Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Математическое моделирование верхнего перемешанного слоя и крупномасштабной динамики океана

ВАК РФ 25.00.29, Физика атмосферы и гидросферы

Содержание диссертации, доктора физико-математических наук, Реснянский, Юрий Дмитриевич

СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. ВЕРХНИЙ ПЕРЕМЕШАННЫЙ СЛОЙ.

Глава 1.1. ЛОКАЛЬНЫЕ МОДЕЛИ ВЕРХНЕГО СЛОЯ ОКЕАНА.

1.1.1. Основные уравнения локальных моделей.

1.1.2. Использование теории подобия для параметризации интегральной диссипации кинетической энергии турбулентности.

Глава 1.2. ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ЦИКЛИЧЕСКИХ СОСТОЯНИЙ И ПРИЛОЖЕНИЯ ЛОКАЛЬНЫХ МОДЕЛЕЙ К РАСЧЕТАМ ЭВОЛЮЦИИ ВПС ПО РЕАЛЬНЫМ ДАННЫМ.

1.2.1. Необходимые условия для воспроизведения циклических состояний

1.2.2. Алгоритм численного решения.

1.2.3.Циклические состояния в численных экспериментах.

1.2.4.0 точности расчетов по реальным данным.

1.2.5. Расчет сезонных изменений по данным океанской станции погоды.

1.2.6. Расчет по данным экспедиционных наблюдений в Аравийском море

Глава 1.3. ЭФФЕКТЫ КОРОТКОПЕРИОДНЫХ ВАРИАЦИЙ АТМОСФЕРНЫХ

ВОЗДЕЙСТВИЙ.

1.3.1.Циклический ветер в модели с фиксированной долей энергии, затрачиваемой на перемешивание.

1.3.2. Циклический ветер в модели с переменной долей энергии, затрачиваемой на перемешивание.

1.3.3.Циклический прогрев при постоянном ветре.

1.3.4. Реальные колебания метеорологических условий.

1.3.5. Приближенный учет короткопериодных вариаций в расчетах с использованием осредненных атмосферных воздействий.

Глава 1.4. ПРОГНОСТИЧЕСКИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ МОДЕЛИ ВЕРХНЕГО

ПЕРЕМЕШАННОГО СЛОЯ.

1.4.1. Общая конфигурация прогностической схемы.

1.4.2. Прогностическая модель.

1.4.3. Определение начальных значений температуры ВПС.

1.4.4. Оценка начальных распределений толщины ВПС.

1.4.5. Результаты опытных прогнозов температуры ВПС.

2. КРУПНОМАСШТАБНАЯ ДИНАМИКА ОКЕАНА.

Глава 2.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОКЕАНСКИХ ТЕЧЕНИЯХ И МЕТОДАХ ИХ

РАСЧЕТА.

2.1.1. Определение общей циркуляции океана.

2.1.2. Методы непосредственных наблюдений.

2.1.3. Упрощенные теоретические модели.

2.1.4. Численные модели общей циркуляции океана.

Глава 2.2. ФОРМУЛИРОВКА МОДЕЛИ ОБЩЕЙ ЦИРКУЛЯЦИИ ОКЕАНА.

2.2.1. Основные уравнения модели.

2.2.2. Краевые условия и уравнение для вспомогательной функции.

2.2.3.Разностная аппроксимация.

2.2.4. Временная фильтрация.

2.2.5. Параметризация мелкомасштабного турбулентного перемешивания в верхнем слое океана в рамках циркуляционной модели.

2.2.6. Конвективное приспособление.

2.2.7. Особенности программной реализации.

2.2.8. Источники исходных данных и типичные конфигурации расчетной области.

Глава 2.3. ЧИСЛЕННЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ С МОДЕЛЬЮ ОБЩЕЙ ЦИРКУЛЯЦИИ ОКЕАНА.

2.3.1. Предварительное тестирование и оценка чувствительности к вариациям параметров.

2.3.2. Сезонная изменчивость крупномасштабной циркуляции.

2.3.3.Реакция океана на синоптические вариации атмосферных воздействий

2.3.4.Использование результатов расчета течений для моделирования распространения примеси в океане.

