Моделирование квазидвухлетних колебаний зонального ветра в экваториальной стратосфере тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.29, кандидат физико-математических наук Кулямин, Дмитрий Вячеславович

• Кулямин, Дмитрий Вячеславович
• кандидат физико-математических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Кулямин, Дмитрий Вячеславович

Введение.

Глава 1. Моделирование квазидвухлетних колебаний на основе малопараметрических моделей.

1.1 Моделирование КДК на основе механизма взаимодействия длинных волн со средним течением.

1.2 Выбор ключевых параметров в формировании квазидвухлетних колебаний и проблема структурной устойчивости.

1.3 Моделирование КДК на основе механизма обрушения гравитационных волн.

1.4 Моделирование КДК на основе совместного взаимодействия гравитационных и планетарных волн с зональным потоком.

1.5 Выводы.

Глава 2. Моделирование квазидвухлетних колебаний на основе моделей общей циркуляции атмосферы ИВМ РАН.

2.1 Описание модели общей циркуляции ИВМ РАН с высоким пространственным разрешением 2°х2.5°х80.

2.2 Воспроизведение зонального ветра на экваторе в моделях общей циркуляции ИВМ РАН.

2.3 Результаты спектрального анализа волновой динамики на экваторе в модели ИВМ РАН.

2.4 Результаты экспериментов по моделированию КДК зонального ветра в модели общей циркуляции ИВМ РАН 2°х2.5°х80.

2.5 Выводы.

Глава 3. Спектральные характеристики квазидвухлетних колебаний экваториального стратосферного ветра, проблемы синхронизации и структурной устойчивости

3.1 Проблема синхронизации в малопараметрических моделях КДК.

3.2 Результаты обработки данных наблюдений и данных моделирования КДК с помощью моделей ОЦА ИВМ РАН. Формирование основных характеристик КДК и проблема синхронизации в моделях ОЦА.

3.3 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование квазидвухлетних колебаний зонального ветра в экваториальной стратосфере»

Проблема изменений климата стала в последние десятилетия одной из центральных задач, возникающих перед человечеством. Эта задача имеет свои специфические особенности, следствием которых является то, что главным методом исследования возможных причин изменений климата является численное моделирование, основу которого составляют глобальные климатические модели. В настоящее время уровень климатических моделей, разрабатываемых в ведущих мировых центрах и участвующих в международных программах сравнения климатических моделей, можно считать высоким. Однако остаётся открытым фундаментальный вопрос, является ли этот уровень достаточным для того, чтобы чувствительность моделей к малым возмущениям внешних параметров была близка к чувствительности реальной климатической системы. Этот вопрос в настоящее время является центральным во всех дискуссиях, посвященных прогнозу изменений климата в 21 столетии. Считается, что главным направлением в решении этой проблемы является построение климатических моделей, всё более точно воспроизводящих современный климат.

Совершенствование современных климатических моделей идёт одновременно в разных направлениях. Первое направление связано с увеличением пространственного разрешения (в первую очередь, горизонтального) с целью более адекватного воспроизведения региональных климатических особенностей. Второе направление связано с включением в модели описания новых физических процессов. В качестве примера можно рассмотреть так называемые СевероАтлантические колебания (САК) или связанные с ними Арктические Осцилляции (АО). В последние годы было показано, что существенный вклад в их изменчивость может приносить сигнал, идущий из стратосферы, поскольку АО и циркумполярный стратосферный вихрь образуют единую систему.

Третье направление ориентировано на переработку климатических моделей в модели Земной системы с включением описания переноса и трансформации малых газовых примесей, углеродного и метанного циклов, динамики растительности и т.п. Необходимость всё более точного описания верхних слоев атмосферы обусловлено также и необходимостью описания таких важных динамических процессов как квазидвухлетние колебания (КДК) зонального ветра в экваториальной стратосфере или полугодовые колебания (ПГК) ветра в мезосфере.

Создание модели тропосферы-стратосферы-мезосферы представляет собой чрезвычайно сложную проблему. Она сложна во всех отношениях: и с точки зрения физической постановки задачи, и с точки зрения формулирования методов решения исходных систем уравнений, и с точки зрения реализации её на современных параллельных вычислительных системах.

