Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Диагноз и моделирование внутрисезонной изменчивости аномалий температуры поверхности Атлантического океана

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Диагноз и моделирование внутрисезонной изменчивости аномалий температуры поверхности Атлантического океана"

ИНСТИТУТ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ МАТЕМАТИКИ ^ССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

1 и И*!' '|Г'ГН

На правах рукописи

ДИАНСКИЙ Николай Ардальянович

ДИАГНОЗ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ВНУТРИСЕ30НН0Й ИЗМЕНЧИВОСТИ АНОМАЛИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ АТЛАНТИЧЕСКОГО ОКЕАНА

04—00—22 — ГЕОФИЗИКА

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА 19 93

Работа выполнена в Институте вычислительной математики Российской академии наук

Научный руководитель член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук профессор В. П. ДЫ МНИ КОВ

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук

профессор Ю. А. ИВАНОВ кандидат физико-математических наук Е. С. НЕСТЕРОВ

Ведущая организация: Государственный океанографический институт

Защита состоится «» 1993 г. в-^Г^асов

на заседании специализированного совета К 003.47.01 в Институте вычислительной математики РАН по адресу: 117334 Москва, Ленинский проспект, 32а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института вычислительной математики РАН.

Автореферат разослан «_» -1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат физико-математических наук

С. А. ФИНОГЕНОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш

Практически вса аспекты взаимодействия атмосферы и океана связаны с формированием изменчивости температуры поверхности океана (ТПО). Если не ставить задачу исследования климатических изменений годового хода, основная изменчивость ТПО будет обусловлена ее аномалиями, .определяемыми как отклонения от выделенного тем или иным способом среднего годового хода ТПО. Поэтому аномалии температуры поверхности океана (АТПО) - важная составная часть задачи диагноза короткопериодшх колебаний климата. Аномалии температуры Ьоверхности океана генерируют возмущения в потоках тепла и таким образом оказывают влияние на общую циркуляцию атмосферы. Это - один из центральных вопросов долгосрочного прогноза погоды (Мэрчук Г.И. и др.,1984).

Подавляющее большинство работ по изучешпо АТПО выполнено с их среднемесячными величинами и посвящено долгопериодной изменчивости. Для таких аномалий средам, относительно которого они выделялись, были среднемесячные значения ТПО за некоторый климатический период времени, как правило, близкий к 30 годам. Времена жизни долгопериодных АТПО, оцененные различными способами, составляют 2-5 месяцев (ПеупоЫз,1978). Между временными масштабами синоптических погодных атмосферных возмущений (3-5 суток) и характерными масштабами долгопериодных АТПО находится область, где развитие аномалий температуры ВПС мало изучено, что обусловлено, в основном, недостаточным количеством достоверных рядов наблюдений для больших акваторий океана с необходимым временным разрешением.

Изучение формирования и поведения АТПО на масштабах от суток до сезона представляет несомненный интерес еще и потому, что величины внутрисезонных и долгопериодных аномалий оказываются практически одинаковыми, и именно на этих масштабах осуществляется непосредственное формирование последних. Более того, возможно формирование связанных мод колебаний в системе атмосфера-океан внутри этого временного интервала, имеющих в средних широтах нелокальный характер (Дымников,1989). Поэтому диссертационная работа посвящена изучению формирования И поведения аномалий температуры поверхности океана на внутрисезонных масштабах времени, и важность этой темы, с точки зрения автора, не вызывает сомнений.

1-1

Цель и задачи исследования

Цель диссертационной работы состоит в том, чтобы провести исследование внутрисезонной изменчивости аномалий температуры поверхности океана (АТПО) в средних широтах, механизмов их формирования и эволюции и их вклада в общие процессы взаимодействия атмосферы и океана. Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи.

1. Дать оценку роли внутрисезонных аномалий температуры, которую они играют в формировании эволюции ТПО и, следовательно, в процессе взаимодействия атмосферы и океана и провести диагноз физических механизмов формирование и эволюции аномалий температуры верхнего перемешанного слоя океана в средних широтах.

2. Построить модель верхнего деятельного слоя океана, пригодную для воспроизведения эволюции внутрисезонных АТПО на акватории Северной Атлантики в течение зимнего сезона с учетом полного воздействия синоптических возмущений в атмосферных характеристиках.

3. Провести изучение внутрисезонных колебаний атмосферной циркуляции и температуры поверхности океана для Северной Атлантики с помощью совместной модели общей циркуляции атмосферы и верхнего деятельного слоя океана.

Научная новизна

Проведены расчеты статистических характеристик внутрисезонных аномалий температуры поверхности океана по четырехлетнему ряду наблюдений на станции погоды "Charlie".

