Моделирование циркуляции океана и исследование его реакции на короткопериодные и долгопериодные атмосферные воздействия

Дианский, Николай Ардальянович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Моделирование циркуляции океана и исследование его реакции на короткопериодные и долгопериодные атмосферные воздействия
ВАК РФ 25.00.29, Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации по теме "Моделирование циркуляции океана и исследование его реакции на короткопериодные и долгопериодные атмосферные воздействия"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ МАТЕМАТИКИ

На правах рукописи

Дианский Николай Ардальянович

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЦИРКУЛЯЦИИ ОКЕАНА И

ИССЛЕДОВАНИЕ ЕГО РЕАКЦИИ НА КОРОТКОПЕРИОДНЫЕ И ДОЛГОПЕРИОДНЫЕ АТМОСФЕРНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ

25.00 29 - Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва-2007

003066568

Работа выполнена в Институте вычислительной математики Российской академии наук

Официальные оппоненты, доктор физико-математических наук, профессор Г.М. Кобельков

Ведущая организация

Институт вычислительной математики и математической геофизики Сибирского отделения РАН

на заседании диссертационного совета Д 002.045.001 Института вычислительной математики РАН

по адресу 119333, г. Москва, ул. Губкина, д. 8.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке

Института вычислительной математики Российской академии наук

Автореферат разослан " /У " С£Н/п£и5/ъя 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор физико-математических наук доктор физико-математических наук

А.П. Мирабель Ю Д Реснянский

Защита состоится " 2.6 " 6/ОПЛе5Н*Л 2007 г в 13°° часов

доктор физ -мат наук

Г.А.Бочаров

Общая характеристика работы Актуальность темы

К важнейшим проблемам, стоящим перед современной наукой, относится решение задачи прогноза изменения климата, в значительной мере обусловленное антропогенным воздействием, связанным с выбросами в атмосферу парниковых газов и других загрязняющих веществ (см , например, 3-й [2001] и 4-й [2007] отчеты IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change - Межправительственная группа экспертов по изменению климата)

Согласно определению Всемирной метеорологической организации, климатическую систему Земли образуют взаимодействующие между собой следующие основные, сложные сами по себе, подсистемы (1) атмосфера, (2) океан, (3) суша, (4) криосфера и (5) биота И только с помощью комплексных моделей климата могут быть получены достоверные оценки взаимосвязей компонентов климатической системы и прогноз изменений климата [IPCC, 2001, 2007]

Климатические модели в настоящее время переживают период интенсивного развития [IPCC, 2007] Их основу составляют модели общей циркуляции атмосферы и океана как главных компонентов климатической системы Значительное место в настоящей работе уделено созданию модели общей циркуляции океана и объединения этой модели с моделью общей циркуляции атмосферы в единую модель климатической системы Создание эффективной модели гидротермодинамики океана важно и для изучения процессов, формирующих циркуляцию морей и океанов, что в свою очередь, необходимо для потребностей судоходства, рыболовства, прогноза и тд Актуальность моделирования повышает и то обстоятельство, что сбор натурных данных по океану и проведение наблюдательного эксперимента, особенно в глубинных слоях, связаны с большими трудностями и высокими затратами Более того, для достоверного прогноза океанической циркуляции необходимо создание системы усвоения данных и одним из ее основных компонентов должна служить верифицированная модель циркуляции океана1

Модели общей циркуляции океана направлены на описание и изучение закономерностей и явлений, имеющих глобальный характер Здесь с физической точки зрения под общей циркуляцией океана мы будем понимать осредненное движение морских и океанских вод в больших акваториях Это движение отражает некоторое равновесное состояние трехмерных полей скорости, температуры, солености и плотности, которое формируется в результате долгопериодного взаимодействия компонентов климатической системы Понятие общей циркуляции океана включает также течения, являющиеся частью крупномасштабных океанских круговоротов (Гольфстрим, Куросио, Антарктическое циркумполярное течение и др ),

1Системы усвоения данных в океане в настоящее время интенсивно развиваются в различных зарубежных и отечественных центрах Подобная система четырехмерного усвоения главным компонентом которой является представленная в данной работе модель, разрабатывается и в ИВМ РАН Но эта тематика выходит за рамки настоящей ра.боты

процессы экваториальной динамики и явление Эль-Ниньо, синоптические вихри открытого океана и фронтальные ринги, глубокую конвекцию, замерзание и таяние морских льдов Все эти процессы делают свои вклады в формирование сложной термохалинной циркуляции, ответственной за глобальные переносы водных масс и, следовательно, тепла, соли и других свойств морской среды Сложность формирования океанической циркуляции обусловлена еще и тем, что наряду с относительно быстрыми процессами, такими как внешние и внутренние гравитационные волны, волны Россби и Кельвина, крупномасштабные вихри и реакция океана на синоптическое воздействие атмосферы и т д , основная структура общей циркуляции океана формируется очень медленно, особенно в его глубоководных частях

Если в климатической системе Земли выделить океан как самостоятельный объект, то можно говорить о том, что общая циркуляция океана формируется как отклик на возбуждение внешними по отношению к морской среде термоха-линными (нагревание, охлаждение, осадки, испарение) и механическими (ветер, атмосферное давление, силы лунно-солнечного потенциала) воздействиями Для воспроизведения крупномасштабных осредненных характеристик термохалинной циркуляции можно использовать невысокое пространственное разрешение При этом важные региональные особенности циркуляции Мирового океана воспроизводятся только в смысле их осредненной пространственной структуры Для задачи более точного воспроизведения таких важных течений, как Гольфстрим, Куросио, Сомалийское и др , или собственной синоптической изменчивости океана, необходимо высокое пространственное разрешение Оба этих направления моделирования требуют больших вычислительных затрат, поскольку для расчета общей циркуляции океана на установление необходимо проведение экспериментов на большие времена, а для воспроизведения струйных течений и вихревой изменчивости использовать высокое пространственное разрешение

Все вышесказанное позволяет сделать вывод об актуальности построения эффективной и в то же время физически полной модели циркуляции океана и использовании ее для исследования океанических процессов и роли океана в изменчивости и изменениях климата При этом в настоящей работе ставится задача создания модели океана двойного назначения (1) для проведения исследований особенностей формирования глобальной и региональной циркуляции океана, (2) для использования ее в качестве океанического блока в климатической модели

Результаты, изложенные в настоящей диссертационной работе, находятся в русле решения задач ряда национальных и международных программ, в том числе Федеральной целевой программы "Мировой океан" и Всемирной программы исследований климата (ВПИК)

Целями диссертационной работы являются

1 Создание модели общей циркуляции океана для проведения исследований формирования циркуляции океана и для использования ее в совместной модели общей циркуляции атмосферы и океана в качестве океанического блока

2 Объединение моделей общей циркуляции атмосферы и океана в единую модель климатической системы

3 Исследование формирования циркуляции океана и его отклика на корот-копериодные и долгопериодные атмосферные воздействия на основе проведения и анализа результатов экспериментов с моделью океана, с совместной моделью атмосферы и океана, а также привлечения данных наблюдений Анализ экспериментов с климатической моделью по сценариям 1РСС по прогнозу возможных будущих изменений климата, проведенных в рамках международного проекта сравнения климатических моделей

Методология исследования заключается в построении модели общей циркуляции океана, использующую в качестве вертикальной ст-координату, разработка и реализация методики объединения моделей общей циркуляции атмосферы и океана в совместную модель без коррекции потоков на поверхности океана, проведении численных экспериментов и сравнительного анализа их результатов с привлечением данных наблюдений и результатов расчетов по другим моделям

На защиту выносятся:

1 Новая, верифицированная версия сг-модели общей циркуляции океана, предназначенная для использования в качестве океанического блока в климатической модели, а также для исследовательских и практических расчетов глобальной и региональной циркуляции океана

2 Результаты изучения отклика океана в термохалинной структуре и циркуляции океана на изменение трения ветра

3 Объединение моделей общей циркуляции атмосферы и океана в совместную модель и сравнительный анализ характеристик среднего состояния и изменчивости океана при воспроизведении современного климата

4 Исследование формирования связи величины временного запаздывания крупномасштабных аномалий ТПО с наиболее значимыми периодами колебаний в атмосферном воздействии

5 Анализ изменений характеристик циркуляции Мирового океана по результатам экспериментов по прогнозу изменений климата в XXI столетии с помощью совместной модели

6 Результаты изучения особенностей формирования муссонной циркуляции Индийского океана

Научная новизна

Для решения поставленных задач разработана новая версия сг-модели общей циркуляции океана, первоначально реализованная в ИВМ РАН под руко-

водетвом Г И Марчука и В Б Залесного В настоящее время это единственная сг-координатная модель, способная адекватно воспроизводить циркуляцию Мирового океана при расчетах на большие времена Этого удалось достичь за счет разработки и внедрения новых, в том числе впервые реализованных в сг-модели, физических параметризаций, выполненных на основе современных численных методов Все это позволило значительно улучшить качество воспроизведения циркуляции Мирового океана, что, в свою очередь, позволило использовать сг-модель общей циркуляции океана в качестве океанического блока в модели климатической системы Земли без применения процедуры коррекции потоков на поверхности океана Для этого была разработана и реализована оригинальная методика объединения моделей общей циркуляции атмосферы и океана в единую модель климатической системы

Следует особо подчеркнуть оригинальность как о—модели общей циркуляции океана, так и самой модели климата, разработанных в ИВМ РАН Климатические модели также создаются и развиваются в различных международных ведущих научных центрах Возникающий при этом "параллелизм" необходим для контроля воспроизводимости получаемых с их помощью результатов и для статистического исключения возможных ошибок прогноза изменений климата Именно для этого проводилось и проводится сравнение результатов моделирования климата и его изменений в рамках различных международных программ, которые являются в определенном смысле клубами высоких технологий Совместная модель общей циркуляции атмосферы и океана, представленная в настоящей диссертации, участвует в международном проекте сравнения совместных моделей CMIP (Coupled Model Intercompanson Project), проводимого под эгидой ВПИК Результаты экспериментов с моделями, участвующими в CMIP, являются основой выработки "обобщенного прогноза" будущих изменений климата [IPCC, 2007]

В рамках диссертационной работы по оригинальной модели общей циркуляции океана, с привлечением современных данных реанализов NCEP и ECMWF, используемых для расчета условий на поверхности океана, и по совместной модели атмосфера-океан впервые был выполнен ряд исследований как глобального океана, так и его отдельных акваторий с принципиально разными физическими условиями формирования полей динамических и гидрологических характеристик Получены новые, важные результаты по формированию общей циркуляции океана и его отклика на внешнее воздействие Для изучения формирования аномалий температуры поверхности океана предложена оригинальная методика исследования, с привлечением аналитической модели верхнего перемешанного слоя и аппарата исследования частотных характеристик передаточных функций, а также методика SVD анализа с временным сдвигом в исследуемых полях Показана важность роли Мирового океана в климатических изменениях, не только как индикатора этих изменений, но и активного компонента их формирования

Научная и практическая значимость

В настоящее время актуальны задачи достоверного диагноза и прогноза изменений климата и выявления причин, которые эти изменения обуславливают Поскольку одним из основных методов решения этой проблемы является численное моделирование, значительные усилия были направлены на создание оригинальной модели общей циркуляции океана, как важнейшего (наряду с атмосферой, сушей и криосферой) звена климатической системы и объединения этой модели с моделью общей циркуляции атмосферы в единую модель климатической системы

Разработанный оригинальный программный комплекс модели океана и совместной модели океана и атмосферы был использован для проведения численных экспериментов, в результате которых получен ряд важных выводов относительно особенностей формирования циркуляции океана и состояния совместной системы атмосфера-океан

Результаты экспериментов с моделью климатической системы по прогнозированию изменений климата, вместе с результатами по другим моделям 1РСС использованы в 4-м отчете 1РСС, на основе материалов которого вырабатываются рекомендации для правительств и соответствующих международных организаций по решению проблем, связанных с изменениями климата

Подготовленный программный комплекс позволяет эффективно использовать представленную модель океана для решения различных научных и практических задач, связанных с моделированием циркуляции как во всем Мировом океане, так и в его обширных акваториях с высоким пространственным разрешением Так в работе [5]2 был выполнен расчет переноса отработанного ядерного топлива течениями при различных сценариях выбросов, возможных при его транспортировке Для этого была реализована вихреразрешающая (с шагами 1/8° по широте и долготе) модель циркуляции всей северной части Тихого океана от экватора до Берингова пролива

Апробация работы

Материалы, вошедшие в диссертационную работу, представлялись на международных и российских конференциях "Вычислительная математика и математическое моделирование" (г Москва, 2000), "Моделирование и информационные системы как средства снижения загрязнений на городском и региональном уровне" (Е1ЧУ1110М18-2002, г Томск, 2002), Юбилейная Всероссийская научная конференция "Фундаментальные исследования взаимодействия суши, океана и атмосферы" , посвященная 250-летию Московского государственного университета и 10-летию Российского Фонда Фундаментальных Исследований (МГУ, г Москва, 2002), Ассамблея Европейского геофизического общества (г Ницца, Франция, 2001-2003, г Вена, Австрия, 2007), "Параллельные методы вычислительной гидродинамики" (РСРБ, г Москва 2003), "Всемирная конференция по изменению

23десь и в последующих ссылках номерами обозначены работы с участием автора диссертации, в соответствии со списком основных публикаций по ее теме, приведенным в конце автореферата

климата" (г Москва, 2003), Научно-практическая конференция "Гидрометеорологические прогнозы и Гидрометеорологическая безопасность" , приуроченная к 170-летию образования Гидрометеорологической службы России (Гидрометцентр РФ, г Москва, 2004), XIII междунродная конференция по промысловой океанологии (г Калининград, 2005), "Международная конференция по мезомасштабным процессам в атмосфере, океане и окружающей среде" (IMPA-2006, Центр атмосферных наук Индийского института технологии, г Дели, Индия, 2006), "Международная конференция по проблемам гидрометеорологической безопасности" (г Москва, 2006) Они докладывались также на рабочих совещаниях ВОСЕ "Workshop on Interdecadal Changes of the North Atlantic" (г Москва, 1996) и "Ocean Transports Workshop" (г Саутгемптон, Англия, 2001), на Российско-Германском семинаре по моделированию океана (г Гамбург, ФРГ, 2005), а также обсуждались на семинарах Института вычислительной математики РАН, Гидрометцентра РФ, Института океанологии РАН, Государственного океанографического института Росгидромета, Национального центра среднесрочного прогноза погоды (NCMRWF, г Дели, Индия), Национального океанографического института (N10, Гоа, Индия) Полностью диссертация докладывалась на семинарах ИВМ РАН и Гидрометцентра РФ

Публикации

По теме диссертации опубликовано более 40 работ, 22 из них в отечественных и зарубежных рецензируемых журналах (21 - из перечня ВАК), 3 в издательстве "Наука"

Личный вклад автора в совместные работы можно охарактеризовать как разработка и реализация моделей, обработка и анализ результатов экспериментов (в том числе совместная деятельность по этим видам работ) - во всех приведенных работах, предложение идеи проведения работы и/или решения проблемы -[1,2,4,5,13,14,16-18,19,21,22,24,25], постановка и проведение экспериментов (в тч совместная) - во всех работах, за исключением [3,12], написание текста в объеме более 90% - [5,13,14,17], в объеме не менее 50% - [2,11,12,16,20-22,24,25], в объеме около 30% - [1,3,4,10,15,18,19,23], в работах [6,7] полностью написаны разделы, касающиеся моделирования Мирового океана

