УДК 551.513;551.558;551.551.3;551.510.413.2
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СТАЦИОНАРНЫХ
МЕЗОМАСШТАБНЫХ ОРОГРАФИЧЕСКИХ ВОЛН НА МЕРИДИОНАЛЬНУЮ ЦИРКУЛЯЦИЮ И ПОТОКИ ОЗОНА
В СРЕДНЕЙ АТМОСФЕРЕ © 2014 г. Н. М. Гаврилов1, А. В. Коваль1, А. И. Погорельцев2, Е. Н. Савенкова2
1Санкт-Петербургский государственный университет, кафедра физики атмосферы, г. Санкт-Петербург 2Российский государственный гидрометеорологический университет, кафедра метеорологических прогнозов, г. Санкт-Петербург e-mails: gavrilov@pobox.spbu.ru; apogor@rshu.ru Поступила в редакцию 22.11.2012 г. После доработки 22.08.2013 г.
Разработанная авторами параметризация динамического и теплового воздействия стационарных орографических волн, генерируемых рельефом земной поверхности, включена в модель общей циркуляции средней и верхней атмосферы. Выполнено численное моделирование общей циркуляции в тропосфере и стратосфере и исследовано влияние на меридиональную и вертикальную скорость, оказываемое стационарными орографическими волнами, которые распространяются вверх от земной поверхности. Показано, что учет динамического и теплового воздействия этих волн в численной модели приводит к изменениям меридиональной циркуляции и связанных с ней потоков озона до 20—30% на высотах максимума озонового слоя.
DOI: 10.7868/S0016794014030055
1. ВВЕДЕНИЕ
В последние годы в связи с численным моделированием общей циркуляции средней и верхней атмосферы возрос интерес к изучению ускорений среднего потока и притоков тепла, создаваемых диссипирующими внутренними волнами в атмосфере. Одним из важных источников таких волн является топография земной поверхности. Орографические волны, возникающие в результате взаимодействия неоднородной по высоте земной поверхности с набегающим атмосферным потоком, могут распространяться в среднюю атмосферу и создавать там значительные ускорения среднего потока и притоки тепла, которые могут влиять на общую циркуляцию и тепловой режим атмосферы. Для включения в численные модели разработаны упрощенные алгоритмы, параметризующие тепловое и динамическое воздействие орографических волн. При расчете вертикальных профилей волновых ускорений среднего потока и притоков тепла указанные параметризации не учитывают вращения атмосферы, которое может существенно влиять на параметры стационарных орографических волн (СОВ) с частотами а = 0.
Перенос озона между стратосферой и тропосферой влияет на общий бюджет озона в атмосфере и на его содержание в тропосфере [Daniels-en and Mohnen, 1977; Fishman and Crutzen, 1978].
По современным представлениям основным механизмом глобального переноса озона между тропосферой и стратосферой является его подъем в низких широтах и опускание на средних и в высоких широтах, которые создаются общей циркуляцией атмосферы [Иокоп е! а1., 1995; ИоКоп, 2002]. Динамическое и тепловое воздействие волновых движений может изменять общую циркуляцию атмосферы и таким образом влиять на глобальный перенос озона.
Гаврилов и Коваль [2013] разработали параметризацию притоков тепла и ускорений среднего потока СОВ, которые генерируются при обтекании рельефа земной поверхности приземными течениями и затем распространяются в среднюю атмосферу. Гаврилов и др. [2013] и Оауп1оу е! а1. [2013] использовали указанную параметризацию для численного исследования изменений зональной компоненты общей циркуляции атмосферы и амплитуд планетарных волн из-за влияния СОВ.
В данной статье представлены результаты численного моделирования возможных изменений меридиональной и вертикальной скоростей в средней атмосфере, а также вертикальных потоков озона в страто-мезосфере, вызванных учетом эффектов СОВ в численной модели общей циркуляции средней и верхней атмосферы.
2. ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ ОРОГРАФИИ И ЧИСЛЕННАЯ МОДЕЛЬ
Важным источником стационарных мезомас-штабных волн в атмосфере может быть обтекание рельефа земной поверхности приземными атмосферными течениями. Используемая в данной работе параметризация динамического и теплового эффектов СОВ в атмосфере описана Гаври-ловым и Ковалем [2013]. Для расчета суммарного вертикального потока волновой энергии, а также вертикального профиля амплитуды колебаний горизонтальной скорости в параметризации используются полученные авторами поляризационные соотношения для стационарных орографических волн, учитывающие вращение атмосферы. По этим соотношениям рассчитываются волновое ускорение и полный волновой приток тепла, которые можно использовать для параметризации динамического и теплового воздействия стационарных гравитационных волн в атмосферных динамических моделях (см. [Гаврилов и Коваль, 2013]). Для параметризации мезомасштабной орографии в данной работе использована модификация метода, разработанного Scinocca and Mc Far-lane [2000]. Этот метод использует концепцию "подсеточной" орографии, которая включает изменения высоты земной поверхности с горизонтальными масштабами, меньшими, чем шаг горизонтальной сетки численной модели, которые определяются путем применения низкочастотного и высокочастотного численных фильтров к реальному распределению высот земной поверхности. При практической реализации описанной параметризации в данной работе использована база данных высот земной поверхности ETOPO 2 с шагом в 2 мин вдоль широты и долготы.
