Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Численное моделирование синоптической и сезонной изменчивости верхнего слоя океана

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Численное моделирование синоптической и сезонной изменчивости верхнего слоя океана"

о

сг?

ОЭ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

па правах рукописи

ЖОЛУДЕВ ВИКТОР ДМИТРИЕВИЧ

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СИНОПТИЧЕСКОЙ И СЕЗОННОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ ВЕРХНЕГО СЛОЯ ОКЕАНА

специальность 04 . 00 . 22 - геофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1994

работа выполнена в Санкт-Петербургском Государственной Университета

Официальные опдоиенты: доктор физнко-ы&теи&'шчесьих иьуь

А. А. Ковтуы

каядид&т физико-математических наук Ю. Л. Довгалюк

Ведущая оргпяизяция: Арктический и Антарктический

научно-исследовательский институт

Зыцита диссертации состоится4*!^" .£¡£¿£2^1895 г. в чьеР^ииа. в ауд. на заседании специализированного совета Д.063,57.51 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора физико-математических наук при Санкт-Петербургской государственной университете по адресу: 199164, Санкт-Петербург, Университетская набережная, 7/9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ни. А. М. Горького СПбГУ.

# .-

Автореферат разослан

о

Г? -У л^-

Ученый секретарь

специализированного совета (У

кандидат физико-математических наук С. А. Зайцева.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Актуальность решения проблем, связанных с наблюдением и моделированием Мирового океана, вытекает из задач совершенствования методов прогнозирования погоды и климата.

Цель диссертации заключается в построении одномерной модели океана, основанной на интегральной параметризации перераспределения тепла по глубине и дающей практическую возможность рассчитывать локальное поведение деятельного слоя океана, реагирующего на вариации метеопараметров атмосферы и солнечной радиации.

Основные положения, выносимые на защиту.

1). В предложенной теории подобия для верхнего слоя океана выделены случаи полной автомодельности процессов ветрового и конвек тивного перемешивания воды в верхнем квазиоднородном слое (ВКС), изучение которых дает возможность оценивать численные значения эмпирических констант.

2). В рамках построенной модёли за прогрев термоклина одновременно ответственны несколько механизмов: а) перераспределение теплых масс воды, поступающих из ВКС при уменьшении его толщины, б) поглощение проникающей ниже ВКС компоненты солнечной радиации, в) диффузионный поток тепла из ВКС в термоклин.

3). С помощью разработанной модели изучалась локальная реакция океана на атмосферные воздействия различных масштабов времени - синоптического и сезонного. Результаты расчетов как температуры и толщины ВКС, так и теплосодержания всего верхнего деятельного слоя океана находятся в согласии с опубликованными натурными данными.

4). Численные эксперименты позволили выявить прямую зависимость интенсивности теплообмена между океаном и атмосферой от величины диффузионного потока тепла из ВКС в термоклин.

5). Обнаружена отрицательная взаимосвязь между амплитудами годовых изменений температуры ВКС и турбулентного потока тепла между океаном и атмосферой.

6). Расчетами выявлена отрицательная корреляция между минимальными зимними и максимальными летними температурами ВКС, не опровергаемая имеющимся в распоряжении автора набором гидрологических данных по станции погода Р (50° с.ш., 145е з'.д.) за 1972-76 гг., а также зависимость наступления момента образования ВКС малой толщины верной от минимума теплосодержания верхнего слоя океяня в годовом ходе.

Научная новизна. Представленная диссертационная работа содержит результаты автора по одномерной параметризации верхнего

океанического слоя, полученные более десяти лет назад. Модель ышс ледствии была расширена путем включения горизонтальных коорди пат и учета течений. Изучалось поведение океана под воздействием интенсивного циклона (Ликинов, Жолудев, 1983) и при взаимодействии океана и атмосферы для средвезональных условий (Пономарей, Говоркова, Жолудев, 1987). Упомянутое обобщение модели не входит в объект исследования диссертации.

Интерес ученых к таким интегральным одномерным моделям океана возник в 70-х годах. В то время наметились две основные тенденции. Часть авторов разрабатывала модели синоптической изменчивости. Другая часть изучала годовую вволюцию термодинамических характеристик верхнего деятельного слоя океана. Впоследствии в обоих подходах модели модифицировались путем включения горизонтальных пространственных координат и аффектов горизонтальной и вертикальной адвекции тепла.

