научная статья по теме ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ЦИРКУЛЯЦИИ МИРОВОГО ОКЕАНА И ЕЕ КЛИМАТИЧЕСКОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ В 1948–2007 ГГ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ЦИРКУЛЯЦИИ МИРОВОГО ОКЕАНА И ЕЕ КЛИМАТИЧЕСКОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ В 1948–2007 ГГ»

УДК 551.583

ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ЦИРКУЛЯЦИИ МИРОВОГО ОКЕАНА И ЕЕ КЛИМАТИЧЕСКОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ В 1948-2007 гг. © 2014 г. А. В. Гусев, Н. А. Дианский

Институт вычислительной математики РАН 119333 Москва, ул. Губкина, 8 E-mail: anatoly.v.gusev@gmail.com Поступила в редакцию 14.02.2013 г., после доработки 18.04.2013 г.

Представлены результаты воспроизведения глобальной циркуляции океана и ее межгодовой изменчивости за период 1948—2007 гг. с помощью сигма-модели общей циркуляции океана ИВМ РАН — INMOM (Institute of Numerical Mathematics Ocean Model). Одна из версий этой модели применяется также и для расчетов циркуляции Черного моря. Для задания реалистичного атмосферного воздействия использовались данные CORE. Показано существенное уменьшение к 2007 г. площади морского льда в Северном Ледовитом океане, согласующееся с данными наблюдений. Выявлена межждекад-ная климатическая изменчивость с заметным падением с конца 1990-х гг. интенсивности Атлантической термохалинной циркуляции (АТХЦ) и меридионального переноса тепла (МПТ) в Северной Атлантике (СА). МПТ показывает уменьшение поступления тепла из СА в атмосферу начиная с середины 1990-х гг. Таким образом, обнаружена отрицательная обратная связь в климатической системе Земли, направленная на уменьшение потепления климата, вызванного в последние десятилетия в основном антропогенным фактором. Выявлена также долгопериодная — около 60 лет — изменчивость АТХЦ, которая с задержкой около 10 лет влияет на термическое состояние поверхности СА. Обосновывается предположение, что этот механизм может делать вклад в формирование собственной долгопериодной изменчивости АТХЦ.

Ключевые слова: циркуляция океана, численное моделирование, морской лед, изменения климата.

Б01: 10.7868/80002351513060072

ВВЕДЕНИЕ

В связи с происходящими современными климатическими изменениями весьма актуальной задачей является подробное причинно-следственное и количественное описание процессов, происходящих в океане — важнейшем звене климатической системы Земли [1]. Это невозможно сделать, опираясь только на диагностический анализ данных наблюдений, поскольку их недостаточно, особенно в глубоководных частях Мирового океана (МО). Поэтому важнейшим современным инструментарием решения таких задач является численное моделирование и вычислительный эксперимент. Они позволяют получать количественные оценки межгодовых изменений термохалинной циркуляции в МО в целом и в его отдельных акваториях.

Исследования изменчивости состояния вод МО с использованием численных моделей, основанных на решении трехмерных уравнений геофизической гидродинамики, начались с середины 1960-х годов (см. классические работы [2, 3]). С тех пор произошел значительный прогресс в развитии моделей общей циркуляции океана

(МОЦО). При этом заметные успехи достигнуты в математической постановке, численных методах решения уравнений и параметризациях под-сеточных процессов. В наибольшей степени эти достижения определяются бурным развитием вычислительной техники, что позволило в МОЦО перейти от пространственных разрешений по горизонтали в 5° до порядка 1/10° [4]. Однако на нынешнем этапе развития столь высокое пространственное разрешение не позволяет проводить практические расчеты на сотни лет. Поэтому для долгосрочных расчетов по воспроизведению и прогнозу климата океана в настоящее время применяются модели с относительно невысоким разрешением порядка 1/2°.

Наиболее близка тематике воспроизведения характеристик общей циркуляции океана международная программа Coordinated Ocean-ice Reference Experiments (CORE) [5, 6]. Ее целью является исследование циркуляции МО и ее изменчивости на основе мультимодельного подхода, при котором все модели, участвующие в сравнении, должны использовать одинаковые сценарии экспериментов и одни и те же исходные данные для рас-

чета атмосферного воздействия. Первая серия расчетов CORE-I [5] посвящена воспроизведению среднеклиматического квазистационарного состояния океана и морского льда, а вторая — CORE-II [6] — их межгодовой изменчивости, при этом проводится сравнение результатов моделирования с комплексом разнородных данных наблюдений. В данной работе представлены результаты экспериментов с МОЦО INMOM (Institute of Numerical Mathematics Ocean Model), проведенных в рамках CORE-II [6]. При этом в настоящей статье приводятся некоторые дополнительные характеристические оценки океанической циркуляции, важные с точки зрения авторов для анализа климатической изменчивости.

