Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Исследование воздействия нестационарных атмосферных возмущений на крупномасштабную циркуляцию океана

ВАК РФ 11.00.08, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Исследование воздействия нестационарных атмосферных возмущений на крупномасштабную циркуляцию океана"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ОКЕАНОЛОГИИ им.П.П.ШИРШОВА

На правах рукописи

К0НДРАТЫГЗА ОЛЬГА ВЛАДИМИРОВНА

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НЕСТАЦИОНАРНЫХ АТМОСФЕРНЫХ ВОВМУЩЕНКЙ НА КРУПНОМАСШТАБНУЮ ЦИРКУЛЯЦИЮ ОКЕАНА.

Специальность 11.00.08 - океанология УДК 551.465

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико - математических наук

Москва - 1993

Работа выполнена в Лаборатории моделирования климата океана Института океанологии им.П.П.Ширшова РАН

Научные руководители:

доктор физико-математических наук, профессор Д.Г.Сеидов доктор физико-математических наук А.Л.Берестов

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Ю.А.Иванов кандидат физико-математических наук П.Ф.Демченко

Ведущая организация:

Государственный океанографический институт

в час. мин. на заседании Специализированного совета К. 002.86.02 в Институте океанологии им.П.П.Ширшова РАН по адресу: 117218, г.Москва, ул.Красикова, 23

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института океанологии им.П.П.Ширшова РАН

Защита состоится

Афтореферат

Ученый секретарь Специализированного сове кандидат географических

СЕаИ ХАРЖЭ>55СТЕ1А РАВОТО.

Актуальность исследования.

В последнее время большое внимание уделяется математическому моделированию океанских и атмосферных процессов. Особую роль при этом играют идеализированные модели крупномасштабной динамики океана, которые с одной стороны способны датъ понимание основных процессов формирования и иоменчивости течений, а с другой стороны являются простыми при реализации на ЗВЫ. Сейчас уже очевиден тот факт, что синоптические вихри являются энергетически значимым и повсеместным явлением в океане. Поэтому современные численные модели крупномасштабной динамики океана должны быть вихреразрешащими. Они не должны игнорировать процессы синоптического масштаба, т.е. процессы неустойчивости струйных течений и взаимодействия вихрей синоптического масштаба между собой и с крупномасштабными течениями.

Известно, что атмосфера, воздействуя на океан, играет определённую роль в формировании основных океанских течений. Особое значение при этом играют штормы. Штормы, или интенсивные циклоны средних широт, являются ваяным фактором функционирования крупномасштабной системы океан - атмосфера. Без учета воздействия штормов на океан, по - видимому, трудно понять многие аспекты внутренней динамики глобальной океанской иркуляции и ее синоптической изменчивости. В последнее время океанологи более склонны считать штормовое воздействие одним из возможных источников вихреобразования "в океане в дополнение к неустойчивости течений и орографическим факторам. Ураганы и шторма обладают достаточной энергией как для того, чтобы вызывать меандрирование основных океанских течений, т.е. выступать косвенной причиной вихреобразования, так и для того, чтобы генерировать синоптические вихри в своей окрестности прямым атмосферным воздействием.

Исследованию реакции .океана на воздействие тропических ураганов уделялось большое внимание . Казалось, что именно такие сильные атмосферные воздействия должны вносить наиболее существенный вклад при передачи энергии от атмосферы к океану. Однако, тропические ураганы, хотя они и обладают большой энергией, явление более редкое, чем циклоны средних.широт. И, возможно, именно интенсивные циклоны средних широт играют сущест-

венную роль ке только в формировании погоды средних широт, но и сказьшаит воздействие на крупномасштабную динамику океанских вод. I

Вопрос о том, какую роль играют нестационарные атмосферные возмущения средних широт в формировании и изменчивости океанских течений очень интересен. Этой проблеме посвящена предлагаемая диссертационная работа.