Предложен новый способ оценки меридионального переноса тепла в океане с использованием локальной модели верхнего слоя океана.

Сделаны оценки относительных вкладов в формирование АТПО на акватории Северной Атлантики потоков тепла, возникающих за счет горизонтального переноса климатическими течениями аномалий температуры поверхности океана и адвекции аномальным экмановским дрейфом в поле средней ТПО.

По ежесуточным данным Первого глобального эксперимента проведено моделирование внутрисезошшой изменчивости температуры и глубины верхнего перемешанного слоя на акватории Северной ' Атлантики для зимы 1978-1979гг.

Построена совместная модель общей циркуляции атмосферы и верхнего деятельного слоя океана, с помощью которой проведено изучение внутрисезонных колебаний атмосферной циркуляции к

температур« поверхности океана для Северной Атлантики.

Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались на семинарах и Ученом совете Института вычислительной математики РАН, на семинарах Государственного океанографического института. Вычислительного центра РАН и Института океанологии РАН. По отдельным результатам работы были сделаны доклады на рабочем совещании по программе изучения Мирового океана (WOCE) (Москва, КО РАН, 26-29 мая 1992г) и на двух международных конференциях по изменчивости климата Атлантического океана (Workshop on Atlantic Ocean Climate Variability, Москва, ГОИН, 13-17 июля 1992г.) и по взаимодействию океана и атмосферы (Workshop on Sea-Air Interaction, Москва, ГОИН, 24-27 ноября 1992г.)

Публикации. Основные результаты диссертации изложены в пяти статьях.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Диссертация изложена на 170 страницах, включая 40 рисунков. Список литературы содержит 118 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТУ

Во введении кратко сформулированы поставленные в диссертации проблемы и дана краткая характеристика ее содержания по главам.

Первая глава имеет обзорный характер. Поскольку темой диссертационной работы является исследование внутрисезонной изменчивости аномалий температуры поверхности океана, то в этой главе обсуждается вклад, который вносят такого рода АТПО в общую эволюцию температуры верхнего слоя океана и, следовательно, в процесс взаимодействия атмосферы и океана. В этой главе делается также анализ соотношения величин внутрисезонных и долгопериодных аномалий ТПО и приводится краткое описание основных направлений изучения АТПО.

Во второй главе рассмотрена эволюция внутрисезонных (от суток до месяцев) аномалий температуры поверхности океана в течение 50 месяцев в районе шторм-треков Северной Атлантики (станция погоды "Charlie", 53°с.ш., 35,5°з.д.), спектр которых характеризуется 1-2

пиками на периодах 6,7; 7,8; 9,1; 10,4; 12,8; 20 и 57 суток. Среднее и медиашюе времена жизни таких АТПО равны 8,6 и 5,3 суток. В распределении частоты повторяемости времени жизни АТПО разного знака в первом приближении выделяется по четыре экстремума: около 5, 10, 15 и 19-25 суток. Средние и медианные величины этих АТПО составляют 0,4-0,6°С и близки к величинам долгопериодных аномалий. Амплитуда внутрисезошшх АТПО модулированы годовым ходом (зимой наблюдается минимум амплитуд) и не превышают 2°С в периода максимального развития. Времена жизни и величины положительных и отрицательных АТПО также несколько отличаются друг от друга в зависимости от времени года. В целом амплитуды положительных АТПО на 15-30% больше амплитуд отрицательных внутрисезошшх аномалий.

Реализован подход к моделированию и диагнозу внутрисезошшх аномалий с помощью эволюционного уравнешя для АТПО с оценкой компонентов этого уравнешш по данным наблюдений. На этой основе показано,что основным физическим механизмом, определяющим эволюцию внутрисезошшх АТПО в отсутствии фронтальной динамики, являются аномалии бюджета тепла поверхности океана (погодные вариации). Их вклад в изменчивость АТПО достигает в среднем 60% в течение годового цикла. В свою очередь, основной вклад в создание аномалий бюджета тепла поверхности океана вносят аномалии скрытого потока тепла (39%) и коротковолновая солнечная радиация (35%). В холодное время года вклад аномалий коротковолновой солнечной радиации, как правило, ниже 20%, а в теплое - превышает 50% и может достигать 70-80%. В мае-сентябре учет аномалий коротковолновой солнечной радиации, обусловленных аномалиями облачности, необходим для адекватного воспроизведения эволюции АТПО. В холодное время года вклад в аномалии бюджета тепла аномалий скрытого потока тепла достигает 40-60%, а аномалий явного потока тепла - 25-35%, что в суше составляет 70-90% от всех аномалий полного потока тепла на поверхности океана.

