Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Исследование внутрисезонной изменчивости летнего индийского муссона

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Исследование внутрисезонной изменчивости летнего индийского муссона"

и 9 3,

V

ИНСТИТУТ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ МАТЕМАТИКИ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи

ВОЛОДИН Евгений Михайлович

УДК 551.513

ИССЛЕДОВАНИЕ ВНУТРИСЕЗОННОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ ЛЕТНЕГО ИНДИЙСКОГО МУССОНА

04.00.22 — Геофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА 1992

Работа выполнена в Институте вычислительной математш-Российской академии наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

В. Н. лыкосов

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук В. Б. ЗАЛЕСНЫЙ, кандидат физико-математических наук П. Ф. ДЕМЧЕНКО

Ведущая организация: Гидрометеорологический нау но-исследовательский центр РФ

Защита состоится час!

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

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Институ вычислительной математики РАН.

Автореферат разослан «

1992 г.

Ученый секретарь ^^

специализированного совета / '

кандидат физико-математических наук ФИНОГЕНОВ С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш

В последнее время усиливается интерес к изучению летнего индийского муссона. Происходит это как из-за того, что муссон и в первую очередь осадки, связанные с ним, оказывают определяющее влияние на сельское хозяйство стран Юкной и Юго-восточной Азии, так и потому, что муссонная циркуляция играет важную роль в общей циркуляции атмосферы, и для дальнейшего изучения динамики атмосферы, безусловно, необходимо понять механизмы взаимодействия летнего индийского муссона с тропической и внетропической циркуляцией.

Внутрисезонная изменчивость муссонных осадков состоит из чередования, обычно с периодом 10-40 сут., активного муссона, когда большая часть Индии получает осадков больше нормы, и перебоя, когда осадки выпадают в основном на крайнем юге и северо-востоке. Причины таких колебаний до конца не ясны, но существует несколько гипотез: связь с тропическими 40-50-дневными колебаниями конвекции и вызванное ими периодическое движение тропической зоны конвергенции с юга на север; гипотеза взаимодействия муссонной циркуляции со средними широтами. Согласно последней, в периоды слабого зонального потока в средних широтах над Евразией среднеширотные волны имеют большую амплитуду и могут проникать на север муссонного района, вызывая перебой муссона. Проверке этой гипотезы по данным наблюдений и численных экспериментов и посвящена эта работа.

Цели диссертационной работы

Целями диссертационной работы являются:

1. Исследовать влияние среднеширотной циркуляции на летний муссон по данным наблюдений.

2. Воспроизвести межгодовую и внутрисезонную изменчивость муссона с помощью модели общей циркуляции.

3. Исследовать причины внутрисезонной изменчивости модельного . муссона.

Научная новизна

Проведен анализ атмосферной циркуляции во время периода активного муссона и перебоя по данным 1979г. Рассмотрено возможное влияние средних широт на муссонную циркуляцию.

Изучены корреляционные связи индийских осадков и геопотенциала 500 мб поверхности по 20-летнему ряду наблюдений.

Исследовано воспроизведение модель» общей циркуляции атмосферы ИВМ среднеиюльской циркуляции и аномалий 1987 и 1988 гг., в том числе и летнего индийского муссона.

Исследованы причины внутрисезонной изменчивости летнего индийского муссона, полученного в модели. Практическая ценность Выбрана наиболее подходящая к модели из рассмотренных схема параметризации конвекции для воспроизведения среднеиюльской циркуляции.

Написан вариант программы модели общей циркуляции атмосферы, распараллеливаемый на МВК Эльбрус-2, а также вариант программ блоков погранслоя и глубокой конвекции, векторизуемых на ЭВМ CRAY. Апробация работы Основные результаты докладывались на семинаре лаборатории общей циркуляции атмосферы ИВМ РАН в 1991-1992гг., часть результатов

докладывалась на семинаре кафедры метеорологии МГУ, а также на рабочем семинаре М0ШЗ (Болдер, США) в 1991г.

Публикации. По результатам работы имеются 3 публикации.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Диссертация изложена на 98 страницах, включая 30 страниц рисунков, 3 таблицы и 2 приложения. Список литературы содержит 62 наименования.

Содеряание работы

Во введении приводится обзор литературы по следующим вопросам: причина муссонной циркуляции - неравномерное нагревание суши и океана; наблюдение и моделирование межгодовой изменчивости муссона и ее связь с южным колебанием; характер внутрисезонной изменчивости и ее моделирование; предсказание муссона с помощью моделей общей циркуляции атмосферы. Обосновывается актуальность темы, формулируются цели исследования и кратко излагается структура диссертации.

В первой главе проверяется гипотеза влияния средних широт на муссонную циркуляцию. Анализируются данные ПГЭП за июнь-июль 197ь»г., содержащие по одному периоду активного муссона (22-26 июня) и перебоя (27 июня - 7 июля). Сравнивается атмосферная циркуляция в северном полушарии во время той и другой фазы муссона.

