Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Сезонная изменчивость верхнего квазиоднородного слоя в энергоактивной зоне Северной Атлантики (па результатам численного моделирования)

ВАК РФ 11.00.08, Океанология

Содержание диссертации, кандидата географических наук, Аверкиев, Александр Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ.

Глава I. ФОРМУЛИРОВКА АДВЕКТИВНОЙ МОДЕЛИ ВЕРХНЕГО КВАЗИОДНОРОДНОГО СЛОЯ ОКЕАНА.

1.1. Обзор существующих моделей верхнего квазиоднородного слоя океана.

1.2. Модель ЛОИОАН.

1.3. Усовершенствование модели на случай учета горизонтальной и вертикальной адвекции тепла

Глава 2. ИСПЫТАНИЕ ЛОКАЛЬНОЙ ВЕРСИИ МОДЕЛИ ВЕРХНЕГО

КВАЗИОДНОРОДНОГО СЛОЯ В РЕАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ

2.1. Имитация синоптической изменчивости верхне. го квазиоднородного слоя океана

2.2. Воспроизведение сезонного хода характеристик В КС в ЭАЗО Гольфстрим.

Глава 3. РАСЧЕТ ШЛЯ СКОРОСТИ. ТЕЧЕНИЯ В.РАЙОНЕ ЭАЗО. ГОЛЬФСТРИМ.

3.1. Расчет скорости геострофического течения "обратным методом".

3.2. Расчет скорости дрейфового течения.

Глава 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ СЕЗОННОЙ ЭВОЛЮЦИИ ВЕРХНЕГО КВАЗИОДНОРОДНОГО СЛОЯ ОКЕАНА В РАЙОНЕ ЭАЗО ГОЛЬФСТРИМ С УЧЕТОМ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ И.ВЕРТИКАЛЬНОЙ АДВЕКЦИИ ТЕША.

4.1. Система уравнений и краевых условий. Исходные данные. J ~ Стр.

4.2. Разностная схема интегрирования уравнений модели

4.3. Обсуждение результатов расчета и сравнение их с данными наблюдений

Численные эксперименты

Введение Диссертация по географии, на тему "Сезонная изменчивость верхнего квазиоднородного слоя в энергоактивной зоне Северной Атлантики (па результатам численного моделирования)"

В результате многочисленных наблюдений в Мировом океане были выделены зоны, в которых интенсивность обмена энергией между океаном и атмосферой превосходит средние фоновые значения в 2-3 раза. Такие зоны были названы энергоактивными зонами (ЭАЗО). Концепция энергоактивньтх зон лежит в основе разрабатываемых Г.И.Марчуком и его сотрудниками теории короткопериодных изменений климата и методов долгосрочного прогноза погоды. Она является краеугольным камнем национальной программы "Разрезы" /34/. В соответствии с этой концепцией в формировании короткопериодных изменений климата (от сезона до года) участвует деятельный слой (ДС) океана толщиной порядка 0,5 км. Надлежащей информации о деятельном слое в масштабах всего Мирового океана нет и, по-видимому, не будет в ближайшие годы. Поэтому единственным выходом из создавшегося положения является сосредоточение усилий на исследовании сравнительно небольших энергоактивных зон, оказывающих наиболее сильное влияние на процессы в атмосфере. В Северной Атлантике выделено несколько таких зон : Норвежская, Ньюфаундлендская, Тропическая и Гольфстрим /34, 27 /. Последняя была выбрана в качестве объекта исследования в настоящей работе. .

В ЭАЗО Гольфстрим важную роль в формировании ДС играет адвективный перенос тепла* Здесь наблюдаются экстремальные амплитуды внутригодовых колебаний потока тепла на поверхности океана, динамической скорости ветра и поверхностной температуры. Все эти отличительные особенности ЭАЗО Гольфстрим делают ее не только важным, но и одним из самых интересных объектов исследования. Дополнительным аргументом при выборе этого района послужила сравнительно хорошая освещенность его данными наблюдений. Это обеспечивало надежную основу для проверки результатов расчета.