Следующим по значимости для изменчивости АТПО физическим механизмом является взаимодействие синоптических аномалий толщины верхнего перемешанного слоя океана с тенденцией хода его средней температуры (вклад в изменчивость АТПО в среднем 20%). Примерно на 14% изменчивость АТПО обусловлена аномальной дрейфовой адвекцией тепла в поле средней температуры в ВПС. Эффект вовлечешш вод из термоклина в ВПС в среднем составляет 7%. Вклады названных механизмов в изменчивость внутрисезошшх АТПО могут существешю меняться в отдельные периоды времени.

Получено подтверждение о существовании зимой активно взаимодействующей с атмосферой верхней части квэзиоднородного слоя океана. Толщина этого активного слоя составляет в районе станции погода "Charlie" 50-00% от толщины квазиоднородного слоя. Основными причинами его существова1шя зимой являются притоки положительной плавучести в верхний слой океана из-за адвекции тепла течениями и из атмосферы в теплых секторах циклонов. В теплый период года весь верхгой перемешанный слой активно взаимодействует с атмосферой.

Вид зависимости спектральной плотности от частоты, наличие годового хода, ограниченность амплитуд примерно на одном уровне, ответственность за квазилокальную эволюцию сходных физических механизмов, разделение на аномалии фронтальной зоны и открытого океана представляют собой черты подобия внутрисезогашх и долгопериодных АТПО.

Третья глава посвящена модельному воспроизведет!» эволюции внутрисезошшх ЛТПО на акватории Северной Атлантики в течешь зимнего сезона с учетом полного воздействия синоптических возмущений в атмосферных характеристиках. Для этой цели были использованы данные наблюдений Первого глобального эксперимента ПИТАЛ (ПГЭП).

Поскольку сведения о толщине ВПС отсутствуют, применять модель аномалий, с помощью которой проведен анализ в главе 2, непосредственно нельзя. Поэтому для диагноза процессов верхнего слоя здесь используется балансовая модель верхнего деятельного слоя океана.

Модель строится в предположении, что верхняя часть деятельного слоя всегда хорошо перемешана вследствие турбулентных или конвективных процессов. Поэтому эта зона называется верхшзл перемешанным слоем (ВПС), в котором распределения температуры, солености и плотности вода не зависят от глубины.

На нижней границе деятельного слоя полагается отсутствие потоков тепла, соли и механической энергии, что в пределах одного сезона и даже года может быть оправдано. Для деятельного слоя вводятся приходящиеся на единицу площади океана интегральные по глубине характеристики теплосодержания, солезапаса, массы, потенциальной энергии стратификации и кинетической энергии турбулентности. Для этих характеристик выписываются балансовые соотношения, на основе которых и производится построение модели верхнего слоя океана. Для замыкания полученной системы используют-1-3

ся параметризации уравнения кинетической энергии турбулентности, с учетом подсеточной изменчивости ветрового воздействия на океан, и конвективного перемешивания.

Тестирование модели и выбор ее параметров производились по данным океанской станции погода "Charlie", описание которых приведено в главе 2. Показано, что модель способна воспроизводить эволюцию характеристик ВПС в течеша всего сезонного цикла при полном учете ежесуточных синоптических возмущений в граничных условиях со среднеквадратической за год ошибкой не более 0,3°С.

Поскольку годовой ход воспроизводится моделью вполне удовлетворительно, то для более тонкого изучеиия внутрисезонной динамики верхнего слоя океана были построены в частотной области передаточные функции характеристик ВСО по отношению к атмосферному воздействию по модельным и наблюденным реализациям. Для этого сезонный ход с помощью синусного фильтра Баттеруорта исключался из входных и выходных реализаций.

Таким образом, для верхнего слоя океана и его модели были построены по методике (Бендат и Пирсол,198Э) передаточные функции поток тепла-температура ВПС и скорость ветра-температура ВПС.

Амплитудные частотные характеристики модельных и натурных передаточных функций хорошо согласуются по величине и тенденциям поведения практически во всем рассмотренном частотном диапазоне. Пик на периоде 20 суток в форме натурной передаточной функции ветер-температура ВПС не воспроизводится, по-видимому, из-за неучета в данном эксперименте мезомасштабной изменчивости и дрейфовой адвекции тепла в верхнем слое океана.

Далее, в третьей главе проводится изучение зимней пространственно-временной изменчивости характеристик ВСО в Северной' Атлантике по данным ПГЭП за период 01.12.78-03.03.79г. Применяются методы разложения по естественным ортогональным составляющим и выделения связанных состояний (Дямников, Филин, 1985). Приводится доказательство оптимальности в смысле описания дисперсии исходных данных базиса, состоящего из естественных ортогональных составляющих.

