ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2009, том 45, № 1, с. 43-61
УДК 551.515
МОДЕЛИРОВАНИЕ КВАЗИДВУХЛЕТНИХ КОЛЕБАНИЙ ЗОНАЛЬНОГО ВЕТРА В ЭКВАТОРИАЛЬНОЙ СТРАТОСФЕРЕ. ЧАСТЬ II. МОДЕЛИ ОБЩЕЙ ЦИРКУЛЯЦИИ АТМОСФЕРЫ*
© 2009 г. Д. В. Кулямин, Е. М. Володин, В. П. Дымников
Институт вычислительной математики РАН 119991 Москва, ул.Губкина, д. 8
E-mail: kylyamind@mail.ru Поступила в редакцию 18.09.2008 г.
В работе рассмотрена проблема моделирования квазидвухлетних колебаний (КДК) зональной скорости в экваториальной стратосфере в моделях общей циркуляции атмосферы. В соответствии с результатами первой части работы на основе моделей, разработанных в ИВМ РАН, исследована возможность реализации в них механизмов возбуждения КДК от взаимодействия планетарных волн со средним течением и обрушения коротких гравитационных волн. Создана новая версия модели ИВМ РАН 2° X 2.5° X 80 с высоким вертикальным разрешением, кратко описано воспроизведение климата двумя версиями модели ИВМ РАН 2° X 2.5° X 39 и 2° X 2.5° X 80, приведены результаты спектрального анализа волновой активности на экваторе и подробно исследованы процессы формирования КДК в этих моделях. Для новой модели 2° X 2.5° X 80 получены реалистичные КДК зонального ветра как результат действия обоих механизмов.
ВВЕДЕНИЕ
Предлагаемая статья является второй частью работы, которая посвящена квазидвухлетним колебаниям зонального ветра в экваториальной стратосфере (КДК) и касается вопросов моделирования этого климатического явления. Подробное описание КДК и их влияния на общую циркуляцию атмосферы приведено в первой части работы [1]. В ней показано важное значение этого атмосферного феномена для климата Земли и, как следствие, необходимость его воспроизведения современными моделями общей циркуляции. Вторая часть посвящена моделированию КДК с помощью моделей атмосферы, разрабатываемых в ИВМ РАН, и предлагает анализ результатов численных экспериментов по их воспроизведению.
В первой части отмечено, что в настоящее время лишь немногие современные модели общей циркуляции атмосферы воспроизводят КДК зонального ветра в экваториальной стратосфере и другие эффекты, связанные с ними. Поэтому главной проблемой всей работы является задача построения моделей циркуляции атмосферы, адекватно воспроизводящих КДК. Основная трудность в решении этого вопроса содержится в реализации достаточно сложного механизма формирования КДК: нелинейного
* Кулямин Д.В., Володин Е.М., Дымников В.П. Моделирование квазидвухлетних колебаний зонального ветра в экваториальной стратосфере. Часть I. Малопараметрические модели // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2008. Т. 44. < 1. С. 5-20.
взаимодействия среднего зонального потока и вертикально распространяющихся волн разного масштаба. Результатом анализа механизмов возникновения кДк должно быть формулирование необходимых и достаточных условий, которым должны удовлетворять модели общей циркуляции для воспроизведения этого явления. Решению данной задачи посвящена первая часть работы, которая рассматривает процесс возникновения колебаний зонального ветра на основе простых малопараметрических моделей.
Кратко напомним ее содержание и основные результаты. Исследуемый процесс взаимодействия экваториальных волн со средним течением в экваториальной стратосфере зависит от масштаба волновых возмущений. Поэтому мы рассматривали два механизма формирования КДК: взаимодействие длинных волн с зональным потоком и обрушение коротких гравитационных волн. Такое разделение имеет особое значение для построения моделей общей циркуляции, поскольку генерация крупномасштабных волн является внутренним процессом, а гравитационные волны имеют подсеточный масштаб, и для их учета используются параметризации.
