Мировой океан взаимодействие процессов
Водная и воздушная оболочки Земли соприкасаются друг с другом на пространстве, равном площади поверхности Мирового океана. Обе среды постоянно находятся в непосредственном контакте и на поверхности раздела вода-воздух непрерывно обмениваются энергией и веществом. Связь между океаном и атмосферой настолько тесна, что изменения в одной из сред не могут быть поняты и объяснены без учета влияния другой среды и наоборот. Поэтому в настоящее время все в большей степени становятся необходимыми строгие количественные критерии изменчивости состояния атмосферы и океана. С этих позиций атмосфера и океан рассматриваются как единая термодинамическая система.
Взаимодействие атмосферы и океана (ВАО) есть совокупность разномасштабных, взаимовлияющих механизмов обмена теплом, влагой, импульсом, солями и газами, обеспечивающая в многолетнем плане динамически равновесное состояние климатической системы Земли. Соприкасающиеся газовая и жидкая среды отличаются по многим параметрам, таким как плотность, степень подвижности, химический состав, теплофизические свойства, которыми определяются значительные градиенты многих характеристик на поверхности контакта, вызывающие соответствующие потоки разных субстанций. Например, плотность воды почти на три порядка превышает плотность воздуха, соответственно скорости ветров как минимум на два порядка выше скоростей морских течений. Средняя по массе температура Мирового океана, равная 3,7 о С, на 22,3 о С выше, чем средняя по массе температура атмосферы. ВАО в значительной степени определяется состоянием поверхности океана. Средняя температура воды на поверхности океана (17,82 о С) на 3,6 о С выше, чем средняя температура воздуха у поверхности Земли, следовательно, поток тепла преимущественно направлен от поверхности океана вверх.
Безоблачная атмосфера практически прозрачна для большей части солнечной коротковолновой радиации. Океан, напротив, в основном поглощает коротковолновую энергию и при этом нагревается, а отдает тепло в длинноволновом инфракрасном диапазоне, нагревая таким образом атмосферу. Иными словами, атмосфера нагревается снизу, океан – сверху. В результате океан оказывается стратифицирован преимущественно устойчиво, а в нижней атмосфере очень часто наблюдается неустойчивая стратификация.
Поступление тепла на земную поверхность изначально задано равномерным достаточно стабильной светимостью Солнца, но из-за сферичности Земли, ее осевого и орбитального вращения, а также наклона оси вращения к плоскости эклиптики оказывается весьма изменчивым по времени и пространству, в результате чего в атмосфере и верхнем деятельном слое океана постоянно наблюдаются значительные горизонтальные градиенты температуры. Последние в свою очередь вызывают соответствующие перестройки в поле плотности, что приводит к перемещению воздушных масс, возникновению ветра, волнения, морских течений, то есть прежде всего – динамическому взаимодействию воздушной и водной оболочек Земли. Одновременно происходит испарение воды – наиболее энергоемкий в климатической системе процесс фазового перехода жидкости в пар. Так дается начало созданию механизмов перераспределения тепла и влаги, которые имеют наиболее высокий энергетический уровень. За ними следуют менее энергоемкие, но весьма важные процессы обмена солями и газами.
Практически все движения воды в океане (за исключением имеющих приливную природу) есть прямой или опосредованный результат атмосферных воздействий. Таковы широко распространенные в океане ветровые волны, дрейфовые течения, океанские вихри, а также упомянутые сейши, ветровые и волновые нагоны – то есть явления, возникающие в результате воздействия атмосферы на водную поверхность.
Принципиальная разница взаимовлияния жидкой и газовой земных сфер заключается еще и в том, что атмосфера оказывает на океан преимущественно динамическое воздействие, а океан на атмосферу – тепловое.
Процессы взаимодействия океана и атмосферы, приводящие к взаимному приспособлению геофизических полей, являются одними из наиболее сложных в климатической системе Земли. Большинство этих процессов происходят одновременно, на разных уровнях и разных пространственно–временных масштабах.
Источник
Мировой океан взаимодействие процессов
Кондратьев К. Я. Окружающая среда и климат. 1985
При развитии крупномасштабных атмосферных процессов, влияющих на формирование аномалий погоды и климата, необходимо принимать во внимание явления, происходящие во всей глобальной атмосфере, в ее взаимодействии с поверхностью суши и особенно океана, представляющего собой гигантский резервуар тепла. В этой связи учет взаимодействия атмосферы и океана, проявляющегося в обмене теплом, влагой и количеством движения, приобретает ключевое значение для решения проблем долгосрочного прогноза погоды и изменений климата.
Г. И. Марчук обосновал систему уравнений термогидродинамики и теории возмущений для исследования процессов формирования долговременных аномалий погоды и изменений климата, проявляющихся как изменения температуры воздуха на больших территориях. Сделанные на основе этой теории расчеты показали, что предсказываемые с различной заблаговременностью аномалии температуры в доминирующей степени обусловлены процессами, происходящими в различных (в зависимости от заблаговременности прогноза) районах Мирового океана, которые были названы энергетически активными зонами океана (ЭАЗО). Такого рода теоретический анализ, подтвержденный построенными по данным наблюдений глобальными картами теплового баланса Мирового океана и найденными ранее эмпирическими связями между тепловым состоянием океана и погодой, привел — к обоснованию концепции ЭАЗО как обладающих первостепенным приоритетом при учете факторов формирования долговременных аномалий погоды и изменений климата. Обоснование подобной концепции имеет особенно важное значение в связи с тем, что существующие наблюдательные средства все еще недостаточны для регулярного получения необходимой метеорологической и океанологической информации в глобальных масштабах. Лишь в течение 1979 г. был осуществлен Глобальный метеорологический эксперимент (его подготовка заняла около 10 лет), благодаря которому впервые получена глобальная информация, используемая теперь для проверки теоретических моделей общей циркуляции атмосферы.
