Синоптическая и крупномасштабная изменчивость океана и атмосферы

• Автор: Бышев, Владимир Ильич
• Шифр специальности: 25.00.28
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 264 с. : ил

Содержание
Введение
Глава 1. Данные наблюдений, методы обработки и анализа
временных рядов и полей
1.1 Данные наблюдений изменчивости в океане и атмосфере
1.2 Логические основы обработки данных наблюдений
Глава 2. Изменчивость хараткеристик океана
2.1 Изменчивость полей течений и температуры в зоне субарктического фронта Тихого океана ( по материалам МЕГАПОЛИГОНа).
2.2 Горизонтальная и вертикальная стру ктура синоптических возмущений в океане
2.3 Спектры синоптических течений в океане
2.4 Мезомасштабная изменчивость течений на Атлантическом полигоне
2.5 О балансе энергии синоптических возмущений в океане
Глава 3. Изменчивость характеристик атмосферы над океаном
3.1 Временная изменчивость некоторых характеристик приводного слоя
атмосферы
3.2 Временные спектры некоторых харакетристик атмосферы над океаном
3.3 Годовые и полугодовые колебания некоторых характеристик
приводного слоя атмосферы.
Глава 4. Взаимодействие океана и атмосферы
4.1 Эволюция термохалинной структуры верхнего слоя океана при нестационарных граничных условиях
4.2 Статистический анализ реакции полей температуры и течений
в океане на возмущения атмосферы
4.3 Влияние холодных синоптических вихрей океана на траекторию и эволюцию тропических циклонов
4.4 Формирование температурных аномалий в океане
4.5 Экспериментальные исследования аномалий на субполярном фронте
в Северной Атлантике
Глава 5. Крупномасштабная изменчивость климатической системы
5.1 Реакция атмосферной циркуляции внетропических широт Северного полушария на события в тропиках 18
5.2 Вероятностный отклик атмосферы Северного полушария на события Эль-Ниньо
5.3 Отклик Баренцева моря на события Эль-Ниньо
5.4 Особенности современных изменений климата Северного полушария
5.5. Новые данные о термодинамическом режиме климатической
системы в Северном полушарии
Заключение
Список литературы

ВВЕДЕНИЕ
Проблема о формировании и изменчивости климата в настоящее время является одной из центральных, в науках о Земле, а ее решение представляет фундаментальное научное и практическое значение [Climate Change 1995, 1996]. Обилие климатообразующих факторов [Физические основы теории климата..., 1977; Глобальный климат, 1987; Кондратьев, 1992] затрудняет установление причин, обуславливающих те или иные возмущения сложной многокомпонентой климатической системы. Двумя важными ее компонентами являются океан и атмосфера [Перри, Уокер, 1979], каждая из которых имеет свою внутреннюю динамику [Море, 1965; Лоренц, 1970; Пальмен, Ньютон, 1973; Монин, Каменкович, Корт, 1974]. Некоторые изменения в климатической системе обусловлены внутренней динамикой океана и атмосферы, другие определяются характером их взаимодействия [Малкус, 1965; Китайгородский, 1970; Зилитинкевич, Монин, 1977; Лаппо, 1979; Бортковский, 1975, 1983; Динамика климата, 1988; Крупномасштабные динамические процессы в атмосфере, 1988; Шукла, 1988; Монин, 1999]. Предполагается, что роль океана [Монин, 1977; Барнетт, 1980] возрастает с увеличением масштаба времени. Океан воздействует на атмосферу через поверхность раздела, а характер и особенности этого воздействия определяются условиями на самой поверхности, причем наиболее важным из граничных условий является температура поверхности океана (ТПО). Аномалии ТПО неоднократно, например, [Walker, Bliss, 1932; Namias, Cayan, 1981], рассматривались в качестве источника низкочастотных возмущений в атмосфере. Бьеркнес [Bjerknes, 1966, 1969] один из первых дал описание отклика атмосферы внетропических широт Северного полушария на аномалию ТПО в экваториальной части Тихого океана.