Общая проблема, с решением которой связана работа, есть проблема адекватного воспроизведения современного климата с помощью глобальных климатических моделей и 2 ( Г прогноза его короткопериодных и долгопериодных изменений. В основе воспроизведения современного климата глобальными климатическими моделями лежит исследование механизмов формирования ключевых физических процессов, ответственных за циркуляцию атмосферы и океана, таких как процессы переноса полей влажности в атмосфере и их взаимодействие с радиацией, процесс циклогенеза в средних широтах атмосферы, муссонная циркуляция, Эль-Ниньо и южные колебания, Арктические осцилляции, КДК, волны Юлиана-Маддена и их взаимодействие с конвективными кластерами и многие другие.

Исходя из всего вышеизложенного, на данный момент одна из наиболее актуальных проблем моделирования климата - это создание модели общей циркуляции атмосферы (ОЦА), реализующей важные с точки зрения описания верхних слоев атмосферы физические процессы типа КДК и ПГК. Отметим, что воспроизведение КДК в стратосфере является важным условием также и воспроизведения взаимодействия аномалий солнечной активности с динамикой атмосферы.

Таким образом, представленная работа направлена на решение проблемы воспроизведения моделями ОЦА КДК зонального ветра в экваториальной стратосфере. Это глобальное климатическое явление может быть описано как медленно распространяющиеся вниз западная и восточная фазы зонального ветра, сменяющие друг друга с периодом около 28 месяцев (такие колебания непосредственно наблюдаются в экваториальной зоне на высотах примерно 16-50 км).

На рис. 1 приведён высотно-временной график распределения зонального ветра в экваториальной стратосфере, построенный по данным реанализа европейского центра ECMWF (ERA40) [Uppala et al., 2005] за 10 лет. Рисунок наглядно демонстрирует суть явления (периодическую смену направления среднего зонального ветра в стратосфере) и его основные свойства: меняющийся период от 24 до 30 месяцев, медленное опускание разнонаправленных фаз скорости (скорость опускания в среднем составляет 1 км/месяц), зону распространения (на высотах в районе 80-10 мбар), величину амплитуды зональной скорости и ее распределение (с максимумами около 30 м/с на высотах порядка 20-10 мбар). В широтном направлении интенсивные КДК наблюдаются в узкой полосе около экватора (~ 10° на север и на юг). Распределение амплитуды колебаний скорости примерно симметрично относительно экватора и близко к нормальному распределению с максимумом на экваторе.

Подробный современный обзор всех аспектов КДК приведен в работе [Baldwin et al., 2001].

ERA 40

Время (годы)

Рис. 1.

Средний зональный ветер на экваторе по данным реанализа ERA40 за 10 лет в высотной зоне от 200 до 10 мбар. Величина скорости приведена в м/с, изолинии проведены с интервалом 5 м/с, пунктиром выделены зоны западного ветра (отрицательное направление).

Несмотря на кажущуюся меридиональную локальность этого явления, имеются многочисленные сведения о воздействии КДК на глобальные климатические характеристики. Основной предполагаемый механизм воздействия КДК на динамику атмосферы связан с модуляиией переноса волновой активности во внетропической стратосфере (в основном переноса стационарными волнами). Эта модуляция может стимулировать внезапные стратосферные потепления [Holton, Tan, 1980; Dunkerton, 1990; Dunkerion, Baldwin, 1991]. Модуляцией осуществляется также взаимодействие КДК с другими низкочастотными процессами типа Эль-Ниньо [Gray et al., 1992; Baldwin, Dunkerton, 1998]. Следует отметить и региональные связи КДК с процессами в тропиках - например, длительностью сезонных дождей и активностью ураганов в Атлантике [Knaff, Í 993].

Поскольку КДК зонального ветра непосредственно связаны с аналогичными колебаниями температуры, то влияние КДК на генерацию озона в тропической стратосфере и его перенос к полюсам (через модуляцию динамических процессов в стратосфере) также представляется 4 закономерным [Randel, Cobb, 1994]. Аналогичные тенденции обнаружены в процессах переноса других атмосферных примесей, образующихся в результате различных антропогенных воздействий или вулканической активности [Jones et al., 1998]. Важной также представляется и связь КДК с углеродным циклом в атмосфере.

Несмотря на всю значимость КДК лишь немногие климатические модели в настоящее время способны воспроизводить это явление [Baldwin et al., 2001; Scaife et al., 2000; Giorgetta et al., 2006].

Поэтому главной задачей всей работы является задача построения моделей ОЦА, адекватно воспроизводящих КДК. Основная трудность в решении этого вопроса содержится в реализации достаточно сложного механизма формирования КДК: в настоящее время уже считается общепринятым, что в основе КДК зональной скорости в экваториальной стратосфере лежит нелинейное взаимодействие зонального потока и вертикально распространяющихся экваториальных волн.