В настоящее время существует целы** ряд интегральных моделей В КС, доведенных в той или иной мере до практического использования. Опубликовано несколько монографий и обзоров, обобщающих, опыт использования этих моделей / 10, 14, 17, 32 /.Однако, основное внимание в них уделялось, главным образом, локальным моделям, учитывающим только вертикальный перенос тепла, импульса и турбулентной энергии. Попытки построения адвективных моделей, включающих горизонтальный перенос названных характеристик, и их использование применительно к обширным акваториям океана все еще сравнительно немногочисленны. Между тем, для удовлетворения запросов практики нужны, именно такие модели. Они нужны и для выполнения настоящей работы, целью которой является исследование сезонной эволюции верхнего квазиоднородного слоя (ВКС) в энергоактивной зоне Гольфстрим. Указанная цель определяет следующие основные задачи работы :

1) разработать адвективную модель ВКС на основе имеющихся локальных интегральных моделей;

2) испытать модель по данным натурного эксперимента H1ILE специально предназначенного для проверки моделей ВЮ, и данным наблюдений в районе ЭАЗО Гольфстрим;

3) воспроизвести сезонный ход характеристик ВКС в районе ЭАЗО Гольфстрим;

4) выявить основные закономерности пространственно-временной изменчивости характеристик ВКС в этом районе для средних б " многолетних и аномальных условий.

Содержание диссертационной работа делится на четыре главы. В первой главе приводится обзор некоторых моделей ВКС, сыгравших ключевую роль в развитии "интегрального" способа описания верхнего слоя океана. Там же подробно обсуждается интегральная модель В КС, разработанная в Ленинградском отделе Института океанологии им.П.П.Ширшова АН СССР (ЛОИОАН), которая вобрала в себя многие лучшие черты прежних моделей, сохранив при этом простоту и экономичность. Эта модель обобщается затем на случай учета горизонтального адвективного . переноса тепла. Система уравнений адвективной модели представлена в разделе 1.3. Здесь же на основе оценки порядков отдельных членов уравнений показано, что члены, характеризующие, горизонтальную адвекцию тепла геостро'^ическим течением и пространственную неоднородность тол щинн ВКС, на порядок меньше главных членов, так что при расчете сезонной эволюции ВКС ими в первом приближении можно пренебречь. Это позволяет упростить уравнения модели, сведя их к одному уравнению в частных производных гиперболического типа для температуры ВКС и к-системе обыкновенных дифференциальных уравнений для температуры сезонного термоклина.и толщины ВКС, имеющих тот же вид, что и в локальной версии модели.

В работах / 16, 37 / модель ЛОИОАН была реализована в слабоадвективном районе океана, тем самым предполагалось, что не только горизонтальная, но и вертикальная адвекция пренебрежимо малы по сравнению с вертикальным турбулентным переносом тепла. В реальных условиях это предположение выполняется довольно редко. Поэтому испытание модели необходимо было начать с более простой версии модели, учитывающей только вертикальную адвекцию тепла. В качестве объекта испытания был выбран район, ограниченный параллелями 25° и 40°с.ш. и меридианами 60° и 75°з.д. и включающий в себя ЭАЗО Гольфстрим. Анализу результатов этого исследования посвящена глава 2. В ней приводятся также результаты испытания локальной версии модели применительно к случаю синоптической изменчивости ВКС. Возможность применения локальной версии модели в этом случае основывается на полученном в главе I выводе о том, что для синоптического масштаба времени адвекция тепла не играет решающей роли в формировании деятельного слоя океана.

Глава 3 посвящена расчету поля скорости в исследуемом районе океана. Основное внимание в ней уделяется расчету средней (в.пределах экмановского пограничного слоя) скорости дрейфового течения и меридиональной составляющей скорости геострофического.течения, необходимых для определения горизонтальной и вертикальной адвекции тепла. Средняя скорость дрейфового течения находится традиционным способом, меридиональная составляющая геостро^ического течения - с помощью так называемого "обратного метода". Описание этого метода предваряет анализ полученных результатов.

Система уравнений и краевых условий адвективной модели ВКС и численный метод ее реализации описываются в главе Для решения уравнения адвекции тепла используется явная разностная схема по времени с направленными разностями "против потока". Шаг сетки принимается равным 2.5° по широте и долготе. В этой не главе приводится сравнение рассчитанных значений характеристик ВКС с данными наблюдений / 7, 25 /, отвечающими средним многолетним условиям, а также результаты серии численных экспериментов, предназначенной для выяснения особенностей пространственно-временной изменчивости характеристик ВКС в районе ЭАЗО Гольфстрим и влияния аномальных условий.

