Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Численное исследование климатической термохалинной циркуляции Северной Атлантики

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Численное исследование климатической термохалинной циркуляции Северной Атлантики"

ИНСТИТУТ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ МАТЕМАТИКИ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи

БАГНО Алексей Витальевич

ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КЛИМАТИЧЕСКОЙ ТЕРМОХАЛИННОЙ ЦИРКУЛЯЦИИ СЕВЕРНОЙ АТЛАНТИКИ

04.00.22 — Геофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА 1993

Работа выполнена в Институте вычислительной математик Российской академии наук

Научный руководитель доктор физико-математических наук В. Б. ЗАЛЕСНЫЙ

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор В. М. КАМЕНКОВИЧ, кандидат физико-математических наук Б. В. АРХИПОВ

Ведущая организация: Государственный океанографический институт

Защита диссертации состоится « » (< Я 1993 ГОД£ в /-5~~часоп на заседании специализированного совета К 003.47.01 в Институте вычислительной математики РАН по адресу: 117334 вычислительной математики РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института вычислительной математики РАН.

Автореферат разослан « .ъ 1993 года.

Ученый секретарь ¿рЛилл^-/^

специализированного совета /

кандидат физико-математических наук С. А. ФИНОГЕНОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Диагноз и прогноз температуры поверхности океана. (ТПО) ¡оставляют содержание одного из проектов научной программы "Разрезы" - программы исследования роли энергоактивных зон океана в колебаниях слимата-. Цель данного проекта состоит в изучении процессов, формирующих крупномасштабную структуру и изменчивость ТПО. В этой ;вязи одной из основных является задача построения численной модели жеана, пригодной для описания крупномасштабной эволюции гермохалинной структуры глубокого океана и воспроизведения аномалий [ПО. Важным этапом в решении этой проблемы является моделирование слиматического сезонного хода термодинамических полей в океане.

В изучении проблем глобальных изменений климата и процессов долгопериодного крупномасштабного взаимодействия атмосферы и океана 1а временных масштабах порядка десятков-сотен лет "океанская ветвь" ишматической системы играет существенную роль. Особое значение в ишматической циркуляции океана приобретают соленостные эффекты, способные оказывать значительное влияние на формирование глубинной океанской циркуляции, которая, в свою очередь, может деформировать грехмерную термическую структуру и приводить к возникновению ;фушомасшг8бшх температурных аномалий на поверхности океана.

Для понимания долгопериодной эволюции совместной климатической системы атмосфера-скеан, причин ее изменчивости и способности воспроизведения методом численного моделирования необходимым условием является построение и апробация "океанического блока" системы. С этой задачей связана настоящая диссертация, преследующая цель дальнейшего развития ранее созданной численной модели термодинамики океана (Залесный, 1984) в интересах более адекватного воспроизводения климатических характеристик глубокого океана, его трехмерной динамики и крупномасштабной термической структуры океанской поверхности.

В.настоящее время существует крупное направление, цель которого состоит в построении и использовании численных. моделей динамики океана для расчета на основе климатических данных наблюдений температуры и солености определенным образом согласованных полей этих термодинамических величин и течений. Для этого применяются полные нелинейные модели одноградусного разрешения по горизонтали,

разработанные группой ученых под руководством A.C. Саркисяна и Ю.Л. Демина. В отличив от названного метода, используемый автором подход позволяет с помощью интегрирования модели невысокого пространственного разрешения на длительный срок, составляющий несколько сотен лет, получить квазиустановившееся решение - так называемый модельный климат, который определяется не задаваемыми климатическими массивами полей температуры и солености, а в большей степени системой уравнений и входными данными, параметризующими атмосферное воздействие на поверхности океана.

Специальным вопросом, рассмотренным в диссертации и тесно связанным с задачей воздействия атмосферы на океан, является изучение влияния процессов образования льда на вертикальную структуру океана. Криосфера вообще (и морской лед, в частности) оказывает значительное влияние на глобальный климат и, следовательно, на хозяйственную деятельность человека. Механизмы, связанные с процессами образования льда, могут воздействовать на процесс формирования и переноса холодных глубинных вод высоких широт в более низкие, опосредованно влияя при этом на долгопериодную эволюцию климатической системы. В этой связи возникает важная с точки зрения моделирования динамики океана задача введения в рассмотрение (хотя бы в простой форме) процесса формирования и эволюции морского льда и изучение его влияния • на изменение температурной и соленостной структуры полярного океана, связанного с ним режима образования холодных глубинных вод и, далее, абиссальной глобальной структуры океана.