2.3.5.Некоторые нерешенные проблемы и перспективы дальнейшего развития модели.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Математическое моделирование верхнего перемешанного слоя и крупномасштабной динамики океана"

Океан, наряду с атмосферой, является важнейшим звеном климатической системы, изменчивость которой обусловлена как собственной динамикой этих двух сред, так и процессами их взаимодействия. Причем роль океана вследствие его существенно большей, чем для атмосферы, тепловой инерции возрастает по мере увеличения временных масштабов. Изучение долгопериодной (на масштабах времени месяц, сезон и более) изменчивости системы атмосфера—океан представляет собой актуальную научную проблему, имеющую важные прикладные аспекты. Описание механизмов формирования такой изменчивости является основополагающим для совершенствования методов долгосрочных гидрометеорологических прогнозов, для понимания причин наблюдаемых изменений климата, для оценки его возможных изменений в будущем и для принятия решений о введении ограничений на промышленную деятельность, оказывающую воздействие на состояние климатической системы (наиболее известный пример - Киотский протокол, предусматривающий ограничения на эмиссию парниковых газов).

Разработка этой проблемы развивается по двум основным направлениям. Первое из них - это эмпирические исследования, базирующиеся на анализе временных рядов прямых или косвенных данных об эволюции различных компонентов климатической системы. Другой подход связан с использованием физико-математических моделей разного уровня сложности. Наиболее полные из них основаны на фундаментальных физических законах и учитывают в явном виде обширный комплекс динамических и термодинамических процессов, протекающих в моделируемой системе.

Численные модели общей циркуляции атмосферы и океана, развивавшиеся вначале как метод теоретических исследований по геофизической гидродинамике, все чаще становятся средством решения практических задач. Приложения таких моделей составляют основу современных подходов к прогнозированию погоды и состояния морской среды, предсказанию межгодовых вариаций системы атмосфера-океан (таких как Эль-Ниньо-Южное колебание, Североатлантическое колебание), получению оценок возможных изменений климата вследствие изменения концентрации парниковых газов, к экологическим задачам (например, к расчету распространения загрязняющих примесей в воде и воздухе) и, наконец, к упорядочиванию разнородных и нерегулярных наблюдений в системах усвоения данных.

Основанный на полных моделях подход представляется наиболее перспективным и активно развивается в ведущих мировых исследовательских центрах. Вместе с тем, не утрачивают своей актуальности и упрощенные модели, позволяющие выявлять и анализировать особенности отдельных процессов. Такой анализ служит отправной точкой для более детального исследования с использованием полных моделей.

К числу важнейших параметров, характеризующих состояние океана как составной части климатической системы, относится поле температуры поверхности океана (ТПО). Оно же является одним из наиболее показательных индикаторов изменчивости этой системы. Признание особой значимости ТПО находит отражение, в частности, в том, что многие из национальных и международных исследовательских программ, направленных на изучение крупномасштабного взаимодействия океана и атмосферы и изменчивости климата (WCRP, «Разрезы», TOGA, WOCE, CLIVAR), предусматривают специальные разделы или проекты, относящиеся к проблематике ТПО. Изменения температуры поверхности океана, в свою очередь, контролируются процессами, протекающими в верхнем перемешанном слое (ВПС), почти повсеместно прослеживающемся по данным наблюдений. Этим определяется актуальность исследований верхнего перемешанного слоя океана.

Данная работа имеет своей целью построение математических моделей верхнего перемешанного слоя и крупномасштабной циркуляции океана и их последующее использование для исследования некоторых физических механизмов, определяющих изменчивость океанографических полей в поверхностном слое и в толще воды на масштабах времени от нескольких суток до нескольких лет.

Для достижения указанной цели предусматривалось решение следующих задач: построение локальной модели ВПС свободной от недостатков присущих прежним моделям такого типа; исследование условий, при которых локальные модели ВПС способны воспроизводить циклические режимы; проверка способности модели ВПС воспроизводить наблюдаемые изменения термической структуры верхнего слоя океана с использованием данных океанской станции погоды и экспедиционных наблюдений в Индийском океане; исследование эффектов, создаваемых короткопериодными вариациями атмосферных воздействий в долгопериодной эволюции ВПС на основе локальных моделей с разными параметризациями бюджета кинетической энергии турбулентности (КЭТ); разработка и тестирование схемы прогноза ТПО, основанной на интегральной модели ВПС и адаптированной к реальной информационной среде, которую образуют данные оперативных наблюдений, циркулирующие в Глобальной системе телесвязи ВМО, и продукция численных метеорологических прогнозов, составляемых в Гидрометцентре России; построение модели общей циркуляции океана (МОЦО), основанной на полной системе уравнений термогидродинамики океана и включающей в качестве составного блока параметризацию мелкомасштабного турбулентного перемешивания в верхнем слое воды; проведение численных экспериментов по воспроизведению крупномасштабной структуры океанической циркуляции и более подробному исследованию механизмов взаимодействия процессов в различных частотных диапазонах, выполненному ранее с использованием локальной модели ВПС.