Цель и основные задачи исследования:

Целью предлагаемой работы является исследование реакции крупномасштабной циркуляции океана на воздействие штормов с помощью численной вихреразрешающей модели океанской циркуляции, В связи с этим были поставлены следующие задачи:

1. Моделирование синоптических процессов в замкнутом идеализированном бассейне на _/8 - плоскости под воздействием атмосферных циклонов.

2. Исследование реакции баротропного океана на воздействие стохастических атмосферных возмущений в канале на сфере.

3. Исследование воздействия нестационарных атмосферных возмущений на циркуляцию вод Северной Атлантики.

4. Баротропное представление бароклинных процессов, происходящих в океане. Имитация бароклинных эффектов с помощью стохастической накачки.

Научная новизна исследования.

Автором получены новые результаты по моделированию реакции океана на штормовые воздействия, имитируемые движущимися циклонами и стохастическим источником завихренности. . Продемонстрирована возможность возникновения крупномасштабных движений в океане под действием нестационарных атмосферных возмущений. Проведены расчеты напряжений и работы напряжений Рей-нольдса, дающие предсталение о взаимных трансформациях кинетической энергии в результате нелинейных взаимодействий между вихрями и средним течением. Показано, что важным фактором отхода струи Гольфстрима от берега и возникновения неустойчивости струйного течения, может являться воздействие нестационарных атмосферных возмущений. Проведенные расчеты спектров кинетической энергии показали, что в случае стохастического внешнего воздействия в поведении кинетической энергии во времени кроме характерного периода для волн Россби возникают еще более длиннопериодные колебания, которые существенно больше, чем период возбуждающей стохастической силы. Сделана попытка учесть

барошшнные эффекты в задаче, путем введения в Саротропное уравнение эволюции абсолютной завихренности стохастического источника завихренности.

Практическая ценность.

Полученные результаты мокко использовать как в теоретических исследованиях мирового океана, так и при численном ко-делировании океанской циркуляции, а такг-е при планировании экспериментальных исследований.

Апробация работы.

По теме диссертации опубликованы три работы. Результаты работы докладывались на семинарах лаборатории Моделирования климата океана и лаборатории Динамики и климата знергоактизпых зон в институте океанологии РАН, на третьем всесоюзном симпозиуме океанологов в Таллине, на семинаре в Государственном океанографическом институте, на семинаре в Океанском университете г. Диндао ( Китай ).

Структура и обьем работы.

Диссертация состоит из' введения, четырех глав и заключения. Объем работы составляет страниц машинописного текста, включая рисунка и 3 таблицы. Список литературы содержит . наименований.

сощртпз работы

Во введении обосновывается актуальность выбранной теш, формулируются основные задачи проводимого исследования, и дается краткое содержание работы по главам.

Первая глава является обзорной. В первом параграфе рассматриваются процессы синоптической изменчивости в океане, роль синоптических вихрей в формировании погоды и климата океана. Некоторые примеры моделирования гидрофизических океанских полей, структура и эволюция которых обусловлена взаимодействием с атмосферой обсуждаются во втором параграфе. В третьем параграфе выписываются основные уравнения геофизической гидродинамики в сферических координатах и выводятся уравнения для моделирования баротропных океанских течений в сферической у декартовой системе координат на р - плоскости.

Во второй главе представлены результаты исследования реакции баротропного океана на воздействие движущихся циклонов. Моделировались течения в замкнутой прямоугольной области с

ровным дном на р - плоскости, возникающие под действием стационарного ветра и движущихся циклонов.

В первом параграфе рассматривалась численная модель для исследования реакции баротропного океана на воздействие атмосферных циклонов в замкнутом идеализированном бассейне на р -плоскости. В модели численно решаются два уравнения: во - первых это уравнение эволюции суммарной завихренности:

где Н - глубина океана, Ь - время, ось х направлена на восток, у - на север, Л - якобиан, А1 - коэффициент горизонтального обмена импульсом, & - параметр, описывающий сток завихренности через дно бассейна, Г - То + р у - параметр Кориолиса, Р - источник завихренности за счет внешних воздействий.