Цели работы

1. Усовершенствовать построенную ранее ' численную модель крупномасштабной циркуляции Северной Атлантики и изучить ее способность воспроизводить климатический сезонный ход полей течений, температуры и солености при заданном атмосферном воздействии на его поверхности. В этом случае важнейшей характеристикой численного решения является рассчитанная в модели температура поверхности океана.

2. Изучить формирование глубоководной термохалинной структуры и циркуляции океана под воздействием эффектов солености, а также различных граничных условий для температуры на поверхности океана.

3. Построить численную модель образования морского льда,

тособную функционировать в общей модели крупномасштабной динамики свана.

4. Изучить основные эффекты морского льда, влияющие на зменение температурной, соленостной и плотностной структур океана в ^соких широтах.

Научная новизна диссертации состоит в развитии численной модели . бщей циркуляции океана и исследовании с ее помощью путем нтегрирования на сотни лет закономерностей формирования модельного лимата Северной Атлантики. Проведен большой ряд вычислительных кспериментов, направленных на изучение основных климатических изических процессов.

Изучено влияние эффектов солености на формирование рупномасштабной структуры термодинамических полей и циркуляцию одных масс.

- По заданному атмосферному воздействию получены сезонный ход и лиматические поля течений, температуры и солености, включая емпературу поверхности океана.

Проведен анализ распределения квазигеострофического .отенциального вихря в рассчитанном климатическом состоянии.

- Модифицирована термодинамическая модель морского льда, и с гамощыо соединения ее с локально-одномерной моделью океана гсследовано влияние эффектов льда на термохалинную структуру океана.

Практическая значимость работы

Проведенные с моделью общей циркуляции океана численные жсперименты и их анализ показывают, что разработанная модель адекватно воспроизводит крупномасштабную динамику и термохалинные юля Северной" Атлантики. Она мокет быть использована, в соединении с гаделью атмосферы, для исследования короткопериодных изменений слимата, формирования аномалий ТПО и их атмосферного отклика, для йучения глобального изменения климата под воздействием антропогенных газовых примесей, например С02. На расширенной акватории модель монет быть в дальнейшем использована для зоспроизведения множественности режимов циркуляции .океана.

Данная численная модель реализована на МВК "Эльбрус-2" и РС АТ 586 а снабяена пакетом графических программ.

1-г

Апробация работы

Результаты работы докладывались на семинарах ИВМ РАН, н конференции молодых учёных МОТИ в 1985г., на школе-семинаре и калибрации численных моделей в рамках программы "Разрезы" в Вар» (Болгария) в 1989 г., на Всесоюзном совещании по программе "Разрезы в Одессе в 1990 г.

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в пяти работах одна из которых выполнена без соавторов.

Структура и объбм работы

Диссертация состоит из введения, четырЗх глав, заключения I списка используемой литературы. Общий объбм диссертации 109 страниц, библиография включает 55 наименований отечественной и зарубежно! литературы, в диссертацию включены 22 страницы с рисунками.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, освещают« основные цели исследования, приводится обзор литературы I обозначается место диссертации среда современных работ.

Глава I. Математическая модель гидротермодинамики океана

В п. 1.1 приводится дифференциальная постановка '■ задачи, содержащая исходную систему крупномасштабной гидродинамики океана, записанную в сферической системе координат в приближении Буссинеска, гидростатики, несжимаемости морской воды. Сформулированы граничные по вертикали, и начальные условия системы. Описываемая модеш является модификацией известной модели Залесного В.Б. (1984).

В п. 1.2 вводится замена переменных г1 = г/Щ^.-б), переводящая область решения задачи с переменным рельефом в область с плоскил дном и единичной высотой. Горизонтальные компоненты вектора скороста представляются в виде суммы средних по вертикали (баротропная компонента) и отклонений от них (бароклинная компонента). Вводится функция тока.

В п.1.3 показано выполнение интегральных законов сохранения, существующих в полученной системе при отсутствии источников в стоков. Это - законы сохранения количества тепла и соли, полной

нергии, вихря, энстрофии, кинетической энергии плоской циркуляции.

В п.1.4 выписан вид слагаемых, отвечающих за параметризацию оризонтального турбулентного обмена импульсом, теплом и солью в прощенном виде - в приближении малости изменения рельефа, риводятся граничные условия на боковой поверхности. В _ случае сдовия отсутствия потока тепла и солености на всей границе, лагаемое, описывающее горизонтальный обмен, сохраняет • средние по бьгму величины.

