научная статья по теме СОВМЕСТНАЯ ХИМИКО-КЛИМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ АТМОСФЕРЫ Геофизика

Текст научной статьи на тему «СОВМЕСТНАЯ ХИМИКО-КЛИМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ АТМОСФЕРЫ»

ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2007, том 43, № 4, с. 437-452

УДК 551.510.4:551.583

СОВМЕСТНАЯ ХИМИКО-КЛИМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ АТМОСФЕРЫ

© 2007 г. В. Я. Галин*, С. П. Смышляев**, Е. М. Володин*

*Институт вычислительной математики РАН 119991 Москва, ул. Губкина, 8 E-mail: galin@inm.ras.ru E-mail: volodin@inm.ras.ru **Российский государственный гидрометеорологический университет 195196 Санкт-Петербург, Малоохтинский просп., 98 E-mail: smyshl@rshu.ru Поступила в редакцию 06.12.2006 г., после доработки 18.01.2007 г.

Описывается совместная трехмерная глобальная модель химии и динамики нижней и средней атмосферы (от земной поверхности до высоты 90 км). С помощью модели проведены расчеты по программе AMIP2 (1979-1995 гг.) с учетом интерактивного взаимодействия между содержанием озона, радиационным нагревом и циркуляцией атмосферы. Результаты моделирования содержания озона и температуры сравниваются с данными наблюдений. Показана важность учета гетерогенных процессов на поверхности полярных стратосферных облаков для корректного моделирования пространственно-временного распределения содержания атмосферного озона.

ВВЕДЕНИЕ

Современные тенденции теоретических исследований структуры и газового состава атмосферы предполагают создание интерактивных химико-климатических моделей (ССМ - Chemistry-Climate Models) [1]. Как правило, подобные модели возникают в результате дальнейшего развития хорошо известных климатических моделей общей циркуляции атмосферы (МОЦА) США, Англии, Германии, Франции и других стран. В настоящей работе рассматриваются этапы развития подобной модели в России на базе климатической МОЦА, разработанной в Институте вычислительной математики Российской академии наук (ИВМ РАН) [2]. Необходимость в развитии таких моделей диктует сама природа. Хорошо знакомые явления глобального уменьшения содержания озона в атмосфере

[3], проблема "озоновых дыр" в полярных районах

[4], загрязнение атмосферы и всеобщее потепление климата [5] должны изучаться с учетом взаимодействия атмосферных физических и химических процессов, что возможно только с использованием подобных совместных математических моделей общей циркуляции и химии атмосферы. В данной работе с помощью созданной в ИВМ РАН и Российском государственном гидрометеорологическом университете (РГГМУ) совместной модели химии и динамики обсуждается возможность моделирования распределения озона в атмосфере и влияние на озон полярных стратосферных облаков на основе выполнения расчетов по между-

народной климатической программе AMIP2 (Atmospheric Model Intercomparison Project).

ОПИСАНИЕ МОДЕЛИ

Совместная глобальная трехмерная химико-климатическая модель ИВМ РАН и РГГМУ состоит их двух частей - динамической, разработанной в ИВМ РАН, и фотохимической, разработанной в РГГМУ. Обе части прошли долгий путь формирования и успешно участвовали и продолжают участвовать в целом ряде известных международных проектов по исследованию климата, газового состава и их изменений [3, 5]. Детальное описание моделей можно найти в работах [2, 6-8].

В динамической части модели уравнения гидротермодинамики атмосферы решаются конечно-разностным методом на сетке С. Конечно-разностная схема аппроксимации уравнений для горизонтальных скоростей в адвективной форме приведена в [9]. Использование уравнений горизонтального переноса в адвективной форме, а не в дивергентной, позволяет применять полунеявную схему расчета с большим шагом по времени, что существенно ускоряет расчеты по модели и приводит к тому же к более точным результатам. Формально данная схема не имеет каких-либо интегральных законов сохранения. Однако, как показывает практика численных экспериментов, систематическое несохранение интегральной энергии и углового мо-

мента в схеме невелико, и оно не влияет существенно на результаты интегрирования.

Прогностическими переменными в модели кроме горизонтальных скоростей являются температура, удельная влажность и приземное давление. В радиационном блоке модели применяется метод дельта-Эдингтона для расчета притоков тепла к атмосферным слоям [10]. При этом перенос коротковолнового солнечного излучения рассчитывается, начиная с длины волны 200 нм. В полосах поглощения озона в интервале 200-700 нм рассматриваются 8 спектральных участков из 18, принятых в модели. Коэффициенты поглощения озона в них взяты из работы [11]. Эффекты нарушения локального термодинамического равновесия в мезосфере в модели не рассматриваются.

