Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Энергетический обмен атмосферы и океана с учетом мезомасштабных явлений по данным региональных экспериментов

ВАК РФ 04.00.24, Экологическая геология

Текст научной работыДиссертация по геологии, кандидата физико-математических наук, Репина, Ирина Анатольевна, Москва

/

О

Российская Академия наук Институт Физики Атмосферы им. А.М.Обухова

на правах рукописи удк:551.551.8

Репина Ирина Анатольевна

Энергетический обмен атмосферы и океана с учетом мезомасштабных явлений по данным региональных экспериментов

04.00.24 - физика атмосферы и гидросферы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель к.ф.-м.н. Волков Ю.А.

Москва 1999

3

Введение

Проблема исследования энергообмена в системе океан-атмосфера является одной из центральных в геофизике. Это обусловлено появлением ряда теоретических и экспериментальных результатов, свидетельствующих о важной роли океанов в процессах формирования погоды и климата. В настоящее время очевидно, что без учета реальных характеристик этого энергообмена невозможно успешное развитие как моделирования атмосферной циркуляции, так и создаваемых на его основе методов долгосрочного и сверхсрочного прогнозирования погоды и климата. Учитывая, что за последние десятилетия все чаще отмечаются климатические изменения во многих регионах Земли, исследование взаимодействия гидросферы и атмосферы становится все более необходимым понимания природы процессов, протекающих на нашей планете, развития наук гидрологии, метеорологии и океанологии.

Понятие взаимодействия океана с атмосферой охватывает:

1) структуру поверхности океана, образование разных типов волн,

2) потоки тепла, количества движения, вещества, пронизывающие поверхность океана,

3) физико-химические свойства поверхности океана (отражение, поглощение и излучение лучистой энергии, поверхностное натяжение),

4) физические процессы в пограничных слоях океана и атмосферы.

Основу взаимодействия океана с атмосферой составляет обмен энергией и

веществом, содержащимися в водной и воздушной средах. Обмен этот усложнен преобразованиями форм энергии, изменениями фазового состояния и физико-

/ У

О ?

Введение.

химической структуры веществ, переходящих из одной среды в другую. В совокупности эти процессы определяют сложную изменчивость динамического и физико-химического состояния атмосферы и воды, имеющую широкий диапазон проявлений.

В общей проблеме энергообмена между океаном и атмосферой мелкомасштабное взаимодействие занимает особое место, являясь определяющим в обмене теплом, количеством движения и влагой непосредственно через границу раздела взаимодействующих сред. Теоретическое описание и расчет такого взаимодействия очень затруднителен из-за чрезвычайной сложности рассматриваемых физических процессов. Пригодность закономерностей и теоретических положений, полученных в основном для течений в аэродинамических трубах и для пристеночной турбулентности для условий подвижной поверхности раздела море-атмосфера нуждаются в тщательной проверке.

Турбулентный перенос является одним из основных механизмов переноса тепла в атмосфере и океане. Турбулентность определяет распространение примесей в воздушной среде, зарождение ветровых волн на поверхности моря и образование ветровых течений в океане. Турбулентная структура пограничных слоев атмосферы и океана существенно влияет на динамику атмосферы и океана в целом и является одной из наиболее важных особенностей их взаимодействия. Это значит, что физические величины, характеризующие состояние атмосферы и океана, в каждой точке пространства испытывают беспорядочные флуктуации. Точно также в фиксированный момент времени эти физические величины

различны в разных точках пространства. Беспорядочность движения в атмосфере и океане не позволяет во всех деталях описать изменения физических полей как функцию времени и пространства, поэтому для выяснения закономерностей турбулентного движения применяются различные статистические методы.

Изучение закономерностей атмосферной турбулентности является важной задачей геофизики. Через пограничные слои происходит непрерывное тепловое и динамическое взаимодействие, обмен влагой и солями. В погранслоях происходит и значительная часть диссипации турбулентной энергии атмосферных и океанских движений. Осреднение уравнений термо и гидродинамики приводит к появлению в производных соотношениях вторых центральных моментов, т.н. потоков тепла, влаги и количества движения. Появление новых неизвестных величин делает, вообще говоря, систему уравнений незамкнутой. Для ее замыкания необходимо связать возникающие вторые центральные моменты с характеристиками осредненных полей метеоэлементов. Но для этого необходимо определять эти поля экспериментально. Особое значение имеет изучение структуры и механизма турбулентного переноса, статистических характеристик флуктуации физических полей, их связей с параметрами осредненного движения. При этом исследование тепловых потоков над морем представляет ряд повышенных требований к эксперименту.

