ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2009, том 45, № 1, с. 145-160
УДК 551.465
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ОТКЛИКА АРКТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ОКЕАН-ЛЕД НА ВАРИАЦИИ АТМОСФЕРНОЙ
ЦИРКУЛЯЦИИ 1948-2007 гг.
© 2009 г. Е. Н. Голубева*' **, Г. А. Платов*
*Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН 630090 Новосибирск, просп. академика Лаврентьева, 6 **Новосибирский государственный университет 630090 Новосибирск, ул. Пирогова, 2 E-mail: elen@ommfao.sscc.ru E-mail: plat@ommfao.sscc.ru Поступила в редакцию 17.06.2008 г., после доработки 08.08.2008 г.
Представлены модельные расчеты, целью которых являлось воспроизведение климатических изменений в Северном Ледовитом океане, вызванных изменчивостью атмосферной циркуляции. В совместной численной модели океан-лед в качестве источника использовались данные реанализа NCEP/NCAR и его модифицированной версии CIAF о состоянии нижней атмосферы, радиационных потоках и осадках за период с 1948 г. по настоящее время. В ходе численных экспериментов выявлена реакция ледового покрова, циркуляции вод и термохалинной структуры Северного Ледовитого океана на вариации состояния атмосферы. Продемонстрировано существование периодов потепления и охлаждения в слое атлантических вод, а также существование режимов накопления пресной воды в Канадском бассейне и сброса ее через пролив Фрама и проливы Канадского архипелага. Численная модель воспроизводит перестройку циркуляции вод поверхностного и промежуточного слоя океана, сдвиг границы между атлантическими и тихоокеанскими водами и значительное сокращение площади льда.
ВВЕДЕНИЕ
Начиная с конца 80-х годов прошлого столетия, в Северном Ледовитом океане зафиксировано значительное потепление и увеличение слоя атлантической воды [1-4], сопровождающееся сокращением площади и толщины морского льда [5-6]. Анализ данных наблюдений позволил исследователям высказать предположение о том, что Северный Ледовитый океан переходит в новое, более теплое состояние [7].
Численные модели взаимодействия океан-лед-атмосфера являются мощным инструментом для изучения физических аспектов происходящих в регионе процессов и определения основных взаимосвязей в сложной климатической системе [8]. В частности, результаты модельных расчетов на основе глобальных моделей показывают, что именно Арктика является одним из наиболее чувствительных регионов к климатическим изменениям [9].
Рассмотренные отдельно от атмосферных моделей численные модели океана не способны описывать происходящую в системе океан-атмосфера взаимосвязь, однако на основе этих моделей с использованием данных о потоках на поверхности океана можно исследовать реакцию океана на вариации атмосферного воздействия. Эти исследования стали возможны в результате разработки архива данных реанализа КСЕР/МСЛИ [10].
Воспроизведение климатических изменений в Арктическом бассейне на основе совместных моделей циркуляции океана и морского льда - исследования, интенсивно проводящиеся в последнее десятилетие (см., например, работы [11-15]). Международный проект AOMlP (Arctic Ocean Model Intercomparison Project http://iish.cims.nyu.edu/ /project_aomip/overview.html) ставит основной своей целью разработку современных Арктических моделей, способных воспроизвести прошлые события, выявить взаимосвязь климатических процессов и промоделировать будущее состояние Северного Ледовитого океана по различным климатическим сценариям. В рамках численного эксперимента, проведенного с использованием данных реанализа NCEP/NCAR для временного периода с 1948 г. по настоящее время, проводится сравнение результатов моделирования по различным моделям с данными наблюдений. В ходе численных экспериментов отрабатываются параметризации физических процессов и проверяются научные гипотезы. Среди основных тем, по которым проводится сравнение, можно особо отметить направления, к которым относится данная работа: а) исследование изменчивости циркуляции атлантических вод в Арктическом бассейне; б) выявление механизмов, ответственных за накопление распресненной воды в районе Канадского бассейна и ее сброс в Северную Атлантику (см. схематическую карту области
Рис. 1. Схематическое представление рельефа диа Северного Ледовитого океана с указанием названий, употребляющихся в тексте. Хребет Ломоносова делит Арктический бассейн на Евразийский и Амеразийский суббассейны. Евразийский суббассейн простирается от хребта Ломоносова до материкового склона Гренландии, морей Баренцева, Карского и Лаптевых. Амеразийский суббассейн располагается от хребта Ломоносова до материковых склонов Канадского Арктического архипелага, Аляски, Чукотского и Восточно-Сибирского морей.
на рис. 1); в) численное моделирование изменчивости толщины и площади морского льда.