Структура диссертации

Работа, объемом 260 стр , состоит из введения, шести глав, заключения, приложения и списка литературы из 283 наименований Она содержит 73 рисунка, включая 9 рисунков из приложения, и одну таблицу Каждая глава разбита на разделы, включая введение к главе и выводы из нее

Основное содержание работы

Во введении к диссертации обосновывается актуальность темы, формулируются основные цели, а также дается краткий обзор содержания диссертации Учитывая разноплановость диссертационной работы, во введении не приводится общий обзор литературных источников по темам диссертации, поскольку такие обзоры помещены во введения к каждой из глав диссертации

Первая глава посвящена описанию сг-модели общей циркуляции океана, разработанной в ИВМ РАН Под понятием модель подразумевается, сложный комплекс, включающий уравнения гидротермодинамики океана, методы их численного решения и вычислительную систему, представляющую собой совокупность большого количества программ, предназначенных как собственно для решения системы базовых уравнений, так и служебных, необходимых для организации интегрирования этих уравнений

Во введении к главе (раздел 1 1) приводится обзор наиболее известных зарубежных и отечественных моделей, предназначенных для расчета циркуляции океанов и морей Наша модель относится к классу сг-моделей океана В ней в качестве вертикальной переменной используется безразмерная переменная а € [0,1], задаваемая, в случае условия твердой крышки3, соотношением

= г/Н, (1)

где Н = Н (Х,(р) - невозмущенная глубина океана как функция долготы Л и широты л- физическая вертикальная координата по глубине Преимущество данной системы координат состоит в "гладком" представлении топографии дна, что дает возможность повысить качество расчетов придонных течений, на континентальном шельфе, склоне и в мелководных районах Главная особенность сг-модели ИВМ РАН состоит в том, что при ее численной реализации используется метод расщепления по физическим процессам и пространственным координатам, что, в свою очередь, дает возможность использовать эффективные неявные алгоритмы В разделе 1.2 приводятся направления развития сг-модели циркуляции океана ИВМ РАН Изначальная версия этой модели, созданная Залесным В Б и его учениками, была существенно переработана автором, чтобы она могла служить составной частью модели климатической системы Это подразумевает повышение адекватности сг-модели при воспроизведении циркуляции Мирового океана Выполненные автором модификации сг-модели океана можно систематизировать следующим образом

1 Повышение качества воспроизведения циркуляции океана за счет включения в модель новых физических параметризаций (а) горизонтальной диффузии, реалистично описывающей процесс боковой диффузии в сг-системе координат, (б)

3В последних версиях модели [1,4,5] используется условие свободной поверхности океана Здесь мы будем использовать условие твердой крышки, поскольку результаты, приводимые в диссертационной работе, получены с помощью ¿г-модели с этим условием

боковой вязкости с помощью оператора 4-го порядка, более эффективно подавляющей численный шум и, за счет этого, позволяющей, что особенно важно при расчетах на большие времена, уменьшить коэффициенты диффузии для температуры и солености, (в) моделей вертикального перемешивания, позволяющих реалистично описывать процесс вертикального турбулентного перемешивания с учетом вертикальной стратификации скорости и плотности, (г) параметризации проникающей коротковолновой радиации, (д) параметризация квадратичного трения о дно, (е) переход к потенциальной температуре и введение нового уравнения состояния с учетом сжимаемости морской воды

2 Увеличение более чем на 50% быстродействия модели за счет оптимизации численных алгоритмов и программного кода

3 Разработка и реализация модуля расчета реального атмосферного воздействия в автономных экспериментах с моделью океана

4 Разработка и реализация системы подключения модели океана к модели атмосферы для создания совместной модели общей циркуляции атмосферы и океана

В разделе 1 3 приводится формулировка задачи моделирования циркуляции океана В основе модели лежит тн система примитивных уравнений в приближениях гидростатики и Буссинеска в а системе координат (1)

duH ,, . „ „ (г\ „ т\ др\ д v ди „

— + ,А smf ^ = + + (2)

dvH ,, . rr rr /гф „ r^df>\ д i/dv _ . .

— Hl + rx simp = + + (3)

диН д (Гш rr\ dw /t.

d6H dvgde OR

-dT=d-aH0-a + De+ Ы <5) dSH dvsdS

-dT = d^Hd^ + DS- (6)

p = р{в, S + 35°/oo, Po9aH) - /5(0 0, pQg<TH) (7)

Здесь r\ = l/(acos<^) и rv = 1/a - метрические коэффициенты, в которых а -средний радиус Земли, и и v - зональный и меридиональный компоненты вектора горизонтальной скорости и = (и, v), oj - вертикальная скорость в и-системе координат, связанная с вертикальной скоростью w в обычной z-системе координат соотношением ш = w — сг(иг\дН/д\ + vr9dH/ду), 9 - потенциальная температура, R - поток проникающей солнечной радиации S - соленость за вычетом константы 35°/оо, Р ~ плотность воды в отклонении от профиля плотности, зависящего только от давления столба жидкости pogz на глубине z = сгН, Ро = 1 025 г/см3 - средняя плотность воды в океан Нелинейное уравнение состояния р(0, S+35°/оо,Pw) в (7), учитывающее сжимаемость за счет давления столба

воды получено Вгуёеп'ом и др [1999] специально для моделей океана Параметр Кориолиса I = 2й вт (р, где й - угловая скорость вращения Земли с учетом годового вращения, г/, ^и^ - коэффициенты вертикальной турбулентной вязкости и диффузии, которые в случае устойчиво стратифицированного вертикального профиля потенциальной плотности рассчитываются согласно параметризации Пакановского-Филандера либо Монина-Обухова, а в случае неустойчивого - полагаются большими для параметризации конвекции, р - возмущение в поле давления на поверхности а = О

Компоненты горизонтального градиента давления Р\ и Р^, вызванные возмущениями плотности, рассчитываются с использованием уравнения гидростатики в специальной форме

40}

которая позволяет уменьшить погрешности при их разностных аппроксимациях в с-системе координат Использование уравнения состояния в виде (7) так же позволяет уменьшить эти погрешности, поскольку заранее вычитается та часть нелинейного по глубине профиля плотности, которая не дает вклада в горизонтальный градиент давления

Оператор переноса, входящий в состав полной производной в (2), (3), (5) и (6), используется в полудивергентной, симметризованной форме

ЦЕ = дф гд dt dt 2

дНиф r^ и дф д (rv

д\ дХ + rxHvd<p dip 1 / дф дшф

2 V да да

(9)

где 0-переносимая величина

Оператор боковой вязкости F в (2) и (3) представляет собой комбинацию операторов 2-го и 4-го порядков

F ф = HdiVh(Agrad^) - Н (divh(B* gradk)^J ф, (10)

где ф есть либо и либо г>, gradh и divh - двумерные операторы боковых градиента и дивергенции, действующие на поверхностях а = const А и В - диагональные тензоры второго порядка

где Ах = Ах(<р), А* = А^((р), Вх = Вх((р) и В* = В*(<р) - коэффициенты вязкости для операторов 2-го и 4-го порядков вдоль Ли ср, задаваемые как некоторые функции от широты Оператор 4-го порядка, по сравнению с оператором 2-го порядка, более эффективно подавляет высокочастотные пространственные гармоники и менее "размывает" основное крупномасштабное решение

Оператор боковой диффузии В выбирается одинаковым для в и ¿> в (5) и (6) и выписывается в виде, эквивалентном горизонтальной диффузии в обычной г-системе координат

хдХ

Кх

Г\гу

д_

д(р

г\

ндф_ 9Н дф д\ а дХ да

ндф дНдф д<р да

г 9

д_ ^да

хо_дН_ /дб _ дНдф\

К НдХ г\Н д<р

дх

дф

ЭХ да) дН дф

др др да

(12)

где ф есть либо в либо 5, Кх((р, аН) и К*(<р, аН) - коэффициенты горизонтальной диффузии 2-го порядка вдоль Л и (р, выбираемые как некоторые функции от широты и глубины

В качестве граничных условий на поверхности океана (а = 0) для скорости задаются поток импульса от напряжения трения ветра (тд,^) и условие твердой крышки

V <Эи Нда

(тл, Ту)

<7=0

= О,

<7=0 Ро

а для температуры и солености нормированные потоки тепла дд и соли

щдв_ ' Нда

Чв, -

Нда

= 95

(13)

(14)

На дне (а = 1) задаются условия непротекания, имеющее в сг-системе координат простой вид

= О'

и квадратичного придонного трения V Эи

Нда

<7=1

С0^и2 + ь2 + е2ь и|

<7=1

(15)

(16)

где Сх> = 2 5 10~3 ие( = 5 см/с - эмпирические константы

На боковой поверхности для скорости задаются условия непротекания и свободного скольжения На твердых участках боковой границы и на дне для температуры и солености ставятся условия изоляции Если бассейн не является замкнутым, то на жидких участках боковой границы задаются температура и соленость, взятые из наблюдений В случае, если жидкая граница представляет собой устье реки, то задается только соленость В модель инкорпорирована упрощенная версия модели термодинамики морского льда, разработанной Яковлевым [2003]

В разделе 1.4 приводятся принципы построения и особенности численной реализации сг-модели океана, которые основываются на методе расщепления Впервые для расчета циркуляции океана этот метод применен в работе Марчука и Залесного [1974] Он позволяет использовать эффективные неявные методы интегрирования с большими шагами по времени Для его применения на каждом интервале интегрирования (^,^+1] система уравнений (2)-(7) частично линеаризуется в операторе переноса (9) скорость, с которой переноситься субстанция, и при расчете квадратичного трения о дно модуль скорости, входящий в коэффициент трения (16), берутся с предыдущего шага по времени

Для решення уравнений (2)-(7) применяется техника построения разностных аппроксимаций по пространству второго порядка точности (в случае равномерной сетки) на разнесенной "С" сетке по классификации Аракавы

Расщепление системы уравнений (2)-(7) проводится на нескольких иерархических уровнях На каждом интервале интегрирования (£3, ^+1], процесс, описываемый частично линеаризованной системой уравнений (2)—(7), представляется в виде суперпозиции процесса переноса-диффузии для в, в, и, V и процесса приспособления полей скорости и плотности (адаптации гидрологических полей) Это макро-уровень расщепления В дифференциальной постановке эти задачи описываются следующими уравнениями (решение исходной задачи на момент времени считается известным) I Перенос-диффузия в и 5

сШН _ д_щдв_ дЯ

Л ~ даНда + да'

йБН _ д УздБ | п 3

ей да Н да

II Перенос-диффузия и и»

<1иН тт д V ди

—-гА аш? иуН = --Та+Ри,

йуН тт д ь> 8у

—— +гл викр ииН = + Г V

(И да Н да

III Процесс адаптации дг \ро р0д\

(17)

(18)

гду , , гг тт (тч> ъ г_± дР

Рс

диН д (гш \ дш

дг \ро Ро д<р '

Процессы переноса-диффузии (17) и (18) решаются путем дальнейшего расщепления по элементарным процессам переноса-диффузии вдоль координат, что

позволяет сделать полудивергентная форма (9), обладающая при условии непротекания на границах свойством кососимметрии (неотрицательности) для каждого направления отдельно

Процесс приспособления гидрологических полей (19) решается в три этапа Сначала по значениям в и Б, полученным из этапа (17), согласно (7) рассчитывается плотность и, затем, по (8) компоненты градиента давления Р\ и Р^ По рассчитанным Р\ и Р,вычисляется обусловленное ими изменение импульса

дг Ро дЬ Ро

Оставшаяся часть системы решается путем естественного разделения на ба-ротрпную и бароклинную моды

и = и + и', V = V + и = I ийа, у= уйа (21)

./о

Принимая во внимание (21), оставшаяся после решения (20) часть системы (19) распадается на решение двух систем уравнений, описывающих бароклинную и баротропную адаптации

Система бароклинной адаптации имеет вид

Ц, (22)

т+1и=0

При решении этой системы, используется неявная схема с методикой диагонализа-ции [Делеклюз и Залесный, 1996] пространственного оператора для кориолисовых членов, возникающего при применении сетки "С"

Вертикальная скорость находится путем интегрирования по глубине уравнения неразрывности (4) по горизонтальным рассчитанным составляющим бароклинной скорости, с учетом условий непротекания и свободного скольжения на боковых границах

В силу (21) граничные условия для вертикальной скорости на поверхности и дне

1 1

удовлетворяются автоматически, поскольку / и'¿а = / у'¿сг = 0

о о

Уравнения баротропной адаптации (24) наиболее сложны для решения, поскольку требуют совместного решения сразу трех уравнений, записанных с ис-

пользованием неявной схемы по времени

ди т\ др

di~ ~7одХ'

dv г^др , s

at + lu = ~fd> (24)

дйН + А f W) = о

д\ dip \ г\

Условие твердой крышки позволяет исключить из рассмотрения давление из первых двух уравнений (24) путем сведения их к одному уравнению для баро-тропной функции тока ф, определяемой как

1 дф _ гА дф Н dip rvH дХ

При этом уравнение неразрывности в (24) удовлетворяется автоматически

Если теперь осуществить в (24) перекрестное дифференцирование и вычитание второго уравнения из первого, то для ф получается уравнение

I [JL (l*_!£L\ . A = о (261

dt\dip\rxH dip) dX\rvHdx)J д<р\НJ дХ дХ\Н ) dip У '

Граничное условие для решения (26) является следствием условия непротекания через боковую поверхность основного контура Го и, в случае многосвязной области, N островов с границами Гг и имеет вид

Ч-„=°> Ф\Гг = Сг, l = ljj (27)

При этом неизвестные значения функции тока на них q вычисляются по методике (Марчук и др , 1987) на каждом шаге интегрирования

Поскольку здесь приводится описание модели в полуразностной постановке, необходимо обратить особое внимание на то, что на самом деле уравнение для функции тока в (26) на сетке "С" построены автором путем разностного перекрестного дифференцирования уравнений для й и v , записанных в несовпадающих на сетке "С" узлах Необходимость такой процедуры обусловлена тем, что задача (26) должна быть полностью эквивалентной исходной системе (24) в разностной постановке При решении разностного аналога задачи (26) по неявной схеме используется итерационный метод последовательной строчной верхней релаксации

После решения всех этапов расщепления получается решение задачи (2)-(7) на момент времени tJ+\

Во второй главе проведен анализ циркуляции Мирового океана, воспроизведенной с помощью <т-модели, и ее сравнение с данными натурных наблюдений и результатами по другим моделям общей циркуляции океана [Large и др , 1997,

Gent и др , 1998] Модель имеет пространственное разрешение ДА = 2 5° по долготе, А<р = 2° по широте и 33 <т-уровня, неравномерно распределенных по вертикали, согласно предложенному автором выражению

ak+i = 1 92№+!>/*)2 718 + 0 08((к + \)/К) - 1 0, (28)

2 Z

где k = 1, 2 ,К = 33 Формула (28) для средней глубины Мирового океана (~3500 м) плавно аппроксимирует распределение по глубине т н океанографических горизонтов

Во введении к главе (раздел 2 1) проводится краткий обзор численных моделей крупномасштабной циркуляции Мирового океана Отмечается их близость друг к другу по своей физической структуре Невысокое пространственное разрешение этих моделей по горизонтали обусловлено необходимостью интегрировать их на длительные сроки Отмечается, что представленная модель - единственная из сг-моделей, способная воспроизводить крупномасштабную климатическую циркуляцию Мирового океана при расчетах на большие времена Указывается, что главная цель, поставленная во второй главе, - это настройка параметров модели, с целью получения адекватной наблюдениям модельной климатической циркуляции Мирового океана Такая работа необходима перед включением модели океана в модель климата ИВМ РАН