Численные эксперименты с использованием моделей общей циркуляции атмосферы [Julian, Chervin, 1978; Rowntree,1979; Keshavamurty, 1982] также показали, что аномалии ТПО в тропиках способны вызвать значительный отклик циркуляции внетропической атмосферы Северного полушария.
Экспериментальные [Уоллес, Блэкмон, 1988] и теоретические [Вебстер, 1988] исследования, в этом направлении были нацелены на выделение дальних связей [Horel, Wallace, 1981] и изучение их особенностей [Blackmon et al., 1977; Rusmusson, 1984; Pan, Oort, 1990]. Показано, что в качестве одного из механизмов, способного поддерживать дальние связи, могут выступать двумерные волны Россби в атмосфере, возбуждаемые экваториальным источником тепла [Хелд, 1988].
Наблюдаемые состояния океана и атмосферы определяются процессами, формирующими пространственную и временную структуру изменчивости каждой из названных компонент климатической системы и особенностями их взаимодействия в широком частотно-волновом диапазоне. Переходы климатической системы из одного фазового состояния в другое определяются изменением значимости отдельных процессов и перераспределением энергообмена между океаном и атмосферой внутри частотно-волнового пространства.
Спектральный состав энергонесущих возмущений в океане и атмосфере, за каждым из которых стоит определенный физический процесс, в целом остается неизменным в различные фазы состояния климатической системы. Изменения климата сопровождаются либо 1) перераспределением энергии внутри частотного диапазона, что означает активизацию одних процессов на фоне сокращения действия других, либо 2) вариацией направления потоков энергии, что происходит, например, при меандрировании струйных течений в океане и смещении траекторий циклонов в атмосфере.

Исследования изменчивости океана и атмосферы, особенностей их взаимодействия представляются исключительно актуальными, т.к. являются важным звеном в изучении физических основ изменения климата Земли.
Оценка роли отдельных факторов в наблюдаемых возмущениях климатической системы приближает нас к решению фундаментальной проблемы и важной практической цели - прогнозу климатических изменений.
Цель представленной диссертации состоит в оценке масштабов изменчивости климата Северного полушария в ХХ-ом столетии, роли океана и атмосферы и их взаимодействия в спектральном диапазоне, особенностей их взаимодействия. На основе этих результатов исследований предполагалось провести изучение крупномасштабных возмущений климатической системы на примере Северного полушария, а также выяснение их физической природы.
Исходя из цели работы, были сформированы следующие задачи исследований.
1. Путем анализа данных наблюдений на гидрофизических полигонах, проведенных в различных районах Мирового океана, исследовать пространственно-временную изменчивость возмущений океанологических характеристик в широком диапазоне масштабов, выделив из них наиболее энергонесущие. Изучить горизонтальную и вертикальную структуру этих возмущений, их динамические, кинематические и энергетические особенности.
2. По срочным измерениям на судах погоды и островных метеорологических станциях, вековым рядам наблюдений исследовать спектральный состав временных возмущений и пространственную изменчивость характеристик атмосферы над Атлантическим океаном.
3. Исследовать особенности взаимодействия океана и атмосферы на основе комплексных измерений на гидрофизических полигонах, судах погоды, специализированных экспедиций.
4. На основе балансовых расчетов и натурных измерений в энергоактивных зонах Тихого и Атлантического океанов оценить участие отдельных процессов в формировании аномалий температуры поверхности океана.
5. Изучить частотный состав глобальных изменений приземной температуры воздуха Северного полушария и выделить долгопериодные и короткопериодные возмущения климата в XX столетии.
6. На основе векового календаря типов атмосферных процессов по Дзердзеевскому осуществить диагноз возмущений атмосферной циркуляции Северного полушария в XX столетии.
7. Рассмотреть события Эль-Ниньо в качестве одного из факторов короткопериодных колебаний климата и получить вероятностные и количественные оценки перестройки атмосферной циркуляции Северного полушария, возмущений атмосферного давления на уровне моря, приземной температуры воздуха, высоты геопотенциальной поверхности Н500 ■
8. Исследовать особенности крупномасштабных изменений атмосферной циркуляции Северного полушария, а также полей атмосферного давления на уровне моря, приземной температуры воздуха и высоты поверхности Н50о в отдельные фазы климата XX столетия.
