научная статья по теме ХОЛОДНЫЕ ВТОРЖЕНИЯ НАД ОКЕАНОМ В ВЫСОКИХ ШИРОТАХ И СВЯЗАННЫЕ С НИМИ МЕЗОМАСШТАБНЫЕ ЦИРКУЛЯЦИИ В АТМОСФЕРЕ: ПРОБЛЕМЫ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ Космические исследования

Текст научной статьи на тему «ХОЛОДНЫЕ ВТОРЖЕНИЯ НАД ОКЕАНОМ В ВЫСОКИХ ШИРОТАХ И СВЯЗАННЫЕ С НИМИ МЕЗОМАСШТАБНЫЕ ЦИРКУЛЯЦИИ В АТМОСФЕРЕ: ПРОБЛЕМЫ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ»

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2015, № 3, с. 71-88

ДИСТАНЦИОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АТМОСФЕРНЫХ ПРОЦЕССОВ В АРКТИКЕ

ХОЛОДНЫЕ ВТОРЖЕНИЯ НАД ОКЕАНОМ В ВЫСОКИХ ШИРОТАХ И СВЯЗАННЫЕ С НИМИ МЕЗОМАСШТАБНЫЕ ЦИРКУЛЯЦИИ В АТМОСФЕРЕ: ПРОБЛЕМЫ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

© 2015 г. Д. Г. Чечин1, М. К. Пичугин2

1Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН, Москва 2Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения РАН, Владивосток

E-mail: chechin@ifaran.ru;pichugin@poi.dvo.ru Поступила в редакцию 26.05.2014 г.

В статье приводится обзор современного состояния исследований в области численного моделирования и прогнозирования холодных вторжений над океаном в высоких широтах и связанных с ними мезомасштабных циркуляций. Показано, что наиболее актуальными задачами являются следующие: 1) повышение предсказуемости и адекватности воспроизведения полярных мезоциклонов;

2) повышение адекватности описания в численных моделях прикромочной зоны морского льда;

3) решение проблемы параметризации и явного воспроизведения в численных моделях атмосферы организованной конвекции и орографических струй. Продемонстрировано, что решение указанных задач может осуществляться только в результате комплексного развития различных элементов моделей климатической системы и технологии численного прогноза погоды. Одним из наиболее перспективных подходов по преодолению обозначенных проблем является развитие и использование в технологии численного прогноза погоды методов дистанционного спутникового зондирования атмосферы и подстилающей поверхности. На примере холодных вторжений над дальневосточными морями показан высокий потенциал мультисенсорного спутникового анализа для получения количественных оценок характеристик атмосферных циркуляций различного масштаба.

Ключевые слова: холодные вторжения, полярные мезоциклоны, прикромочная зона морского льда, организованная конвекция, численное моделирование, взаимодействия атмосферы и океана

Б01: 10.7868/80205961415020049

ВВЕДЕНИЕ

Прогноз погоды и моделирование климата в высоких широтах Северного полушария являются все более актуальными задачами в связи с наблюдающимся потеплением в этих районах и ростом перспектив их хозяйственного использования. Немалую роль в глобальной и региональной климатических системах играют акватории незамерзающих морей высоких широт — в первую очередь морей атлантического сектора Арктики (Баренцева, Гренладского) и Северной Атлантики (Норвежского, морей Ирмингера и Лабрадора), но также Охотского и Берингова морей на Дальнем Востоке. Важнейшее значение в этих районах имеет адекватное воспроизведение численными моделями атмосферы холодных вторжений (ХВ) — натекания холодной арктической или континентальной воздушной массы на свободную ото льда поверхность океана в холодное время года. Именно с этим метеорологическим режимом связаны многие климатически значимые процессы в атмосфере и океане, а также крайне неблагоприятные погодные условия.

Самой существенной чертой ХВ является осуществляемый ими крайне интенсивный энергообмен атмосферы и океана. Потоки явного тепла с поверхности океана во время ХВ достигают экстремальных значений свыше 600—700 Вт/м2 (Brammer, 1996). Такая величина потоков обусловлена большой разностью между температурой поверхности океана и температурой воздуха в переносимой воздушной массе, которая может составлять до 35 K. Именно поэтому во время ХВ в незамерзающих морях высоких широт происходят интенсивное выхолаживание и вертикальное перемешивание поверхностных вод. К увеличению плотности морских вод приводит также активизирующийся во время ХВ процесс высвобождения соли при образовании морского льда. В атлантическом секторе Арктики это влияет на региональную циркуляцию вод и, в конечном счете, на термохалинную циркуляцию в Атлантическом океане (Mauritzen, 1996; Marshall, Schott, 1999; Smedsrud et al., 2013), а также на формирование и трансформацию водных масс в Северном Ледовитом океане. Уплотнение поверхностных вод

при ХВ в дальневосточных морях оказывает существенное влияние на формирование водных масс северной части Тихого океана (Yasuda, 1997; Muench, 1999). Турбулентный теплообмен на поверхности океана определяется не только разностью температур воды и воздуха, но и скоростью приводного ветра, которой свойственна существенная пространственно-временная изменчивость.

