ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2015, том 51, № 2, с. 146-157
УДК: 551.555.9
ВЛИЯНИЕ БАРОКЛИННОСТИ И ЭКМАНОВСКОГО ТРЕНИЯ НА ПРИЗЕМНУЮ СКОРОСТЬ ВЕТРА ВО ВРЕМЯ ХОЛОДНЫХ
ВТОРЖЕНИЙ В АРКТИКЕ
© 2015 г. Д. Г. Чечин1,2, Е. В. Заболотских2, И. А. Репина1,2,3, Б. Шапрон2,4
Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН 119017, Москва, Пыжевский пер., 3 E-mail: chechin@ifaran.ru 2Российский государственный гидрометеорологический университет, 195196 Санкт-Петербург, Малоохтинский проспект, 98 3Институт космических исследований РАН 117997Москва, ул. Профсоюзная, 84/32 4Французский институт изучения и освоения моря CS10070-29280 Пон дю Диабле, Плузан, Франция Поступила в редакцию 31.03.2014 г., после доработки 05.06.2014 г.
Исследуются экстремальные случаи холодных вторжений в Арктике весной 2013 г., идентифицированные по снимкам в видимом диапазоне спектрорадиометров MODIS со спутников Terra и Aqua. Пространственная изменчивость скорости ветра оценивается на основе данных реанализа ERA Interim и результатов обработки данных спутникового микроволнового радиометра AMSR2. Чтобы объяснить наблюдаемую изменчивость скорости ветра в атмосферном пограничном слое (АПС) во время рассматриваемых холодных вторжений, оценивается вклад бароклинности в АПС и экманов-ского трения в динамику ветрового потока. Оценки выполнены с использованием диагностических соотношений, полученных в рамках модели перемешанного пограничного слоя атмосферы. Показано, что над открытой водой бароклинная составляющая геострофического ветра, обусловленная горизонтальными градиентами температуры воздуха, играет важную роль в формировании пространственной изменчивости скорости ветра во время рассмотренных холодных вторжений.
Ключевые слова: АПС, холодные вторжения, бароклинность, приводный ветер, дистанционное зондирование.
Б01: 10.7868/80002351515020042
ВВЕДЕНИЕ
Изменчивость приводной скорости ветра влияет на интенсивность термодинамического взаимодействия атмосферы и океана в Арктике. Наиболее интенсивное взаимодействие атмосферы и океана в Арктике наблюдается в зимнее время года во время холодных вторжений [1] — режимов натекания холодной воздушной массы на свободную ото льда поверхность океана.
Во время холодных вторжений скорость ветра может существенно возрастать внутри типичных для режимов холодных вторжений мезомасштаб-ных циркуляций: полярных мезоциклонов [2], а также в областях низкотропосферных фронтов [3]. Увеличение скорости ветра в атмосферном пограничном слое (АПС) может наблюдаться также и вблизи прикромочной зоны морского льда [4]. В
ряде работ отмечается [1, 5, 6], что для указанных мезомасштабных возмущений важную роль в балансе кинетической энергии играет бароклинность в АПС, т.е. горизонтальный градиент температуры, обусловленный неоднородным прогревом АПС или фронтогенезом. Однако вопросы о том, на каких масштабах бароклинность в АПС влияет на скорость ветра, а также насколько велик ее вклад по сравнению с крупномасштабным синоптическим форсингом, остаются малоизученными.
Основной задачей настоящей работы является количественная оценка влияния на скорость ветра в АПС во время холодных вторжений двух факторов: бароклинности в АПС и экмановского трения. При этом нас будут интересовать пространственные масштабы, сильно превышающие масштабы мелкой конвекции, наблюдающейся часто во время холодных вторжений в виде облачных гряд и
ячеек [7—8], и турбулентности в АПС, т.е. осреднен-ная скорость ветра. Последняя в квазиоднородных по горизонтали и квазистационарных условиях определяется балансом трех сил: горизонтального градиента давления, силы Кориолиса и экмановско-го трения. В данной работе мы выделяем из горизонтального градиента давления добавку, связанную с бароклинностью в АПС, чтобы оценить ее вклад в скорость ветра в АПС. Кроме того, мы оцениваем и агеострофическую составляющую ветра в АПС, связанную с трением о подстилающую поверхность.
Для анализа были выбраны экстремальные случаи холодных вторжений весной 2013 г. в районе Арктики от 10° ^^до 60° E и от 60° до 80° N, который включает Карское, Баренцево, Норвежское и Гренландское моря. Пространственная изменчивость скорости ветра оценивалась на основе данных ре-анализа ERA Interim [9] и результатов обработки данных спутникового микроволнового радиометра AMSR2 [10]. Для расчета бароклинной добавки к геострофической скорости ветра в АПС, а также для расчета агеострофической составляющей скорости ветра за счет трения использовалась модель перемешанного по высоте АПС. При этом необходимые параметры, входящие в эту модель, задавались по данным реанализа ERA Interim.
ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ СООТНОШЕНИЯ
Для оценки приводной скорости ветра используются данные реанализа ERA Interim с разрешением 0.75° х 0.75°, а также данные радиометра AMSR2 с разрешением 15 км х 25 км. Очевидно, что эти данные подразумевают некоторое осреднение исходных уравнений и измеряемых параметров. В связи с этим мы в дальнейшем также рассматриваем уравнения движения, осреднен-ные в соответствии с правилами осреднения Рей-нольдса, в результате чего оказываются отфильтрованы турбулентные движения в АПС.
