УДК [551.513.001.572:551.583].001.36
Воспроизведение циркуляционных особенностей современного климата моделями общей циркуляции атмосферы
Г. В. Суркова«, Д. Ю, Гущина*
С помощью циркуляционного индекса, предложенного М. А. Петросянцем и Д. Ю. Гущиной, — интеграла зональной скорости ветра вдоль круга широты — выполнено сравнение качества воспроизведения современной циркуляции атмосферы 17 моделями общей циркуляции атмосферы (МОЦА), участвовавшими в международном эксперименте PMIP (Paleoclimate Modelling Intercomparison Project). В качестве реальных данных использовались среднемесячные (1948—1997 гг.) значения зональной скорости ветра на изобарических поверхностях 200 и 850 гПа по результатам объективного анализа NCEP/NCAR. Сопоставление реальных и модельных данных показало, что модели неплохо воспроизводят интенсивность циркуляции и локализацию оси максимальных значений в зонах западного переноса умеренных широт. Среди недостатков моделей можно отметить, что практически все они дают положение оси максимальных западных ветров ближе к полюсам, чем в реальности, а также завышают интенсивность западного переноса в нижней тропосфере, особенно в Южном полушарии. Модели, имеющие по вертикали 12 уровней и больше, лучше отражают реальную картину, 9—12-уровенные модели имеют большую несогласованность с данными наблюдений в умеренных широтах. Положение, интенсивность и ширина зоны восточной циркуляции в нижней тропосфере воспроизводятся моделями более успешно, чем в верхней, причем в приэкваториальных районах наилучшее согласование с данными реанализа демонстрируют модели с небольшим вертикальным разрешением.
1. Введение
Активное использование в климатологии моделей общей циркуляции атмосферы (МОЦА), а также совмещенных моделей общей циркуляции атмосферы и океана (МОЦАиО) требует сопоставления результатов моделирования между собой, сравнения их с данными наблюдений и косвенными климатическими данными.
Одна из областей применения моделей общей циркуляции — расчет климатических сценариев, отличных от современного климата, но возможных в реальности при различных сочетаниях внешних природных и антропогенных факторов. Изучение климатических ситуаций, которые уже существовали на Земле в прошлом, в свою очередь, дает более глубокое понимание процессов современного климата и возможных его изменений
* Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова.
в будущем. Кроме того, моделирование климатов прошлого позволяет определять степень значимости различных природных и антропогенных факторов в изменениях климата Земли [1]. При моделировании палеокли-матов в модель вводятся дополнительные данные о внешних климатообра-зующих факторах, действовавших в определенную прошлую эпоху (изменения инсоляции на внешней границе атмосферы, площади материкового оледенения и морских льдов, площади материков, типов растительности и т. д.). При моделировании климатов прошлого возникает возможность дополнительной валидации моделей путем сравнения модельных результатов с палсореконструкциями, выполненными на основе косвенных палеодан-ных, характеризующих климатические условия прошлого [5].
Международный проект PMIP (Paleoclimate Modelling Intercomparison Project) по сопоставлению данных моделирования климата для наиболее ярких климатических событий позднего плейстоцена и голоцена (18 и 6 тыс. лет назад) объединил результаты 18 глобальных климатических моделей общей циркуляции атмосферы и 9 моделей общей циркуляции атмосферы и океана, разработанных научными коллективами разных стран [6]. Анализ крупномасштабных особенностей динамики атмосферы в прошлом по данным PMIP представляет собой важную и интересную задачу и является целью дальнейшего исследования. Однако для его проведения на первом этапе необходимо оценить насколько сопоставимы модельные результаты между собой и насколько они соответствуют реальным данным.
Определение качества воспроизведения моделями циркуляционных особенностей атмосферы является довольно сложной задачей, так как требует анализа большого объема данных на разных уровнях тропосферы и в пределах всего земного шара. В данной ситуации представляется перспективным использовать комплексные интегральные характеристики циркуляции атмосферы, с одной стороны, отражающие закономерности определенного пространственного и временного масштаба, а с другой стороны, позволяющие уменьшать размерность и объем исследуемой информации. В качестве такого интегрального индекса в работе [2] был предложен индекс циркуляции глобальной атмосферы — циркуляция скорости зональной составляющей ветра вдоль кругов широты. В [2] было показано, что данный индекс хорошо отражает основные глобальные закономерности распределения зонального ветра во всей толще тропосферы и в нижней стратосфере. Изменчивость индекса была изучена на основе результатов объективного анализа данных наблюдений (NCEP/NCAR Reanalysis) [3], а также на основе результатов моделирования современного климата МОЦА ARPEGE (Франция) и ИВМ РАН (Россия) [4]. Эти исследования показали, что предложенный индекс циркуляции представляет собой характеристику, отражающую проявление глобальных закономерностей общей циркуляции атмосферы, а также позволяет хорошо оценивать адекватность воспроиз-ве- дения зональной циркуляции атмосферы в рамках моделей.
