Сезонная изменчивость верхнего квазиоднородного слоя в энергоактивной зоне Северной Атлантики (па результатам численного моделирования)

В результате многочисленных наблюдений в Мировом океане были выделены зоны, в которых интенсивность обмена энергией между океаном и атмосферой превосходит средние фоновые значения в 2−3 раза. Такие зоны были названы энергоактивными зонами (ЭАЗО). Концепция энергоактивньтх зон лежит в основе разрабатываемых Г. И. Марчуком и его сотрудниками теории короткопериодных изменений климата и методов долгосрочного прогноза погоды. Она является краеугольным камнем национальной программы «Разрезы» /34/. В соответствии с этой концепцией в формировании короткопериодных изменений климата (от сезона до года) участвует деятельный слой (ДС) океана толщиной порядка 0,5 км. Надлежащей информации о деятельном слое в масштабах всего Мирового океана нет и, по-видимому, не будет в ближайшие годы. Поэтому единственным выходом из создавшегося положения является сосредоточение усилий на исследовании сравнительно небольших энергоактивных зон, оказывающих наиболее сильное влияние на процессы в атмосфере. В Северной Атлантике выделено несколько таких зон: Норвежская, Ньюфаундлендская, Тропическая и Гольфстрим /34, 27 /. Последняя была выбрана в качестве объекта исследования в настоящей работе. .

В ЭАЗО Гольфстрим важную роль в формировании ДС играет адвективный перенос тепла* Здесь наблюдаются экстремальные амплитуды внутригодовых колебаний потока тепла на поверхности океана, динамической скорости ветра и поверхностной температуры. Все эти отличительные особенности ЭАЗО Гольфстрим делают ее не только важным, но и одним из самых интересных объектов исследования. Дополнительным аргументом при выборе этого района послужила сравнительно хорошая освещенность его данными наблюдений. Это обеспечивало надежную основу для проверки результатов расчета.

В настоящее время существует целы** ряд интегральных моделей В КС, доведенных в той или иной мере до практического использования. Опубликовано несколько монографий и обзоров, обобщающих, опыт использования этих моделей / 10, 14, 17, 32 /.Однако, основное внимание в них уделялось, главным образом, локальным моделям, учитывающим только вертикальный перенос тепла, импульса и турбулентной энергии. Попытки построения адвективных моделей, включающих горизонтальный перенос названных характеристик, и их использование применительно к обширным акваториям океана все еще сравнительно немногочисленны. Между тем, для удовлетворения запросов практики нужны, именно такие модели. Они нужны и для выполнения настоящей работы, целью которой является исследование сезонной эволюции верхнего квазиоднородного слоя (ВКС) в энергоактивной зоне Гольфстрим. Указанная цель определяет следующие основные задачи работы :

1) разработать адвективную модель ВКС на основе имеющихся локальных интегральных моделей;

2) испытать модель по данным натурного эксперимента H1ILE специально предназначенного для проверки моделей ВЮ, и данным наблюдений в районе ЭАЗО Гольфстрим;

3) воспроизвести сезонный ход характеристик ВКС в районе ЭАЗО Гольфстрим;

4) выявить основные закономерности пространственно-временной изменчивости характеристик ВКС в этом районе для средних б «многолетних и аномальных условий.

Содержание диссертационной работа делится на четыре главы. В первой главе приводится обзор некоторых моделей ВКС, сыгравших ключевую роль в развитии «интегрального» способа описания верхнего слоя океана. Там же подробно обсуждается интегральная модель В КС, разработанная в Ленинградском отделе Института океанологии им. П. П. Ширшова АН СССР (ЛОИОАН), которая вобрала в себя многие лучшие черты прежних моделей, сохранив при этом простоту и экономичность. Эта модель обобщается затем на случай учета горизонтального адвективного. переноса тепла. Система уравнений адвективной модели представлена в разделе 1.3. Здесь же на основе оценки порядков отдельных членов уравнений показано, что члены, характеризующие, горизонтальную адвекцию тепла геостро'^ическим течением и пространственную неоднородность тол щинн ВКС, на порядок меньше главных членов, так что при расчете сезонной эволюции ВКС ими в первом приближении можно пренебречь. Это позволяет упростить уравнения модели, сведя их к одному уравнению в частных производных гиперболического типа для температуры ВКС и к-системе обыкновенных дифференциальных уравнений для температуры сезонного термоклина. и толщины ВКС, имеющих тот же вид, что и в локальной версии модели.

В работах / 16, 37 / модель ЛОИОАН была реализована в слабоадвективном районе океана, тем самым предполагалось, что не только горизонтальная, но и вертикальная адвекция пренебрежимо малы по сравнению с вертикальным турбулентным переносом тепла. В реальных условиях это предположение выполняется довольно редко. Поэтому испытание модели необходимо было начать с более простой версии модели, учитывающей только вертикальную адвекцию тепла. В качестве объекта испытания был выбран район, ограниченный параллелями 25° и 40 °C.ш. и меридианами 60° и 75°з.д. и включающий в себя ЭАЗО Гольфстрим. Анализу результатов этого исследования посвящена глава 2. В ней приводятся также результаты испытания локальной версии модели применительно к случаю синоптической изменчивости ВКС. Возможность применения локальной версии модели в этом случае основывается на полученном в главе I выводе о том, что для синоптического масштаба времени адвекция тепла не играет решающей роли в формировании деятельного слоя океана.

