Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Суточный цикл в тепловом и механическом взаимодействии контактных слоев океана и атмосферы

ВАК РФ 11.00.08, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Суточный цикл в тепловом и механическом взаимодействии контактных слоев океана и атмосферы"

КОМИТЕТ ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ И МОНИТОРИНГУ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ МИНИСТЕРСТВА ЭКОЛОГИИ И ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ -ОКЕАНОГРАФИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

ЗАВЬЯЛОВ Петр Олегович

СУТОЧНЫЙ ЦИКЛ В ТЕПЛОВОМ и МЕХАНИЧЕСКОМ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ КОНТАКТНЫХ СЛОЕВ ОКЕАНА И АТМОСФЕРЫ.

Специальность — 11.00.08 (Океанология)

Автореферат диссертации на соискание.ученой степени кандидата фиоико-математических наук

Москва 1992г.

Работа выполнена в Государственном океанографическом

институте •

Научный руководитель:

кандидат фиа. мат. наук, ведущий научный сотрудник А.Е.Рождественский

Официальные оппоненты:

доктор фиу.-мат. наук И.Д.Лоаовацкий, кандидат географии, наук Р.М.Вильфанд

Ведущая организация:

Московский Государственный Университет им. Ломоносова, фиоический факультет

Защита диссертации состоится " " ¿/^ 1992г.

в час. на оаседании Специалиоированного совета К.024.02.01.

в Государственном океанографическом институте по адресу: 119034, Москва, Кропоткинский пер., 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного океанографического института.

Автореферат разослан " 14-" 1992г.

Ученый секретарь Специалиоированного совета, кандидат фио.-мат. наук

Актуальность темы

Одной из важнейших задач физики океана является исследование механизмов взаимодействия верхнего слоя океана с атмосферой. Важность этого круга проблем обусловлена потребностями прогноза погоды и климата, морского флота и многими другими практическими задачами.

Процессы суточной периодичности во взаимодействии пограничных слоев океана и атмосферы связаны по своему происхождению с вращением Земли и соответствующими периодическими изменениями солнечной радиации и других тепловых потоков. Существует выраженный суточный ход температуры воды и воздуха, толщины верхнего перемешанного слоя океана, коэффициентов обмена и параметров турбулентности в обеих средах, а также влажности воздуха, скорости течений и других величин. Для суточного цикла характерны также регулярные периодические колебания уровня океана и атмосферного давления (морские и "атмосферные" приливы). Взаимодействие двух последних друг с другом приводит к появлению регулярного обмена механической энергией между дв„ ля средами. В прибрежных областях важную рпь играют ветрь обладающие суточной периодичностью — бр. зы. Все эти процессы неукоснительно повторяются каждые сутки, хотя их не всегда легко различить на фоне непериодических явлений или процессов более длинной периодичности. Для них характерны глобальные пространственные масштабы. Таким образом, явления суточной периодичности занимают видное место среди циклических процессов взаимодействия океана и атмосферы.

Вместе с тем физические механизмы суточного цикла во взаимодействии пограничных слоев изучены относительно слабо. Этой теме посвящено значительно меньшее число работ, чем,

например, сезонному циклу. Теоретические работы немногочисленны и, оа редким исключением (Колесников А.Г., Пивоваров A.A., 1955, Пивоваров A.A., Протасов С.Н., 1975 и некоторые другие) описывают лишь одну из двух сред, а по оба иогранслоя н их взаимодействии. Экспериментальных исследований опубликовано больше. Однако целевые измерения проводились скорее эпизодически и лишь в отдельных районах океана, преимущественно летом. К сожалению, в настоящее время

\

трудно говорить о наличии полной и систематической экспериментальной информации о суточном ходе гидрофизических и метеорологических параметров в контактных слоях атмосферы и океана.

Временные масштабы порядка суток являются "подсеточны-ми" для большинства существующих прогностических моделей взаимодействия. Основные энергопотоки межд океаном и атмосферой, влияющие на формирование климата и погоды, традиционно связываются с более длительными масштабами времени. В последние годы, однако, стало ясно, что тахие представления справедливы лишь отчасти.

