Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Моделирование квазидвухлетних колебаний зонального ветра в экваториальной стратосфере

ВАК РФ 25.00.29, Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации по теме "Моделирование квазидвухлетних колебаний зонального ветра в экваториальной стратосфере"

На правах рукописи

Кулямнн Дмитрий Вячеславович

МОДЕЛИРОВАНИЕ КВАЗИДВУХЛЕТНИХ КОЛЕБАНИЙ ЗОНАЛЬНОГО ВЕТРА В ЭКВАТОРИАЛЬНОЙ СТРАТОСФЕРЕ

25.00.29 - Физика атмосферы и гидросферы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 2010

004611872

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Московский физико-технический институт (государственный университет)"

Научный руководитель:

академик РАН, доктор физико-математических наук, профе Дымников Валентин Павлович

Официальные оппоненты:

Защита состоится «24» сентября 2010 года в 16.00 часов на заседании диссертационного совета Д 002.045.01 в Учреждении Российской Академии наук Институте вычислительной математики РАН по адресу: 119333, г. Москва, ул. Губкина, д. 8.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской Академии наук Института вычислительной математики РАН.

Автореферат разослан «24» августа 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 002.045.01

доктор физико-математических наук Груздев Александр Николаевич кандидат физико-математических наук Варгин Павел Николаевич

Ведущая организация:

Институт вычислительной математики и математиче геофизики Сибирского отделения РАН

доктор физико-математических наук

Бочаров Г

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Проблема изменений климата стала в последние десятилетия одной из центральных задач, возникающих перед человечеством. Эта задача имеет свои специфические особенности, следствием которых является то, что главным методом исследования возможных причин изменений климата является численное моделирование, основу которого составляют глобальные климатические модели. Считается, что главным направлением в решении этой проблемы является построение климатических моделей, всё более точно воспроизводящих современный климат.

Совершенствование современных климатических моделей идёт одновременно в разных направлениях. Первое направление связано с увеличением пространственного разрешения (в первую очередь, горизонтального) с целью более адекватного воспроизведения региональных климатических особенностей. Второе направление связано с включением в модели описания новых физических процессов. В качестве примера можно рассмотреть так называемые Северо-атлантические колебания (САК) или связанные с ними Арктические Осцилляции (АО). В последние годы было показано, что существенный вклад в их изменчивость может приносить сигнал, идущий из стратосферы, поскольку АО и циркумполярный стратосферный вихрь образуют единую систему. Третье направление ориентировано на переработку климатических моделей в модели Земной системы с включением описания переноса и трансформации малых газовых примесей, углеродного и метанного циклов, динамики растительности и т.п. Создание модели тропосферы-стратосферы-мезосферы представляет собой чрезвычайно сложную проблему. Она сложна во всех отношениях: и с точки зрения физической постановки задачи, и с точки зрения формулирования методов решения исходных систем уравнений, и с точки зрения реализации её на современных параллельных вычислительных системах.

Общая проблема, с решением которой связана работа, есть проблема адекватного воспроизведения современного климата с помощью глобальных климатических моделей. В основе воспроизведения современного климата глобальными климатическими моделями лежит исследование механизмов формирования ключевых физических процессов.

Исходя из всего вышеизложенного, на данный момент одна из наиболее актуальных проблем моделирования климата - это создание модели общей циркуляции атмосферы (ОЦА), реализующей важные с точки зрения описания верхних слоёв атмосферы физические процессы типа квазидвухлетних колебаний (КДК) экваториального ветра в стратосфере. Отметим, что воспроизведение КДК в стратосфере является важным условием также и воспроизведения взаимодействия аномалий солнечной активности с динамикой атмосферы.

Это глобальное климатическое явление может быть описано как медленно распространяющиеся вниз западная и восточная фазы зонального ветра, сменяющие друг друга с периодом около 28 месяцев (такие колебания непосредственно наблюдаются в экваториальной зоне на высотах примерно 16-50 км).

Имеются многочисленные сведения о воздействии КДК на глобальные климатические характерис Основной предполагаемый механизм воздействия КДК на динамику атмосферы связан с модул! переноса волновой активности во внетропической стратосфере (в основном переноса стационар! волнами). Эта модуляция может стимулировать внезапные стратосферные потепления. Модул! осуществляется также взаимодействие КДК с другими низкочастотными процессами типа Эль-Ни: Арктических осцилляции. Поскольку КДК зонального ветра непосредственно связаны с анапогич: колебаниями температуры, то влияние КДК на генерацию озона в тропической стратосфере и перенос к полюсам (через модуляцию динамических процессов в стратосфере) также представл закономерным. Аналогичные тенденции обнаружены в процессах переноса других атмосфе примесей, образующихся в результате различных антропогенных воздействий или вулканич! активности. Важной также представляется и связь КДК с углеродным циклом в атмосфере.

Несмотря на всю значимость КДК лишь немногие климатические модели в настоящее I способны воспроизводить это явление. Цель работы

Основной целью данной работы является решение проблемы воспроизведения моделями КДК зонального ветра в экваториальной стратосфере. В работе рассматриваются следующие задачи.

1. Исследование механизмов формирования КДК от волн разных масштабов на прс малопараметрических моделях.

2. Выработка условий реализации КДК в моделях ОЦА.

3. Построение модели ОЦА, адекватно воспроизводящей КДК и земной климат в целом.

4. Изучение основных характеристик КДК по данным наблюдений и моделирования. Исследо! проблемы формирования основных характеристик КДК и их устойчивости.

5. Исследования влияния внешних колебательных процессов (полугодового и годового цикло формирование КДК.

Научная новизна

Разработанные в ходе исследования модели и методики являются новыми. Предложена мете исследования механизмов формирования КДК на основе малопараметрических моделей. Предло; новые методы аналитических оценок характеристик КДК для малопараметрических мод Предложены и использованы методы спектрального анализа и построения гистограмм для исследо[ характеристик КДК в моделях ОЦА.

1. Впервые показано, что малопараметрическая модель на основе параметризация обруц коротких волн воспроизводит КДК с реалистичными характеристиками.

2. Построена и исследована новая совместная малопараметрическая модель, воспроизводящая ! объединяющая взаимодействие длинных волн со средним течением (на основе модели Плам обрушение коротких волн (на основе параметризации, предложенной Хайнсом).

3. Построена новая версия модели ОЦА ИВМ РАН с высоким вертикальным разреши исследовано воспроизведение климата этой моделью.

4. В новой версии модели ОЦА ИВМ РАН получены реалистичные КДК.

4

5. Впервые получены подробные результаты исследования спектральных характеристик КДК, как по

данным наблюдений, так и моделирования. Положения и результаты работы, выносимые на защиту

1. Результаты исследования малопараметрической модели формирования КДК через механизм взаимодействия длинных волн со средним потоком. Экспериментальные и аналитические оценки зависимости характеристик КДК от параметров этой модели, результаты исследования структурной устойчивости КДК.

2. Построение и исследование малопараметрической модели формирования КДК через механизм обрушения гравитационных волн. Результаты численных экспериментов по изучению зависимости основных характеристик КДК от параметров модели.

3. Построение и результаты исследования совместной модели формирования КДК от обоих механизмов.

4. Построение и исследование новой версии модели ОЦА ИВМ РАН с высоким пространственным разрешением.

5. Воспроизведение реалистичных КДК в новой версии модели ОЦА ИВМ РАН.

6. Результаты исследования спектральных характеристик КДК и проблемы синхронизации КДК и полугодовыми колебаниями (ПГК).

Практическая н научная значимость работы

Как показано выше, все поставленные задачи являются значимыми для современного моделирования климата. Результаты исследования механизмов формирования КДК улучшают понимание процессов, ответственных за основные характеристики этого явления. По этим результатам получены условия, необходимые для реализации КДК в моделях ОЦА.

Построенная новая версия модели ОЦА ИВМ РАН, воспроизводящая КДК, является следующим шагом в развитии моделей ОЦА. Воспроизведение КДК с характеристиками, близкими к наблюдаемым, позволяет наиболее точно моделировать динамику в верхней и средней атмосфере.

Полученные результаты исследования проблемы синхронизации позволяют рассматривать циркуляцию экваториальной верхней атмосферы как единую систему колебаний, включающую КДК и ПГК.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях и семинарах:

• Международная конференция "Математические методы в геофизике" ММГ (Новосибирск, 2008 г.)

• Международный симпозиум стран СНГ «Атмосферная радиация и динамика» (МСАРД 2009) (Санкт-Петербург, 22-26 июня 2009 г.)

• 50, 51, 52 научные конференции МФТИ (2007 г., 2008 г.. 2009 г.)

• Отчетная конференция по программе 14 президиума РАН (Пущино, 2009 г.)

• Конференция по актуальным проблемам метеорологии, посвященным 90-летию Петросянца М.А. (МГУ, Москва, 2009 г.)

