Введение к работе
Актуальность темы. Исследование процессов, происходящих вблизи границы раздела вода-воздух, является одной из основных задач физики взаимодействия океана й атмосферы и тестю связано с проблемами прогноза погода, физики климата, экологии и дистанционного зондирования поверхности океана.
В последние годы шязїілйсь новые экспериментальные данные о структуре пограничного слоя атмосфзры к приповерхностного слот океана (Михайлова, Ордановкч I9SI; Федоров, Гинзбург 1938; Мошп» и др. 1989), согласно которым в указанных слоях, несмотря нз их турСулизацию, существуют упорядоченные конвективные образования. Такие образования являются весьма распространенным явлением, играют зажную роль в формировании структуры турбулентности а способны значительно у сшивать-обмен теплом, импульсом и примесями между океаном и атмосферой. Э современных исследованиях теоретическое изучение причин зоыпшювения этих структур ограаичиваетсл, как правило, анализом уже' Известных типов неустойчивости в каждой из сред в отдельности, тогда как влияние другой среды описывается через стационарные граничные условия того или иного рсда. В рамках этого подхода ке удается описать возникновение конвективных структур в указанных слоях при достаточно выраженной устойчивой плстнсстной стратификации в них. При этом теряется из внимания тот существенный факт, что нижняя часть атмосферного по-гранслоя и приповерхностный слой океана непрерывно взаимодействуют через границу раздела таким образом, что в этой системе возникают обратные связи. Другим важным направлением современных ис- следований в области физики взаимодействия океана и атмосферы является построение иерархии все более усложняющихся численных моделей, учитывзэдих все возможные геофизические факторы. При этом возіпікзют, естественные-, проблемы с интерпретацией получзеьмх ре-
зультзтоБ и выявлением основных причинпо-слэдстьенных связей.
Таким образ-м, актуальными являются теоретические исследования возмогших нових механизмов возникновения конвективных структур бо взаимодействующих слоях океана и атмосферы в рамках простих (по возможности - аналитических) моделей на основе уравнений тьрмогидродинамики.
Научная задача работы состоит в том, чтобы* еняснить физическую природу а установить криторгаї поеникновєнея новой нарэлоов-скоЛ конвективной неустойчивости во взаимодействующие устойчиво стратифицированных слоях океана и атмосферы и з приземном слое атмосферы над увлажненной подстилающей' поверхностью, а такке определить пространственно-временные характеристики развивающейся конвекции.
На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:
выявлен физический механизм и определены критерии возникновения -нозой нерзлеэвекой конвективной неустойчивости в системе вода- воздух при, устойчивой ялотностяой стратификации в обеих средах; . - .
найдеш предпочтительные масштабы и структура возникающих конвективных теч.ііш8 в указанной системе, а также скорость их развития на начальной стадии;
установлены физические закономерное':., клияния термокапил-ллрнкх а ьзажностках - эффектов в мелкомасштабном (L ^ 10 м) диапазоне: турбулентного оомекз, кориолисовкх "ускорений, соленостаой ^тригифахбшто в скеаш к алааиостной - в атмосфере в мезомасштаб-v.04 (ігУм *; L < tC^M) диапазоне возмущений из границы устоЯчьзэ-сти рассматриваемой систем и иарймэтра растузих мод;
обнаружен неизвестный ранее физический механизм полоиитель-ьо8 обратной связи и найдены критерии'возникновения конвективной
неустойчивости во влажном ненасыщенном устойчиво стратафищгровач-ном приземном слое атмосферы над увлажненной подстилавшей поверхностью;
- определены пространственно-временные масштабы возникакцой конвекции в исследуемом приземном слое воздуха над увлажненной почвой.
Достоверность результатов основана на использовании уравнений термогидродшгамлки вязкой жидкости и классического линейного анализа устойчивости. В диссертации применяются апробированные параметризации геофизических процессов и, когда возможно, выполнены предельные переходы к ранее известным решениям. Научная новизна работы состоит в том, что
-впервые оснарукена нерэлеевская конвективная неустойчивость и определены критерии ее возникновения при взаимодействии устойчиво стратифицированных слоев океана и атмосферы;
-впервые показано, что такая неустойчивость может реализовы-ваться как в мелкомасштабном (L 102м), так и в мезомасштабном (10 м ^ L ^ 105м) диапазоне исследуемых возмущении с последующим развитием ансамбля' конвективных ячеек в каждом из слоев вблизи границы их раздала;
-впервые исследовано'ВЛяние на условия возникновения рассматриваемой неустойчивости таких геофизических факторов как турбулентный обмен, вращение, соленостная стратификация в океане, испарение и стратификация по влажности в атмосфере, наличие источника (стока) тепла на границе раздела вода-воздух, обусловленного радиационным балансом, термокапиллярные эффекты;'
-^первые построена теоретическая модель неустойчивости устойчиво стратифицированного приземного слоя атмосферы над увлажненной подстилающей поверхностью, описывающая образование конвективных структур в слое влажного ненасыщенного воздуха и позволяющая
огшедалить критические значения параметров атмосфэры и шдстилаю-'-чой поверхности, а также пространственно-временные масштабы возникающей конвекции;
Научная и пряктическая ценность. Результаты проведенных ис-следований позволяют глубяе понять физическую природу процессов, протекающих вблизи границы раздела океян-атмосфора при устойчивой стратификации обеих сред, а также в приземном слое атмосферы над увлажненной твердой подстилавдей поверхностью. Полученннэ результаты могут привести к пересмотр* некоторых современных представлений о хзректерв обмена теплом, импульсом и примесями через указанные поверхности раздела и о способах их параметризации. Результаты работы могут быть использованы при разработке численных моделей конвекции в дагрансло^ атмосферы над водной-и влажной твердой лодстидавдйй поверхностью, а также при моделировании динамики верхнего слоя океана. Они будут полезны при интерпретации результатов расчетов по сложным численным моделям совместной, динамики погранслоя атмосферы и верхнего слоя океана, а такжо ігри планировании натурных экспериментов.
Диссертационная работа проводилась как часть плановых НИР,. выполнявшихся в отделе тропической метеорологии Института экспериментальной метеорологии, материалы диссертации, включены в отчет ло теме І.2Г.7 плана НИР и ОКР Госкомгидромета СССР.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на I Всесоюзной школе-семинаре по актуальным проблемам океанологии сЛенинград,1987); III Съезде советских океанологов (Ленинград, 1987); Всесоюзных конференциях по проблемам стратифицированных течений (Юрмала,1988; Канев,1991); Международном симпозиуме по взаимосвязи региональных :і глобальных процессоа в атмосфере и гидросфере (Тбилиси, І9С8); Пктом Мэвдународаом симпозиуме яо тропической метеорологии (0бшшск,1991); IV Школе-семинаре по ме-
тодам гидрофизических исследований' (Светлогорск,!992); научных семинарах отдела тропической метеорологии'ИЭМ; мржикститутском научном семинаре по проблемам гидродинамики под руководством профессора Гершуни Г.5. (Пермь,1993); научны* семин&рв ГОШ (Москва, 1992); коллоквиуме отдела экспериментальной и космической океанология ИОАН (Москва,1Э93); конференциях МУС ИРМ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ. В работах, выголдашшх в соавторства, личный вклад дассерга-нтє заключался в участии на всех этапах исследования, от постановки задачи, получения и ьнализа результатов до написания статей.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.. Объем 210 страниц, в той числе 32 рисунка. Список цитируемой литературы состоит из 137 названия.