ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2015, том 51, № 4, с. 508-518
УДК 551.553
ТЕМПЕРАТУРНЫЕ КОНТРАСТЫ СУША-МОРЕ В ЧЕРНОМОРСКОМ РЕГИОНЕ И ИХ СВЯЗЬ С ИЗМЕНЧИВОСТЬЮ ПРИВОДНОГО ВЕТРА © 2015 г. А. А. Кубряков, М. В. Шокуров, С. В. Станичный, А. Е. Анисимов
Морской гидрофизический институт 290011 Севастополь, ул. Капитанская, 2 E-mail: arskubr@gmail.com Поступила в редакцию 21.01.2014 г., после доработки 30.12.2014 г.
На основе спутниковых измерений и данных региональных моделей высокого разрешения исследуется изменчивость контрастов температуры поверхности суша—море в Черноморском регионе и анализируется ее связь с динамикой ветра в прибрежных районах. Показано, что сезонная и межгодовая изменчивость ветров существенным образом связана с ходом контрастов температуры, по крайней мере в западной и юго-восточной части бассейна, что свидетельствует о важности локального механизма — муссонного эффекта для формирования циркуляции атмосферы в регионе. Проведен анализ временной изменчивости контрастов температуры поверхности и интенсивности вдольбереговых ветров в регионе.
Ключевые слова: Черное море, муссон, ветер, контраст температуры поверхности, сезонная изменчивость, межгодовая изменчивость.
DOI: 10.7868/S0002351515040057
ВВЕДЕНИЕ
Динамика Черного моря в значительной степени определяется атмосферными процессами над бассейном [6, 10, 11]. Спутниковые измерения и модельные расчеты показывают, что основным фактором, определяющим интенсивность течений в бассейне на сезонных и на межгодовых масштабах, является завихренность поля ветра [8, 14].
В последнее время возникает все больше работ, в которых одной из основных причин преобладания ветров циклонической завихренности над Черным морем называется муссонный эффект [2, 4, 5, 9]. В работе [2] авторы на основании данных глобального реанализа показывают, что зимой над внутренними морями, в том числе и над Черным, формируется циклоническая завихренность, летом — антициклоническая, что может быть связано с муссонными ветрами. При этом такая изменчивость характерна только для нижних слоев атмосферы, на которые непосредственно влияют эффекты, связанные с подстилающей поверхностью, а в верхних слоях ход завихренности существенно отличается. В работе [5] для демонстрации влияния температурных контрастов суша—море на изменчивость полей ветра в регионе используется уже региональная гидродинамическая модель климата PRECIS (HadRM3P). Здесь
авторы сравнивают результаты численных расчетов, полученных с искусственно повышенными и пониженными температурами морской поверхности и выделяют, таким образом, существенные изменения полей скорости и завихренности ветра, связанные с изменившимися контрастами температуры суша—море.
Однако до настоящего времени в литературе отсутствовали исследования, посвященные оценкам сезонной и межгодовой изменчивости температурных контрастов суша—море в Черноморском регионе и их связи с полями приводного ветра. С начала нынешнего столетия появляются новые доступные спутниковые измерения скорости приводного ветра QuikSCAT, температуры морской и земной поверхности со спутников MODIS и данные региональных атмосферных реанализов с высоким пространственным разрешением, полученных по мезомасштабной модели MM5 [12], и региональной модели PRECIS [3]. В настоящей работе, используя вышеперечисленные данные, исследуется изменчивость температурных контрастов суша—море и анализируется их связь с ветром над бассейном на сезонных и межгодовых временных масштабах.
46
45
44
43 Н
42
41
40
28
град, N
-г
30
32 34
-г
36
^^ I » I 1 I I J J / I
^ \ \ Ч \ I I III*//
\ \ \ 1 I 1 ; Ki / ' I I
\ \ \ \ \ . \ \ \ \ I , /
I I I I I 1 I I I ' ' ' ■ Ч I II I I 1 1 . I I I I I I I j
4iiiiiiii/|
4 Ч I I I I I I I I 1
i ' 1 I i I i i i j : ' • <-- - -
» 1 ■ 1 i i i i i i ' ' '' и I I t I I i / J i j / - " О '1ШШ1'/ 1 Iif-y m I I I I I I 1 П И I м i I ¡¡¡III i i м \ \ \ \ ' f '!////// / ii //////// '
^нМю / / / / '
- v \ V
V V V V
/ / / Т// / /1
38
40 42 град,E
28 30 32 34 36 38
3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0
40 42 град, Е
Рис. 1. а — Средняя температура поверхности по спутниковым измерениям МОВК. б — Среднее поле ветра по данным модели ММ5 за 2000-2011 гг.
ОПИСАНИЕ ДАННЫХ
В настоящей работе исследуется изменчивость контрастов температуры поверхности, т.е. температуры моря и почвы, а не контрастов температуры воздуха над сушей и морем. Такой выбор связан с тем, что в статье выполняется сравнение спутниковых измерений, которые позволяют определять только температуру поверхности, и результатов регионального моделирования. Анализ, проведенный нами, показал, что на исследуемых сезонных и межгодовых временных масштабах изменчивость контраста температуры воздуха и температуры поверхности значительно схожи между собой. Различия наблюдаются только в величине сигнала — амплитуда изменчивости контраста температуры поверхности выше. Для исследования связи контрастов температуры и скорости ветра используется температура, а не потенциальная температура. Поскольку муссонные эффекты сосредоточены в пограничном слое, в котором движение воздуха сопровождается неадиабатическими процессами (турбулентные потоки тепла, диссипация и др.), то использование потенциальной температуры для интерпретации результатов может оказаться еще более трудной.