Недавние результаты (Страмма, Корниллон и др. (Straxn-ша L.P., Corniüon H.A. et а1.), 1986, Тафт и МнкФяден (Taft В.А., McPhaden M.J.), 1988, Имавакн и др. (Imawaki S. et al.), 1988, Лукас (Lukas R.), 1988,1989,1991) говорят о том, что пренебрежение внутрисут» чной динамикой гидрофизических параметров может приводить к крайне существенным ошибкам в расчетах, даже если последние рассматривают намного более длинные временные масштабы. Аналогично, в ряде работ, посвященных приземному слою воздуха (например, Каана-чеева В.Д., 1978,1980,1982) показано, что "используемое большинством справочных материалов по аэроклиматологии предпо-

поженив об отсутствии суточного хода метеоэлементов в приземном слое недопустимо". Поэтому включение суточных и под-суточных масштабов в модели взаимодействия и поучение физики суточного цикла признаны сегодня одной из приоритетных задач.

Целевые исследования в этой области были включены в ряд крупнейших национальных и международных исследовательских программ, таких как TOGA, EPOCS и другие. В обзоре резугь-татов программы TOGA (Intern. TOGA Sei. Conf. Ртос., Honolulu, 1990) отмечается, что "суточный цикл может оказаться ключевым для понимания механизмов сезонного и более дшшнопериодного теплового баланса" В измерениях в рамках программы WEPOCS (Лукас (Lukas R.) 1989,1991) зарегистрированы высокие амплитуды суточного хода температуры поверхности океана, сравнимые с сезонной и межгодовой изменчивостью.

В перечисленных работах делается вывод о том, что суточный цикл температуры влияет на формирование ее средних, более медленно меняющихся значений и ставится вопрос о параметризации и определяющих факторах температурного рёжима и ¡энергообмена в погранслоях в суточном цикле.

Исследованию этого крута проблем и посвящена предлагаемая диссертационная работа.

Цели работы

состоят в 1) развитии на основе уже существующих усовершенствованной совместной математической модели суточного цикла температуры в контактных слоях океана и атмосферы; 2) теоретическом исследовании на базе модели некоторых представляющих интерес вопросов физики теплового взаимодействия оке-

ана и атмосферы в суточном цикле; 3) количественной оценке поправок, вносимых регулярным суточным ходом гидрофизических параметров в расчет тепловых потоков в приповерхностном слое океана и 4) в расчете при помощи опубликованных экспериментальных данных регулярного механического онергообмена между океаном и атмосферой ¡за счет суточного приливного взаимодействия.

Научная новиэна

Все результаты работы, выносимые на защиту (см. "Заключение"), являются новыми. В частности, впервые получено аналитическое решение для суточного хода температуры воздуха при наличии в -Воздухе распределенного источника тепла общего вида, впервые теоретически выведена эмпирическая формула Jly-laca (Lukas R., 1991), связывающая суточный ход температуры океана и облачность. Новым, в известном смысле, является и сам подход, связанный с представлениями о существенной роли суточного цикла в процессах энергопереноса в системе океан-атмосфера.

Практическая значимость

результатов определяется рядом полученных теоретических выводов о физических механизмах суточного цикла, а также выполненными количественными оценками вклада суточного цикла в энергопотоки в системе контактных слоев. Эти результаты найдут свое применение в области моделирования взаимодействия океана и атмосферы и практических расчетов энергообмена между ними, как одного из главных факторов, формирующих погоду и климат.

Работа выполнена в рамках темы плана НИР и ОКР Роском-гидромета на 1989-1992 гг. - "Исследование взаимодействия океана и атмосферы с целью выявления климато- погодообракующих факторов для долгосрочных прогнозов погоды".

