Энергетический обмен атмосферы и океана с учетом мезомасштабных явлений по данным региональных экспериментов

• Автор: Репина, Ирина Анатольевна
• Шифр специальности: 04.00.24
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 222 с. : ил.

Введение.

Введение
Проблема исследования энергообмена в системе океан-атмосфера является одной из центральных в геофизике. Это обусловлено появлением ряда теоретических и экспериментальных результатов, свидетельствующих о важной роли океанов в процессах формирования погоды и климата. В настоящее время очевидно, что без учета реальных характеристик этого энергообмена невозможно успешное развитие как моделирования атмосферной циркуляции, так и создаваемых на его основе методов долгосрочного и сверхсрочного прогнозирования погоды и климата. Учитывая, что за последние десятилетия все чаще отмечаются климатические изменения во многих регионах Земли, исследование взаимодействия гидросферы и атмосферы становится все более необходимым понимания природы процессов, протекающих на нашей планете, развития наук гидрологии, метеорологии и океанологии.
Понятие взаимодействия океана с атмосферой охватывает:
1) структуру поверхности океана, образование разных типов волн,
2) потоки тепла, количества движения, вещества, пронизывающие поверхность океана,
3) физико-химические свойства поверхности океана (отражение, поглощение и излучение лучистой энергии, поверхностное натяжение),
4) физические процессы в пограничных слоях океана и атмосферы.
Основу взаимодействия океана с атмосферой составляет обмен энергией и
веществом, содержащимися в водной и воздушной средах. Обмен этот усложнен преобразованиями форм энергии, изменениями фазового состояния и физико-
Введение

химической структуры веществ, переходящих из одной среды в другую. В совокупности эти процессы определяют сложную изменчивость динамического и физико-химического состояния атмосферы и воды, имеющую широкий диапазон проявлений.
В общей проблеме энергообмена между океаном и атмосферой мелкомасштабное взаимодействие занимает особое место, являясь определяющим в обмене теплом, количеством движения и влагой непосредственно через границу раздела взаимодействующих сред. Теоретическое описание и расчет такого взаимодействия очень затруднителен из-за чрезвычайной сложности рассматриваемых физических процессов. Пригодность закономерностей и теоретических положений, полученных в основном для течений в аэродинамических трубах и для пристеночной турбулентности для условий подвижной поверхности раздела море-атмосфера нуждаются в тщательной проверке.
Турбулентный перенос является одним из основных механизмов переноса тепла в атмосфере и океане. Турбулентность определяет распространение примесей в воздушной среде, зарождение ветровых волн на поверхности моря и образование ветровых течений в океане. Турбулентная структура пограничных слоев атмосферы и океана существенно влияет на динамику атмосферы и океана в целом и является одной из наиболее важных особенностей их взаимодействия. Это значит, что физические величины, характеризующие состояние атмосферы и океана, в каждой точке пространства испытывают беспорядочные флуктуации. Точно также в фиксированный момент времени эти физические величины
Введение

различны в разных точках пространства. Беспорядочность движения в атмосфере и океане не позволяет во всех деталях описать изменения физических полей как функцию времени и пространства, поэтому для выяснения закономерностей турбулентного движения применяются различные статистические методы.
Изучение закономерностей атмосферной турбулентности является важной задачей геофизики. Через пограничные слои происходит непрерывное тепловое и динамическое взаимодействие, обмен влагой и солями. В погранслоях происходит и значительная часть диссипации турбулентной энергии атмосферных и океанских движений. Осреднение уравнений термо и гидродинамики приводит к появлению в производных соотношениях вторых центральных моментов, т.н. потоков тепла, влаги и количества движения. Появление новых неизвестных величин делает, вообще говоря, систему уравнений незамкнутой. Для ее замыкания необходимо связать возникающие вторые центральные моменты с характеристиками осредненных полей метеоэлементов. Но для этого необходимо определять эти поля экспериментально. Особое значение имеет изучение структуры и механизма турбулентного переноса, статистических характеристик флуктуаций физических полей, их связей с параметрами осредненного движения. При этом исследование тепловых потоков над морем представляет ряд повышенных требований к эксперименту.
Энерго- и массообмен между океаном и атмосферой происходит непосредственно через поверхность океана и определяется следующими физическими процессами: испарением, эффективным излучением поверхности
Глава I.

составляющие геострофического ветра; ве - эквивалентная потенциальная температура; ()ч- полное влагосодержание. Две последних величины выбраны потому, что они являются инвариантами при подъеме частицы воздуха в АПС и
е.=в +—& (1 15)
е„=а+а, Оле)
где в - потенциальная температура, ()у - парообразная влага, (21 -капельная влага , Ь - скрытая теплота конденсации, ср - теплоемкость воздуха при постоянном давлении.
Слагаемые и - фоновые (крупномасштабные горизонтальные
дх ду
градиенты эквивалентной потенциальной температуры; и - фоновые
дх ду
горизонтальные градиенты полного влагосодержания. С их помощью в первом приближении учитываются эффекты пространственной (горизонтальной) неоднородности.
Слагаемое с0 /дгВ уравнении (1.13) описывает радиационное
выхолаживание или нагревание. Здесь С - суммарный радиационный поток длинноволновой и коротковолновой радиации; с0 = Ое0/р0срТ0, где ро, Т0, в0
величины, соответствующие стандартной атмосфере на данной широте.
/ = 2Авт (р (Р - угловая скорость вращения Земли, (р - широта)
параметр Кориолиса. и' л' и г' л' - вертикальные составляющие напряжения