ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2008, том 44, № 1, с. 5-20
УДК 551.515
МОДЕЛИРОВАНИЕ КВАЗИДВУХЛЕТНИХ КОЛЕБАНИЙ ЗОНАЛЬНОГО ВЕТРА В ЭКВАТОРИАЛЬНОЙ СТРАТОСФЕРЕ. ЧАСТЬ I. МАЛОПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ
© 2008 г. Д. В. Кулямин, Е. М. Володин, В. П. Дымников
Институт вычислительной математики РАН 119991 Москва, ул. Губкина, 8 E-mail: kulyamind@mail.ru Поступила в редакцию 20.07.2007 г., после доработки 10.09.2007 г.
В работе рассмотрена проблема моделирования квазидвухлетних колебаний (КДК) зональной скорости в экваториальной стратосфере. На основе малопараметрических моделей рассмотрены два механизма возбуждения КДК: через взаимодействие планетарных волн со средним течением на критических уровнях и через механизм обрушения гравитационных волн. Показана возможность получения аналога КДК с использованием каждого из этих механизмов, рассмотрены области значений параметров, при которых это возможно, изучены зависимости периода и амплитуды предельного цикла от параметров моделей. На основе совместной модели, объединяющей оба механизма, исследована относительная роль волн разных масштабов в формировании периода колебаний зонального ветра. Исследованы условия, необходимые для воспроизведения КДК в моделях общей циркуляции.
ВВЕДЕНИЕ
Начиная с шестидесятых годов прошлого столетия, когда появились первые наблюдения квазидвухлетних колебаний (КДК) зонального ветра в экваториальной стратосфере, число работ, посвященных различным аспектам КДК, продолжает непрерывно расти. Это глобальное климатическое явление может быть описано как медленно распространяющиеся вниз западная и восточная фазы зонального ветра, сменяющие друг друга с периодом около 28 мес (такие колебания непосредственно наблюдаются в экваториальной зоне на высотах примерно 16-50 км). На рис. 1 приведен высотно-временной график распределения зонального ветра в экваториальной стратосфере, построенный по данным КСБР [1] за 8 лет. Рисунок наглядно демонстрирует суть явления (периодическую смену направления среднего зонального ветра в стратосфере) и его основные свойства: меняющийся период от 24 до 30 мес, медленное опускание разнонаправленных фаз скорости (скорость опускания в среднем составляет 1 км/мес), зону распространения (на высотах в районе 60-10 Мб), величину амплитуды зональной скорости и ее распределение (с максимумами около 30 м/с на высотах порядка 20-10 Мб).
В широтном направлении интенсивные КДК наблюдаются в узкой полосе около экватора (=6° на север и на юг). Распределение амплитуды колебаний скорости примерно симметрично относительно экватора и близко к нормальному распределению с максимумом на экваторе (см. [2]).
Подробный современный обзор всех аспектов КДК приведен в [3].
Несмотря на кажущуюся меридиональную локальность этого явления, имеются многочисленные сведения о воздействии КДК на глобальные климатические характеристики. Основной предполагаемый механизм воздействия КДК на динамику атмосферы связан с модуляцией переноса волновой активности во внетропической стратосфере (в основном переноса стационарными волнами). Эта модуляция может стимулировать внезапные стратосферные потепления, однако анализ данных наблюдений показывает, что связь этих явлений неоднозначна (см. [3-5]). Модуляцией осуществляется также взаимодействие КДК с другими низкочастотными процессами типа явления Эль-Ниньо, основное влияние которого проявляется в воздействии на амплитуды планетарных волн в тропосфере [3, 6, 7]. Анализ данных наблюдений показывает воздействие на КДК годового форсинга инсоляции, а также нелинейную синхронизацию квазидвухлетнего и годового циклов [3, 8, 9].
Следует отметить и региональные связи КДК с процессами в тропиках - например, длительностью сезонных дождей в тропиках и активностью тропических ураганов в Атлантике [10].
Поскольку КДК зонального ветра непосредственно связаны с аналогичными колебаниями температуры тропической стратосферы, то влияние КДК на генерацию озона в тропической стратосфере и его перенос к полюсам (через модуляцию дина-
КСЕР реанализ
33
20-1-
ю £
н о
Ц40
л
СР
60^
80 100-
I20! 140 160180200
1988
1989
1990
1991
1992 Год
1993
1994
1995
1996
Рис. 1. Средний зональный ветер на экваторе по данным реанализа КСЕР за 8 лет в высотной зоне от 200 до 10 Мб. Величина скорости приведена в м/с, изолинии проведены с интервалом 5 м/с, пунктиром выделены зоны западного ветра (отрицательное направление).
мических процессов в стратосфере) также представляется закономерным [11-13]. Аналогичные тенденции обнаружены в процессах переноса других атмосферных примесей, образующихся в результате различных антропогенных воздействий или вулканической активности [3, 14, 15]. Важной также представляется и связь КДК с углеродным циклом в атмосфере.