Используемая здесь выборка массива ПГЭП имеет относительно небольшую протяженность во времени (92 суток). Поэтому для определения аномалий сезонные тренда гидрометеорологических характеристик (ТПО, потоки тепла и др.) аппроксимировались в каждом узле . расчетной сетки параболами, коэффициенты которой вычислялись методом наименьших' квадратов. Внутрисезонные аномалии

этих величин определялись как отклонения на каждые сутки от конкретных зимних трендов.

Для воспроизведения внутрисезонных изменений ТПО необходимо в первую очередь точно воспроизводить конкретный сезонный ход характеристик, определяющих поведение ВСО, поскольку относительно имегаю этого сезошюго хода должны определяться аномалии. Даже имея модель океана высокого уровня, этого нельзя сделать для значительной акватории океана, не имея точных начальных и граничных условий. Для локальной модели ВСО необходим еще и учет адвективных переносов'тепла.

Поэтому здесь для преодоления этих трудностей применяется процедура коррекции потоков тепла. Ее суть состоит в том, что локальная балансовая модель ВСО настраивалась, путем вычисления среднего потока тепла, на конкретные для данного года сезонные тренды температур« в каждом узле расчетной сетки. Таким образом, полученный откорректированный поток тепла включает в себя сезонный тренд бюджета тепла поверхности океана, адвекцию тепла крупномасштабными течениями и ошибки, появляющиеся из-за отмеченных выше факторов.

Для акватории Северной Атлантики от 20°с.ш. до 62,5°с.ш. в узлах 2,5-градусной по широте и долготе расчетной сетки в горизонтальной плоскости с вертикальным разрешением от 10 до 50 метров в верхнем трехсотметровом слое, и далее до глубины одного километра 100 метров, была проведена предложенная прюцедура коррекции потоков тепла. В качестве начальных условий использовался климатический массив зимних профилей температуры и солености, подготовленный в Принстонском ушшерситете. В процессе коррекции потоков тепла подавлялись ошибки в поверхностном бюджете тепла и косвенным образом учитывалась средняя адвекция тепла течениями в верхнем перемешанном слое океана. Таким образом, для скорректированного потока тепла Qro в данном районе океана можно записать выражение :

Qf0(t) = Qq(í) + AQ(t) + Qadv(t). (I)

где Qgít) - сезонный трзенд бюджета тепла поверхности океана; ¿Q(t) - тренд ошибок параметризаций модели ВСО, расчетов бюджета тепла и

начальных условий; Qadv(t) - тренд адвекции тепла в ВПС.

Если предположить, что ошибка AQ(t), возникающая в основном 1-4

за счет ошибок в метеохарактеристиках и неточностей в самих методиках определения потоков по Оалк-формулам, имеет случайный

характер, то карту средней за сезон величины <AQ + Qadv>> представляющую собой разность скорректированного потока тепла и

потока тепла на поверхности океана <Qíc(t)-Q0(t)>, с точностью до 10-30 процентов можно рассматривать в качестве схемы среднесезон-ной адвекции тепла течениями в ВПС зимой.

Построенный согласно распределению по акватории Северной

Атлантики величины <Qfc(t)-Q0(t)> меридиональный перенос тепла для зимы I978-1979гг. хорошо согласуется с его климатическими оценками (Lamb Р.Т.,Bunker A.F.,1982). Таким образом, предложенную здесь методику с использованием коррекции потоков тепла по сезонным трендам характеристик для модели верхнего слоя океана можно рассматривать как еще один возможный способ оценки меридиональных переносов тепла в океане.

Далее в главе 3 вычисляется вклад синоптической дрейфовой (в поле ТПО) и крупномасштабной климатической адвекции (в толе АТПО) тепла течениями в тепловой баланс верхнего слоя океана.

Оценки влияния адвекции на формирование аномалий ТПО проводятся в терминах штоков тепла, на основании части эволюционного уравнения для АТПО, полученного в главе 2 диссертации: ат' ат ат — ат1 — аг

h — = q' - (U-— +VI—) - (uh — + vh — ). (2)

at 0 Эх еду Эх Эу

Здесь в правой части первый компонент отражает изменения АТПО аномалиями потоков тепла на верхней (океан-атмосфера) границе ВПС, второй - адвекцией тепла полным потоком аномалий скорости с компонентами U¿ - в зональном и V¿ - в меридиональном направлениях в поле температуры води в ВПС, а третий - адвекцией АТПО средним течением, охватывающим средний активный слой океана. Черта сверху означает среднесезонную величину, а штрих - внутрисезошше отклонения величин.

Будем полагать, что аномалии скорости течений в ВПС на внутрисезоншх масштабах в основном обусловлены возмущениями дрейфового потока, вызываемыми аномалиями в напряжении трения ветра. Компоненты аномалий дрейфового штока рассчитывались по аномалиям напряжения ветрового трения по нестационарной модели, предложенной Гиллом.