Спутниковые данные. Для анализа температуры морской и земной поверхности использовались 8-дневные/ночные карты (Level 3), полученные по измерениям сканера MODIS-Terra за 2002—2011 гг. Разрешение карт температуры морской поверхности — 4 км (http://oceancolor.gsfc.nasa.gov/), температуры земной поверхности ~5 км (http://lad-sweb.nascom.nasa.gov). Для анализа поля ветра по спутниковым данным использовались картированные измерения скорости ветра скаттерометра SeaWinds спутника QuikSCAT за 2000—2009 г. с пространственным разрешением 0.25° х 0.25° и временным разрешением 1 день (ftp.ssml.com). Данные QuikSCAT недоступны в прибрежной зо-
не (<25 км от берега), поскольку в этой зоне на форму отраженного импульса значительно влияет суша.
Данные модели MM5. В работе использовались данные о температуре поверхности (почвы/моря) и ветра, полученные по расчетам мезомасштаб-ной атмосферной модели ММ5 за период 2000— 2012 гг. (http://www.mmm.ucar.edu/mm5/mm5-home.html) [12]. Горизонтальное разрешение модели — 18 км, дискретность по времени — 1 час. В качестве граничных условий использовались данные GFS с разрешением 1° х 1°.
Данные модели PRECIS. Региональная численная модель климата HadRM3P разработана Метеорологическим центром Гадлея (Великобритания) в рамках проекта PRECIS (Providing Regional Climates for Impact Studies) [13]. Эта модель с пространственным разрешением 25 х 25 км была адаптирована к области, включающей Черноморский регион. В качестве входных условий использовались данные реанализа ERA-40 с пространственным разрешением ~125 х 125 км. Использованный массив данных представляет собой ретроспективный анализ региональной атмосферной циркуляции за период 1958—2001 гг. [3].
ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ КОНТРАСТОВ ТЕМПЕРАТУРЫ СУША—МОРЕ
На рис. 1а изображена средняя карты температуры поверхности за 2000—2011 гг. по спутниковым данным и ветра по данным модели MM5. Как видно, суша в среднем холоднее моря, тогда в среднем в Черном море зона повышенного давления, связанного с температурой поверхности, располагается над сушей.
В этом случае на широтах Черного моря совместное действие силы Кориолиса и градиента
510 град, N
46 -
45 - fJ
44- 1
43 - f
42 - № 75 № 1
41 -
40 J " -г
(а)
7
6
)
^ 4 <
3 2 1
28 30 32 34 36 38
40 42 град,E
(б)
20 40
Номер точки
60
80
Рис. 2. а — Амплитуда температурных контрастов |Д7| по данным измерений МОВК. б —Пространственная изменчивость АТ для А/ = 20 км.
0
давления должно приводить к образованию струи ветра, которая на длительных временных масштабах будет разворачиваться параллельно берегу и протекать вдоль берега по часовой стрелке [2], в отличие от крупномасштабных муссонов на низких широтах (например, Индийского [1]). Влияние температурного контраста в Черноморском регионе сосредоточено в нижнем слое атмосферы (примерно 1 км) [2]. Если считать, что градиент давления, связанный с муссонным эффектом, равен нулю выше некоторого уровня и максимален у поверхности, то, интегрируя уравнение терми-
пйы Я йТ ческого ветра / — = -——, получим, что вдоль-
Т йу
береговые ветры будут в среднем направлены в циклоническом направлении при отрицательном контрасте суша—море [2].
Для исследования связи температурных контрастов и вдольбереговых ветров в регионе выберем точки моря и суши, в которых будем анализировать температуру поверхности и ветер, и направление, соответствующее направлению вдольберегового ветра.
Для этой цели использовались данные о береговой линии Черного моря, представленные ломаной линией с пространственным разрешением ~1 км. Для уменьшения изрезанности берега использовалась каждая пятая точка береговой линии. Далее, к каждому отрезку берега строился перпендикуляр, проходящий через его середину (см. рис. 2а). В точках перпендикуляра на расстоянии А/ = 20, 40 ... 100 км с обоих сторон от берега определялись температуры моря и суши с помощью линейной интерполяции. В мористых точках также определялась проекция ветра на направление отрезка берега, т.е. вдольбереговая компонента ветра. Таким образом, для каждого участка бы-
ли получены ряды температуры суши и моря Tg и Ts и проекции ветра на вдольбереговое направление W Разница температуры AT определялась как AT = Ts — Tg. При положительном AT температура суши меньше температуры воды, т.е. должны возникать циклонически направленные мус-сонные ветры. Проекция W также считалась положительной при циклоническом направлении ветра.
Графики пространственной изменчивости AT, рассчитанные по спутниковым и данным модели MM5 (рис. 2б), даже для минимального расстояния от берега Al = 20 км достаточно хорошо согласуются между собой. По оси абсцисс отложены номера точек (первая точка находится возле пролива Босфор, вторая точка следует за н
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.