Работы Холтона и Линдзена [Holton, Lindzen, 1972] показали, что основным носителем этого взаимодействия могут быть планетарные экваториальные волны — смешанные Россби-гравитационные волны и волны Кельвина, однако, впоследствии было установлено, что энергии этих волн явно недостаточно и необходимо рассматривать весь спектр экваториальных волн вплоть до самых коротких гравитационных [Baldwin et al., 2001]. Механизм взаимодействия планетарных волн со средним потоком был осознан уже в самых первых работах — в основе этого механизма лежит взаимодействие волн и среднего потока на критических уровнях, где фазовая скорость волны равна скорости основного потока. Поскольку критические слои — узкие зоны взаимодействия, то очевидно, что для его адекватного воспроизведения в климатических моделях необходимо высокое пространственное (вертикальное) разрешение, что является необходимым условием воспроизведения КДК. Механизм взаимодействия коротких гравитационных волн со средним потоком и его относительная роль в формировании КДК до сих пор до конца не изучены.

Поскольку предполагается, что тип взаимодействия коротких и длинных экваториальных волн со средним потоком может быть разным, во всей работе рассматриваются два механизма формирования КДК: взаимодействие длинных волн с зональным потоком и обрушение коротких гравитационных волн. Такое разделение имеет особое значение для построения моделей ОЦА, поскольку генерация крупномасштабных волн является внутренним процессом, а гравитационные волны имеют подсеточный масштаб, и для их учета используются параметризации. Результатом анализа механизмов возникновения КДК должно быть формулирование необходимых и достаточных условий, которым должны удовлетворять модели

ОЦА для воспроизведения этого явления. Решению данной задачи посвящена первая глава 5 работы, которая рассматривает процесс возникновения колебаний зонального ветра на основе простых малопараметрических моделей.

Идеальный вариант глобальной модели ОЦА должен отражать взаимодействие всего спектра экваториальных волн с зональным ветром в стратосфере. Как уже отмечалось выше, основной целью данной работы является построение модели ОЦА, воспроизводящей реалистичные КДК зонального ветра в экваториальной стратосфере. Для решения этой проблемы за основу взята разработанная в ИВМ РАН модель, включающая тропосферу, стратосферу и мезосферу, с пространственным горизонтальным разрешением 2°х2.5° и достаточно грубым вертикальным разрешением в 39 уровней. Данная модель при стандартных параметрах не воспроизводит КДК в экваториальной стратосфере, давая отрицательный сдвиг зональной скорости в нижней стратосфере, однако она воспроизводит ПГК в верхней стратосфере и мезосфере на экваторе. Принимая во внимание, что обозначенные ранее два механизма возбуждения КДК естественным образом разделяются в глобальных моделях, возникает задача оценки степени реализации того и другого механизма в модели ОЦА ИВМ РАН. Для этой цели использованы результаты исследования малопараметрических моделей.

Как отмечено выше, в силу одного из полученных в работе необходимых для реализации КДК условий, требовалось построение новой модели ОЦА с высоким вертикальным разрешением в стратосфере. Для решения этой задачи была разработана новая версия модели ОЦА ИВМ РАН 2°х2.5°х80. За ее основу взята старая версия, для{ которой была модифицирована вертикальная сетка: количество уровней повышено до 80, а шаг сетки в стратосфере был взят примерно 0.5 км. Данная модификация произведена не только экваториальной зоны, но и для всей атмосферы. Задаче воспроизведение КДК в модели ОЦА ИВМ РАН посвящена вторая глава работы.

При положительном разрешении проблемы воспроизведения КДК возникает множество практических вопросов о степени реалистичности данного цикла, его влиянии па другие процессы в атмосфере в целом, о чувствительности характеристик колебаний к различным вариациям параметров. Подобные проблемы особенно актуальны для развития моделей ОЦА.

1 Среди основных проблем при исследования формирования КДК наиболее существенной является проблема формирования периода колебаний, его устойчивости и его связи с полугодовой и годовой гармониками.

