научная статья по теме О НЕКОТОРЫХ ОСОБЕННОСТЯХ ДИНАМИКИ ОБЩЕЙ ЦИРКУЛЯЦИИ АТМОСФЕРЫ В УСЛОВИЯХ ГЛОБАЛЬНОГО ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА Геофизика

Текст научной статьи на тему «О НЕКОТОРЫХ ОСОБЕННОСТЯХ ДИНАМИКИ ОБЩЕЙ ЦИРКУЛЯЦИИ АТМОСФЕРЫ В УСЛОВИЯХ ГЛОБАЛЬНОГО ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА»

УДК 551.513.11:551.511.32

О НЕКОТОРЫХ ОСОБЕННОСТЯХ ДИНАМИКИ ОБЩЕЙ ЦИРКУЛЯЦИИ АТМОСФЕРЫ В УСЛОВИЯХ ГЛОБАЛЬНОГО ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА © 2015 г. Ю. В. Мартынова*, ***, В. Н. Крупчатников*, **

* Сибирский региональный научно-исследовательский гидрометеорологический институт

630099 Новосибирск, ул. Советская, 30 ** Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН 630090 Новосибирск, пр. Ак. Лаврентьева, 6 *** Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН 634055 Томск, пр. Академический, 10/3 E-mail: vkrupchatnikov@yandex.ru Поступила в редакцию 21.10.2014 г.

В течение последних нескольких десятилетий наблюдается смещение к полюсу таких элементов общей циркуляции атмосферы, как ячейка Гадлея и штормтреки. На основе результатов численного моделирования динамики климата с использованием идеализированной модели климатической системы показано, что тенденция к смещению штормтреков Северного полушария в условиях потепления климата (по сценарию RCP-8.5) к полюсам будет продолжаться. Обсуждаются также другие особенности динамики общей циркуляции в условиях меняющегося климата, обнаруженные в ходе численного эксперимента.

Ключевые слова: общая циркуляция, атмосфера, штормтрек, климат, изменение. DOI: 10.7868/S0002351515030086

1. ВВЕДЕНИЕ

Полное понимание всех тонкостей механизма общей циркуляции атмосферы может позволить нам прогнозировать ее изменения в условиях меняющегося климата. В этом смысле особый интерес представляют исследования возможных изменений циркуляции тропической атмосферы, сред-неширотной бароклинной турбулентности и струйных течений, температуры поверхности океана и его энергоактивных зон, а также площади морского льда. В 80-х годах Г.И. Марчук предложил программу "Разрезы" [1] исследования энергоактивных зон (ЭАЗО) океана, которые оказывают сильное влияние на глобальную циркуляцию. С помощью диагноза энергоактивных зон, в основе которого лежала теория сопряженных уравнений и глобальная модель общей циркуляции атмосферы [2], удалось выделить две из них, которые сейчас мы называем областями штормтреков — зона Гольфстрима и зона Куросио. Эти идеи получили активное развитие в трудах зарубежных и отечественных исследователей [3, 4].

Как известно, в системе общей циркуляции атмосферы (ОЦА) тропическая циркуляция, ячейка Гадлея (ЯГ), играет ключевую роль в формировании климата Земли, перенося энергию и угловой

момент по направлению к полюсу. Расположение засушливых крупномасштабных субтропических зон и основных субтропических пустынь Земного шара в значительной степени формируется нисходящими ветвями ЯГ. Ячейка простирается на всю глубину тропосферы от экватора до субтропиков (~30° N в обоих полушариях. Ячейка Гадлея возникает как реакция на интенсивное нагревание коротковолновой радиацией во внутритропиче-ской зоне конвергенции (ВЗК) вблизи экватора. Степень смещения тропиков по направлению к полюсу зависит от определения показателей ширины зоны тропической циркуляции. Например, в работе [5] в качестве индикатора ширины ЯГ рассматривается глобальная тропопауза. Этот показатель основывается на различии между тропиками, где тропопауза высока, и внетропической зоны, где тропопауза низкая. Преимущество этого метода состоит в том, что высота тропопаузы (точнее, переходный слой между верхней тропосферой и нижней стратосферой) относительно хорошо наблюдаемая особенность в структуре атмосферы и может быть легко получена из анализа трехмерного поля температуры.

Анализ данных радиозондирования и реанали-за показал, что тропики расширяются примерно на 0.4° широты за десятилетие с 1979 г. Аналогич-