Для вычисления третьего компонента правой части (2) использу-

ются климатические течения, полученные для зимнего сезона методом

адаптащш в работе Демина Ю.Л. и др., 1991г. Средняя глубина ВПС Л получалась с помощью балансовой модели ВСО при использовании процедуры коррекции потоков с последующим осреднением за сезон. Компоненты средней климатической скорости и и V осреднялись в слое

Н. Временная изменчивость адвекции определялась, таким образом, возмущениями горизонтального градиента АТПО.

Рассчитанные среднеквадратичные отклонения (СКО) адвективных потоков тепла за зимний сезон сравнивались с СКО аномалий бюджета тепла поверхности океана q¿, в поле которого выражены области высоких значений, относящиеся к зоне высоких ветров (зона шторм-треков , где наиболее часты прохождения циклонов).

Влияние дрейфовой аномальной адвекции слабо сказывается на самих амплитудах колебаний синоптических АТПО, но в отдельных районах (особенно в зоне фронта у Ньюфаундленда) адвекция может приводить к существенным отклонениям ТПО. В области шторм-треков, вытянутой с юго-запада на северо-восток, СКО адвекции превышает 100 Вт/м2, примерно до 55° с.ш. На остальной части акватории эти значения, в основном, не превышают 50 Вт/мг.

В соответствии с этим в названной области вклад дрейфовой адвекции в эволюцию АТПО по отношению к вкладу аномалий потока тепла на поверхности доходит до 30-55 процентов. Этот вклад доходит до 40 процентов и в районе восточной Атлантики. На северо-востоке океана, к западу от Великобритании, и в субтропиках южнее 30°с.ш. вклад дрейфовой адвекции составляет 10 и менее процентов. На большей части акватории этот вклад близок к 20 процентам.

Для поля СКО адвекщш тепла средним климатическим течением в поле внутрисезонных АТПО в пределах среднего ВПС поток более 50 Вт/мг (до 200 Вт/мг) характерен только для Гольфстрима. Поэтому и соотношение вклада средней адвекщш АТПО с СКО аномалий потоков на поверхности значимо только у западного побережья океана в Гольфстриме, где оно составляет 20-40 процентов. На остальной акватории океана вклад средней адвекщш не превышает 5-10 процентов относительно локального атмосферного воздействия.

Далее, для зимы 1978-1979гг. с помощью модели верхнего слоя океана на рассматриваемой акватории Северной Атлантики по полученным корректированным потокам тепла, аномальным бюджету на поверхности океана и адвективным потокам ' тепла двух видов, рассчитывалась внутрисезошая изменчивость ТПО. После расчетов на

сезон модельная ТПО подвергалась процедуре разделения на сезонный тренд и внутрисезонные аномалии.

Отношение СКО модельных АТПО к СКО натурных АТПО за сезон показало, что модель несколько занижает амплитуда синоптических АТПО. Почти на всей акватории океана, за исключением Гольфстрима и района Канарского течения в восточной Атлантике, эти ошибки не превышают 40 процентов.

Для рассмотрения эволюции нижней границы ВПС была проанализирована карта осредненной за сезон толщины ВПС, полученной по результатам работы модели.

Соотношение модельного ВПС и климатического квазиоднородного слоя показывает, что в районах западной границы океана (Гольфстрим) и в субарктике эти величины совпадают (соотношение стремится к 1,0). На остальной акватории отношение толщин ВПС и квазиоднородного слоя составляет 0,4-0,5 и стремится к 0,2-0,1 в области тонкого ВПС на северо-востоке (толщины климатического квазиоднородного слоя здесь достигают 300-500M). Таким образом, это отношение показывает, какой своей частью квазиоднородшй слой активно взаимодействует с атмосферой в среднем за зимний сезон. Очевидно, что если бы с атмосферой постоянно взаимодействовал весь климатический квазиоднородный слой, то возмущения температуры воды на поверхности океана были бы существенно меньше и, следовательно, изменилась бы демпфирующая роль океана по отношению к колебаниям температуры и влажности приводного слоя атмосферы, что должно сказываться и на характеристиках атмосферной циркуляции. В целом наблюдается неплохое пространственное подобие ВПС конкретного сезона и климатического квазиоднородного слоя (по Кузнецову). При этом глубины квазиоднородного слоя заметно больше.

Для проверки полученного результата была рассмотрена вертикальная термохалинная структура верхнего слоя океана по данным учащенных по вертикали (2-5 м) и времени (6 часов) зондирований на станции погода "С". Она подтверждает высказанное здесь предположение о соотношении толщин потенциального квазиоднородного слоя и самого верхнего перемешанного слоя, активно взаимодействующего с атмосферой..