• Доклады на семинарах и отчетных сессиях ИВМ РАН (Москва, 2007 г., 2008 г., 2009 г.) Публикации

По материалам диссертации опубликовано и сдано в печать 5 научных работ, в том числе списка изданий, рекомендованного ВАК РФ. Список приведен в конце автореферата. Личный вклад автора

В публикациях вклад диссертанта наравне с соавторами работ. Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, приложения и списка цитиру литературы. Принята сквозная нумерация рисунков, литературных ссылок и алфави библиографический список. Диссертация содержит 79 страниц текста (без включения табл рисунков), 52 рисунка и 1 таблицу. Список цитируемой литературы содержит 45 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Введение

Во введении обоснована актуальность темы исследования, показано современное состс проблемы, рассматриваются базовые подходы к моделированию КДК, описываются механизмы формирования. Введение дает характеристику основных проблем и задач, возникающих при этом. Глава 1

Первая глава посвящена моделированию КДК на основе малопараметрических модел содержит 5 разделов.

Как отмечено выше, немногие современные модели ОЦА способны воспроизводить ] Идеальный вариант глобальной модели ОЦА должен отражать взаимодействие всего сш экваториальных волн с зональным ветром в стратосфере. До сих пор неясно, каким необходим] достаточным условиям должна удовлетворять модель, чтобы КДК воспроизводились. Именно эта зг являлась главной целью настоящей главы.

Основная трудность в решении этой проблемы содержится в реализации достаточно ело» механизма формирования КДК: в основе лежит нелинейное взаимодействие зонального пото вертикально распространяющихся экваториальных волн. Основным носителем этого взаимодейс могут быть планетарные экваториальные волны, однако было установлено, что энергии этих волн недостаточно и необходимо рассматривать весь спектр экваториальных волн вплоть до самых коре гравитационных. В основе механизма взаимодействия планетарных волн со средним потоком л поглощение волн вблизи критических уровней, где фазовая скорость волны равна скорости основ потока. Механизм взаимодействия коротких гравитационных волн со средним потоком и относительная роль в формировании КДК до сих пор до конца не изучены. Поскольку предполага что тип взаимодействия коротких и длинных экваториальных волн со средним потоком может разным, во всей работе рассматривались два механизма формирования КДК: взаимодействие дли!

волн с зональным потоком и обрушение коротких гравитационных волн. Такое разделение имеет особое значение для построения моделей ОЦА, поскольку генерация крупномасштабных волн является внутренним процессом, а гравитационные волны имеют подсеточный масштаб, и для их учета используются параметризации. Механизмы взаимодействия КДК от разных типов волн рассматривались на основе малопараметрических моделей, в первой главе исследованы следующие проблемы. Основные результаты этой главы представлены подробно в публикациях [1, 3], а также частично в [4, 5].

1. Степень взаимодействия длинных экваториальных волн со средним течением, в основе

которого лежит поглощение волн на критических уровнях, должна зависеть от временного и пространственного разрешения соответствующей конечномерной аппроксимации. С математической точки зрения любая нелинейная модель, адекватно воспроизводящая КДК, должна порождать предельный цикл с периодом примерно 2 года в области параметров, близких к наблюдаемым. К этим параметрам естественно отнести и параметры пространственной и временной аппроксимации.

В качестве основной модели исследования КДК, порождаемого взаимодействием длинных волн и зонального течения, была взята модель Р. Пламба, описание и результаты которой приведены в п. 1.1 работы.

Исследуется следующая задача эволюции зонально-осредненной компоненты скорости ветра на экваторе.

- усредненный поток количества движения, передаваемый среднему потоку от одной волны. В модели рассматривались две симметричные разнонаправленные волны с потоками количества движения, передаваемыми среднему течению:

Подробное описание модели и всех обозначений представлено в [1].

Коротко опишем основные результаты, полученные при исследовании возбуждения колебаний зональной скорости на основе взаимодействия длинных волн со средним течением. Показано, что для адекватного воспроизведения взаимодействия длинных планетарных экваториальных волн с зональным потоком на критических уровнях в экваториальной стратосфере необходимо высокое пространственное разрешение (< 500 м по вертикали).

На основе численных экспериментов были исследованы зависимости периода и амплитуды колебаний зонального ветра от определяющих параметров - горизонтального волнового числа к и фазовой скорости с, уровня ньютоновского выхолаживания и коэффициента вертикальной диффузии г, энергии источника длинных волн (Fl,- начальный поток импульса). Получена следующая общая зависимость периода предельного цикла от параметров задачи может быть описана формулой:

ди 1 ^ дР„ д2и

— =--> -+М—г

5! р^ 5: д:2

1

"а,2'

и = "»(-)■

где А - размерный коэффициент пропорциональности (который может зависеть и от других парам модели).

Помимо процесса распространения крупномасштабных экваториальных волн в стратосф! моделях ОЦА должен быть реализован минимальный набор других атмосферных прощ необходимых для осуществления механизма формирования КДК: взаимодействие длинных boj средним течением происходит только при наличии некоторого диффузионного процесса (его выполняет ньютоновское выхолаживание); смена положительной и отрицательной фазы I зонального ветра осуществляется за счет процесса вертикального перемешивания (вертика! диффузии), который играет большую роль при сильных градиентах скорости. При условии реали: описанных процессов можно ожидать воспроизведения КДК зонального ветра от взаимодейст] длинными волнами в моделях ОЦА. Однако результаты экспериментов с малопараметрической мод Пламба показывают, что реализации описанного механизма в глобальных моделях не достаточно возбуждения КДК, поскольку реалистичной энергии длинных экваториальных волн не хвата простой модели ее значение завышалось). Таким образом, необходимо учитывать весь спектр волн движений на экваторе.

2. Вопрос определения ключевых параметров, ответственных за формирование периода и д[ характеристик КДК остается одним из ключевых для понимания КДК. Этот вопрос м рассматривать на базе использованной малопараметрической модели. В п. 1.2 работы рассматрив вопрос выбора ключевых параметров, приводятся простые аналитические оценки зависимости nef КДК, возбуждаемого планетарными волнами, от различных параметров модели, позволяют принципе оценивать возможные колебания периодов, а также рассматривается проблема структу устойчивости для этой задачи.

В работе проведена аналитическая оценка периода колебаний для модели Пламба, представле выше. Для аналитических оценок периода КДК предполагалось, что профиль колебаний зонал скорости в модели уже сформировался, и использовалось его простое приближение. Подрс описание основных приближений и выкладок представлено в работе (4].

С помощью интегрирования уравнений модели получены оценки зависимости величины nef от параметров модели:

Показано, что полученные оценки находятся в полном согласии с результатами числе! экспериментов, и полученной экспериментальной оценкой.

Рассмотрен вопрос определения ключевых процессов формирования КДК. Эта проблема в большой степени относится не к волновым параметрам, а к параметрам, определяющим внешние процессы (такие как вертикальная диффузия и перенос). Для модифицированной модели Пламба проведено исследование проблемы структурной устойчивости КДК как предельного цикла. Этим проблемам посвящена публикация [5]. Сначала рассматривалась проблема устойчивости нулевого решения этой задачи и условия перехода к КДК как к предельному циклу. Затем проведены оценки роли вертикальных движений и диссипации в формировании КДК и его устойчивости. Показано, что ключевым процессом в формировании основных характеристик и структуры решения является процесс вертикальной диффузии. Также отмечено, что при формировании колебаний зонального ветра в экваториальной стратосфере важную роль играют восходящие вертикальные движения. Получены оценки границы устойчивости нулевого решения для параметров вертикальной диффузии и скоростей вертикального переноса. Такие же оценки получены с помощью численного моделирования.

3. Поскольку в моделях ОЦА с относительно грубым вертикальным разрешением реализовать механизм взаимодействия волн на критических уровнях едва ли возможно, то возникает вопрос -возможно ли получить реалистичные КДК, используя только параметризацию взаимодействия коротких гравитационных волн со средним потоком (т.е. с помощью механизма обрушения коротких волн, который реализован в модели ОЦА с грубым вертикальным разрешением). Подробное описание и результаты исследования этого механизма описаны в п. 1.3 работы.

Возникновение колебаний зональной скорости при взаимодействии среднего течения с короткими гравитационными волнами описывалось на основе построения малопараметрической модели, аналогичной модели Пламба, в которой механизм взаимодействия задавался в простой модели с помощью параметризации, предложенной К. Хайнсом. Она основана на теории доплеровского смещения средней части спектра гравитационных волн в область более высоких вертикальных волновых чисел, при которых происходит обрушение волны и передача среднему течению количества движения и энергии. Эта параметризация носит полуэмпирический характер, поскольку часть характеристик, существенных для теоретического построения, получается из статистической обработки данных наблюдений.

В основе модели лежит то же уравнение (что и в модели Пламба) для эволюции зонально-осредненной компоненты скорости на экваторе с теми же обозначениями:

дй__ д2й _ 1 дГ„ д1 ** д:2 р 8:

Правая часть Рн обозначает поток количества движения от обрушения волн, расчет которого проводился, следуя идеям, разработанным К. Хайнсом.

а - среднеквадратичное отклонение, определяющие энергию волн, т , к - вертикальное и горизонтальное волновые числа соответственно. Подробное описание построения этой модели приведено в [I].

Центральным результатом этой части работы является утверждение, что механизм обруи коротких гравитационных волн самодостаточен для возбуждения колебаний зональ экваториального ветра. При определенных условиях получались колебания, близкие к реа наблюдаемым КДК.