Таким образом, на рассмотрение выносится :

1) модель верхнего квазиоднородного слоя, воспроизводящая сезонную эволюцию характеристик ВКС в адвективном районе океана с экстремальными термическими и динамическими условиями на его поверхности;

2) результаты испытания модели в синоптическом и сезонном масштабах времени;

3) результаты расчета скорости геострофического течения в Северной Атлантике, полученные "обратным методом";

4) результаты расчета сезонной эволюции ВКС в районе ЭАЗО Гольфстрим;

5) объяснение основных особенностей пространственно-временной изменчивости характеристик ВКС в исследуемом районе океана.

Заключение Диссертация по теме "Океанология", Аверкиев, Александр Сергеевич

Результаты работы изложены в упомянутых в списке литературы статьях автора, а также докладывались на 17 Всесоюзной конференции "Мировой океан" в октябре 1983г. (г.Владивосток) и, в.полном объеме, на семинаре кафедры динамики океана ЛГМИ в октябре 1984г. Отдельные результаты и выводы работы внедрены в хоздоговорные и госбюджетные темы ЛГМИ. Они были использованы также в учебном процессе при подготовке лабораторного практикума по курсу "Взаимодействие океана и атмосферы при выполнении курсовых и дипломных проектов студентов 1У--J курсов ЛГМИ.

ЗАКШЕНИЕ

Результаты проделанной работы можно подытожить следующим образом.

1. Установлено, что локальная версия модели деятельного слоя океана, разработанная в ЛОИОАН, может быть использована для воспроизведения синоптической и сезонной изменчивости характеристик ВКС в слабоадвективных районах Мирового океана.

2. Разработана адвективная версия модели деятельного слоя океана, позволяющая учесть эффект горизонтальной и вертикальной адвекции тепла.

3. Произведена оценка вклада вертикальной и горизонтальной адвекции тепла в формирование термического режима ДС для различных масштабов времени. Показано, что для синоптических масштабов времени адвективными факторами можно пренебречь, тогда как двя сезонных масштабов времени их необходимо учитывать. .

С помощью "обратного метода" (модифицированного варианта динамического метода) рассчитано поле абсолютной скорости геострофического течения в Северной Атлантике. Оно использовано при вопроизведении сезонной эволюции ВКС в энергоактивной зоне Гольфстрим.

5. Выполнен расчет сезонного хода характеристик ВКС в ЭАЗО Гольфстрим. Сравнение рассчитанных и наблюдаемых значений толщины ВКС показало, что расхождения между ними не выходят за пределы точности ее определения. Погрешности расчета температуры ВКС составляют в среднем 1,0-1,5°С или в относительных единицах 5-8 %, Максимальные ошибки расчета температуры ВИС, достигающие 3-4°С или 12-18 имеют место в начале лета и связаны с неполнотой исходных данных о динамической скорости ветра.

6. Выявлены особенности пространственно-временной изменчивости характеристик;^КС в ЭАЗО Гольфстрим. С помощью серии численных экспериментов показано, что : значительное увеличение толщины ВКС в феврале-марте в Саргассовом море вызвано совпадением экстремальных значений амплитуд колебаний турбулентных потоков тепла и импульса на поверхности океана с одной стороны, и интенсивным даунвеллингом, с другой;

- аномальное изменение температуры ВКС, соответствующее повышению средней годовой температуры воздуха на 1°С, сохраняется в-течение 5-7 месяцев, незначительно трансформируясь под действием дрейфового теяения.

7. Предложенная модель может быть использована при исследовании .процессов формирования и изменчивости теплового состояния деятельного слоя океана, при разработке методов краткосрочного и среднесрочного прогноза погоды и при моделировании крупномасштабного взаимодействия атмосферы и океана.

Библиография Диссертация по географии, кандидата географических наук, Аверкиев, Александр Сергеевич, Ленинград

1. Аверкиев А.С. Моделирование синоптической изменчивости верхнего квазиоднородного слоя океана, Метеорология и гидрология, 1984, № 7, с. 102-104.