Фактический материал

Предлагаемая диссертационная работа имеет скорее теоретический характер. Однако для апробации модели, Численных оценок и проверки ряда положений и выводов используется довольно обширный опубликованный экспериментальный материал, опубликованный в печати.

Мы используем данные о суточном ходе гидрофизических параметров, собранные американскими нис " Wecoma","Thompson" и "Moana Wave", а также на 10 заякоренных станциях в рамках программ EPOCS и TROPIC HEAT в 1983 - 1985 годах в районе (0, 110 — 165°з.д.). Судами "Wecoma" и "Thompson" выполнены несколько тайм-серий средней длительностью 12 суток. Профили температуры в интервале глубин 0 - 100м. фиксировались 5 - 10 раз в час. Используются также часовые измерения температуры воздуха на высоте палубы, выполненные нис "Моапа Wave" в указанном районе в июне - июле 1988г. Длительность отой серии составила 36 суток.

Также были использованы известные данные наблюдений за суточным ходом температуры воды, собранные нис "Московский Университет" в Черном море в ходе четырех экспедиций в 1965 и 1966 годах на девяти суточных станциях общей продолжительностью 256 часов при непрерывной регистрации температуры.

В отдельных параграфах работы использованы, кроме названных, и некоторые другие данные. Так, в параграфе 3.4 используются результаты измерений индийского нис "Sagar Ка-

пуа" в экваториальной части Индийского океана (22-31 августа 1991 г., экватор, 52 — 67Автор принимал участие в этом рейсе в рамках Межправительственной программы советско -индийского научного сотрудничества. Температура воды намерялась в течение трех отдельных суток на 23 блшко распопа женных станциях в верхнем 50-метровом слое, через каждые 5 метров глубины.

Наконец, для расчета приливного механического взаимодействия океана и атмосферы в суточном цикле были выбраны климатические стандартные данные о параметрах океанского и "атмосферного" приливов по всей акватории мирового океана (Атлас океанов, падание ГУНИО МО СССР, 1977), приведенные нами к сетке с шахом 10° по широте и долготе.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на 4-ой научно-технической конференции "Вклад молодых ученых и специалистов в решение современных проблем океанологии и гидробиологии" (МГИ, Севастополь, 1989); на 28-ой конференции молодых ученых Гидрометцентра (ГМЦ, Москва, 1990); на семинарах в Тихоокеанском Океанологическом институте (Владивосток, 1991), Национальном институте океанографии (National Institute of Oceanography) (Гоа, Индия, 1991), Государственном Океанографическом институте (Москва, 1986-1992).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 6 работ ([1-6])-

Структура п об'ем диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения а списка литературы. Об'ем работы - 97 страниц (текст распечатан на компьютере с помощью издательского редактора lAgX, причем параметры форматирования подобраны таким образом, чтобы были соблюдены стандартные требования к формату машинописного текста), она содержит 21 рисунок и 3 таблицы. Библиография насчитывает 108 наименований.

Содержание работы Во Введении обсуждается актуальность выбранной темы задачи, кратко описывается структура и содержание диссертации.

Птава! посвящена истории вопроса, начиная с одного из первых обращений к теме (Рыкачов, 1893) и вплоть до публикаций текущего года. Дан подробный литературный обзор экспериментальных и теоретических исследований, включающий около сотни работ. Обсуждены различные подходы к постановке задачи.

В Главе 2 мы формулируем совместную математическую модель температурного режима пограничных слоев океана и ат- о-сферы в суточном цикле, основанную, по существу, на модифик ции и дальнейшем развитии известной модели А.А.Пивоваропа и С.Н.Протасова, 1969,1975. Модель одномерна,проста и отличается довольно высокой степенью идеализации. Однако с её помощью удаётся количественно описать суточный ход температуры в пограничных слоях и его вертикальное распределение в хорошем согласии с натурными данными.

Параграф 2.1 посвящен формулировке и решению основны.. уравнений. Рассматривается система уравнений турбулентного

ю.