Полученный результат по активному слою океана хорошо согласуется с результатами главы 2 диссертации и работы Van den Dool Н.М. и др., 1988г. Верхняя часть ВПС, где происходят основные изменения ТПО и которая наиболее активно взаимодействует с атмосферой, названа в этих работах активным слоем. Основные причины

его существования зимой - притоки в верхний слой океана положительной плавучести из-за адвекции тепла течениями и из атмосферы в теплых секторах циклонов. В теплый период года весь верхний перемешашшй слой активно взаимодействует с атмосферой.

В главе 4 проводится изучение внутрисезошшх низкочастотных колебаний атмосферной циркуляции и температуры поверхности Атлантического океана с помощью совместной модели общей циркуляции атмосферы и верхнего деятельного слоя северной части Атлантического океана.

Модель общей циркуляции атмосферы разработана в Институте вычислительной математики РАН. Она основана на системе полных нелинейных уравнений гидротермодинамики атмосферы в форме Лэмба на сфере с использованием' вертикальной о-координаты. . Разностный алгоритм обладает свойствами сохранения массы атмосферы, полной энергии и потенциальной энстрофии (квадрата вихря ) в приближении уравнений межой воды (Дымников, Фоменко, 1986).

Разностная аппроксимация пространственного оператора по горизонтали выполнена на разнесенной сетке "С" по. классификации Аракавы, с постоянными шагами по долготе 5° и широте 4°, по вертикали применяется равномерное разбиение на 7 уровней. Разностная схема по пространству имеет второй порядок точности. Интегрирование по времени производится по явной схеме Мацуно с шагом 6 минут.

В качестве модели океана была принята модель верхнего слоя, описанная в главе 3, с той разницей, что при вычислении адвекции тепла дрейфовыми скоростями градиенты температуры рассчитывались в поле климатической ТПО, а климатическими течениями - в поле модельных АТПО. Модель строилась для Северной Атлантики от 20°ю.ш. до 76°с.ш. на сетке с шагами по широте и долготе в I градус. На остальной части акватории Мирового океана задавалась климатическая температура поверхности. По глубине температура и соленость задавались на стандартных океанографических горизонтах в слое 0-1000м. Изменения солености за счет осадков и испарения не учитывались.

Для устранения дрейфа климата, используемая в данной работе модель совместной циркуляции атмосферы и верхнего слоя океана была сбалансирована по климатической температуре поверхности Мирового океана и климатическим распределениям потока тепла и момента импульса на поверхности Атлантического океана. Таким образом, в совместной модели обмен между характеристика!® атмосферы и гкеана

происходил только между их аномалиями, когда климатические величины этих характеристик рассчитывались заранее. Следует, отметить, что подобные балансировки применяются почти во всех современных моделях совместной системы атмосфера-океан. Совместная модель работала в режиме непрерывного января. Поэтому средшДО поток тепла в океан полагался равным нулю.

Числешше эксперименты проводились в три этапа. На первом рассчитывался январский климат модели атмосферы, когда в качестве температуры поверхности океана выбиралась среднеянварская ТПО за 1979г. Начальные условия для состояния атмосферы определялись по дашшм ПГЭП уровня Шб, полученным в Европейском центро среднесрочного прогноза погоды на I января 1979г. Модель считалась на шесть месяцев, данные трех последних месяцев использовались для расчета климатических величин, относительно которых вычислялись аномалии этих величин в совместной модели.

Полученные средаше за 90 суток значешш высот 500мб поверхности, давления на уровне моря, явного и скрытого потоков тепла на поверхности Земли, относительно которых и рассчитывались аномалии потоков при их балансовой коррекции в совместной модели, показывают, что модель атмосферы в целом реалистично описывает основные черты крупномасштабной динамики атмосферы. Эти климатические характеристики вполне согласуются с получаемыми в современных моделях общей циркуляции атмосферы.

На втором этапе рассчитывалась модель ВСО с атмосферным воздействием, полученным из модели атмосферы в результате первого этапа расчетов за последние три месяца. В качестве начальных данных использовались трехмерные массивы температуры и солености, рассчитанные в работах Демина Ю.Л. и др.,1991г. б процессе адаптационных расчетов. Это было сделано для того, чтобы используемые, как и в главе 3, климатические скорости, получению в этих же расчетах, хорошо согласовывались с гидрологическими полями.

Таким образом, на этом этапе расчетов моделировалась вынужденная динамика АТПО, так как здесь моделируемая ТПО не оказывала никакого влияния на характеристики атмосферной динамики, поскольку последние рассчитывались заранее, на предыдущем этапе. Поле средней ТПО, полученной в результате этого этапа расчетов, хорошо согласуется с климатическими данными наблюдений'. На этом этапе расчетов были получены также необходимые для совместной системы атмосфера-океан начальные гидрологические поля, согласо-

ванные с модельным атмосферным воздействием.