Основной задачей на следующем этапе было вычисление области ключевых параметров, существу определяющих этот период. Показано, что реалистичные КДК возникают в узком диапг параметров модели, при этом характеристики полученного цикла сильно чувствительны к: параметрам самой модели. По результатам экспериментов в некотором узком диапазоне параме', рекомендованных автором параметризации в качестве близких к наблюдениям, можно опреде зависимость периода колебаний зональной скорости от определяющих параметров следующим обра

В - размерный коэффициент пропорциональности (который может зависеть от различных параме модели).

4. Следующая задача состояла в исследовании относительной роли экваториальных волн ра: масштабов в формировании КДК. Представляет интерес вопрос о том, какие именно волны опреде. основные характеристики КДК зональной скорости в атмосфере и какой вклад вносят остальные во С этой целью на обобщенной малопараметрической модели взаимодействия коротких и длинных со средним течением должно быть исследовано совместное действие описанных механи возбуждения КДК. Полученные результаты описаны в п. 1.4 работы.

Модель построена по аналогии с предыдущими разделами, уравнение для эволюции осредне! компоненты зональной скорости имеет вид:

1 Э(/у + /у) 51 М 3:г ~ р д:

Здесь величины и задают потоки количества движения от взаимодействия со cpe^ течением длинных и коротких гравитационных волн соответственно.

Результаты численных экспериментов показывают, что при совместном действии этих механи распространение гравитационных волн происходит на фоне колебаний зональной скор< обусловленных действием длинных волн, причем первичная роль в формировании периода несимметрии восточной и западной фаз КДК принадлежит планетарным волнам, а гравитацио! волны играют второстепенную роль, подкачивая дополнительную энергию в колебательную систему.

Для наглядной демонстрации модуляции длинными волнами колебаний, возбуждаемых корот! гравитационными волнами, на рис. I приведен результат численного эксперимента с более реальь не симметричными характеристиками длинных волн, при этом характеристики гравитационных оставались симметричными. Видно, что установился общий устойчивый несимметричный про( колебаний.

В п. 1.5 приведено обсуждение результатов первой главы.

00 90 100 110 120 130 1-10

Время(месяцы)

Рис. 1

Профиль зональной скорости, полученный численным решением совместной модели с несимметричными значениями фазовых скоростей и волновых чисел длинных волн. Величина скорости приведена в м/с, изолинии проведены с интервалом 10 м/с, темным выделены зоны западного ветра (отрицательное направление).

Глава 2

Вторая глава посвящена моделированию КДК на основе моделей ОЦА, разрабатываемых в ИВМ РАН, и также содержит 5 разделов. Основные результаты этой главы представлены подробно в публикации [2].

Как уже отмечалось выше, основной целью данной работы является построение модели ОЦА, воспроизводящей реалистичные КДК зонального ветра в экваториальной стратосфере. Для решения этой проблемы за основу взята разработанная в ИВМ РАН модель, включающая тропосферу, стратосферу и мезосферу, с пространственным горизонтальным разрешением 2°х2.5° и достаточно грубым вертикальным разрешением в 39 уровней. Принимая во внимание, что обозначенные ранее два механизма возбуждения КДК естественным образом разделяются в глобальных моделях, возникает задача оценки степени реализации того и другого механизма в модели ОЦА ИВМ РАН.

Для адекватного воспроизведения процесса поглощения длинных волн на критических слоях в модели была разработана новая модель ОЦА ИВМ РАН 2°х2.5°х80, для которой была модифицирована вертикальная сетка: количество уровней повышено до 80, а шаг сетки в стратосфере был взят порядка 0.5 км (по результатам гл. 1).

Основной упор в исследованиях моделей ОЦА направлен на воспроизведение в них КДК. Исходя из описанных результатов первой главы работы при переходе к моделированию КДК с помощью моделей ОЦА во второй главе разбирались следующие вопросы.

1. На основании исследования двух механизмов возбуждения КДК и условий их реализации возникает задача предварительного исследования модели ОЦА на возможность воспроизведения обоих

п

типов взаимодействия экваториальных волн со средним потоком в стратосфере. Общее описа воспроизведения климата новой моделью 2°х2.5°х80 в сравнении с результатами модели 2°х2.5°хЗ также анализ процессов, происходящих на экваторе, дадут достаточно полную карт крупномасштабной и волновой экваториальной динамики в стратосфере.

Описание климата модели ИВМ РАН 2°х2.5°х80 по результатам контрольных эксперименте сравнении с реанализом данных наблюдений приведено в п. 2.1. Показано, что мол удовлетворительно воспроизводит основные климатические характеристики атмосферы пространственные распределения полей ветра, температуры, давления, осадков, уровня волно активности в средних широтах и др. Значительные улучшения по сравнению с предыдущими вереи: модели ИВМ РАН наблюдаются в воспроизведении циркуляции в области тропопаузы и в стратосфер

2. Точный ответ о степени взаимодействия волн и зонального потока в глобальных моде атмосферы получить достаточно сложно, в первую очередь необходимо провести подроб исследование экваториальной динамики в контрольных экспериментах и отметить ключе] особенности, связанные с периодическими крупномасштабными процессами. Поскольку построен нами новая версия модели ОЦА ИВМ РАН 2°х2.5°х80 призвана решить основную задачу воспроизвести реалистичные КДК, необходимо изучить степень реализации исследованных н; механизмов возбуждения КДК от двух типов волн в разных версиях моделей ОЦА ИВМ РАН. Описа результатов анализа экваториальной динамики для моделей 2°х2.5°х39 и 2°х2.5°х80 приведено в п. 2.2.

Для модели 2°х2.5°х39 показано, что динамика зонального ветра и возникающие колебания стратосфере на экваторе полностью обусловлены параметризацией гравитационно-волнов сопротивления, что подтверждает реализацию механизма возбуждения колебаний зональной скоро от обрушения мелкомасштабных волн в этой версии. Важно отметить, что при высокой волно] энергии модель ОЦА фактически точно воспроизводит результат моделирования колебаний в прос модели, однако при низких значениях волновой активности колебания не наблюдаются.

По данным контрольного эксперимента для модели 2°х2.5°х39 в слое 10-100 мбар в зональ! ветре преобладают колебания с периодом в 1 год с сильно смещенным в зону с отрицательнь: скоростями. На данном этапе основным вопросом становится возможность воспроизведе! реалистичных КДК в модели 2°х2.5°х39, формируемых только через механизм обруше1 гравитационных волн. Однако при значительных вариациях значений параметров не удалось получ: реалистичные КДК на экваторе в этой версии модели. При снижении волновой энер] рассматриваемый механизм формирования колебаний от гравитационно-волнового сопротивления доставляет достаточного количества движения зональному потоку и становится сравним по масштаба другими экваториальным процессами.

Результаты контрольного эксперимента для модели 2°х2.5°х80 отличаются от предыдуц версии: в слое 10-100 мбар годовой цикл имеет малую амплитуду, а выделяется наличие двухлетс колебаний также со смещенным в зону восточных ветров средним значением. Можно предположи что в этой модели реализуются оба механизма возбуждения колебаний зонального ветра. Так результаты новой 80-уровневой модели более соответствуют реально наблюдаемым мезосферным 12

стратосферным ПГК. Это может говорить о хорошем воспроизведении волновой динамики во всей экваториальной атмосфере и усилении энергии самих волн.

3. Для детального исследования динамики зонального ветра на экваторе в модели ИВМ РАН было необходимо провести спектральный анализ волновой активности в экваториальной стратосфере и оценить степень взаимодействия волн с зональным течением. Такой спектральный анализ проведен для оценки степени реализации описанных выше механизмов возбуждения КДК, результаты приведены в п. 2.3 работы. Они показывают, что волновая активность на экваторе в модели близка к наблюдаемой, и в новой версии модели реализуется взаимодействие длинных экваториальных волн с зональным течением.

4. При реализации процессов распространения и взаимодействия планетарных волн со средним течением на экваторе в новой модели ИВМ РАН возникает задача воспроизведения наиболее реалистичных КДК и исследования совместного действия обоих в модели ОЦА и сравнения результатов с п. 1.4. Описание результатов численных экспериментов по моделированию КДК в версии модели ОЦА ИВМ РАН 2°х2.5°х80 содержится в п. 2.4.

В новой версии модели ОЦА удалось воспроизвести КДК зонального ветра на экваторе, очень близкие к данным наблюдений. Данный результат является ключевым как в этой части, так и в работе в целом. Важным результатом изучения обеих версий модели 2°х2.5°х39 и 2°х2.5°х80 является подтверждение существенной роли процесса вертикальной диффузии в реализации механизмов возбуждения КДК в моделях ОЦА. Результаты моделирования механизмов возбуждения КДК говорят о том, что обрушение гравитационных волн занимает второстепенную роль в формировании характерного периода колебаний зонального ветра на экваторе при разумных значениях параметров и выходит на первый план лишь при больших энергиях мелкомасштабной волновой активности относительно волн планетарного масштаба. При этом взаимодействие длинных волн со средним течением создает колебания в более близкой к волновому источнику зоне, то есть в нижних слоях стратосферы. Этот результат полностью согласуется с результатами первой главы.

Наиболее существенный результат представлен на рис. 2, где приведена высотно-временная картина КДК зонального ветра в стратосфере и мезосфере на экваторе по используемым в этой работе данным реанализа наблюдений Е11А40, а также численного эксперимента с моделью ОЦА ИВМ РАН при измененном параметре вертикальной диффузии в атмосфере. Модель ИВМ РАН хорошо воспроизводит как структуру, так и основные характеристики КДК и ПГК, слегка занижая последние по амплитуде и завышая нижнюю границу их формирования

В п. 2.5 приведено обсуждение результатов второй главы.