Второе уравнение модели - это уравнение Пуассона отражающее связь между функцией полных потоков и относительной завихренностью полного потока: ¿0 *

В начальный момент времени жидкость покоилась. На границах принимались условия непротекания и свободного скольжения.

Для решения уравнения суммарной завихренности использовалась схема центральных разностей с диффузией вихря на г, 1 шаге и якобианом, аппроксимированном по схеме Аракавы. Уравнение Пуассона обращалось итеррационным методом верхней релаксации.

Во втором параграфе рассматривалась имитация штормового воздействия группой движущихся циклонов.

Внешний источник завихренности состоит из двух частей. Во-первых это ротор зонального напряжения трения стационарного ветра П - V , где - 0, -соз(2Л:у/Ьу)

, Ьу - размер бассейна по оси у. Такой стационарный ветер создает двухячейковую циркуляцию в замкнутом бассейне. Эту циркуляцию мы будем рассматривать как некоторое стационарное поле, на которое накладываются штормовые воздействия. Завихренность имитирует внешнее воздействие атмосферного циклона.

Ъ Г0-е.хр(Пу¡Г ¡Х--Х.М1) .•

Уо - координата начального положения циклона по оси у, Хо(Ь) -координата положения центра циклона по оси х в зависимости от времени, Го - амплитуда воздействующего циклона, / - характеризует размер вихревого образования. Циклоны перемещались вдоль круга широты по центру области с запада на восток с постоянной скоростью. Когда циклон выходил за восточную границу

области, с запада появлялся новый, т.е. имела место периодичность прохождения циклонов.

В третьем параграфе описываются численные эксперименты.Было проведено шесть численных экспериментов, в которых варьировались: внешнее воздействие,интенсивность циклонов, и поступательная скорость движения циклонов. Рассматривалось три варианта внешнего воздействия: - когда дует только стационарный ветер, когда на стационарное поле ветра накладываются воздействие циклонов и когда отсутствует стационарный ветер и движение вод в бассейне происходит только под действием движущихся циклонов .

Численные эксперименты проводились в области размером 800 х 800 км. Южная граница области находилась на 30°с.ш.. Параметры численных экспериментов: AI - 1.10есмг/с, Дх - Д у -20 км, Н 4 км, Д t - 10 v с, L - 200 км.

Под действием стационарного ветра в бассейне формируется двукольцевая циркуляция с симметричными антициклоническим круговоротом на юге и антициклоническим на севере.

Под воздействием циклонов, двигающихся в зональном направлении по средней широте области, т.е. приблизительно вдоль струи, разделяющей циклональный и антициклональный круговороты циркуляция заметно изменилась. Действие группы циклонов значительно усиливает циклоническую циркуляцию. Струйное течение, разделяющее циклонический и антициклонический круговороты заметно смещается к югу, особенно в своей аападной части.

С увеличением интенсивности циклонов циклоническая циркуляция еще больше усиливается, вплоть до того, что в западной части области проникает практически до южной границы области. При этом антициклоническая циркуляция становиться значительно слабее своего стационарного аналога и сдвигается' к центру области.

Для оценки энергетических соотношений мевду вихревыми и средними движениями вычислялись кинетическая энергия КЕ, кинетическая энергия среднего по времени движения КЕМ, кинетичес-■ кая энергия вихревого поля KEED и работа напряжений Рейноль-дса, определяющая поток энергии от кинетической энергии среднего движения к кинетической знергии вихрей: Расчеты пространственных распределений работы.напряжений Рейнольдса- показали, что наряду с диссипацией энергии крупномасштабных течений вихрями существует и обратный процесс, -когда вихри передают

свою энергию средним движениям, образуя, или " подпитывая " тем самым струю. Наибольшая "подпитка" струи вихрями происходит в западной части энергоактивной зоны, и там, где струя начинает меандрировать.

Под действием циклонов струйное течение становится неустойчивым. В результате неустойчивости струйного течения - аналога Гольфстрима генерируются вихри. При взаимодействии вихрей и струйного течения происходит его интенсификация в западной части области и меаадрирование в центральной.