Сравнение показывает, что во время активного муссона возросла интенсивность вихрей в высоких широтах, а во время следующего за ним перебоя - на юге средних широт и в субтропиках восточного полушария. Горизонтальная компонента потока Элиассена-Пальма, показывающая направление групповой скорости планетарных волн, была направлена во время активного муссона в основном на север, а во

1-2

время перебоя в основном на юг, что говорит о возможном распространении волн из средних широт в муссонный район во время перебоя.

Непосредственно севернее муссонного района во время перебоя происходил перенос холодного воздуха с севера, о чем свидетельствует временной ход температуры и геопотенциала 500 мб поверхности в Западной и Восточной Сибири, Тибете и северной Индии.

Во время перебоя наблюдался блокинг над Восточной Сибирью.

Вместе с тем, скорость западного ветра в средних широтах не была меньшей во время перебоя. В составляющих энергетического цикла Лоренца, проинтегрированного по северному полушарию, также не было заметных отличий во время той и другой фазы муссона.

Для более обоснованного заключения о влиянии средних широт на муссонную циркуляцию необходимо было по той же методике обработать более длинный временной ряд наблюдений или численных экспериментов.

Во второй главе приводится описание модели ИВМ, использованной для численных экспериментов. Использовался вариант модели, решающий примитивные уравнения гидротермодинамики атмосферы в форме Лэмба конечно-разностным методом, с шагом сетки 5° по долготе, 4° по широте и 7 уровнями по вертикали, с полным набором физических параметризаций.

Сначала проводились эксперименты в режиме непрерывного июля с тремя различными параметризациями глубокой конвекции: конвективного приспособления, схемой Куо-65 и модифицированной схемой Куо-74. Из сравнения средних по времени характеристик друг с другом и с наблюдаемыми следует, что в этом варианте модели

- 5 -

лучше всего использовать схему Куо-74.

Затем описаны эксперименты по моделированию аномалий тропической циркуляции летом 1987 и 1988 гг. Использовались начальные данные за 2 июня того и другого года и температура поверхности океана: климатическая и наблюдавшаяся в том и другом году, осредненные по месяцам. В 1987г. в Африке и Индии муссон был слабым, а в 1988г. около нормы или сильнее. Наблюдались и другие заметные отклонения летнего сезона одного года от другого. Вместе с этим, в 1987г. была теплая фаза Эль-Ниньо, а в 1988г. холодная. Эксперименты, предложенные рабочей группой T0GA/M0NEG, должны были дать ответ на вопрос, насколько аномалии тропической циркуляции были вызваны аномалиями ТПО и может ли модель воспроизвести их.

Модель неплохо воспроизвела как многие черты средней циркуляции 1988г., так и аномалии 1987г. и 1988г., в том числе и индийского муссона. Значит, аномалии циркуляции во многом были вызваны аномалиями ТПО.

Отличия результатов экспериментов с различными начальными данными и климатической ТПО были близки к нулю для всех рассмотренных полей, кроме осадков.

Модель плохо воспроизводит аномалии тех величин, средние значения которых также не соответствуют реально наблюдавшимся. Так, завышено количество осадков в Африке и неправильно воспроизвелось поле приземного давления в южном полушарии, а также динамика над горными пиками.

В третьей главе проводится подробный анализ внутрисвзонной изменчивости модельного муссона, полученного в численных экспериментах, описанных в главе 2.

Модель воспроизводит начало и окончание муссона, а также его

1-3

колебания (активный муссон - перебой), похожие на те, что наблюдаются в действительности. Спектры осадков в Индии имеют пики на периодах -3-6, 10-15 и 20 дней.

20-дневные колебания определяются глобальными колебаниями конвекции в тропиках, подобными известным из наблюдений 40-50-дневным.

Однако часть изменчивости муссона происходит из-за влияния средних широт. Отмечено несколько перебоев муссона, которые сопровождались переносом холодного воздуха из средних широт на север муссонного района.

Не удалось увидеть усиления вихревой активности и преимущественного распространения планетарных волн к югу во время перебоев муссона, видимо, потому, что не совсем адекватно воспроизводится сама динамика средних широт: струйное течение северного полушария находится севернее своего наблюдаемого положения, у 60°с.ш., стационарные волны выражены сильнее, чем по данным наблюдений.

Активность муссона коррелирует с индексом циркуляции в северном полушарии (энергией зонального ветра), но здесь, наверное, проявляется влияние тропической циркуляции на среднеширотную, так как корреляция максимальна, если муссонные осадки опережают зональную энергию на 2-3 дня. Подобное влияние тропических широт на средние описано и в литературе.

В четвертой главе описываются результаты корреляционного анализа полей процентного отклонения от нормы индийских осадков, осредненных внутри каждого из 32 метеорологических подразделений Индии, и геопотенциала 500 мб поверхности в северном полушарии на сетке 5°х 5°. Данные были осреднены по неделям.

Сначала приводятся основные положения EOF и МСР-энализа.

