Введение к работе
Актуальность исследования.
В задачах долгосрочного прогноза климата Земли принципиальным моментом является понимание закономерностей формирования и изменчивости океанской циркуляции. Поскольку распределение термодинамических полей в океане зависит от процессов, протекающих в атмосфере, исследование реакции океана на атмосферные воздействия в широком диапазоне пространственных и временных масштабов с использованием адекватных математических моделей представляется актуальной и важной проблемой современной океанологии.
В последнее время возрос интерес к изучению интенсивных кратковременных атмосферных воздействий на океан. Примерами такого рода аномальных атмосферных процессов могут быть циклоны, штормы, или тайфуны. Наблюдения за состоянием атмосферы позволяют утверждать, что флуктуации атмосферной циркуляции - нестационарные крупномасштабные вихри - более обычное состояние, нежели та сглаженная крупномасштабная структура, которая, как правило, задается в моделях глобальной циркуляции вод Мирового океана и его отдельных бассейнов.. Тем более это утвэрздекне справедливо для исследований, посвященных синоптическому масштабу времени.
Наблюдениям, экспериментальным и модельным исследованиям термодинамической реакции океана в зоне взаимодействия с анемо-барическим образованием посвящена обширная литература /Leipper, 1967; Маеда, 1971; Федоров, 1972; Григоркина, Фукс, 1986/. Кроме реакции океана , как сложной колебательной системы, на вариации тангенциального напряжения трения ветра и атмосферного давления,атмосферные аномалии приводят к:
- г -
генерации турбулентности в широком спектре пространсвен-ных масштабов;
росту горизонтальных градиентов термохалинннх характеристик;
резкому изменению теплосодержания верхнего квазиоднородного слоя;
- перестройке вертикальных температурных профилей.
Перечисленные особенности говорят о существенной роли аномальных атмосферных воздействий в формировании локальной термодинамической изменчивости и вариаций гидродинамических полей океана синоптического и сезонного масштабов. Гораздо менее изученной остается пока роль аномальных атмосферных воздействий в формировании климата океана. Являясь элементами климатической системы Земли, циклоны могут выполнять определенные регулирующие функции. Зарождаясь в тропических областях океана и обладая огромной энергией, циклоны способны вызывать меандрирование стуйных течений и формировать под собой океанские вихри. Кроме того они приводят к изменениям горизонтальных и вертикальных потоков тепла в океане. Есть основания считать реакцию океана на воздействие мощных атмосферных флуктуации как локальной , так и носящей глобальный характер. Последние года, после работы Еъер-кнеса /BJerkness, 1964/, широкое распростронение получила гипотеза о существовании "телесвязи" мевду действием тропических циклонов, динимикой субтропического антициклона и синоптической изменчивостью западных пограничных течений. Б настоящее время нет необходимого количества натурных данных, для проверки выдвигаемых гипотез. Единственный способ косвенного ПОДїРЄрДЄНИЯ или
опровержения этих предположений - математическое моделирование таких процессов и сопоставление базовых результатов с имепцимися отдельными наблюдениями. Очевидно, что модели,' претендущие на адекватность описания реакции океана на изменяидиеся как в пространстве так и во времени атмосферные воздействия должны быть в достаточной мере универсальны.
Модельное изучение изменчивости крупномасштабной циркуляции океана и адекватное воспроизведение его термодинамической реакции на циклоны требует, с одной сторони, интегрирования уравнений на продолжительные'времена, с другой - достаточно тонкого пространственного и временного разрешения исследуемых процессов в численной схеме . Математические модели общей циркуляции океана позволяют воспроизвести многие характерные особенности распределения термогидродинамических полей в океане и понять закономерности их динамики. Следует особо выделить вихреразреша-ицие модели крупномасштабной' циркуляции , появившиеся в сещде-сятых-восьмидесятых годах. Такие модели, как модели Холланда и Лина /Holland, Ып, 1975 (а,Ъ)/, Холланда /Holland, 1978/; Хай-двогеля /Eaidvogel, 1976/, МакЕильямса с соавторами /McWllllams et al.,1978/, Сеидова /Сеидов, 1980; 1985/ позволяют описывать процессы синоптического масзтаба, вклячахиде неустойчивость струйных течений, взаимодействие синоптических вихрей мезду собой и с крупномастабными течениями.
Щсленные эксперименты с помощью трехмерных математических моделей достаточно трудоемки и требуют больших затрат вычислительных ресурсов. Последнее обстоятельство обусловило использование в отдельных задачах некоторых параметризаций, основанных на использовании характерных особенностей вертикального строения
океанской толщи.