На последнем этапе рассчитывалась собственно совместная модель общей циркуляции и ВСО, настроенная на климатические характеристики, полученные на предыдущих двух этапах. Расчеты производились на 180 суток модельного времени.

Численные эксперимента с моделью общей циркуляции атмосферы с климатическим распределенном ТПО и подключенной моделью верхнего слоя океана проводились с целью оценок роли аномалий ТПО в формировашш характеристик атмосферной циркуляции и вклада динамики совместной системы атмосфера-верхний слой океана в формирование аномалий ТПО.

Сравнение СКО АТПО, полученных на втором этапе расчетов и в совместной модели, показало, что практически на всей поверхности Северной Атлантики, за исключением отдельных районов в центре исследуемой акватории, совместная модель дает увеличение амплитуд колебаний АТПО. Такого увеличения величин СКО давления на уровне моря и высоты 500мб поверхности в атмосферной циркуляции при подключении модели верхнего слоя не происходит.

Пространственно-временное изучение динамики совместной системы атмосфера-верхний слой океана проводилось с помощью методов разложения по естественным ортогональным составляющим и выделения связанных состояний (Дымников,Филин,1985). В качестве характеристик совместной системы атмосфера-океан принимались аномалии давления на уровне моря и аномалии высоты 500мб поверхности (аномалии II500) и АТПО. Использовались данные только северного полушария, поскольку модель верхнего слоя океана строилась для северной части Атлантики.

Было показано, что в совместной модели в аномалиях давления и ТПО происходит перераспределение, в смысле вклада в дисперсию, мод, выделенных в моделях атмосферы и ВСО, без обратной связи между ними. Наиболее сильно возбуждаются наиболее связанные моды аномалий давления и температуры поверхности океана, так что они становятся в совместной модели наиболее энергетичными модами в распределениях этих величин. Поэтому наиболее связанное с этой модой АТПО распределение в Н500 является в каком-то смысле откликом на возмущения АТПО. Интересно заметить, что у этой мода есть некоторое сходство с распределением в форме высот аномалий 500мб, выделешшм в работе Дымникова и Филина, 1985г.' по данным наблюдений за Н500 и АТПО и характеризующим связь между ними в зимний период ПГЭП. Оно заключается в том, что имеются трехъячеис-

тые структуры с согласованными знаками с центрами в районах южной оконечности Гренландии, центральной части Северной Атлантики и над' северо-восточной Европой - Южным Уралом.

В заключении формулируются основные результаты, полученные в диссертационной работе.

I, По четырехлетним ежесуточным данным, полученным на океанской станции погоды "Charlie", рассчитай спектр, времена жизни и величины внутрисезонных АТПО. Спектр, построенный по более чем четырехлетнему ряду наблюдений, характеризуется значимы?® пиками на периодах 10,4, 12,8, 20 и 57 суток. Среднее и медианное времена жизни равны 8,6 и 5,3 суток. Средою и медианные величины этих АТПО составляют 0,4-0,6°С и близки к величинам долгопериодных аномалий. Амплитуда внутрисезонных АТПО модулированы годовым ходом (зимой наблюдается минимум амплитуд). В целом величины положительных внутрисезонных аномалий на 15-30% больше величин отрицательных.

На основе четырехкомпонентной модели сделаны оценки вкладов основных физических механизмов в формирование этих АТПО в течение годового цикла в данном районе Атлантики. Показано,что основным физическим механизмом, определяющим эволюцию внутрисезонных АТПО в отсутствии фронтальной динамики, являются аномалии бюджета тепла поверхности океана. Их вклад в изменчивость АТПО составляет в среднем в течение года около 60 %.

Z. Построена балансовая модель эволюции вертикальной термохалинной структуры деятельного слоя океана, хорошо описывающая его изменчивость в широком диапазоне частот. Модель основана на законах сохранения тепла и соли, в ней используется нелинейное уравнение состояния. Глубина верхнего перемешанного слоя (БПС) определяется из баланса турбулентной энергии и потенциальной энергии стратификации.

3. Для зимы 1978-1979гг. на акватории Северной Атлантики проведен анализ характеристик взаимодействия атмосферы и океана по данным ПГЭП. С целью воспроизведения с помощью модели верхнего слоя изменчивости АТПО с периодами от нескольких до десятков суток производилось исключение ошибок в модельном сезонном тренде ТПО. С этой целью применялась процедура коррекции потоков тепла.