Странным оказалось то, что несмотря па использование одних и тех же физических концепций, во-первых, ети две группы моделей не оказывались в з аиыо замеаяемыми, поскольку присутствующие в соотношениях эмпирические константы у разных авторов принимали самые различные значения; во-вторых, было замечено, что при использова-' вин подобных моделей обычно выявляется в расчетах значимое несоответствие между скоростью изменения теплосодержания деятельного слоя и интенсивностью локальаого теплообмена между океаном и атмосферой, причем даже учет горизонтального адвективного притока тепла не компенсирует вто несоответствие (Niiler, 1977).

В диссертации предлагается параметризация верхнего слоя океана и описываются результаты вычислительных вкспериментов, сглаживающие остроту отмеченных противоречий.

Кроме того, в рамках модели получены pt зультаты, которые сами по себе от нее не зависят. На 4ащиту вынесены положения, не потерявшие, по мнению автора, новизны.

Практическая значимость. Тема диссертации связана с выполненными в Кабардино-Балкарском госуниверситете научно-исследовательскими работами "Разработка алгоритмов и программ расчета термической и акустической структуры океана" (гос. per. N79030-266), "Расчеты и прогноз гидрологических характеристик верхнего слоя океана И вертикального распределения параметров мелкомасштабной турбулентности" (гос. per. N81075853), "Численное моде-, лирование взаимодействия тропического циклона с океаном" (гос.per. N01.82.0090288). Теоретические результаты и выводы могут быть

учтены в прогностических моделях океанической изменчивости, раз рабатываемые в ИЭМ (Обнинск), СПбО ИО РАН (С.-Петербург), ДальНИИ (Владивосток). Предложения по статистической проверке пыявленных в результате вычислительных экспериментов корреляций между изменчивостью термических параметров океана и интенсивное тью и характером взаимодействия атмосферы и океана могут быть реализованы во ВНИИГМИ-МЦД (Обнинск), ДальНИИ (Владивосток) и ГМЦ РФ (Москва).

Научные результаты диссертации внедрены в ГГО им. А.И.Во ейкова (С.-Петербург) при выполнении тем У1.43В01 и 1.03.04, являв шихся составными частями программ ГКНТ СССР 0.74.11, задание 05.03.Н5 и 0.74.09, задание 02.НЗ.

Результаты теоретических исследований, а также фортран-программы, численно реализующие модель верхнего слоя океана, были ис пользованы студентами КВГУ при выполнении дипломных работ.

Апробация диссертации и публикации. Основные результаты были представлены на Международном симпозиуме по тропической метеорологии (Нальчик, март 1981 г.), IV Всесоюзной конференции "Мировой океан" (Владивосток, октябрь 1983 г.), Республиканской науч-йо-практической конференции (Нальчик, июнь 1985 г.). Диссертация была полностью обсуждена на научных семинарах и итоговых конференциях преподавателей и научных сотрудников математического и физического факультетов КБГУ, на семинарах ИО РАН (Москва), СПбУ. СПбО ИО РАН, СПбО ГОИН, ААНИИ (С.-Петербург), ТОЙ ДВО РАН (Владивосток), МГИ АН Украины. Научные результаты диссер тации, выводы и рекомендации опубликованы в 3 печатных и 8 депо нированных статьях.

Структура и объем работы, Диссертация состоит из предисловия, трех глав и заключения. Объем рукописи - 113 страниц, включая 14 рисунков и 16 таблиц. Список литературы состоит из 125 источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе проводится краткий критический обзор литературы, посвященной вопросу моделирования изменчивости верхнего слоя океана в рамках одномерной интегральной парйме1р'изации перераспределения температуры и турбулентной энергии по глубине. Обосновывается вывод о Необходимости дальнейшего развития одномерных интегральных моделей океана, формулируется цель работы.

Во второй главе приводятся уравнения одномерной интегральной модели верхнего слоя океана, состоящей из модели ВКС, для кото-

(»ого рассчитывается бюджет анергии турбулентности, и модели тер моклина при учете потока тепла В+ из ВКС вглубь за счет турбулентной диффузии. Входными данными для работы модели служа! численные значения потока солнечного коротковолнового излучении, величины облачности, температуры и влажности приводного слоя атмосферы. В рамках модели вычисляются температура ВКС Тп и его толщина Ь , температура Т|, на верхней границе термоклина, а также теплосодержание Н и потенциальная энергия Р единичного столба во ды деятельного слоя океана. Модель позволяет избежать нефизичного повышения температуры ВКС, как в модели Миропольского (1970), и возникновения температурных инверсий на нижней границе ВКС, как в моделях Фельзгибаума (1978), Кагана с соавт.(1979, 1984) и др.