Разделение океана на верхний слой и остальную толщу океана является, конечно, условным, хотя часто практикуется в силу различия относительной роли отдельных процессов. В верхнем перемешанном слое, в частности, определяющим является влияние процессов мелкомасштабного турбулентного перемешивания, на описании которого в терминах уравнения бюджета КЭТ сосредотачивается внимание при построении модели ВПС. Изменчивость основной толщи вод океана, по крайней мере на крупных масштабах, превышающих радиус деформации Россби, контролируется динамикой взаимно приспособленных полей плотности и течений. Взаимосвязь процессов в верхнем слое и в остальной толще в предлагаемой модели устанавливается с использованием специальной процедуры совмещения моделей разного типа: интегральной модели ВПС, толщина которого меняется в пространстве и во времени, и циркуляционной модели, вертикальная структура в которой представлена набором слоев с фиксированными по вертикали границами.

Как следует из вышесказанного, основным методом исследования в данной работе является математическое моделирование. Оно включает в себя построение упрощенных локальных моделей верхнего перемешанного слоя, для которых в ряде случаев можно получить аналитические решения, и разработку численной модели общей циркуляции океана, относящейся к классу так называемых полных океанических моделей, основанных на примитивных уравнениях. При разработке МОЦО используются результаты анализа локальных моделей, что определяет целостность всего исследования.

В соответствии с перечнем рассматриваемых задач, изложение материала в диссертации подразделяется на две части. В первой части, состоящей из четырех глав, рассматриваются вопросы моделирования верхнего перемешанного слоя. Поскольку построение моделей ВПС базируется на наблюдаемых особенностях термохалинной структуры верхнего слоя океана, рассмотрение моделей и их приложений предваряется краткой сводкой основных сведений о наблюдаемых особенностях этой структуры. В главе 1.1. дается вывод уравнений локальных моделей ВПС, приводятся оценки составляющих бюджета КЭТ, используемые в различных моделях, отмечаются наиболее существенные недостатки прежних параметризаций бюджета КЭТ. С использованием теории подобия предлагается общее представление интегральной диссипации КЭТ 5Е = ^ . На основе рассмотрения различных режимов эволюции ВПС строится функциональная зависимость сЕ = и1сЕп(к/Ье,/и0), свободная от недостатков присущих прежним моделям такого сорта.

В первом разделе главы 1.2 формулируется и исследуется условие, необходимое для воспроизведения циклических состояний верхнего слоя океана, которые соответствуют наблюдаемым суточным и сезонным изменениям термической структуры. В связи с выполнением этого условия рассматривается зависимость получаемых в модели циклических состояний от параметров бюджета КЭТ на основе численных экспериментов с интегральной моделью ВПС (раздел 1.2.3). Предложена схема численного решения уравнений этой модели, в которой обеспечивается равенство приращений теплосодержания столба воды притоку тепла через водную поверхность (раздел 1.2.2). В разделах 1.2.5 и 1.2.6 рассматриваются результаты применения предложенной модели к расчету сезонных изменений ВПС в районе океанской станции погоды «Р» в Тихом океане и эволюции ВПС в переходный межмуссонный период по данным экспедиционных наблюдений в Аравийском море. Чтобы оценить реалистичность модели, в разделе 1.2.4 проводится анализ наблюдательных и расчетных погрешностей.

В главе 1.3 исследуются эффекты, аналогичные процессам взаимодействия движений разных масштабов, изучаемым в нелинейной механике путем разделения движений на «быстрые» и «медленные». Эти эффекты возникают вследствие наложения короткопериодных (например, синоптических, с периодами в несколько суток) вариаций атмосферных воздействий на более медленные (например, сезонные) преобразования термической структуры верхнего слоя океана. Косвенные проявления такого рода эффектов обусловлены нелинейностью процессов, управляющих эволюцией ВПС. Их исследование проводится вначале для случаев с идеализированными циклическими изменениями характеристик теплового и динамического воздействия на поверхности океана, для которых удается получить аналитические решения, а затем для реальных ситуаций на основе численных экспериментов с двумя версиями локальной модели ВПС. Предлагается также простой метод параметризации эффектов короткопериодных колебаний в тех случаях, когда в расчетах используются осредненные по времени характеристики атмосферных воздействий с отфильтрованными короткопериодными вариациями.