2. Аверкиев А.С«, Струлев О.Ю. Оценка изменчивости результирующего потока тепла на поверхности океана. Деп.рук., 1984,68Э9-84. «8с.

3. Ариель Строкина Л.А. Динамическая скорость и касательное напряжение у поверхности Мирового океана. Метеорология и гидрология, 1982, № 7, с. 59-64.

4. Арсеньев С.А., Фельзенбаум A.M. Об одной модели квазиоднородного слоя и сезонного термоклина в океане, Докл. АН СССР, 1975, т. 225, № I, с. 64-87.7» Атлас океанов. Атлантический и Индийский океаны. Изд. ГУНиО МО, 1977, -306 с*

5. Атлас теплового баланса земного шара /Под ред.М.И.Буды-ко. М.: Гидрометеоиздат, 1963. - 69 с.

6. Бирман Б.А., Ларин Д.А», Позднякова Т«Г. Некоторые вопроон климатологии теплообмена в энергоактивных зонах Атлантического океана* -Метеорология и гидрология, 1983, № 5, с.79-86.

7. Взаимодействие океана и атмосферы. -В кн.: Физика океана, т. I, Гидрофизика океана» М. : Наука, 1978, с. 208-339.

8. Гарнич А.Г. Модель непрерывной эволюции сезонного термоклина. «Океанология, 1975, 15, № 2, с. 233-238.

9. Гордеев Р.Г., Каган Б.А. Верхний квазиоднородный слой океана в начальной стадии развития свободной конвекции. -Метеорология и гидрология, 1976, № 10, с.50-57.

10. Дьяченко В.Ф. Основные понятия вычислительной математики. -М.: Наука, 1977. -128 с.

11. Зилитинкевич С.С., Реснянский Ю.Д., Чаликов Д.В. Теоретическое моделирование верхнего слоя океана. сб.: Механика жидкости и газа, т.12 (Итоги науки и техники ВИНИТИ). -М.,1978, с.5-51.

12. Зубов Н.Н. Льды Арктики. -М.,Изд.Главсевморпути, 1945. -360с.

13. Каган Б.А., Рябченко В«А., Чаликов Д.В. Параметризация деятельного слоя в модели крупномасштабного взаимодействия океана и атмосферы. -Метеорология и гидрология, 1979, № 12, с.67-75.

14. Калацкий В.И. Моделирование вертикальной термической структуры деятельного слоя океана. -Л»: Гидрометеоиздат, 1978, -214 с.

15. Каменкович В.М., Харьков Б.В. 0 сезонном изменении термической структуры верхнего слоя океана. -Океанология, 1975, т.15, вып. 6, с.978-987.

16. Карлин Л.Н., Клюйков Е.Ю. Модель квазиоднородного слоя с учетом горизонтальных переносов тепла и солей течениями. -В межведомств.сб.: Исследование и освоение Мирового океана. -Л.,изд.ЛПИ, 1980, вып. 71, с.77-82 (ЛГМИ).

17. Марлин Л.Н., Клюйков Е.Ю. Моделирование годового хода температуры и солености в деятельном слое океана, «-В межведомств, сб.:Исследование и освоение Мирового океана. Л., изд.ЛПИ, 1980, вып.72, с. 79-90 (ЛГМИ).

18. Китайгородский С.А. Физика взаимодействия атмосферы и океана. -Л.: Гидрометеоиздат, 1970, -284с.

19. Китайгородский С.А. Динамика верхнего термоклина в океане. ~В сб.: Океанология, т.4 (Итоги науки и техники ВИНИТИ). М», 1977, с.6-34.

20. Китайгородский С.А., Миропольский Ю.З. К теории деятельного слоя океана. -Изв. АН СССР, Физика атмосферы и океана, 1970, т.6, № 2, с*178-187.

21. Лаппо С.С., Гулев С.К., Метальников А.П. Энергоактивные области и тепловое взаимодействие океана и атмосферы. В сб.: Вопросы географии, № 125, Океаны и жизнь, М.: Мысль, 1984,с.36-50.

22. Марчук Г.й. Методы вычислительной математики. »М.$ Наука, 1977, с.243-278.