Изложенная теория подобия для ВКС дает возможность сравнивать между собой модели ВКС. Рассмотрение же случаев полной ав-томодельности по критериям подобия режимов перемешивания воды в ВКС служит способом нахождения численных значений эмпирических констант соотношений модели. При этом предполагается справедливой гипотеза о том, что значения, найденные в автомодельных случаях, не слишком сильно отличаются от величин этих констант в общем случае. Учитывая эту гипотезу, по материалам статьи (ТаЬа1а е£ а1., 1965) в диссертации оценено значение сд = 0,15. В целях лучшего согласия рассчитанной температуры То с наблюдениями величина сц часто берется в 2-3 раза большей (Реснянский, 1976; Фельзенбаум, 1978; Каган, Рябченко, Чаликов, 1979). Таким образом, присутствующие в той или иной модели эмпирические константы обычно принима ют смысл подгоночных параметров, что позволяет авторам добиваться лучшего согласования результатов расчета характеристик ВКС с наблюдениями. Поэтому даже в рамках разных моделей удается получать идентичные результаты. С позиций теории подобия такая подгонка решения не является строгой.

Итак, возможность расчета эволюции деятельного слоя океана, согласующейся с наблюдениями, при помощи подбора значений констант, присутствующих в той или иной параметризации, укрепляет убеждение в том, что проверять конкретную модель следует с учетом условий, отражающих воздействия атмосферы, интенсивность и продолжительность которых максимально приближаются к реальным Такой проверке модели посвящена следующая глава диссертации.

В третьей главе на первом этапе показываются варианты расчета параметров ВКС при синоптических воздействиях атмосферы на океан с учетом внутрисуючного ишеневил солнечного излучения. Ррзу.чъта.

тн вычислений толщины ВКС и его температуры находятся в соглл сии с наблюдениями и практически совпадают с результатами работы (Сешгав, ЪКуаке, 1973).

Второй этап проверки изложенной модели - это расчет эволюции толщины и температуры ВКС как реакции океана на воздействии атмосферы для периодов времени порядка сезона. Лля этого были использованы среднесуточные значения метеопараметрон по станции Р (50° с.ш., 145° з.д.) за 1972 г. Обсуждаются 14 вариантов расче топ параметров ВКС, целью которых являлось исследование чувствительности модели к вариациям численных значений констант модели и начального состояния термической структуры океана. Показывается, что варьирование констант незначительно изменяет результаты определения температуры ВКС и его толщины. Расчетпая температура Т„, например, отличается от наблюденной на 0,1 - 0,2 "С, л это находится в пределах погрешности наблюдений по станции Р. Коэффициенты линейной регрессии и корреляции для временных рядов наблюденных значений температуры поверхностного слоя воды Т0 и рассчитанных для двух, в частности, случаев равны 1,07 и 0,99 для мая 1972 г. и 1.15, 0,99 для июня. При моделировании периода прогрева начальное состояние термической структуры океана мало влияет на эволюцию ВКС. Однако при выхолаживании океана с развитием слоя конвективно-ветрового перемешивания выбор начальных значений толщины ВКС может иметь заметный эффект, что создает трудности при идентификации модели.

На третьем этапе экспериментов выполнены 18 вариантов рас четов циклической эволюции термического состояния океана (годовой ход). Периодическое изменение атмосферных параметров, как и инсоляции, задавалось согласно метеоусловиям станции Р. Цель расчетоо - изучить чувствительность модели к вариациям констант, значения которых брались из различных литературных источников. Величины констаггг для "стандартного" эксперимента были те же, что и для синоптического варианта расчетов параметров ВКС. Результаты этого эксперимента обозначены идентификатором К4, и в каждом из остальных вариантов изменено значение по крайней мере одной из кои-¿тант. Наблюдениям лучше остальных соответствуют'результаты К1 г набором коистапт К4 и с включенным тепловым потоком В+ из ВКС в тормоклЕ'1. Этот поток рассчитывался по формуле Мапка-Андерсона (1948) с коэффициентом турбулентной диффузии К0 — 10 см2/с. В К2 он равен 5 см2/'с, в К1. К10 и К16 - 10 см2/с. Во всех остальных вариантах - К0 =0 (т. е. в них В+ =0).