Первая часть диссертации завершается главой 1.4, в которой рассматриваются прогностические приложения модели ВПС. Описывается схема прогнозирования температуры поверхностного слоя воды, основанная на интегрировании уравнений модели деятельного слоя океана, включающего верхний перемешанный слой. Для задания начальных значений толщины ВПС предлагается специальная процедура получения оценок текущего состояния термической структуры верхнего слоя океана при отсутствии непосредственных измерений вертикальных профилей температуры. Оценки строятся путем решения обратной задачи с использованием вариационного подхода. В качестве минимизируемого функционала берется мера отклонения значений температуры, рассчитанных по одномерной модели, от наблюдаемых значений на некотором интервале времени. Ввиду некорректности обратной задачи рассмотрены способы ее регуляризации. Приведены оценки качества серии опытных прогнозов температуры поверхностного слоя воды на 5 сут, составленных в оперативном режиме для северных частей Атлантического и Тихого океанов, и их сравнение с аналогичными прогнозами Центра численной океанографии ВМФ США.

Предметом исследования второй части работы, состоящей из трех глав, являются процессы крупных масштабов, участвующие в формировании общей циркуляции океана. В главе 2.1, имеющей обзорный характер, дается определение общей циркуляции океана (раздел 2.1.1), приводятся сведения об основных способах непосредственных измерений морских течений (раздел 2.1.2), об упрощенных теоретических моделях, с которых начиналось становление классической динамической океанографии как самостоятельной дисциплины вначале и середине XX века (раздел 2.1.3). Дается краткий обзор численных моделей общей циркуляции океана (МОЦО), включающий изложение основных подходов к построению таких моделей и обсуждение областей их применения (раздел 2.1.4).

В главе 2.2 излагается постановка задачи о расчете общей циркуляции океана. Приводятся основные уравнения модели, краевые условия. Рассматривается разностная аппроксимация. Предлагается процедура совмещения циркуляционной модели с интегральной моделью ВПС, предназначенной для параметризации процессов мелкомасштабного турбулентного перемешивания в верхних слоях воды. Описываются особенности программной реализации. Перечисляются источники исходных данных и определяется типичная конфигурация расчетной области, в которой проводятся последующие численные эксперименты.

В главе 2.3 рассматриваются результаты численных экспериментов, иллюстрирующих возможности разработанной МОЦО для решения различных исследовательских и прикладных задач. Описываемые здесь эксперименты включают предварительное тестирование модели на основе упрощенных конфигураций расчетных областей, воспроизведение сезонной изменчивости в бассейнах с реальной конфигурацией, исследование эффектов короткопериодных вариаций атмосферных воздействий в различных частях Мирового океана и, наконец, примеры использования получающихся в модели течений для расчета распространения примесей в океанической среде.

В Заключении перечисляются основные результаты работы. Оценивается их научная новизна и практическая значимость. В Приложении приводятся сведения об использовании результатов диссертационной работы по данным публикаций, в которых имеются прямые указания на такое использование.

Значения физических величин в диссертации приводятся, как правило, в системе единиц Си. Температура в этой системе выражается в Кельвинах (К). В метеорологии и океанографии, однако, довольно часто практикуется обозначение температуры в градусах Цельсия (°С), в которых представлены многочисленные архивы данных, разнообразные диаграммы и карты. Чтобы не нарушать сложившихся традиций и облегчить восприятие ставших для многих

18 привычными значений температуры, Кельвины в диссертации используются в тех случаях, когда речь идет о разностях температур, а градусы Цельсия - при рассмотрении абсолютных значений температуры или при заимствовании данных в их исходном представлении из опубликованных источников. Переход их одних единиц в другие осуществляется по формуле

Температура [°С] = Температура [/С] - 273,15.

Нумерация формул, рисунков и таблиц осуществляется в пределах каждой главы. Главы нумеруются двумя числовыми позициями, первая из которых -номер части. Номера формул, рисунков и таблиц состоят из трех числовых позиций, первые две из которых - номер главы. Например, рис. 1.2.3 - это третий рисунок в главе 1.2. Обозначения физических переменных обычно поясняются в месте их первого появления. Для удобства чтения большая часть обозначений вместе с используемыми сокращениями вынесена также в отдельный список, предшествующий данному Введению.