С увеличением скорости зонального движения циклонов усиливается зональная компонента скорости струйного течения, увеличивается кинетическая энергия среднего движения, а средняя по времени кинетическая анергия вихревого движения уменьшается. В целом по области средняя по времени полная кинетическая энергия системы растет.

Представляют интерес результаты эксперимента, когда стационарное ветровое воздействие отсутствует и движение вод в замкнутом бассейне вызывается только движущимися циклонами. Под действием циклонов формируется устойчивая циклоническая циркуляция. Это говорит о том, что в замкнутом океанском бассейне возможно возникновение крупномасштабных движений под действием только локальных атмосферных вихрей - циклонов. Пространственное распределение поля работы напряжений Рей-нольдса показало, что в среднем по области, преобладает процесс передачи кинетической энергии от вихрей к среднему.

В третьей главе изложены результаты численных экспериментов по моделированию синоптических движений баротропной жидкости в зональном канале на сфере под действием стохастического внешнего источника, интерпретируемого как локализованное действие штормов.

В первом параграфе рассматривается численная модель для изучения синоптических движений баротропной жидкости в зональном канале на сфере.

Наблюдаемая в природе атмосферная- циркуляция является достаточно сложной системой, в которой на стационарные поля ветра постоянно накладываются случайные флуктуации - циклоны и антициклоны. Поэтому возможно моделировать локальное действие штормов в виде стохастической внешней силы.. Рассматривалось поведение вдоль так называемых шторм - треков или движение в областях океана, над которыми имеет место усиленный циклогенез

к прохоядеиие крупных атмосферных вихрей, создающих флуктуирующей внеЕнкй источник завихренности воды.

Физическая модель баротропного океана представляет собой канал постоянной глубины на сфере, ограниченной вертикальными стенками на кругах широта и периодический в зональном направлении. Движение в канале описывается квазигесстрофическ™ уравнением зволюцик абсолютной завихренности

( обозначения те же, что и ранее)

В начальный момент времени етдкость покоилась. На северной и ежой стенках канала принята условия нэпротекания и свободного скольгкения. На западной и восточной' границах приняты периодические граничные услоеия. Конечно - разностная аппроксимация уравнений аналогична предыдущему случаю на р - плоскости.

Во втором параграфе обсуждается имитация штормового воздействия стохастическим источником вихря. Мы имитируем проход-дение над акваторией океана серии случайных атмосферных вихрей вдоль некоторой траектории, которую мы называем иторм - треком. Пространственная структура поля стохастического источника задается так, чтобы возбуждались флуктуации с синоптическим масштабом.

Максимальная длина волны составляла две длины бассейна, минимальная задается равной 200 километрам, КА и Ка - волновые числа по широте и долготе, Ц и - размеры бассейна по широте и долготе, Го - амплитуда, и А& - случайные фазы для волноеых векторов, они задавались при помощи датчика случайных чисел так, что их значения находились в пределах от - X д о Л .

Чтобы локализовать действие атмосферных вихрей как это имеет место в реальности в узких полосах или на шторм - треках, выбиралась широта максимального воздействия, по обе стороны от которой поле ¥2 модулируется затухающим экспоненциальным множителем, у) = ¡¿(х-/у эе/У-

в котором характеризует ширину полосы, захватываемой

штормом.

Чтобы отразить процесс затухания и смены одного штормового воздействия другим, можно предложить следующий механизм: в начальный момент времени задается некоторое стохастическое штормовое воздействие, которое затухает за последующие М шагов по времени наполовину. После этого проходит новый шторм, воздействие которого накладывается на оставшееся от предыдущего шторма. Суммарное воздействие снова начинает затухать. Этот процесс повторяется в течение всего времени счета. Для 1 - того интервала времени М д Ь:

, где 11 - число шагов по времени от одного штормового воздействия до другого.

