Реакция термических полей в высоких широтах на вариации облачности, обусловленные гелиофизической активностью Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 551.51+519.6

А.А. Фоменко, Л.И. Курбацкая

ИВМиМГ СО РАН, Новосибирск

РЕАКЦИЯ ТЕРМИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ В ВЫСОКИХ ШИРОТАХ НА ВАРИАЦИИ ОБЛАЧНОСТИ, ОБУСЛОВЛЕННЫЕ ГЕЛИОФИЗИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТЬЮ

В настоящее время большое внимание уделяется природе атмосферной циркуляции, а также ее изменчивости, обусловленной различными физическими механизмами. В работе [1] описан один из возможных механизмов, влияющий на природные процессы. Основная идея данного механизма состоит в учете влияния солнечной активности на тропосферные характеристики атмосферы. Внешние факторы, связанные с солнечными космическими лучами сопровождаются магнитосферными возмущениями, способными управлять потоком энергии, уходящей от Земли в космос. Другими словами, усиление гелиофизической активности (потоки солнечных космических лучей, возмущения солнечного ветра и межпланетного поля, геомагнитные бури и суббури) приводит к увеличению разности электрического потенциала ионосфера-Земля, способствуя тем самым перераспределению по высоте в тропосфере заряженных ядер конденсации, роль которых играют отрицательно заряженные аэрозоли. Поднятие таких аэрозолей на большую высоту создает условия для увеличения концентрации ядер, и, следовательно, дополнительные предпосылки для конденсации водяного пара (если его содержание достаточно высокое) и образования облачности. Роль облачности такова, что с одной стороны она влияет на радиационные потоки в атмосфере, вызывая изменение притоков тепла в облачном слое, с другой стороны приводит к изменению радиационного баланса на поверхности Земли. Наиболее ярко эти изменения будут проявляться в высокоширотных областях, где в зимнее время отсутствует поток коротковолновой радиации, приходящий от Солнца к поверхности Земли, и единственным фактором влияния на ядра конденсации будет выше описанный механизм. Представленная работа направлена на изучение влияния облачности, которая бы образовывалась за счет описанного механизма. Поскольку данный механизм сложен для реализации, то была сделана попытка с помощью численного моделирования заменить указанный механизм путем введения дополнительной облачности. В виду этого работа носит методический характер.

Для исследования описанного механизма использована одномерная радиационная модель [2, 3]. С ее помощью проведены расчеты

длинноволновых потоков радиации и притоков тепла в атмосфере с учетом облачности, балл которой меняется в зависимости от ситуации. Согласно [2] радиационные процессы моделируются так, что выделяются наиболее вероятные из них, воздействующие на атмосферные длинноволновые потоки и притоки тепла. К таким процессам относятся аэрозольно-облачные эффекты поглощения и эффекты рассеяния аэрозолями, облаками и газами (Н20, С02, Оз), т.е. те, при которых излучающая среда рассматривается как "серая". Поглощение газами рассматривается как возмущение, наложенное на

вычисленные радиационные потоки, обусловленные процессами рассеяния и поглощения облаками и аэрозолями. Длинноволновые потоки, пронизывающие атмосферу, вычисляются с помощью стандартной процедуры двух потоковой аппроксимации для каждого рассматриваемого слоя атмосферы с привлечением метода, учитывающего эффекты рассеяния и поглощения от всех других слоев. Одномерная радиационная модель включает в себя 3 длинноволновых интервалов, по вертикали атмосфера разбивается на 15 уровней, между которыми может располагаться облачность. Входными параметрами являются вертикальное распределение температуры, удельной влажности, озона, углекислого газа и фонового аэрозоля. Одномерная радиационная модель включена в климатическую модель в качестве радиационного блока.

Для проведения численных экспериментов по одномерной радиационной модели входные параметры задавались из модели климата, разработанной в ИВМиМГ СО РАН [3-4]. В процессе моделирования климата получено состояние атмосферы на 22 декабря модельного года. Вертикальные профили входных параметров брались для пункта, соответствующего Диксону (географические координаты: 800Е, 73°Ы). Дата и географическое

местоположение пункта выбраны из соображений, изложенных во введении, а, именно, учесть влияние только длинноволнового излучения атмосферы и Земли.