В разделе 2.2 приводятся параметры сг-модели глобального океана Модельная область простирается по широте от берегов Антарктиды до 89°с ш Ее основной контур Го образуют береговые линии Евразии, Африки, Северной и Южной Америк, объединенных в один континент Остальную часть границы образуют в качестве островов Австралия, Антарктида, Исландия, Куба, Мадагаскар, Новая Зеландия, Шпицберген, Япония, а также искусственный остров с центром на северном полюсе Применение сетки "С" позволяет даже при используемом пространственном разрешении рассчитывать обмены через Берингов и Гибралтарский проливы, что позволяет существенно улучшить распределение температуры и солености в прилегающих акваториях

Коэффициенты горизонтальной диффузии К* и Кх в операторе (12) для температуры Т и солености S задавались как

1 + ехр{——)

[1 + (cos ip) 10°], Кх = KVA A cos (<р) /Aip, (29)

где И = 300 м, а Ко = 8 106см2/с - максимальная величина, которую К^ достигает на поверхности океана и экваторе согласно (29)

В разделе 2.3 приводятся условия на поверхности океана и описание экспериментов Атмосферное воздействие на океан рассчитывалось по среднемесячным климатическим данным годового хода из реанализа 1МСЕР

CpPo (30)

qs = -(Si + 35%0)(p -E)+ 7s(Sl - 5i)

Здесь Qsen и <5;ai - потоки явного и скрытого тепла, Qiw и Qsw - потоки длинноволновой и коротковолновой радиации в океан, (Р — Е) - осадки минус испарение Коэффициент 0 б при Qsw объясняется тем, что именно эта часть потока коротковолновой радиации добавляется к полному потоку тепла на поверхности океана, поскольку согласно используемой параметризации Jerlov'a [1968] 60% суммарной солнечной радиации поглощается в верхнем 35 см слое Остальная часть используется для расчета проникающей коротковолновой радиации в (5)

0 4

R =-Qsw (1 - exp(-oH/\Sw)), As*?-= 20 м

CpPo

Последние члены в (30) представляют собой отрицательную обратную связь, возвращающую модельные температуру и соленость поверхности океана (ТПО и СПО), взятых с 1-го модельного уровня, к наблюдаемым значениям ТПО 9l и СПО Si с 12-ти суточным временным масштабом по отношению к 50-ти метровому верхнему слою Использование релаксационных добавок к потокам тепла и пресной воды есть один из методов как фильтрации погрешностей в данных по атмосферному воздействию, так и учета отрицательных обратных связей, присутствующих в реальной совместной системе атмосфера-океан

В разделе 2 4 рассматриваются среднегодовые характеристики глобального океана Анализ расчетов показывает, что модельные распределения океанической циркуляции и термохалинных полей соответствуют данным наблюдений и хорошо согласуются с расчетами по другим климатическим моделям океана Картина ба-ротропной циркуляции является классической для глобальных моделей сходного разрешения Среднегодовое значение расхода Антарктического циркумполярного течения (АЦТ) в проливе Дрейка составляет 120 Св, расходы в Гольфстриме и Куросио составляют 25 Св и 35 Св соответственно При этом в Гольфстриме среднегодовая скорость (до 25 см/с) выше, чем в Куросио (до 20 см/с), что согласуется с данными наблюдений В Южном океане скорость Антарктического циркумполярного течения составляет в среднем 8-10 см/с, превышая 25 см/с в проливе Дрейка

На глубине 2 5 км хорошо выражено противотечение у западного берега Атлантического океана, возвращающее в низкие широты водные массы, сформированные в зоне глубокой конвекции В АЦТ величины скоростей падают по сравнению с поверхностными в 2-3 раза

Достаточно хорошо воспроизводится вертикальная структура экваториальных течений Величина подповерхностного противотечения, осредненного в поясе 5°ю ш -5°с ш , приблизительно в 2 раза меньше наблюдаемой (>20 см/с), но также приблизительно в 2 раза выше чем в [Large и др , 1997]

Рассчитанная меридиональная циркуляция хорошо совпадает с результатами по другим известным моделям [Large и др , 1997, Gent и др , 1998] Ее характерной особенностью является дипольная структура у экватора, связанная с интенсивным экваториальным апвеллингом Величина расхода в северной от экватора ячейке достигает 30 Св, а в южной - 35 Св Центры этих круговоротов расположены на глубине 75 м на расстоянии около 5° к северу и югу от экватора

Рассчитанный меридиональный перенос тепла (МПТ) хорошо согласуется с результатами по другим моделям [Large и др , 1997, Gent и др , 1998] и оценками по данным наблюдений (см рис 1) Небольшим отличием может служить локальный минимум на 60°ю ш в районе АЦТ Среднегодовой меридиональный перенос пресной воды также хорошо согласуется с косвенными оценками из наблюдений [Wi-jffels и др , 1992] и результатами моделирования и данными наблюдений Следует отметить, что в отличие от [Large и др , 1997, Gent и др , 1998] воспроизводится глобальный перенос пресной воды на север на широте 10°с ш Однако в тропиках наша модель, как и отмеченные, не воспроизводит однонаправленный на север перенос пресной воды в Атлантике

Отклонения модельной потенциальной температуры от данных наблюдений в основном имеют положительные значения с максимумами порядка 2°С, расположенными на глубине ~700 м в Южном полушарии и ~400 м - в Северном на широтах ~40° Северного и Южного полушарий Среднегодовое среднезональное распределение солености также показывает завышение солености в средних широтах с максимумами ~0 3°/00, причем приблизительно в тех же областях, что и температура

В разделе 2 5 проводится исследование чувствительности циркуляции глобального океана к напряжению трения ветра Его замена в расчетах с данных NCEP на ECMWF приводит к заметным изменениям в циркуляции и термоха-линных полях, и, как следствие, к изменениям меридиональных переносов тепла и пресной воды (рис 2) Основные различия в напряжении трения ветра между данными NCEP и ECMWF располагаются в приэкваториальной области, где пассаты ECMWF более интесивны В структуре меридиональной циркуляции

-1 5

Рис 1 Среднегодовые МПТ (в ПВт) Мировой океан (сплошная линия), Атлантический океан (длинный пунктир), суммарный перенос в Тихом и Индийском океане (короткий пунктир) Приведены значения оценок МПТ из [Масск>паЫ и \Vunsh, 1996] для глобального океана (кружки) Атлантики (треугольники), Индийского и Тихого океанов (ромбики) Положительные значения МПТ соответствуют переносу тепла на север а отрицательные — на юг

14 0.6

-0 3

(рис. 2а) главное изменение состоит в интенсификации подповерхностных приэкваториальных ячеек меридиональной циркуляции и смещении их центров ближе к экватору. Эти ячейки циркуляции вызывают образование приэкваториальных подповерхностных терм охали иных аномалий. Далее процессами адвекции (I диффузии эти аномалии выносятся и область средних широт, формируя общую картину отклика на изменение трения ветра. Отмеченное усиление приэкваториальных подповерхностных ячеек в Тихом океане, в комбинации с изменениями в тёрмо-Халинной структуре, интенсифицирует вынос тепла и пресной воды на север и юг из приэкваториальной области (рис. 26). В Атлантике заметно повсеместное увеличение переноса тепла па север. 15 Южном океане зигзагообразное увеличение переноса тепла на се^ер объясняется дипольньш изменением и структуре меридиональной циркуляции на глубинах 1 3 км.

а Третья глава посвящена моде-

лированию и анализу характеристик современного климата, воспроизводимых совместной моделью Общей циркуляции атмосферы и океана, созданной в ИВМ РАН. Во введении к главе (раздел 3.1) показала важность создания климатических моделей поскольку только с их помощью могут быть получены достоверные оценки сложных, нелинейных взаимосвязей компонентов климатической системы и прогноз изменений климата |1РСС, 2001{. ]Годчеркивается достойное

Рис. 2. а) Разность среднегодовых среднеэональных мест0 модели климата, создан-

распределений потенциаяьноЙ температуры по резуль- пой в ИВМ РАН, в ряду КЛИ-

татам "^^"'Г11 "Тм^ магических моделей (т.п. моде-

липам ЕСМ\\ Р и МСЕР (градации серого цвета). Иао- ,л *

линиями показана разность меридиональное функций ли 1РСС) других международ-тока по результатам этих же экспериментов, б) Сред- НЬ]Х научных центров негодовые разности М П Т для Мирового (сплошная линия). Атлантического {длинный пунктир), и суммарно В разделе 3.2 приводится

Тихого и Индийского океанов (короткий пунктир). _ ____ _ „.„ ... _____

11 * ' описание совместной модели об-

щей циркуляции атмосферы и океана ИВМ РАН. Модель океана подробно описана в первых двух главах диссертации. Пространственное разрешение атмосферной модели составляет по долготе, -Г по широте и 21 уровень по вертикали. Она описана в приложении к диссертации- Следует отметить, что атмосферная модель включает в себя процессы в почве и па поверхности суши, в т.ч. крпо-сферные. Представлено описание разработанной автором методики объединения

моделей атмосферы и океана в совместную модель климатической системы, осуществляемого без коррекции потоков на поверхности океана Главным образом, это достигается за счет того, что при создании и настройке моделей общей циркуляции атмосферы и океана удалось добиться того, что эти модели автономно достаточно хорошо воспроизводят климатические состояния атмосферы и океана Описана методика эксперимента по воспроизведению климата XX века, который проводился в рамках СМ1Р по сценарию 1РСС [2007] Для анализа состояния климата рассматриваются характеристики климата, осредненные за последние десятилетия, в основном за период 1980-1999 гг

В разделе 3.3 проводится сравнительный анализ количественных показателей климатической системы - характеристик на поверхности океана, таких как ТПО, СПО, потоки тепла, влаги и импульса (напряжение трения ветра) В модели правильно воспроизводится величина повышения приповерхностной температуры воздуха в XX столетии и такие особенности наблюдаемого изменения климата, как потепление 1940-1950 гг и замедление потепления в 1960-1970 гг Проводится оценка качества воспроизведения циркуляции океана в эксперименте, для чего параметры модельной циркуляции сравниваются с наблюдениями и результатами по другим совместным моделям, представленным в 4-м отчете 1РСС Сравнение характеристик климата, полученных в ходе экспериментов с совместной моделью ИВМ по сценариям СМ1Р и 1РРС, со средними по всем моделям, участвующими в программе СМ1Р показывает, что созданная модель климатической системы ИВМ РАН воспроизводит основные параметры среднего состояния и изменчивости современного климата на уровне, соответствующем лучшим моделям

1РРС

В разделе 3 4 проводится анализ воспроизведения в совместной модели интегральных характеристик циркуляции Мирового океана баротропной функции тока, среднезонального распределения температуры и солености, меридональной функции тока, меридиональных переносов тепла и пресной воды, изменение уровня океана В целом характеристики термохалинной циркуляции океана близки к

"30N 75

15 Eq 15 Latitude

Рис 3 Средние за 1980-1999 гг МПТ для глобального океана в моделях IPCC, включая модель ИВМ (INMCM3 0, отмечен звездочками) Показаны также оценочные величины МПТ согласно [Trenberth и Carón, 2001] за период с февраля 1985 по апрель 1989

результатам, полученным в главе 2 по модели океана отдельно Следует отметить только, что интенсифицировались среднеширотные круговороты, соответствующие Гольфстриму и Куросио, причем теперь расход Гольфстрима (до 60 Св) больше расхода Куросио (около 50 Св), что более соответствует данным наблюдений Среднезональные ошибки воспроизведения температуры и солености в океане несколько больше, чем в автономных экспериментах с моделью океана До глубин порядка 1 км эти отклонения в модели ИВМ вполне согласованы со средними по моделям IPCC

Средняя за 1950-1999 гг лет меридиональная функция тока зонально - осред-ненной глобальной циркуляции для совместной модели ИВМ РАН соответствует средней по моделям IPCC Можно отметить только более интенсивную в модели ИВМ циркуляцию в глубинных слоях

Рассчитанный в совместной модели ИВМ глобальный среднегодовой МПТ имеет максимумы около 2 пВт в Северном и -1 пВт в Южном полушариях на широтах около 10° МПТ в модели ИВМ соответствует оценкам по данным наблюдений и не выходит за пределы разброса моделей IPCC (рис 3)

В XX столетии повышение уровня океана в моделях IPCC составляло от 0 до 8 см, в модели ИВМ оно было равно 4 см Как следует из 4 отчета IPCC, наблюдавшееся повышение уровня океана в XX столетии составляло 10-15 см, причем более половины этого повышения обусловлено термическим расширением воды Следовательно, в среднем модели, по-видимому, несколько занижают повышение уровня океана вследствие термического расширения

В разделе 3 5 проводится анализ воспроизведения в совместной модели характеристик совместной крупномасштабной изменчивости атмосферы и океана Совместная циркуляция атмосферы и океана порождает крупномасштабные совместные колебания в атмосфере и океане такие как явление Эль-Ниньо-Южное колебание (ЭНЮК), Арктическая осцилляция (АО) и Северо-Атлантическое колебание (САК) Эти процессы вносят свой вклад в изменчивость совместной системы атмосфера-океан Для правильного воспроизведения отклика реальной климатической системы совместная модель должна правильно воспроизводить не только средние значения величин, но и их изменчивость [15,16]

Преобладающую структуру долгопериодной изменчивости характеризуют ведущие EOF В модели структура первой EOF давления на уровне моря (ДУМ) в северном полушарии близка к наблюдаемой, но максимум над субтропиками Тихого океана в модели выражен сильнее, чем по данным наблюдений Доля вклада в полную дисперсию, приходящая на первую EOF, по данным модели близка к таковой по данным наблюдений (25% и 23%) В совместной модели АО воспроизводится существенно лучше, чем в модели атмосферы с предписанной ТПО, в которой доля дисперсии, приходящаяся на первую EOF, достигает 34% Это говорит об отрицательной обратной связи между атмосферой и океаном, когда океан демпфирует крупномасштабные колебания атмосферы

Качество воспроизведена^ САК продемонстрировано на рис. 4, на котором представлен^ первые ЗХ'П-моды среднемесячных зимних аномалий ДУМ и ТПО как по модельным результатам, так п по данным реаналнза МСВР за 1950 2000 гг. Первые Я\'1)-моды по данным модели близки к наблюдаемым, что говорит о хорошем воспронзуедешш САК

42% 00.38

34% С=0.51

Межгодовая изменчивость ТПО к приэкваториальной области Тихого океана и связан мое с ней явление УПК)К являются одними из самых Сильных сигналов сстсствсн-ноГг климатической изменчивости. В 4-м докладе 1РСС указывается, что несмотря на несомненный успех в воспроизведении ЭНГОК в .моделях 1РСС, остаются нерешенные проблемы. Так, например, практически во всех моделях 1РСС, включая и модель ИВМ, проявляется сдвиг аномалии ТПО па экваторе на запад. Это означает. что средний апвеллипг в совместной модели ослаблен у берегов Южной Америки, и, наоборот, завышен в области экватора. Послед-псе, в большей степени связано с грубостью прострап-

Рис, 4, Первые БУИ-моды ДУМ (вверху) и ТПО (внизу) районе сонорной Атлантики но данным мололи (слеза) л ре анализа МСЕР (справа) (и безразмерных единицах). Над каждой картой и % показан вклад ь полную дисперсию, делаемый соответственной ЙУО модоП. и коэффициент корреляции между коэффициентами Фурье для ДУМ н ТПО.

ственпого разрешения в модели. Тем не менее, показано, что модель ИВМ хорош о воспроизводить удаленный отклик атмосферной циркуляции на аномалии ТПО в приэкваториальном Тихом океане.