1. ОПИСАНИЕ МОДЕЛИ ОБЩЕЙ

ЦИРКУЛЯЦИИ ОКЕАНА INMOM И СЦЕНАРИЯ ЧИСЛЕННОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

Разработанная в ИВМ РАН МОЦО INMOM относится к классу ст-моделей океана [7]. Современные МОЦО представляют собой сложные вычислительные комплексы, которые включают системы уравнений, описывающих крупномасштабную циркуляцию океана, методологию их численного решения, алгоритмы и программную реализацию, обработку результатов численных экспериментов [5—10]. Их создание, тестирование и оценка адекватности воспроизведения реальных процессов предполагает совместную информационную обработку результатов расчетов и данных наблюдений. Современные модели должны обеспечивать адекватное воспроизведение широкого спектра процессов, протекающих в океанах и морях.

Наиболее полно модель INMOM описана в [9]. В ее основе лежит система примитивных уравнений в приближениях гидростатики и Бус-синеска, записанная в обобщенных ортогональных координатах по горизонтали и в ст-системе координат по вертикали. Прогностическими переменными модели служат горизонтальные компоненты вектора скорости, потенциальная температура, соленость и отклонение уровня океана от невозмущенной поверхности [9, 11]. Для расчета плотности используется уравнение состояния, учитывающее сжимаемость морской воды и специально предназначенное для моделей циркуляции океана [12].

При численной реализации INMOM используется метод расщепления [13, 14] по физическим процессам и пространственным координатам, что является ее отличительной особенностью от других известных моделей [7]. Для этого уравнения динамики океана записываются в специальной симметризованной форме. Она позволяет представить оператор дифференциальной задачи

в виде суммы более простых операторов, каждый из которых является неотрицательным в норме, определяемой законом сохранения полной энергии. Это дает возможность расщепить оператор полной задачи на ряд более простых подзадач и построить их пространственные аппроксимации так, чтобы энергетическим законам сохранения, выполняющимся для исходной дифференциальной задачи, удовлетворяли все расщепленные дискретные задачи. Разностные аппроксимации по пространственным координатам строятся на "С"-сетке [15, 16].

Метод расщепления позволяет эффективно реализовывать неявные и малодиссипативные полунеявные схемы интегрирования по времени, которые дают возможность использовать шаг по времени в несколько раз больший, чем в моделях океана, основанных на явных схемах, с аналогичными пространственным разрешением и коэффициентами вязкости и диффузии.

Для переноса импульса используется полунеявная схема Кранка—Николсон по времени и полудивергентная аппроксимация по пространству, гарантирующая неотрицательность оператора переноса и каждого из его компонентов при расщеплении по направлениям [13]. Оператор боковой вязкости представляет собой комбинацию операторов 2-го и 4-го порядков [9, 10]. Для вязкости 2-го порядка используется неявная схема по времени и трехточечная аппроксимация по выделенному направлению. Для вязкости 4-го порядка используется явная схема по времени с двукратным применением пятиточечного шаблона по горизонтальному подпространству.

Компоненты горизонтального градиента давления рассчитываются с использованием уравнения гидростатики в специальной форме [10], которая позволяет уменьшить погрешности при разностных аппроксимациях в ст-системе координат, так как они равны нулю для линейного по глубине профиля плотности, дающего значительный вклад в полный вертикальный профиль, а также потому что в ней заранее вычитается та часть нелинейного по глубине профиля плотности, которая не дает вклада в горизонтальный градиент давления. В задаче геострофического приспособления компоненты ускорения Кориолиса аппроксимированы неявно.

Для переноса температуры и солености по времени используется явная схема Мацуно, а по пространству — разностная аппроксимация дивергентного типа, гарантирующая сохранение полного тепло- и солесодержания в случае отсутствия потоков на границах. Это важно для проведения климатических расчетов на длительные сроки. В качестве боковой диффузии для температуры и солености применяется изопикническая диффу-

зия с постоянным коэффициентом, реализованная полулагранжевым методом [1].

В качестве граничных условий на поверхности океана задаются потоки тепла, солености и импульса. Для температуры и солености на боковых границах и дне ставится условие отсутствия потоков. На границах для скорости ставится условие непротекания, дополненное условиями свободного скольжения на боковых границах и квадратичного трения на дне [9].

Используемая версия ШМОМ для МО построена в криволинейной ортогональной системе координат, полученной путем конформного преобразования географической системы. Один полюс располагается на п-ве Таймыр, а второй — в Антарктиде симметрично первому относительно экватора таким образом, чтобы последний в модельной системе координат совпадал с географическим. Окрестность экватора является волноводом для экваториально захваченных волн Кельвина и Россби, где также формируется сложная структура приповерхностных и подповерхностных течений и противотечений, воспроизведение которой очень важно, в частности, для правильного описания явления Эль-Ниньо — Южное колебание. Поэтому сохранение положения экватора в расчетной системе координат позволяет лучше воспроизводить эти процессы.

Для адекватного воспроизведения характеристик океана в высоких широтах в ШМОМ включена модель морского льда. Она состоит из трех модулей. Модуль термодинамики [17] описывает намерзание льда, выпадение снега, а также их таяние

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