Влияние орографических волн на общую циркуляцию и перенос озона в атмосфере

Волновые движения являются важной и неотъемлемой составляющей динамических процессов на всех высотах. Согласно современным представлениям, для энергетики верхних атмосфер планет существенны притоки энергии из нижележащих слоев атмосферы, причем важное место занимает перенос энергии тропосферных движений внутренними волнами. Важными источниками волн разных масштабов в тропосфере являются метеорологические и турбулентные процессы (ветры в горах, циклонические, мезо и мелкомасштабные вихри, фронты, струйные течения и.т.п.).

При распространении волн от тропосферных источников вверх их амплитуда возрастает вследствие уменьшения плотности атмосферы. На ионосферных высотах волновые процессы становятся важнейшей компонентой динамического режима и оказывают сильное влияние на остальные атмосферные процессы. Диссипация волновой энергии обеспечивает притоки тепла, сравнимые с солнечными. Ионосферные неоднородности, создаваемые гидродинамическими волнами, влияют на условие распространения радиоволн. Ускорения среднего течения, создаваемые волнами, оказывают сильное воздействие на циркуляцию средней атмосферы.

Важным фактором формирования общей циркуляции, температурного режима, и состава средней и верхней атмосферы являются распространяющиеся вверх внутренние гравитационные волны (ВГВ). В последнее время в связи с численным моделированием общей циркуляции возрос интерес к изучению ускорений среднего потока и притоков тепла, создаваемых ВГВ. Интерпретация наблюдений внутренних гравитационных волн и включение эффектов ВГВ в численные атмосферные модели требуют развития простых численных схем, которые обеспечивают удовлетворительное описание волновых колебаний за минимальное компьютерное время. Наиболее развиваемые в последнее время — теории возникновения ВГВ при взаимодействии с горами. Также среди источников.

ВГВ — конвекция, индустриальные взрывы, возмущения в атмосфере, вызываемые космическими транспортными средствами, движение солнечного терминатора, землетрясения, вулканы, морские волны, циклоны и тайфуны и т. д. Многие из упомянутых источников только периодически присутствуют в атмосфере. Помимо них следует рассматривать и такой важный источник волн как топография поверхности планеты. Набегающий поток ветра взаимодействует с неоднородностями рельефа, в результате возникают стоячие гравитационные.

Решение задачи моделирования распространения отдельных пакетов ВГВ, наблюдаемых в конкретных экспериментах затруднительно, поскольку требует знания мгновенных распределений среднего ветра и температуры во всей толще атмосферы на огромных территориях. Однако, для задачи влияния волн на циркуляцию, тепловой режим средней атмосферы и для ряда других проблем более важны не характеристики отдельных волновых пакетов, а их средние значения за достаточно большие промежутки времени, при расчете которых могут быть использованы существующие модели средних параметров атмосферы.

Одним из важных источников ВГВ является топография земной поверхности. Орографические гравитационные волны (ОГВ), возникающие в результате взаимодействия неоднородной по высоте земной поверхности с набегающим атмосферным потоком, могут создавать значительные ускорения среднего потока и притоки тепла, которые могут влиять на общую циркуляцию и тепловой режим атмосферы.

В данной работе исследуется влияние мезосферных волн, генерируемых в тропосфере при обтекании неоднородного рельефа земной поверхности атмосферными потоками, на общую циркуляцию и тепловой режим вышележащих слоев атмосферы. Разработаны параметризации генерации орографических волн и их теплового и динамического воздействия на среднюю и верхнюю атмосферу. Парметризации включены в трехмерную нелинейную модель общей циркуляции средней и верхней атмосферы (МЦСВА). Эта модель позволяет рассчитывать циркуляцию атмосферы на всех высотах от тропосферы до термосферы. Модель учитывает все основные динамические и радиационные процессы, включая возможность генерации распространяющихся планетарных волн вблизи земной поверхности и расчеты с учетом переменного содержания углекислого газа в атмосфере. В качестве начального состояния используется безветренная атмосфера с заданным независящим от широты профилем температуры, который берется из модели США-86. Вертикальный поток массы в модели рассчитывается на каждом временном шаге сверху вниз из уравнения неразрывности с помощью конечных разностей на уровнях, расположенных между уровнями прогностических уравнений для горизонтальных составляющих скорости ветра и температуры. Естественным нижним граничным условием для приливных колебаний является требование обращения в нуль вертикальной скорости на поверхности Земли, записываемое через возмущение геопотенциала, обусловленное приливными колебаниями на нижней границе.