Кроме того, мы воспользуемся приближениями гидростатики и Буссинеска и пренебрежем горизонтальными составляющими тензора напряжений Рейнольдса, предполагая квазиоднородность по горизонтали. Также будем использовать модель АПС, полностью перемешанного по высоте, и ограничимся рассмотрением задачи над горизонтальной поверхностью в отсутствие рельефа. Тогда после осреднения по высоте АПС уравнения движения принимают следующий вид (см, например, [5]):
dVm = -fk X ( - Vgm) + ^ AV + Ь, (1)
dt zt zt
где Vm = um ■ i + vm • j — осредненный по высоте АПС вектор скорости ветра; f — параметр Кориолиса; k — единичный вектор, направленный
вверх; — осредненный по высоте АПС геострофический ветер; ц>е — скорость вовлечения; А V = (и+ - ит) ■ \ + - vm) ■} — скачок скорости ветра на верхней границе АПС; т^ = (и^')! ■ \ + + (V■ '} — вертикальный турбулентный поток импульса на поверхности; Zi — высота АПС.
Частным случаем (1) является уравнение геот-риптического баланса, в котором сила Кориолиса, горизонтального градиента давления и сила трения находятся в равновесии. Эта модель предполагает стационарность по времени и квазиоднородность по горизонтали в отношении скорости ветра, т.е., что пренебрежимо мало. Однако при этом мы не будем пренебрегать бароклинностью в АПС, связанной с горизонтальным градиентом потенциальной температуры (задача в такой постановке решается во многих работах по исследованию бароклинных АПС [11]). С учетом этих предположений (1) упрощается:
0 = -/к X (т - Vgm)+ ^. (2)
Уравнение (2) удобно тем, что, параметризуя трение на поверхности т^ его можно решить аналитически относительно ит и vm (см. Приложение и [12]). При этом решение полностью определяется безразмерным геострофическим числом Экмана Ет = Са |^т|/). Решение (2) характеризует агеострофическую составляющую У^ скорости ветра в АПС, обусловленную трением на поверхности:
V = V - V (3)
т ag т т т gm ■ V /
Осредненный по высоте АПС геострофический ветер Vgm представляет собой сумму геострофического ветра на верхней границе АПС Vg + и бароклинной добавки Vgt, связанной с горизонтальным градиентом потенциальной температуры (см. рис. 1):
Vgm = + Vgt , (4)
где, как показано в работах [4, 5]
Vgt =-k х
gZi
V0 „
(5)
20т/
Из (4) и рис. 1 очевидно, что Vgt может приводить как к увеличению, так и уменьшению |^т| относительно Vg+. Схема на рис. 1 показывает, что вклад Vgt зависит от угла между Vg + и Vgt или, что то же самое, между Vg + и изотермами поля осред-ненной по высоте АПС потенциальной температуры воздуха 0 т, так как вектор Vgt направлен параллельно изотермам. В частности, наибольшее увеличение |^т| за счет Vgt имеет место, когда вектор Vg + направлен параллельно изотермам так, что холодный воздух находится справа.
Рис. 1. Составляющие у + и У^ геострофического ветра осредненного по высоте АПС, в плоскости ХУ Штриховыми линиями показаны изолинии потенциальной температуры &т, осредненной по высоте АПС.
Для того чтобы сделать выводы о вкладе баро-клинности и трения в АПС в модуль скорости ветра в АПС, проведены оценки следующих параметров:
m = Ы К+1
\Vgm\
IV I - |V
I m| I T ±
m2 =
gm\
|Vm
(6)
(7)
Согласно (6) значение Mx характеризует долю абсолютного значения геострофического ветра в АПС, которая определяется бароклинностью в АПС. Параметр M2 представляет собой относительное уменьшение модуля скорости ветра в АПС за счет турбулентного трения на поверхности. В рамках используемой методологии параметр M2 полностью определяется геострофическим числом Экмана Em (см. Приложение).
Описанная выше методика позволяет оценить только часть изменчивости скорости ветра, непосредственно относящуюся к пограничному слою. Однако следует иметь в виду, что динамический отклик атмосферы на прогрев АПС не ограничивается только лишь пограничным слоем, а имеет более сложную вертикальную структуру.
Для задания значений 0m, входящей в (5), использовались поля потенциальной температуры на высоте изобарической поверхности 950 гПа по данным ERA Interim. Высота АПС zt, входящая в (5), также представляет собой продукт реанализа.
В глобальной модели атмосферы Европейского центра среднесрочных прогнозов, используемой для составления реанализа ERA Interim, zi определяется диагностически по вертикальному профилю потенциальной температуры. Для расчета значений |Vgm| и |Vg + использовались поля приз-менного давления ERA Interim, по которым сначала рассчитывались значения геострофического ветра на уровне моря Vgs. Затем, учитывая, что в рамках модели перемешанного слоя Vgm = Vgs — Vgt, а также используя (4, 5), оценивались значения |Vgm| и |Vg +. Расчет |Vm| осуществлялся затем по формулам (П.3), (П.4), а входящий в них коэффициент турбулентного трения CD рассчитывался согласно обобщенной на АПС теории подобия [12]. Необходимые для этого значения потоков тепла и импульса на поверхности, а также параметра шероховатости задавались на основе соответствующих
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.