УДК 551.513;551.589.6
ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ СЕЗОННЫХ АНОМАЛИЙ АТМОСФЕРНОЙ ЦИРКУЛЯЦИИ ПРИ ПОМОЩИ СОВМЕСТНОЙ МОДЕЛИ
АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА © 2014 г. М. А. Толстых*, **, Н. А. Дианский*, А. В. Гусев*, Д. Б. Киктев**
*Институт вычислительной математики РАН 119333 Москва, ул. Губкина, 8 **Гидрометцентр России 123242 Москва, Б. Предтеченский пер., 11-13 E-mail: tolstykh@inm.ras.ru Поступила в редакцию 22.03.2013 г., после доработки 03.07.2013 г.
Создана совместная модель атмосферы и океана, ориентированная на воспроизведение совместной циркуляции на временных масштабах до сезона. Полулагранжева модель общей циркуляции атмосферы Гидрометцентра России ПЛАВ соединена с сигма-моделью общей циркуляции океана ИВМ РАН INMOM. С помощью совместной модели выполнены численные эксперименты по ансамблевому моделированию циркуляции атмосферы и океана длительностью 4 месяца каждый по реальным начальным данным для всех сезонов годового цикла в период 1989—2010 гг. Результаты этих экспериментов сравнивались с результатами модели ПЛАВ с простой эволюцией температуры поверхности океана. Проведенный сравнительный анализ показал перспективность применения совместной модели для прогнозирования среднесезонных аномалий атмосферной циркуляции. На примере явления Эль-Ниньо 1997—1998 гг. показано, что совместная модель дает существенно лучший прогноз среднесезонных аномалий в периоды нестационарных фаз Эль-Ниньо.
Ключевые слова: совместная модель, атмосфера, океан, среднесезонная циркуляция, Эль-Ниньо.
Б01: 10.7868/80002351514020126
1. ВВЕДЕНИЕ
Первые эксперименты по воспроизведению сезонных аномалий климата относятся еще к 70-м годам прошлого века [1]. Особенный интерес во всем мире эта тема вызвала в последние годы, что связано со значительным прогрессом в развитии моделей общей циркуляции атмосферы и океана в последние десятилетия, а также успехами в области усвоения данных дистанционного зондирования Земли [2].
Во многих метеорологических центрах разработаны и реализованы системы долгосрочного (в том числе сезонного) прогноза на основе совместных моделей общей циркуляции атмосферы и океана (например, [3]). Классификация различных численных прогнозов погоды приведена, например, в [4]. Объектом прогноза при этом являются среднесезонные аномалии метеорологических полей по отношению к среднеклиматическим значениям для данного сезона. Типичное пространственное разрешение компонентов такой системы сезонного прогноза составляет 0.3°—1.9° по долготе и широте и 30—70 уровней по вертикали для
модели атмосферы и 0.25°—1° по долготе и широте и около 30 уровней по вертикали для модели океана. Прогноз среднесезонных аномалий температуры и осадков в силу атмосферной синоптической изменчивости является, по сути, попыткой выделить слабый сигнал на уровне сильного шума. Стандартным подходом при решении таких задач является расчет ансамбля сезонных прогнозов с возмущенных начальных данных. Характерное количество прогностических реализаций ансамбля составляет 10—60.
На сезонных временных масштабах существенный вклад в климатическую изменчивость вносят, например, такие явления, как Эль-Ни-ньо—Южное колебание (ЭНЮК), Североатлантическое колебание, Арктическая осцилляция. Эти явления оказывают существенное влияние на текущее состояние атмосферы и океана и могут изменять свою интенсивность и повторяемость на фоне изменений климата. Не случайно, что большой интерес к воспроизведению аномалий климата на масштабах от месяца до сезона проявили страны Юго-Восточной Азии в рамках проекта по разработке системы регионального
сезонного прогноза на основе мультимодельных ансамблей. По оценкам потенциальной предсказуемости, полученным независимо разными исследователями, этот регион является одним из тех, где возможно получение практически полезных прогнозов [4].
В Гидрометцентре России была реализована совместная модель атмосферы и океана, ориентированная на воспроизведение совместной циркуляции на временных масштабах до сезона. Для этого полулагранжева модель общей циркуляции атмосферы ПЛАВ (полулагранжев перенос абсолютного вихря), разработанная в Институте вычислительной математики (ИВМ) РАН и Гидрометцентре России, была соединена с сигма-моделью общей циркуляции океана, разработанной в ИВМ РАН (INMOM - Institute of Numerical Mathematics Ocean Model). С помощью модели атмосферы ПЛАВ, применяемой в данной статье, уже исследовалась потенциальная предсказуемость (с предписанной температурой поверхности океана) на сезонных временных масштабах [6]. Также получены оценки точности воспроизведения среднесезонной циркуляции на основе данных ре-анализа-2 NCEP/NCAR согласно протоколу международного эксперимента SMIP-2/HFP [7], в котором вместо предписанной (измеренной) температуры поверхности океана (ТПО) использовалась простая модель эволюции ТПО с сохранением начальных температурных аномалий в течение периода прогноза (persistent anomalies).