В третьем параграфе приводятся энергетические соотношения для исследования движений синоптического масштаба. Записываются формулы для расчета кинетической энергии, кинетической энергии среднего движения, кинетической энергии вихревого движения и работы напряжений Рейнольдса в сферических координатах.

В четвертом параграфе описываются численные эксперименты по изучению движения баротропной жидкости в канале под дейс-. твием стохастического внешнего источника. Расчеты проводились в области размером 8 * 8°и 4°* 4° с южной границей области, расположенной на 28° с.ш. Было проведено семь экспериментов, параметры которых: А - 6,106смг/с, д^ - л А - 12', Н - 4 км, Д1 - ю'с, ¥ - 0.25 10~1° с'1. В экспериментах варьировалось число шагов, через которое накладывается новое случайное поле, широта расположения шторм - трека и параметр Кориолиса, что по сути означало смещение канала к северу или к югу области.

В результате взаимодействия синоптических вихрей, образованных внешним стохастическим воздействием, формируются крупномасштабные вихри, разделенные струйным течением. При смещении шторм - трека к югу, струя образуется в южной области, в зоне максимального воздействия, т.е. положение струи жестко связано со шторм - треком.

Известно, что вихри осуществляют функцию перераспределения импульса. Чтобы определить меридиональный перенос вихрями

зональной компоненты скорости синоптических течений были рассчитаны напряжения Рейнольдса. Расчет пространственного распределения напряжений Рейнольдса показал, что перенос импульса осуществляется к линии максимального внешнего воздействия. В окрестности этой широты и происходит формирование и самоусиление струи.

Убедимся в том, что среднее течение получает кинетическую энергию от вихрей. Для' этого вычислим работу напряжений Рейнольдса. В целом по области проявляется эффект отрицательной вязкости, когда вихри о'тдают свою энергию струе. Появляются также области неустойчивости струи, где течение, меандрируя, отдает свою кинетическую энергию вихрям. На меридиональном профиле работы напряжений Рейнольдса хорошо видно, что максимальное преобразование кинетичекой энергии вихрей в кинетическую энергию среднего движения происходит к северу и югу от струи.

Это see говорит о том, что под действием стохастического внешнего источника, интерпритируемого как штормовое воздействие, а баротропном открытом океане в области действия шторма формируется струйное течение восточного направления.

В изменении кинетической энергии системы во времени явно выражена периодичность с гораздо большими периодами, чем период ;внешней стохастической силы. Для более детального изучения этой периодичности строились спектры кинетической энергии. Явно доминируют двухгодичные и четырехгодичные периоды. Интересен тот факт, что частота длиннопериодных колебаний в энергии системы зависят от значения параметра Кориолиса или от широты расположения канала. Эксперименты в которых варировался параметр Кориолиса. что по сути соответствовало смещению канала к северу или. к >;гу показали, что при уменьшении или при увеличении параметра Ксрислнса происходит соответственно увеличение или уменьшение эн£гг-:несу:аих периодов. Чтобы проверить, зависит ли появление на спектрах длиннопериодных колебаний от наличия источника планетарной завихренности был проведен эксперимент е ctc;/tots;;;i вращения ?емли. когда параметр Кориолиса равен нулю. К атом случае периодичность в поведении системы тг?ггс?г и' ?п-!:?р н° нмее" ПЙК0Е> повторяя фактически

спектр раоеты стохастической внешней силы. Существенных отличии г; псведонки систем: г зависимости от периода штормов не ^ылс замечено.

- 10 -

Четвертая глава посвящена исследованию синоптической изменчивости цяргсуляцкк Северной части Атлантического океана под действием ветра.

В первом параграфе описываются основные особенности движения поверхностных вод в Северной Атлантике и даются основные характеристики западного пограничного течения Гольфстрим.

Второй параграф посвящен описанию модели общей циркуляции вод Северной Атлантики на воздействие штормов.