Как отмечено выше, величина периода КДК носит достаточно стохастический характер. В некоторых работах [Гледзер, Обухов, 1982; Груздев, Безверхний, 1999; Pascoe et al., 2005,

Fischer, Tung, 2008] отмечается, что при вариации периодов предпочтительные периоды КДК по данным анализа наблюдений на отдельных высотах близки к 2 годам и 2.5 годам, в некоторых случаях даже к 3 годам (т.е. кратны полугоду). В работе [Гледзер, Обухов, 1982] для 6 i I объяснения этого явления, как и всего феномена КДК, была предложена идея параметрического резонанса, однако для этого необходимо уже иметь колебательную систему с двухлетним периодом колебаний. В некоторых работах указывается, что смена происходит также с периодичностью порядка 5 лет [Mayr et al., 2006] или 10 лет [Груздев, Безверхний, 1999; Pascoe et al., 2005; Шефов, Семенов, 2006]. В этих и других работах, касающихся солнечно-земной физики, говорится о прямой связи 11-ти летнего солнечного цикла и КДК зонального ветра, при этом предлагается идея, что оба эти феномена являются частью более сложного реального физического механизма. С другой стороны в других работах [Dunkerton, 1997; Baldwin et al., 2001] не говорится о предпочтительных периодах КДК, однако выделяется некоторое возможное взаимодействие КДК с сезонным циклом на экваторе, при этом указывается, что это скорее статистическая тенденция, чем строгая синхронизация. Механизм дискретной изменчивости периода КДК по данным наблюдений является темой современных дискуссий [Salby, Callaghan, 2000; Soukharev, Hood, 2001; Hamilton, 2002; Pascoe et al., 2005; Fischer, Tung, 2008].

Помимо отмеченного выше основополагающего механизма нелинейного взаимодействия экваториальных волн разных масштабов с зональным потоком, существенный вклад в формирование КДК могут вносить ПГК, которые, начиная с верхних слоев стратосферы, распространены в экваториальной мезосфере, а также сезонный цикл, присутствующий в цикле зональной скорости на экваторе в основном в тропосфере и доминирующий в средних широтах [Dunkerton, 1997]. Механизмы формирования ПГК подробно не рассматривались, однако на основе модели ОЦА можно проследить взаимосвязь взаимодействия экваториальных волн со средним течением и этого процесса. Стоит отметить, что возбуждение ПГК в верхней стратосфере до сих пор мало изучено. Уже в первых работах по теории КДК [Holton, Lindzen, 1972; Gray 1989] высказана гипотеза о некоторой синхронизации КДК и ПГК при смене режимов ветра, однако в работе [Holton, Lindzen, 1972] на основе малопараметрической модели показано, что наличие ПГК не критично для величины периода. Подробно эта проблема рассмотрена в работе [Kuai et al., 2009], в которой показана синхронность начала западных фаз КДК и ПГК в верхней стратосфере на основе данных наблюдений и моделирования. Как следствие, высказана идея о соответствии отдельных периодов КДК кратному числу периодов ПГК на всех высотах, т.е. о решающей роли ПГК в формировании периода КДК.

Таким образом, исходя из представленного выше обзора видно, что на данный момент не существует единого мнения по поводу основных причин окончательного формирования периода КДК, при этом существует ряд противоречащих друг другу гипотез. Проблема формирования периода КДК и его зависимости от ключевых параметров в малопараметрических моделях затрагивается в первой главе работы. Также рассматривается 7 проблема структурной устойчивости КДК как предельного цикла системы. Третья глава работы посвящена подробному исследованию формирования основных характеристик КДК на основе данных наблюдений и данных численного моделирования, как с малопараметрическими моделями, так и с моделями ОЦА. Основная проблема, рассматриваемая в этой части работы -проблема синхронизации КДК и ПГК и, как следствие, концепция единой системы циркуляции экваториальной стратосферы.

В результате исследования, проведенного в этой работе, должна быть получена новая модель ОЦА, воспроизводящая КДК в экваториальной стратосфере. Также должны быть подробно изучены физические механизмы возникновения КДК и выработаны условия их реализации в моделях, должны быть получены результаты исследования роли КДК в циркуляции экваториальной стратосферы.

Как показано выше, все поставленные во введении задачи являются новыми и значимыми для современного моделирования климата. В исследовании были взяты в качестве базы малопараметрическая модель КДК на основе механизма поглощения длинных волн, параметризация процесса обрушения гравитационных волн в верхней атмосфере, а также модель ОЦА ИВМ РАН с грубым пространственным разрешением. Остановимся подробнее на содержании работы. Как отмечено выше, работа содержит 3 главы.

