Моделирование циркуляции океана и исследование его реакции на короткопериодные и долгопериодные атмосферные воздействия тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.29, доктор физико-математических наук Дианский, Николай Ардальянович

• Дианский, Николай Ардальянович
• доктор физико-математических наук
• 2007

Оглавление диссертации доктор 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 диссертации (часть автореферата) 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

4.

5.

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.

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 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.

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.

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 диссертации 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.

Список литературы диссертационного исследования доктор физико-математических наук Дианский, Николай Ардальянович, 2007 год

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