В настоящей работе исследуется воспроизведение циркуляционных характеристик атмосферы моделями общей циркуляции атмосферы, участвовавшими в эксперименте PMIP, для современного климата. На следующем этапе работы предполагается провести аналогичное сравнение глобальной циркуляции атмосферы, воспроизводимой моделями ОЦА, для наиболее
ярких климатических событий позднего плейстоцена и голоцена. В качестве показателя, отражающего глобальные черты атмосферной циркуляции, используется циркуляция скорости зональной составляющей ветра вдоль кругов широты.
2. Исходные данные
В качестве исходных данных были использованы:
1. Результаты моделирования среднемесячной зональной составляющей скорости ветра для современных климатических условий, полученные в рамках международного эксперимента PMIP по 17 МОЦА на изобарической поверхности 200 гПа и по 11 МОЦА на поверхности 850 гПа (табл. 1). Сокращение числа моделей при расчете циркуляции скорости на 850 гПа обусловлено тем, что не у всех моделей на этой изобарической поверхности результаты имеют глобальный охват (например, исключена область Тибета). Как видно из данных табл. 1, семь моделей имеют разрешение по вертикали 11 уровней и менее (BMRC, ССС2.0, CSIRO, GISS, LMCELMD4, LMCELMD5, YONU), остальные — 14 уровней и более;
2. Данные объективного анализа (NCEP/NCAR Reanalysis) среднемесячных полей зональной составляющей ветра на изобарических поверхностях 200 и 850 гПа с 1948 по 1997 г. Для сравнения модельных результатов с реальной циркуляцией атмосферы в качестве данных "наблюдений" был выбран именно массив NCEP/NCAR Reanalysis. Известно, что массив реа-нализа Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды является в
Таблица 1
Модели общей циркуляции атмосферы, для которых проводилось сравнение качества воспроизведения циркуляционных характеристик
Модель Организация Разрешение модели
BMRC Bureau of Meteorology Research Center (Австралия) R21, L9
ССС2.0 Canadian Center for Climate Modelling and Analysis (Канада) T32, LIO
ССМЗ NCAR Climate Community Model (США) T42, LI8
CCSR1 Center for Climate System Research (Япония) T21, L20
CNRM2 Centre National de Recherches Meteorologiques (Франция) T31.L19
CSIRO Common Wealth Scientific and Industrial Research R21, L9
Organization (Австралия)
ЕСНАМЗ Max-Planck Institut fuer Meteorologie (Германия) T42.L19
GEN2 National Center for Atmospheric Research (США) T42, LI8
GFDL Geophysical Fluid Dynamics Laboratory (США) R30, L20
GISS-IIP Goddard Institute for Space Studies (США) 72 x46,L9
LMCELMD4 Laboratoire de Meteorologie Dynamique (Франция) 48x36, LH
LMCELMD5 64 X 50, LI 1
MRI2 Meteorological Research Institute (Япония) 72x46,LI 5
UGAMP UK Universities Global Atmospheric Modelling Programme T42.L19
(Великобритания)
UIUCU University of Illinois Urbana-Champaign (США) 72x46, LI 4
UKMO UK Meteorological Office Unified Model (Великобритания) 96x73,L19
YONU Yonsei University (Корея) 72 x46,L7
Примечание. Указано горизонтальное (спектральные моды или количество точек сетки (широ-
та х долгота)) и L — вертикальное разрешение моделей.
отдельных регионах не хуже, а иногда и качественнее массива МСЕР/МСА11 Кеапа1у$13. Однако в результате исследований, проведенных на кафедре метеорологии и климатологии географического факультета МГУ, было показано, что при оценке глобальной циркуляции атмосферы посредством циркуляции скорости вдоль кругов широты максимальные расхождения между двумя массивами отмечаются у полюсов и вблизи экватора, при этом в остальных районах расхождения несущественны. Исследуемые в данной работе характеристики циркуляции скорости (см, раздел 3) локализованы, как правило, вне зон максимальных различий двух массивов, поэтому для оценки реальной циркуляции атмосферы были использованы данные только одного из них — 1^СЕР/МСА11 11еапа1у8к.
Крупномасштабные особенности атмосферной циркуляции будем описывать с помощью циркуляции скорости зональной составляющей ветра и(<р) вдоль круга широты <р [2]
Положительным значениям циркуляции скорости Ь9 соответствует преобладание западной зональной циркуляции, а отрицательным — восточной. Большие по абсолютной величине значения циркуляции скорости свидетельствуют об интенсивной зональной циркуляции, а малые значения Ь9 — об усилении меридиональных движений, блокирующих антициклонов и центральных циклонов.
Были рассчитаны значения Ьр по данным реанализа и 17 моделей МОЦА для всех широт в соответствии с горизонтальным разрешением по широте каждой модели. Данные реанализа имеют разрешение 2,5° вдоль круга широты.
По рассчитанным значениям определялось положение характерных циркуляционных систем: географическое положение максимумов циркуляции в зонах преобладания западного переноса в атмосфере
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.