В последнее время широкое распространение получили интегральные модели, опирающиеся на эмпирическую информацию о структуре деятельного слоя океана. В настоящей работе предпринята попытка создания подобной модели, ориентированной на изучение роли циклонического воздействия на крупномасштабную циркуляцию океана. Отсутствие четких критериев при сравнении различных интегральных моделей и недостаточная надежность натурных данных, используемых при их проверки, поставило автора перед необходимость проведения сравнительных экспериментов с помощью уже прошедшей испытание многоуровенной квазинелинейной вихреразрешащей модели, разработанной в Лаборатории моделирования климата океана МО АНСССР под руководством Д.Г.Сеидова, и модели, разработанной в представляемой диссертации.
Цель и основные задачи работы. Целью настоящей работы является исследование методами численного моделирования особенностей крупномасштабной реакции океана на интенсивные кратковременные атмосферные воздействие, их роли в формировании климата океана.-Решений этой общей задачи связываетсдо необходимостью определить применимость интегральных моделей в задачах прогноза гидродинамической изменчивости океана. В соответствии с целями работы формулируются следующие конкретные задачи:
-
Исследование возможности параметрического задания вертикального термического строения вод для различных акваторий Мирового океана в задачах исследования реакции океана на сильно нестационарные воздействия.
-
Разработка эквивалентно-Оароклинной модели крупномасштабной циркуляции океана ідалее ЭБМ), основанной ня уравнениях
квазинелинейного приближения термогидродинамики океана и автомо-дельности вертикального распределения температуры.
-
Выполнение серии численных экспериментов для исследования роли отдельных факторов в формировании как Оароклинного так и баротрогшого отклика океана на воздействие атмосферных циклонов.
-
Проведение сравнительного анализа результатов моделирования с помощью квазинелинейной вихреразрешающей модели(далее КНВМ) и с использованием ЭБ модели с целью выяснения применимости интегральных моделей в задачах исследования крупномасштабной океанской циркуляции.
Научная новизна.
-
На основании гидрологических данных атласа Левитуса /Ле-витус, 1982/ исследована возможность параметрического задания вертикального распределения температуры в океана для задач моделирования океанской циркуляции. Показано, что для центральной части акватории Северной Атлантики аппроксимация с помощью экспоненциальных функций удовлетворительно воспроизводит основные качественные особенности термической структуры вод.
-
Построена эквивалентно-бароклинная модель крупномасштабной циркуляции океана, основанная на уравнениях квазинелинейного приближения, и относящаяся к классу интегральных моделей. Модель предназначена для расчета эволюции термических полей океана.поле?, скоростей течения, толщины верхнего однородного слоя и глубины залегания термоклина.
-
О помощью численных экспериментов исследована глобальная реакция океанской циркуляции нз интенсивные локальные атмосферний ЗСЗДЄЙСГ2ИЯ.
)
-
В рамках трехмерной вихреразрешащей модели прослежена изменчивость гидродинамических океанских полей под воздействием движущихся циклонов. Показано, что реакция океана носит существенно трехмерный характер.
-
Исследоввана роль таких факторов, как интенсивность циклонов, траектории их перемещения , продолжительность их воздействия, в динамике верхнего однородного слоя и термоклина с помощью интегральной эквивалентно-бароклинной модели.
-
Продемонстрирована роль атмосферных циклонов в формировании климата океана. Полученные данные свидетельствуют о значительном влиянии, оказываемом циклонами на меридиональный перенос тепла, на общую энергетику океанской системы.
7. Проведены численные эксперименты , имитирующих воздей
ствие циклонов на крупнокасшабную циркуляцию вод Северной Атлан
тики в расчетной области близкой по конфигурации к реальной оке
анской акватории .
8. Показана' безусловная важность учета короткопериодной
изменчивости атмосферных полей при диагностических расчетах
крупномасштабной циркуляции.
Практическая ценность.
Анализ рассмотренных механизмов взаимодействия океана с циклонами позволяет оценить роль мощных локальных зтмосфершіх воздействий в формировании крупномасштайных течений, ь изменчивости гидрофизических полей, в процессах теплообмена с атмосферой и, следовательно, в формировании климата океана.
Разработанная эквивалентно-бароклиннзя модель может <5ыгь использована не только для исследования крупномасштабной реакции океана," но и для моделирования изменений, происходящих в верхнем
- T -
однородном сдое и термоклинэ под воздействием циклонов.
Эффективность моделей этого класса позволяет проводить' вычисления на ЭВМ средней мощности.
Аппробация рзОоты. Результаты работы докладывались на III Съезде океанологов /Ленинград, 1S87/ и на семинарах Лаборатории моделирования климата океана ИО АН СССР. Основные положения диссертации содержатся также в 4-х статьях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Содержите^9 страниц машинописного текста, > с рисунков и М таблиц. Список литературы содержит 7ъ наименований на русском и 3' на английском языках.
