ОКЕАНОЛОГИЯ, 2004, том 44, № 6, с. 811-825
= ФИЗИКА МОРЯ
УДК 551.465
МОДЕЛИРОВАНИЕ СОВМЕСТНОЙ ЦИРКУЛЯЦИИ СЕВЕРНОЙ АТЛАНТИКИ И СЕВЕРНОГО ЛЕДОВИТОГО ОКЕАНА
© 2004 г. С. Н. Мошонкин1, Н. А. Дианский1, Д. А. Эйдинов2, А. В. Багно1
1Институт вычислительной математики РАН, Москва
2Московский физико-технический институт, Москва Поступила в редакцию 29.12.2003 г., после доработки 16.03.2004 г.
Представлена модель совместной циркуляции Северной Атлантики и Северного Ледовитого океана, основанная на алгоритмах о-модели общей циркуляции океана, разработанных в ИВМ РАН. Модель дополнена блоком расчета термодинамики морского льда. Для устранения источника неустойчивости и генерации шумов, связанных с эффектом схождения меридианов у Северного полюса, осуществлен поворот сферической системы координат так, что полюса новой системы оказались на географическом Экваторе за пределами расчетной области. Это позволило адекватно воспроизвести поля океанских характеристик, не уменьшая критически временнЫе шаги модели. Результаты моделирования сравниваются с данными наблюдений. Дан анализ климатического сезонного хода циркуляции, термохалинных полей и ледовых характеристик для Атлантики, Арктики и переходной между ними области Норвежского и Гренландского морей. Показано, что модель реалистично воспроизводит: особенности динамических и термохалинных полей океана; зимнюю интенсификацию Гольфстрима; вертикальную инверсию скорости в его стрежне; язык высокосоленых средиземноморских вод в промежуточных слоях Атлантики; особенности циркуляции в поверхностной распресненной водной массе Северного Ледовитого океана; основные характеристики теплых и соленых атлантических вод, проникающих в Северный Ледовитый океан; основные характерные черты обменов Атлантики и Северного Ледовитого океана и другие известные особенности океанических полей и их сезонной эволюции. Модель предназначена для изучения воздействия комплекса взаимных обменов Атлантики с Северным Ледовитым океаном на моды пространственно-временной изменчивости динамических и гидрологических полей Северной Атлантики на масштабах от лет до десятилетий.
1. ВВЕДЕНИЕ
Исследование колебаний климата океана с периодами от одного до нескольких десятилетий - активно разрабатываемое направление океанологии, цели и задачи которого отражены, например, в программе СЬГУЛЯ [41]. Сейчас существует около десятка гипотез о происхождении вариаций климата океана в этом диапазоне (см., например, [47]). Не рассматривая гипотезы чисто внешних воздействий, происхождение таких колебаний связывают с двумя основными причинами: 1) взаимодействием океана и атмосферы; 2) внутренней изменчивостью океана, обусловленной собственными колебаниями термохалинной циркуляции. В нашей работе [3] относительно механизма формирования и поддержания климатической изменчивости междесятилетних масштабов в динамических и гидрологических полях Северной Атлантики (СА) была выдвинута гипотеза, состоящая в том, что эта изменчивость есть проявление взаимодействия в системе атмосфера-океан. Согласно этой гипотезе, атмосферное воздействие в средних широтах генерирует аномалии температуры поверхности океана (АТПО). Эти аномалии, порождая аномалии плотности, возбуждают геострофические
аномалии в циркуляции в области 30°-60°с.ш., а последние адвективно гасят внешнее воздействие (отрицательная обратная связь). Гипотеза эта "модельно зависима", так как сформулирована при анализе результатов численных экспериментов с моделью циркуляции, не лишенной ряда ограничений и недостатков. Поэтому для ее развития и уточнения были проведены дальнейший анализ данных наблюдений и численные эксперименты с более адекватными природе моделью циркуляции и краевыми условиями [8]. В итоге для масштабов временной изменчивости более десяти лет обнаружен ряд фактов, требующих учета и объяснения.
От тропиков до субарктики в СА произошли одни и те же климатические события - теплая "эпоха" 1950-х и холодная 1970-х со сменой фаз в 1960-е гг. Изменения АТПО, температуры и компонентов скорости течения в верхнем слое океана имели своим источником полосу 35°-40° с.ш., откуда возмущения распространялись на юг и на север. Так, скорости распространения потепления на север от 40° к 60° с.ш. в 1952-1960 гг. и на юг от 40° к 20° с.ш. в 1952-1964 гг. составляют около 160-180 км/год. Этот климатический сигнал со-
здавал условия роста обособленности субтропического антициклонического (СТАн) и субарктического циклонического (САЦ) вращений вод в СА при переходе от теплой эпохи 1950-х к холодной 1970-х гг. В области СТАн возмущения АТПО имели период, близкий к 20 годам, причем их амплитуда уменьшалась по направлению к югу. В области САЦ доминировали возмущения вдвое большего периода - 40 лет, а их амплитуда возрастала на север к 60° с.ш. вдвое. При этом термохалинная циркуляция СА к 1970-м гг. ослабевала, расход в Гольфстриме снижался. Меридиональный перенос тепла течениями (МПТ) в СТАн на 30% возрос, а в САЦ на 30% уменьшился. То есть к 1970-м МПТ уменьшился в средних и высоких широтах и вырос в тропиках. Теплосодержание деятельного слоя океана стало выше в тропиках и снизилось в средних широтах [21, 8].