теплопереноса в контактных слоях:

д(Г{ = дМ*ПЪ + ' = 1,2 (1)

г} е Ь- время, Т - температура, 2 вертикальная координата, к(г)~ коэффициенты турбулентной теплопроводности, р и с- плотность и теплоемкость соответственно, (¿(г, £) функция источников тепла. Индексом 1 помечаются величины, относящиеся к атмосфере, индексом 2 - к океану. Под дг>1 понимается дифференцирование по г или по времени.

В качестве граничных условий к этим уравнениям используются: условие равенства температур на границе раздела двух сред, баланс всех тепловых потоков на границе раздела, условие убывания турбулентных потоков тепла при удалении от поверхности. Считается заданной постоянной температура воды на глубине, где уже не ощущается суточный ход.

Одним из важных отличий предлагаемой формулировки модели от существующих является то, что в приводном слое воздуха выписывается неоднородное уравнение, содержащее функцию источников тепла. При некоторых упрощающих предположениях мы получим приближенное аналитическое решение задачи для общего вида

Роль поля источников тепла (32(2, играет солнечная радиация, поглощаемая в толще верхнего слоя океана. Для описания вертикального распределения этого поглощения мы, следуя многим авторам, условно разбиваем спектр солнечной радиации на маленькие интервалы, каждом- приписывая некоторый удельный вес ]т в спектре и коэффициена поглощения /Зт. Таким образом, представляется в виде линейной комбинации нескольких экспонент, которая умножается на величину солнечной радиации, приходящей на поверхность океана.

Коэффициент теплообмена ку в нижнем слое воздуха считается линейно растущим с высотой, коэффициент постоянным по глубине в пределах слоя океана, в котором ощущается суточный ход температуры.

Наконец, вертикальный градиент влажности воздуха при z = О в выражении для потока скрытого тепла, входящего в граничные условия, считается пропорциональным градиенту потенциальной температуры, что и позволяет замкнуть систему (Пивоваров, Протасов, 1975). В этих предположениях получено приближенное аналитическое решение задачи о суточном ходе температуры и его вертикальном распределении в контактных слоях. Приведем его здесь.

оо .

Ti(z, t) = Ticpm{z) + Де £ VU*)e-twt, »' = 1,2 (2)

71=1

Уф) =

(D3n-¡m^¡^Hn(t)dt)Hn{z),

V2n(z) =

D4nexp(-^z) + Eamjl exp(-/3mz),

где Hn(x) = — функция Ханкеля первого ро-

да, нулевого порядка, Nn- п-ая гармоника в суточной вариации функции Qi(z, г), и- циклическая частота, соответствующая суточному периоду.

Мы получили выражения для входящих сюда констант Din, otmn (тут сохранены обозначения, принятые в тексте диссертационной работы). Здесь они не приводятся ввиду громоздкости.

Если источники тепла в атмосфере отсутствуют, то N(z, т) = 0 и получим:

Vln(z) = D,nHn(z) (3)

Написан и отлажен комплекс программ дня IHM I'C, численно реализующий полученные решения и выдающий нею необходимую информацию »удобном для пользователя виде.

Параграф 2.2 посвящен апробации модели на натурных данных.

Приведенная выше модель дает наилучшие результаты в применении к экваториальным и тропическим районам океана в летнее время, при умеренных ветре и волнении. Нужно отметить также, что полученные формулы описывают осредненный, "климатический" суточный ход и лишь с оговорками могут быть применены к конкретным, отдельно взятым суткам.

Для апробации модели мы выбрали два района: 1.Экваториальная часть Тихого океана, май - июль, и 2.Черное море, июнь - август-. Такой выбор объясняется наличием для этих районов наиболее качественной и полной экспериментальной информации. Черноморский район выбран в определенном смысле и в силу исторических причин —- ряд известных работ советских авторов, посвященных суточному циклу, используют данные измерений на Черном море.

Для обоих выбранных районов получено хорошее соответствие результатов расчетов и экспериментальных данных.