Отметим, что в ряде работ [16-18] КДК рассматривается в связи с эффектом параметрического резонанса, однако такое понимание не может объяснить ряд ключевых особенностей реальных квазидвухлетних колебаний зонального ветра.
Несмотря на всю значимость КДК, лишь немногие климатические модели в настоящее время способны воспроизводить это явление [3], [19], [20]. В частности, модель Института Макса Планка МАЕСНАМ5 с высоким вертикальным разрешением достаточно реалистично воспроизводит
КДК (см. [21]). Причиной этому являются достаточно сложные и не до конца понятные механизмы формирования этого процесса. В настоящее время уже считается общепринятым, что в основе КДК зональной скорости в экваториальной стратосфере лежит нелинейное взаимодействие зонального потока и вертикально распространяющихся экваториальных волн.
Пионерские работы Холтона и Линдзена [22] показали, что основным носителем этого взаимодействия могут быть планетарные волны - смешанные Россби-гравитационные волны и волны Кельвина, однако впоследствии было установлено, что энергии этих волн явно недостаточно, и необходимо рассматривать весь спектр экваториальных волн вплоть до самых коротких гравитационных [3], [23]. Если механизм взаимодействия планетарных волн со средним потоком был осознан уже в самых первых работах, - в основе
этого механизма лежит взаимодействие волн и среднего потока на критических уровнях, где фазовая скорость волны равна скорости основного потока, - то механизм взаимодействия коротких гравитационных волн со средним потоком до сих пор до конца неясен [23], [24].
Поскольку критические уровни (а лучше сказать - критические слои) - это узкие зоны взаимодействия, то очевидно, что для его адекватного воспроизведения в климатических моделях необходимо высокое пространственное (вертикальное) разрешение, что является необходимым (но не достаточным!) условием воспроизведения КДК.
Поскольку мы предполагаем, что тип взаимодействия коротких и длинных экваториальных волн со средним потоком может быть разным, то мы можем условно разбить все экваториальные волны на две группы. К первой группе отнесем крупномасштабные волны, такие как экваториально захваченные волны Кельвина, смешанные Россби-гравитационные волны и длинные инерционно-гравитационные волны (их периоды примерно 1-5 дней, зональные длины более 1000 км). Ко второй группе отнесем мелкомасштабные гравитационные волны (с периодами <§1 сут, и зональными длинами волн примерно 10-1000 км). Как уже было упомянуто выше, несмотря на существенное отличие этих групп волн, их вклад в общее количество движения, передаваемое ими зональному потоку, фактически равноценен (см. [23]).
Исходя из всего вышеизложенного, в первой части данной работы мы попытались ответить на следующие вопросы.
1. Степень взаимодействия длинных экваториальных волн со средним течением, в основе которого лежит взаимодействие на критических уровнях, должна, конечно, зависеть от временного и пространственного разрешения соответствующей конечномерной аппроксимации. С математической точки зрения любая нелинейная модель, адекватно воспроизводящая КДК, должна порождать предельный цикл с периодом примерно 2 года в разумной области ее параметров. К этим параметрам естественно отнести и параметры пространственной и временной аппроксимации.
Представляется также интересным вопрос о том, является ли генерируемый предельный цикл глобальным аттрактором или этот аттрактор локальный.
В данной работе в качестве основной модели исследования КДК, порождаемого взаимодействием длинных волн и зонального течения, была взята модель Р. Пламба [25], которая будет описана в первом параграфе данной работы.
2. Поскольку в моделях общей циркуляции атмосферы с относительно грубым вертикальным разрешением реализовать механизм взаимодействия волн на критических уровнях едва ли воз-
можно, то возникает вопрос - возможно ли получить КДК, используя только параметризацию взаимодействия коротких гравитационных волн со средним потоком. Конечно, в большой степени ответ на этот вопрос зависит от метода параметризации. В настоящей работе мы в качестве модели описания взаимодействия коротких гравитационных волн со средним потоком взяли модель, предложенную К. Хинсом [26], [27], которая исторически использовалась нами при описании процессов взаимодействия гравитационных волн со средним потоком в средней атмосфере. Подробно этот метод будет описан в соответствующем параграфе, здесь же мы лишь отметим, что задача состоит в исследовании области параметров модели, в которой модель должна порождать предельный цикл.
3. При положительном ответе на предыдущий вопрос следующая задача состоит в исследовании относительной роли экваториальных волн разных масштабов в формировании КДК. Представляет интерес вопрос о том, какие именно волны определяют основные характеристики КДК зональной скорости в атмосфере и какой вклад вносят остальные волны. С этой целью на обобщенной модели взаимодействия коротких и длинных волн со средним течением должно быть исследовано совместное действие описанных механизмов возбуждения КДК.
Данная работа является первой частью цикла из двух работ. Вторая часть будет посвящена моделированию КДК с помощью моделей общей циркуляции атмосферы, разрабатываемых в ИВМ РАН.
1. МОДЕЛИРОВАНИЕ КДК НА ОСНОВЕ
ВЗАИМОДЕЙС
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.