Все варианты численных аксперьшевов третьего этапа разбиваются на следующие группы (хабл. 1).

A. Форма профиля температурил ниже ВКС (Кб, К7, К8). В К8 отсутствует модель термоклина (т = 0), что соответствует модели ВКС Крауса и Тернера (1967). Учет температурного профиля различной формы (разные т) изменяет результаты несущественно. Это связано с тем, что в период прогрева океана при уменьшении толщины ВКС массы воды, переходящие в терыоклин, обладают пренебрежимо малым теплосодержанием по сравнению с теплосодержанием ВКС. Из-за этого, например, в моделях Фельзенбаума (1978) и Кагана с соавт. (1979, 1984) прослеживается развитие большого скачка температуры (порядка 10 К) между ВКС и термоклином, как и в Кб, К7.

Б. Прогрев термоклина солнечной радиацией (КЗ, К4, К5, Кб, К7, К9). Уменьшение коэффициента ослабления солнечной радиации с глубиной 7 приводит к заметному повышению максимальных значений теплосодержания и потенциальной энергии океана. Это является следствием прогрева термоклица за счет проникающей ниже ВКС компоненты солнечной радиации. С уменьшением j увеличивается Toro¡„ и уменьшается Тотах .

B. Вариации эмпирических констант (К4, Kll, К12, К13, К14 и К15). Разные наборы численных значений констант, присутствующих в уравнениях модели, приводят в расчетах параметров океана и потоков тепла между океаном и атмосферой к близким результатам, если отключен диффузионный поток тепла В+. из ВКС в термоклин. Наибольшее влияние на рассчитываемые характеристики имеет варьирование величины са . В К4 сд = 0,15 (Жолудев, 1981), а в К11 она равна 0,3. Увеличение са ведет к повышению Ник некоторому уменьшению температурного скачка между ВКС и термоклином, что несколько увеличивает скорость роста h в период осенне-зимнего выхолаживания (рис.16, кривая 4). Поэтому, например, Респянский (1976), Фельзен-баум (1978), Рябченко (1982), Каган и др. (1984) использовали завышенные по сравнению с автомодельным значения cr.

Г.. Диффузионный поток тепла из ВКС вглубь (Kl, К2 и К4, К9, К10). Поток тепла В+, обусловленный турбулентной диффузией тепла из ВКС в термоклин, способствует возрастанию не только теплосодержания термоклина, но и фоновой температуры океана T0min = Тн , где Тн - температура воды аа нижней границе деятельного слоя. Максимумы II и Р в К1 больше, чем в К4, в 1,7.и 5,9 раза, соответственно. Сам поток В+. в К1 возрастает вплоть до величины 1,5 • 10""3К см/с и сравним с интенсивностью теплообмена Fo между океана,«! и атмосферой (рис.1, врезка). Применение в К10 линейного температурного

g

профиля ниже ВКС ( ш = 1 ) приводит в расчетах к близким к К1 результатам. В целом результаты К1, К10 ближе к натурным данным, чем остальные. Пониженные летом и повышенные в зимний сезон значения температуры ВКС То в К1 и К10 в сравнении с К4 приводят к усилению турбулентного теплообмена между океаном и атмосферой за счет роста разностей температуры и влажности на границе раздела вода-воздух. Результирующий поток тепла Го через границу раздела океан-атмосфера близок к рассчитанному по натурным данным (см. врезку на рис.1). Следует подчеркнуть, что отмечаемый эффект уменьшения амплитуды годового хода температуры ВКС при увеличении теплового потока между океаном и атмосферой противоположен выводам статьи Кильматова и Протасова (1978), а также работам Кагана и др. (1979) и Рябченко (1982).

Таблица 1. Влияние параметров модели на расчет температуры Tomi« = To(tT),ToTOBK = To(ts) и теплосодержания H(ts)

No вар. tr, дата Тот!» Вариации параметров °С модели ta, дата To(ts) H(ts) °С К-м