Затем рассматриваются ЕОР-векторы индийских осадков. На всех рассмотренных временных масштабах: 20-дневные колебания, 40-дневные колебания, межгодовая изменчивость, а также для нефильтрованных (первоначальных) дашшх первый вектор, на который приходится во всех случаях около 40% изменчивости, выглядит примерно одинаково: над большей частью Индии вектор имеет один знак, а над крайним югом и северо-востоком - другой, т.е. соответствует изменению фазы муссона (активный муссон - перебой) на внутрисезонных масштабах, или преобладанию той или иной фазы на межгодовом.

Корреляция осадков в центральных районах Индии со скоростью зонального ветра положительна, а с интенсивностью вихрей отрицательна на широтах 30-50°с.ш., величины корреляций значимы с 95% уровнем достоверности и максимальны по абсолютной величине, если осадки запаздывают на 3-6 дней. Это подтверждает гипотезу о влиянии средних широт на муссонную циркуляцию.

ЕОР-анализ полей геопотенциала в восточном полушарии показывает, что I вектор, 18% изменчивости, об'ясняет изменчивость, связанную с наличием или отсутствием блокинга над Северным Уралом, П, 14% изменчивости, представляет из себя волновую картину, а П, 11% изменчивости, имеет один знак в высоких широтах и противоположный в субтропиках и об'ясняет колебания индекса циркуляции в средних широтах.

МСР-анализ полей геопотенциала и осадков показал, что I вектор. осадков похож на их I EOF-вектор и на всех временных диапазонах об'ясняет 30-40% изменчивости. А соответствующий ему вектор геопотенциала (9-10% изменчивости) noxos на П EOF-вектор, причем

слабым осадкам на большей части Индии соответствует положительная аномалия геопотенциала в высоких широтах и отрицательная в субтропиках, также на всех рассмотренных временных диапазонах.

Такая картина сохраняется, если рассматривать МСР-векторы, когда осадки запаздывают относительно геопотенциала на 1-10 дней, а если осадки опережают, то пространственное распределение I вектора геопотенциала становится более сложным.

Но невысокие корреляции между коэффициентами при первых векторах (хотя и значимые) говорят о том, что муссонные осадки определяются не только событиями в средних широтах.

Преимущественных положений блокингов во время перебоев муссона найти не удалось.

Основные результаты диссертации:

В рассмотренном периоде 1979 года перебой муссона сопровождался усилением вихревой активности в средних широтах восточного полушария и переносом холода в муссонный район.

Модель ИВМ неплохо воспроизводит как среднеклиматические черты общей циркуляции, в том числе и основные элементы азиатского муссона, так и отличия 1988 года от 1987.

В модели получилась качественно похожая на наблюдаемую внутрисезонная изменчивость индийского муссона.

20-дневные колебания модельного муссона происходят из-за распространения с запада на восток экваториально-захваченных колебаний, известных по наблюдениям как 40-50-дневные. В модели они происходят примерно в два раза быстрее.

Другая часть изменчивости муссона вызвана ■ периодическим переносом холода из средних широт на север муссонного района.

По данным модели не удалось обнаружить усиления активности

ультрадлинных волн во время перебоя муссона, скорее всего потому, что не очень хорошо воспроизводится изменчивость циркуляции в средних широтах.

Результаты анализов 20-летнего ряда данных показывают: характер изменчивости муссонных осадков как на внутрисезонных, так и на межгодовом масштабе одинаков и представляет из себя чередование активного муссона и перебоя в первом случае и преобладание в сезоне одной из этих двух фаз во втором.

Перебоям муссона на 3-6 дней предшествует увеличение интенсивности вихрей и ослабление зонального ветра на 35-45°с.ш. Характер корреляций индийских осадков и геопотенциала примерно одинаков на всех рассмотренных временных масштабах: 20-дневном, 40-дневном и межгодовом. Перебою муссона соответствует положительная аномалия геопотенциала в северных широтах и отрицательная в субтропиках восточного полушария.

Во время перебоев, действительно, нередко возникают блокинги на севере Азии, но распределены по долготе они почти равномерно, мест их предпочтительного расположения увидеть не удалось.

- 10 -

Публикации по теме диссертации:

1. Шанкар Рао М., Лыкосов В.Н., Дегтярев А.И., Никитин А.Е., Володин Е.М., Кусума Рао. Диагноз и моделирование характера планетарной циркуляции при различных фазах летнего индийского муссона// Метеорология и гидрология. 1992. #2. С.5-13.

2. Е.М.Володин. Численное моделирование внутрисезонной изменчивости летнего индийского муссона// Метеорология и гидрология (принято в печать).

3. Lykosaor V.N., Volodln Е.М. Seasonal simulation of the Northern Hemisphere aunraer circulation of 1987 and 1988 //Simulation of lnterannual and lntraaeasonal monsoon variability, report of workshop, National Center for Atmospheric Research, USA, 1992, p.2.95-2.99.