Проявляется тесная связь генерации и распространения крупномасштабных АТПО с процессами ветвления и неустойчивости Гольфстрима в районе его отхода от берега. Наиболее принципиальные изменения происходят в поле скорости в верхней половине бароклинного слоя до горизонтов в 500-600 м (с масштабом циклонических и антициклонических возмущений 700-800 км). Здесь увеличился "сброс" вод Гольфстрима на восток и юго-восток в Азорское течение и Про-тиво-Гольфстрим, что уменьшило расход СевероАтлантического течения и общие обмены между СТАн и САЦ. В результате создавались большие меридиональные градиенты характеристик и возникала предпосылка для интенсификации циркуляции и увеличения обменов между СТАн и САЦ в последующих 1980-х и 1990-х гг., что должно было вести, после похолодания 1970-х, к общему потеплению СА.
Таким образом процессы нарастания аномалий температуры в деятельном слое океана к границе СА с Северным Ледовитым океаном (СЛО), изменения степени обособленности САЦ в периоды похолоданий от СТАн требуют учета обменов свойствами СА и СЛО. В целом картина климатической изменчивости СА должна быть дополнена изучением ветвления Гольфстрима при отходе его от берега, обособленности процессов в СТАн и САЦ и обменов свойствами СА и СЛО, а также взаимной связи этих процессов, что побуждает перейти от модели СА к модели совместной циркуляции СА и СЛО. Такая работа будет тесно коррелировать с задачами международной программы AS OF (Arctic-Subarctic Ocean Fluxes) по изучению обменов СА и СЛО с целью понимания вклада высоких широт океана в десятилетнюю изменчивость климата [12].
2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ АТЛАНТИКИ И АРКТИКИ
Влияние Северной Атлантики на климат, циркуляцию и льды СЛО, прежде всего посредством поступления теплых и соленых атлантических вод, неплохо изучено (см., например, [6, 10, 5, 11] и др.). По вопросу же о механизмах обратного влияния СЛО на структуру мод изменчивости динамических и термохалинных полей СА немало противоречивых мнений, которые, однако, совпадают в том, что роль этого воздействия значима и важна (см., например, [14, 16, 18, 19, 24, 27, 28] и др.). Точнее говорить об особенностях взаимодействии СА и СЛО, принципиальных для климата всего Северного полушария [16, 30, 23, 15, 12]. Значимость этого взаимодействия становится очевидной, если сравнить процессы на севере Тихого океана и СА [46]. Во-первых, в высоких широтах Атлантики, в отличие от Тихого океана, активно формируются глубинные водные массы, влияющие на "конвейерный" обмен в Мировом океане [2]; во-вторых, термохалинная циркуляция (ТХЦ) на этих двух акваториях происходит по-разному [20, 46], так как взаимодействие СА и СЛО идет с гораздо большей интенсивностью, чем взаимодействие СЛО и Тихого океана через узкий Берингов пролив [46]. Эти обстоятельства имеют далеко идущие последствия как для глобального, так и регионального климата океана.
Современная точка зрения состоит в том, что ТХЦ в СА является регулятором меридионального переноса тепла и отвечает за сравнительно теплый климат севера Европы. Многочисленные исследования выявили моды изменчивости океанических полей с характерными масштабами времени в несколько десятилетий, причем оказалось, что они управляются адвективно-конвективными механизмами. Эта изменчивость характеристик СА с точки зрения разных авторов реализуется либо как отдельная океанская мода, либо как совместная мода океан-лед-атмосфера [45, 46, 16]. В работах [14, 16] с обобщенными данными гидрологических наблюдений на конец ХХ в. в СА и переходной между СА и СЛО области отмечается: 1) практически каждое десятилетие можно в той или иной мере характеризовать как своеобразную "климатическую эпоху"; 2) видна тесная связь индекса северо-атлантического колебания [30] с временной эволюцией термохалинных и динамических характеристик океана. Эта связь сложнее простой линейной, у нее в разных районах - разные временные сдвиги, ее устойчивость по времени меняется, но все же она достоверна и связана с влиянием крупномасштабного ветра на циркуляцию океана.
Замечательное явление "Великой Соленост-ной Аномалии" (ВСА) представляло собой рас-преснение вод на большой акватории СА в слое от поверхности до 500-800 м [19] и уменьшение
генерации глубокой водной массы в Лабрадорском море [32]. В работе [19] приводятся доводы в пользу того, что за 14 лет с 1968 по 1982 гг. ВСА "обходила" САЦ как пассивная примесь. Подобное явление, по-видимому, наблюдалось и в 1920-х гг. [19]. Как моделирование [25], так и анализ наблюдений [45] показали, что событие ВСА связано с ростом экспорта морских льдов из Арктики из-за усиления северных ветров. Это породило повышенный интерес к механизму влияния на циркуляцию СА выноса льда и распресненной поверхностной воды из СЛО. Обычно полагалось, что этот процесс затрудняет глубокую конвекцию на севере СА, что ведет к ослаблению циркуляции в меридиональной плоскости и переноса т
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.