Для исследования синоптической изменчивости общей циркуляции Северной Атлантики бьаа построена вихреразрещающая численная модель для однородного океана. Движение океанских вод рассматривались в замкнутом бассейне постоянной глубины на враящищейся сфере с реальной конфигурацией берегов Северной Атлантики. Уравнения численной модели на сфере обсуждались ранее. В начальный момент времени жидкость покоилась. На границах принимались условия непротекания и свободного скольжения.

Источником движения жидкости в бассейне является ветер. Для имитации более реалистичной картины ветрового воздействия на стационарное поле ветра накладываются флуктуации . Тагам образом, внешний источник вихря Р в уравнении состоит из двух частей - Стационарной, когда Р1 - 1/§0 и нестационар-

ной. Напряжение трения ветра о поверхность океана задавалось двумя способами: 1) с помощью формул Акерблома для нахождения напряжения трения ветра о поверхность океана через атмосферное давление над поверхностью океана, г - 4 (ЪРлтм ± сЪРлтм\ 2-/Ы V ? У сойЧ> 9 А

(Км - коэффициент вертикального обмена импульсом, Ратм - атмосферное давление у поверхности океана ) 2) во втором случае задавалось просто зональное напряжение трения ветра. Ъх--£с>-Ш(&у /Ьу) ; Атмосферные флуктуации в модели, задавались:

1) в виде стохастического возбуждения, имитирующего проходящий зонально в районе 37°с.ш., г.е. вблизи точки отхода Гольфстрима от береговой линии шторм. Положение нашего шторм - трека основывается на повышенной вихревой активности в атмосфере в этих широтах, в особенности над струей Гольфстрима.

2) в виде движущихся циклонов по траектории, соответствующей

реальной траектория движения циклонов над Атлантикой, и со средней скоростью 5 м/с.

3) атмосферные возмущения задавались в виде групп циклонов и антициклонов, движущихся в шахматном порядке в зональном направлении, циклоны - севернее струи Гольфстрима, антициклоны -южнее.

Численные эксперименты проводились в бассейне, имитирующем Северную Атлантику, ограниченную с запада и востока береговыми линиями с 81°з.д. до 1°з.д., а с юга и севера - 10 с.ш. и 50°с.ш.. Шаги сетки по широте и долготе ¿V - дЛ - 0.5 , шаг по времени дЬ - Ю^с,- коэффициент горизонтального обмена импульсом А - 5-10 см /с, коэффициент трения о дно £ - 1-10 1/с, глубина океана Н - 4-105см, радиус Земли R - 6,36-10 см, ошибка в итеррационном процессе ERR - 1 • 10 5, напряжение трения /" ветра %0 - 0,25 н/м .

В параграфе три описываются проведенные численные эксперименты. Под воздействием стационарного ветра в бассейне Северной Атлантики формируется циркуляция . В первом эксперименте напряжение трения ветра расчитывалось по формулам Акерблома , примененным к средним многолетним значениям данных атмосферного давления в июле над Северной Атлантикой. На распределении функции полных потоков хорошо виден антициклонический круговорот с узким и могщым пограничным течением на Западе. Картина потоков, расчитанная по значениям атмосферного давления более сложна и приближена к реальности, чем. циркуляция, возникающая под действием зонального ветра, хотя она также отражает возникновение западного пограничного течения в Северной Атлантике. Это говорит о том, что использованная баротропная модель .с реальной конфигурацией берегов способна имитировать ветровую циркуляцию, близкую к наблюдаемой в природе.

Интересно проследить, как изменится наша модельная циркуляция, возникающая в бассейне под действием лишь зонального ветра, если подключить нестационарные атмосферные воздействия, существующие в атмосфере. По идее, это должно приблизить наш модельный ветер к реальному и циркуляция в бассейне должна стать более близкой к той, что получается по значениям атмосферного давления.