Первая глава посвящена моделированию КДК на основе малопараметрических моделей и содержит 5 разделов. В первом разделе рассматривается модель механизма формирования КДК на основе взаимодействия длинных волн со средним течением. Во втором разделе на основе этой модели проводятся аналитическое и численное исследование ключевых процессов в формировании КДК и структурной устойчивости КДК как предельного цикла. В третьем разделе рассматривается модель механизма формирования КДК на основе параметризации обрушения гравитационных волн. В четвертом разделе рассматривается совместная модель двух механизмов. В заключении главы в пятом разделе проводится краткое обсуждение ее результатов. Основные результаты этой главы представлены подробно в публикациях [Кулямин и др., 2008; Кулямин, Дымников, 2009], а также частично в [Кулями, Дыников, 2010, Вутшкоу, Ки1уатт, 2010].

Вторая глава посвящена моделированию КДК на основе моделей ОЦА, разрабатываемых в ИВМ РАН, и также содержит 5 разделов. Первый раздел посвящен описанию новой версии модели ИВМ РАН и сравнению ее климатических характеристик с наблюдениями. Во втором разделе рассматривается воспроизведение зонального ветра на экваторе в разных версиях моделей ОЦА ИВМ РАН. Третий раздел посвящен спектральному анализу волновой активности на экваторе в моделях ОЦА ИВМ РАН в контексте механизмов формирования КДК от волн разных масштабов. В четвертом разделе подробно рассмотрено воспроизведение КДК в новой версии модели ОЦА ИВМ РАН. В пятом разделе приводится обсуждение результатов второй главы. Основные результаты этой главы представлены подробно в публикации [Кулямин и др., 2009].

В третьей главе подробно рассматриваются проблема синхронизации КДК с внешними процессами и вопросы формирования и устойчивости основных характеристик КДК, как по данным наблюдений, так и по данным моделирования. Проводится подробный анализ спектральных характеристик КДК и возможной синхронизации с ПГК или годовым циклом, рассматривается роль КДК в циркуляции экваториальной стратосферы. Глава содержит три раздела. В первом проводится исследование формирования характеристик КДК и проблема синхронизации на основе малопараметрических моделей. Во втором разделе рассматриваются проблемы процессов формирования характеристик КДК и синхронизации по данным моделирования с помощью моделей ОЦА и по данным реанализов наблюдений. В третьем разделе обсуждаются основные результаты третьей главы. Основные результаты этой главы рассмотрены в публикациях [Кулямин, Дымников, 2010; Эутшкоу, Ки1уашт, 2010].

В заключении работы кратко приводятся ее основные результаты.

Заключение диссертации по теме «Физика атмосферы и гидросферы», Кулямин, Дмитрий Вячеславович

3.3 Выводы.

Исследование проблемы формирования характеристик КДК привело к следующим результатам.

1. Простые аналитические оценки и численные эксперименты с малопараметрическими моделями показывают наличие сильной синхронизации в верхних слоях в области перехода между КДК и ПГК и слабой синхронизации в нижних слоях области распространения КДК (синхронизация фаз и возможное локальное смещение периодов в стороны ближайших кратных ПГК). Результаты исследования процессов синхронизации и изменчивости периода КДК с помощью аналитических оценок и численного моделирования на основе малопараметрических моделей в целом согласуется с результатами первой главы работы: собственный период КДК определяется длинными планетарными волнами и формируется в нижних слоях стратосферы, однако в верхних слоях важным становится процесс обрушения гравитационных волн. Оба механизма показывают возможность синхронизации, с ПГК или годовым циклам в верхних слоях, при этом в этом процессе роль коротких волн представляется более значимой.

2. Модель ОЦА ИВМ РАН в целом удовлетворительно воспроизводит основные спектральные характеристики КДК и ПГК и особенности изменчивости периода КДК, наблюдаемые по данным реанализов ЫСЕР/ЫСАЯ и Е11А40. Сравнение характеристик КДК по данным этих реанализов показывает близкие спектры зональной скорости в экваториальной атмосфере и сходные гистограммы.

3. Анализ данных наблюдений и моделирования показывает, что определенная синхронизация КДК и ПГК (а возможно и годового цикла) имеет место. Спектральный анализ и гистограммы показывают, что в данных наблюдений и моделирования процесс синхронизации к кратным периодам ПГК идентифицируется в области перехода между КДК и ПГК. Для всех рассматриваемых высот синхронизация КДК с кратными ПГК идентифицируется по разностям западных максимумов, как по данным наблюдений, так и по данным численного моделирования. Аналогичная синхронизация имеет место и по разнице переходов через ноль от западной к восточной фазе КДК только по данным наблюдений. При расчете периода другими способами синхронизация КДК и ПГК в распределении периодов в средней и нижней стратосфере слабо выражена.