В заключительном Параграфе 2.3 второй главы исследуется зависимость модельных решений от важнейших входных параметров. Сделан ряд выводов, вытекающих уже из качественного анализа полученных решений. Построены графики, выражающие зависимость амплитуды и фазы суточного хода температуры воды и воздуха на различных горизонтах от величины коэффициентов обмена в обеих средах и других параметров.

В i лаве 3 полученные решения используются для выяснения некоторых частных вопросов физики суточного цикла.

В параграфе 3.1 рассматривается влияние облачности на суточный цикл температуры в ногранслоях. При этом мы используем известные соотношения, связывающие солнечную и длинноволновую радиацию при условиях заданной облачности с их значениями при безоблачном небе. Удается теоретически получить известную омпирическую формулу (Лукас (Lukas R., 1991)) описывающую зависимость амплитуды суточной вариации температуры поверхности от облачности.

Предложена формальная процедура расчета уменьшения амплитуды и смещения фазы, вносимых облачностью в установившийся з безоблачных условиях суточный ход температуры воды на различных глубинах.

В Параграфе 3.2 рассматривается суточный ход вертикаль-лого градиента потенциальной температуры воздуха в приводном слое н исследуются его свойства.

Вертикальный градиент температуры характеризует стратификацию и является одним из определяющих параметров теплового и динамического режима приводного слоя воздуха. Однако экспериментальной информации о суточном ходе градиента температуры воздуха в нижнем приводном слое, а тем более о вертикальном распределении этого суточного хода практически нет. Проводимые на научных судах измерения не обеспечивают, sas правило, нужного б этом случае разрешения ни по времени, ни по вертикали.

В этом параграфе, используя полученные выше формулы, мы получили параметризацию для суточного хода вертикального градиента потенциальной температуры в приводном слое создуха. Проделаны численные расчеты.

Замечено далее, что известный из наблюдений средний суточный ход количества конвективной облачности над тропическим океаном, летом, и рассчитанный нами для этих же условий суточный ход градиента потенциальной температуры воздуха довольно точно совпадают по фазе и относительной амплитуде. Показано, что в силу некоторых найденных специальных свойств функции dzTi(z,t) для физического обоснования замеченной аналогии требуются лишь довольно слабые априорные предположения. Именно, достаточно потребовать, чтобы функционал, связывающий интенсивность I конвекции в воздушном столбе и распределение градиента потенциальной температуры в нем dzTi(z,t), был линейным. Это предположение представляется естественным.

В Параграфе 3.3 рассмотрено влияние адвекции тепла ветром на суточный ход температуры воздуха. В Главе 2 нами получено общее решение задачи о суточном ходе температуры в приводном слое воздуха при наличии в этом слое поля источников тепла произвольного вида. В этом параграфе этот результат применяется к исследованию влияния адвекции тепла ветром в том наиболее интересном случае, когда скорость ветра сама по себе имеет регулярный суточный ход. В природе такая ситуация реализуется прежде всего в виде бриза в прибрежной зоне.

Были выполнены прямые численные расчеты двойного интеграла в формуле для Vin. Использован близкий к действительному модельный вертикальный профиль скорости ветра. Рассматривалась лишь главная суточная гармоника скорости ветра.

Хорошо известно, что для суточного хода температуры воздуха над сушей характерны амплитуды порядка нескольких градусов. Для воздуха же над открытым океаном они меньше приблизительно мере на порядок. Поэтому ясно, что над прибреж-

ними областями суши и океана должен происходить (и наблюдается п действительности) плавный переход от континентального к морскому типам суточного хода температуры воодуха.

Покаоано, что адвекция тепла бризом увеличивает амплитуду суточного хода температуры воодуха в несколько раз и, вероятно, именно этот механизм ответственен за этот переход.

В Параграфе 3.4 предлагается использующая полученные результаты реализация косвенного метода оценки коэффициента турбулентного теплообмена в море. Не будет большим преувеличением сказать, что определение коэффициента турбулентного теплообмена в море является одним из центральных вопросов в термике океана. Это ключ к расчету тепловых потоков в толще океана и теплового бюджета отдельных его слоев.

