ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2007, том 43, № 4, с. 463-475
УДК 551.510.53:551.55
ГЕНЕРАЦИЯ НОРМАЛЬНЫХ АТМОСФЕРНЫХ МОД СТРАТОСФЕРНЫМИ ВАСЦИЛЛЯЦИЯМИ
© 2007 г. А. И. Погорельцев
Российский государственный гидрометеорологический университет, 195196 Санкт-Петербург, Малоохтинский просп., 98 E-mail: apogor@rshu.ru Поступила в редакцию 06.12.2006 г., после доработки 29.01.2007 г.
Выполнен ряд численных экспериментов с использованием Модели средней и верхней атмосферы (МСВА) по расчету атмосферного отклика на внешнее возбуждение в тропосфере и моделированию внутренних стратосферных васцилляций, обусловленных взаимодействием стационарных планетарных волн (СПВ) со средним зональным потоком. Показано, что МСВА воспроизводит хорошо известные высокочастотные глобальные резонансные отклики атмосферы на внешнее возбуждение. Результаты моделирования показывают, что стратосферные васцилляции, возникающие в результате взаимодействия СПВ и среднего потока, ответственны за генерацию низкочастотных нормальных мод в нижней и средней атмосфере. Отмечается, что возрастание активности нормальных атмосферных мод в тропо- и стратосфере происходит одновременно с развитием внезапных стратосферных потеплений (ВСП). Однако, чтобы понять, какой процесс первичен, необходим дополнительный анализ результатов численных экспериментов и стратосферных данных. Сделан вывод, что для адекватного моделирования стратосферных васцилляционных циклов и/или событий ВСП, модели общей циркуляции атмосферы должны быть способны воспроизводить глобальные резонансные свойства атмосферы.
ВВЕДЕНИЕ
Атмосфера Земли представляет собой колебательную систему, в которой существуют собственные (резонансные) глобальные колебания, так называемые нормальные атмосферные моды [1-3]. В работах, посвященных изучению свойств собственных колебаний атмосферы, возможные источники возбуждения не рассматриваются, а лишь отмечается, что любой случайный метеорологический шум должен приводить к их генерации [4-7]. С другой стороны, известно, что в результате взаимодействия квазистационарных планетарных волн (СПВ) со средним потоком в стратосфере возникают квазипериодические осцилляции как среднего потока, так и амплитуды СПВ - так называемые стратосферные "васцилля-ционные циклы" [8] или просто "васцилляции" [9]. Важной особенностью васцилляций является то, что эти колебания возникают даже при задании постоянной амплитуды СПВ на нижней границе в результате нелинейного взаимодействия волны со средним потоком. В результате в стратосфере зимнего полушария наблюдаются чередующиеся состояния: сильная стратосферная струя при малых амплитудах волны и слабая стратосферная струя (или даже обращение циркуляции в случае разви-
тия стратосферных потеплений) при больших амплитудах волны, которые соответствуют различным фазам васцилляционного цикла. Как правило, в работах по моделированию стратосферных васцилляций ограничиваются рассмотрением стратосферы, т.е. варьируют амплитуду СПВ на нижней границе стратосферы, оставляя ее затем постоянной в процессе расчетов, и моделируют поведение волны и среднего потока в стратосфере [10, 11]. В такой постановке задачи отсутствует возможность возбуждения собственных колебаний атмосферы. Представляется интересным рассмотреть, к каким последствиям приведет учет взаимодействия с подстилающей поверхностью в задаче о вассилляциях в стратосфере, т.е. учесть тропосферу и дополнительное прогностическое уравнение для геопотенциала на нижней границе, которое является следствием обращения в нуль вертикальной компоненты скорости на поверхности. Можно ожидать, что, в отличие от случайного распределения периодов стратосферных васцилляций без учета тропосферы и подстилающей поверхности, максимальные квазипериодические вариации будут возбуждаться на частотах, близких к частотам собственных колебаний атмосферы.