Kl 19 мар 5,23 К0 = 10см2/с,ш = 3 17 авг 12,01 289

К2 5 мар 4,23 К0 = 5 см2/с 15 авг 12,84 239

КЗ 6 мар 4,08 7 = 0,1м"1, т = 3 18 авг 12.81 245

К4 24 фев 3,57 7 = 0,2м-1, т = 3 10 авг 13.23 187

К5 24 фев 3,55 7 = 0,3м"1, т = 3 7 авг 13,30 175

Кб 23 фев 3,55 7 = оо, т = 3 7 авг 13.32 172

К7 23 фев 3,55 7 = оо, т = 1 7 авг 13,33 172

К8 24 фев 3,55 7 = оо, т = 0 10 авг 13,38 172

К9 24 фев 3,56 7 = 0,2м-1, т=1 11 авг 13,25 187

К10 19 мар 5,23 К0 = 10 см2/с,т = 1 17 авг 11,89 291

К11 6 мар 4,30 са = 0,3 15 авг 12,74 262

К12 24 фев 3,57 сКр=6,0 9 авг 13,22 187

К13 24 фев 3,57 скт = 2,5 9 авг 13,20 183

К14 1 мар 3,87 сг 0,6 10 авг 13,24 181

К15 2« фев 3,66 иная скорость вовл. 10 авг 13,24 185

К16 24 мар 5,98 как К1 и адв. тепла 11 сен 12,66 213

К17 27 фев 3,74 два "шторма"в год 11 авг 13,22 208

Рис. 1а. Температура ВКС. Станция погоды Р в Тихом океане (шкала слева): расчет в К4 (1), К2 (2), К1 (3); наблюдения .- 1972 г.(6) и 1073 г.(6). Станция в Атлантике (35°К,60°\¥) (шкала справа^ р&ечегв А1 (4); наблюдения (7). ВРЕЗКА: потоки тепла Р0 в К4 (1), К2 (2), К1(3)', наблюдения за 1972 г. (4). Расчет В+ в К1 (5).

Рис.16. Толщина ВКС по станции Р(50°1Ч, 145°\У). Расчет в К1 (1), К2 (2), К1 (3), К11 (4). "Мгновенные " наблюдения за 1972 г.(о) и 1973 г. (Д).

Как и в пп. В, В, отмечается прямая зависимость между датой tr смены глубокой зимней конвекции весенним прогревом океана и минимальным (фоновым) теплосодержанием, индикатором которого служит l'o m i» i а также отрицательная корреляция между максимальными и минимальными температурами ВКС Тошах и Tomín (см- табл.1 и рис.1). Зависимость достижения более высоких значений To(t) в летнее время от более раннего наступления срока tp была замечена в работе (Elsberry and Garwood, 1978), где этот феномен объясняется наличием тенденции к уменьшению интенсивности синоптических ветровых воздействий атмосферы на океан в переходный от зимы к лету период. Результаты диссертации позволяют сделать вывод, что сезонным фактором сдвига tr к лету являются повышенные величины Tomiu = Тн, т.е. фонового теплосодержания верхнего слоя океана.

В особенной степени подчеркивают различия в результатах Kl, К2 и К4 сравнение петель гистерезиса H(t,T0(t)) и P(t,H(t)), рассчитанных по натурным данным (табл.2) и полученных но модели (рис.2). Из анализа графиков следует, что игнорирование в расчетах эффекта прогрева термоклина вертикальной турбулентной диффузией тепла ведет к результата!.», далеко лежащим от натурных данных. Таким образом, кривые, обозначенные на рис.2 буквой В, соответствуют моделям верхнего слоя океана, описанным, в частности, в работах (Куфтарков, Коснырев, 1976, 1977), (Gill and Turner, 1976), (Thompson, 1976), (Garwood, 1977), (Кильматов и Протасов, 1978), (Tyrvamen, 1978), (Фельзенбаум, 1978), Рябченко (1982), (Czyczek, 1982), (Каган с соавт., 1984), (Ресвлнский, Зеленько, 1991, 1993). Частный успех этих и аналогичных моделей обусловлен ограничением сравнения с наблюдениями лишь рассчитанной температуры ВКС, как, например, в Kl, К2 и К4, где диапазоны изменения температуры Toit) почти совпадают с натурными данными. Однако значения H(t) и P(t), теплового потока Fo(t) (см. рис. 1а, врезку) и величины h(t) (см. рис.16), в К1 заметно ближе, в среднем, к натурным данным, чем аналогичные параметры других вариантов.

С целью дальнейшей проверки модели в диссертации рассматриваются результаты еще нескольких вычислительных экспериментов. В Al с учетом географического положения и метеоусловий атлантической погодной станции в точке (35° с.ш., 60°з.д.) значения констант уравнений модели задавались теми же, что и в К1, кроме Ки = 1,0 см2/с в формуле В+ —- -Ко ■ dT/'lz для расчета потока тепла из ВКС в термоклин. Результаты вычислений То в циклическом годовом ходе находятся в согласии с натурными данпыми статьи (Warren, 1972) (см рис.1, кривая 4).