Заключение Диссертация по теме "Физика атмосферы и гидросферы", Реснянский, Юрий Дмитриевич

Основные результаты, представленные в первой части диссертации и относящиеся к моделированию верхнего перемешанного слоя, получены лично.

Модель общей циркуляции океана, результаты применения которой изложены во второй части диссертации, разработана совместно с A.A. Зеленько. В разработке программного комплекса модели вклад автора состоит в выборе общей структуры программы, создании схемы совмещения интегральной параметризации ВПС с циркуляционными блоками модели, написании программ вычислительного ядра МОЦО (за исключением программы решения эллиптической задачи для интегральной функции тока), проведении расчетов по начальному тестированию модели. Проведение и анализ последующих численных экспериментов с МОЦО, включая подготовку начальных данных и данных об атмосферных воздействиях на поверхности океана, осуществлялись совместно с A.A. Зеленько. Автору принадлежит ведущая роль в постановке и анализе результатов численных экспериментов по изучению эффектов короткопериодных вариаций атмосферных воздействий в долгопериодной эволюции океана.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные научные результаты и их новизна

1. С использованием теории подобия предложено новое общее представление интегральной диссипации <Е = |А °ес1г для описания бюджета кинетической энергии турбулентности (КЭТ) в верхнем перемешанном слое (ВПС) в рамках локальных моделей. На основе рассмотрения различных режимов эволюции ВПС и их объединения с помощью интерполяционной формулы для произвольных сочетаний условий на поверхности океана построена функциональная зависимость <£ = и\ (Еп(/г/1,е,//0), свободная от недостатков присущих прежним моделям такого сорта. Эта зависимость в сочетании с введенными ранее параметризациями других основных составляющих бюджета КЭТ дает физически правильные асимптотики для предельных значений толщины перемешанного слоя к при ветровом перемешивании и для скорости углубления ВПС при термической (плотностной) конвекции. При чисто ветровом перемешивании (в отсутствие теплообмена через поверхность океана) к ~ Ье, где Ье=и,/\/\- масштаб толщины пограничного слоя (масштаб Россби-Монтгомери); в случае интенсивного прогрева (сильная устойчивость) к ~ Ь, где Ь = и1 / В0 « и1 !(/3 д0) - масштаб длины Монина-Обухова; в случае развитой термической (плотностной) конвекции при достаточно больших значениях к углубление ВПС происходит по схеме непроникающей конвекции. Представлены экспериментальные подтверждения правильности таких асимптотик.

2. Сформулировано и исследовано условие, необходимое для воспроизведения циклических состояний верхнего слоя океана, которые соответствуют наблюдаемым квазипериодическим суточным и сезонным изменениям термической структуры. Показано, что сама возможность получения циклических состояний в интегральной одномерной модели зависит от того, имеется ли среди воспроизводимых ею режимов режим углубления по типу непроникающей конвекции. В связи с выполнением этого условия проанализирована зависимость получаемых в модели циклических состояний от параметров бюджета КЭТ на основе численных экспериментов с локальной моделью ВПС.

3. Предложена новая схема численного решения уравнений локальной модели ВПС, дополненной представлениями о замороженной структуре сезонного термоклина. В этой схеме обеспечивается равенство приращений теплосодержания столба воды притоку тепла через водную поверхность и корректный переход от режима проникающей конвекции к непроникающей в ходе углубления ВПС. Проведены расчеты сезонных изменений ВПС в районе океанской станции погоды «Р» в Тихом океане и эволюции ВПС в переходный межмуссонный период по данным экспедиционных наблюдений в Аравийском море, подтверждающие применимость предложенных выражений для составляющих бюджета КЭТ в широком диапазоне внешних условий и повышение точности расчетов характеристик ВПС в сравнении с прежними моделями.