Вместе с тем прямые измерения коэффициента обмена связаны со значительными трудностями.

Идея oцqeнки коэффициентов обмена по наблюдениям за рас-простронекием вглубь океана суточной температурной волны не является новой. Впервые она высказана, по-видимому, В.Б.Штокмяпом, 1946 и реализуется рядом авторов. Качественно такие методы основаны на простой и естественной идее. Хорошо известно, что амплитуда суточных вариаций температуры падает с глубиной. Понятно также, что скорость этого убывания зависит, в основном, от величины коэффициента обмена: при интенсивном обмене поступившее в воду "суточное" количество солнечного тепла быстро разносится по всему перемешанному слою, поэтому суточное колебание температуры распределено по глубине почти равномерно, при слабом же обмене поглощенное тепло оказывается "запертым" в узком верхнем слое и амплитуда суточного хода температуры, высокая у поверхности, резко падает с глубиной. Таким образом, характер

хо.

зависимости амплитуды (и фазы) суточного температурного колебания является естественным "индикатором" интенсивности турбулентного теплообмена в верхнем слое, т.е. величины коэффициента теплопроводности.

Выше мы поставили и решили задачу расчета суточных колебаний температуры на любой глубине в верхнем слое океана, причем значение коэффициента теплопроводности считалось известным входным параметром модели. В этом параграфе рассматривается обратная задача: на основе формул, полученных во второй главе указан способ расчета величины коэффициента обмена исходя из наблюдений за суточным ходом температуры (как ясно из формулировки исходных уравнений, речь идет об осредненном по глубине приповерхностного слоя значении коэффициента).

Экспериментальная проверка этих результатов затруднена, так как требует одновременно данных наблюдения за суточным ходом температуры воды и независимой информации о значении коэффициента теплообмена. Для иллюстрации мы используем данные индийского нис "Sagar Капуа" (22-31 августа 1991г., экватор, 52-67в.д.) [б]. Значения коэффициента теплопроводности рассчитаны двумя способами: описанным методом и, независимо, из уравнения теплового баланса верхнего слоя. Результаты расчетов к2 этими двумя способами совпали с точностью не менее 30% причем при слабом ветре и волнении отмечено и гораздо лучшее совпадение.

В Главе 4 рассматриваются тепловые и механические энергопотоки между океаном и атмосферой в суточном цикле. Вследствие определенных фазовых сдвигов между суточным ходом различных параметров, интегральная за цикл колебания величина энергопотоков оказывается отлкчной от значения, которое

соответствовало бы фиксированным на среднесуточном уровне параметрам. Оценка связанных с этим поправок, имеющих смысл как бы дополнительных (по отношению к потокам, рассчитанным бео учета суточного цикла) энергопотоков, выполнена в четвертой главе. В работах Лаяло С.С, Рождественским А.Е.,1979, Гудев С.К., Лалпо С.С., Рождественский А.Е.,1985, Рождественская А.Е.,1989 применительно к сезонному циклу введен термин "колебательный энергообмен", под которым понимается та часть энергопереноса между океаном и атмосферой, которая обязана своим происхождением существованию периодических колебаний гидрофизических и метеорологических параметров. В этом смысле четвертая глава настоящей работы посвящена расчету суточного "колебательного энергообмена" .

В Параграфе 4.1 оцениваются соответствующие поправки к турбулентным тепловым потокам в толще верхнего слоя океана. Делается оценка суточного "колебательного" турбулентного теплопотока на глубине 1 м. в верхнем слое океана. Делается вывод о том, что эта поправка к среднесуточному тепловому балансу является весьма существенной. Расчеты выполнены для центральной части Тихого океана, поскольку для этого района имеются все необходимые экспериментальные данные о суточном ходе параметров (Готье и др. (Gautier et al.),1986, Имей-аахи и flp.(Imawald S. et al),1988, Маум и дp.(Mourn J.N. et al.),1989).