Таблица 2. Осрсдненные помесячно за 1972-76 гг. значения термических параметров верхнего слоя океана по станции Р (50°Н, 145°(в скобках - стандартные отклонения).

То, °С н, Р, ТН,°С п,

месяц Км х10 К м* случаев

I 5,8(0,3) 80(30) 42(25) 5,0(0,5) 76

II 5,4(0,4) 30(50) 10(31) 5,0(0,5) 79

III 5,0(0,3) 10(30) 2(23) 4,9(0,3) 85

IV 5,3(0,4) 40(40) 19(25) 4,8(0,2) 34

V 6.1(0,5) 90(40) 33(25) 4,8(0,3) 84

VI 7,6(0,7) 150(50) 51(31) 4,7(0,4) 97

VII 10,2(1,0) 230(50) 65(24) 4,7(0,3) 72

VIII 12,5(0,7) 310(100) 80(75) 5,1(0,7) 48

IX 12,7(1,5) 370(110) 96(45) 5,0(0,2) 67

X 10,6(1,0) 330(80) 104(61) 5,1(0,7) 59

XI 8,6(0,7) 210(40) 75(22) 5,6(0,6) 25

XII 6,8(0,6) 150(60) 69(40) 5,1(0,5) 60

Рис.2. Гистерезисные петли Н^.Р^)) (а) и Н(Ь, Т0(1)) (б) в К1 (А), К2 (Б) и К4 (В) в годовом цикле. Точки, отмеченные арабскими цифрами на кривых А, отнесены к началу месяца. Римскими цифрами обозначены точки, соответствующие данным табл.2.

В серии экспериментов, отмеченных идентификаторами Н1-гН12 (табл.3), в качестве циклических входных параметров были использо паны данные атмосферных характеристик по станции погоды N (30" с.ш., 140° з.д.), приведенные в статье (Напеу аис1 Ца^ев, 1976). Величины констант модели - те же, что и в К1. Значения 7, коэффициента сопротивления морской поверхности Со для расчета турбулентных потоков между океаном и атмосферой, а также коэффициента турбулентной температуропроводности Ко в формуле В+ = -Ко • д'Х/д.г варьировались. В Н1-гН4, НЮ и Н12 значение Со = 1,110"3, в Н5-гН8, и Н9 Со = 1,5 -10"3, а в НИ Со = 1,5-КГ3. Кроме того, в НЭ -у = оо, а в НЮ 7 = 0,05 м-1. Во всех остальных случаях 7 =0,2 м-1.

Таблипа 3. Результаты расчетов по станции N (30°Ы, 140°\У).

N0 Ко, Топгпп > Тошах, Ьтт, Нщах > Ртах» Ротах, Рошш,

см 2/с °с °с М К-м К-мг К-см/с К-см/с

Н1 0 17,18 22,37 10,7 114,4 1396 1,24 10" 3 -1,27 10" 3

Н2 0,5 17,51 21,67 11,0 155,5 4709 1,51 10" 3 -1,61- 10- 3

НЗ 1,0 17,78 21,38 11,1 169,8 6835 1,62 10" 3 -1,79 10- 3

Н4 1,8 17,93 21,19 11,2 179,2 8533 1,68 10" -3 -1,89 • 10" 3

Н5 0 15,89 21,38 12,7 115,3 1290 1,18 10" 3 -1,17 •10 -3

Н6 0,5 16,54 20,81 13,0 158,9 4586 1,52 10" 3 -1,68 10" -3

Н7 1,0 16,79 20,56 13,1 176,7 6939 1,65 10" 3 -1,91 10- -3

Н8 1,5 17,01 20,42 13,2 184,7 8601 1,72 10" 3 -2,07 10" -3

Н9 0 15,87 21,49 12,6 86,8 824 0,91 10" 3 -1,03 • 10" 3

НЮ 0 16,85 19,50 11,3 335,2 47140 3,10 10- 3 -1,54 - 10" 3

Попытки расчетов параметров верхнего слоя океана с меняющимися значениями этих величин в Н1-г НЮ с целью как можно более точного описания эволюции этого слоя пе привели к близкому согласию с натурными данными, хотя в целом результаты Н1-Т-Н12 подтверждают выводы, сделанные в отношении экспериментов К1-гК18. Кроме того, можно отметить, что уменьшение Со привело в Годовом ходе к возрастанию минимальной (зимней) температуры верхнего океанического слоя (ср. варианты Н1-гН4 и Н54-Н8 в табл.3). Значительно

улучшил результаты лишь параметрический учет в Н11 и Н12 гори зоктальвой адвекции тепла, оцененной по работе (Оогтап ее а]., 1974) (рис.3).