Рис. 2

Средний зональный ветер (м/с) на экваторе по данным реанализов наблюдений ЕКА40 (а) : эксперимента с моделью ИВМ РАН 2°х2.5°х80 (б) за 10 лет в высотной зоне от 200 до 0.003 мбар стандартными значениями параметров гравитационно-волнового сопротивления и уменьшенн коэффициентом вертикальной диффузии (Ф=0.03 в стратосфере).

Глава 3

В третьей главе подробно рассматриваются проблема синхронизации КДК с внешни процессами и вопросы формирования и устойчивости основных характеристик КДК, как по данн наблюдений, так и по данным моделирования. Проводится подробный анализ спектральн характеристик КДК и возможной синхронизации с ПГК или годовым циклом, рассматривается р< КДК в циркуляции экваториальной стратосферы. Глава содержит три раздела. Основные результа этой главы рассмотрены в публикациях [4, 5].

При положительном разрешении проблемы воспроизведения КДК возникло множество практических вопросов о степени реалистичности данного цикла, его влиянии на другие процессы в атмосфере в целом, о чувствительности характеристик колебаний к различным вариациям параметров. Подобные проблемы особенно актуальны для развития моделей ОЦА. Среди основных проблем при исследования формирования КДК наиболее существенной является проблема формирования периода колебаний, его устойчивости и его связи с полугодовой и годовой гармониками. Как отмечено выше, величина периода КДК носит достаточно стохастический характер. Отмечалось, что при вариации периодов предпочтительные периоды КДК по данным анализа наблюдений на отдельных кратны полугоду. Механизм дискретной изменчивости периода КДК по данным наблюдений является темой современных дискуссий.

Помимо отмеченного выше основополагающего механизма нелинейного взаимодействия экваториальных волн разных масштабов с зональным потоком, существенный вклад в формирование КДК могут вносить ПГК, которые, начиная с верхних слоев стратосферы, распространены в экваториальной мезосфере, а также сезонный цикл, присутствующий в цикле зональной скорости на экваторе в основном в тропосфере и доминирующий в средних широтах. Механизмы формирования ПГК подробно не рассматривались, однако на основе модели ОЦА можно проследить взаимосвязь взаимодействия экваториальных волн со средним течением и этого процесса. Стоит отметить, что возбуждение ПГК в верхней стратосфере до сих пор мало изучено. На данный момент не существует единого мнения по поводу основных причин окончательного формирования периода КДК, при этом существует ряд противоречащих друг другу гипотез.

Основной целью данной части работы является проверка на основе анализа данных наблюдений, а также результатов численных экспериментов с малопараметрическими моделями и моделью ОЦА ИВМ РАН приведенной выше концепции: КДК и ПГК можно рассматривать как одну систему циркуляции экваториального ветра, важным источником которой являются короткие гравитационные волны.

1. В п. 3.1 на основе методики, изложенной подробно в п. 1.2 приводятся простые аналитические оценки зависимости периода КДК, позволяющие в принципе оценивать возможные колебания периодов, а также результаты численных экспериментов с малопараметрическими моделями (описанными в первой главе), позволяющими утверждать, что синхронизация КДК и ПГК в верхней стратосфере может осуществляться через механизм взаимодействия волн со средним потоком в широком спектральном диапазоне, в частности, и через механизм взаимодействия коротких гравитационных волн со средним потоком. На основе этих оценок подробно исследуется роль вертикальных движений и диссипации в формировании КДК и его устойчивости.

Получена следующая оценка периода КДК для модифицированной модели Пламба с внешним воздействием /(:,!) :

Простые аналитические оценки и численные эксперименты с малопараметрическими модел. показывают наличие сильной синхронизации в верхних слоях в области перехода между КДК и ПГ слабой синхронизации в нижних слоях области распространения КДК (синхронизация фаз и возмож локальное смещение периодов в стороны ближайших кратных ПГК). Собственный период К определяется длинными планетарными волнами и формируется в нижних слоях стратосферы, одна» верхних слоях важным становится процесс обрушения гравитационных волн. Оба механи показывают возможность синхронизации с ПГК или годовым циклам в верхних слоях, при этом в э процессе роль коротких волн представляется более значимой.

2. В п. 3.2 приводятся результаты обработки данных реанализов наблюдении и модели различных высот (спектры и гистограммы), которые показывают, что определенная синхронизация ПГК и КДК имеет место. При этом КДК и ПГК рассматриваются как общая система циркуля! экваториальной атмосферы, на основе результатов предыдущих исследований и числен) экспериментов с моделью ОЦА ИВМ РАН изучается проблема устойчивости КДК и вопросы взаим] модуляции КДК и ПГК.

Показано, что модель ОЦА ИВМ РАН в целом удовлетворительно воспроизводит основ! спектральные характеристики КДК и ПГК и особенности изменчивости периода КДК, наблюдаемые данным реанализов ЫСЕР/ЫСАЯ и НЯА40. Сравнение характеристик КДК по данным этих реанали показывает близкие спектры зональной скорости в экваториальной атмосфере и сходные гнстограм/ Анализ данных наблюдений и моделирования показывает, что определенная синхронизация КДК и Г1 (а возможно и годового цикла) имеет место. Спектральный анализ и гистограммы показывают, что данных наблюдений и моделирования процесс синхронизации к кратным периодам П идентифицируется в области перехода между КДК и ПГК.

Для всех рассматриваемых высот синхронизация КДК с кратными ПГК идентифицируется разностям западных максимумов, как по данным наблюдений, так и по данным численн моделирования. Аналогичная синхронизация имеет место и по разнице переходов через ноль западной к восточной фазе КДК только по данным наблюдений. При расчете периода друга способами синхронизация КДК и ПГК в распределении периодов в средней и нижней стратосфере сл; выражена.

Отметим, что параметризация коротких гравитационных волн в модели ОЦА ИВМ РАН важна; воспроизведения как КДК, так и ПГК.

Также на основе численных экспериментов с моделью ОЦА ИВМ РАН исследов; чувствительность характеристик КДК к величине вертикальной диффузии. Результаты э: экспериментов показывают удовлетворительное согласие с оценками, полученными 1 16

малопараметрических моделей. Результаты численного моделирования и данных наблюдений показывают взаимною модуляцию КДК и ПГК, при этом ПГК модулирует КДК по фазе, а КДК модулирует ПГК по амплитуде.

В п. 3.3 приводится обсуждение основных результатов этой главы. Заключение

В заключении работы кратко приводятся ее основные результаты. Приложение

В приложении описаны вычислительные технологии, используемые при работе с моделями ОЦА ИВМ РАН, и проведен краткий анализ эффективности параллельного счета с этими моделями.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Кратко сформулируем основные результаты работы.

1. С помощью малопараметрических моделей, описывающих взаимодействие планетарных волн и коротких гравитационных волн со средним потоком, исследованы необходимые условия, которым должны удовлетворять модели ОЦА, чтобы они успешно воспроизводили квазидвухлетние колебания атмосферной циркуляции. Показано, что каждый тип волн при определенных параметрах способен формировать колебания зональной скорости, близкие к наблюдаемым КДК. Исследованы зависимости периода возникающих колебаний от основных параметров, характеризующих механизмы взаимодействия волн со средним потоком. Выделен процесс вертикальной диффузии как ключевой в формировании основных характеристик КДК и их устойчивости. На основе малопараметрической модели совместного действия описанных выше механизмов формирования КДК показано, что ключевую роль в становлении периода КДК и амплитуды в нижних слоях играют планетарные волны, в то же время короткие гравитационные волны переносят энергию и определяют характеристики КДК в верхних слоях.

2. Построена новая современная версия модели ОЦА ИВМ РАН с высоким пространственным разрешением (2° по широте, 2.5° по долготе, 80 уровней по вертикальной координате). Проведены численные эксперименты по воспроизведению данной моделью современного климата. Показано, что модель удовлетворительно воспроизводит основные климатические характеристики атмосферы - распределения полей ветра, температуры, давления, осадков, уровня волновой активности в средних широтах и экваториальной зоне и др. Показано, что в построенной модели ОЦА выполняются условия реализации обоих исследуемых механизмов КДК, волновая активность на экваторе близка к наблюдаемой и модель успешно воспроизводит КДК и ПГК с характеристиками, близкими к наблюдаемым.

3. С помощью аналитических оценок и численных экспериментов с малопараметрическими моделями показана возможная синхронизация КДК и ПГК в переходной области между ними. Показано, что механизм обрушения гравитационных волн может являться важным связующим звеном в явлениях синхронизации. На основе анализа данных наблюдений и моделирования с помощью модели ОЦА

показано, что определенная синхронизация КДК и ПГК имеет место. Также имеет место взаим модуляция КДК и ПГК. Результаты численных экспериментов с моделями ОЦА ИВМ PAI малопараметрическими моделями показывают, что процесс формирования характеристик КДК наибе чувствителен к параметру вертикальной диффузии, при определенных соотношениях парамет возможны бифуркации. Таким образом, основываясь на полученных результатах, можно предполож] что формирование КДК от разных типов волн вместе с ПГК и годовым циклом можно рассматри! как единую систему колебаний в циркуляции экваториальной верхней атмосферы.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА ПО ТЕМЕ

1. Кулямин Д.В., Володин Е.М., Дымников В.П. Моделирование квазидвухлетних колебаний зональн ветра в экваториальной стратосфере. Часть I. Малопараметрические модели // Изв. РАН. Физ атмосферы и океана. 2008. Т. 44. № 1. С. 5-20.