Разрешение модели составляет 5 х 4 градуса по долготе и широте, и 39 с-уровней по вертикали от поверхности Земли до высоты 0.003 гПа. В стратосфере и мезосфере шаг сетки по вертикали составляет около 3 км. По времени используется схема центральных разностей с полунеявной схемой (неявно рассматриваются гравитационные волны). Шаг по времени составляет 12 минут. В полярных областях во избежание численной неустойчивости применяется Фурье-фильтрация прогностических переменных вдоль круга широты. Кроме того, на каждом шаге по времени используется горизонтальная диффузия в виде оператора Лапласа четвертой степени с постоянным коэффициентом, которая играет роль фильтра, подавляющего высокие пространственные частоты. Наличие такого фильтра существенно отражается на динамике озона в модели [8].

В модель также включены параметризации глубокой и мелкой конвекции [12], орографического [13] и неорографического [14, 15] гравитационно-волнового сопротивления. Параметризации гравитационно-волнового сопротивления представляют собой учет переноса импульса и энергии гравитационными волнами, которые генерируются, в основном, в тропосфере и разрушаются в более высоких слоях - стратосфере и мезосфере. В настоящей модели используется параметризация второго типа (неорографического сопротивления), в которой рассматриваются гравитационные волны, генерируемые вертикальным сдвигом скорости ветра и конвекцией. Неорографическое волновое сопротивление особо существенно при моделировании верхней стратосферы и особенно ме-зосферы, где обрушение гравитационных волн решающим образом влияет на средний поток.

Химическая часть модели учитывает изменчивость 74 основных газовых составляющих атмо-

сферы, прямо или косвенно влияющих на скорости фотохимического изменения озона. В модели учитываются реакции кислородного, водородного, азотного, хлорного, бромного и серного циклов, что позволяет рассматривать влияние химических процессов на образование и эволюцию как озона и влияющих на него газов, так и атмосферного сульфатного аэрозоля. Список используемых в модели газовых составляющих атмосферы, фотохимических и гетерогенных процессов соответствует приведенному в [6] с добавлением реакций серного цикла, влияющих на формирование сульфатного аэрозоля в стратосфере [16]. Количество и тип учитываемых фотохимических реакций позволяет исследовать изменчивость основных влияющих на озон газов как в стратосфере, так и в тропосфере и мезосфере.

Система уравнений переноса отношений смеси атмосферных газовых примесей с учетом фотохимического взаимодействия в совместной трехмерной модели решается для тридцати долгожи-вущих составляющих и пяти семейств (кислородного, азотного, хлорного, бромного и серного). Число уравнений определяется по соотношению фотохимических времен жизни газовых составляющих и постоянных времени атмосферного переноса. Если для какого-то газа эти времена сравнимы или фотохимическое время жизни превосходит постоянную времени переноса, то для него решается полное уравнение переноса с учетом жесткого химического взаимодействия с другими газами. Для газов, химическое время жизни которых существенно меньше характерного временного масштаба атмосферного переноса, в модели решается система жестких уравнений без учета их переноса атмосферной циркуляцией.

Если для решения уравнений переноса долго-живущих примесей используется алгоритм динамической модели, то для жестких уравнений в химической части модели применяются самостоятельные, специально разработанные алгоритмы решения жестких задач [17, 18]. Это так называемые Л-устойчивые методы решения жестких систем, когда решения на явном и неявном шаге берутся с разными весовыми коэффициентами.

Алгоритм совместной модели составлен таким образом, чтобы учитывать взаимодействие между химическими и физическими процессами на каждом модельном шаге по времени. На первом этапе временного шага вычислялись потоки солнечной радиации по всей толще атмосферы в каждой географической точке для данного сезона и времени суток. При вычислении данных потоков учитывалось текущее расчетное содержа-

ние озона в выше- и нижележащих слоях атмосферы, а также рассеяние света молекулами и аэрозолем. Для расчета переноса излучения в атмосфере используется методика, основанная на применении модифицированной схемы дельта-Эдингтона в коротковолновой части солнечного спектра [19]. Солнечный спектр разбивается на детальные подинтервалы числом около 80, диктуемые взаимодействием излучения с атмосферными газами согласно фотодиссоциационным соотношениям. В каждом из этих интервалов ведется расчет потоков прямой и рассеянной солнечной радиации с учетом поглощения газовых составляющих атмосферы, рассеяния на аэрозольных частицах, молекулярного рассеяния, отражения от подстилающей поверхности. Вычисленные радиационные потоки использовались далее для расчета скоростей фотодиссоциации атмосферных газов, которые учитывались в химическом блоке модели для вычисления скоростей фотохимического образования и разрушения рассчитываемых газов. При этом для оценки констант скоростей химических реакций использовалась вычисленные в динамическом блоке модели значения температуры атмосферы.

Значения скоростей фотохимического образования вместе с вычисленными в динамическом блоке модели скоростями атмосферного переноса массы использовались затем для моделирования эволюции содержания озона, водяного пара, метана, закиси азота, фреонов и других химически и радиационно-активных долгоживущих атмосферных газов. Одновременно вычислялись концентрации короткоживущих газов по описанной выше методике решения уравнений химич

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