4. Подробно исследованы эффекты, возникающие вследствие наложения короткопериодных (например, синоптических, с периодами в несколько суток) вариаций атмосферных воздействий на более медленные (например, сезонные) преобразования термической структуры верхнего слоя океана и обусловленные нелинейностью процессов, управляющих эволюцией ВПС. Выведены формулы, позволяющие оценить эффекты короткопериодных колебаний при простых циклических сменах атмосферных воздействий, для которых удается получить аналитические решения. Впервые показано, что проявления этих эффектов зависят от способов параметризации турбулентного перемешивания в моделях ВПС. Существование такой зависимости может служить объяснением неоднозначности оценок, получавшихся ранее разными авторами по разным моделям. В качестве дополнительной иллюстрации приведены примеры расчетов по реальным данным. Предложен простой метод параметризации эффектов короткопериодных колебаний в тех случаях, когда в расчетах используются осредненные по времени характеристики атмосферных воздействий с отфильтрованными короткопериодными вариациями.

5. Разработана автоматизированная схема прогноза температуры поверхностного слоя океана на средние сроки до 5 су т. Прогностическая схема основана на интегрировании эволюционных уравнений модели деятельного слоя океана и адаптирована к реальной информационной среде, которую образуют данные оперативных наблюдений, циркулирующие в Глобальной системе телесвязи ВМО, и продукция численных метеорологических прогнозов, используемая для задания атмосферных воздействий на поверхности воды. Для определения начальных значений толщины ВПС в отсутствие непосредственных измерений вертикальных профилей температуры воды предложена новая для таких приложений методика, основанная на решении обратной задачи с использованием вариационного подхода. Составлена серия опытных прогнозов температуры поверхностного слоя воды на 5 сут для северных частей Атлантического и Тихого океанов. Показано, что эти прогнозы обладают определенной информативностью, показатели которой сопоставимы с аналогичными прогнозами Центра численной океанографии ВМФ США и с оперативными прогнозами, выпускаемыми в Гидрометцентре России по методике Е.С. Нестерова.

6. Разработана модель общей циркуляции океана (МОЦО), основанная на полной системе уравнений термогидродинамики океана. Для параметризации мелкомасштабного турбулентного перемешивания в верхних слоях воды предложена новая схема совмещения циркуляционной модели с интегральной моделью ВПС. Эта схема, обладая определенным сходством с уже описанными в литературе, имеет ряд важных особенностей. В частности, параметризация турбулентного перемешивания в ВПС обеспечивает при определенных условиях в ходе углубления ВПС переход от режима проникающей конвекции к режиму непроникающей конвекции. Существование последнего из режимов в классе решений уравнений модели ВПС является необходимым условием для воспроизведения циклических состояний верхнего слоя океана. Вычислительная программа МОЦО построена с использованием элементов системы программирования ОЫМРШ. Модульная структура программного кода модели позволяет достаточно быстро формировать произвольные сеточные конфигурации расчетных (в общем случае многосвязных) областей для проведения численных экспериментов с разнообразными источниками данных об атмосферных воздействиях на поверхности воды.

7. Проведены численные эксперименты, иллюстрирующие возможности разработанной МОЦО для решения различных исследовательских и прикладных задач. Результаты этих экспериментов свидетельствуют о том, что модель воспроизводит известные из наблюдений системы крупномасштабных океанских течений: антициклонические субтропические круговороты с западной интенсификацией в виде Гольфстрима и Куросио, Антарктическое циркумполярное течение, сезонные проявления порождаемого летним муссоном Сомалийского течения в Индийском океане, зонально ориентированные течения в приэкваториальной зоне, главные элементы глобальной конвейерной ленты.

Выявлена полугодовая цикличность в сезонной изменчивости интегральных характеристик океанической циркуляции и проанализированы источники ее происхождения - наложение двух крупномасштабных процессов с разными фазами сезонного цикла: 1) усиления субтропических круговоротов в северных частях Атлантического и Тихого океанов под воздействием зимней интенсификации среднеширотной циклонической деятельности и пассатных ветров и 2) развития системы Сомалийского течения, порождаемого муссонными процессами в Индоокеанском регионе в июне-июле (т. е. летом северного полушария).

В развитие анализа реакции океана на синоптические вариации атмосферных воздействий, выполненного ранее с использованием локальных моделей ВПС, проведено детальное исследование эффектов короткоперйодных вариаций атмосферных воздействий на более общей методической основе - на основе численных экспериментов с МОЦО. Внимание при этом сосредотачивалось не на особенностях отклика океана на индивидуальные синоптические образования, а на анализе суммарных или осредненных эффектов, накапливаемых в результате прохождения многих таких образований. Рассматриваемая в таком контексте реакция океана на синоптические АВ может трактоваться как один из механизмов формирования низкочастотной изменчивости, ключевую роль в котором играют нелинейные процессы. Выявлены новые аспекты в проявлениях суммарных эффектов, которые невозможно было проследить в рамках локальных моделей. Показано, в частности, что эффекты накопленных воздействий могут распространяться на большие глубины вследствие того, что механизмы зарождения глубокой конвекции инициируются синоптическими по своей сути процессами в течение коротких периодов интенсивной теплоотдачи с поверхности океана.

