ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2013, том 49, № 4, с. 401-408
УДК 551.511.3;551.511.31;551.558.21;551.513.27
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕАКЦИИ ОБЩЕЙ ЦИРКУЛЯЦИИ СРЕДНЕЙ АТМОСФЕРЫ НА ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ НЕОДНОРОДНОСТИ ОРОГРАФИЧЕСКИХ ВОЛН
© 2013 г. Н. М. Гаврилов*, А. В. Коваль*, А. И. Погорельцев**, Е. Н. Савенкова**
*Санкт-Петербургский государственный университет 198504 Санкт-Петербург, Петергоф, ул. Ульяновская, 1, **Российский государственный гидрометеорологический университет 195106 Санкт-Петербург, Малоохтинский пр., 98 E-mails:gavrilov@pobox.spbu.ru, koval_spbu@mail.ru Поступила в редакцию 13.04.2012 г., после доработки 23.10.2012 г.
Разработанная авторами параметризация динамического и теплового воздействия стационарных орографических волн (СОВ), генерируемых рельефом земной поверхности, включена в модель общей циркуляции средней и верхней атмосферы. Исследована чувствительность общей циркуляции атмосферы на высотах от тропосферы до термосферы к воздействию СОВ, распространяющихся из тропосферы. Рассмотрены изменения циркуляции атмосферы при изменениях условий генерации и распространения СОВ в разные сезоны. Показано, что в периоды солнцестояний СОВ оказывают основное динамическое и тепловое воздействие на среднюю атмосферу зимних полушарий, где изменения скорости зональной циркуляции, вызываемые СОВ, могут достигать 30%. В периоды равноденствий воздействие СОВ распределено более равномерно между Северным и Южным полушариями, а относительные изменения скорости зональной циркуляции средней атмосферы могут составлять 10%.
Ключевые слова: циркуляция атмосферы, мезомасштабные волны, орография, волновое ускорение, приток тепла, параметризация.
Б01: 10.7868/80002351513040032
1. ВВЕДЕНИЕ
В последние годы в связи с численным моделированием общей циркуляции средней и верхней атмосферы возрос интерес к изучению ускорений среднего потока и притоков тепла, создаваемых диссипирующими внутренними волнами в атмосфере. Одним из важных источников таких волн является топография земной поверхности. Орографические волны, возникающие в результате взаимодействия неоднородной по высоте земной поверхности с набегающим атмосферным потоком, могут распространяться в среднюю атмосферу и создавать там значительные ускорения среднего потока и притоки тепла, которые могут влиять на общую циркуляцию и тепловой режим атмосферы. Для включения в численные модели разработаны упрощенные алгоритмы, параметризующие тепловое и динамическое воздействие орографических волн (например, [1—3]). При расчете волновых ускорений среднего потока и притоков тепла указанные параметризации не учитывают вращения атмосферы, которое может существенно влиять на параметры стационарных орографических волн (СОВ) с частотами а = 0.
Известно, что орография и струйные течения имеют неоднородное распределение по земному шару и подвержены сезонным изменениям [4], приводящим к различиям волновых характеристик в зимнем и летнем полушариях. Спутниковые измерения мезомасштабной изменчивости собственного излучения, температуры и коэффициента преломления атмосферы [5—8] показали значительную неоднородность широтно-дол-готных распределений характеристик орографических волн в тропо-стратосфере, которые существенно зависят от сезона. Поэтому актуальна проблема учета наблюдаемой неоднородности распределений волновых источников в численных моделях общей циркуляции средней атмосферы.
В данной статье разработанная авторами параметризация динамического и теплового воздействия СОВ [9] включена в численную модель общей циркуляции средней и верхней атмосферы. Исследована чувствительность общей циркуляции атмосферы на высотах от тропосферы до термосферы к воздействию СОВ. Рассмотрены изме-
нения циркуляции атмосферы при изменениях условий генерации СОВ в разные сезоны.
2. ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ ЭФФЕКТОВ СОВ
Используемая параметризация динамического и теплового эффектов СОВ в атмосфере описана в [9]. Для расчета суммарного вертикального потока волновой энергии и амплитуды колебаний горизонтальной скорости в [9] получены и использованы поляризационные соотношения для СОВ, учитывающие вращение атмосферы. Из этих соотношений получено дифференциальное уравнение, описывающее изменение амплитуды СОВ с высотой. Это уравнение решается при заданной амплитуде волны на нижней границе и заданных высотных профилях среднего ветра и температуры. Затем по указанным формулам рассчитываются волновое ускорение и полный волновой приток тепла, которые можно использовать в атмосферных динамических моделях (см. [9]).
