УДК [551.526.6:551.513].001.572
Влияние межгодовых аномалий температуры поверхности океана на изменчивость циркуляции атмосферы. Результаты численных экспериментов
К. Г. Рубинштейн», Е. Н. Егорова*
Приведен анализ результатов двух численных экспериментов на 10 лет интегрирования (¡979—1988 гг.) с моделью общей циркуляции атмосферы Гидрометцентра России. В эксперименте 1 температура поверхности океана (ТПО) задавалась в виде среднемесячных значений, полученных по данным наблюдений, в эксперименте 2 подучена путем помесячного осреднения данных эксперимента 1 за 10 лет. Показано, что в численных экспериментах с реалистическим заданием межгодовой изменчивости ТПО вполне удовлетворительно удалось воспроизвести аномалии среднемесячных значений температуры и влажности в свободной атмосфере тропической зоны Тихого океана. Анализ аномалий приземной температуры и осадков, осредненных по европейской части России, показал, что аномалии осадков в экспериментах сравнимы с аномалиями осадков по данным реанализа, а аномалии температуры в экспериментах значительно меньше, чем по данным реанализа. Учет межгодовых изменений ТПО незначительно улучшает воспроизведение аномалий температуры и осадков в средних широтах.
Введение
Основным инструментом исследования физики атмосферы и изменений климата в настоящее время являются модели общей циркуляции атмосферы (ОЦА). Физико-математическое моделирование климатической системы одновременно позволяет совершенствовать численное прогнозирование погоды, так как гидродинамическая модель является основным узлом в технологической линии среднесрочного и долгосрочного гидродинамического прогноза погоды. Расчеты по моделям на длительные сроки позволяют определять оптимальные параметры моделей для получения физически обоснованных теплового, водного и энергетического балансов атмосферы. Работы по численному моделированию общей циркуляции атмосферы в Лаборатории моделирования аномалий циркуляции атмосферы Гидрометцентра России проводятся уже в течение нескольких десятков лет. Однако реальные возможности для проведения и обработки длительных численных экспериментов возникли только в последние годы. Это связано с несколькими обстоятельствами. Наиболее важным из них без сомнения является появление высокопроизводительных компьютеров со зна-
* Гидрометеорологический научно-исследовательский центр Российской Федерации.
чительными объемами памяти. Есть еще два других обстоятельства, которые значительно продвинули работы по моделированию ОЦА, и их целесообразно отмстить. Первое — это появление свободно распространяемого пакета графических программ GRADS, внедряемого на различные платформы (JjRAY-Y, рабочая станция, персональные компьютеры). Вторым обстоятельством, позволившим в большой мере понять степень реалистичности результатов моделирования, является доступность с 2000 г, результатов реанализа NCAR/NCEP [8] за 46 лет (1954—1999 гг.).
При валидации гидродинамических моделей наличие данных реанализа может существенно облегчить задачу. Именно поэтому развитие глобального гидродинамического моделирования стимулировало активную деятельность во многих ведущих центрах мира по созданию глобальных климатических архивов. Сравнение средних результатов моделирования со средними климатическими величинами явилось только начальным этапом анализа результатов моделирования ОЦА. При увеличении периодов интегрирования и с развитием моделей ОЦА возникла задача анализа реалистичности воспроизведения моделями характеристик изменчивости циркуляции атмосферы. Появление однородных рядов данных реанализа при всех их ограничениях, связанных с модельными ошибками, недостатками использованных параметризаций физических процессов и т. д., позволяет оценить необходимые масштабы изменчивости характеристик атмосферы за конкретные годы. Появился ряд работ, в которых предпринимались попытки оценить достоверность данных реанализа (например [10]), которые получены с помощью моделей, работающих в режиме постоянного усвоения максимально доступных данных метеорологических измерений. В данной работе при анализе реалистичности результатов моделирования использованы результаты реанализа NCAR/NCEP.
Модель ОЦА Гидрометцентра России не участвует в международных проектах по сравнению результатов моделирования, главной целью которых является определение относительного состояния развития моделирования климата и направления совершенствования моделей, прежде всего для устранения характерных систематических ошибок. Обобщающий обзор основных результатов сравнения моделей приведен, например, в [6]. В связи с этим авторы данной работы, как и в других своих публикациях [2, 3, 5], наряду с получением ответов на вопросы по изменению климата или исследованию чувствительности моделируемой системы к различным параметрам, проводят сравнение с результатами других моделей того же класса. В качестве срока интегрирования был принят тот же 10-летний период (1979—1988 гг.), что и для первого этапа международной программы по сравнению моделей общей циркуляции атмосферы AMIP [7], поскольку в настоящее время материалы сравнения участвовавших в этом проекте моделей [6, 7] доступны.
В статье описана постановка численных экспериментов, проведенных с моделью ОЦА Гидрометцентра России, приведена методика анализа результатов экспериментов, представлен анализ некоторых результатов моделирования.
