {<? ,=/ (<з'к (-)), \ (т) ~ тлов сотоеьпче от (•).

Ь прэдюяохвьии о локальной стационарности соотношения Вхквра-Хкн'ына гогволяят из вырашкля (3) для случайных вэлетла Т(х.т) и I (X',!) определить ковариационные и взаимные коьариационыка функции: .

<0

С07(Х,Х'..Т4> = | !т<о-,Х)Г*(с ,Х')ехраот;1)

-о

где ьеоздочкз осначаэт комплексноо солрятеше.

Разв-гггыа подход применялся для исследования полярного у «иония. Для этог цэда йылз .введена безразмерная фующия о(х:геоу(х,х,0>/сст(и.0,0). характеризующая отнпшзшлэ модальных ду1сгюрсуи с^редкотаротног; теипврзтурс: зогщ-ха при «газированных апачечиях и сг к вэллчиве этог характеристики на ахватарэ и к>;':ользовзлая "подюяочеш" м&тод, суть которого состоит в тон, что чис.г»я.ны9 шеонерийоггы выполняются с постоянным набором <ео: *; о..). Это позволило оирнить чистый вхлзъ отдельны* механизмов, ьчоелчла ими в изкзя,.тбс>сть кодолычйс срэдявяиротЕгх температур.

:$>г.ультагы рзечэгеа зорощо согласуются с данными эмпирических «ел?'д^вгаиз ' (Алсксеов, Свяизвяисоэ 1991) и позволил* едэлзть вывод о тс>,\ что я р&чхлх рассу..трс-:шсй колали вжЗольвив вклад в

полярное усиление вносят три фактора: сферичность -Земли, неравномерная по иироте теплоемкость и иелдаегньи горактор огЕисимости УДР от призекног температуры. В то же время профиль о1 (х) слабо зависит от характера параметризации меридионального пзроноса таила.

При оценке вклада медленной компоненты климатической системы (криосферэ, глобальная теркохалшная циркуляция) в формирование феноконй полярного усиления следует учитывать, в основном, дза фактора - гомешяир вертикальной структуры дентального слоя океана и изменение площади морского ледяного покрова в Северной полярной области. В рамках рассмотренной мсд=>.та оба указанных механизма соглассванньм образом влияют на парамотр, задающий распределение теплоемкости е системе океан-суша-атмосфэра. Действительно, распространение морского льда может блокировать процессы глубокой зймнвг конвекции (Dickson et al. 1968; Mysak, Mariait 1989; Mysek et al. 139Q), что способствует ушеыеэеко эффективной теплоемкости системы 'океан-суша-атмосфера в Арктике и, тем сакык, - к возрастанию изменчивости температур« в высоких таро^аг. С другой сторона, увеличение площади ледяного покрова приводит к увеличению альбедо, что приводит к аналогичному результату.

В трэтьбй главе основное внимание уделяется ¡адделкровании механизмов крупномасштабного взаимодействия океана и атмосферы, приводящих к корэткопериодяьш флтктуациям сре;т.езояалы;оа ■ тв;яюрггт.урь; на фксиревэнной троге. В прийлихдапик асаальксгэ канало основными из них яв-ч^яются зшадатэыие мь,дленной океаническое хошокегга на фош относительно' быстрой перестройки .этмосферяоя циркуляции, нелинейная реакция УДР пз y;<rydi;ra * внутризональшз температурных контрастов и олкЗэддыл м^харлмч. Зчпирическая обратная япвисчмсоть кенщу акожт.удм сожшесгр хода

к средней температурой (Алексеев и др. 1551) подтверждает важность учета посл-далх двух чисто нэлинейнм &ффоктоз.

Уравнение (1) сводится к системе двух обыкновенных диффереЕшадьных уравнений стеояпгьлшо средне анальной темпэрат^ры воздуха и пространственной яеоднородности распределения приземног температуры на рассматриваемой широте Ф. Последнее предположение опирается на результаты работы (Алексеев ' 1934), в которой рассматривались Фурье-разложения вдоль кругов вмроты характеристик температуры и распределения океанов и материков, представленное функцией ?, где ? равно 1 или (-1) для о::еака и суки ссотвэтстзепЕО. В средних широтах в распределении огсэаноз и Сущи вдоль даротасс кругоа преобладают три первые гармонии, йрлчем главное является вторая. Аналогичное свойства обнаруживает распределение призошоя температуры.