Рассмотрим случай, когда на крупномасштабную циркуляцию, возникающую под действием зонального ветра, воздействуют атмосферные вихри. Пусть эти вихри формируются случайным образом

в районе наибольшей вихревой активности над Северной Атлантикой. Под действием атмосферных штормов струйное течение отходит от западного берега вблизи 40°с.ш.. Причем, возникает достаточно сильное струйное течение восточного направления, которое сильно меандрирует, образовывая меандры и синоптические вихри в своей окрестности. Возможно именно этот механизм вместе с динамической неустойчивостью струи приводит к меандриро-ванию Гольфстрима при отрыве его от берега. Энергетические оценки показали постоянные взаимные трансформации кинетической энергии вихревых образований и среднего движения.

В случае постоянного воздействия на установившуюся модельную циркуляцию атмосферных циклонов, двигающихся по приближенной к реальности траектории один за другим с интервалами . во времени в 10 суток, что вполне согласуется с наблюдаемой частотой следования циклонов в этом районе, формируется циклоническая циркуляция на севере области. Между циклонической и антициклонической циркуляцией образуется сильное струйное течение восточного направления. В случае совместного воздействия .циклонов и антициклонов анологичным образом образуется циклоническая циркуляция на севере области, антициклоническая циркуляция усиливается и струйное течение мевду циркуляциями становится более интенсивным. Таким образом, под действием нестационарных атмосферных возмущений, движущихся по приближенным к реальным траекториям, циркуляция вод, возникающая под действием модельного зонального ветра, трансформируется в близкую к рассчитанной по многолетним данным атмосферного давления. Этот интересный факт с одной стороны говорит о том, что многолетние наблюдения за атмосферным давлением учитывают циклоническую активность на севере, а с другой стороны проясняет физику атмосферного воздействия на океан в высоких широтах.

В четвертом параграфе наряду с представлением с помощью стохастического внешнего воздействия нестационарных атмосферных возмущений, стохастическая накачка рассматривается и как имитация бароклинных эффектов. Моделируется неустойчивость струйного течения - аналога Гольфстрима в Северной Атлантике.

В основе такого представления лежит замена в уравнении эволюции интегральной завихренности членов, описывающих взаимодействие баротропной и бароклинных мод на стохастический источник завихренности. На начальных этапах неустойчивости крупномасштабных течений флуктуации потока представляют собой хао-.

тические волнения. Поэтому можно предположить, что представление внешнего воздействия в виде стохастического процесса может быть использовано для имитации бароклинных процессов. Согласно измерениям, проводивиимся в океане ( Krauss, Käse, 1984 ) между скоростями крупномасштабных течений и средней энергией синоптических вихрей существует прямая пропорциональность. Это говорит о том, что пульсации скоростей, входящие в бароклинные члены в уравнении больше там, где больше скорости течений. Поэтому был предложен вариант параметризации бароклинного члена в уравнении эволюции интегральной завихренности с помошью стохастической функции, пропорциональной скорости течения. Для такой параметризации в выражении для стохастического воздействия, описанного ранее вместо зависимости от широты вводим зависимость от скорости течения.

Стохастическое воздействие накладывается на уже устано- ' вившуюся под действием стационарного ветра циркуляцию.

Расчет течений проводился в замкнутом океанском бассейне с берегами Северной Атлантики на сфере, по численной модели, которая была описана ранее. Внешний источник завихренности состял из стационарного ветрового воздействия, которое задавалось с помощью формул Акерблома для нахождения напряжения трения ветра на поверхности океана через атмосферное давление над океаном и из стохастического члена.

Вследствие учета бароклинности, ( путем введения стохастического источника завихренности, связанного с крупномасштабной динамикой течений ) изменилась средняя по времени циркуляция в бассейне Северной Атлантики. Интенсифицируется западное пограничное течение. Свободная струя восточного направления -аналог Гольфстрима усиливается, становится неустойчивой и начинает меандрировать, образуются меандры и синоптические вихри. Между вихрями и струей происходят нелинейные взаимодействия. В результате неустойчивости струйного течения, вызванной учетом бароклинности образуются синоптические вихри . которые в свою очередь передают энергию струйному течению, усиливая его.

В зависимости кинетической энергии от времени четко прослеживается период, характерный для волн Россби, который существенно больше, чем период накачки, хотя стсхастичкское возбуждение остается в короткопериолных флуктуацилх.