Мгновенное значение вертикального потока турбулентного тепла на глубяпе z в толще верхнего слоя океана задается формулой:

_ ôti, . Q = ^fc,—(г)

Это соотношение можно переписать в виде:

Q = с2Р2к^ + q«,

QW = с2рМЧ]

где и fc^ и сУть, соответственно, среднесуточные значения градиента температуры и коэффициента обмена и мгновенные отклонения от них. При этом первое слагаемое в уравнении для Q имеет смысл потока, рассчитанного по среднесуточным значениям параметров и рассматривается обычно как среднесуточное значение потока. Легко показать, однако, что оно отнюдь не является среднесуточным в строгом смысле слова. Это связано с тем, что за счет определенного фазового сдвига между суточным ходом £z(r) и k^ij) слагаемое Q^ не обращается в нуль при интегрировании за сутки. Мы оценили возникающую в связи с этим поправку. В среднем за сутки на глубине 1м. она оказалась равной 35В т/м2.

Данные о наблюдавшемся среднем суточном ходе коэффициента обмена взяты из работы Маум и др. (Mourn J.N. et а1.),1989 Основные выводы этого параграфа: суточный ход градиента температуры и коэффициента обмена приводит к появлению поправки к значению турбулентного теплового потока в толще верхнего слоя океана. Величина таких дополнительных потоков оказывается сравнимой с величиной потока, рассчитанного по среднесуточным значениям параметров. Поскольку поток турбулентного тепла в воде у поверхности океана однозначно связан с поверхностными потоками тепла между океаном и атмосферой, такое же утверждение может быть, по-видимому, отнесено и к этим последним. Эти поправки обязаны своим существованием суточным колебаниям метеорологических и гидрофизических

параметров и в принципе не могут учитываться моделями, не учитывающими их суточный ход.

В Параграфе 4.2 рассчитывается механический "колебательный" онергообмен, свяоапиый со взаимодействием океанского и "атмосферного" приливов.

В суточные колебания атмосферного давления основной вклад вносит солнечный прилив s-^ амплитуда которого на порядок превышает амплитуды других компонент и достигает 1,5 гПа в отдельных экваториальных районах. В атом параграфе мы расчитываем энергию взаимодействия этой главной моды "атмосферного" прилива с соответствующей компонентой океанского прилива.

Энергия взаимодействия между поверхностью океана и полем атмосферного давления; Ра{т) приходящаяся на единицу площади и одни сутки,, выражается формулой:

где,7?(£) — уровень океана, £ — время.

Поскольку мы рассмариваем лишь одну гармонику, из последнего соотношения легко получить:

где Ар н А0 , ф} к Ф2 — суть, соответственно, амплитуды и начальные фазы, рассматриваемых колебаний.

По этой формуле были выполнены численные расчеты, охватывающие всю акваторию мирового океана до 60-го градуса широты. Расчеты выполнены по десятиградусным квадратам. Использованы стандартные данные (Атлас океанов, ГУНИО МО СССР, 1977). Построены карты пространственного распределения Е.

(5)

Е = 2тгАрАо ¿т(ф\ — Ф2)

(6)

Обнаружено несколько энергоактивных в смысле рассмотренного механизма зон обоих знаков (положительный знак отвечает передаче механической энергии из океана в атмосферу). Особенно среди них выделяются положительная энергоактивная область в восточной части Индийского океана и отрицательная — у восточного побережья Африки. Интенсивность приливного взаимодействия в них на порядок выше, чем в среднем по мировому океану.

В Заурючении перечислены в сжатой форме основные результаты диссертационной работы.

1. Предложена простая совместная математическая модель температурного режима пограничных слоев океана и атмосферы в суточном цикле. Получены приближенные аналитические параметризации для суточного хода потенциальной температуры как функции вертикальной координаты.

Модель апробирована на натурных данных для района экваториальной части Тихого океана, а также, частично, для Черного моря. Результаты модельных расчетов находятся в хорошем согласии с данными наблюдений.