Глава 3 посвящена расчету поля скорости в исследуемом районе океана. Основное внимание в ней уделяется расчету средней (в.пределах экмановского пограничного слоя) скорости дрейфового течения и меридиональной составляющей скорости геострофического. течения, необходимых для определения горизонтальной и вертикальной адвекции тепла. Средняя скорость дрейфового течения находится традиционным способом, меридиональная составляющая геостро^ического течения — с помощью так называемого «обратного метода». Описание этого метода предваряет анализ полученных результатов.

Система уравнений и краевых условий адвективной модели ВКС и численный метод ее реализации описываются в главе Для решения уравнения адвекции тепла используется явная разностная схема по времени с направленными разностями «против потока». Шаг сетки принимается равным 2.5° по широте и долготе. В этой не главе приводится сравнение рассчитанных значений характеристик ВКС с данными наблюдений / 7, 25 /, отвечающими средним многолетним условиям, а также результаты серии численных экспериментов, предназначенной для выяснения особенностей пространственно-временной изменчивости характеристик ВКС в районе ЭАЗО Гольфстрим и влияния аномальных условий.

Таким образом, на рассмотрение выносится :

1) модель верхнего квазиоднородного слоя, воспроизводящая сезонную эволюцию характеристик ВКС в адвективном районе океана с экстремальными термическими и динамическими условиями на его поверхности;

2) результаты испытания модели в синоптическом и сезонном масштабах времени;

3) результаты расчета скорости геострофического течения в Северной Атлантике, полученные «обратным методом» ;

4) результаты расчета сезонной эволюции ВКС в районе ЭАЗО Гольфстрим;

5) объяснение основных особенностей пространственно-временной изменчивости характеристик ВКС в исследуемом районе океана.

Результаты работы изложены в упомянутых в списке литературы статьях автора, а также докладывались на 17 Всесоюзной конференции «Мировой океан» в октябре 1983 г. (г.Владивосток) и, в. полном объеме, на семинаре кафедры динамики океана ЛГМИ в октябре 1984 г. Отдельные результаты и выводы работы внедрены в хоздоговорные и госбюджетные темы ЛГМИ. Они были использованы также в учебном процессе при подготовке лабораторного практикума по курсу «Взаимодействие океана и атмосферы при выполнении курсовых и дипломных проектов студентов 1У—J курсов ЛГМИ.

ЗАКШЕНИЕ.

Результаты проделанной работы можно подытожить следующим образом.

1. Установлено, что локальная версия модели деятельного слоя океана, разработанная в ЛОИОАН, может быть использована для воспроизведения синоптической и сезонной изменчивости характеристик ВКС в слабоадвективных районах Мирового океана.

2. Разработана адвективная версия модели деятельного слоя океана, позволяющая учесть эффект горизонтальной и вертикальной адвекции тепла.

3. Произведена оценка вклада вертикальной и горизонтальной адвекции тепла в формирование термического режима ДС для различных масштабов времени. Показано, что для синоптических масштабов времени адвективными факторами можно пренебречь, тогда как двя сезонных масштабов времени их необходимо учитывать. .

С помощью «обратного метода» (модифицированного варианта динамического метода) рассчитано поле абсолютной скорости геострофического течения в Северной Атлантике. Оно использовано при вопроизведении сезонной эволюции ВКС в энергоактивной зоне Гольфстрим.

5. Выполнен расчет сезонного хода характеристик ВКС в ЭАЗО Гольфстрим. Сравнение рассчитанных и наблюдаемых значений толщины ВКС показало, что расхождения между ними не выходят за пределы точности ее определения. Погрешности расчета температуры ВКС составляют в среднем 1,0−1,5°С или в относительных единицах 5−8%, Максимальные ошибки расчета температуры ВИС, достигающие 3−4°С или 12−18 имеют место в начале лета и связаны с неполнотой исходных данных о динамической скорости ветра.

6. Выявлены особенности пространственно-временной изменчивости характеристик-^КС в ЭАЗО Гольфстрим. С помощью серии численных экспериментов показано, что: значительное увеличение толщины ВКС в феврале-марте в Саргассовом море вызвано совпадением экстремальных значений амплитуд колебаний турбулентных потоков тепла и импульса на поверхности океана с одной стороны, и интенсивным даунвеллингом, с другой;

— аномальное изменение температуры ВКС, соответствующее повышению средней годовой температуры воздуха на 1 °C, сохраняется в-течение 5−7 месяцев, незначительно трансформируясь под действием дрейфового теяения.

7. Предложенная модель может быть использована при исследовании. процессов формирования и изменчивости теплового состояния деятельного слоя океана, при разработке методов краткосрочного и среднесрочного прогноза погоды и при моделировании крупномасштабного взаимодействия атмосферы и океана.