Рпс.З. Изотермы в годовом ходе. Корабль погоды N (30°N, И0°\\'): расчет в Н12 (а) и на.турные данные (б). Обращает на себя впиманне наличие двух максимумов температуры.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

I. Модель

1. Предложенная теория подобия для пограничного слоя океана устанавливает взаимосвязь между разными параметризациями ВКС.

Трактовка предельных режимов перемешивания воды в ВКС как Автомодельных дала возможность уменьшить неопределенность выбора диапазонов численных значений эмпирических констант модели. Оценена, например, величина са в формуле для расчета толщины слоя чисто ветрового перемешивания в стационарных условиях.

Исходя из теории подобия, уточнена взаимосвязь между лабора-(орными исследованиями по механическому и конвективному перемешиванию жидкости в пограничном слое, наблюдениями за поведением ВКС в открытом океане и моделированием его изменчивости.

2. При построении модели ВКС был учтен расширенный набор физических параметров, определяющих состояние этого слоя, что позволило в рамках единой параметризации объединить достоинства моделей ВКС, разработанных разными авторами.

3. Термическое взаимодействие ВКС и термоклина учитывается введенным в модель диффузионным потоком тепла В+ наряду с более гибкой, в сравнении с известными моделями, динамикой поведения температурного скачка на нижней границе ВКС.

II. Численные эксперименты

X. Эксперименты показали, что при моделировании изменчивости верхнего слоя океана как на сезонном масштабе времени, так и на синоптическом, можно использовать одинаковые значения эмпирических констант параметризации ВКС.

2. Результаты расчетов годового хода термического состояния деятельного слоя океана позволили обосновать необходимость учета в модели диффузионного переноса тепла из ВКС в термоклин.

3. Эксперименты с использованием разных наборов значений констант, величины которых близки к автомодельным, не привели к значительным количественным различиям в результатах, если в модели отсутствует поток тепла В+ и редуцирован прогрев термоклина солнечной радиацией.

4. Увеличение прогрева термоклина солнечной радиацией и тепловой диффузией из ВКС, как и учет штормов, ведут к повышению минимального теплосодержания океана но сравнению с вариантами расчетов, когда эти факторы отсутствуют.

5. Возрастание минимального теплосодержания океана приводит в годовом цикле к росту амплитудных значений турбулентных потоков

тепла между океаном и атмосферой. Это позволяет объяснить получаемое обычно в расчетах несоответствие (см. Щ1ег, 1977) между скоростью изменения теплосодержания верхнего слоя океана и интенсивностью локального теплообмена океана с атмосферой.

6. Увеличение минимального теплосодержания океана приводит также, во-первых, к заметному сдвигу к лету момента смены состояния океана от зимней конвекции к его прогреву, во-вторых, к более позднему наступлению осеннего сезона, в-третьих, к более низким значениям температуры ВКС летом.

7. Уменьшение коэффициентов турбулентного теплообмена между атмосферой и океаном приводит к увеличению средней температуры верхнего океанического слоя и его минимального теплосодержания.

III. Рекомендации и проблемы

1. Зависимость потока тепла между океаном и атмосферой от теплового потока из ВКС вглубь должна учитываться при решении задач таких, как моделирование климата, долгосрочный прогноз погоды, расчет углеродного обмена между океаном и атмосферой.

2. В моделях ВКС, использующих масштаб длины V.({ (у,- скорость трения в воде, I- параметр Кориолиса), необходимо учитывать и отрицательный масштаб длины Монина-Обухова, характеризующий теплоотдачу океана.

3. При численном моделировании годовой циклической эволюции термического состояния океана выявлено наличие положительной корреляции между датами смены глубокой зимней конвекции весенним прогревом верхнего океанического слоя и фоновыми величинами его теплосодержания. Предсказание этого переходного периода, сигнализирующего о возникновении тонкого слой перемешивания, может быть важным в приложении в проблемам биологии моря, промысловой океанографии и прогноза ногоды. Таким образом, представляет интерес задача экспериментальной проверки связи между сроками перехода состояния океана от зимнего выхолаживания к его весенне-летнему прогреву и минимумом теплосодержания деятельного океанического слоя.

