CC BY
43
УДК 551.513
ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРИЗАЦИИ ОКЕАНИЧЕСКИХ ТЕЧЕНИЙ НА ОТКЛИК ТЕМПЕРАТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ НА УДВОЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ СО2
Ирина Владимировна Боровко
Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 6, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник, тел. (383)330-61-51, e-mail: irina@ommfao1.sscc.ru
Владимир Николаевич Крупчатников
Сибирский региональный научно-исследовательский гидрометеорологический институт, 630099, Россия, г. Новосибирск, ул. Советская, 30, доктор физико-математических наук, директор, тел. (383)222-25-30
В ряде работ показано, что на взаимодействие между атмосферой и океаном в совместных моделях значительно влияет то, каким образом параметризации потоков учитывают скорость океанических течений. В [1] показано, что эффект течений наиболее значителен в тропиках.
В данной работе с помощью модели промежуточной сложности исследуется влияние океанических течений на реакцию атмосферы на изменения СО2.
Ключевые слова: циркуляция атмосферы, течения, динамика климата, потоки тепла, концентрация углекислого газа.
OCEANIC CURRENTS PARAMETERIZATION EFFECT ON EARTH'S SURFACE TEMPERATURE RESPONSE AND СО2 CONCENTRATION
Irina V. Borovko
Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, 630090, Russia, Novosibirsk, 6 Akademika La-vrentyeva St., Ph. D., scientific associate, Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics, tel. (383)330-61-51, e-mail: irina@ommfao1.sscc.ru
Vladimir N. Krupchatnikov
Siberian Regional Hydrometeorological Research Institute, 630099, Russia, Novosibirsk, 30 Sovetskaya St., Ph. D., director, tel. (383)222-25-30
It is stated in a number of works that atmosphere - ocean interaction in coupled models depends on flows parameterizations taking into account ocean currents velocity. It is shown in [1] that currents effect is most significant in tropics.
The model of intermediate complexity is applied to study ocean currents effect on atmospheric response to СО2 changes.
Key words: atmospheric circulation, currents, climate dynamics, heat flows, carbon dioxide concentration.
Реакция температуры поверхности Земли на изменения радиационного баланса атмосферы зависит как от отклика климатической системы, так и от того, с какой скоростью идёт поглощение энергии глубоким океаном. Радиационный форсинг в атмосфере вначале влияет на температуру в тропосфере и переме-
шанном слое, а потом на глубокий океан. В ряде исследований отклик климатических полей на увеличение концентрации CO2 раскладывается на две составляющих - "быструю" и "медленную". Время релаксации динамических полей к основному состоянию определяется взаимодействием атмосферы и океана.
Кроме явных и скрытых потоков тепла, одним из механизмов энергетического обмена между атмосферой и подстилающей поверхностью является ветровое трение. В [1] было показано, что мощность ветрового трения определяется скоростью океанических течений. В этой работе течение раскладывалось на геострофическую и агеострофическую составляющую. Во внетропических широтах преобладает геострофическая составляющая, а в тропиках - агеострофи-ческая, которую можно оценить с помощью параметризации Экмана.
Как правило, при моделировании взаимодействия атмосферы и океана влияние течений на поток тепла с поверхности считается пренебрежимо малым. Однако в ряде работ показано, что скорость течений значительно влияет на климатологию. В данной работе исследуется зависимость реакции климатологии на увеличение концентрации углекислого газа от скорости течений. Для численного эксперимента использовалась модель промежуточной сложности "Planet Simulator", разработанная в Метеорологическом институте Гамбургского университета.
Было проведено два численных эксперимента. Динамические поля в случае, когда течения были оценены с помощью параметризации Экмана, сравнивались с контрольном экспериментом, в котором напряжения трения ветра и потоки тепла и влажности не зависели от скорости течений. Проводились вычисления в течение двадцати лет модельного времени до выхода на стационарный режим. В обоих случаях концентрация CO2 скачкообразно увеличивается в два раза и оценивается реакция средней поверхностной температуры. Экмановские скорости задаются в виде и =-кхт/ fр Н ,
s w О
где тх = paCD|г/й|г/й,
ТУ = Ра( 'и КIv«" напряжение трения ветра CD = 10_3 - коэффициент трения
HQ = 20м - глубина слоя перемешивания, pw = 103 кг / м3 - плотность воды, ра = 1,29кг/ м3 -плотность воздуха ,
f = 2-со-ш\{(р) за исключением области вблизи экватора, где 1// аппроксимируется линейной функцией.
Экмановские течения перпендикулярны скорости ветра, поэтому можно оценить изменение потоков и мощности ветрового трения.
Модуль скорости течения us = CdPa ud2 = аиа2. Коэффициент а в тро-
J PwHо
пиках имеет порядок 0,5 • 10"2 м"1 • с, среднеквадратическая скорость ветра ~5м/а Поэтому при равных значениях температуры и скорости потоки тепла и влажности и мощность ветрового трения увеличатся на 0.1% .
Численный эксперимент показал усиление переноса тепла от низких широт к высоким, и, соответственно, похолодание на экваторе и потепление в средних и высоких широтах. При этом потоки тепла в субэкваториальной зоне северного полушария уменьшаются, а южного - увеличиваются. Это связано с тем, что фактическая южная граница северной ячейки Гадлея смещена к югу от экватора. На рис. 1. показано изменение во времени температуры, осреднённой по широте в случае постоянной концентрации СО2 и в случае, когда концентрация СО2 скачкообразно меняется. В случае, когда рассматриваются течения, средняя температура поверхности Земли выше на 0.10С. На рис. 2 показана среднегодовая температура в зависимости от широты для эксперимента с удвоением СО2. В случае, когда учитывается поле течений, среднегодовая температура на экваторе выше, чем в случае без течений. Наблюдается увеличение времени релаксации к основному состоянию.
Рис. 1. Средняя температура поверхности в зависимости от времени. Звёздочками обозначен эксперимент, не учитывающий скорость течений, кружочками - учитывающий, квадратиками показана среднегодовая температура после удвоения концентрации СО2 в эксперименте с течениями,
ромбиками - в контрольном
Численный эксперимент показал, что при усилении взаимодействия атмосферы с океаном происходят заметные изменения динамических полей, при этом выход на стационарный режим происходит медленнее. Экмановской параметризации недостаточно для описания динамики внетропических широт, где течения в большей степени определяются геострофическими соотношениями. Климатический режим в моделях зависит от того, каким образом параметризовано влияние глубокого океана. Для оценки влияния глубокого океана должна быть использована полная совместная модель океана и атмосферы.
Рис. 2. Среднегодовая температура в зависимости от широты. Пунктирная линия - без течений, сплошная- с течениями. Случай с удвоением СО2.
Усреднение за 5 лет - (36-40 годы)
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Dawe, J. T. and L. Thompson. PDO-related heat and temperature budget changes in a model of the North Pacific. J. Climate, 20, 2007, p. 2092-2108,
© И. В. Боровко, В. Н. Крупчатников, 2015