Энергообмен атмосферы и океана во время ХВ приводит к тому, что над открытой водой происходят нагрев, насыщение влагой и рост конвективного атмосферного пограничного слоя (АПС) (Brammer, 1997). Большие горизонтальные градиенты температуры воздуха и потоки на поверхности, наблюдаемые во время ХВ, способствуют возникновению метеорологических явлений, с которыми связаны резкое усиление ветра над открытой водой и крайне неблагоприятные погодные условия, — полярных мезоциклонов (МЦ) (Rasmussen, Turner, 2003) и низкотропосферных фронтов (Gr0nas, Skeie, 1999). Эти мезомасштаб-ные циркуляции вносят существенный вклад в пространственно-временную неоднородность потоков тепла и импульса на поверхности океана. На потоки тепла и импульса влияют также и другие атмосферные циркуляции самого различного масштаба, наблюдаемые во время ХВ: конвективные валики и ячейки, орографические и баро-клинные струи.

Еще один важнейший элемент климатической системы Арктики, в динамике которого ХВ играют заметную роль, — это морской лед. В частности, ХВ сильно влияют на объем выноса морского льда через прол. Фрама (Tsukernic et al., 2007). Этот процесс определяет бюджет массы морского льда в Арктике. Кроме того, во время ХВ происходит образование нового льда в прикромочной зоне морского льда (ПЗЛ) (Smedsrud et al., 2013). Характеристики ПЗЛ, такие как ее положение, ширина, конфигурация, а также мезомасштабные циркуляции в океане в районе ПЗЛ во многом определяются взаимодействием с атмосферой (Guest et al., 1995). В свою очередь положение и конфигурация ПЗЛ влияют на крупномасштабные характеристики ХВ (Pagowski, Moore, 2001) и образование мезоциклонов (Heinemann, 1996; Dierer, Schluenzen, 2005), а мелокмасштабные неоднородности — на величину потоков тепла и импульса в пределах ПЗЛ (Lüpkes, Birnbaum, 2005), а также организацию конвекции в гряды над океаном (Gryschka et al., 2008).

Для численных моделей климата и прогноза погоды воспроизведение режима ХВ, включающего атмосферные движения столь широкого спектра масштабов и физических механизмов образования, является сложной и еще не решенной задачей. Проблемы заключаются не только в недостаточном пространственном разрешении, ко-

торое используется в моделях при климатических расчетах, но и в адекватности параметризаций физических процессов. Также в задачах прогноза погоды важное значение имеет детализация начальных и граничных условий. Более того, как будет показано в данной статье, возможно только комплексное решение указанных проблем.

Одним из наиболее перспективных подходов по преодолению обозначенных проблем является развитие и использование методов дистанционного спутникового зондирования атмосферы и подстилающей поверхности. Их применение наиболее оправдано именно над океаном в высоких широтах ввиду разреженности наблюдательной сети в этих районах. Спутниковые измерения могут служить источником данных наблюдений с высоким пространственным разрешением, которые могут быть использованы для задания начальных и граничных условий и также для вали-дации численных моделей. Кроме того, важны и оценки характеристик мезомасштабных циркуля-ций, проводимые с использованием спутниковых данных. Такие оценки, например, служат основой статистических исследований характеристик конвективных структур во время ХВ (Mitnik, 1992; Brümmer, Pohlman, 2000; Пичугин, Митник, 2010).

Необходимость широкого использования спутникового дистанционного зондирования в исследованиях гидрометеорологических характеристик интенсивных морских погодных систем со штормовыми ветрами, включая холодные вторжения, стала очевидной в последние 15—20 лет в связи с реализацией новых возможностей измерения количественных характеристик океана и атмосферы со спутников. Микроволновые пассивные (многоканальные радиометры) и активные (скаттерометры, радары с синтезированной апертурой (РСА), радиолокатор CPR (Cloud Profiling Radar)), спутниковые измерения в сочетании с изображениями облачного покрова и подстилающей поверхности в видимом и инфракрасном (ИК) диапазонах позволяют: определять трехмерную структуру конвективной облачности и положение центров МЦ (Zabolotskih et al., 2013) , регулярно формирующихся на фоне вторжений; следить за эволюцией опасных погодных явлений в полях осадков, водозапаса облаков и паросодержания атмосферы; восстанавливать горизонтальные составляющие приводного ветра в широком диапазоне пространственно-временных масштабов и с существенно более высокой точностью, чем это было достигнуто ранее.

Основная цель данного обзора — представить современное состояние исследований, направленных на повышение точности воспроизведения ХВ в численных моделях атмосферы и связанных с ними атмосферных циркуляций. Особое внимание будет уделено перспективному исполь-

зованию данных спутникового зондирования атмосферы и поверхности океана. В частности, мы выделяем несколько наиболее важных и актуальных проблем, о которых пойдет речь в отдельных частях данной статьи. В первом разделе обсуждаются вопросы, связанные с крупномасштабными характеристиками ХВ и их воспроизводимости численными моделями. Второй раздел посвящен перспективным методам, используемым для повышения предсказуемости полярных мезоцикло-нов и учета их вклада в энергообмен атмосферы и океана в климатических исследованиях. В третьем разделе рассматривается проблема представления прикромочной зоны морского льда в численных моделях климата и прогноза погоды. В четвертом разделе обсуждаются возможности явного воспроизведения организованной конвекции моделями прогноза погоды и проблема ее параметризации в моделях с грубой сеткой. Кроме того, в четвертом разделе также уделено внимание воспроизведению циркуляций, обусловленных вл

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.

Показать целиком