Известно, что эффективный длинноволновый поток радиации складывается из восходящего и нисходящего длинноволновых потоков радиации (рис. 1). При этом, изменение температуры

(скорость радиационного выхолаживания) будет определяться разностью

Flux (Wt/m2)

Рис.1. Потоки длинноволновой радиации в высоких широтах в зимний период (Down - нисходящие потоки длинноволновой радиации; Up -восходящие потоки длинноволновой радиации; Net=Up-Down - эффективный

поток длинноволнового излучения)

Ниже приведено описание серии экспериментов (цифры соответствуют номеру эксперимента), приближенных к реальности.

1. Эксперимент, в котором эффективные потоки и соответствующие им скорости радиационного выхолаживания рассчитываются исходя из текущего состояния (так называемый контрольный эксперимент, относительно которого проводились сравнения других экспериментов).

2. Эксперимент, в котором балл облачности на всех уровнях модели задавался равным нулю при неизменных остальных характеристиках эксперимента 1.

5. Эксперимент, в котором эффективные потоки и суточные изменения температуры рассчитывались с удвоенным баллом облачности относительно эксперимента 1. Цель данного эксперимента продемонстрировать возможность существования механизма изменения температурного режима при увеличении облачности за счет перераспределения аэрозольных частиц. Увеличение облачности в два раза оказалось возможным, поскольку в контрольном эксперименте 1 балл облачности по уровням не превышает значения равного 0.4. Данный эксперимент дает основание предположить, что при изменении условий облакообразования вполне возможно увеличение балла облачности в два раза.

7. Эксперимент, в котором все характеристики, в том числе и балл облачности на уровнях выбираются как в эксперименте 1, кроме уровня, соответствующего 500 мб поверхности, где балл облачности равен 1. Этот эксперимент интересен тем, что позволяет на методическом уровне оценить возможное влияние дополнительной облачности на перераспределение тепловых характеристик.

Эксперименты 3, 4, 6 и 8, описание которых здесь опущено, носят исключительно методический характер и свидетельствуют лишь о правомочности использования применяемой в расчетах радиационной модели. Кривые, описывающие данные эксперименты, показывают на откровенно нереальные в природе распределения рассматриваемых характеристик. Второй эксперимент с завышенным потоком излучения связан с отсутствием облачности, как таковой. На рис. 2. представлены рассчитанные в соответствии с описанием экспериментов эффективные потоки длинноволнового излучения. Если исходить из цели изучения возможного влияния космического излучения на изменение электрического потенциала и перераспределение аэрозольных частиц и, как следствие, изменение облачного покрова, при этом, оставаясь в рамках разумного, то наибольший интерес представляет сравнение результатов первого и пятого экспериментов. Седьмой эксперимент также не лишен смысла, т. к. в реалиях максимальная облачность действительно сосредоточена на уровне ~ 500 мб. В подтверждение сказанного, на рис. 3. приведены вертикальные изменения скорости радиационного выхолаживания, обусловленные эффективными длинноволновыми потоками в соответствии с экспериментами 1, 2, 5 и 7. Как и следовало ожидать, увеличение балла облачности в слоях приводит к их резкому выхолаживанию за счет отражения облаками нисходящей и

восходящей длинноволновой радиации. В свою очередь длинноволновая радиация, отраженная облаками, выступает в роли дополнительной радиации вне облаков, что приводит к уменьшению радиационного выхолаживания над и под облаками. Достаточно сложные нелинейные процессы. Еще раз отметим, что все эксперименты проводились исходя из реального распределения температуры, влажности, а балл облачности, варьировался в соответствии с тем, как было указано выше. В данных экспериментах не учитываются процессы испарения, конденсации, выпадения осадков, взаимодействия с подстилающей поверхностью и пр., то необходимо было проверить данную гипотезу в полном объеме в рамках климатической модели ИВМиМГ.