ное расширение проявляется также в данных моделирования, полученных в результате использования климатического сценария МГЭИК, при котором радиационный форсинг задан в соответствии с историческим значением [6, 7]. В ряде работ, кроме того, было продемонстрировано ослабление интенсивности тропической циркуляции при потеплении климата [8—13]. Можно выделить несколько возможных причин движения ЯГ к полюсам: это глобальное потепление в тропосфере, стратосферное выхолаживание, изменение температуры океанов (например, в периоды Эль-ниньо — Южное колебание (Е№0)). Влияние циркуляции стратосферы на тропосферу подтверждается как данными наблюдений, так и результатами численных экспериментов [14—15]. Ширина ячейки 1ад-лея определяется географической широтой, на которой режим конвективной неустойчивости сменяется режимом бароклинной неустойчивости. При глобальном потеплении происходит увеличение статической устойчивости атмосферы и высоты тропопаузы и, как следствие этого, область бароклинности смещается к северу. В работах [16, 17] была предложена теория, которая устанавливает отношения между статической устойчивостью и шириной тропической зоны, ячейкой Гадлея, объясняющая, исходя из закона сохранения углового момента, смещение верхней ветви ЯГ к северу. Согласно данной теории поток воздуха увеличивает сдвиг скорости зонального ветра, пока он не станет бароклинно неустойчивым и не начнет разрушаться. Это определяет широту границы ЯГ и начало среднеширотной баро-клинной зоны, где формируются штормтреки. Штормтреки — это области сильной бароклинно-сти (максимум меридионального градиента температуры), которые определяются на основе вихревых статистик, таких как вихревые потоки углового момента, энергии и влаги (с использованием полосового фильтра). Глобальное потепление связано с увеличением статической устойчивости и подавлением бароклинной неустойчивости в нижней тропосфере, и, как следствие, ЯГ смещается в сторону более высоких широт вместе со смещением к полюсу расположения штормтреков. В работах [18—23] рассмотрены некоторые особенности динамики ЯГ и тропопаузы при изменении климата с учетом влияния стратосферы. В данной работе делается акцент на результаты моделирования динамики штормтреков в зимний период, а также их анализ при различных климатических режимах — при увеличении радиационного форсинга и дальнейшее его снижение (за счет повышения концентрации СО2 и постепенного приведения концентрации к доиндустриальному уровню). В Северном полушарии существуют два основных штормтрека в регионе Атлантического и Тихого океанов. В качестве оценки степени ба-

£ 1 дТ

роклинности можно использовать а Е ~ —— — ,

ИТ ду

который представляет собой максимальную скорость роста бароклинной волны в задаче Иди [24]. Взаимодействие волн и основного потока в средних широтах приводит к низкочастотным вариациям широтного расположения струи. Можно предположить, что небольшие изменения климата могут существенно повлиять на положение струй и связанных с ними штормтреков. Как известно, основным механизмом, ответственным за генерацию вихрей, является бароклинная неустойчивость [24, 25], которая максимальна у восточного побережья Азии и Северной Америки. Поддерживается данная неустойчивость сильным источником нагревания у поверхности, возникающим из-за контраста температуры между континентом и океаном: между теплыми течениями Ку-росио и Гольфстрима на востоке и холодным континентальным воздухом на западе [26, 27]. Штормтреки, как регионы максимальной вариации нестационарной функция тока или вихревой кинетической энергии, являются сосредоточением бароклинных вихрей, доминирующих в динамике атмосферы внетропических широт и существенно влияющих на климат. Возникает вопрос, будет ли изменение климата существенно влиять на расположение и интенсивность среднеширотных штормтреков и связанных с ними струйных течений. При изучении динамики штормтреков одним из основополагающих понятий является цикл развития вихря, состоящий из бароклинной стадии роста, последующей квазибаротропной эволюции и баротропного распада. Бароклинный рост сопровождается циклогенезом у поверхности с дальнейшим ростом вихря на верхних уровнях, после чего происходит насыщение сначала у поверхности, а потом и на верхних уровнях [28, 29]. Струя может быть сдвинута к экватору или к полюсу от первоначального ее положения, это будет зависеть от того, какой тип разрушения волн реализуется: циклонический или антициклонический соответственно. Степень интенсивности ба-роклинности на нижнем уровне является определяющим фактором для типа разрушения волны на верхних уровнях; в случае слабой и умеренной интенсивности Р-эффекг за счет сферичности поверхности будет генерировать антициклонический тип разрушения волны и сдвиг зональной струи к полюсу. Однако между слабой и умеренной интенсивностью существует важное различие. В первом случае центры антициклонов достаточно интенсивны, чтобы вызвать сжатие циклонических центров в направлении северо-запад—юго-восток и вытягивание его в другом направлении, что, в свою очередь, приводит к положительным потокам вихря на севере, отрицательным на юге и движению струи к полюсу. Во втором же случае

центры циклонов становятся значительно интенсивнее, чем антициклонов, вследствие чего они способны деформировать антициклоны таким образом, что появляются положительные потоки вихря на юге и происходит смещение струи к экватору. Сильная бароклинность на входе штормтрека приводит к небольшому сдвигу струйного течения к экватору. Более слабая бароклинность во второй половине штормтрека вызывает антициклоническое разрушение волны и сдвиг струи к полюсу.

2. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА

Для исследования отклика штормтреков на климатические изменения был поставлен численный эксперимент, в рамках которого была задействована глобальная крупномасштабная климатическая модель промежуточной сложности Planet Simulator [30] и один из новых климатических сценариев семейства RCP — сценарий RCP 8.5 [31]. Указанная модель состоит из ряда модулей разной сложности: атмосферного, океанического, почвенного, биосферного, модулей для моделирования морского льда и поверхности суши. Являясь моделью промежуточной сложности, эта модель позволяет осуществить моделирование достаточно продолжительного периода за разумное расчетное время и при этом дает возможность оценить величину, динамику исследуемых процессов и обратные связи между компонентами климатической систе

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