ЛроЕ°денные -ксперименты позволяют-сделать вые\т. что с

помощью стохастического источника завихренности можно пытаться имитировать некоторые бароклинные эффекты/ происходящие в океане, оставаясь в рамках баротропной модели.

Чаще всего наибольшая активность нестационарных атмосферных возмущений наблюдается над районами с наиболее сильными океанскими течениями, а это позволяет сделать предположение, что в случае имитации нами воздействия нестационарных атмосферных возмущений стохастическим источником завихренности мы тем самым имитируем и неустойчивость течений, связанную с неоднородностью течений по вертикали.

В заключении содержатся основные выводы работы.

1. Под воздействием нестационарных атмосферных возмущений возможно возникновение крупномасштабных движений в океане. В работе было продемонстрировано формирование в замкнутом прямоугольном бассейне на р - плоскости циклонической циркуляции под воздействием только движущихся атмосферных циклонов и образование зональных струйных течений в канале на сфере под действием штормов, имитируемых цепочкой стохастических атмосферных вихрей.

2. Расчеты работы напряжений Рейнольдса показали, что в результате нелинейных взаимодействий между вихрями и средними движениями происходит постоянная трансформация кинетической энергии не только от среднего движения к вихревому в результате неустойчивости струйных течений, но и наоборот, от вихревых движений к среднему, когда преобладает эффект " отрицательной " вязкости и вихри усиливают, подпитывают струю. В случае формирования циклонической циркуляции под действием циклонов и струйного течения в канале под действием цепочки стохастических вихрей в среднем по области преобладает эффект " отрицательной " вязкости, т.е. происходит формирование крупномасштабных средних движений вихрями.

„3. Одной из причин отхода струи Гольфстрима от берега является воздействие нестационарных атмосферных возмущений. Этот вывод подтверждается расчетом циркуляции по средним многолетним данным поля ветра.

4. Важным фактором, приводящим к неустойчивости струйных течений может являться воздействие случайных атмосферных вихрей.

5. В .случае стохастического внешнего воздействия в поведении

кинетической энергии системы во времени прослеживается четко выраженный процесс с гораздо большими периодами, чем период возбуждающей стохастической силы. Кроме характерного периода дхч волн Россби возникают еще более длиннопериодные собственные колебания, которые существенно зависят от широты на которой расположена область, или другими словами, от величины силы Кориолиса.

6. При имитации бароклинных эффектов путем введения стохастического источника завихренности, зависящего от скорости течений, происходят нелинейные взаимодействия между вихрями и струей. В результате такого моделирования неустойчивости струйного течения, аналога Гольфстрима в Северной Атлантике, образуются синоптические вихри, которые в свою очередь передают энергию струйному течению, усиливая его.

7. Проведенные исследования показывают, что с помощью введения в уравнение эволюции интегрального вихря стохастического источника завихренности мы тем самым можем одновременно моделировать два процесса - штормовое воздействие и неустойчивость течений, связанную с неоднородностью течений по вертикали.

Из результатов проведенных исследований следует,что интенсивные. атмосферные вихри существенно влияют на крупномасштабные процессы, происходящие в океане и учет этого влияния необходим при исследовании внутренней динамики глобальной океанской циркуляции и ее синоптической изменчивости.

Основные результаты диссертации изложены в работах:

1) Моделирование самоорганизации баротропных океанских течений в зональном канале под действием стохастического источника вихря. Океанология, т. 31, 1991г., стр. 720 - 728 ( Совместно с Д.Г. Сеидовым )

2) Моделирование взаимодействия вихрей в бротропной модели ■ зональных течений со стахостической накачкой. Тезисы докладов третьего всесоюзного симпозиума " Тонкая структура и синоптическая изменчивость. морей и океанов " Таллин 1990г.

3) Моделирование реакции баротропного океана в замкнутом бассейне на квазипериодическое воздействие атмосферы. Известия АН СССР ФАО 1992г. N 7, стр. 778 - 783.