Б выводах к главе (раздел 3.6) указано о перспективности дальнейшего развития совместной модели ИВМ РАН с целью исследования изменений климата на различных масштабах времени. В первую очередь такое развитие подразумевает увеличение пространственного разрешения в моделях океана и атмосферы.

В четвертой главе проводится изучение коротко пер йодного отклика океана на атмосферное воздействие с использованием данных наблюдений и результатов моделирования но совместной модели атмосфера-верхний слой океана.

Во введении к главе (раздел -1.1) отмечается, что во многих исследовамп-

ях подтверждается гипотеза Вьеркнеса [1964] о том, что главная часть коротко-периодной (масштабы от внутрисезонных до межгодовых) изменчивости ТПО в средних широтах обусловлена непосредственным атмосферным воздействием

Исследования данной главы по-

I 0,85 « 0,80 § 0,75 8-0 70 * 0,65 в 0,60 | 0,55 ■в- 0,50

Наблюдения

Ь (а)

0,45

-20

Период с ■ -4 месяца -•—2 месяца а 10 суток ~

1 0,85 §" 0,80 | 0 75 о 0,70 н 0,65 | 0,60 ^ 0 55 §0,50 8 °.45

10 20 Сдвиг (сутки)

Модель

1 ■ "Т ' 1 : (Ь) 1 1 1 Л--- 1 1 1 1

1 1' А ± Период среза ~

▲ - ■- 100 суток -

А А —60 суток

А а 10 суток •

"1.1.1 1 . 1 1.1"

10 15 20 Сдвиг (сутки)

Рис 5 Зависимости от временного сдвига значения корреляций между соответствующими коэффициентами Фурье первых мод для аномалий Н500 и ТПО с различными периодами срезов (а) — для данных наблюдений (б) - для результатов эксперимента с совместной модели атмосферы и верхнего слоя океана Положительные сдвиги соответствуют опережению атмосферы перед океаном, отрицательные — отставанию

священы изучению формирования временного сдвига между атмосферным воздействием и вызываемой им аномалией ТПО Для этого в разделе 4 2 предлагается методика БУБ анализа с временным сдвигом в исследуемых полях и описываются используемые данные наблюдений и результатов экспериментов

В соответствии с поставленными задачами использовались зимние среднеширотные данные по ТПО и Н500 над акваторией Северной Атлантики для различных временных масштабов Средние месячные поля ТПО взяты из данных СОАББ для интервала декабрь 1946 - июнь 1987гг Для исследований коротких временных масштабов использовались ежедневные данные по ТПО из массива данных ПГЭП с 01 декабря 1978 до 3 марта 1979гг Данные Н500, соответствующие по времени данным ТПО, были взяты из

массива оперативного анализа Национального метеорологического центра США Кроме данных наблюдений использовались 1116 суточные результаты численных экспериментов с совместной моделью атмосфера-верхний слой океана (ВСО), проведенных в режиме непрерывного января В этих экспериментах модель ВСО использовалась в региональном варианте для акватории Северной Атлантики от от 20°ю ш до 76°с ш и от 100°з д до 15°в д , имела одноградусное разрешение и 12 уровней по глубине на стандартных океанографических горизонтах от 0 до 1000 м Результаты моделирования привлечены для подтверждения и усиления выводов, полученных в этой главе

Далее в разделе 4 3 изучаются изменение временного сдвига наиболее связанных пространственных структур между атмосферным воздействием и океанским откликом в средних широтах в зависимости от временного масштаба рассматри-

ваемых данных

На рис 5а,б кривые с одинаковыми обозначениями соответствуют аналогичным временным масштабам для наблюдений и модельных расчетов Кружками помечены для наблюдений кривые, полученные по среднемесячным данным, а для модельных результатов - по фильтрованным данным с нижней границей по периодам 2 месяца (или периодом среза 2 месяца) Согласно критерию Найквиста для среднемесячных данных период среза тоже составляет 2 месяца (две точки на период) Для обеих этих кривых значительное (особенно для данных наблюдений) увеличение корреляции приходится на сдвиг +0 5 месяца или 15 дней, когда атмосферное воздействие опережает отклик в ТПО

Этот временной сдвиг соответствует одной четверти периода среза То есть фазовый сдвиг между коэффициентами разложения по времени первой моды БУБ для Язоо и ТПО составляет 90° на частоте среза Проявление этого сдвига можно объяснить если рассмотреть процесс формирования отклика ТПО на атмосферное воздействие Следуя КгапкщпоиГю и НавзеЫтпп'у [1977], для главных членов в уравнении формирования аномалий ТПО (модель верхнего перемешанного слоя) в средних широтах можно записать [23]

дТ^/дг = (срРаС0\У\(1 + Во))/(смРыК)(Т'а - Т'т) (31)

где Т'т - аномалия ТПО, Т'а - аномалия температуры воздуха, Ср и ра - удельная теплоемкость и плотность воздуха, Со - коэффициент трения, | V] - скорость ветра над поверхностью моря, Во - отношение Боуэна, с«, и рш- удельная теплоемкость и плотность воды, Н - средняя глубина верхнего перемешанного слоя

Для исследования (31) применяется метод анализа частотных характеристик передаточных функций Переходя в (31) от времени £ к частоте / с помощью преобразования Фурье, получим

т'М) = (1 + г1///0)^(/) = = I 1ехР (г аге(и/(/))) та(1) (32)

Здесь величина/о = (2псшртК)~1{срраСо\У\{1+Во)) представляет собой характеристическую частоту передаточной функции И^(/) связанную с коэффициентом демпфирования внешнего воздействия в уравнении (31) Простые оценки этой величины для зимних условий в средних широтах Северной Атлантики, согласно атласу ОЬегЬиЬег'а [1988], дают значение чуть более 1 год-1 С учетом этого, на внутрисезонных масштабах и, следовательно, для периодов порядка 2-х месяцев (32) определяет сдвиг фаз между атмосферным воздействием (опережение) и откликом в ТПО (отставание) около 90° (а,щ(\¥(/ « 1/2мес-1)) « — агй^ 6)

То, что для совместной модели получаются те же результаты говорит о том, что эволюция аномалий действительно может быть описана в средних широтах уравнением типа (31), поскольку модель ВСО и способ подключения ее к модели атмосфере с хорошей степенью точности могут быть аппроксимированы этим уравнением [19]

Таким образом увеличение корреляции при полумесячном сдвиге обусловлено большим вкладом в общую изменчивость колебаний с периодами порядка 2-х месяцев Это может быть вызвано, в свою очередь значимыми флуктуациями на меньших периодах, например, так называемыми явлениями блокирования

Чтобы проверить это, БУВ анализ с временными сдвигами был проведен для данных, содержащих периоды изменчивости от 10 сут Для этих временных масштабов на рис 5а,б коэффициенты корреляции по времени между соответствующих коэффициентов разложения первых ЭУБ мод для Й500 и ТПО помечены треугольниками Нетрудно заметить, что максимумы корреляции для модельных расчетов и наблюдений согласованы Для наблюдений он приходится на 9 суток, а для модели на 6 Если исходить из того, что запаздывание океанского отклика составляет четверть периода от наиболее значимых колебаний, которые и отвечают за увеличение корреляции при соответственном временном сдвиге, то для наблюдений эти колебания имеют порядок 36 суток, а для совместной модели 24 Если теперь рассматривать временной масштаб физических явлений (блокингов) как половину периода этих колебаний, то он составит порядка 12-18 суток, что вполне согласуется с оценками из наблюдений

В разделе 4 4 проведено исследование трансформации пространственных форм первых мод БУБ для аномалий Н500 и ТПО в диапазоне временных масштабов от внутри-сезонных до межгодовых Показано, что низкочастотные, с периодами от 7 лет, моды БУБ отражают воздействие океана на атмосферную циркуляцию

В пятой главе рассматриваются результаты экспериментов с совместной моделью общей циркуляции атмосферы и океана ИВМ по расчету возможных изменений климата в XXI веке при заданном прогнозе изменения содержания парниковых и других газов согласно трем сценариям 1РСС А2, А1В и В1, которые условно можно назвать пессимистичным, умеренным и оптимистичным соответственно Во введении к главе (раздел 5 1) отмечается, что это первый опыт проведения расчетов комплексного влияния парниковых эффектов на изменения климата с моделью, в которой основные климатообразующие процессы представлены наиболее полно Методика экспериментов описана в разделе 5 2 Они проведены в рамках международного проекта по воспроизведению современного климата и прогноза его изменений с помощью совместных моделей 1РСС Совокупная обработка экспериментов по всем климатическим моделям 1РСС проведена в 4-м отчете 1РСС, материалы которого используются для сравнения в настоящей работе Для оценки изменений климата, в основном, рассматриваются осредненные за два последних десятилетия XXI и XX столетий разности характеристик

В разделе 5 3 проводится анализ изменения характеристик на поверхности океана и суши Из рис 6 видно, что для сценария А2 межмодельный разброс в величине среднеглобального потепления на поверхности Земли составляет от 2 3 до 3 9 К, среднее по всем моделям - около 3 4 К и в модели ИВМ - 3 5 К, для

:000 2010 2020 2030 2040 2050 2060 2070 2080 2090

сценария А1В - разброс от 1 9 до более 4 К, среднее ~2 7 К, в модели ИВМ 2 6 К, для сценария В1 - разброс от 1 0 до 3 3 К, среднее ~1 8 К, в модели ИВМ 2 О К Таким образом, потепление, предсказываемое моделью ИВМ, оказывается близким к усредненному по всем моделям во всех сценариях

Как показывают результаты экспериментов, повышение поверхностной температуры в XXI столетии наиболее существенно в северном полушарии, особенно в Арктическом регионе и над территорией Западной Сибири, где повышение среднегодовой температуры к концу XXI века в модели ИВМ составляет более чем 5°С При этом потепление зимой выше, чем в летний период

При глобальном потеплении происходит также увеличение количества осадков Для сценария А2 его межмодельный разброс составляет 2—8%, среднее по всем моделям - около 5% и в модели ИВМ - 6%, для сценария А1В - разброс 1 5—7%, среднее ~4 3%, в модели ИВМ 4 7%, для сценария В1 - разброс 1 5—5 5%, среднее ~3%, в модели ИВМ 3 5% Таким образом, для всех сценариев увеличение количества

А1В(21)

2000 2010 2020 2030 2040 2050 2060 2070 2080 2090

—BCC-CUI

-8ССЯ-ВСЫ2 а

-СССЫЗ 1<Т4?)

-CGCM3 ! (765}

-CNRM-CU3

-CSiK0-Mk3 О

-CFK.-CU2 0

-СПН.-СМ2 1

G155-A0U — CtSS-EH

-■ OSS-ER

-FG0ALS-gl 0

-¡NM-CM3 0

-1РЯ.-СЫ4

-ШКОСЗ 20нгм)

-UmOCJ 2(m«dres)

—есио-G

-■ ECHAU/UPI-OM

-MR,-CCCM2 3 2

-CCSU3

-PCM

-UKUO-HodCUJ

-UKUO—HodGEMl

•♦* Ef.tarrb'« ovq

w 2010 5m0 2030 2040 mm 2m0 5070 20s0 joss Years

Рис 6 Изменения среднегодовых значений глобаль-

но осредненной температуры приземного воздуха (в °С) т*™ /г

для сценариев А2, А1В и В1 в 2000-2100 гг по сравне- осадков в модели ИВМ немного нию с 1980-1999 гг для моделей 1РСС Черными жир- превышает среднее по всем мо-ными линиями отмечены средние по ансамблю моделей,

а тонкими - результаты по модели ИВМ (ШМ-СМЗ 0) Делям> но укладывается в межмодельный разброс

При глобальном потеплении, как по данным всех моделей, так и согласно модели ИВМ , происходит увеличение количества осадков в умеренных и высоких широтах обоих полушарий на 0 2-0 4 мм/сут, и уменьшение осадков во многих субтропических районах, в том числе в регионе Средиземного моря Увеличивается количество осадков вблизи экватора, особенно над большей частью Индийского и Тихого океанов Над тропической Атлантикой и центральной Америкой количество осадков уменьшается Эти изменения осадков определяют изменения речного стока Речной сток увеличивается в умеренных и высоких широтах Евра-

зии и Северной Америки и уменьшается в центральной Америке и окрестностях Средиземного моря, как по данным всех моделей, так и по данным модели ИВМ Различия проявляются в юго-восточной Азии, где по данным всех моделей происходит увеличение речного стока, а по данным модели ИВМ - некоторое уменьшение

В изменении напряжения трения на поверхности океана выделяются области усиления ветра над Южным океаном и в средних широтах северного полушария В Атлантике происходит ослабление пассатов, а в Тихом океане, наоборот, их усиление Практически все особенности изменения трения ветра хорошо согласованы с сопутствующими изменениями в давлении на уровне моря Это приводит к изменениям в динамике океана Так существенно, приблизительно на 15 Св, увеличился расход Циркумполярного течения

В разделе 5 4 изучается отклик в интегральных характеристиках циркуляции океана При развитии глобального потепления в моделях происходит повышение уровня океана Причем, разброс между моделями для одного сценария больше, чем разброс между средними по всем моделям для трех рассматриваемых сценариев Так, для сценария А2 повышение уровня к 2100г меняется в моделях от 15 до 36 см , при сценарии А1В - от 12 до 36 см , при сценарии В1 - от 9 до 26 см Для модели ИВМ эти величины составляют соответственно 19, 17 и 15 см , то есть данные модели ИВМ находятся в нижней части интервала межмодельной изменчивости Это означает, что, вероятно, эффективный слой океана, который успевает прогреться в модели ИВМ при глобальном потеплении, несколько тоньше, чем в среднем по моделям, однако и он не выходит за рамки межмодельной изменчивости

Далее в этом разделе рассматриваются отклики в меридиональных переносах тепла, пресной воды и функции тока, полученных эксперименте с моделью ИВМ по наиболее вероятному сценарию А1В

В Атлантике изменения МПТ незначительны Изменения в МПТ наиболее заметны в Тихом и Индийском океанах, где в приэкваториальной области уменьшается перенос тепла на север севернее экватора и увеличивается перенос на юг южнее экватора Эти изменения, в основном, меняют и МПТ для глобального океана В низких и средних широтах изменения глобального МПТ таковы, что они ослабляют перенос тепла от низких к высоким широтам Это вполне соответствует общему потеплению климата и уменьшению меридионального градиента температуры как в океане, так и в атмосфере

Изменения меридионального переноса пресной воды, в противоположность изменению МПТ, наиболее значительны в Атлантике, и сопутствуют ослаблению пе-

реноса пресной воды с севера на юг Такой характер изменения переноса пресной воды вполне соответствует изменению осадков на поверхности океана

Изменения МПТ вызваны, в основном, динамическими факторами - изменениями в меридиональной циркуляции, показанных для Атлантики и совместно для Тихого и Индийского океанов Отклик в меридиональной функции тока в Атлантике существенным образом отличается от отклика в Тихом и Индийском океанах Так до глубин около 600 м в Атлантике отклик в основном положителен, а глубже отрицателен Приблизительно обратная картина отклика получается в модели в Тихом и Индийском океанах Таким образом, индексы меридиональной циркуляции (ее максимальные абсолютные значения) и в Атлантике и в Тихом океане уменьшаются, что должно ослаблять интенсивность тн "конвеера" Это согласуется с общей картиной потепления климата, когда процессы глубокой конвекции ослабляются