Отметим, что параметризация коротких гравитационных волн в модели ОЦА ИВМ РАН важна для воспроизведения как КДК, так и ПГК. В численном эксперименте при отсутствии

120 гравитационно-волнового сопротивления в экваториальной динамике сохраняется лишь слабый годовой цикл в верхних слоях атмосферы.

4. На основе численных экспериментов с моделью ОЦА ИВМ РАН исследована чувствительность характеристик КДК к величине вертикальной диффузии. Результаты этих экспериментов показывают удовлетворительное согласие с оценками, полученными для малопараметрических моделей. Результаты численного моделирования и данных наблюдений показывают взаимною модуляцию КДК и ПГК, при этом ПГК модулирует КДК по фазе, а КДК модулирует ПГК по амплитуде.

Таким образом, основываясь на полученных результатах, можно предположить, что формирование КДК от разных типов волн вместе с ПГК и годовым циклом можно рассматривать как единую систему колебаний в циркуляции экваториальной верхней атмосферы.

Заключение

В заключение кратко сформулируем основные результаты работы.

1. С помощью малопараметрических моделей, описывающих взаимодействие планетарных волн и коротких гравитационных волн со средним потоком, исследованы необходимые условия, которым должны удовлетворять модели общей циркуляции атмосферы, чтобы они успешно воспроизводили квазидвухлетние колебания (КДК) атмосферной циркуляции. Показано, что каждый тип волн при определенных параметрах способен формировать колебания зональной скорости, близкие к наблюдаемым КДК. Исследованы зависимости периода возникающих колебаний от основных параметров, характеризующих механизмы взаимодействия волн со средним потоком. Выделен процесс вертикальной диффузии как ключевой в формировании основных характеристик КДК и их устойчивости. На основе малопараметрической модели совместного действия описанных выше механизмов формирования КДК показано, что ключевую роль в становлении периода КДК и амплитуды в нижних слоях играют планетарные волны, в то же время короткие гравитационные волны переносят энергию и определяют характеристики КДК в верхних слоях.

2. Построена новая современная версия модели общей циркуляции атмосферы ИВМ РАН с высоким пространственным разрешением (2° по широте, 2.5° по долготе, 80 уровней по вертикальной координате). Проведены численные эксперименты по воспроизведению данной моделью современного климата. Показано, что модель удовлетворительно воспроизводит основные климатические характеристики атмосферы - распределения полей ветра, температуры, давления, осадков, уровня волновой активности в средних широтах и экваториальной зоне и др. Показано, что в построенной модели общей циркуляции выполняются условия реализации обоих исследуемых механизмов КДК, волновая активность на экваторе близка к наблюдаемой и модель успешно воспроизводит КДК и полугодовые колебания (ПГК) с характеристиками, близкими к наблюдаемым.

3. С помощью аналитических оценок и численных экспериментов с малопараметрическими моделями показана возможная синхронизация КДК и ПГК в переходной области между ними. Показано, что механизм обрушения гравитационных волн может являться важным связующим звеном в явлениях синхронизации. На основе анализа данных наблюдений и моделирования с помощью модели общей циркуляции показано, что определенная синхронизация КДК и ПГК имеет место.

Также имеет место взаимная модуляция КДК и ПГК. Результаты численных экспериментов с моделями общей циркуляции ИВМ РАН и малопараметрическими

122 моделями показывают, что процесс формирования характеристик КДК наиболее чувствителен к параметру вертикальной диффузии, при определенных соотношениях параметров возможны бифуркации. Сделан вывод о том, что циркуляцию экваториальной верхней атмосферы следует рассматривать как единую систему колебаний КДК и ПГК, параметры которой определяются взаимодействием волн разных масштабов со средним потоком, а также процессом вертикальной диссипации и годовым циклом.

Благодарности

Автор благодарит научного руководителя академика Дымникова В.П. за всестороннюю помощь и содействие в выполнении работы, д.ф.-м.н. Володина Е.М. за помощью в работе с моделями ОЦА ИВМ РАН, чл.-корр. РАН Лыкосова В.Н. за рецензию и ценные замечания к работе, администрацию МФТИ и ИВМ РАН за предоставленную возможность использования кластеров МФТИ-60 и ИВМ для расчетов с моделями ОЦА, а также выпускника МФТИ Ермакова С.А. за предоставленные результаты спектрального анализа волновой активности. Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, гранты № 08-05-00485-а, № 07-05-12033-офи, поддержке гранта № 3684 программы «Научный потенциал высшей школы».