Диссертация состоит из 5 глав и заключения.
В главе 1 обсуждаются материалы наблюдений на основании которых проведены исследования изложенных в четырех следующих главах (2-5).
Далее в главе изложены логические основы обработки материалов наблюдений, некоторые сведения о спектральном и вероятностном методах.
В главе 2 на основе данных эксперимента ’’МЕГАПОЛИГОН” рассмотрена
согласованность полей течений V (х, у, ъ, 1) и температуры Т (х, у, г, 1) в океане.
Далее изложены результаты исследования горизонтальной и вертикальной структуры синоптических возмущений, их детальная спектральная структура.
Прохождение синоптических возмущений сопровождалось, как правило, изменением температуры воды, (см. например, рис. 2.1.10-2.1.13). Корреляция течений и температуры в точке АБС 1615, была отрицательной и довольно высокой (рмГ=-0,73; р„т = -0,80). Однако уровень корреляции заметно изменялся в пространстве, например, в точке АБС 1716 он был низким ( риТ =0,31; рхТ = 0,02).
Для тех случаев, когда корреляция между синоптическими течениями и температурой оказывалась высокой, можно оценить вертикальную скорость. Например, в точке АБС 1615 она ( ) имела порядок 4• 10'3 см!с ■
Таким образом, инструментальные измерения позволили получить представление о сложной пространственно-временной структуре течений в зоне субарктического фронта. Средний перенос в верхнем слое океана (120 м), рассчитанный путем осреднения за период наблюдений и по площади полигона, составил равным 4,8 см/с и был направлен на восток (V =0,0).
Синоптические течения на полигоне имели временные масштабы десятки суток (месяц и более) и содержали весь спектр направлений (от восточного до западного и от северного до южного). Для августа, сентября и октября синоптические течения на гор. 120 м представлены на рис.2.1.7-2.1.9, соответственно. Они захватывают, по крайней мере, слой от поверхности до 1200 м и имеют пространственный масштаб 100-150 км и более.
Мезомасштабные течения наблюдались на всех горизонтах (120, 400, 1200 и 4500 м), однако в верхнем слое они присутствовали практически всегда. Их временной масштаб составлял в среднем от 4-5 до 8-10 суток, а пространственный - десятки километров.
О взаимосвязи динамики вод и изменчивости поля температуры. Вернемся к рис.2.1.5, на котором представлена изменчивость изотермы 20°С во времени (вторая половина августа - начало сентября) и в пространстве. Поскольку изотерма 20°С на поверхности океана (рис.2.1.3) в августе 1987 г. удовлетворительно отслеживала положение фронтального раздела, то ее динамика свидетельствовала об активном трансфронтальном обмене. Как видно из рис.2.1.5, можно выделитьнаправления преобладающего трансфронтального обмена ( на рис.2.1.5 они указаны римскими цифрами 1-У). Локальные участки активного теплообмена чередовались с участками, где трансфронтальный обмен был незначительным ( на рис.2.1.5 они обозначены а,Ь,с,<1). Один из фрагментов трансфронтального обмена представлен, очевидно на рис.2.1.3 (вдоль направления III). Анализ диаграмм прогрессивных векторов в точке АБС 1713 (ср =41°20'5 с.щ., Л- 154°08'в.д.) на горизонтах 113 и 424 м свидетельствует о прохождении с 07.08 по 08.10.1987 г. через точку нескольких циклонических и нескольких антициклонических возмущений. Два циклонических возмущения (с 26.08 по 08.09.1987 г. и с 19.09 по 30.09.1987 г.) проследовали с северо-запада на юго-восток. Прохождение циклонических возмущений сопровождалось понижением температуры воды (гор.113 м) с 10 до 4°С в первом случае и с 10,9 до 7,6°С - во втором. Антициклонические возмущения перемещались с юго-запада на северо-восток и сопровождались ростом температуры.
Измерения, выполненные в районе субарктического фронта Тихого океана, позволяют провести анализ изменчивости ТПО и оценить вклад в эту изменчивость различных масштабов.
Для этой цели воспользуемся уравнением теплопроводности в виде [Физика океана,
1973]