Ото позволяет для анал5ггическга исследования применить модель, в которой атмосфзра подстилается последовательно океаном и суж лродол^лггелъноетьп ря/п к соответственно, где

О, и рассматреть случаи ;2, отвечающее 2и- и периодичности в распределен™ океанов и копгинентов.' Анализ вспомогательных. уравнения теплопроводности к - функции чувствительности прострэлитЕзняых кзоднородностеа в распределении модельнея томтиратуры вдоль круга широта к измонегио интенсивности внутршяро того теплооемвна позволил •■рзьематротать двухмодозыя сдучзг как достаточно обоснованный для рэаения поставленной-уадочи. С- учетом дтого (1) сводатоя к систеуе ¡та двух уравнений

&0Г> - »».С05(»*т> - } + (г)/2, - .

. - (4)

Й ',Т> = (т) - С )).

Здесь течка обозначает дайерекцгоованке по гремели \-сх/2). Т(х,^г)=ео(т )н>± (т )со£ (их), х - долгота, Ъ х с -параметры модели, зависящие от распределения су ми и океана и от толщины верхнего деятельного слоя. {Три условии, что корни и л. уравнения (В+-Ъ)-1(1-с2/Н>ВЬ-0 нологительш, что выполняется при «<у?, система (4) имеет установившиеся решения.

Зчэт члена СТ2 , пзраютркзукшего в обобщенном Евде зфЬекты нелинейном зависимости УД? к альбадо пт температуры дает поправку к средаезональной температуре <1>=-С<12 (х,т )>/В. При осреднении по периоду времени г», большему чек годовое цикл <2п/с-о), получав«:

<Т> = -С»«3(^>/4Б , 300 *

где (со - амплитуда годового хода притока тепла к системе. Расчета величины ,'?а=к51 е${к)/эЪо, оцределяющзя чувствительность <Т> к изменению интенсивности внутркгиротиого теплообмена в эарксгаести от широты Ф показывают, что максимум <1> приходятся на укврепг.ые дгироты. ' _

Для исследонэчяя нестационарной резкши 'с{вдкодозально?. температуры в ответ на малое изменение внутрширотного теплообмена (к ) использу-отся уравнения дая малых отклонении *>0<г) и в^ <т) пт установившихся решений сиаге.мы <+) ж определяются ковариационные и взаидаоковариэдаонная функции и корреляция для случайны* во-ккин ° <т > к ' (т):

ССУ

СОТ (6 6 ) ------------■<,■))

(со*{0')соуц''.о'> >

где »(С) - матрица нелинейных пояразок. При учете ж(С) в виде а =» =1, ®0,--Св /В, ®1О-0 из (7-6) следует

(1ич-хо^/Ь2)

СОГ (С .8 ) ---:-:--:--;- , г = < "УЕСе „

Б принятых вышз обозначениях: зимним условиям отвечает

поломигельныэ, а лигам <0) - отрицательные значения параметра г. Величина С оценивалась во второй глава для относительно медленных перестроек атмосферной циркуляции как равная по .порядку величины 1 'У г. Внутрисезонше флуктуации климата могут приводаггь к значительно большим нарушениям липоаности зависимости УИ? от температура, с учетом чего параметр г иошт- быть оценен с' точностью не болев чей до порядка величины: для зимы г»1, для лета г - -1. ёто означает, что в ракках рассматриваемой модели лэтииэ корролягри должны быть слабыми и с неопределенным знаком, а зимниэ - отрицательные. Последнее согласуется с результатами эмпирических йог. дезэнш (Алексеев, Священников 1991).