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Кулямин, Дмитрий Вячеславович, 2010 год

1. Галин В.Я. Параметризация радиационных процессов в атмосферной модели ИВМ // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 1998. Т. 34. № 3. С. 380-389.

2. Гледзер Е. Б., Обухов А. М. Квазидвухлетняя цикличность как параметрическое явление в климатической системе // Изв. АН. Физика атмосферы и океана. 1982. Т. 18. №11. С. 1154-1158.

3. Груздев А. Н., Безверхний В. А. Многолетние вариации квазидвухлетней цикличности экваториального стратосферного ветра // Известия АН. Физика атмосферы и океана. 1999. Т. 35. № 6. С. 773-785.

4. Кулямин Д.В., Володин Е.М., Дымников В.П. Моделирование квазидвухлетних колебаний зонального ветра в экваториальной стратосфере. Часть I. Малопараметрические модели // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2008. Т. 44. № 1. С. 5-20.

5. Кулямин Д.В., Володин Е.М., Дымников В.П. Моделирование квазидвухлетних колебаний зонального ветра в экваториальной стратосфере. Часть II. Модели общей циркуляции атмосферы // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2009. Т. 45. № 1. С. 43-61.

6. Кулямин Д. В., Дымников В. П. Моделирование квази двух летних колебаний зонального ветра в экваториальной стратосфере. // Труды МФТИ. 2009. Т. 1. № 1. С. 65-71.

7. Кулямин Д.В., Дымников В.П. Спектральные характеристики квазидвухлетних колебаний экваториального стратосферного ветра и проблема синхронизации. // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2010. Т. 46. № 4. С. 1-19.

8. Шефов H. Н., Семенов А. И. Спектральный состав циклических апериодических (квазидвухлетних) вариаций солнечной активности и земной атмосферы // Геомагнетизм и аэрономия. 2006. Т. 46. № 4. С. 435-441.

9. Baldwin M. P., Gray L. J. Tropical stratospheric zonal winds in ECMWF ERA-40 reanalysis, rocketsonde data, and rawinsonde data // Geophy. Res. Lett. 2005. V. 32. № L09806. Doi: 10.1029/2004GL022328.

10. Baldwin M.P. el al The Quasi-Biennial Oscillation // Rev. Geophysics., 2001, V. 39, P. 179-229.

11. Baldwin, M. P., Dunkerton T. J. Quasi-biennial modulations of the Southern Hemisphere stratospheric polar vortex // Geophysics. Res. Lett. 1998. V. 25. № 17. P. 3343-3346.

12. Betts A. K. A new convective adjustment scheme. Part 1. Observational and theoretical basis // Quart. J. Roy. Met. Soc. 1986. V. 112. №473. P. 677-691.

13. Dunkerton T. J. Annual variation of deseasonalized mean flow acceleration in the equatorial lower stratosphere // J. Meteor. Soc. Japan. 1990. V. 68. № 4. P. 499-508.

14. Dunkerton T. J., Baldwin M. P. Quasi-biennial modulation of planetary-wave fluxes in the Northern Hemisphere winter // J. Atmos. Sci. 1991. V. 48. № 8. P. 1043-1061.

15. Dunkerton, T. J., The role of gravity waves in the quasibiennial oscillation, J. Geophysics. Res. 1997. V. 102. P. 26053-26076.

16. Dymnikov V.P., Kulyamin D. V. Structural stability of quasi-biennial oscillations of zonal wind in the equatorial stratosphere. // Rus. J. Numer. Anal, and Math. Modelling. 2010. V.25. № 3. P. 235-251

17. Fischer P., Tung K. K. A reexamination of the QBO period modulation by the solar cycle // J. Geophys. Res.-Atmos. 2008. V. 113. № D07114. Doi:10.1029/2007JD008983.

18. Giorgetla M.A. et al. Climatology and forcing of the quasi-biennial oscillation in the MAECHAM5 model//J. Climate. 2006. V. 19. № 16. P. 3882-3901.

19. Gray L. J., Pyle J. A. A Two-Dimensional Model of the Quasi-Biennial Oscillation of Ozone // J. Atmos. Sci. 1989. V. 46. № 2. P. 203-220.

20. Gray W. M., Sheaffer J. D., Knaff J. A. Influence of the stratospheric QBO on ENSO variability // J. Meteorology. Soc. Japan. 1992. V.70. № 5. P. 975-995.

21. Hamilton K. On the quasi-decadal modulation of the stratospheric QBO period // J. Climate. 2002. V. 15. № 17. P. 2562-2565.