1. ИСПОЛЬЗУЕМАЯ МОДЕЛЬ И СХЕМА ЧИСЛЕННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Для проведения модельных расчетов была использована Модель средней и верхней атмосферы (МСВА), которая представляет собой трехмерную нелинейную модель общей циркуляции атмосферы от уровня 1000 гПа до высот ионосферного слоя F2, разработанную на основе модели COMMA-LIM (Cologne Model of the Middle Atmosphere-Leipzig Institute for Meteorology) [12-14]. Это конечно-разностная модель с горизонтальным разрешением 5° х 5.625° (широта/долгота соответственно). В качестве вертикальной координаты используется log-изобарическая безразмерная высота x = -ln(p/1000), где р - давление в гПа. Может быть использовано произвольное (от 48 до 60) количество уровней по вертикали, причем расстояние между уровнями фиксировано и равно примерно 0.4. Таким образом, при максимальном количестве уровней верхняя граница располагается на высоте x = 24, что соответствует геопотенциальной высоте 300-400 км в зависимости от температуры термосферы и/или от солнечной активности. Поскольку в данной работе нас будут интересовать в основном динамические процессы, протекающие в средней атмосфере, для расчетов была использована версия МСВА с 48 уровнями по высоте, причем до высот термосферы геопотенциальная высота приближенно равна безразмерной высоте, умноженной на 7 км. В дополнение к радиационной схеме модели COMMA-LIM в термосфере учтен также нагрев за счет крайнего ультрафиолета [15] с эффективностью 0.3, как было рекомендовано в работе [16]. Исходная система эволюционных уравнений расщепляется на две системы более простых уравнений в соответствии с рассматриваемыми физическими процессами (адвекция и диффузия). Применена процедура расщепления Марчука-Странга [17, 18] и для интегрирования по времени используется схема, предложенная Мацуно [19]. Для того чтобы модель была способна воспроизводить глобальные резонансные свойства атмосферы, на нижней границе (уровень 1000 гПа) используется дополнительное прогностическое уравнение для гепотенциала. Кроме этого, МСВА была модифицирована для возможности учета в ней полученных в результате анализа данных NCEP/NCAR (National Center for Environmental Prediction - National Center for Atmospheric Research) [20, 21] широтно-высотных распределений среднезональной температуры в тропосфере и нижней стратосфере. Такой учет позволил реалистично воспроизводить в численных экспериментах расположение и интенсивность струйных течений в тропосфере, что важно для правильного моделирования распространения СПВ в стратосферу. На
уровне 1000 гПа задавались осредненные за 19922002 гг. распределения геопотенциальной высоты и температуры для января, учитывающие среднезо-нальные значения, а также СПВ с зональными волновыми числами m = 1-3, которые были получены из данных NCEP/NCAR реанализа [22]. Кроме этого, в прогностическое уравнение для температуры было введено дополнительное слагаемое, пропорциональное разности рассчитанной и наблюдаемой (данные NCEP/NCAR для января, осредненные за 1992-2002 гг.) среднезональной температуры в тропосфере и нижней стратосфере. Константа пропорциональности представляет собой величину, обратно пропорциональную характерному времени релаксации рассчитанной температуры к наблюдаемой. Время релаксации полагалось равным 5 суткам. Следует отметить, что первые 30 модельных дней расчеты проводились с нулевыми значениями геопотенциальной высоты на нижней границе, и только после этого постепенно вводились наблюдаемые распределения. В качестве начального распределения полей гидродинамических величин использовалась безветренная гидростатически сбалансированная атмосфера с вертикальным профилем температуры, характерным для января. Первые 120 модельных дней расчеты проводились с учетом только среднесуточного нагрева атмосферы и без дополнительного прогностического уравнения для геопотенциала на нижней границе. Последнее неявно означает, что все волны, которые генерируются распределенными в атмосфере источниками (например, за счет суточных вариаций солнечного нагрева и/или в результате нелинейных взаимодействий первичных волн), рассчитываются с нулевыми значениями возмущения геопотенциальной высоты на нижней границе (как это было реализовано в оригинальной модели COMMA). Такая постановка задачи в принципе неверна, так как в этом случае модельная атмосфера не обладает резонансными свойствами. После 120-го модельного дня постепенно включаются суточные вариации солнечного нагрева и используется дополнительное прогностическое уравнение для геопотенциала на нижней границе (вернее, для отклонения геопотенциала от заданного климатического распределения, рассчитанного по данным NCEP/NCAR).
2. РЕЗОНАНСНЫЕ СВОЙСТВА МСВА НА ПРИМЕРЕ "БЫСТРЫХ" НОРМАЛЬНЫХ АТМОСФЕРНЫХ МОД: ВОЛНА КЕЛЬВИНА И РОССБИ-ГРАВИТАЦИОННАЯ ВОЛНА С m = 1
Вначале для проверки резонансных свойств МСВА были выполнены расчеты отклика модели на локализованное по высоте в тропосфере теп-
8
6 -|
4
2 -|
0 10
2 8 Н
3 ^
р
! 6-з
С р
* 40 р
о
^ о
0 10
8
6
4
0
ГЕНЕРАЦИЯ НОРМАЛЬНЫХ АТМОСФЕРНЫХ МОД Волны Кельвина, Т = 30 ч
1-г
Волны Кельвина, Т = 33 ч
1-1-1-1-г
Волны Кельвина, Т = 36 ч
^ 60S
I I I
30S EQ 30N Широта, град
60N 90N
10
Рис. 1. Широтно-высотные распределения амплитуды возмущения геопотенциальной высоты в волне Кельвина с зональным волновым числом т = 1 и периодом 30, 33 и 36 ч соответственно. Интервалы между контурами 5 м.
ловое возбуждение. Задавалась произвольная постоянная амплитуда осциллирующего теплового источника с зональным волновым числом т = 1. Период возбуждения варьировался вблизи ожидаемого резонансного периода для распространяющейся на восток симметричной волны Кельвина
8 6 4
2
0 10
та 8 о
о
ы
м «
а
н р
е
Е
со
а р
(а)
6
4
е
Ш 2-
10
"Х7
0
90S 60S 30S EQ 30N 60N 90N Широта, град
Рис. 2. Широтно-высотные распределения амплитуды возмущения геопотенциальной высоты в Россби-гравитационной волне с зональным волновым числом т = 1 и периодом 25 (а), 28 (б) и 31 (в) ч соответственно. Интервалы между контурами 2 м.
(Т = 33 ч) и распространяющейся на запад первой антисимметричной моды - Россби-гравитацион-ной волны (Т = 28 ч) [23]. Широтная структура теплового источника задавалась
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.