Количественно исследована чувствительность модели по отношению к вариациям основных входных параметров.

2. На основе полученных параметризаций изучена зависимость суточного хода температуры воды и воздуха от величины коэффициентов турбулентного теплообмена.

3. Выполнены модельные оценки влияния адвекции тепла бризом на суточный ход температуры воздуха над прибрежными областями океана. Показано, что плавный переход от суточных колебаний температуры воздуха над сушей, амплитуды которых составляют обычно несколько градусов,

к колебаниям температуры лад океаном, где амплитуды на порядок меньше, может осуществляется за смет механизма бризовой адвекции.

Л. Исследовано количественно влияние облачности на суточный ход температуры в верхнем слое океана. Теоретически выведена выражающая соответствующую зависимость формула, аналогичная известной эмпирической формуле (Lukas It., 1991)

5. Получена параметризация для суточного хода вертикального градиента потенциальной температуры воздуха над океаном. Обнаружено, что суточный ход градиента температуры воздуха над летним тропическим океаном довольно точно совпадает по амплитуде и фазе с наблюдаемым суточным ходом конвекции и конвективной облачности. Предложено теоретическое об'яснение замеченной аналогии, использующее лишь слабые априорные предположения о связи между распределением потенциальной температуры в столбе воздуха и интенсивностью конвекции.

6. Предложены формулы, реализующие на основе полученных параметризаций известный косвенный метод определения осредненного за сутки коэффициента турбулентного теплообмена в верхнем слое океана, связанный с наблюдением за вертикальным затуханием суточного колебания температуры воды.

7. Оценены поправки, вносимые суточным ходом метеорологических и гидрофизических параметров в расчеты.турбулентного теплопотока в толще верхнего слоя океана. Эти поправки оцениваются (на глубине 1м., для экваториальной части Тихого океана) в среднем около 35 В/м2. Они могут

вносить существенный вклад в более длиннопериодный тепловой баланс верхнего слоя.

8. Расчитаны энергия и пространственное распределение регулярного суточного механического энергообмена между океаном и атмосферой, связанного со взаимодействием между суточным колебанием атмосферного давления и атмосферным приливом (для моды б-2). Построены соответствующие карты для всей акватории мирового океана (низкие и средние широты). Обнаружены несколько "энергоактивных" в смысле рассмотренного механического взаимодействия зоны океана.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1.Рождественский А.Е., Завьялов И.О. Оценка вклада солнечных полусуточных приливов в энергообмен между поверхностью Земли и атмосферой. В сб.: " 1Хчрометеорологичесхие закономерности формирования среднеширотных онергоактивных областей Мирового океана" (ред. С.С.Лаипо). М., Гидрометеоиздат, 1986. с.90-95

2.Завьялов П.О. К теории суточного хода температуры в пограничных слоях океана и атмосферы. //В сб.: Тезисы докладов 4-ой Всесоюзной научно-технической конференции "Вклад молодых ученых и специалистов в решение современных проблем океанологии и гидробиологии". Севастополь, 1989. Часть 1, с.71-72

З.Завьялов П.О., Рождественский А.Е., Хал В.М. О суточная ходе температур воздуха над прибрежными районами океана. //Труды Гидрометцентра СССР, вып.317, 1992.

4.Завьялов П.О., Рождественский А.Е. К теории температурного режима пограничных слоен океана и атмосферы в суточном цикле. //Известия ЛИ СССР, Физика атм. и океана, 1991, т.27, 1. с.76 8-1

5.Завьялов И.О. О влиянии облачности на суточный ход температуры поверхностного стоя океана. //Метеорология и Гидрология, 1992,4. C.61--67

G.Zavyalov P.O., Murti V.S.N. On the estimation of eddy diffusivity coefficient of heat in the upper layer of the ocean. //Indian Joiirn. of Marine Sci., 1992 (in press)

Тирая 100

Заказ 78

Отпечатано на ротапринте Акустического института имени

акад. Н.Н.Андреова