Формирование КДК на базе механизма взаимодействия длинных планетарных экваториальных волн с зональным потоком в экваториальной стратосфере рассматривалось на основе простой модели, предложенной Р. Пламбом [2]. В результате численных экспериментов было показано, что данный механизм требует от моделей высокого вертикального разрешения, поскольку критические слои,
на которых происходит основное взаимодействие, имеют малый вертикальный масштаб. Это условие естественным образом становится необходимым требованием для воспроизведения КДК в более сложных моделях общей циркуляции. Было показано, что характеристики колебательного процесса (период и амплитуда) находятся в сильной зависимости от волновых параметров и параметров самой модели. При этом колебательный процесс получается в области параметров, несколько отличных от реалистичных характеристик планетарных экваториальных волн. Логично предположить, что данная зависимость должна иметь место и в глобальных моделях, в которых, однако, данный тип волн должен воспроизводиться непосредственно, при этом возможны более сложные зависимости благодаря влиянию побочных процессов, не учитываемых в малопараметрической модели. Стоит отметить, что помимо процесса распространения крупномасштабных экваториальных волн в стратосфере в модели общей циркуляции должен быть реализован минимальный набор других атмосферных процессов, необходимых для осуществления механизма формирования КДК: взаимодействие длинных волн со средним течением происходит только при наличии некоторого диффузионного процесса (его роль выполняет Ньютоновское выхолаживание); смена положительной и отрицательной фазы цикла зонального ветра осуществляется за счет процесса вертикального перемешивания (вертикальной диффузии), который играет большую роль при сильных градиентах скорости. При этом характеристики колебаний зависят от характерных параметров этих процессов. При условии реализации описанных процессов можно ожидать воспроизведения КДК зонального ветра от взаимодействия с длинными волнами в моделях общей циркуляции, однако полученные условия могут быть недостаточными. Результаты экспериментов с малопараметрической моделью Пламба показывают, что описанного механизма в глобальных моделях не достаточно для возбуждения реалистичных КДК, поскольку реалистичной энергии длинных экваториальных волн не хватает (в простой модели ее значение завышалось). Таким образом, необходимо учитывать весь спектр волновых движений на экваторе.
Возникновение колебаний зональной скорости при взаимодействии среднего течения с короткими гравитационными волнами описывалось в первой части работы на основе построения малопараметрической модели, аналогичной модели Пламба. При этом для реализации механизма смены направлений ветра в нее также был включен процесс вертикальной диффузии, величина которого обуславливает характер полученного решения, а само взаимодействие с гравитационными волнами реализовано через обрушение волновых возмущений в среднем течении за счет доплеровского смещения. Как уже отмечалось выше, поскольку для мо-
делей с достаточно грубым разрешением процессы распространения гравитационных волн имеют подсеточный масштаб, механизм взаимодействия задавался в простой модели с помощью параметризации, предложенной К. Хинсом и описанной в работах [3, 4]. Выбор данной параметризации обусловлен, в первую очередь, ее использованием в модели общей циркуляции атмосферы ИВМ РАН. В результате численного моделирования было показано, что механизм обрушения гравитационных волн способен сам по себе сформировать колебания зональной скорости на экваторе в верхней атмосфере. Реалистичные КДК возникают в узком диапазоне параметров модели, при этом характеристики полученного цикла сильно чувствительны как к параметрам самой модели, так и побочным процессам, которые не учтены при ее построении, что значительно усложняет задачу реализации данного механизма возбуждения КДК в моделях общей циркуляции. Однако в случае работы с механизмом обрушения мелкомасштабных волн возможен выбор численных характеристик параметризации из широкого диапазона значений.
Роль мелкомасштабной волновой динамики представляется достаточно большой, и до сих пор не до конца осознаны механизмы ее воздействия на КДК. Результаты, приведенные в работе, демонстрируют общие черты в двух механизмах формирования КДК (общая схема действия вертикальной диффузии и смены направления скорости, линейные зависимости периода колебаний от основных волновых параметров). Однако объединять эти процессы в общих терминах нельзя, поскольку один никогда не будет учитывать все эффекты другого. Для получения более реалистичной картины построена совместная малопараметрическая модель, объединяющая оба механизма формирования КДК: через взаимодействие среднего течения с длинными волнами и через обрушение коротких гравитационных волн. Такая модель даже в упрощенной форме позволяет охватить весь спектр экваториальных волн и понять относительную роль процессов разных масштабов в возбуждении КДК. В результате численных экспериментов получена более реалистичная картина КДК зональной скорости на экваторе, при этом механизм поглощения планетарных волн действует в нижней части стратосферы, а механизм обрушения гравитационных волн охватывает верхние слои [1]. При совместном действии этих механизмов распространение гравитационных волн происходит на фоне колебаний зональной скорости, обусловленных действием длинных волн, причем первичная роль в формировании периода и несимметрии восточной и западной фаз КДК принадлежит планетарным волнам, а гравитационные волны играют второстепенную роль, подкачивая дополнительную энергию в колебательную систему.
Аналогичная задача получения КДК в простых моделях на основе действия гравитационных волн и совместного действия крупномасштабных и мелкомасштабных экваториальных волн рассматривается в работах [5, 6]. К сожалению, мы не знали об этих результатах к моменту выхода первой части нашей работы [1]. В работах [5, 6] использовались несколько другие модели взаимодействия волн со средним течением. Основное направление в исследовании охватывает изучение волновых характеристик и условий для возникновения КДК, для совместного действия обоих механизмов показана возможность компенсации недостающей планетарным волнам энергии через гравитационные волны и в
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.