2. Кулямин Д.В., Володин Е.М., Дымников В.П. Моделирование квазидвухлетних колебаний зональн ветра в экваториальной стратосфере. Часть II. Модели общей циркуляции атмосферы // Изв. Р/ Физика атмосферы и океана. 2009. Т. 45. № 1. С. 43-61.

3. Кулямин Д.В., Дымников В.П. Моделирование квазидвухлетних колебаний зонального ветра экваториальной стратосфере. // Труды МФТИ. 2009. Т. 1. № I. С. 65-71.

4. Кулямин Д.В., Дымников В.П. Спектральные характеристики квазидвухлетних колеба! экваториального стратосферного ветра и проблема синхронизации. // Изв. РАН. Физика атмосфер] океана. 2010. Т. 46. № 4. С. 1-19.

5. Dymnikov V.P., Kulyamin D.V. Structural stability of quasi-biennial oscillations of zonal wind in equatorial stratosphère. // Rus. J. Numer. Anal, and Math. Modelling. 2010. V.25. № 3. P. 235-251

Кулями» Дмитрий Вячеславович

МОДЕЛИРОВАНИЕ КВАЗИДВУХЛЕТННХ КОЛЕБАНИИ ЗОНАЛЬНОГО ВЕТРА В ЭКВА ТОРИАЛЬНОЙ СТРАТОСФЕРЕ

Автореферат

Изд. лиц. ИД 03991 от 12.02.2001. Компьютерный набор. Подписано в печать 02.08.2010. Усл. печ. л. 1.1. Тираж 80 зкз.

Институт вычислительной математики РАН. 119333, Москва, ул. Губкина,8

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Кулямин, Дмитрий Вячеславович

Введение.

Глава 1. Моделирование квазидвухлетних колебаний на основе малопараметрических моделей.

1.1 Моделирование КДК на основе механизма взаимодействия длинных волн со средним течением.

1.2 Выбор ключевых параметров в формировании квазидвухлетних колебаний и проблема структурной устойчивости.

1.3 Моделирование КДК на основе механизма обрушения гравитационных волн.

1.4 Моделирование КДК на основе совместного взаимодействия гравитационных и планетарных волн с зональным потоком.

1.5 Выводы.

Глава 2. Моделирование квазидвухлетних колебаний на основе моделей общей циркуляции атмосферы ИВМ РАН.

2.1 Описание модели общей циркуляции ИВМ РАН с высоким пространственным разрешением 2°х2.5°х80.

2.2 Воспроизведение зонального ветра на экваторе в моделях общей циркуляции ИВМ РАН.

2.3 Результаты спектрального анализа волновой динамики на экваторе в модели ИВМ РАН.

2.4 Результаты экспериментов по моделированию КДК зонального ветра в модели общей циркуляции ИВМ РАН 2°х2.5°х80.

2.5 Выводы.

Глава 3. Спектральные характеристики квазидвухлетних колебаний экваториального стратосферного ветра, проблемы синхронизации и структурной устойчивости

3.1 Проблема синхронизации в малопараметрических моделях КДК.

3.2 Результаты обработки данных наблюдений и данных моделирования КДК с помощью моделей ОЦА ИВМ РАН. Формирование основных характеристик КДК и проблема синхронизации в моделях ОЦА.

3.3 Выводы.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Моделирование квазидвухлетних колебаний зонального ветра в экваториальной стратосфере"

Проблема изменений климата стала в последние десятилетия одной из центральных задач, возникающих перед человечеством. Эта задача имеет свои специфические особенности, следствием которых является то, что главным методом исследования возможных причин изменений климата является численное моделирование, основу которого составляют глобальные климатические модели. В настоящее время уровень климатических моделей, разрабатываемых в ведущих мировых центрах и участвующих в международных программах сравнения климатических моделей, можно считать высоким. Однако остаётся открытым фундаментальный вопрос, является ли этот уровень достаточным для того, чтобы чувствительность моделей к малым возмущениям внешних параметров была близка к чувствительности реальной климатической системы. Этот вопрос в настоящее время является центральным во всех дискуссиях, посвященных прогнозу изменений климата в 21 столетии. Считается, что главным направлением в решении этой проблемы является построение климатических моделей, всё более точно воспроизводящих современный климат.

Совершенствование современных климатических моделей идёт одновременно в разных направлениях. Первое направление связано с увеличением пространственного разрешения (в первую очередь, горизонтального) с целью более адекватного воспроизведения региональных климатических особенностей. Второе направление связано с включением в модели описания новых физических процессов. В качестве примера можно рассмотреть так называемые СевероАтлантические колебания (САК) или связанные с ними Арктические Осцилляции (АО). В последние годы было показано, что существенный вклад в их изменчивость может приносить сигнал, идущий из стратосферы, поскольку АО и циркумполярный стратосферный вихрь образуют единую систему.

Третье направление ориентировано на переработку климатических моделей в модели Земной системы с включением описания переноса и трансформации малых газовых примесей, углеродного и метанного циклов, динамики растительности и т.п. Необходимость всё более точного описания верхних слоев атмосферы обусловлено также и необходимостью описания таких важных динамических процессов как квазидвухлетние колебания (КДК) зонального ветра в экваториальной стратосфере или полугодовые колебания (ПГК) ветра в мезосфере.

Создание модели тропосферы-стратосферы-мезосферы представляет собой чрезвычайно сложную проблему. Она сложна во всех отношениях: и с точки зрения физической постановки задачи, и с точки зрения формулирования методов решения исходных систем уравнений, и с точки зрения реализации её на современных параллельных вычислительных системах.

Общая проблема, с решением которой связана работа, есть проблема адекватного воспроизведения современного климата с помощью глобальных климатических моделей и 2 ( Г прогноза его короткопериодных и долгопериодных изменений. В основе воспроизведения современного климата глобальными климатическими моделями лежит исследование механизмов формирования ключевых физических процессов, ответственных за циркуляцию атмосферы и океана, таких как процессы переноса полей влажности в атмосфере и их взаимодействие с радиацией, процесс циклогенеза в средних широтах атмосферы, муссонная циркуляция, Эль-Ниньо и южные колебания, Арктические осцилляции, КДК, волны Юлиана-Маддена и их взаимодействие с конвективными кластерами и многие другие.

Исходя из всего вышеизложенного, на данный момент одна из наиболее актуальных проблем моделирования климата - это создание модели общей циркуляции атмосферы (ОЦА), реализующей важные с точки зрения описания верхних слоев атмосферы физические процессы типа КДК и ПГК. Отметим, что воспроизведение КДК в стратосфере является важным условием также и воспроизведения взаимодействия аномалий солнечной активности с динамикой атмосферы.

Таким образом, представленная работа направлена на решение проблемы воспроизведения моделями ОЦА КДК зонального ветра в экваториальной стратосфере. Это глобальное климатическое явление может быть описано как медленно распространяющиеся вниз западная и восточная фазы зонального ветра, сменяющие друг друга с периодом около 28 месяцев (такие колебания непосредственно наблюдаются в экваториальной зоне на высотах примерно 16-50 км).

На рис. 1 приведён высотно-временной график распределения зонального ветра в экваториальной стратосфере, построенный по данным реанализа европейского центра ECMWF (ERA40) [Uppala et al., 2005] за 10 лет. Рисунок наглядно демонстрирует суть явления (периодическую смену направления среднего зонального ветра в стратосфере) и его основные свойства: меняющийся период от 24 до 30 месяцев, медленное опускание разнонаправленных фаз скорости (скорость опускания в среднем составляет 1 км/месяц), зону распространения (на высотах в районе 80-10 мбар), величину амплитуды зональной скорости и ее распределение (с максимумами около 30 м/с на высотах порядка 20-10 мбар). В широтном направлении интенсивные КДК наблюдаются в узкой полосе около экватора (~ 10° на север и на юг). Распределение амплитуды колебаний скорости примерно симметрично относительно экватора и близко к нормальному распределению с максимумом на экваторе.

Подробный современный обзор всех аспектов КДК приведен в работе [Baldwin et al., 2001].

ERA 40

Время (годы)

Рис. 1.

Средний зональный ветер на экваторе по данным реанализа ERA40 за 10 лет в высотной зоне от 200 до 10 мбар. Величина скорости приведена в м/с, изолинии проведены с интервалом 5 м/с, пунктиром выделены зоны западного ветра (отрицательное направление).

Несмотря на кажущуюся меридиональную локальность этого явления, имеются многочисленные сведения о воздействии КДК на глобальные климатические характеристики. Основной предполагаемый механизм воздействия КДК на динамику атмосферы связан с модуляиией переноса волновой активности во внетропической стратосфере (в основном переноса стационарными волнами). Эта модуляция может стимулировать внезапные стратосферные потепления [Holton, Tan, 1980; Dunkerton, 1990; Dunkerion, Baldwin, 1991]. Модуляцией осуществляется также взаимодействие КДК с другими низкочастотными процессами типа Эль-Ниньо [Gray et al., 1992; Baldwin, Dunkerton, 1998]. Следует отметить и региональные связи КДК с процессами в тропиках - например, длительностью сезонных дождей и активностью ураганов в Атлантике [Knaff, Í 993].