Актуальность темы

диссертационного исследования.

По современным представлениям, без учета динамического и теплового вклада волн, генерируемых в тропосфере, невозможно построение адекватных моделей динамики и теплового режима верхней и средней атмосферы. Важным и постоянно действующим механизмом генерации мезомасштабных волн является обтекание неоднородностей топографии земной поверхности набегающим потоком ветра. При распространении этих орографических волн в верхние разреженные слои атмосферы их амплитуды растут, и они могут создавать значительные ускорения среднего потока и притоки тепла. В связи с этим изучение мезомасштабных волн включается во все основные российские и международные программы исследования атмосферы и околоземного космического климата.

Цель диссертационной работы.

Изучение влияния орографических волн на динамику и температурный режим средней и верхней атмосферы в разные сезоны, а также на глобальный перенос озона.

Для достижения этой цели были решены следующие задачи:

1. Получение аналитических выражений для расчета динамических и энергетических характеристик орографических волн с учетом вращения атмосферы.

2. Разработка численной параметризации орографических волн для включения в численные модели глобальной циркуляции атмосферы.

3. Исследование влияния орографических волн на формирование глобальной циркуляции и планетарных волн в атмосфере.

4. Изучение влияния орографических волн на глобальный перенос озона в атмосфере.

Научная новизна.

Главной особенностью разработанного метода исследования орографических волн является использование новых математических выражений для расчета характеристик орографических волн с учетом вращения атмосферы. Уточнены поляризационные соотношения для случая стационарных волн. При использовании дисперсионного уравнения и поляризационных соотношений для стационарных волн во вращающейся атмосфере были получены уравнения волнового действия в неоднородной атмосфере, аналогичные полученным ранее для нестационарных волн. Эти уравнения решаются для получения параметров волн для различных атмосферных приложений. Указанные формулы получены в данной работе впервые и ранее при оценках эффектов орографических волн не использовались. ~.

Практическая и научная значимость.

Практическая и научная значимость работы заключается в том, что исследование чувствительности численных моделей циркуляции и температурного режима атмосферы к влиянию орографических волн позволяет более точно прогнозировать глобальные климатологические изменения в атмосфере. Также разработка простых параметризаций орографических волн необходима для расчетов с помощью полных численных моделей глобальной циркуляции.

Положения, выносимые на защиту.

— полученные аналитические выражения для расчета динамических и энергетических характеристик орографических волн с учетом вращения атмосферы;

— численная параметризация орографических волн для использования в численных моделях глобальной циркуляции атмосферы;

— результаты оценок влияния орографических волн на динамику и температурный режим атмосферы.

— расчеты влияния орографических волн на глобальный перенос озона в средней атмосфере.

Личный вклад автора.

Большинство представленных в диссертации результатов получено автором самостоятельно. В опубликованных работах по разработке численной параметризации орографических волн, а также в доработке модели глобальной циркуляции средней и верхней атмосферы автор участвовал в постановке задач, их решении, практических расчетах, математической обработке и подготовке исходных данных, а также в анализе результатов моделирования.

Апробация и публикация работы.

Работа выполнялась на физическом факультете СПбГУ. Тема диссертации включена в план работ кафедры физики атмосферы. Результаты работы докладывались на 9-ти российских и международных научных конференциях: на молодежной конференции «Физика и прогресс» (Санкт-Петербург, 2007 г.), международных симпозиумах стран СНГ «Атмосферная радиация и динамика» МСАРД-2009 и МСАРД-2011 (Санкт-Петербург, 2009 и 2011 гг.), международной конференции «25th International Laser Radar Conference» IRLC 25 (С-Петербург, 2010 г.), 12-м симпозиуме Международного Научного камитета по Солнечно-Земной Физике «SCOSTEP Symposium STP12» (Берлин, Германия, 2010 г.), школе молодых ученых РГГМУ (С-Петербург, 2010 г.), 5-ой международной конференции «Атмосферная физика, климат и окружающая среда» (Санкт-Петербург, 2010 г.), 4-м семинаре по проблеме вертикального взаимодействия в системе атмосфера-ионосфера «4th IAGA/ICMA/CAWSES-II» (Прага, Чехия, 2011 г.), XI-ой международной научно-практической конференции.

Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности" (Санкт-Петербург, 2011 г.). Также результаты исследований докладывались на семинарах кафедры физики атмосферы (2007 — 2011 гг.).

Работа выполнена при частичной поддержке Министерства образования и науки российской Федерации в рамках реализации мероприятия 1.1 Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009;2013 годы (государственный контракт № 02.740.11.0728 от 05 апреля 2010 г.) по направлению «Геофизика», мероприятия 1.3 федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009;2013 годы (государственный контракт №П107 от 12 апреля 2010 г.) по направлению «Мониторинг и прогнозирование состояния атмосферы и гидросферы», а также Российского фонда фундаментальных исследований (Гранты РФФИ 07−05−913-а (2007;2009 гг.) и 10−05−719-а.(2012 — 2014 гг.)).

Основные результаты работы представлены в 9 публикациях, включая.

1 в рецензируемом журнале.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 68 наимёнований. Работа содержит 110 страниц, 47 рисунков.

4.4 Выводы.

Для всех рассмотренных сезонов характерно изменение скорости потоков озона на 10 — 15%. Для каждого сезона есть свои особенности. В январе и июле наиболее сильные изменения потоков происходят в северном и южном (зимних) полушариях соответственно, что является следствием более активного распространения орографических волн именно в данных условиях (см. главу 3.3.1 и 3.3.2). В апреле выделяются две зоны генерации орографических волн: на высоких широтах южного полушария и на средних широтах северного. Именно на этих широтах наблюдаются отчетливые изменения вертикальных потоков в стратосфере. Для октября месяца характерно более сильное распространение орографических волн в северном полушарии, представленное на широтах наибольших горных систем, оно приводит к сильным изменениям потоков озона именно в этих областях.

Таким образом, численное моделирование показывает, что учет орографических волн приводит к измению потоков озона и ускорению его переноса в верхней тропосфере и стратосфере в районе максимума озонового слоя. Это необходимо учитывать при моделировании атмосферной глобальной циркуляции и изменений химического состава атмосферы.

Заключение

.

При выполнении диссертационной работы были получены следующие основные результаты:

1. Получены аналитические выражения для расчета потоков энергии и импульса, волновых ускорений и притоков тепла, создаваемых стационарными орографическими волнами с учетом вращения атмосферы, а также получены уравнение волнового воздействия в неоднородной атмосфере.

2. Разработана параметризация динамического и теплового воздействия орографических волн для включения в модели глобальной циркуляции атмосферы.

3. Выполнено численное моделирование чувствительности общей циркуляции атмосферы и планетарных волн в средней атмосфере к воздействию орографических волн и условиям их генерации в разные сезоны.

4. Выполнены измерения изменений потоков озона в тропо — стратосфере при учете орографических волн.

По результатам научной работы можно сделать следующие выводы:

1. Учет вращения атмосферы в математических соотношениях для орографических волн необходим для расчета вертикального профиля притоков тепла и волновых ускорений стационарными орографическими волнами.

2. Орографические волны создают значительные притоки тепла (до 10−15 К/сут. на высотах 50 км), и ускорений среднего потока (до 20 м с" /сут), что может существенно влиять на общую циркуляцию, планетарные волны и тепловой рея^им средней атмосферы.

3. В периоды солнцестояний наибольшее влияние орографических волн на общую / циркуляцию средней атмосферы происходит в зимних полушариях. В периоды равноденствия условия распространения орографических волн более равномерные в обоих полушариях. 4. Учет орографических волн приводит к изменениям вертикальных потоков озона, создаваемых общей циркуляцией атмосферы, на 10 — 15% на высотах от 20 до 60 км.