23. Марчук Г.И. Численное решение задач динамики атмосферыи океана. «Л.: Гидрометеоиздат, 1974, «-303с»

24. Мезингер Ф., Аракава А. Численные методы, используемые в атмосферных моделях, Гидрометеоиздат, 1979, с.48-89.

25. Миропольский Ю.З. Нестационарная модель слоя конвективного перемешивания в океане, -Изв.АН СССР, Физика атмосферы и океана, 1970, т.6, № 12, с. 1284-1294.

26. Моделирование и прогноз верхних слоев океана /Под ред. Э.Б.Крауса, ~Л.: Гидрометеоиздат, 1979, -367 с.

27. Основы теории крупномасштабных течений. -В кн.: Физика океана, т,2, Гидродинамика океана. М.: Наука, 1978, с.399-408.

28. Программа исследования взаимодействия атмосферы и океана в целях изучения короткопериодных изменений климата /Под ред.Г.И.Марчука. »Сер.Атмосфера, океан, космос-^ программа "Разрезы",т.I (Итоги науки и техники ВИНИТИ, АН СССР) М.Д983. -60с.

29. Реснянский Ю.Д. О параметризации интегральной диссипации турбулентной энергии в верхнем квазиоднородном слое океана. -Изв. АН СССР, Физика атмосферы и океана, 1975, т. II, №7, с.726-733.

30. Русин И.Н. К вопросу о расчете толщины квазиоднородного слоя океана. ~Метеорология и гидрология, 1973, № 6, с.62-69.

31. Рябченко В.А. Численные эксперименты с моделью деятельного слоя океана. «Метеорология и гидрология, 1982, № 2, с .63-68.

32. Саркисян А.С. Численный анализ и прогноз морских течений. -Л.: Гидрометеоиздат, 1977. ^182с.

33. Тютнев Я.А. Упрощенный метод расчета теплового баланса поверхности моря. -^Метеорология и гидрология, 1961, № 2, с .36-40.40• Физика океана /Под ред. Ю.П.Доронина* -JU: Гидрометеоиздат 1978, с.137-146.

34. Фюмин 3I.M. Теоретические основы динамического методаи его применение в океанологии. -М., Изд. АН СССР, I96I.^I92c.

35. Форсайт Дж., Малькольм М., Моулер К. Машинные методы математических вычислений. -М»: Мир, 1980, с. 210-256.43. (Zhms&f., Zk$юе£е0., AWez РРм i/ге осеая 777/l£. /Ы/J; J%e pea/

36. Ж лиуе4 tyez геноме-Jdeqo S& J?est, №/, гМ^&^ЖЯ-яЯГ

37. Рал PPP axa&zTs snoods wa/? Фгаи/ gtzess gfogag e&anPes.and gtyazt fifax. &c. Оге^оп ttfafe &/>. a/M'46. /Wr Ja-Z/m: б&^гл&ЪпяР /noafaf

38. Яле/ Its Je&az, и./У,/?. &-/0647. &<2. Pheacte&gikcf ^ywfece euweaf &£>£*г жРеж^д? jf&w a. -dP&^hP м^/ Se-t-Д. P/uff. Огегиир.,

39. PPuPev PP. jOee^e/шг^ PPe Яя-иаР /nixetf1. Як. P^ И JOT- Jjtf

40. РЪ<гР P.P&nePe* J&atr TP Me с&гъж/amuaP tyP 7^ aY/гк^р/ше /pzpx/icesotvz /UzTPezv ~А< РРшг. /#76'Jк 6j />. 7S7- So<£> u U V90. PPy PP^ PP., Лоуяж

41. PPe б/ее^ея/ш? ^ ш/ггР mfxerf ^/sop/u^.- 118 51. £оем/тс6 Л). weu't/to^^ ^eafx ж l&e /fo-zM Ot&x&c Averse <2 jh*»***., /**О,«/О,/>.У*Я-013

42. S?f ^Mf/Jtf 0/nodi f y&Z afysia»ucs ef at**. X32,53. £ ^evnfruc*1. Mcnsc/? С. гм&п&с с&икшг/jwe т^^Ж-ао 55. P.; ^W& Me1. Wtcufaf&n, а/ ^ кеая.