Таким образом, . используемая дифференциальная модель общей иркуляции океана принимает вид:

Н Н ^ СОд^ р и,

ямК я и

где

_ 21 ( тро'

- ^ .

«Рв'

т &г т и

л 7 ВП 1

Я- Л ф + 3 (<рЛ) + И Л ф = — 3 (Н, Г гр 02) +

дt Н ро о

1 РотН } о 1 РСН J

^ = а, т ,

т <Н Т

5 — = Д, Б , р = 1(Т,Б) , т <Н 3

И я Н д_ + (Ни,+ > в_ + (ПН у. ф > 0_ + ш д_ т <П т дt * вк т А дЪ т дг

< * < ЙН + < Я >г " 0 '

» = „йн + 2- цпгн + ^ 2- , * ех ф ах И в« дг тВ дг

(ф>С) = ф г . ф с , ахпазх илот 4 * *

I,' = 1Г I, (12 , I, = ¿Н (Н / р Лг)х - вн нчг р , • 1

12 = 1г- 12 (12 , 1г = ен (Н / Р аг)+ - ея н4г Р ,

1-3

I = - 2и) созт5 , т = —'- , п = 1/г ,

г з1п-в

при этом Н = Н(\,-в) - функция рельефа дна, к - долгота, = <р* -и/2, где ф* - широта, г € ГО,П - вертикальная координата, ш ■ угловая скорость вращения Земли, а г - ее радиус.

В п.1.5 на основе метода расщепления выделяются два основши этапа численного решения задачи на каждом шаге по времени -перенос-диффузия субстанций и адаптация гидрологических полей. Нг этапе переноса-диффузии также используется расщепление, но уже пс геометрическим переменным. Полученная схема аппроксимирует задачу с первым порядком аппроксимации по времени. Расщепленный оператор переноса, представленный в полудивергентном виде, не сохраняет интеграл по объбму от переносимой величины, но сохраняет ее квадрат, что обеспечивает устойчивость схемы.

В п. 1.6 на сдвинутой сетке типа В по горизонтали и на неравномерной сетке по вертикали методом конечных разностей строится аппроксимация задачи по пространству. Для приведенной схемы ^(непрерывной по времени) в случае линеаризованных уравнений движения, нулевой вязкости и при отсутствии трения ветра выполняется разностный аналог закона сохранения полной энергии. Схема для функции тока "сохраняет" кинетическую энергию разностного баротропнаго движения при отсутствии вынуждающей силы и трения.

В п.1.7 приводится описание используемых для аппроксимации задачи по времени двухслойных схем: на этапе переноса-диффузии -схемы Кранка-Николсон, на этапе адаптации - полунеявной схемы.

В п.1.8 описывается постановка численных экспериментов и приводятся значения параметров численной модели, использованных в расчетах: разрешение и шаги сетки, значение коэффициентов вязкости, параметры внешнего воздействия и т.д. Отмечаются направления модификации модели по сравнению с базовым вариантом.

Глава 2. Роль солЗности в крупномасштабной динамике океана и квазигеострофический потенциальный вихрь

В п.2.1 исследуется роль солености в крупномасштабной термогидродинамике модельного климата океана. Приводятся результаты двух численных расчетов климатических режимов Северной Атлантики - с соленостью и без нее. Сравниваются интегральные характеристики квазиустановившихся решений (время интегрирования ~300 лет) -

кнетическая энергия и температура в верхнем и нижнем слое и средняя га объему. Отмечается, что на северной и южной открытых границах юобходимо задание вертикальной структуры температуры и солености 1ля адекватного воспроизведения их придонных значений.

В п.2.2 приводится вид сохранящегося вдоль траектории для юнсервативной системы гидродинамики океана потенциального вихря и :войство сохранения вихря в квазигеострофическом приближении, досматривается вопрос о постоянстве. вихря на изопикнических гаверхностях, как следствии из уравнений движения.

В п.2.3 обсуждается распределение квазигеострофического вихря га изопикнических поверхностях, полученное по климатическому массиву инных (Кеффер, 1985). Выделяются основные особенности структуры ютенциального вихря.

В 71.2.4 приводятся известные механизмы формирования однородного ютенциального вихря, выявленные путем численного моделирования иркуляции в океане и ее анализа (Брайен, 1987).