В выводах к главе (раздел 5 5) резюмируется, что прогнозы изменения климата в XXI столетии, полученные с помощью модели ИВМ, по большинству показателей близки к средним по моделям 1РСС, что, в свою очередь, говорит о соответствии климатической модели ИВМ и результатов, получаемых с ее помощью, современному уровню развития климатологии

Шестая глава существенным образом отличается от предыдущих, поскольку здесь используется для изучения формирования океанической циркуляции региональная модель Индийского океана высокого пространственного разрешения Во введении к главе раздел 6.1 обосновывается необходимость включения этой работы в диссертацию, во-первых, тем, что будущее развитие глобальных климатических моделей океана будет происходить по пути увеличения пространственного разрешения, а, во-вторых, в этой работе удалось воспроизвести и впервые получить важные пространственно-временные особенности климатического сезонного хода циркуляции Индийского океана Отмечается также, что чрезвычайно высокая сезонная (муссонная) изменчивость и недостаток натурных данных находят выражение в больших различиях и даже в противоречиях известных схем климатической циркуляции в поверхностном слое Индийского океана Поэтому задача численного моделирования циркуляции Индийского океана

Рис 7 Годовой ход средней в слоях 0-20 м (сплошная кривая) и 110-220 м (прерывистая) зональной скорости течения и зонального напряжения трения вехра (жваюр - 73° в д , штрих-пунктирная линия) Для скорости шкала дана слева в см/с, а для напряжения трения — справа в дин/см2 Положительные значения соответствуют направлению на восток, отрицательные - на запад

является особенно актуальной

В разделе 6.2 приводятся параметры модели Индийского с шагами 1/8° по долготе и 1/12° по широте с 21 сг-уровнями, неравномерно распределенными по вертикали согласно (28) Эта модель представляет собой ту же версию модели, описанной в первых двух главах, но настроенной на акваторию Индийского океана с пространственным разрешением, достаточно высоким для воспроизведения вихрей При этом параметризация вертикального перемешивания практически не отличается от используемой в модели глобального океана, а коэффициенты горизонтальной диффузии выбирались приблизительно на порядок меньшими Используются реалистические донная топография и геометрия суши Модельная область содержит четыре участка жидких границ в проливах Баб-эль-Мандебском и Малаккском, на юге по 10° ю ш и с востока по 103°5'30"в д , на которых задаются значения температуры и солености по данным Левитуса [1994] Учитывается сток основных рек Тигра и Евфрата, Инда, Ганга и Брахмапутры, Иравади Численные эксперименты проведены на 15 лет с начального состояния январской климатологии Левитуса с использованием среднемесячного климатического атмосферного воздействия из данных реанализа 1МСЕР

В разделе 6.3 изучается собственно муссонный режим течений Индийского океана Показано, что модель Индийского океана высокого пространственного разрешения адекватно воспроизвела систему муссонных течений в верхнем слое океана временной ход, реверсивную смену направлений, пространственную структуру, завихренность и величины скоростей Главные составляющие муссон-ного цикла циркуляции Индийского океана - это Зимнее Муссонное и Летнее Муссонное течения, охватывающие почти всю акваторию между Африкой и Суматрой к северу от Экватора Годовой муссонный цикл в южных областях Аравийского моря и Бенгальского залива проявляется в смене направления относительно однородных по пространству полей дрейфовых муссонных течений Большинство наиболее интенсивных течений носят струйный характер Это, в основном, вдольбереговые и экваториальные течения Особо следует отметить адекватность воспроизведения моделью Сомалийского течения Это наиболее мощное западное пограничное течение в Мировом океане, которое, в отличие от Гольфстрима и Куросио, претерпевает реверсивную смену направления в соответствии с муссон-ным режимом Расчеты показали, что разворот Сомалийского течения с северного направления летом на южное зимой сопровождается образованием антициклонических вихрей, которые в результате /3-эффекта перемещаются на запад и дис-сипируют либо у побережья Сомали, либо в Аденском заливе В период летнего муссона скорости в Сомалийском течении превышают 2 м/с, при расходе в 70 Св Воспроизведен мощный летний апвеллинг в прибрежной зоне Сомалийского течения

В разделах 6.3 3 и 6 4 изучается муссонная изменчивость системы экваториальных поверхностных течений и подповерхностных противотечений Пока-

зано, что эта система формируется, главным образом, под действием зональной составляющей напряжения трения ветра, в изменчивости которой на экваторе в Индийском океане доминирует полугодовая гармоника Это приводит к тому, что экваториальное поверхностное течение также меняет направление с полугодовой периодичностью почти синфазно ветру Противоположно направленное ему компенсационное подповерхностное течение меняет знак с запаздыванием приблизительно в один месяц (см рис 7)

В разделе 6 5 показано принципиальное отличие циркуляции в северной части Бенгальского залива от циркуляции в основной части Индийского океана, где доминантой, формирующей течения, является ветер В Бенгальском заливе очень важен вклад градиентных течений, возникающие за счет стока р Ганг особенно в летний сезон - времени пикового стока за счет стаивания ледников Этот результат подчеркивает важность моделирования циркуляции океана с высоким разрешением, поскольку этот эффект обнаруживается только в модели высокого пространственного разрешения

В разделе 6.5 демонстрируется воспроизведение основных особенностей квазистационарной вихревой структуры Индийского океана Высокое пространственное разрешение модели позволяет хорошо описывать известные крупномасштабные системы Большого Сомалийского и Сокотранского вихрей, Лаккадивского вихря

В заключении приведены основные результаты диссертационной работы В приложении, разбитом на три подраздела, описываются (1) методики расчета атмосферного воздействия для модели океана и инкорпорированная в нее модель эволюции морского льда [Яковлев, 2003], (2) модель общей циркуляции атмосферы ИВМ РАН и (3) модель верхнего деятельного слоя океана, используемая в главе 4

Основные результаты работы

1. Создана новая версия сг-модели общей циркуляции океана ИВМ РАН, воспроизводящая крупномасштабную циркуляцию Мирового океана в хорошем соответствии с данными наблюдений и с качеством, не уступающим современным климатическим моделям океана Разработан программный комплекс для проведения и анализа расчетов этой модели в широком диапазоне пространственно-временной изменчивости входных параметров и внешних условий Модель можно эффективно использовать для решения научных и практических задач, связанных с расчетом циркуляции как всего Мирового океана, так и его отдельных акваторий

2. Проведено объединение моделей общей циркуляции атмосферы и океана в совместную климатическую модель ИВМ РАН, которая воспроизводит основные характеристики среднего состояния, изменчивости и изменений климата на уровне, соответствующем лучшим моделям 1РСС Результаты экспериментов с

моделью климатической системы ИВМ РАН по прогнозированию изменений климата (вместе с результатами по другим моделям 1РСС) использованы в 4-м отчете 1РСС, на основе материалов которого вырабатываются рекомендации для правительств и соответствующих международных организаций по решению проблем, связанных с изменениями климата

3 С помощью модели общей циркуляции океана и совместной модели атмосферы и океана с привлечением современных данных наблюдений выполнен ряд исследований глобальной циркуляции океана и особенностей формирования гидрофизических полей отдельных океанов Проведенные исследования позволяют сделать следующие основные выводы, касающиеся формирования отклика океана на крупномасштабное воздействие атмосферы и оценки его роли в поведении климатической системы Земли

• Анализ отклика термохалинной циркуляции Мирового океана на изменение ветрового воздействия показал, что усиление пассатов интенсифицирует подповерхностные приэкваториальные ячейки меридиональной циркуляции океана, особенно в Тихом океане Этот эффект в комбинации с изменениями в термохалинной структуре, увеличивает вынос тепла и пресной воды на север и юг из приэкваториальной области

• С помощью простой аналитической модели эволюции аномалий ТПО и привлечения аппарата исследования частотных характеристик передаточных функций показана связь величины временного запаздывания крупномасштабных аномалий ТПО в средних широтах с наиболее значимыми периодами колебаний в атмосферном воздействии, а для определения этого запаздывания предложена методика БУБ анализа с временным сдвигом в исследуемых полях Показано, что низкочастотные БУБ моды, с периодами от 7 лет и более, отражают воздействие океана на атмосферную циркуляцию

• По результатам экспериментов с совместной моделью атмосферы и океана ИВМ РАН по прогнозированию изменений климата в XXI столетии показана важность роли Мирового океана в климатических изменениях, не только как индикатора этих изменений, но и как активного компонента их формирования, особенно в тропиках и высоких широтах

• Спрогнозированное повышение поверхностной температуры в XXI веке наиболее существенно в Северном полушарии, особенно в Арктическом регионе и над территорией Западной Сибири, где среднегодовая: температуры к концу XXI века должна возрасти более чем на 5°С, при этом потепление зимой выше, чем в летний период

• Повышение температуры в Арктике должно привести в конце XXI века к существенному уменьшению площади, покрытой льдом в Северном Ледовитом океане (особенно в летний период), а тепловое расширение к этому

времени согласно модели ИВМ приведет к повышению среднего уровня Мирового океана на 15-19 см

• Расчет циркуляции Индийского океана с высоким пространственным разрешением позволил воспроизвести сложную пространственно-временную изменчивость системы муссонных течений Индийского океана в соответствии с данными наблюдений Показано, что разворот Сомалийского течения с северного направления летом на южное зимой сопровождается образованием антициклонических вихрей, экваториальное поверхностное течение меняет направление с полугодовой периодичностью в соответствии с изменением зональной составляющей напряжения трения ветра, а противоположно направленное ему компенсационное подповерхностное течение меняет знак с запаздыванием приблизительно в один месяц, в Бенгальском заливе градиентные течения, возникающие из-за речного стока, вносят значительный вклад в циркуляцию, воспроизведены основные особенности крупномасштабной квазистационарной вихревой структуры Индийского океана

Основные публикации автора по теме диссертации (по времени, в обратном порядке)

1 Мошонкин С Н, Дианский Н А , Гусев А В Влияние взаимодействия Атлантики с Северным Ледовитым океаном на Гольфстрим // Океанология 2007 Т 47 № 2 С 197-210

2 Дианский Н А , Залесный В Б , Мошонкин С Н, Русаков А С Моделирование муссонной циркуляции индийского океана с высоким пространственным разрешением // Океанология 2006 Т 46 № 4 С 421-442

3 Володин Е М, Дианский Н А Моделирование изменений климата в XX-XXII столетиях с помощью совместной модели общей циркуляции атмосферы и океана // Изв РАН Физика атмосферы и океана 2006 Т 42 № 3 С 291-306

4 Moshonkm S N, Bagno А V, Gusev А V, and Diansky N A Numerical modelling of oceanic circulation and sea ice m the North Atlantic-Arctic Ocean-Bering Sea region//Russ J Numer Anal Math Modelling 2006, V 21, No 4 P 421443

5 Антипов С В , Дианский Н А , Гусев А В Особенности распространения радиоактивного загрязнения в северо-западной части Тихого океана // Изв РАН Энергетика 2006 №6 С 52-70

6 Дымников В П, Лыкосов В Н, Володин Е М, Галин В Я, Глазунов А В , Грицун А С, Дианский Н А , Толстых М А , Чавро А И Моделирование

климата и его изименений // Современные проблемы вычислительной математики и математического моделирования - Юбилейный сборник в 2-х томах к 80-летию Г И Марчука и 25-летию ИВМ РАН M Наука, 2005 Т 2 С 13-137

7 Саркисян А С, Залесный В Б , Дианский H А , Ибраев Р А , Кузин В И, Мошонкин С H, Семенов Е В , Тамсалу Р, Яковлев H Г Математические модели циркуляции океанов и морей // Современные проблемы вычислительной математики и математического моделирования - Юбилейный сборник в 2-х томах к 80-летию Г И Марчука и 25-летию ИВМ РАН 2005 Т 2 С 174-276

8 Marchuk G I, Rusakov A S, Zalesny V В , Diansky N A Splittmg Numencal Technique with Application to the High Resolution Simulation of the Indian Océan Circulation // Pure appl geophys 2005 V 162 P 1407-1429

9 Дымников В П, Володин Е M, Галин В Я, Глазунов А В , Грицун А С, Дианский H А , Лыкосов В H Чувствительность климатической системы к малым внешним воздействиям // Метеорология и гидрология 2004 № 4 С 77-92

10 Володин Е M, Дианский H А Воспроизведение Эль-Ниньо в совместной модели общей циркуляции атмосферы и океана // Метеорология и гидрология 2004 № 12 С 5-14

11 Володин ЕМ, Дианский H А Отклик совместной модели общей циркуляции атмосферы и океана на увеличение содержания углекислого газа //' Изв РАН Физика атмосферы и океана 2003 Т 39 № 2 С 193-210

12 Русаков А С, Дианский А H Параллельная модель общей циркуляции океана для многопроцессорных вычислительных систем / / Информационные технологии 2003 №8 С 20-26

13 Дианский H А , Багно А В, Залесный В Б Сигма-модель глобальной циркуляции океана и ее чувствительность к вариациям напряжения трения ветра//Изв РАН Физика атмосферы и океана 2002 Т 38 № 4 С 537-556

14 Дианский H А , Володин Е M Воспроизведение современного климата с помощью совместной модели общей циркуляции атмосферы и океана // Изв РАН Физика атмосферы и океана 2002 Т 38 № 6 С 824-840

15 Глазунов А В , Дианский H А , Дымников В П Локализованный и глобальный отклики атмосферной циркуляции на аномалию ТПО в средних широтах // Изв РАН Физика атмосферы и океана 2001 Т 37 № 5 С 581-600

16 Дианский H А , Глазунов А В , Дымников В П Моделирование отклика атмосферной циркуляции на аномалии ТПО зимой в Северной Атлантике / / Изв РАН Физика атмосферы и океана 1999 Т 35 № 1 С 122-136

17 Дианский НА Временные связи и пространственные формы совместных мод аномалий высоты изобарической поверхности 500 мб и температуры поверхности океана зимой в Северной Атлантике // Изв РАН Физика атмосферы и океана 1998 Т 34 № 2 С 197-213

18 Вагно А В , Дианский H А , Мошонкин С H Взаимодействие аномалий температуры поверхности океана и циркуляции Северной Атлантики // Океанология 1996 Т 36, № 5 С 693-703

19 Moshonkm S N, Diansky N A Upper mixed layer temperature anomalies at the North Atlantics stoim-track zone//Ann Geophisicae 1995 V 13 P 1015-1026

20 Дымников В П, Алексеев В А , Володин Е M, Галин В Я, Диа,некий H А Лыкосов В H, Эзау И H Численное моделирование совместной циркуляции атмосферы и верхнего слоя океана // Изв РАН Физика атматмосферы и океана 1995 Т 31 № 3 С 324-346

21 Мошонкин С H, Дианский H А Влияние течений на синоптические аномалии температуры поверхности океана//Доклады АН 1994 Т 338 № 2 С 247-250

22 Дианский H А , Мошонкин С H, Соколов С Ю Отклик верхнего слоя океана на стохастическое воздействие атмосферы // Океанология 1994 Т 34 №3 С 337-348

23 Мошонкин С H, Дианский H А Физические механизмы эволюции аномалий температуры верхнего перемешанного слоя океана в средних широтах // Океанология 1994 Т 34 № 4 С 513-526

24 Мошонкин С H, Дианский H А Диагноз и моделирование аномалий температуры воды верхнего слоя океана в средних широтах // Вычислительные процессы и системы M Наука, 1993 Вып 10 С 164-202

25 Мошонкин С H, Дианский H А Моделирование синоптической эволюции верхнего перемешанного слоя в Северной Атлантике с использованием процедуры коррекции потоков тепла // Изв РАН Физика атмосферы и океана 1992 Т 28, № 3 С 294-309

Изд. лиц. ИД № 03991 от 12 02.2001 Компьютерный набор Подписано в печать 10 07.2007. Уел печ. л 2,25. Тираж 80 экз Институт вычислительной математики РАН 119333, г Москва, ул Губкина 8.