Разность сезонных трендов корректированного поток? тепла в верхнем перемешанном слое и теплового бюджета поверхности океана удовлетворительно воспроизводит крупномасштабную адвекцию тепла течениями. На этой основе рассчитан меридиональный перенос тепла

течениями за конкретный зимний сезон, хорошо согласующийся с соответствующими климатическими оценками. Предложен, таким образом, метод расчета меридионального переноса тепла с помощью модели верхнего слоя океана с использованием коррекции штоков тепла.

4. По данным ПГЭП для зимы 1978-1979гг. проведены оценки адвективных потоков тепла, обусловленных аномальными дрейфовыми течениями в поле температуры поверхности океана и климатическими течениями в поле АТПО. С учетом рассчитанных потоков тепла балансовая модель деятельного слоя океана позволяет воспроизводить внутрисезонные колебания температуры поверхности океана с периодами от нескольких до десятков суток на акватории Северной Атлантики. Амплитуды внутрисезошшх АТПО воспроизводятся с ошибками, составляющими в целом по акватории 30-40 %. Наибольшие ошибки связаны с фронтальными процессами, для описания которых требуются особые методы исследований.

5. Показано, что верхний квазиоднородный слой на большей части акватории Северной Атлантики активно взаимодействует с атмосферой на протяжении зимнего сезона примерно лишь верхней третью своей толщины, причем относительная доля этой активной части может существенно меняться по акватории океана.

Вид зависимости спектральной плотности от частоты, наличие годового хода, ограничешгость амплитуд примерно на одном уровне, ответственность за квазилокальную эволюцию сходных физических механизмов, разделение на аномалии фронтальной зоны и открытого океана представляют собой черты подобия внутрисезонных и долгопериодных АТПО.

6. В предложешюй в диссертации постановке эксперимента по моделированию совместной системы атмосфера-верхний слой океана квазибаротропная циркуляция атмосферы слабо зависит от динамики внутрисезошшх АТПО. Практически на всей поверхности Северной Атлантики, за исключением отдельных районов в центре исследуемой акватории, совместная модель дает увеличение амплитуд колебаний АТПО. Такого увеличения величин СКО давления на уровне моря и высоты 500мб поверхности в модели атмосферной циркуляции при подключешш верхнего слоя не происходит. .

В совместной модели в аномалиях давления и ТПО происходит перераспределение, в смысле вклада в дисперсию, мод, выделенных в разомкнутых моделях атмосферы и ВСО. Наиболее сильно возбуждаются наиболее связашше моды аномалий давления и температуры поверхнос-

ти океана, так что они становятся в совместной модели наиболее энергетичшми моДами в распределениях этих величин.

Вторая мода АТПО в данной модели совместной системы атмосфера-океан сидыю связана с первой модой в распределениях аномалий Н500 и является откликом на атмосферное воздействие.

По результатам моделирования совместной системы атмосфера-океан ' можно предположить, что отвечающее первой моде АТПО распределение в аномалиях Н500 является в некотором смысле откликом на возмущения АТПО. Причем у этой моды есть некоторое сходство с распределением в форме высот аномалий 500мб, выделенным в работе Димшпсова и Филина, 1985г. по данным наблюдений за Н500 и АТПО и характеризующим связь между ними в зимний период ПГЭП.

Основные рзультаты диссертации изложены в следующих работах:

1. Мошонкин С.П., Дианский H.A. Моделирование синоптической эволюции верхнего перемешанного слоя в Северной Атлантике с использованием процедуры коррекции потоков тепла//Известия РАН, серия Физика атмосферы и океана. 1992. Т. 28, № 3. С. 294-309.

2. Мошонкин С.H., Дианский H.A. Моделирование верхнего слоя океана в зимний сезон//СПб.: Гидрометеоиздат. Труда РосГМЦ. 1992. Вып. 323. С.98-110.

3. Мошонкин С.IL, Дианский H.A. Диагноз и моделирование аномалий температуры воды верхнего слоя океана в средних широтах. Разработка перспективной модели климата (экспертной системы) на базе новых вычислительных методов и параллельных вычислительных систем (промежуточный отчет)//Деп. № гос.регистрации 0I9I005II83. 1992. С.166-209.

4. Дианский H.A., Мошонкин С.Н., Соколов С.й. Отклик верхнего слоя океана на стохастическое воздействие атмосферы//Океанология (в печати).

5. Мошонкин С.Н., Дианский H.A.Физические механизмы эволюции аномалий температуры верхнего перемешанного слоя океана в средних широтах//Океанология (в печати).

Сдано в набор 14.04.93 Подписано в печать 13.04.93

Формат 60x90 1/16 Печать офсетная

Усл. пвч.л. 1,0 Усл.кр.-от-г. 1,12 Уч.-изд.л. 1,01

Тир. ЮО вкз. Зак. 1965

Производственно—издательский комбинат ВИНИТИ 140010, Люберцы 10, MoäxobCKoft обл., Октябрьский проспект, 403