Рис. 2. Эффективные потоки длинноволнового излучения, рассчитанные в соответствии с указанными в работе экспериментами (цифры обозначают номер эксперимента)

Рис. 3. Изменение скорости радиационного выхолаживания по вертикали в соответствии с рассматриваемыми экспериментами (цифры обозначают номер эксперимента)

С помощью модели общей циркуляции атмосферы рассчитано несколько вариантов. Расчеты проводились с некоторого установившегося (квазиравновесного) состояния, а именно с 22 декабря. Полученные на эту дату атмосферные характеристики служили фоном для проведения первого (контрольного) расчета, с которым сравнивались методические расчеты с измененным баллом облачности. Счет для всех вариантов проводился на несколько модельных суток. Второй расчет заключался в том, что на протяжении первых модельных суток балл облачности над сушей севернее 68

градуса северной широты увеличивался в два раза по сравнению с исходным баллом. Далее балл облачности моделировался согласно формулам, заложенным в модель общей циркуляции атмосферы. Данный расчет позволил учесть влияние механизма перераспределения аэрозолей и образование дополнительной облачности.

На рис. 4 для примера представлены поля разностей температур между аномальным вторым и контрольным первым расчетами на уровне 1000 мб поверхности для Сибирского региона. Следует отметить, что на уровне 1000 мб температура еще помнит некоторое время возникшую положительную аномалию, в то время как на уровне 500 мб аномалии как таковой вообще не возникает. При этом справедливости ради следует отметить, что происходит некоторая перестройка циркуляции атмосферы, что совершенно естественно при внесении конечных возмущений. Однако под большим сомнением остается факт, что это может отразиться на осредненных результатах долгопериодного интегрирования. Достаточно отметить, что при интегрировании на несколько последующих месяцев разница в среднемесячных значениях моделируемых характеристик не превышает естественную изменчивость.

Рис. 4. Последовательное изменение температуры на уровне 1000 мб (разница

между экспериментами 2 и 1)

На основании проведенных численных экспериментов показано, что механизм, основанный на гипотезе дополнительного формирования облачности за счет солнечной активности, влияет на атмосферные характеристики в тропосфере высоких широт. По меньшей мере, если действительно такой механизм существует, то это скажется на текущем термическом режиме атмосферы (погоде), что повлечет за собой перестройку всей динамики. С учетом того, что теплосодержание земной климатической системы за последние десятилетия заметно возросло [6], можно сделать вывод, что наблюдаемые изменения земной климатической системы обусловлены уменьшением потока энергии, излучаемого земной системой в космос. Но, как отмечено в [1], за последние 40-50 лет наблюдались лишь квазипериодические вариации солнечной постоянной, а значимый тренд отсутствовал. Следовательно,

говорить о воздействии солнечной активности на изменение климата преждевременно. Речь может идти лишь о внутренней изменчивости, обусловленной указанным фактором (вариации солнечной активности). Для подтверждения значимости влияния рассмотренного механизма на изменение текущего состояния атмосферы необходимо проведение дальнейших исследований основанных на реальных данных. В случае повышения солнечной активности необходим анализ сопровождающей явление синоптической ситуации.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Жеребцов Г.А., Коваленко В.А., Молодых С.И., Рубцова О.А. Модель воздействия солнечной активности на климатические характеристики тропосферы Земли // Оптика атмосферы и океана. 2005. Т.18. №12. С. 1042-1050.

2. Geleyn J.-F., Hollingsworth A. An economical analytical method for the computation of the interaction between scattering and line absorption of radiation contributions to atmospheric physics // Beitr. Phys. Atmosph. 1979. V. 52. N 1. P. 1-16.

3. Курбаткин Г.П., Курбацкая Л.И. Исследование чувствительности радиационных притоков тепла к учету облачности Новосибирск, 1986. (Препр. АН СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ. № 686).

4. Fomenko A.A., Krupchatnikov V.N. A finite-difference model of atmospheric dynamics with conservation laws // Bull. Nov. Comp. Center, Num. Model. in Atmosph., etc. V. 1. 1993. P. 17-31.

5. Fomenko A.A., Krupchatnikov V.N., Yantzen A.G. A finite-difference model of atmosphere (ECSib) for climatic investigations // Bull. Nov. Comp. Center, Num. Model. in Atmosph., etc. V. 4. 1996. P. 11-19.

6. Зайцева Н.А., Шляхов В.И. Длинноволновая радиация в атмосфере Антарктиды // Исследование климата Антарктиды. Л.: Гидрометеоиздат, 1980. С. 27-33.

©А.А.Фоменко, Л.И. Курбацкая, 2007