Содержание диссертации, доктора физико-математических наук, Дианский, Николай Ардальянович

Введение

1 Описание cr-модели общей циркуляции океана ИВМ РАН и принципов ее численной реализации

1.1 Введение

1.2 Развитие сигма-модели циркуляции океана ИВМ РАН как составной части модели климатической системы.

1.3 Формулировка задачи моделирования циркуляции океана.

1.3.1 Уравнения термогидродинамики океана в сг-системе координат

1.3.2 Интегральные законы сохранения.

1.4 Основные принципы и особенности численной реализации сигма-модели общей циркуляции океана.

1.4.1 Метод расщепления как методологическая основа построения численной модели циркуляции океана

1.4.2 Особенности разностной аппроксимации.

1.4.3 Методика интегрирования по времени уравнений крупномасштабной циркуляции океана.

1.5 Выводы.

2 Воспроизведение циркуляции Мирового океана и исследование ее чувствительности к вариациям напряжения трения ветра

2.1 Введение

2.2 Модель глобального океана.

2.3 Условия на поверхности океана и описание экспериментов

2.4 Основные характеристики среднегодового состояния глобального океана рассчитанные по модели с атмосферным воздействием из данных NCEP

2.5 Чувствительность характеристик модельной циркуляции океана к изменениям напряжения трения ветра.

2.6 Выводы.

3 Воспроизведение современного климата с помощью совместной модели общей циркуляции атмосферы и океана: характеристики океана

3.1 Введение

3.2 Совместная модель общей циркуляции атмосферы и океана ИВМ РАН . . 84 3.2.1 Методика проведения экспериментов.

3.3 Климатические характеристики на поверхности океана

3.4 Интегральные климатические характеристики циркуляции океана.

3.5 Воспроизведение характеристик совместной крупномасштабной изменчивости атмосферы и океана.

Оглавление

3.5.1 Арктическая осцилляция и Северо-Атлантическое колебание

3.5.2 Эль-Ниньо-Южное колебание (ЭНЮК)

3.6 Выводы.

4 Изучение короткопериодного отклика верхнего слоя океана на атмосферное воздействие в средних широтах

4.1 Введение

4.2 Метод исследования и используемые данные.

4.2.1 Совместная модель атмосферы и верхнего слоя океана.

4.3 Времени'ые связи и пространственные формы совместных мод аномалий высоты изобарической поверхности 500мб и температуры поверхности океана зимой в Северной Атлантике

4.4 Изменение связанных пространственных структур аномалий Н50о и ТПО в зависимости от временного масштаба.

4.5 Выводы.

5 Изучение отклика океана на изменения климата в XXI столетии с помощью совместной модели общей циркуляции атмосферы и океана

5.1 Введение

5.2 Методика проведения численных экспериментов с совместной моделью по прогнозу изменений климата.

5.3 Изменения характеристик на поверхности океана и суши.

5.4 Отклик в интегральных характеристиках циркуляции океана.

5.5 Выводы.

6 Моделирование муссонной циркуляции Индийского океана с высоким пространственным разрешением

6.1 Введение

6.2 Вихреразрешающая модель циркуляции Индийского океана.

6.3 Муссонный режим течений Индийского океана.

6.3.1 Зимние и летние муссонные течения

6.3.2 Сомалийское Течение.

6.3.3 Система экваториальных течений.

6.4 Подповерхностные экваториальные противотечения

6.5 Течения Бенгальского залива

6.6 Квазистационарные вихревые образования.

6.7 Выводы.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Моделирование циркуляции океана и исследование его реакции на короткопериодные и долгопериодные атмосферные воздействия"

К важнейшим проблемам, стоящим перед наукой в XXI столетии, относится решение задачи прогноза изменений климата. Существует достаточно подтверждений тому (см., например, 3-й 4-й доклады МГЭИК1 [153, 154]), что в последние десятилетия значительный вклад в эти изменения вносит антропогенное воздействие, связанное в основном с выбросом в атмосферу парниковых газов при сжигании ископаемого топлива, аэрозолей и других загрязняющих веществ. Так, согласно оценкам IPCC [154], при различных сценариях развития человечества в XXI веке будет сожжено от 1 до 2.5 тыс. Гт топлива в пересчете на углерод (все разведанные запасы ископаемого топлива оцениваются в 5 тыс. Гт углерода [154]).

Согласно определению Всемирной метеорологической организации [278], климатическую систему Земли образуют взаимодействующие между собой следующие основные, сложные сами по себе, подсистемы: (1) атмосфера - газовая оболочка Земли сложного состава (кислород, азот, углекислый газ, водяной пар, озон и т.д.), воздействующая на перенос к поверхности Земли солнечной радиации, поступающей на ее верхнюю границу, и являющаяся наиболее изменчивой составляющей рассматриваемой системы; (2) океан - главный водный резервуар в системе, состоящий из соленых вод Мирового океана и прилегающих к нему морей, поглощающий основную часть поступающей на его поверхность солнечной радиации и представляющий собой, благодаря высокой теплоемкости и плотности воды, мощный аккумулятор энергии; (3) суша - поверхность континентов с ее гидрологической системой (внутренние водоемы, болота и реки) и почвой (включая грунтовые воды и вечную мерзлоту); (4) криосфера - континентальные и морские льды, горные ледники и снежный покров; (5) биота - растительность на суше и в океане, а также живые организмы в воздухе, море и на суше, включая человека.

Климатическая система характеризуется множеством параметров, таких как компоненты скорости ветра и течений в океане, температура и влажность атмосферы, температура и соленость океана, концентрация газовых составляющих, плотность, давление и др. [48]. Формирование этих параметров определяется сложными физическими взаимодействиями, определяющими сложность самой климатической системы. Простые модели, основанные на усреднении энергетического баланса климатической системы (например

Межправительственная группа экспертов по изменению климата. Мы будем придерживаться ее международного названия - Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC).

Введение. 5 модель Будыко [13]), могут обеспечить лишь грубую количественную оценку некоторых глобально усредненных характеристик климата. Только с помощью комплексных моделей климата могут быть получены достоверные оценки взаимосвязей компонентов климатической системы и прогноз глобальных и региональных изменений климата [153]. Поэтому главным способом изучения климатической системы является математическое (численное) моделирование [48].

Климатические модели в настоящее время переживают период интенсивного развития, определяемого в конечном итоге бурным развитием вычислительной техники [154]). Основу глобальных моделей климата составляют модели общей циркуляции атмосферы и океана как главных компонентов климатической системы [48, 86, 153]. Под общей циркуляцией атмосферы/океана понимается совокупность характеристик состояний атмосферы/океана планетарного масштаба (см, например, [86, 264]). Последний включает в себя крупномасштабные пространственные неоднородности вплоть до бароклинного масштаба Россби в атмосфере или океане [86].

Значительное место в настоящей работе уделено созданию модели общей циркуляции океана и объединения этой модели с моделью общей циркуляции атмосферы в единую модель климатической системы. Создание эффективной модели гидротермодинамики океана важно и для изучения процессов, формирующих циркуляцию морей и океанов, что в свою очередь, необходимо для потребностей судоходства, рыболовства, прогнозов состояния океана и погоды и т.д. Актуальность моделирования повышает и то обстоятельство, что сбор натурных данных по океану и проведение наблюдательного эксперимента, особенно в глубинных слоях, связаны с большими трудностями и высокими затратами. Более того, для достоверного прогноза океанической циркуляции необходимо создание системы усвоения данных и одним из её основных компонентов должна служить верифицированная модель циркуляции океана. Системы усвоения данных в океане в настоящее время интенсивно развиваются в различных зарубежных и отечественных центрах. Подобная система четырехмерного усвоения, главным компонентом которой является представленная в данной работе модель, разрабатывается и в ИВМ РАН. Но эта тематика выходит за рамки настоящей работы.

С физической точки зрения под общей циркуляцией океана мы будем также понимать осредненное движение морских и океанских вод в больших акваториях. Это движение отражает некоторое равновесное состояние трехмерных полей скорости, температуры, солености и плотности, которое формируется в результате долгопериодного взаимодействия климатической системы атмосфера-океан-континент-льды [112]. Модели общей циркуляции океана направлены на описание и изучение закономерностей и явлений, имеющих глобальный характер. К ним относятся прибрежные струйные течения и крупомасштабные океанские круговороты (Гольфстрим, Куросио, Антарктическое циркумполярное течение и др.); процессы экваториальной динамики и явление Эль-Ниньо; синоптические вихри открытого океана и фронтальные ринги [86, 66]; глубокая конвек

Введение. 6 ция; замерзание и таяние морских льдов [112]. Все эти процессы делают свои вклады в формирование сложной термохалинной циркуляции, ответственной за глобальные переносы водных масс и, следовательно, тепла, соли и других свойств морской среды.

Океанские движения развиваются в тонком вращающемся слое сложной геометрии, ограниченном берегами материков, поверхностью дна и изменяющейся уровенной поверхностью океана, близкой к форме геоида. Характерные масштабы области: по вертикали Н ~ 4 км, по горизонтали L ~ 10 ООО км. Их отношение составляет Hf L ~ 4 х Ю-4. Характерный размер Lr пространственной изменчивости крупномасштабной циркуляции океана составляет около 300-500 км и тоже существенно (на 2 порядка) больше глубины океана. Таким образом, крупномасштабную циркуляцию океана можно считать квазидвумерной. Однако вертикальная стратификация по плотности очень важна для процессов формирования океанических фронтов, вихревой динамики и конвективного подъема/опускания вод. Крупномасштабные вертикальные движения ответственны за бароклинные преобразования энергии и формирование меридиональной термохалинной циркуляции.

Сложность формирования океанической циркуляции обусловлена еще и тем, что наряду с относительно быстрыми процессами, такими как внешние и внутренние гравитационные волны, волны Россби и Кельвина, крупномасштабные вихри и реакция океана на синоптическое воздействие атмосферы и т.д., основная структура общей циркуляции океана формируется очень медленно, особенно в его глубоководных частях. При характерной величине средних скоростей течений u ~ 1 — 20 см/с, время установления равновесного режима в Мировом океане более 1000 лет.

Если в климатической системе Земли выделить океан как самостоятельный объект, то можно говорить о том, что общая циркуляция океана формируется как отклик на возбуждение внешними по отношению к морской среде термохалинными (нагревание, охлаждение, осадки, испарение) и механическими (ветер, атмосферное давление, силы лунно-солнечного потенциала) воздействиями. При этом, оказывается, можно использовать грубое пространственное разрешение для воспроизведения крупномасштабных осредненных характеристик термохалинной циркуляции. Естественно, при этом важные региональные особенности циркуляции Мирового океана воспроизводятся только в смысле их осредненной пространственной структуры. Задачи более точного воспроизведения таких важных течений, как Гольфстрим, Северо-Атлантическое, Куросио, Сомалийское и др., или собственной синоптической изменчивости океана [119, 86, 66, 14], требуют высокого пространственного разрешения. Оба этих направления моделирования требуют больших вычислительных затрат, поскольку расчет общей циркуляции океана на установление требует проведение экспериментов на большие времена, а воспроизведение струйных течений и вихревой изменчивости - высокого пространственного разрешения.

Все вышесказанное позволяет сделать вывод об актуальности построения эффективной и в то же время физически полной модели циркуляции океана и использовании её

Введение. 7 для исследования океанических процессов и роли океана в изменчивости и изменениях климата. При этом в настоящей работе ставится задача создания модели океана двойного назначения: (1) для проведения исследований особенностей формирования глобальной и региональной циркуляции океана; (2) для использования её в качестве океанического блока в климатической модели.

Настоящая диссертационная работа в большей степени посвящена изучению крупномасштабного отклика океана на атмосферное воздействие. Для этого исследования использовались результаты проведенных при непосредственном участии автора экспериментов как с моделью циркуляции океана отдельно, так и с совместной моделью атмосферы и океана, а также проводился анализ данных наблюдений. Результаты, изложенные в настоящей диссертационной работе, находятся в русле решения задач ряда национальных и международных программ, в том числе Федеральной целевой программы "Мировой океан" и Всемирной программы исследований климата (ВПИК).

Целями диссертационной работы являются:

1. Создание модели общей циркуляции океана для проведения исследований формирования циркуляции океана и для использования её в совместной модели общей циркуляции атмосферы и океана в качестве океанического блока.

2. Объединение моделей общей циркуляции атмосферы и океана в единую модель климатической системы.

3. Исследование формирования циркуляции океана и его отклика на короткопериод-ные и долгопериодные атмосферные воздействия на основе проведения и анализа результатов экспериментов с моделью океана, с совместной моделью атмосферы и океана, а также привлечения данных наблюдений. Анализ экспериментов с климатической моделью по сценариям IPCC по прогнозу возможных будущих изменений климата, проведенных в рамках международного проекта сравнения климатических моделей.

Методология исследования заключается в построении модели общей циркуляции океана, использующую в качестве вертикальной сг-координату; разработка и реализация методики объединения моделей общей циркуляции атмосферы и океана в совместную модель без коррекции потоков на поверхности океана; проведении численных экспериментов и сравнительного анализа их результатов с привлечением данных наблюдений и результатов расчетов по другим моделям.

На защиту выносятся:

1. Новая, верифицированная версия сг-модели общей циркуляции океана, предназначенная для использования в качестве океанического блока в климатической модели,

Введение. 8 а также для исследовательских и практических расчетов глобальной и региональной циркуляции океана.

2. Результаты изучения отклика океана в термохалинной структуре и циркуляции океана на изменение трения ветра.

Объединение моделей общей циркуляции атмосферы и океана в совместную модель и сравнительный анализ характеристик среднего состояния и изменчивости океана при воспроизведении современного климата.

Исследование формирования связи величины временного запаздывания крупномасштабных аномалий ТПО с наиболее значимыми периодами колебаний в атмосферном воздействии.

Анализ изменений характеристик циркуляции Мирового океана по результатам экспериментов по прогнозу изменений климата в XXI столетии с помощью совместной модели.

Результаты изучения особенностей формирования муссонной циркуляции Индийского океана.

Научная новизна

Для решения поставленных задач разработана новая версия ст-модели общей циркуляции океана, первоначально реализованная в ИВМ РАН под руководством Г. И. Марчу-ка и В. Б. Залесного. В настоящее время это единственная сг-координатная модель, способная адекватно воспроизводить циркуляцию Мирового океана при расчетах на большие времена. Этого удалось достичь за счет разработки и внедрения новых, в том числе впервые реализованных в а-модели, физических параметризаций, выполненных на основе современных численных методов. Все это позволило значительно улучшить качество воспроизведения циркуляции Мирового океана, что, в свою очередь, позволило использовать сг-модель общей циркуляции океана в качестве океанического блока в модели климатической системы Земли без применения процедуры коррекции потоков на поверхности океана. Для этого была разработана и реализована оригинальная методика объединения моделей общей циркуляции атмосферы и океана в единую модель климатической системы.

Следует особо подчеркнуть оригинальность как сг-модели общей циркуляции океана, так и самой модели климата, разработанных в ИВМ РАН. Климатические модели также создаются и развиваются в различных международных ведущих научных центрах. Возникающий при этом "параллелизм" необходим для контроля воспроизводимости получаемых с их помощью результатов и для статистического исключения возможных ошибок прогноза изменений климата. Именно для этого проводилось и проводится сравнение

Введение. 9 результатов моделирования климата и его изменений в рамках различных международных программ, которые являются в определённом смысле клубами высоких технологий. Совместная модель общей циркуляции атмосферы и океана, представленная в настоящей диссертации, участвует в международном проекте сравнения совместных моделей CMIP (Coupled Model Intercomparison Project), проводимого под эгидой ВПИК. Результаты экспериментов с моделями, участвующими в CMIP, являются основой выработки "обобщённого прогноза" будущих изменений климата [154].