Цель исследования, представленного в настоящей работе, заключается в следующем: на основе совместной численной модели океан-лед с использованием банка данных реанализа КСЕР/МСАЯ и его модифицированной версии С1АБ [16] о состоянии нижней атмосферы, радиационных потоках и осадках за период с 1948 г. по настоящее время
а) воспроизвести климатические изменения, происходившие в Северном Ледовитом океане во второй половине ХХ столетия;
б) выяснить взаимосвязь между этими изменениями и их зависимость от типа атмосферной циркуляции.
В частности, в ходе исследования будут рассмотрены вопросы влияния вариаций атмосферной циркуляции на дрейф льда и циркуляцию верхнего слоя океана, изменение термохалинной структуры вод Северного Ледовитого океана, термодинамику ледового покрова. На основе численного эксперимента продемонстрировано существование периодов потепления и охлаждения в слое атлантических вод, Модель воспроизводит режим накопления распрес-ненной воды в Канадском бассейне в период антициклонической циркуляции поверхностных вод и режим ее сброса через пролив Фрама и проливы Канадского архипелага в циклонический период.
Перестройка циркуляции вод поверхностного и промежуточного слоя океана, вызванная сменой фазы Северо-Атлантической осцилляции, по результатам моделирования начинается в середине 70-х годов.
1. ПОСТАНОВКА ЧИСЛЕННОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
Исследование климатической изменчивости Северного Ледовитого океана для периода 19482007 гг. проводилось на основе численного эксперимента с использованием совместной численной модели океан-лед, адаптированной к области Арктики и Северной Атлантики.
1.1. Структура численной модели
Для описания океанических процессов использовалась численная модель динамики океана, ведущая свою историю от крупномасштабной модели циркуляции Мирового океана, разработанной в ИВМ и МГ СО РАН [17-19], адаптированная к региону Арктики и Северной Атлантики и модифицированная в ходе дальнейших исследований [20-21]. Система полных нелинейных уравнений гидротермодинамики океана выписана в криволинейных ортогональных координатах с использованием традиционных приближений гидростатики и
Буссинеска. На поверхности океана используется приближение "твердой крышки". Уравнения динамики решаются методом выделения баротропной и бароклинной мод; при этом баротропная часть представляется в виде решения уравнения относительно функции тока. При решении задачи по времени используется комбинация явного и полунеявного подходов с использованием метода расщепления по физическим процессам и геометрическим направлениям.
В настоящей версии численной модели адвек-тивно-диффузионное уравнение переноса тепла и соли расщепляется на два уравнения. Первое из них представляет процесс переноса, второе - процесс диффузии. Для диффузионного уравнения используется неявная численная схема по времени в комбинации с методом расщепления на одномерные сеточные уравнения. Уравнение, описывающее перенос течениями, аппроксимируется на основе применения схемы QUICKEST [22]. Численный алгоритм модели описан в работе [20]. Результат применения схемы QUICKEST представлен в работе [21].
Используемая модель морского льда, известная под названием эластическая вязкопластическая модель (elastic viscous-plastic), является модификацией стандартной вязкопластической модели динамики льда [23]. Данная модель подробно документирована в работе [24]. Толщина снежного покрова и льда вычисляется на основе термодинамической модели [25] для каждой категории льда. Горизонтальный перенос льда осуществляется с помощью адвективной схемы полулагранжева типа [26].
1.2. Область моделирования
Для моделирования процессов взаимодействия Арктического бассейна и Северной Атлантики рассматривается область Северного Ледовитого океана и северная часть Атлантического океана, начиная с 20° южной широты. Разрешение сетки для Северной Атлантики выбрано равным 1°. На круге 65° северной широты сетка сферической системы координат, принятая для Атлантики, естественным образом сопрягается с другой ортогональной сеткой с более подробным разрешением. Процесс построения второй сетки заключается в следующем: на малой полусфере с диаметром, равным диаметру круга 65°, строится одноградусная сферическая сетка координатных линий с полюсами, расположенными на суше; построенная сетка проектируется на полярную область, ограниченную кругом 65° северной широты [27]. При этом все координатные линии второй сетки ортогональны и на широте 65° переходят в соответствующие координатные линии сферической системы. Максимальное разрешение при этом составляет 35 км. В среднем, узлы численной сетки в области Северного Ледовитого океана находятся на расстоянии около 50 км. Вертикаль-
ное разбиение составляют 33 горизонтальных уровня со сгущением у поверхности, где разрешение равно 10 м. В область моделирования включены наиболее значимые проливы внутри Канадского архипелага. Минимальная глубина шельфовой зоны задана равной 50 метрам.
1.3. Начальное распределение
Начальное распределение полей совместной системы имеет немалое значение особенно для глубоководной части океана. Формирование термоха-линной структуры для глубинных слоев происходит на протяжении сотен лет. В нашем случае мы не ставим перед собой задачу подробного изучения этого вопроса, хотя и не отвергаем необходимость этого в по
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.