Поскольку КДК зонального ветра непосредственно связаны с аналогичными колебаниями температуры, то влияние КДК на генерацию озона в тропической стратосфере и его перенос к полюсам (через модуляцию динамических процессов в стратосфере) также представляется 4 закономерным [Randel, Cobb, 1994]. Аналогичные тенденции обнаружены в процессах переноса других атмосферных примесей, образующихся в результате различных антропогенных воздействий или вулканической активности [Jones et al., 1998]. Важной также представляется и связь КДК с углеродным циклом в атмосфере.

Несмотря на всю значимость КДК лишь немногие климатические модели в настоящее время способны воспроизводить это явление [Baldwin et al., 2001; Scaife et al., 2000; Giorgetta et al., 2006].

Поэтому главной задачей всей работы является задача построения моделей ОЦА, адекватно воспроизводящих КДК. Основная трудность в решении этого вопроса содержится в реализации достаточно сложного механизма формирования КДК: в настоящее время уже считается общепринятым, что в основе КДК зональной скорости в экваториальной стратосфере лежит нелинейное взаимодействие зонального потока и вертикально распространяющихся экваториальных волн.

Работы Холтона и Линдзена [Holton, Lindzen, 1972] показали, что основным носителем этого взаимодействия могут быть планетарные экваториальные волны — смешанные Россби-гравитационные волны и волны Кельвина, однако, впоследствии было установлено, что энергии этих волн явно недостаточно и необходимо рассматривать весь спектр экваториальных волн вплоть до самых коротких гравитационных [Baldwin et al., 2001]. Механизм взаимодействия планетарных волн со средним потоком был осознан уже в самых первых работах — в основе этого механизма лежит взаимодействие волн и среднего потока на критических уровнях, где фазовая скорость волны равна скорости основного потока. Поскольку критические слои — узкие зоны взаимодействия, то очевидно, что для его адекватного воспроизведения в климатических моделях необходимо высокое пространственное (вертикальное) разрешение, что является необходимым условием воспроизведения КДК. Механизм взаимодействия коротких гравитационных волн со средним потоком и его относительная роль в формировании КДК до сих пор до конца не изучены.

Поскольку предполагается, что тип взаимодействия коротких и длинных экваториальных волн со средним потоком может быть разным, во всей работе рассматриваются два механизма формирования КДК: взаимодействие длинных волн с зональным потоком и обрушение коротких гравитационных волн. Такое разделение имеет особое значение для построения моделей ОЦА, поскольку генерация крупномасштабных волн является внутренним процессом, а гравитационные волны имеют подсеточный масштаб, и для их учета используются параметризации. Результатом анализа механизмов возникновения КДК должно быть формулирование необходимых и достаточных условий, которым должны удовлетворять модели

ОЦА для воспроизведения этого явления. Решению данной задачи посвящена первая глава 5 работы, которая рассматривает процесс возникновения колебаний зонального ветра на основе простых малопараметрических моделей.

Идеальный вариант глобальной модели ОЦА должен отражать взаимодействие всего спектра экваториальных волн с зональным ветром в стратосфере. Как уже отмечалось выше, основной целью данной работы является построение модели ОЦА, воспроизводящей реалистичные КДК зонального ветра в экваториальной стратосфере. Для решения этой проблемы за основу взята разработанная в ИВМ РАН модель, включающая тропосферу, стратосферу и мезосферу, с пространственным горизонтальным разрешением 2°х2.5° и достаточно грубым вертикальным разрешением в 39 уровней. Данная модель при стандартных параметрах не воспроизводит КДК в экваториальной стратосфере, давая отрицательный сдвиг зональной скорости в нижней стратосфере, однако она воспроизводит ПГК в верхней стратосфере и мезосфере на экваторе. Принимая во внимание, что обозначенные ранее два механизма возбуждения КДК естественным образом разделяются в глобальных моделях, возникает задача оценки степени реализации того и другого механизма в модели ОЦА ИВМ РАН. Для этой цели использованы результаты исследования малопараметрических моделей.

Как отмечено выше, в силу одного из полученных в работе необходимых для реализации КДК условий, требовалось построение новой модели ОЦА с высоким вертикальным разрешением в стратосфере. Для решения этой задачи была разработана новая версия модели ОЦА ИВМ РАН 2°х2.5°х80. За ее основу взята старая версия, для{ которой была модифицирована вертикальная сетка: количество уровней повышено до 80, а шаг сетки в стратосфере был взят примерно 0.5 км. Данная модификация произведена не только экваториальной зоны, но и для всей атмосферы. Задаче воспроизведение КДК в модели ОЦА ИВМ РАН посвящена вторая глава работы.

При положительном разрешении проблемы воспроизведения КДК возникает множество практических вопросов о степени реалистичности данного цикла, его влиянии па другие процессы в атмосфере в целом, о чувствительности характеристик колебаний к различным вариациям параметров. Подобные проблемы особенно актуальны для развития моделей ОЦА.

1 Среди основных проблем при исследования формирования КДК наиболее существенной является проблема формирования периода колебаний, его устойчивости и его связи с полугодовой и годовой гармониками.

Как отмечено выше, величина периода КДК носит достаточно стохастический характер. В некоторых работах [Гледзер, Обухов, 1982; Груздев, Безверхний, 1999; Pascoe et al., 2005,

Fischer, Tung, 2008] отмечается, что при вариации периодов предпочтительные периоды КДК по данным анализа наблюдений на отдельных высотах близки к 2 годам и 2.5 годам, в некоторых случаях даже к 3 годам (т.е. кратны полугоду). В работе [Гледзер, Обухов, 1982] для 6 i I объяснения этого явления, как и всего феномена КДК, была предложена идея параметрического резонанса, однако для этого необходимо уже иметь колебательную систему с двухлетним периодом колебаний. В некоторых работах указывается, что смена происходит также с периодичностью порядка 5 лет [Mayr et al., 2006] или 10 лет [Груздев, Безверхний, 1999; Pascoe et al., 2005; Шефов, Семенов, 2006]. В этих и других работах, касающихся солнечно-земной физики, говорится о прямой связи 11-ти летнего солнечного цикла и КДК зонального ветра, при этом предлагается идея, что оба эти феномена являются частью более сложного реального физического механизма. С другой стороны в других работах [Dunkerton, 1997; Baldwin et al., 2001] не говорится о предпочтительных периодах КДК, однако выделяется некоторое возможное взаимодействие КДК с сезонным циклом на экваторе, при этом указывается, что это скорее статистическая тенденция, чем строгая синхронизация. Механизм дискретной изменчивости периода КДК по данным наблюдений является темой современных дискуссий [Salby, Callaghan, 2000; Soukharev, Hood, 2001; Hamilton, 2002; Pascoe et al., 2005; Fischer, Tung, 2008].

Помимо отмеченного выше основополагающего механизма нелинейного взаимодействия экваториальных волн разных масштабов с зональным потоком, существенный вклад в формирование КДК могут вносить ПГК, которые, начиная с верхних слоев стратосферы, распространены в экваториальной мезосфере, а также сезонный цикл, присутствующий в цикле зональной скорости на экваторе в основном в тропосфере и доминирующий в средних широтах [Dunkerton, 1997]. Механизмы формирования ПГК подробно не рассматривались, однако на основе модели ОЦА можно проследить взаимосвязь взаимодействия экваториальных волн со средним течением и этого процесса. Стоит отметить, что возбуждение ПГК в верхней стратосфере до сих пор мало изучено. Уже в первых работах по теории КДК [Holton, Lindzen, 1972; Gray 1989] высказана гипотеза о некоторой синхронизации КДК и ПГК при смене режимов ветра, однако в работе [Holton, Lindzen, 1972] на основе малопараметрической модели показано, что наличие ПГК не критично для величины периода. Подробно эта проблема рассмотрена в работе [Kuai et al., 2009], в которой показана синхронность начала западных фаз КДК и ПГК в верхней стратосфере на основе данных наблюдений и моделирования. Как следствие, высказана идея о соответствии отдельных периодов КДК кратному числу периодов ПГК на всех высотах, т.е. о решающей роли ПГК в формировании периода КДК.

Таким образом, исходя из представленного выше обзора видно, что на данный момент не существует единого мнения по поводу основных причин окончательного формирования периода КДК, при этом существует ряд противоречащих друг другу гипотез. Проблема формирования периода КДК и его зависимости от ключевых параметров в малопараметрических моделях затрагивается в первой главе работы. Также рассматривается 7 проблема структурной устойчивости КДК как предельного цикла системы. Третья глава работы посвящена подробному исследованию формирования основных характеристик КДК на основе данных наблюдений и данных численного моделирования, как с малопараметрическими моделями, так и с моделями ОЦА. Основная проблема, рассматриваемая в этой части работы -проблема синхронизации КДК и ПГК и, как следствие, концепция единой системы циркуляции экваториальной стратосферы.