Проиллюстрированы возможности использования получаемых по МОЦО полей скорости течений для расчета распространения примеси в океане и окраинных морях - одного из практически важных приложений моделей общей циркуляции океана.

Практическая значимость работы

Представленные в диссертации модели нашли широкое применение в отечественных и зарубежных исследованиях для решения различных задач динамики океана и атмосферы (см. Приложение): для описания формирования вертикальной структуры Черного моря (моря с проливом) (Мадерич, Эфрогшсон,

1986; Мадерич и др., 1988), для построения совместной модели общей циркуляции атмосферы и океана (Дымников и др., 1995), для оценки реакции климатической системы на изменения концентрации углекислого газа и анализа климатических последствий ядерной войны в рамках климатической модели ВЦ АН СССР (Александров и др., 1983; Моисеев и др., 1985). Предложенный в работе алгоритм совмещения модели ВПС с циркуляционной моделью использован при построении совместной модели лед-ВПС-океан для Арктического бассейна (Zhang et al., 1998).

Модель общей циркуляции океана, представленная в диссертации, обладает необходимым потенциалом для решения широкого круга прикладных задач, связанных с исследованиями возможных изменений климата, разработкой методов долгосрочных прогнозов погоды, обеспечением потребителей информацией о состоянии океанских вод. В полной мере этот потенциал может реализоваться путем повышения пространственного разрешения расчетной сетки и более детального задания вынуждающих функций на поверхности воды.

Апробация работы

Основные положения работы представлены на национальных и международных семинарах и конференциях: Съездах советских океанологов (I - Москва, 2-25 июня 1977 г.; II - Ялта, 10-17 декабря 1982 г.; III - Ленинград, 14-19 декабря 1987 г.); Всесоюзном симпозиуме «Физические аспекты теории климата», Москва, 1982 г.; научном совете Госкомгидромета по проблеме «Изучение океанов и морей», Москва, 1984 г.; «VI Всесоюзном совещании пользователей океанографической информации», Обнинск, 1985 г.; Четвертой всесоюзной конференции по исследованию роли энергоактивных зон океана в короткопериодных колебаниях климата (программа "РАЗРЕЗЫ"), Одесса, 8-12 октября 1990 г.; международном семинаре «Atlantic Ocean Climate Variability Workshop», Москва, 13-17 июля 1992 г.; международном семинаре «Moscow Sea-Air Interaction Seminar», Москва, 24-27 ноября 1992 г.; международной конференции «Dynamics of Ocean and Atmosphere», Москва, 22-25 ноября

1995 г.; международном семинаре по исследованию циркуляции окраинных морей Восточной Азии «Fourth CREAMS Workshop», Владивосток, 10-12 февраля 1996 г.; международном семинаре «Workshop on Interdecadal Changes of the North Atlantic (In a View of the Recent Changes of the Subpolar Gyre)», Москва, 22-25 июля 1996 г.; совместных ассамблеях «1997 Joint Assemblies of the International Association of Meteorology and Atmospheric Sciences and International Association for the Physical Sciences of the Oceans», Мельбурн, Австралия, 1-9 июля 1997 г.; международном симпозиуме «Oceanic Fronts and Related Phenomena. Konstantin Fedorov International Memorial Symposium», С.-Петербург, 18-22 мая 1998 г.; международной теоретической конференции «Проблемы гидрометеорологии и окружающей среды на пороге XXI века», С.-Петербург, 24-25 июля 1999 г.; Всероссийской научной конференции «Проблемы и перспективы гидрометеорологических прогнозов», Москва, 17-20 января 2000 г.; конференции молодых ученых «Гидродинамические методы прогноза погоды и исследования климата», С.-Петербург, 19-21 июня 2001 г.; Первом Корейско-Российском семинаре «1-st Korea-Russia Joint Workshop on Climate Change and Variability», Чеджу, Республика Корея, 18-20 декабря 2001 г.