Анализируется реалистичность воспроизведения моделью средних за 9 лет характеристик атмосферы, некоторых аспектов изменчивости метео-6
рологических величин в тропическом регионе Тихого океана (5° ю. ш. — 5° с, ш., 120—180° з. д. — области Эль-Ниньо и Ла-Нинья). Кроме того, приведена межгодовая изменчивость приземной температуры воздуха и осадков, осредненных по европейской территории России. В заключении сформулированы основные выводы.
Постановка численных экспериментов и методика анализа результатов
Модель ОЦА Гидрометцентра России подробно описана в монографии [1]. Описание версии глобальной модели T21L15 (спектральное разложение с треугольным усечением 21 гармоники, 15 уровней по высоте), с помощью которой проводились эксперименты, дано в [2, 3, 5]. В связи с этим полное описание модели не приводится. Основное внимание уделено описанию постановки двух численных экспериментов и методики обработки их результатов.
В данной работе анализируются результаты двух 10-летних численных экспериментов по исследованию влияния межгодовой изменчивости температуры поверхности океана (ТПО) на изменчивость различных характеристик циркуляции атмосферы. Исследование влияния температуры поверхности океана на циркуляцию атмосферы является фундаментальной проблемой, и; ее изучению традиционно посвящено большое количество работ.
Оба эксперимента рассчитывались с помощью одной и той же версии модели T21L15 [2] и различались только способом задания ТПО. В эксперименте 1 ТПО задавалась в виде среднемесячных значений, рассчитанных по данным наблюдений и интерполированных на сетку модели, и, следовательно, содержала ее внутригодовые и межгодовые изменения. Для эксперимента 2 ТПО была получена путем помесячного осреднения за 10 лет ТПО из эксперимента 1 и, таким образом, содержала реалистические внутригодовые изменения и не содержала межгодовую изменчивость. Как видно на рис. 1, средние по тропической зоне Тихого океана аномалии ТПО не превосходят 1,7°С в периоды максимальных положительных аномалий ТПО (годы активного Эль-Ниньо: 1983 и 1987) и не ниже -2°С в годы Ла-Нинья (1985 и 1988).
При анализе результатов экспериментов в данной работе была реализована следующая методика обработки:
1) строились ряды среднемесячных значений метеорологических величин;
2) рассчитывались и анализировались средние значения метеорологических величин за исследуемый период (в данных экспериментах — средние за 9 последних лет расчетного периода, т. е. за 1980—1988 гг.);
3) рассчитывались отклонения среднемесячных значений изучаемых метеорологических величин от средних за указанные 9 лет. В дальнейшем эти отклонения будем называть аномалиями;
4) данные реанализа NCAR/NCEP [8] обрабатывались за те же годы, по той же методике и использовались для оценки степени реалистичности результатов моделирования.
"С 2,5
2 • 1,51 ■ 0,5 О
•0,5-1 -7,5 -2 -2,5
7973 то 1981 тг 1983 738$ 7395 7Ж Ш7 7988
Рис, 1. Изменения со временем средних по тропическому региону Тихого океана (5° ю. ш. — 5° с. т., 120—180® з. д.) аномалий среднемесячной температуры поверхности океана в экспериментах 1 {/, 2) и 2
(3).
/ — аномалии среднемесячной ТПО; 2 — 6-месячные сглаженные аномалии ТПО в эксперименте 1; 3 — то же для эксперимента 2,
Анализ средних характеристик циркуляции атмосферы
В работах авторов [2—5] приведены средние характеристики атмосферной циркуляции» рассчитанные с помощью данной версии модели. Все опубликованные ранее результаты были получены в менее длительных экспериментах (3—3,5 года) и сравнивались не с данными реанализа, а с различными климатическими данными, но основные черты и особенности моделируемых характеристик сохранились и при длительных экспериментах.
На рис. 2 приведены осредненные за весь период интегрирования глобальные средние значения приземной температуры воздуха и интенсивности осадков, полученные в разных моделях, и эмпирические данные. Этот рисунок заимствован из отчета о первых результатах AMIP по сравнению моделей [9] и дополнен результатами эксперимента 1. (Чтобы не загромождать текст, обозначения и характеристики моделей не приводятся; они содержатся в отчете о первых итогах AMIP [7], а также на русском языке в [6].) На рис. 2 видно, что результаты эксперимента 1 с моделью Гидрометцентра России по этим осредненным показателям близки к результатам большинства моделей подобного класса и к данным наблюдений. В работе за недостатком места не приведено сравнение с данными реанализа средних за 1980—1988 гг. характеристик циркуляции атмосферы. Поэтому кратко
мм/сут 4,5 Ч
3,5 3
2,3
г
1,5 1
Рис. 2. Средние за 1980—1988 гг. глобальная температура приземного воздуха и интенсивность осадков но результатам
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.