В результате исследования, проведенного в этой работе, должна быть получена новая модель ОЦА, воспроизводящая КДК в экваториальной стратосфере. Также должны быть подробно изучены физические механизмы возникновения КДК и выработаны условия их реализации в моделях, должны быть получены результаты исследования роли КДК в циркуляции экваториальной стратосферы.

Как показано выше, все поставленные во введении задачи являются новыми и значимыми для современного моделирования климата. В исследовании были взяты в качестве базы малопараметрическая модель КДК на основе механизма поглощения длинных волн, параметризация процесса обрушения гравитационных волн в верхней атмосфере, а также модель ОЦА ИВМ РАН с грубым пространственным разрешением. Остановимся подробнее на содержании работы. Как отмечено выше, работа содержит 3 главы.

Первая глава посвящена моделированию КДК на основе малопараметрических моделей и содержит 5 разделов. В первом разделе рассматривается модель механизма формирования КДК на основе взаимодействия длинных волн со средним течением. Во втором разделе на основе этой модели проводятся аналитическое и численное исследование ключевых процессов в формировании КДК и структурной устойчивости КДК как предельного цикла. В третьем разделе рассматривается модель механизма формирования КДК на основе параметризации обрушения гравитационных волн. В четвертом разделе рассматривается совместная модель двух механизмов. В заключении главы в пятом разделе проводится краткое обсуждение ее результатов. Основные результаты этой главы представлены подробно в публикациях [Кулямин и др., 2008; Кулямин, Дымников, 2009], а также частично в [Кулями, Дыников, 2010, Вутшкоу, Ки1уатт, 2010].

Вторая глава посвящена моделированию КДК на основе моделей ОЦА, разрабатываемых в ИВМ РАН, и также содержит 5 разделов. Первый раздел посвящен описанию новой версии модели ИВМ РАН и сравнению ее климатических характеристик с наблюдениями. Во втором разделе рассматривается воспроизведение зонального ветра на экваторе в разных версиях моделей ОЦА ИВМ РАН. Третий раздел посвящен спектральному анализу волновой активности на экваторе в моделях ОЦА ИВМ РАН в контексте механизмов формирования КДК от волн разных масштабов. В четвертом разделе подробно рассмотрено воспроизведение КДК в новой версии модели ОЦА ИВМ РАН. В пятом разделе приводится обсуждение результатов второй главы. Основные результаты этой главы представлены подробно в публикации [Кулямин и др., 2009].

В третьей главе подробно рассматриваются проблема синхронизации КДК с внешними процессами и вопросы формирования и устойчивости основных характеристик КДК, как по данным наблюдений, так и по данным моделирования. Проводится подробный анализ спектральных характеристик КДК и возможной синхронизации с ПГК или годовым циклом, рассматривается роль КДК в циркуляции экваториальной стратосферы. Глава содержит три раздела. В первом проводится исследование формирования характеристик КДК и проблема синхронизации на основе малопараметрических моделей. Во втором разделе рассматриваются проблемы процессов формирования характеристик КДК и синхронизации по данным моделирования с помощью моделей ОЦА и по данным реанализов наблюдений. В третьем разделе обсуждаются основные результаты третьей главы. Основные результаты этой главы рассмотрены в публикациях [Кулямин, Дымников, 2010; Эутшкоу, Ки1уашт, 2010].

В заключении работы кратко приводятся ее основные результаты.

Заключение Диссертация по теме "Физика атмосферы и гидросферы", Кулямин, Дмитрий Вячеславович

3.3 Выводы.

Исследование проблемы формирования характеристик КДК привело к следующим результатам.

1. Простые аналитические оценки и численные эксперименты с малопараметрическими моделями показывают наличие сильной синхронизации в верхних слоях в области перехода между КДК и ПГК и слабой синхронизации в нижних слоях области распространения КДК (синхронизация фаз и возможное локальное смещение периодов в стороны ближайших кратных ПГК). Результаты исследования процессов синхронизации и изменчивости периода КДК с помощью аналитических оценок и численного моделирования на основе малопараметрических моделей в целом согласуется с результатами первой главы работы: собственный период КДК определяется длинными планетарными волнами и формируется в нижних слоях стратосферы, однако в верхних слоях важным становится процесс обрушения гравитационных волн. Оба механизма показывают возможность синхронизации, с ПГК или годовым циклам в верхних слоях, при этом в этом процессе роль коротких волн представляется более значимой.

2. Модель ОЦА ИВМ РАН в целом удовлетворительно воспроизводит основные спектральные характеристики КДК и ПГК и особенности изменчивости периода КДК, наблюдаемые по данным реанализов ЫСЕР/ЫСАЯ и Е11А40. Сравнение характеристик КДК по данным этих реанализов показывает близкие спектры зональной скорости в экваториальной атмосфере и сходные гистограммы.

3. Анализ данных наблюдений и моделирования показывает, что определенная синхронизация КДК и ПГК (а возможно и годового цикла) имеет место. Спектральный анализ и гистограммы показывают, что в данных наблюдений и моделирования процесс синхронизации к кратным периодам ПГК идентифицируется в области перехода между КДК и ПГК. Для всех рассматриваемых высот синхронизация КДК с кратными ПГК идентифицируется по разностям западных максимумов, как по данным наблюдений, так и по данным численного моделирования. Аналогичная синхронизация имеет место и по разнице переходов через ноль от западной к восточной фазе КДК только по данным наблюдений. При расчете периода другими способами синхронизация КДК и ПГК в распределении периодов в средней и нижней стратосфере слабо выражена.

Отметим, что параметризация коротких гравитационных волн в модели ОЦА ИВМ РАН важна для воспроизведения как КДК, так и ПГК. В численном эксперименте при отсутствии

120 гравитационно-волнового сопротивления в экваториальной динамике сохраняется лишь слабый годовой цикл в верхних слоях атмосферы.

4. На основе численных экспериментов с моделью ОЦА ИВМ РАН исследована чувствительность характеристик КДК к величине вертикальной диффузии. Результаты этих экспериментов показывают удовлетворительное согласие с оценками, полученными для малопараметрических моделей. Результаты численного моделирования и данных наблюдений показывают взаимною модуляцию КДК и ПГК, при этом ПГК модулирует КДК по фазе, а КДК модулирует ПГК по амплитуде.

Таким образом, основываясь на полученных результатах, можно предположить, что формирование КДК от разных типов волн вместе с ПГК и годовым циклом можно рассматривать как единую систему колебаний в циркуляции экваториальной верхней атмосферы.

Заключение

В заключение кратко сформулируем основные результаты работы.

1. С помощью малопараметрических моделей, описывающих взаимодействие планетарных волн и коротких гравитационных волн со средним потоком, исследованы необходимые условия, которым должны удовлетворять модели общей циркуляции атмосферы, чтобы они успешно воспроизводили квазидвухлетние колебания (КДК) атмосферной циркуляции. Показано, что каждый тип волн при определенных параметрах способен формировать колебания зональной скорости, близкие к наблюдаемым КДК. Исследованы зависимости периода возникающих колебаний от основных параметров, характеризующих механизмы взаимодействия волн со средним потоком. Выделен процесс вертикальной диффузии как ключевой в формировании основных характеристик КДК и их устойчивости. На основе малопараметрической модели совместного действия описанных выше механизмов формирования КДК показано, что ключевую роль в становлении периода КДК и амплитуды в нижних слоях играют планетарные волны, в то же время короткие гравитационные волны переносят энергию и определяют характеристики КДК в верхних слоях.

2. Построена новая современная версия модели общей циркуляции атмосферы ИВМ РАН с высоким пространственным разрешением (2° по широте, 2.5° по долготе, 80 уровней по вертикальной координате). Проведены численные эксперименты по воспроизведению данной моделью современного климата. Показано, что модель удовлетворительно воспроизводит основные климатические характеристики атмосферы - распределения полей ветра, температуры, давления, осадков, уровня волновой активности в средних широтах и экваториальной зоне и др. Показано, что в построенной модели общей циркуляции выполняются условия реализации обоих исследуемых механизмов КДК, волновая активность на экваторе близка к наблюдаемой и модель успешно воспроизводит КДК и полугодовые колебания (ПГК) с характеристиками, близкими к наблюдаемым.

3. С помощью аналитических оценок и численных экспериментов с малопараметрическими моделями показана возможная синхронизация КДК и ПГК в переходной области между ними. Показано, что механизм обрушения гравитационных волн может являться важным связующим звеном в явлениях синхронизации. На основе анализа данных наблюдений и моделирования с помощью модели общей циркуляции показано, что определенная синхронизация КДК и ПГК имеет место.

Также имеет место взаимная модуляция КДК и ПГК. Результаты численных экспериментов с моделями общей циркуляции ИВМ РАН и малопараметрическими

122 моделями показывают, что процесс формирования характеристик КДК наиболее чувствителен к параметру вертикальной диффузии, при определенных соотношениях параметров возможны бифуркации. Сделан вывод о том, что циркуляцию экваториальной верхней атмосферы следует рассматривать как единую систему колебаний КДК и ПГК, параметры которой определяются взаимодействием волн разных масштабов со средним потоком, а также процессом вертикальной диссипации и годовым циклом.