В настоящей статье исследуется качество воспроизведения некоторых характеристик средне-сезонной циркуляции атмосферы с помощью разработанной совместной модели атмосферы и океана. Для этого с ней были выполнены численные эксперименты по ансамблевому моделированию циркуляции атмосферы и океана на срок до 4 месяцев по реальным начальным данным для каждого из четырех сезонов за 1989-2010 гг. Для сравнения такие же расчеты были проведены с моделью атмосферы ПЛАВ с простой моделью эволюции ТПО.
2. ПОЛУЛАГРАНЖЕВА МОДЕЛЬ ОБЩЕЙ ЦИРКУЛЯЦИИ АТМОСФЕРЫ
В ИВМ РАН и Гидрометцентре России была создана полулагранжева глобальная конечно-разностная модель общей циркуляции атмосферы (SL-AV или ПЛАВ). Полулагранжев метод представления адвекции позволяет использовать в модели шаг по времени в несколько раз больший, чем шаг, определяемый условием Куранта. Особенностями блока решения уравнений динамики атмосферы данной модели являются применение конечных разностей четвертого порядка на несмещенной сетке для аппроксимации неадвективных слагаемых уравнений и использование
вертикальной компоненты абсолютного вихря и дивергенции горизонтальной скорости в качестве прогностических переменных. Блок решения уравнений динамики атмосферы представлен в работе [8], а численные методы горизонтальной дискретизации модели описаны в [9]. Модель включает в себя набор параметризаций процессов подсеточного масштаба (коротко- и длинноволновая радиация, глубокая и мелкая конвекция, планетарный пограничный слой, торможение гравитационных волн, параметризация тепло- и влагообмена с подстилающей поверхностью), разработанный в МетеоФранс и метеослужбах европейского консорциума ALADIN/LACE (http://www.rclace.eu) для региональной модели ALADIN [10]. Коротко они представлены в работе [7].
В настоящей работе используется версия модели ПЛАВ с пространственным разрешением 1.40625° и 1.125° по долготе и по широте с 28 уровнями по вертикали.
3. СИГМА-МОДЕЛЬ ОБЩЕЙ ЦИРКУЛЯЦИИ ОКЕАНА
В качестве океанического блока совместной модели атмосферы и океана используется разработанная в ИВМ РАН сигма-модель общей циркуляции океана INMOM. В основе INMOM лежит полная система нелинейных уравнений гидродинамики океана в сферических координатах в приближениях гидростатики и Буссинеска. В качестве вертикальной координаты используется безразмерная так называемая сигма-координата, а = (z — Z)/(H — Z), где z — обычная вертикальная координата; H — полная глубина океана, Ç — отклонение уровня океана от невозмущенной поверхности. Особенностью этой модели, отличающей ее от ряда других моделей океана, таких как MOM (Modular Ocean Model) в z-системе координат или POM (Princeton Ocean Model) в сигма-системе координат, является использование в ее численной реализации метода расщепления по физическим процессам и пространственным координатам [16].
В модель океана включена модель динамики и термодинамики морского льда [17]. Океанический блок для совместной модели практически тот же, что и для модели климатической системы ИВМ РАН [18], участвующей в международной программе МгЭИК по воспроизведению изменений климата. Пространственное разрешение составляет 1° по долготе, 0.5° по широте и 40 неравномерно расположенных сигма-уровней по глубине. Чтобы устранить проблему, связанную со схождением меридианов в географической системе координат, модель глобального океана была реализована в криволинейной ортогональной системе координат. Последняя получена с помощью конформного преобразования исходной сферической системы координат с сохранением поло-
жения географического экватора. При этом полюсные точки новой системы координат расположены на материках за пределами расчетной области, так что один полюс располагается на Таймыре, а второй — в Антарктиде симметрично первому относительно экватора, таким образом, чтобы экватор в модельной системе координат совпадал с географическим.
Коэффициенты вертикальной вязкости и диффузии выбирались согласно параметризации Па-кановского и Филандера как функция числа Ричардсона. Более подробное описание модели океана приведено в [17].
4. ОБЪЕДИНЕНИЕ МОДЕЛЕЙ ОБЩЕЙ ЦИРКУЛЯЦИИ АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА В СОВМЕСТНУЮ МОДЕЛЬ
Модель атмосферы интегрируется с шагом по времени 36 мин, а модель океана — 72 мин. Обмен информацией между моделями атмосферы и океана происходит каждый второй шаг по времени атмосферной модели. В процессе обмена в модель океана поступают рассчитываемые моделью атмосферы на поверхности океана потоки явного и скрытого тепла, импульса, суммарные (приходящие и уходящие) потоки длинноволновой и коротковолновой радиации.
Пересчет полей с атмосферной на океаническую пространственную сетку осуществляется с помощью билинейной интерполяции с учетом сферичности. Для пересчета ТПО, сгенерированной моделью океана, на атмосферную сетку используется процедура пространственного весового осреднения. А именно, ТПО во всех узлах океанической сетки, попадающих в ячейку атмосферной сетки, бралась с весом, пропорциональным площади пересечения соответствующей океанической ячейки с ячейкой атмосферной сетки. При расчете потоков на поверхности океана в модели атмосферы температурой поверхности океана сч
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.