В п.2.5 изучается распределение вихря и глубины изопикнической юверхности на основе проведенных расчетов. Особенностью данного «¡следования является использование полной модели с реалистичными акваторией, рельефом дна и условиями на поверхности океана. Глубина таоповерхности ot = 26,4 отражает наблюдаемый в природе максимум в западной части акватории, связанный с западной интенсификацией знтициютонического круговорота. Величина квазигеострофического ютенциального.вихря в модели близка к натурным данным, но структуры голей несколько различны вследствие недостаточного пространственного разрешения численной модели.

Глава 3. Воспроизведение климатического сезонного хода полей Северной Атлантики

В п.3.1 на основе простых параметризаций выводится следующее краевое условие третьего рода для температуры на поверхности океана, зависящее' от атмосферных факторов, которое было использовано в тасленных экспериментах:

° ° ° dz к

Здесь р0, с0, vQ - плотность, удельная теплоемкость и турбулентная вязкость морской воды, D - коэффициент пропорциональности, зависящий от числа Боуэна и модуля напряжения трения ветра, ТА - приведенная температура атмосферы, включающая радиационную добзЕку.

В п.3.2 приводятся результаты численного эксперимента п< воспроизведению годового хода полей течений, температуры и соленост! Северной Атлантики. Полученный установившийся сезонный климатически! режим (время интегрирования - 410 лет) крупномасштабной циркуляции i глубоком океане формируется, в результате заданного на егс поверхности периодически меняющегося атмосферного воздействия, Особенность эксперимента состояла в том, что температура поверхноси океана являлась расчетной характеристикой.

Численный эксперимент показал, что модель адекватно описывав! крупномасштабную структуру гидрологических полей. Онг удовлетворительно воспроизводит три основных круговорота, экваториальное и Гвинейское течения, Гольфстрим, а такжг экваториальное противотечение и противотечение под Гольфстримом. Особенностью наблюдаемой циркуляции является повышенная скороси течений в субарктическом районе, связанная с существующим там ш всех глубинах меридиональным градиентом температуры и солености, i летний расчетный сезон кинетическая энергия на 7% меньше, чем зимой, что может быть связано как с ходом приводной температуры атмосферы, так и с сезонным ходом ветра. Кинетическая энергия вертикального движения летом больше на 2%, а экваториальный апвеллинг на глубине 50 м летом в 2 раза слабее.

В п.3.3 анализируются рассчитанные поля температуры i солености, их среднее по горизонтали вертикальное распределение. Полученный в модели сезонный ход ТПО (разность июльского в январского значений) качественно совпадает с основанным на реальных данных, но несколько мэньше по величине. Он имеет зональнук структуру с минимумом на экваторе и максимумом 9° С в районе Ньюфаундленда. Сезонный ход солености в верхнем слое океана имеет локальный максимум в тропической зоне, связанный с интенсивным летним испарением. Значительный сезонный ход. солености в верхнем слое наблюдается также в арктической области, севернее устья Амазонки и в Гвинейском заливе и связан с характером задаваемых граничных условий типа Дирихле на поверхности.

Глава 4. Влияние эффекта морского льда на термохалинную структуру океана

В п.4.1 приводятся сведения о климатических свойствах морского льда как составной части криосферы. Рассматривается доля вода на планете, находящаяся в виде льдов, объбм и площадь полярных шапок и

а сезонный ход, роль ледников в формировании климата и их влияние га термохалинную циркуляцию океана.

В п.4.2 включены характеристики физических процессов льдообразования, условия, необходимые для формирования льда на /юрской поверхности. Обсуждаются дальнейшая эволюция морского льда, связанная с ростом его толщины, и процессы, происходящие при таянии тьда.

В п.4.3 формулируется дифференциальная локально-одномерная юдель термодинамики морского льда. В модель входят уравнения для температуры и толщины 'льда, температуры и солености морской воды. Условие для температуры на границе с атмосферой задается аналогично фаевому условию третьего рода, применявшемуся для свободной от льда юрской поверхности. Отмечается возможность выполнения законов сохранения тепловой энергии для системы вода-лед и солености морской зоды.

В п.4.4 описывается разностная модель термодинамики морского льда, способная функционировать совместно с моделью динамики океана. Эта модель является модифицированной версией "О-слойной" модели Земптнера (1976). Получены установившиеся значения толщины и температуры льда Т^ст при используемой параметризации и фиксированных параметрах теплообмена с атмосферой и океаном, а также эценка времени установления Т„„_ . Эти величины имеют вид

уст

пуст= _ ь Т/~ТА туст_ Т = о а к Т/~Та

ц + * 1 А 0 ' ' уст 1 '

где р4 , А{ , д{ - плотность, теплопроводность и теплота плавления льда, Т^ - температура замерзания воды, С^ - шток тепла из океана в лед.