При изучении влияния СОВ на атмосферную динамику и потоки озона описанная выше параметризация была включена в численную модель средней и верхней атмосферы (МСВА) [Погорельцев, 2007; Pogoreltsev et al., 2007], разработанную на основе модели Кельнского университета, Германия [Jacobs et al., 1986]. Модель основана на решении стандартной системы примитивных уравнений в сферической системе координат [Jacobs et al., 1986]. Используются параметризации нагревания атмосферы в ультрафиолетовой и видимой областях спектра от 125 до 700 нм, а также охлаждения в 8; 9.6; 14 и 15 мкм полосах инфракрасного излучения. Для высот нижней термосферы учитываются дополнительные динамические источники тепла. В термосфере учитывается ионное торможение, молекулярная вязкость и теплопроводность, а также турбулентная диффузия на высотах мезосферы и нижней термосферы. Расчеты проводятся для высот от 0 до 150 км, однако погодные изменения в тропосфере фактиче-
ски не моделируются. Применена процедура расщепления Марчука—Странга [Марчук, 1967; Strang, 1968], и для интегрирования по времени используется схема, предложенная Matsuno [1966]. Для поддержания устойчивости решения применяется фильтр Фурье, который ограничивает зональное разрешение до ~500 км. Шаги горизонтальной сетки модели составляют 5.6° по долготе и 5° по широте в пределах от 87.5° S до 87.5° N. Вертикальная сетка модели имеет постоянный шаг по координате г = Hln(p0/p), где p0 — приземное давление и H = 7 км. Различные версии модели имеют 48 или 64 узлов по вертикали с шагом Лг ~ 2.7 км. В настоящих расчетах была использована версия модели с 48-ю уровнями по высоте. Шаг интегрирования по времени составляет 450 c.
Для учета глобального распределения озона в атмосфере в численной модели использована полуэмпирическая модель [Fortuin and Langematz, 1995], которая дает зонально-осредненные среднемесячные значения отношения смеси озона на 34-х высотных уровнях, соответствующих атмосферному давлению от 1000 до 0.003 гПа. Средне-зональный вертикальный поток озона FO3i в каждом узле сетки с номером i рассчитывается по формуле
Fou = NouWt, Nay = 10-6р;-ХШ;. Njро, (1)
где Wj — усредненная по долготе среднемесячная вертикальная скорость, р0 — приземная плотность атмосферы при нормальных условиях, XO3i — сред-незональное отношение смеси озона в млн-1, NA — число Авогадро.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ
Для исследования влияния орографических волн, генерируемых рельфом земной поверхности и распространяющихся вверх, на меридиональную и вертикальную компоненты скорости, создаваемой общей циркуляцией атмосферы, были проведены расчеты с использованием описанной модели МСВА с включенной параметризацией динамического и теплового воздействия СОВ (см. п. 2). Расчеты проводились для условий, соответствующих январю и июлю. Для каждого набора исходных данных рассчитывались поля меридиональной и вертикальной компонент скорости ветра с учетом воздействия СОВ и без его учета. Разности значений между этими расчетами показывают приращения скорости (ПС), вызванные динамическим и тепловым воздействием СОВ в средней атмосфере. Положительные или отрицательные значения ПС означают увеличение или уменьшение соответствующих компонент скорости при учете воздействия СОВ.
Высота, км 100
80
60
40
20
100
80 -
60 -
40 -
20
0 б
60
Широта, град
Рис. 1. Январские высотно-широтные распределения а — вертикальной скорости (см/с) и б — ее приращений из-за влияния СОВ. Стрелки показывают направления схематических линий тока.
На рисунке 1а приведено высотно-широтное распределение рассчитанной вертикальной скорости для января. Линии со стрелками соответствуют схематическим среднезональным линиям тока, при расчете которых для наглядности значения вертикальной скорости w были домножены на коэффициент 3 х 103. На рис. 1а ниже 60—70 км видна главная ячейка меридиональной циркуляции с подъемом воздуха вблизи экватора и в низких широтах летнего (южного) полушария и его опусканием на широтах 20°—50° зимнего (северного) полушария. Кроме этого, на рис. 1а ниже 60 км обнаруживаются более слабые ячейки с подъемом воздуха на широтах 50°—70° обоих полушарий и опусканием воздуха к югу и северу от зоны подъема. На высотах, превышающих 60—70 км, на рис. 1а преобладает ячейка меридиональной циркуляции с подъемом на средних и в высоких широтах летнего полушария и опусканием на средних и в высоких широтах зимнего полушария.
Рисунок 1б показывает приращение вертикальной скорости (ПВС) из-за влияния СОВ. Видны области положительных и отрицательных ПВС, соответствующих увеличению или уменьшению вертикальной скорости при учете воздействия СОВ. Во многих случаях на рис. 1б знаки ПВС противополжны знакам вертикальной скорости на рис. 1а, т.е. воздействие СОВ приводит к ослаблению среднезональных вертикальных потоков. Пиков
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.