В рамках диссертационной работы по оригинальной модели общей циркуляции океана, с привлечением современных данных реанализов NCEP и ECMWF, используемых для расчета условий на поверхности океана, и по совместной модели атмосфера-океан впервые был выполнен ряд исследований как глобального океана, так и его отдельных акваторий с принципиально разными физическими условиями формирования полей динамических и гидрологических характеристик. Получены новые, важные результаты по формированию общей циркуляции океана и его отклика на внешнее воздействие. Для изучения формирования аномалий температуры поверхности океана предложена оригинальная методика исследования, с привлечением аналитической модели верхнего перемешанного слоя и аппарата исследования частотных характеристик передаточных функций, а также методика SVD анализа с временным сдвигом в исследуемых полях. Показана важность роли Мирового океана в климатических изменениях, не только как индикатора этих изменений, но и активного компонента их формирования.

Научная и практическая значимость

В настоящее время актуальны задачи достоверного диагноза и прогноза изменений климата и выявления причин, которые эти изменения обуславливают. Поскольку одним из основных методов решения этой проблемы является численное моделирование, значительные усилия были направлены на создание оригинальной модели общей циркуляции океана, как важнейшего (наряду с атмосферой, сушей и криосферой) звена климатической системы и объединения этой модели с моделью общей циркуляции атмосферы в единую модель климатической системы.

Результаты экспериментов с моделью климатической системы по прогнозированию изменений климата, вместе с результатами по другим моделям IPCC использованы в 4-м отчете IPCC [154], на основе материалов которого вырабатываются рекомендации для правительств и соответствующих международных организаций по решению проблем, связанных с изменениями климата.

Подготовленный программный комплекс позволяет эффективно использовать представленную модель океана для решения различных научных и практических задач, свя

Введение. 10 занных с моделированием циркуляции как во всем Мировом океане, так и в его обширных акваториях с высоким пространственным разрешением. Так в работе [5]. был выполнен расчет переноса отработанного ядерного топлива течениями при различных сценариях выбросов, возможных при его транспортировке. Для этого была реализована вихрераз-решающая (с шагами 1/8° по широте и долготе) модель циркуляции всей северной части Тихого океана от экватора до Берингова пролива.

Апробация работы

Материалы, вошедшие в диссертационную работу, представлялись на международных и российских конференциях: "Вычислительная математика и математическое моделирование" (г. Москва, 2000); "Моделирование и информационные системы как средства снижения загрязнений на городском и региональном уровне" (ENVIROMIS-2002, г. Томск, 2002); Юбилейная Всероссийская научная конференция "Фундаментальные исследования взаимодействия суши, океана и атмосферы" , посвященная 250-летию Московского государственного университета и 10-летию Российского Фонда Фундаментальных Исследований (МГУ, г. Москва, 2002); Ассамблея Европейского геофизического общества (г. Ницца, Франция, 2001-2003; г. Вена, Австрия, 2007); "Параллельные методы вычислительной гидродинамики" (PCFD, г. Москва, 2003); "Всемирная конференция по изменению климата" (г. Москва, 2003); Научно-практическая конференция "Гидрометеорологические прогнозы и Гидрометеорологическая безопасность" , приуроченная к 170-летию образования Гидрометеорологической службы России (Гидрометцентр РФ, г. Москва, 2004); XIII междунродная конференция по промысловой океанологии (г. Калининград, 2005); "Международная конференция по мезомасштабным процессам в атмосфере, океане и окружающей среде" (IMPA-2006, Центр атмосферных наук Индийского института технологии, г. Дели, Индия, 2006); "Международная конференция по проблемам гидрометеорологической безопасности" (г. Москва, 2006). Они докладывались также на рабочих совещаниях ВОСЕ "Workshop on Interdecadal Changes of the North Atlantic" (г. Москва, 1996) и "Ocean Transports Workshop" (г. Саутгемптон, Англия, 2001); на Российско-Германском семинаре по моделированию океана (г. Гамбург, ФРГ, 2005), а также обсуждались на семинарах Института вычислительной математики РАН, Гидрометцентра РФ, Института океанологии РАН, Государственного океанографического института Росгидромета, Национального центра среднесрочного прогноза погоды (NCMRWF, г. Дели, Индия), Национального океанографического института (N10, Гоа, Индия). Полностью диссертация докладывалась на семинарах ИВМ РАН и Гидрометцентра РФ.

Публикации

По теме диссертации опубликовано более 40 работ, 22 из них в отечественных и зарубежных рецензируемых журналах (21 - из перечня ВАК), 3 в издательстве "Наука".

Личный вклад автора в совместные работы можно охарактеризовать как: раз

Введение. 11 работка и реализация моделей, обработка и анализ результатов экспериментов (в том числе совместная деятельность по этим видам работ) - во всех приведенных работах; предложение идеи проведения работы и/или решения проблемы - [5, 9, 35, 36, 37, 39, 40, 90, 91, 92, 94, 95, 234, 233]; постановка и проведение экспериментов (в т.ч. совместная) - во всех работах, за исключением [20, 107]; написание текста в объеме более 90% -[5, 35, 36], в объеме не менее 50% - [21, 37, 39, 40, 43, 90, 91, 92, 94, 107], в объеме около 30% - [9, 19, 20, 28, 93, 95, 234, 233]; в работах [48, 112] полностью написаны разделы, касающиеся моделирования Мирового океана.

Структура диссертации

Работа, объемом 260 стр., состоит из введения, шести глав, заключения, трех приложений и списка литературы из 283 наименований. Она содержит 73 рисунка, включая 9 рисунков из приложений, и одну таблицу. Каждая глава разбита на разделы, включая введение к главе и выводы из нее.

Во введении к диссертации обосновывается актуальность темы, формулируются основные цели, а также дается краткий обзор содержания диссертации. Учитывая разноплановость диссертационной работы, во введении не приводится общий обзор литературных источников по темам диссертации, поскольку такие обзоры помещены во введения к каждой из глав диссертации.

В первой главе приводится описание ст-модели общей циркуляции океана, разработанной в Институте вычислительной математики Российской академии наук (ИВМ РАН). Изначальная версия этой модели была существенно переработана автором, чтобы она могла служить блоком совместной модели общей циркуляции атмосферы и океана. Модель основана на полной системе нелинейных (примитивных) уравнений гидротермодинамики океана в приближении Буссинеска, записанных в сг-системе координат. Главная особенность модели состоит в том, что при ее численной реализации используется метод расщепления по физическим процессам и пространственным координатам. Это дает возможность использовать эффективные неявные алгоритмы. В главе описаны проведенные автором модификации численной реализации модели, необходимые для включения ее в качестве океанического блока в совместную модель общей циркуляции атмосферы и океана. При написании главы автор решал попутную задачу: дать описание алгоритмов модели так, как они реализованы в ее программном коде. Поэтому эта глава может служить также основой руководства для пользователей модели.

Во второй главе диссертации проведены анализ и сравнение с наблюдениями циркуляции Мирового океана, воспроизводимой с помощью сг-модели с пространственным разрешением 2.5°х2° по долготе и широте и 33-мя неравномерно распределенными по вертикали о-уровнями. Выполнено исследование чувствительности океана к вариациям напряжения трения ветра. Невысокое пространственное разрешение модели по горизонтали обусловлено необходимостью интегрировать модель на длительные сроки. Модель

Введение. 12 служит основой для исследований, проведенных в трех главах диссертационной работы. Главная цель, поставленная во второй главе, - это настройка параметров модели, с целью получения адекватной наблюдениям модельной климатической циркуляции Мирового океана. Такая работа необходима перед включением модели океана в модель климата ИВМ РАН. Важность этой работы обусловлена еще и тем, что в последней не используется коррекция потоков на поверхности океана, и поэтому атмосферный и океанский блоки должны по отдельности хорошо воспроизводить климатические состояния атмосферной и океанической циркуляции.

В этой главе проводится анализ среднегодового режима циркуляции, полученного при интегрировании модели на 200 лет с начального состояния январской климатологии Левитуса с реалистичным заданием среднемесячного климатического годового хода атмосферного воздействия, взятого из данных реанализа NCEP. Показано, что модельные распределения океанической циркуляции и термохалинных полей в целом соответствуют данным наблюдений и хорошо согласуются с расчетами по другим зарубежным моделям близкого пространственного разрешения. Исследована чувствительность глобальной термохалинной циркуляции к изменениям напряжения трения ветра. Для этого проведено сравнение результатов двух экспериментов с разными напряжениями трения ветра, взятыми из данных реанализов NCEP и ECMWF. Изучен отклик океана на изменение ветра в термохалинной структуре и циркуляции океана, который, в свою очередь, приводит к заметным изменениям меридиональных переносов тепла и пресной воды в океане, важных с точки зрения формирования климата Земли.

Третья глава посвящена моделированию и анализу характеристик современного климата, воспроизводимых совместной глобальной моделью общей циркуляции атмосферы и океана, созданной в ИВМ РАН. Основной упор делается на изучении характеристик циркуляции океана. Для этого рассматриваются результаты численных экспериментов с совместной моделью общей циркуляции атмосферы и океана ИВМ РАН по воспроизведению изменений климата XX столетия. В модели правильно воспроизводится величина повышения приповерхностной температуры воздуха в XX столетии и такие особенности наблюдаемого изменения климата, как потепление 1940-1950 гг. и замедление потепления в 1960-1970 гг. Проводится оценка качества воспроизведения циркуляции океана в эксперименте, для чего параметры модельной циркуляции сравниваются с наблюдениями и результатами по другим совместным моделям, представленным в 4-м отчете IPCC [154]. Пространственное разрешение атмосферной модели составляет 5° по долготе, 4° по широте и 21 уровень по вертикали. Эта модель описана в приложении В. Модель океана подробно описана в первых двух главах диссертации. Ее разрешение такое же как и приводимое в главе 2: 2.5°х2°х 33 неравномерно распределенных а-уровня. В главе представлено описание разработанной автором методики соединения атмосферного и океанического модулей. Объединение моделей атмосферы и океана в совместную модель климатической системы осуществляется без коррекции потоков на поверхности

Введение. 13 океана. Главным образом, это достигается за счет того, что при создании и настройке моделей общей циркуляции атмосферы и океана, созданных в ИВМ РАН, разработчикам удалось добиться того, что эти модели отдельно достаточно хорошо воспроизводят климатические состояния атмосферы и океана. Коррекция потоков является необходимой для устранения "дрейфа климата" в том случае, если основные компоненты климатической системы недостаточно сбалансированы. Сравнение характеристик климата, полученных в ходе экспериментов с совместной моделью ИВМ по сценариям CMIP и IPPC, со средними по всем моделям, участвующими в программе CMIP показывает, что созданная совместная модель вполне соответствует международному уровню. Модель климатической системы ИВМ РАН воспроизводит основные параметры среднего состояния и изменчивости современного климата на уровне, соответствующем лучшим зарубежным моделям. Это следует из сравнения характеристик климата, полученных в ходе экспериментов с совместной моделью ИВМ по сценарию IPCC, с результатами обработки данных по сообществу моделей IPCC [154].

Разработанные в Институте модели общей циркуляции атмосферы и океана достигли в настоящее время мирового уровня сложности описания физических процессов и адекватности воспроизведения характеристик современного климата. Результаты моделирования совместной циркуляции атмосферы и океана свидетельствуют о перспективности дальнейшего развития совместной модели ИВМ РАН с целью исследования изменений климата на различных масштабах времени. В первую очередь такое развитие подразумевает увеличение пространственного разрешения в моделях океана и атмосферы.

В четвертой главе проводится изучение короткопериодного отклика океана на атмосферное воздействие с использовнием данных наблюдений и результатов моделирования по совместной модели атмосфера-верхний слой океана. Под короткопериодным масштабом здесь понимаются времена от внутрисезонных до нескольких лет. Показана воспроизводимость в совместной модели общей циркуляции атмосферы и верхнего слоя океана Северо-атлантического колебания. Далее в этой главе изучаются изменение временного сдвига и трансформация наиболее связанных пространственных структур между атмосферным воздействием и океанским откликом в средних широтах в зависимости от временного масштаба рассматриваемых данных. Для этого применяется метод сингулярного разложения (т.н. SVD анализ) ковариационной матрицы зимних аномалий высоты изобарической поверхности 500мб (Н500) и температуры поверхности океана (ТПО) в Северной Атлантике с временным сдвигом между ними. Для средних месячных полей Н50о и ТПО установлено, что развитие аномалий ТПО отстает от атмосферного возбуждения на половину месяца. Такое запаздывание хорошо описывается простой аналитической моделью верхнего слоя океана, воспроизводящей эволюции аномалий ТПО. Показано, что модель верхнего слоя хорошо описывает сдвиг между формированием ТПО и атмосферным воздействием, так, что для среднемесячных полей величина полумесячного сдвига определяется с четвертью 2-х месячного периода колебаний. Это

Введение. 14 говорит о том, что в атмосфере в средних широтах присутствуют значимые колебания с периодами около 2-х месяцев. К тому же, на этом периоде среза Найквиста в средних месячных данных могут искусственно проявляться колебания с меньшими периодами. Среди последних SVD анализ со сдвигом из ежесуточных рядов данных выделяет осцилляции, соответствующие по своим пространственно-временным параметрам блокирующим ситуациям в Северной Атлантике. Проведено исследование трансформации пространственных форм векторов Н500 и ТПО первой моды SVD с изменением от внутри сезонного до межгодовых временных масштабов в аномалиях этих величин. Показано, что низкочастотные, с периодами от 7 лет, моды SVD отражают воздействие океана на атмосферную циркуляцию. Параллельный анализ данных эксперимента с совместной моделью атмосфера-верхний слой океана показал хорошее согласование с результатами обработки данных наблюдений.

В пятой главе Проведен анализ изменений характеристик циркуляции Мирового океана по результатам экспериментов по моделированию изменений климата в XXI столетии с помощью совместной модели общей циркуляции атмосферы и океана ИВМ РАН.

Эксперименты показали, что важную роль в климатических изменениях играет Мировой океан. Более того, наиболее значимые изменения совместного климата определяются изменениями в характеристиках общей циркуляции Мирового океана, и прежде всего в ТПО.

Как показывают результаты экспериментов, повышение поверхностной температуры в XXI столетии наиболее существенно в северном полушарии, особенно в Арктическом регионе и над территорией Западной Сибири, где повышение повышение среднегодовой температуры к концу XXI века в модели ИВМ составляет более чем 5°С. При этом потепление зимой выше, чем в летний период.

Повышение температуры в Арктике приводит, по результатам модели ИВМ, к существенному уменьшению в Северном Ледовитом океане площади покрытой льдом, особенно в летний период. По сценарию А2 уже к концу 2100 г. летом Северный Ледовитый океан полностью освобождается от льда. Тепловое расширение к этому времени приводит к повышению среднего уровня океана в модели ИВМ в зависимости от сценария от 15 до 19 см.