22. Mines C.O. Doppler spread parameterization of gravity wave momentum deposition in the middle atmosphere. Part 1, Basic formulation // J. Atm. Terr. Phys. 1997. V. 59. № 4. P. 371-386.

23. Hines C.O. Doppler-spread parameterization of gravity wave momentum deposition in the middle atmosphere. Part 2, Broad and quasi-monochromatic spectra, and implementation // J. Atm. Terr. Phys. 1997. V. 59. № 4. P. 387^400.

24. Holton J.R. Tan H.C. The influence of the equatorial Quasi-Biennial Oscillation on the global atmospheric circulation at 50mb // J. Atmos. Sci. 1980. V. 37. № 10. P. 2200-2208.

25. Holton, J. R., 1975: The dynamic meteorology of the stratosphere and mesosphere. Meteor. Monographs. Vol. 15. American Meteorological Society. Boston. 218 pp.

26. Holton, J. R., Lindzen R. S. An updated theory for the quasi-biennial cycle of the tropical stratosphere // J. Atmos. Sci. 1972. V. 29. № 6. P. 1076-1080.

27. Jones, D. B. A., Schneider H. R., McElroy M. B. Effects of the quasi-biennial oscillation on the zonally averaged transport of tracers // J. Geophysics. Res. 1998. V. 103. № D10. P. 11235-11249.

28. Kistler R. et al. The NCEP/NCAR 50-Year Reanalysis: Monthly Means CD-ROM and Documentation // Bull. Am. Meteorol. 2001. Soc. V. 82. № 2. P. 247-266.

29. KnaffJ. A. Evidence of a stratospheric QBO modulation of tropical convection // Dep. of Atmos. Sci., Colo. State Univ. Fort Collins. 1993. Pap. № 520. 91 P.

30. Kuai L., Shia R.L., Jiang X., Tung K.K., Yung Y.L. Nonstationary Synchronization of Equatorial QBO with SAO in Observations and a Model // J. Atmos. Sci. 2009. V. 66. № 6. P. 1654-1664.

31. Mayr H. G., Mengel J. G., Wolff C. L., Porter H. S. QBO as potential amplifier of solar cycle influence // Geophys. Res. Lett. 2006. V. 33. № L05812. Doi:10.1029/2005GL025650.

32. Pascoe C. L. et al. The quasi-biennial oscillation: Analysis using ERA-40 data // J. Geophys. Res. 2005. V. 110. № D08105. Doi:10.1029/2004JD004941.

33. Pawson S., Fiorino M. A comparison of reanalyses in the tropical stratosphere. Part 2: the quasi-biennial oscillation // Climate Dynamics. 1998. V. 14. № 9. P. 645-658.

34. Plumb R.A. The Interaction of two internal waves with the mean flow: implications for the theory of the quasi-biennial oscillation // Journal of Atmospheric Sciences. 1977. V. 34. № 12. P. 1847-1858.

35. Randel W. J., Cobb J. B. Coherent variations of monthly mean column ozone and lower stratospheric temperature // J. Geophysics. Res. 1994. V. 99. № D3. P. 5433-5447.

36. Salby M, Callaghan P. Connection between the solar cycle and the QBO: The missing link // J. Climate. 2000. V. 13. № 4. P. 2652-2662.

37. Sassi F., Garcia R. R. The role of equatorial waves forced by convection in the tropical semiannual oscillation // J. Geophys. Res. 1997. V. 54. № 15. P. 1925-1942.

38. Scaife A. A. et al. Realistic quasi-biennial oscillations in a simulation of the global climate // Geophysical Research Letters. 2000. V. 27. № 21. P. 3481-3484

39. Soukharev B. E., Hood L. L. Possible solar modulation of the equatorial quasibiennial oscillation: Additional statistical evidence // J. Geophys. Res. 2001. V. 106. № D14. P. 14855-14868.

40. Tsay, C. Y. Analysis of Large-Scale Wave Disturbances in the Tropics Simulated by an NCAR Global Circulation Model // J. Atmos. Sci. 1974. V. 31. № 2. P. 330-339.

41. Uppala, S. M. et al. The ERA-40 re-analysis // Quart. J. Roy. Meteor. Soc. 2005. V. 131. No. 612. P. 2961-3012.

42. Volodin E.M., Schmitz G. A troposphere-stratosphere-mesosphere general circulation model with parameterization of gravity waves: climatology and sensitivity studies // Tellus. 2001. V. 53a. P. 300316.