Для параметризации мезомасштабной орографии в данной работе использована модификация метода [3] "подсеточной" орографии с горизонтальными масштабами изменения высоты земной поверхности, меньшими шага горизонтальной сетки численной модели. В используемой параметризации [9] масштабы высот подсеточной топографии 20—200 км [3] выделяются численными фильтрами путем усреднения по участкам поверхности Земли с гауссовскими весовыми функциями. В окрестности каждого узла горизонтальной сетки модели рельеф подсеточных масштабов аппроксимируется эффективным эллипсом [1]. Рассмотрение сил, действующих на набегающий атмосферный поток со стороны эффективного эллиптического горного барьера методами [10] позволяет определить амплитуду и эффективное горизонтальное волновое число СОВ на нижней границе, которые необходимы для описанных выше расчетов (см. [9]). В данной работе использована база данных высот земной поверхности ETOPO2 с шагом в 2 минуты вдоль широты и долготы.
3. ЧИСЛЕННАЯ МОДЕЛЬ ОБЩЕЙ ЦИРКУЛЯЦИИ АТМОСФЕРЫ
При изучении влияния СОВ на атмосферную динамику описанная выше параметризация была включена в численную модель общей циркуляции средней и верхней атмосферы (МЦСВА) [11, 12], разработанную на основе модели COMMA-LlM (Cologne Model of the Middle Atmosphere — Leipzig Institute for Meteorology) [13]. Основой этих модификаций является модель, разработанная ранее в Кельнском университете, Германия [14]. Краткое описание ее уравнений и основных учитываемых физических процессов можно найти в [15]. Модель основана на стандартной системе примитивных уравнений в сферической системе координат. Учитываются процессы радиационного нагрева-
ния и охлаждения атмосферы за счет газовых составляющих O, O2, O3, H2O, CO2 и NO. На высотах нижней термосферы учитываются дополнительные динамические источники тепла. Учтено ионное торможение, молекулярная вязкость и теплопроводность, а также турбулентная диффузия. В модели предусмотрена возможность возбуждения планетарных волн вблизи поверхности земли. Предусмотрена возможность изменения альбедо подстилающей поверхности.
Расчеты проводятся для высот от 0 до 150 км, однако погодные изменения и облачность в тропосфере не моделируются. Основные рассчитываемые моделью параметры включают зональную, меридиональную и вертикальную компоненты скорости, геопотенциал и температуру. Применена процедура расщепления Марчука— Странга [16, 17] и для интегрирования по времени используется схема, предложенная Мацуно [18]. Для поддержания устойчивости решения применяется фильтр Фурье, который ограничивает зональное разрешение приблизительно до 500 км. Шаги горизонтальной сетки модели составляют 5.6° по долготе и 5° по широте в пределах от 87.5° S до 87.5° N. Вертикальная сетка модели имеет постоянный шаг по координате г = Hln(p0/p), где p0 — приземное давление и H = 7 км. В настоящих расчетах была использована версия модели с 48 уровнями по высоте с шагом Лг примерно 2.7 км. Шаг интегрирования по времени составляет 450 с.
В качестве нижних граничных условий на изобарическом уровне 1000 гПа задаются среднезо-нальные климатические распределения геопотенциальной высоты и температуры. В прогностическое уравнение для температуры введено слагаемое, пропорциональное разности рассчитанной и наблюдаемой среднезональной температуры в тропо-стратосфере по данным UK Met Office. Константа пропорциональности представляет собой величину, обратно пропорциональную характерному времени релаксации (~5 суток) рассчитанной температуры к наблюдаемой. Это позволяет реалистично воспроизводить расположение и интенсивность струйных течений в тропосфере.
В связи с тем, что в приземном слое амплитуды СОВ малы, расчет волновых характеристик по параметризации п. 2 начинается с высоты 7 км, на которую экстраполируются приземные значения характеристик СОВ. Рассчитанные притоки тепла, создаваемые СОВ, добавляются в уравнение притока тепла МЦСВА, а зональная и меридиональная компоненты волнового ускорения — в уравнения МЦСВА для соответствующих составляющих скорости.
В качестве начального приближения используется безветренная стратифицированная атмосфера, с реалистичным вертикальным профилем температуры. В течение первых 150 дней модельных расчетов выполняется несколько этапов "приспособления". Первые 30 дней расчеты ве-
дутся с постоянными значениями геопотенциальной высоты на нижней границе, с 31-го дня вводятся наблюдаемые изменения. Первые 120 дней расчеты производятся с учетом только среднесуточного нагрева атмосферы, после этого постепенно включаются суточные вариации нагрева и используется дополнительное прогностическое уравнение для геопотенциала на нижней границе. Расчеты до 150 модельного дня проводятся при фиксированном положении Земли на орбите, затем в модели учитывается сезонное изменение солнечного нагрева. Начальные даты расчетов для разных сезонов подбираются так, чтобы модельные дни 151—210 соответствовали январю—февралю, апрелю—маю, июлю—августу и октябрю—ноябрю.
4. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ
Для исследования влияния орографических волн, генерируемых рельфом земной поверхности и распространяющихся вверх, на общую циркуляцию и тепловой режим средней атмосферы были проведены расчеты с использованием описанной в п. 3 модели МЦСВА с включенной параметризацией динамического и теплового воздействия СОВ (см. п.2). Расчеты проводились для условий, соответствующих различным сезонам. Для каждого набора исходных данных расчитывались гидродинамические поля (скорости ветра, температуры, геопотенциала и т.д.
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.