4. В целях возможного применения в долгосрочных прогнозах погоды и прогнозах термического Состояния океана следует проверить статистическую значимость обнаруженной при численном моделироваг нии отрицательной корреляции между локальным минимальным теплосодержанием океана и максимальной температурой приповерхностного слоя воды, а также подобной корреляции между средними минимальными и максимальными значениями температуры ВКС.

5. Для целей долгосрочного прих'ноза погоды и прогноза Karat, трофических явлений в атмосфере представляет интерес задача о выяв-

• лении статистических связей между величинами минимального тепло содержания и температуры верхнего слоя воды и параметрами соседствующего с морем атмосферного пограничного слоя применительно к Северо-Кавказскому географическому региону, находящемуся между Черным и Каспийским морями.

6. Актуальной темой является постановка и решение задач идентификации процессов тепло- и массообмена между ВКС и термоклином. Можно утверждать, что будущее моделирования крупномасштабной циркуляции океана определяется це только прогрессом в моделировании ВКС (см. кн. "Моделирование и прогноз верхних слоев океа на", Л., 1979), но и успехами в адекватном математическом описании термоклина, взаимодействующего с ВКС).

7. В целях дальнейшего развития предложенной в диссертации теории подобия для планетарного пограничного. слоя в список физических параметров, определяющих состояние этого слоя, необходимо включить вертикальную координату г. Тогда универсальные функции распределения параметров ППС с высотой вида Ф (h/z, Ro"1, z/Lq,...) ("z-теория") в предположении о полной автомодельности изучаемых процессов по критериям подобия h/z -t оо, RoJ1 = zf/v, —» 0 могут иметь своим пределом хорошо изученные функции теории приземного слоя воздуха вида Ф (z/Lo,...) (Lo- масштаб длины Монина-Обухо-ва). Таким свойством не обладают универсальные функции "^-теории", включающей Понятие безразмерного параметра стратификации /i. В рамках fi-теории часто также не находит объяснения расхождение между теоретическими и экспериментальными результатами изучения распределения характеристик ППС с высотой, особенно для устойчивых условий. Эти расхождения являются, возможно, следствием потери числа степеней свободы для Ф при замене независимых критериев подобия их безразмерным отношением, как, например, ц= (z/Lo)/Ro~'

Научные результаты диссертации, выводы и рекомендации опубликованы в следующих работах:

1. Обобщенная одномерная модель верхнего слоя океана. Часть 1: Предварительные результаты // Нальчик, 1980. 37 с. (Деп. в ВИНИТИ 27 октября 1980 г., N4522-80);

2. Теория подобия для верхнего слоя океана // Нальчик, 1980. 17 с. (Деп. в ВИНИТИ 4 ноября 1980 г., N4685-80);

3. К теории подобия для планетарного пограничного слоя // Нальчик, 1981. 6 с. (Деп. в ВИНИТИ 6 августа 1981 г., N3937-81);

4. О механизмах образования верхнего квазиоднородного слоя океана // Метеорология и гидрология, 1981, N11, с.77-82;

5. Моделирование изменчивости верхнего слоя океана // Нальчик, 1982. 26 с. (Деп. в ВИНИТИ 16 августа 1982 г., N4528-82);

6. Теория подобия для пограничного слоя океана // Океанология, 1983, т.23, вып. 1, с.27-35.

7. Одномерное моделирование синоптической и сезонной изменчивости верхнего слоя океана // Мировой океан. ГУВсесоюзная конференция. Секция 1. Тезисы докладов. Владивосток, ДВНЦ СССР, 1983, с.140-142.

8. О сезонной термической эволюции верхнего слоя океана // Нальчик, 1983. 16 с. (Деп. в ВИНИТИ 14 июля 1983 г., N3913-83);

9. О численном изучении синоптического взаимодействия атмосферы и океана // Нальчик, 1983. 41 с. (Деп. в ВИНИТИ 18 августа 1983 г., N4556-83);

10 О моделировании синоптического взаимодействия атмосферы и океана // Нальчик, 1984. 23 с. (Деп. в ВИНИТИ 11 марта 1984 г., N1348-84);

11. Численные эксперименты с одномерной моделью океана // Нальчик, 1985. 14 с. (Деп. в ВИНИТИ 28 марта 1985 г., N2143-85).