В п.4.5 с помощью совместной локально-одномерной модели льда и океана исследуется влияние эффектов льда на формирование вертикальной термохалинной структуры океане. Сравниваются результаты экспериментов без модели льда, когда температура воды полагалась равной температуре замерзания, если она становилась ниже этого значения, й с более точной моделью со льдом, описывающей &ф!*кты образования и таяния льда.

В заключении формулируются основные результаты работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Построена модификация численной трехмерной модели климатической термохалинной циркуляции океана. Усовершенствование модели по сравнению с базовым. вариантом (Залесный, 1984) состоит во включении в задачу уравнения для солености, использовании схемы Кранка-Николсон для уравнения переноса-диффузии взамен чисто неявной схемы и применении более мягкого краевого условия третьего рода для температуры на поверхности океана. Создан комплекс программ на ЭВМ МВК "Эльбрус-2" и РС АТ-386.

2. На основе проведенных численных экспериментов исследована крупномасштабная роль солености в формировании модельного климата Северной Атлантики. Включение эффектов переноса-диффузии солености в модели приводит к уменьшению кинетической энергии течений на 30 % и повышению средней и придонной температуры примерно на 1,6° С. Изучен механизм формирования температуры и солености средних по объему и донных вод.

Исследовано распределение глубины изогшкнической поверхности аъ = 26,4 и квазигеострофического потенциального вихря на этой поверхности. Согласование расчетных полей с данными наблюдений улучшается при включении в модель эффектов солености.

3. Исследован модельный климатический сезонный ход полей течений, температуры (включая ТПО) и солености под влиянием периодически меняющегося атмосферного воздействия. Модель адекватно описывает климатическую крупномасштабную структуру гидрологических полей.

Полученный в модели сезонный ход ТПО (разность июльского и январского значений) качественно совпадает с наблюдаемым, но несколько меньше по величине и связан с ходом приведенной температуры атмосферы. Сезонные изменения солености обусловлены задаваемым в модели ходом солености на поверхности океана. В средних широтах они сосредоточены в верхнем слое и почти не прослеживаются глубже 100 м.

4. Реализована простая термодинамическая численная модель морского льда, которая приспособлена для функционирования в общей модели крупномасштабной динамики океана.

5. Изучены основные эффекты морского льда в изменении температурной и солекостной структуры полярного океана в рамках

зонной локально-одномерной модели глубоководной конвекции-:$фузии. Расчеты показали, что включение в процесс теплопередачи фэктов формирования льда, распреснения и- осолонения воды приводит увеличению глубины перемешанного слоя с 25 м до 150 м и понижению 'мпературы океана примерно на 1-1,4° С в атом слое. Модель ^производит формирование инверсии температуры морской воды, »зникагацей из-за наличия более пресной вода у поверхности океана, ¡следование влияния вертикальной конвекции на толщину льда и шток ?пла из океана в лед показало, в частности, что апввллинг приводит увеличению теплообмена с океаном и уменьшению толщины льда.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих эботах:

1. Багно A.B., Залесный В.Б. К численному моделированию рупномасштабной климатической циркуляции океана. В сб.: Численное эделирование климата Мирового океана. - М.:0ВМ АН СССР, 1986, .19-29.

2. Багно A.B., Залесный В.Б.,' Маев В.К. Воспроизведение езонного хода крупномасштабных полей течений и температуры в тлантическом океане. - М. :0ВМ АН СССР, 1988. - 20 с. (Препринт Л 17).

3. Багно A.B. Воспроизведение сезонной эволюции Северной тлантики и анализ ее изменчивости. В сб.: Динамика атмосферы и Ивана. - М.:0ВМ АН СССР, 1990, с.78-96.

4. Багно A.B., Залесный В.Б. . Численное моделирование климатической термохалинной циркуляции Северной Атлантики // ¡кеанология. 1992. Т.32. № 5. С. 789-800.

5. Bagno А.V., Zalesny V.B. Numerical modeling of the North Atlantic seasonal thermohallne circulation. Annales Geophysical [Atmospheres, Hydrospheres and Space Sciences, European Geophysical Society), part II, Oceans, Atmosphere, Hydrology & Nonlinear îéophyslcs, Vol.10, Supplement II, 0A2, p.C178. Springer International, 1S92.