научная статья по теме МОДЕЛИРОВАНИЕ КВАЗИДВУХЛЕТНИХ КОЛЕБАНИЙ ЗОНАЛЬНОГО ВЕТРА В ЭКВАТОРИАЛЬНОЙ СТРАТОСФЕРЕ. ЧАСТЬ I. МАЛОПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ Геофизика

Текст научной статьи на тему «МОДЕЛИРОВАНИЕ КВАЗИДВУХЛЕТНИХ КОЛЕБАНИЙ ЗОНАЛЬНОГО ВЕТРА В ЭКВАТОРИАЛЬНОЙ СТРАТОСФЕРЕ. ЧАСТЬ I. МАЛОПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ»

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.

Показать целиком