Для определения применимости развитого подлодз для исследования в.чутризековоп изменчивости крупномасштабного взаимодействия океэнз и атмосферы была применена процедура скользпиего осреднения изучаемых врэмепных рядов по тариодо. те, что эквивалентно умножении Фурьо-образов /переменных модели на зЗпс(с«г), где о/2. И прэдельнсм случае шраженто для корреляций скользяща рерэднаяиьге аномалий ерэдцезокальног теипергтуры и характеристики • пространственно.*. неоднородности распределения гекпе рь^/ры в зоналшон канале ()* '2) приобретает ввд ■ '

сог (Г?)"1} « -1.

т а. ■ <■ '

Т'

Ыслученкга 'результаты не претерпели качественного изменения при уч^те воздействия та быструю компоненту климатической систе»1М (доятелктый слой океана, атмосфера, суша) в ьвде. "ннешнею" сигнала (Г-(п,т)), дельта-корролироаанного з пространство и времени. Это предположение опиралось на' результаты слос5альшго юкмэтнческогс мониторинга, приведенные ь рэкете (Кондратьев 199?), где укозгаэлось, что для крупномасштабно» изменчивости УД*1 здоль круга широты «волновые числа меньше б) типично наличие "плоских" пространственных спекгров.

Для сравнения полученных результатов с натурными данными были рассчитаны эмпирические корреляции юад ско.гьзяце осре.цненпымп аномалиями средней температуры и характеристики (В*)'" в области 25-85° с.щ. для. летних и зимних условий. Оказалось, что эмпирические и теоретические значения корреляции достаточно хорошо согласуются для летних условия, за исключением го, отаечяюэдх периодам осреднения более 30 лет. В этом случае соответствуют?? Флуктуации характеристик геупэратуры становятся, по-видимому, аксиом слабыми на фоне еиошних сигналов. Для имитации щумовото воздействия па климатическую систему было предцооть.еро, что последнее формируется счет быстрых дсльтз-ксррэлированЕЫХ в пространстве и зремонн атмосферных возмущения, некоррелированных с сооттетствующими возмущениями Гея. Пак следует из результатов расчетов, введение шумового воздействия позволяет добиться .;»уда>г согласованности теоретических результатов и натурных цг.рных.

Что касаотся ечтачх корреляция, то здесь при сбвум соответствии теоретической завйсихоотк при «кжг я (Золшие то супрстауэт область рзеяоррелйроззяяоети гда'кду акпирическт' зяак/гали теличиз & V в . Яодобтгаз рззлтео кпррошд>г£, яоте|ч» йе устргняотск введением втанэго ивового Боздейетв»ш,

означать рззлкчиз »з характере крупйсиасшгаСногл з-задаодййстькя 01;?-чра и яттюлрзры в зинпьй» и ^шэ с^зсны, грияЕЛвдоесл ка зрьмешюс масштабам, сбоьстергпых скеанлтеског компоненте климатической систолы Земли.

В заключен:® главы речь вдет о дарспактавах развития простых мзлоцараметричвских моделэл для мсждовашк вчутривековоа изменчивости климата. При атом фжзическиэ мех<а2из»ы, связанные с флукглацаигк кяимэтг Арктики, рассмотрены хт.с злолеаты некоторой системы неизвестной структуры ("чернью яща'"). Осдоьной вопрос, БознкгЕира при анализе рассматриваемого "черного ящика" состоит ь м; является ли се пзсскзам по отношению к внешнему шуму или в ном возможно существование ает:колобани2.

Наконец, в приползши определены интегралы от функция спектральное. плстызсти, входящие в выргнк-ния для коваригодонных и взаилхокоЕариг'.гцпнных функции.

На згдитз выносятся следующие шлояюшит

- ксршг класс энертоЛэлансоЕых моделей климзтг. учитывающих ^еодкдаодкость распределена сунн и окззнг, нелинейность заБискмпсш удр от прда^мко?. температуры и стохастический характер атаос4ирьь;х. какроцерчьссов тепла,

- анал^п"?&;;Я1Э метода исследования и анализа опиши модели па стохастическое рсзйужденле,

- ьн&жггчзсклв хлиэнке гздгчи модельного воспроизведения ноляриогс услпвуия ммончибостч ср&дмзгжнльЕоа температуры,

~ г-деяки равкгикччо-эдаакттных колебания климата,

сг.хласугдаэся с даяшжв тэглоаа по натурным данные,

- чикхтгюскиг к чкгосккю 'ооэкки характеристик окэчнич&ской ксчям'гяггь: япыгтььнног изменчивости или.мзтз.