Проведенные эксперименты показали также, что эти изменения климата в XXI столетии, вызванные антропогенным воздействием согласно сценариям Bl, А1В и А2 по большинству показателей не очень далеки от среднего по моделям IPCC [154]. Это позволяет заключить, что уровень прогноза будущих изменений климата, полученных с помощью модели ИВМ, соответствует современному уровню развития науки о климате. Однако, сделать однозначный вывод о том, в какой мере прогноз, сделанный по модели, будет соответствовать реальным изменениям климата, сделать трудно, в основном из-за неопределенности сценариев развития известных факторов, воздействующих на климат и из-за того, что на будущие изменения климата могут действовать другие, неизвестные

Введение. 15 пока факторы.

Проведен анализ изменений характеристик циркуляции Мирового океана по результатам экспериментов по моделированию изменений климата в XXI столетии с помощью совместной модели общей циркуляции атмосферы и океана ИВМ РАН. Эксперименты показали, что важную роль в климатических изменениях играет Мировой океан. Более того, наиболее значимые изменения совместного климата определяются изменениями в характеристиках общей циркуляции Мирового океана, и прежде всего в ТПО.

Как показывают результаты экспериментов, повышение поверхностной температуры в XXI столетии наиболее существенно в северном полушарии, особенно в Арктическом регионе и над территорией Западной Сибири, где повышение среднегодовой температуры к концу XXI века в модели ИВМ составляет более чем 5°С. При этом потепление зимой выше, чем в летний период.

Далее в этой главе рассматриваются изменения интегральных характеристик океана как отклика на вероятный сценарий будущего потепление климата. В низких и средних широтах изменения глобального меридионального переноса тепла таковы, что они ослабляют перенос тепла от низких к высоким широтам. Это вполне соответствует общему потеплению климата и уменьшению меридионального градиента температуры как в океане, так и в атмосфере.

Показано, что пространственная структура отклика в меридиональном переносе тепла формируется в основном динамическими факторами - изменениями в меридиональной циркуляции. Отклик в меридиональной функции тока в Атлантике существенным образом отличается от отклика в Тихом и Индийском океанах. Так до глубин около 600 м в Атлантике отклик в основном положителен, а глубже отрицателен. Приблизительно обратная картина отклика получается в модели в Тихом и Индийском океанах. Таким образом, индексы меридиональной циркуляции (ее максимальные абсолютные значения) и в Атлантике и в Тихом океане уменьшаются, что должно ослаблять интенсивность т.н. "конвеера". Это согласуется с общей картиной потепления климата, когда процессы глубокой конвекции ослабляются.

Изменения меридионального переноса пресной воды, в противоположность изменению переноса тепла, наиболее значительны в Атлантике по сравнению с Тихим океаном, и сопутствуют усилению переноса пресной воды с севера на юг. Такой характер изменения переноса пресной воды вполне соответствует изменению осадков на поверхности океана.

Введение. 16

Проведенные с совместной моделью ИВМ РАН эксперименты показали, что изменения климата в XXI столетии, вызванные антропогенным воздействием согласно сценариям В1, А1В и А2 по большинству показателей не очень далеки от среднего по моделям IPCC [154]. Это позволяет заключить, что уровень прогноза будущих изменений климата, полученных с помощью модели ИВМ, соответствует современному уровню развития науки о климате. Однако, сделать однозначный вывод о том, в какой мере прогноз, сделанный по модели, будет соответствовать реальным изменениям климата, сделать трудно, в основном из-за неопределенности сценариев развития известных факторов, воздействующих на климат и из-за того, что на будущие изменения климата могут действовать другие, неизвестные пока факторы.

Шестая глава существенным образом отличается от предыдущих, поскольку здесь используется региональная модель высокого пространственного разрешения. Эта модель представляет собой ту же версию модели, описанной в первых двух главах, но настроенной на акваторию Индийского океана с высоким, т.н. вихрерахрешающим, пространственным разрешением. По мнению автора, необходимость включения этой работы в диссертацию определяется, во-первых, тем, что будущее развитие глобальных климатических моделей океана будет происходить по пути увеличения пространственного разрешения, а, во-вторых, в этой работе удалось воспроизвести интересные пространственно-временные особенности климатического сезонного хода циркуляции Индийского океана. Важность этой работы обусловлена еще и тем, что муссоный режим атмосферного воздействия определяет изменчивость циркуляции Индийского океана, которая существенным образом отличается от таковой в Атлантическом и Тихом океанах.

Исследование муссонной циркуляции Индийского океана проведены с помощью модели с высоким пространственным разрешением 1/8° х 1/12° по долготе и широте. Используются реалистические донная топография и геометрия суши. Численные эксперименты проведены на 15 лет с начального состояния январской климатологии Левитуса с использованием среднемесячного климатического атмосферного воздействия из данных реанализа NCEP. Проанализирован годовой ход поверхностных и подповерхностных течений, полей температуры и солености. Модель хорошо воспроизводит Зимнее и Летнее муссонные течения, их временной ход и пространственную структуру. Адекватно моделируется Сомалийское течение. В период летнего муссона его скорости превышают 2 м/с, а суммарный перенос масс - 70 Св. Расчеты показывают, что разворот Сомалийского течения с северного направления летом на южное зимой сопровождается образованием антициклонических вихрей, которые в результате /^-эффекта перемещаются на запад и диссипируют либо у побережья Сомали, либо в Аденском заливе. Изучена муссонная изменчивость системы экваториальных поверхностных течений и подповерхностных противотечений. Показано, что эта система формируется, главным образом, под действием зональной составляющей напряжения трения ветра, в изменчивости которой на экваторе доминирует полугодовая гармоника. Это приводит к тому, что экваториальное по

Введение. 17 верхностное течение также меняет направление с полугодовой периодичностью почти синфазно ветру. Противоположно направленное ему компенсационное подповерхностное течение меняет знак с запаздыванием приблизительно в один месяц. В Бенгальском заливе градиентные течения, возникающие из-за речного стока, вносят значительный вклад в циркуляцию. Особенно это проявляется в летний сезон, когда на пике стока р. Ганг приносит мутную пресную воду. Воспроизведены основные особенности крупномасштабной квазистационарной вихревой структуры Индийского океана, такие как системы Большого Сомалийского, Сокотранского и Лаккадивского вихрей.

В заключении приведены основные результаты диссертационной работы. В приложениях описываются методики расчета атмосферного воздействия и модели эволюции морского льда (Приложение А), модель общей циркуляции атмосферы ИВМ РАН (Приложение В)и модель верхнего деятельного слоя океана, используемая в главе 4 (Приложение С).

БЛАГОДАРНОСТИ

Работа по созданию модели общей циркуляции океана и проведение исследовании с ее помощью была поддержана Российским фондом фундаментальных исследований (гранты 94-05-17378-а, 96-05-64593-а, 02-05-64909-а, 03-05-64357); Министерством науки и технологий Российской Федерации (подпрограмма "Исследование природы Мирового океана" федеральной целевой программы "Мировой океан" по теме "Моделирование и анализ изменчивости гидрофизических полей Северной Атлантики с высоким пространственным разрешением"); Программой фундаментальных исследований Президиума РАН (подпрограммы П17 "Мировой океан: геология, геодинамика, физика, биология" по теме "Разработка моделей совместной циркуляции Северного Ледовитого океана и Северной Атлантики" и П16 "Изменение окружающей среды и климата: природные катастрофы" по теме "Математическое моделирование возможных катастрофических изменений климата").

Автор выражает искреннюю благодарность руководству и всем сотрудникам Института вычислительной математики РАН за многолетнее внимание и полезные обсуждения в ходе выполнения этой работы. Автор благодарит академиков Г.И. Марчука и А.С. Саркисяна, которые всегда поддерживали направления работ, представленных в диссертации.

Особую признательность автор выражает академику В.П. Дымникову за инициализацию создания совместной модели ИВМ РАН и постоянное внимание к работе по ее использованию, а так же за ценные рекомендации по формированию диссетрационной работы; В.Б. Залесному - за очень полезные советы и рекомендации при разработке и модификации ст-модели океана, а также за внимательное прочтение и рецензирование рукописи диссертации; А.В. Багно - за передачу исходного программного кода модели океана; Е.М. Володину - за плодотворное сотрудничество при реализации совместной

Введение. 18 модели и проведении экспериментов с ней; С.Н. Мошонкину - за многолетнее сотрудничество, особенно при исследовании верхнего слоя океана; Н.Г. Яковлеву - за предоставление модели термодинамики морского льда и советы по ее модификации для включения ее в модель циркуляции океана. Автор также выражает благодарность В.И. Агошкову и Р.А. Ибраеву за полезные замечания при подготовке диссертационной работы.

Заключение Диссертация по теме "Физика атмосферы и гидросферы", Дианский, Николай Ардальянович

6.7 Выводы

1. Численная модель динамики Индийского океана высокого пространственного разрешения адекватно воспроизвела систему муссонных течений в верхнем слое океана: временной ход, реверсивную смену направлений, пространственую структуру, завихренность и величины скоростей. Главные составляющие муссонного цикла циркуляции Индийского океана - это Зимнее Муссонное и Летнее Муссонное течения, охватывающие почти всю акваторию между Африкой и Суматрой к северу от Экватора. Годовой мус-сонный цикл в южных областях Аравийского моря и Бенгальского залива проявляется в смене направления относительно однородных по пространству полей дрейфовых муссонных течений. Большинство наиболее интенсивных течений носят струйный характер. Это, в основном, вдольбереговые и экваториальные течения.

2. Особо следует отметить адекватность воспроизведения моделью Сомалийского течения. Это наиболее мощное западное пограничное течение в Мировом океане, которое, в отличие от Гольфстрима и Куросио, претерпевает реверсивную смену направления в соответствии с муссонным режимом. Наши расчеты показывают, что разворот Сомалийского течения с северного направления летом на южное зимой сопровождается образованием многих антициклонических вихрей, которые в результате /3-эффекта перемещаются на запад и диссипируют либо у побережья Сомали, либо в Аденском заливе.

Глава 6. Моделирование муссонной циркуляции Индийского океана. 192

BuXPu В С. 20-120М LCM/CJ I МЕС.

45Е 50Е 55Е 60Е 65Е 70Е 75Е

Рис. 6.9. Линии тока средней в слое 20-120 м скорости течений: среднеянварские - вверху, среднеиюльские - внизу Оттенками серого цвета даны величины скоростей в см/с (шкала градаций справа). Скорости менее 5 см/с не показаны.

Глава 6. Моделирование муссонной циркуляции Индийского океана. 193

В период летнего муссона скорости в Сомалийском течении превышают 2 м-с-1, при расходе в 70 Св. Анализ полученного поля течений позволяет констатировать, что природа этого потока двоякая: а) результат локального воздействия максимума ветрового напряжения, и б) крупномасштабная компенсаторная (струя, замыкающая у берегового барьера систему экваториальных и муссонных течений во всем океане). Воспроизведен мощный летний апвеллинг в прибрежной зоне Сомалийского течения.

3. Изучена муссонная изменчивость системы экваториальных поверхностных течений и подповерхностных противотечений. Показано, что эта система формируется, главным образом, под действием зональной составляющей напряжения трения ветра, в изменчивости которой на экваторе доминирует полугодовая гармоника. Это приводит к тому, что экваториальное поверхностное течение также меняет направление с полугодовой периодичностью почти синфазно ветру. Противоположно направленное ему компенсационное подповерхностное течение меняет знак с запаздыванием приблизительно в один месяц.

4. Выявлено принципиальное отличие циркуляции в северной части Бенгальского залива от циркуляции Индийского океана, где доминантой, формирующей течения, является ветер. В Бенгальском заливе очень важен вклад градиентных течений, возникающие за счет речного стока. Особенно это проявляется в летний сезон, как следствие пикового стока вод Ганга. Этот результат подчеркивает важность моделирования циркуляции океана с высоким разрешением. Так например, в нашей работе [81] с пространственным разрешением 1°х(1/2)° в северной части Бенгальского залива не удалось адекватно воспроизвести бароклинный антициклон, хотя в остальной части Индийского океана общая структура течений описана достаточно хорошо.

5. Воспроизведены основные особенности квазистационарной вихревой структуры Индийского океана. Высокое пространственное разрешение модели позволяет хорошо описывать известные крупномасштабные системы Большого Сомалийского и Сокотран-ского вихрей, Лаккадивского вихря. Обнаружены вихри зон конвергенций струйных течений (особо отметим асимметричные вихри зоны конвергенции Летнего Муссонного и Экваториального течений), а также бароклинный круговорот в западной части Бенгальского залива, связанный с фронтом речных вод.

Заключение. 196

Показано, что разворот Сомалийского течения с северного направления летом на южное зимой сопровождается образованием антициклонических вихрей; экваториальное поверхностное течение меняет направление с полугодовой периодичностью в соответствии с изменением зональной составляющей напряжения трения ветра, а противоположно направленное ему компенсационное подповерхностное течение меняет знак с запаздыванием приблизительно в один месяц; в Бенгальском заливе градиентные течения, возникающие из-за речного стока, вносят значительный вклад в циркуляцию; воспроизведены основные особенности крупномасштабной квазистационарной вихревой структуры Индийского океана.

Библиография Диссертация по наукам о земле, доктора физико-математических наук, Дианский, Николай Ардальянович, Москва

1. Агошков В. И., Ипатова В. М. Теоремы существования для трехмерной модели динамики океана и задачи ассимиляции данных // Докл. РАН. 2007. Т. 412, № 2. С. 1-3.

2. Алексеев В.В., Залесный В.Б. Численная модель крупномасштабной динамики океана // Вычислительные процессы и системы / Ред. Марчука Г.И. Вып. 10. М.: Наука, 1993. С. 232-252.

3. Анисимов М.В., Дианский Н.А. Моделирование гидрофизики акватории Северной Атлантики в аспекте образования и эволюции рингов Гольфстрима // Океанология. 2007. Т. 42 (в печати).

4. Антипов С.В., Дианский Н.А., Гусев А.В. Особенности распространения радиоактивного загрязнения в северо-западной части Тихого океана. // Изв. РАН. Энергетика. 2006. № 6. С. 52-70.

5. Багно А.В., Залесный В.Б. Численное моделирование климатической термохалин-ной циркуляции Северной Атлантики // Океанология. 1992. Т. 32. № 5. С. 789-800.

6. Багно А.В. Численное моделирование циркуляции Северной Атлантики с учетом потока пресной воды на поверхности // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 1996. Т. 32. № 6. С. 848-858.

7. Багно А.В., Гаращук Р.В., Залесный В.Б. Модель крупномасштабной циркуляции океана и эволюции морского льда // Океанология. 1996. Т. 36, № 2. С. 197-206.

8. Багно А.В., Дианский Н.А., Мошонкин С.Н. Взаимодействие аномалий температуры поверхности океана и циркуляции Северной Атлантики // Океанология. 1996. Т. 36, № 5. С. 693-703.

9. Багно А.В., Залесный В.Б. Воспроизведение структуры гидрофизических полей тропической зоны Тихого океана в модели глобальной океанской циркуляции / / Метеорология и гидрология. 1999. № 10. С. 75-88.

10. Багров Н.А. Аналитическое представление последовательностей метеорологических полей посредством естественных ортогональных составляющих / / Труды ЦИП. 1959. Вып. 74. 54 с.1. Литература243

11. Бендат Дж., Пирсол А. Прикладной анализ случайных данных. М.: Мир, 1989. 540 с.13 1415 1617

Информация о работе

Дианский, Николай Ардальянович
доктора физико-математических наук
Москва, 2007
ВАК 25.00.29

Диссертация

Моделирование циркуляции океана и исследование его реакции на короткопериодные и долгопериодные атмосферные воздействия - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Моделирование циркуляции океана и исследование его реакции на короткопериодные и долгопериодные атмосферные воздействия - тема автореферата по наукам о земле, скачайте бесплатно автореферат диссертации

Похожие работы