Математическое моделирование динамики внетропической стратосферы и взаимодействия стратосферы с тропосферой

• Автор: Боровко, Ирина Владимировна
• Шифр специальности: 25.00.29
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 115 с. : ил.

Введение
В настоящее время задачи динамической метеорологии стратосферы представляют значительный интерес. В первую очередь усилия направлены на изучение радиационных и фотохимических аспектов метеорологии стратосферы в связи с тем, что перенос фотохимически активных компонент, осуществляемый общей циркуляцией, служит основным регулятором связи между человеческой деятельностью и глобальным климатом. Изучение стратосферы в течение последних двадцати лет стимулировалось преимущественно необходимостью учесть наблюдаемые изменения в стратосферном озоне и определить вклад антропогенных химических выбросов, в частности, выбросов долгоживущих галогеновых соединений. В настоящее время количество таких выбросов уменьшилось благодаря Монреальскому Протоколу, и внимание сфокусировано на восстановлении озонового слоя при уменьшении концентраций галогенов. Необходимо также учитывать, что некоторые краткосрочные химические аномалии могут стать причиной значительного разрушения озонового слоя. Радиационные, динамические и фотохимические процессы, определяющие структуру и изменчивость озонного слоя существенно сложны для описания, в то время как большинство фотохимических моделей используют чрезвычайно упрощенные параметризации переноса газов. Поскольку эти модели используются для прогнозирования антропогенных воздействий на озоновый слой, разработка более реалистичных моделей является практически важной задачей.
Случаи экстремально высоких концентраций озона в тропосфере связаны с адвекцией в тропосферу стратосферного озона. Проникновение стратосферного воздуха в тропосферу возможно при определенных динамических условиях. Так называемая складка тропопаузы приводит к нарушению статической устойчивости. Так как высокая окисляющая

способность озона и образование во многих реакциях с его участием свободных радикалов кислорода определяют его высокую токсичность, повышенные концентрации озона в тропосфере могут нанести значительный вред биосфере. Возникновению складок тропопаузы способствуют планетарные волны, распространяющиеся из тропосферы в стратосферу.
Ясно, что динамическое взаимодействие между стратосферой и тропосферой, в частности, связанное с планетарными волнами, может оказывать существенное влияние на вариации тропосферной циркуляции с временными масштабами от нескольких дней до нескольких месяцев. Таким образом, учет стратосферных воздействий может оказаться существенным при долговременном прогнозе погоды.
Развитие глобальных атмосферных моделей требует не только описания фотохимических реакций транспортируемых газов, но и адекватного представления атмосферной циркуляции для того, чтобы оценить, каким образом перенос и перемешивание перераспределяют примеси в атмосфере. Глобальное распределение квазиинертных газов от источников в индустриальных регионах необходимо воспроизводить с высокой степенью точности, кроме того, необходимо потребовать аккуратного моделирования большого набора химически взаимодействующих газов на фоне таких процессов, как конвекция, осадки и т. д., которые могут иметь место на масштабах меньших, чем разрешение модели динамики атмосферы. В рамках всемирной климатической программы (VCRP) создан проект моделирования парниковых газов. Целями этого проекта являются исследования по моделированию парниковых газов совместно специалистами по динамике атмосферы и специалистами по атмосферной химии. Первый этап этого проекта - создание глобальной модели переноса химических трассеров. В рамках этого проекта ведется разработка моделей, описывающих различные процессы, влияющие на глобальный и региональный климат; ведется

исследование динамики климатической системы Северной Евразии и Арктического бассейна [Крупчатников и др., 2009].
Реалистичные прогнозы возможных климатических последствий человеческой деятельности и вариаций солнечной активности могут быть осуществлены только на основе развития численных моделей общей циркуляции, аккуратно воспроизводящих физические процессы, протекающие в верхней атмосфере, а также взаимодействие между верхней атмосферой и тропосферой. Разработка подобных моделей требует, прежде всего, детального понимания химических, физических и динамических процессов, относящихся к метеорологии верхней стратосферы.
Нижний слой атмосферы делится на два слоя —- тропосферу и стратосферу несколькими способами. Обычно это деление производится с помощью вертикального градиента температуры, который характеризует степень стратификации слоя атмосферы: тропосфера является слабо стратифицированным слоем (по отношению к вертикальному смещению частицы воздуха), стратосфера - сильно стратифицированным.
Климатология внетропической стратосферы обладает некоторыми особенностями: циркуляция зимнего и летнего полушарий сильно
различается, в зимнем полушарии преобладают западные ветры, (так называемый полярный вихрь), в то время как в летнем полушарии ветры восточные.
Нестационарные вихри синоптического масштаба и квазистационарные планетарные волны, представляющие собой главные черты общей циркуляции в тропосфере, быстро разрушаются по мере увеличения высоты над тропопаузой. В циркуляции стратосферы доминируют компоненты планетарного масштаба. Средняя зональная циркуляция вынуждается главным образом неравномерным нагревом, вызванным поглощением солнечной ультрафиолетовой радиации озоном и излучением инфракрасной радиации углекислым газом и озоном. В стратосфере температура радиационного равновесия в летнем полушарии

координат, его применение к задаче описания переноса примесей в геострофическом приближении. Также была сделана попытка обобщить этот метод на случай квагеострофической модели с вертикальной координатой г.