Энерго- и массообмен между океаном и атмосферой происходит непосредственно через поверхность океана и определяется следующими физическими процессами: испарением, эффективным излучением поверхности

океана и контактной теплопроводностью. Все это происходит в тонкой поверхностной пленке толщиной около 10-20 мкм. Исключительное значение этой контактной зоны, так называемой зоны сгущения жизни, неоднократно подчеркивалось В.И.Вернадским. Изучение состава и структуры поверхностного микрослоя воды, который в значительной степени определяет физико-химические процессы, происходящие на границе раздела, очень важно. Понимание роли этого слоя является ключевым моментом в развитии представления о механизме процессов обмена у границы океана с атмосферой. Кроме того, необходимо учитывать воздействия на природную среду хозяйственной деятельности человека. В настоящее время загрязнение вод Мирового океана, в том числе и его поверхности, стало реальностью, и, в частности, установлено, что нефтяные пленки и пленки поверхностно-активных веществ антропогенного происхождения распространяются на огромные акватории океана. Значительное концентрирование загрязняющих веществ происходит в поверхностном микрослое воды. Все это влияет на обмен энергии с веществом между океаном и атмосферой, так как поверхностное натяжение и другие поверхностные свойства воды весьма чувствительны к загрязнению.

Из энергетических балансов океана наиболее известен его внешний тепловой баланс - количество тепловой энергии, получаемой или отдаваемой океаном через единицу поверхности при взаимодействии его с атмосферой; он складывается из радиационного баланса (остаточного радиационного потока), турбулентного теплообмена и скрытого тепла испарения (или конденсации), льдообразования (или таяния льда). В свою очередь внешний тепловой баланс и

адвекция тепла, связанная с системой действующих течений и горизонтальным турбулентным обменом, создают изменение теплосодержания слоя воды единичного сечения от поверхности до дна океана, характеризуемое полным тепловым балансом.

В общем виде уравнение теплового баланса океана имеет вид:

Ее=&-<2ЭФ ±Ято ±е, ±ев

Здесь С>0 - поглощенная океаном солнечная радиация; (}Эф - эффективное излучение, являющееся разностью между длинноволновым излучением поверхности океана и встречным излучением атмосферы; рик - потери тепла на испарение и приток за счет конденсации; - турбулентный теплообмен поверхности океана с атмосферой; ()л - выделение тепла при льдообразовании и потери тепла при таянии льда; 0>а - теплообмен за счет адвекции тепла течениями; СЬ - теплообмен, обусловленный конвективным и турбулентным перемешиванием.

Количественно процессы теплообмена характеризуются соответствующими потоками тепла, идущими на испарение, эффективное излучение и контактную теплопроводность. Величины этих потоков, в свою очередь, зависят от градиентов температуры, влажности, скорости ветра и интенсивности турбулентности в тонких слоях воды и воздуха вблизи поверхности раздела, а также от температуры этих слоев. Существенную роль при взаимодействии атмосферы и водной среды играют мезомасштабные явления, то есть явления масштаба от десятков метров до нескольких километров. К ним относятся облачные образования, конвективные ячейки, термики, внутренние волны, структурные и температурные неоднородности поверхностной пленки. Эти явления существуют при определенных условиях и расположены в

мезомасштабном минимуме, вблизи низкочастотной границы мелкомасштабной турбулентности. Если область мелкомасштабного взаимодействия изучена достаточно хорошо (по крайней мере, в линейном приближении), то вопрос о теоретическом описании взаимодействия мелкомасштабной турбулентности с мезомасштбными структурами и их влияния на энергообмен пока остается открытым. Также до конца не выявлена роль этих процессов в крупномасштабном взаимодействии гидросферы и атмосферы. Поэтому особое значение приобретает специальное экспериментальное исследование процесса взаимодействия в натурных условиях, где присутствует широкий диапазон изменения масштабов неоднородностей, определяющих тепло и массо обмен между водоемом и атмосферой. Для решения проблемы определения локальных характеристик взаимодействия в системе водоем-атмосфера необходимо непосредственное измерение турбулентных потоков в пограничном приводном слое и последующая их параметризация внешними условиями. Информация, накопленная в результате таких экспериментов может служить основой для построения схемы расчета характеристик локального тепло- и массообмена на основе стандартных гидрометеорологических измерений. С другой стороны, она позволяет лучше понять природу взаимодействия и исследовать вклад явлений различных масштабов.

Региональные исследования взаимодействия атмосферы и гидросферы занимают особое место при решении данной проблемы. Эти исследования часто имеют практическую направленность и проводятся именно для того, чтобы дать ответы на конкретные вопросы практики. Некоторые примеры подобного анализа для отдельных регионов приведены в данной работе. Значительное место в ней занимают исследования взаимодействия с поверхности с атмосферой в акватории Каспийского моря и в полярных районах.

В работе исследуются отдельные составляющие энергетического баланса и их изменчивости в зависимости от конкретных природных условий с учетом мезомасштабных явлений. Целью данной работы является исследование влияния мезомасштабных структур (облачности, структурных и температурных неоднородностей водной поверхности) на составляющие теплового баланса у поверхности воды. Для этого рассматриваются данные региональных экспериментов, проводившихся в Атлантическом океане, Каспийском море и Северном Ледовитом океане. Используются результаты прямых измерений турбулентных потоков, дистанционного зондирования температуры поверхностной пленки, а также результаты математического моделирования и различные параметризации. В этой связи решаются следующие задачи:

• Исследование влияния облачности на радиационный перенос в атмосфере и процессы в атмосферном пограничном слое;

• Изучение влияния мезомасштабных структур на атмосферную турбулентность, оценка масштабов структур с использованием различных статистических методов;

• Исследование влияния температурных и структурных особенностей поверхностной пленки на энергообмен;

• Исследование взаимодействия атмосферы с подстилающей поверхностью в полярных районах с учетом особенностей структуры поверхности.