Благодарности

Автор благодарит научного руководителя академика Дымникова В.П. за всестороннюю помощь и содействие в выполнении работы, д.ф.-м.н. Володина Е.М. за помощью в работе с моделями ОЦА ИВМ РАН, чл.-корр. РАН Лыкосова В.Н. за рецензию и ценные замечания к работе, администрацию МФТИ и ИВМ РАН за предоставленную возможность использования кластеров МФТИ-60 и ИВМ для расчетов с моделями ОЦА, а также выпускника МФТИ Ермакова С.А. за предоставленные результаты спектрального анализа волновой активности. Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, гранты № 08-05-00485-а, № 07-05-12033-офи, поддержке гранта № 3684 программы «Научный потенциал высшей школы».

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Кулямин, Дмитрий Вячеславович, Москва

1. Галин В.Я. Параметризация радиационных процессов в атмосферной модели ИВМ // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 1998. Т. 34. № 3. С. 380-389.

2. Гледзер Е. Б., Обухов А. М. Квазидвухлетняя цикличность как параметрическое явление в климатической системе // Изв. АН. Физика атмосферы и океана. 1982. Т. 18. №11. С. 1154-1158.

3. Груздев А. Н., Безверхний В. А. Многолетние вариации квазидвухлетней цикличности экваториального стратосферного ветра // Известия АН. Физика атмосферы и океана. 1999. Т. 35. № 6. С. 773-785.

4. Кулямин Д.В., Володин Е.М., Дымников В.П. Моделирование квазидвухлетних колебаний зонального ветра в экваториальной стратосфере. Часть I. Малопараметрические модели // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2008. Т. 44. № 1. С. 5-20.

5. Кулямин Д.В., Володин Е.М., Дымников В.П. Моделирование квазидвухлетних колебаний зонального ветра в экваториальной стратосфере. Часть II. Модели общей циркуляции атмосферы // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2009. Т. 45. № 1. С. 43-61.

6. Кулямин Д. В., Дымников В. П. Моделирование квази двух летних колебаний зонального ветра в экваториальной стратосфере. // Труды МФТИ. 2009. Т. 1. № 1. С. 65-71.

7. Кулямин Д.В., Дымников В.П. Спектральные характеристики квазидвухлетних колебаний экваториального стратосферного ветра и проблема синхронизации. // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2010. Т. 46. № 4. С. 1-19.

8. Шефов H. Н., Семенов А. И. Спектральный состав циклических апериодических (квазидвухлетних) вариаций солнечной активности и земной атмосферы // Геомагнетизм и аэрономия. 2006. Т. 46. № 4. С. 435-441.

9. Baldwin M. P., Gray L. J. Tropical stratospheric zonal winds in ECMWF ERA-40 reanalysis, rocketsonde data, and rawinsonde data // Geophy. Res. Lett. 2005. V. 32. № L09806. Doi: 10.1029/2004GL022328.

10. Baldwin M.P. el al The Quasi-Biennial Oscillation // Rev. Geophysics., 2001, V. 39, P. 179-229.

11. Baldwin, M. P., Dunkerton T. J. Quasi-biennial modulations of the Southern Hemisphere stratospheric polar vortex // Geophysics. Res. Lett. 1998. V. 25. № 17. P. 3343-3346.

12. Betts A. K. A new convective adjustment scheme. Part 1. Observational and theoretical basis // Quart. J. Roy. Met. Soc. 1986. V. 112. №473. P. 677-691.

13. Dunkerton T. J. Annual variation of deseasonalized mean flow acceleration in the equatorial lower stratosphere // J. Meteor. Soc. Japan. 1990. V. 68. № 4. P. 499-508.

14. Dunkerton T. J., Baldwin M. P. Quasi-biennial modulation of planetary-wave fluxes in the Northern Hemisphere winter // J. Atmos. Sci. 1991. V. 48. № 8. P. 1043-1061.

15. Dunkerton, T. J., The role of gravity waves in the quasibiennial oscillation, J. Geophysics. Res. 1997. V. 102. P. 26053-26076.

16. Dymnikov V.P., Kulyamin D. V. Structural stability of quasi-biennial oscillations of zonal wind in the equatorial stratosphere. // Rus. J. Numer. Anal, and Math. Modelling. 2010. V.25. № 3. P. 235-251

17. Fischer P., Tung K. K. A reexamination of the QBO period modulation by the solar cycle // J. Geophys. Res.-Atmos. 2008. V. 113. № D07114. Doi:10.1029/2007JD008983.

18. Giorgetla M.A. et al. Climatology and forcing of the quasi-biennial oscillation in the MAECHAM5 model//J. Climate. 2006. V. 19. № 16. P. 3882-3901.

19. Gray L. J., Pyle J. A. A Two-Dimensional Model of the Quasi-Biennial Oscillation of Ozone // J. Atmos. Sci. 1989. V. 46. № 2. P. 203-220.

20. Gray W. M., Sheaffer J. D., Knaff J. A. Influence of the stratospheric QBO on ENSO variability // J. Meteorology. Soc. Japan. 1992. V.70. № 5. P. 975-995.

21. Hamilton K. On the quasi-decadal modulation of the stratospheric QBO period // J. Climate. 2002. V. 15. № 17. P. 2562-2565.

22. Mines C.O. Doppler spread parameterization of gravity wave momentum deposition in the middle atmosphere. Part 1, Basic formulation // J. Atm. Terr. Phys. 1997. V. 59. № 4. P. 371-386.

23. Hines C.O. Doppler-spread parameterization of gravity wave momentum deposition in the middle atmosphere. Part 2, Broad and quasi-monochromatic spectra, and implementation // J. Atm. Terr. Phys. 1997. V. 59. № 4. P. 387^400.

24. Holton J.R. Tan H.C. The influence of the equatorial Quasi-Biennial Oscillation on the global atmospheric circulation at 50mb // J. Atmos. Sci. 1980. V. 37. № 10. P. 2200-2208.

25. Holton, J. R., 1975: The dynamic meteorology of the stratosphere and mesosphere. Meteor. Monographs. Vol. 15. American Meteorological Society. Boston. 218 pp.

26. Holton, J. R., Lindzen R. S. An updated theory for the quasi-biennial cycle of the tropical stratosphere // J. Atmos. Sci. 1972. V. 29. № 6. P. 1076-1080.

27. Jones, D. B. A., Schneider H. R., McElroy M. B. Effects of the quasi-biennial oscillation on the zonally averaged transport of tracers // J. Geophysics. Res. 1998. V. 103. № D10. P. 11235-11249.

28. Kistler R. et al. The NCEP/NCAR 50-Year Reanalysis: Monthly Means CD-ROM and Documentation // Bull. Am. Meteorol. 2001. Soc. V. 82. № 2. P. 247-266.

29. KnaffJ. A. Evidence of a stratospheric QBO modulation of tropical convection // Dep. of Atmos. Sci., Colo. State Univ. Fort Collins. 1993. Pap. № 520. 91 P.

30. Kuai L., Shia R.L., Jiang X., Tung K.K., Yung Y.L. Nonstationary Synchronization of Equatorial QBO with SAO in Observations and a Model // J. Atmos. Sci. 2009. V. 66. № 6. P. 1654-1664.

31. Mayr H. G., Mengel J. G., Wolff C. L., Porter H. S. QBO as potential amplifier of solar cycle influence // Geophys. Res. Lett. 2006. V. 33. № L05812. Doi:10.1029/2005GL025650.

32. Pascoe C. L. et al. The quasi-biennial oscillation: Analysis using ERA-40 data // J. Geophys. Res. 2005. V. 110. № D08105. Doi:10.1029/2004JD004941.

33. Pawson S., Fiorino M. A comparison of reanalyses in the tropical stratosphere. Part 2: the quasi-biennial oscillation // Climate Dynamics. 1998. V. 14. № 9. P. 645-658.

34. Plumb R.A. The Interaction of two internal waves with the mean flow: implications for the theory of the quasi-biennial oscillation // Journal of Atmospheric Sciences. 1977. V. 34. № 12. P. 1847-1858.

35. Randel W. J., Cobb J. B. Coherent variations of monthly mean column ozone and lower stratospheric temperature // J. Geophysics. Res. 1994. V. 99. № D3. P. 5433-5447.

36. Salby M, Callaghan P. Connection between the solar cycle and the QBO: The missing link // J. Climate. 2000. V. 13. № 4. P. 2652-2662.

37. Sassi F., Garcia R. R. The role of equatorial waves forced by convection in the tropical semiannual oscillation // J. Geophys. Res. 1997. V. 54. № 15. P. 1925-1942.

38. Scaife A. A. et al. Realistic quasi-biennial oscillations in a simulation of the global climate // Geophysical Research Letters. 2000. V. 27. № 21. P. 3481-3484

39. Soukharev B. E., Hood L. L. Possible solar modulation of the equatorial quasibiennial oscillation: Additional statistical evidence // J. Geophys. Res. 2001. V. 106. № D14. P. 14855-14868.

40. Tsay, C. Y. Analysis of Large-Scale Wave Disturbances in the Tropics Simulated by an NCAR Global Circulation Model // J. Atmos. Sci. 1974. V. 31. № 2. P. 330-339.

41. Uppala, S. M. et al. The ERA-40 re-analysis // Quart. J. Roy. Meteor. Soc. 2005. V. 131. No. 612. P. 2961-3012.

42. Volodin E.M., Schmitz G. A troposphere-stratosphere-mesosphere general circulation model with parameterization of gravity waves: climatology and sensitivity studies // Tellus. 2001. V. 53a. P. 300316.