СПИСОК OCKOHHiK ПУБЛИКАЦИЯ:

• *. Алексеев Г.В., Подгорньзг И.Л., Спяцйияжсб П.Ь. Адеектчвяо-радаэлюиыо колебания климата. Докл. АН CG0?, 1990, т..315, No 4, с.8?4-827.

.г. Алексеев Г.З., Поцгорлна /i.A. Адае.гпкно-рэ.пиадаоЕиыр ;солго'Я1:;ш тмймэтэ б система этмоп^ерз-окезн-о.укга. йее л]' СССР, С АО. 1991, т.ЭТ. Но 10, c.i;?0-1U'5.

3. Алексеев Г.В., Подгорный Я.А., Свлцзняйксб .H.H. Ллссйши отепляпщэго влияетя океанов на глобзльэть климат. ¿o.-wi. АН CCCF, 1991, т.ЗгЭ, Но 1, с.70-73.

4. Алексеев Г.В., Подперши и.л. Роль адеешеш и других фэктсроп е. формировании полярного клкмата. ä ich.: Клигатачоскля ргмм Арктики на рубеже XX и XXI веков, (¡.-Пэтарб^рг, Гдарометеоиздат, 1991» с,л-18,

5. Богородская П.В., Марченко A.B.. Подгорный Й.А. К во пр.-. су о формировании Гренландского конЕехтизного круг-?ворота. Морской гидрофизический журнал, 1992, No 1. с.70-74..

S. AJekseyev G.Y. ft Podyomy I.A. Simulation oi auveCTive д'оЪэ! climate fluctuations. In G.J.Boer: Research activities in atmospheric snd oceanic modelling. С-АЗ/JSt.' 'JorKirip; Gi-cm in numerical E/pevimeniation, Report К 14, V.'MO/1'O He.232, pp.7.24-7.25, 1990.

7. I/Ekshtaa л.P. & Pcdgorny I.A. The role оt lV3t-3pi;:ab5f£pn current in the formation oi tee o.lgs position 7-oJ.ar Г.вьеагсП. 1591, у.0, No 2, pp.20r-21G.

. 8. Bogcrocteky P.V. & Poclgpray I.A. • Or. tipsssi&Io Сеер чъхет forautioa Ю the scrtfe or the Creetilsno mnvictiv.? дате. - Arables Geopnyriicae, Port И: й-д'кгз, Atmosphere, 'Hyrtrövps A •Motilinecr G-3opnj!?ics, 5:;pplem?n'j II to Volurao 10, '9е;?, у>.С'<'г.Г:.

fj, Podgoiny I.A. Extracting embedding dimension iron low-quality data se.to. AnTieits r.eophysicae, Port I: Solid Earth Geophysics i Natural Hazards, Supplement I tc Vcluice 10. 19S2. p.C139.

10. Bolcryaev R.V. & Podgorny I. A. Applicability of the Creasherger-ProcRccia algoritiM to analyst short-term cliaate ■variability. Aruales Geopiiysicae, Part I: Solid larth Geophysics & natural Hazards, Supplement 1 to Volume 10, 1992, p.CISS.

11. Alekseye-v G.V. & Podgcrny I.A. Modelling the eiloct ol ocean's heatirg on global cl loate fluctuations. In C.-J.Boar-: Research activities in titEcaplierlc and oceanic modelling, GAS/JSC Worttmg Group in numerical Experimentation, Report N 17, WMO/TD No.401, pp.7,62-7.53, 1992.

1H. Alekaeyev G.'V., Pndgorny I.A. & Svyaatchennikov P.N. Identliicatlon oI global c) in;aie variability "due t,o natural sdvection end structure change in atmosphere-ocean-land system. Second International Conference or Modeling or Global. Climate Change and Variability, 7-11 September, ' 1S92, Kax-Pi.enck-In3tlti.it far Meteorolcgle. Abstracts, p. 109, 1992.

rcrm.A,A.K№!.3«*.eC-JGC

ac.cr.w