В первой главе рассматриваются особенности переноса солнечной радиации в облачной атмосфере, а также влияние облачности на процессы в погранслое. Исследуется роль облачности в процессе энергообмена, влияние микроструктуры облаков. Предложен и проверен на комплексе данных простой метод оценки оптической толщины сплошной облачности нижнего яруса. По данным эксперимента на Звенигородской научной станции оценен эффект

влияния облаков на радиацию. Проведена серия расчетов динамики атмосферного пограничного слоя над океаном с учетом радиационно-облачных взаимодействий.

Во второй главе рассматривается турбулентный обмен между атмосферой и океаном при наличии в атмосфере и на поверхности мезомасштабных структур (облачные гряды, конвективные ячейки, термики). Исследуется взаимодействие мезомасштабных структур и микротурбулентности. С помощью статистических методов (Фурье-анализ, вейвлетанализ) оцениваются масштабы и пространственное распределение структур по натурным данным прямых измерений потоков. Оценивается вклад структур в турбулентный теплообмен.

В третьей главе исследуется влияние на теплообмен структуры поверхностной пленки. Используются данные, полученные во время измерений на Каспийском море. Получены зависимости параметра аэродинамической шероховатости от скорости ветра для мелкого моря; исследуется термическая структура поверхностной пленки, ее разрушение при волнении. Рассматривается вопрос о влиянии нефтяных пленок на теплообмен.

В четвертой главе рассматриваются особенности теплообмена в полярных областях. Обсуждаются различные методы измерений турбулентных потоков в полярных условиях. Исследованы коэффициенты обмена в балк-формулах для различных типов подстилающей поверхности. Исследуется теплообмен над полыньями и разводьями.

Результаты, предложенные в данной работе, опубликованы в 25 статьях и докладывались на семинарах и конференциях, в том числе международных.

Глава 1. Радиационные и облачные связи в пограничном слое

атмосферы

Потоки солнечной и длинноволновой (тепловой) радиации являются основными составляющими полного энергетического баланса у поверхности Земли. Но, прежде всего, лучистая энергия Солнца (солнечная радиация) - это источник жизни на нашей планете и главный фактор, образующий климат. Превращение солнечной радиации в тепловую и химическую энергию обеспечивает возможность развития жизни на Земле. Такие научные дисциплины, как метеорология, физическая география, физиология растений и животных, экология широко применяют данные о радиационных потоках в исследовании различных физических и биологических процессов. При этом необходима подробная и качественная информация о радиационном балансе как отдельных областей, так и больших регионов и, в конечном счете, всего земного шара. Изменения радиационного режима могут привести к катастрофическим последствиям в масштабах всей планеты. Поэтому столь важно исследование влияния на составляющие радиационного баланса как человеческой деятельности, так и естественных изменений в атмосфере связанных, например, с крупными извержениями вулканов.

Основным регулятором лучистого теплообмена в атмосфере является облачность. Вместе с тем, облачность сама изменяется под влиянием эволюции крупномасштабных процессов, энергоснабжение которых она регулирует. Таким образом, механизм взаимодействия излучения и облачности сложен, и изучение его представляется важной и трудной задачей, для решения которой необходим

всесторонний анализ натурных наблюдений. [Авасте и др., 1981; Баева и др., 1975; Леонтьева, Плахина, 1987]

Регулярные измерения радиационных потоков проводятся на актинометрических станциях, расстояния между которыми часто весьма велики. Для многих очень обширных районов Земного шара данные о радиационном режиме полностью отсутствуют. Кроме того, многие станции получают лишь частичную информацию о радиационном режиме. В последние десятилетия широкое распространение получил спутниковый мониторинг радиационных потоков и параметров облачного покрова.[Rossow et al., 1985; Saunders&Kliebel., 1988] Возможность получения глобальной оперативной информации делает спутниковые измерения важным элементом системы наблюдения за радиацией и облачностью. Но при спутниковом мониторинге теряются данные о радиационном балансе у поверхности земли, и для валидации спутниковых измерений необходимо проведение наземных подспутниковых экспериментов. [Leese, 1993; FIRE..., 1991 ]

Недостающие данные могут быть получены с помощью расчетов. Применение расчетных методов возможно, так как радиационные характеристики связаны между собой и с метеоданными. Зависимости, носящие физический характер, устойчивы и могут быть обобщены для разных условий. Необходимость иметь хотя бы приближенное представление о радиационных условиях больших территорий способствовала выработке общих методов расчетов, применимых для пунктов с различными метеорологическими и климатическими условиями.

В настоящее время существуют различные методы расчета переноса солнечного излучения в атмосфере.[Радиационные алгоритмы..., 19