Обнаружение существования ЭАЗО радикально изменило ситуацию: сосредоточив реально доступные средства обычных наблюдений (в первую очередь суда) на слежении за развитием процессов в энергетически активных зонах (разумеется, следует учитывать изменчивость и миграцию ЭАЗО) и используя данные из мерений со спутников, можно достичь более глубокого понимания процессов, управляющих долговременными аномалиями погоды и изменения климата, а также обеспечить потребности при составлении долгосрочных прогнозов погоды в соответствующей информации. Так возникла программа «Разрезы», главной целью которой стали исследования короткопериодных изменений климата (длительностью до нескольких лет) и обоснование роли процессов взаимодействия океана и атмосферы в формировании колебаний климата. Составными частями программы «Разрезы», основанной на концепции ЭАЗО, стали как натурные исследования в различных климатически ключевых районах, так и численные эксперименты с использованием данных, полученных при наблюдениях.
Задача состоит в том, чтобы изучить влияние долгопериодных изменений термодинамического состояния океана на атмосферные процессы (и обратное воздействие атмосферы на процессы в океане), которое осуществляется через взаимодействие океана с атмосферой, концентрирующееся в ЭАЗО. Важное значение имеет при этом учет изменчивости переноса тепла основными системами океанических течений, которая служит важным фактором формирования крупномасштабных аномалий в атмосфере.
В результате исследования меридионального перемещения тепла установлено, например, что в низких широтах это тепло переносится главным образом в океане: через круг 25° с. ш. океан переносит 75% тепла, тогда как на долю атмосферы приходится лишь 25%. В южном полушарии влияние океана на перемещение тепла к полюсу остается значительным даже на 60° с. ш. Все это означает, что существенные изменения переноса тепла основными системами океанических течений, а также вариации местоположения главных струй течений должны в значительной степени воздействовать на развитие атмосферных процессов. Не менее, а иногда и более значительную роль играют в энергетике океана и атмосферы так называемые среднемасштабные циркуляции, которые проявляются в форме конвекции, апвеллингов (восходящих течений), мезомасштабных вихрей и некоторых других явлений. Их пространственные масштабы являются «подсеточными», т. е. меньше шага пространственной сетки, применяемой при численном моделировании атмосферы и океана, что требует разработки методов «параметризации» таких процессов, состоящей в описании подобных процессов с использованием рассматриваемых в уравнениях термогидродинамнки метеорологических и океанографических величин (температуры воздуха и воды, скорости ветра и течений и др.).
Важный аспект параметризации состоит в разработке схем, характеризующих обмен теплом, влагой и количеством движения между океаном и атмосферой, а также радиационные процессы в атмосфере и океане. Ключевым радиационным процессом является «модуляция» поступления солнечной радиации к поверхности океана изменяющейся облачностью. Естественно, что возрастание количества облаков приводит к уменьшению поступления солнечной радиации к земной поверхности.
Устойчивые аномалии малого количества облаков влекут-за собой возрастание поглощенной океаном солнечной радиации, вызывающее усиленный прогрев океана. Течения переносят прогретые воды в высокие широты Атлантики и Тихого океана, где при низкой температуре воздуха возникают сильные вертикальные контрасты температуры, вызывающие развитие мощной конвекции, обеспечивающей передачу тепла от океана к атмосфере. Наличие холодных полярных воздушных масс создает и значительные горизонтальные контрасты температуры, что приводит к интенсивному образованию циклонов, которые, перемещаясь с запада на восток, транспортируют тепло с океанов на континенты.
При наличии продолжительных аномалий количества облаков возникают сильные изменения аккумуляции тепла океаном, порождающие аномалии температуры поверхности океана (ТПО), что с соответствующей задержкой обусловливает изменения погоды в районах суши, далеких от очагов аномалий ТПО. Подобное «дистанционное управление» погодой наблюдается, например, на территории США, где сказывается влияние аномалий ТПО в Тихом океане. Описанная ситуация определяет актуальность натурных и теоретических исследований формирования аномалий температуры поверхности океана и роли такого рода аномалий как причин долгопериодных изменений погоды.
Горизонтальная неоднородность процессов взаимодействия между океаном и атмосферой проявляется в формировании в Мировом океане энергетически активных зон, где взаимодействие наиболее интенсивно. Анализ данных по тепловому балансу Мирового океана показал, например, что в январе в северном полушарии максимальное поступление тепла из океана в атмосферу наблюдается в западной части Саргассова моря, к востоку от полуострова Ньюфаундленд, в Норвежском море и к востоку от Японии. Хотя площадь ньюфаундлендской и норвежской зон максимальной теплоотдачи составляет только 25% по отношению к площади Северной Атлантики, вклад этих зон в суммарный поток тепла от поверхности океана к атмосфере севернее 40° с. ш. достигает 47%. В южном полушарии в июле зоны максимальной теплоотдачи расположены в районе пролива Дрейка, к югу от Африки, в районе Тасманова моря и к югу от 60° ю. ш. до Антарктиды. Энергетически активные зоны характеризуются наибольшей изменчивостью температуры поверхности океана. Они связаны с теплыми течениями, направленными из низких широт в высокие. К числу этих течений принадлежат Гольфстрим и его продолжение в Северной Атлантике, а также Куросио и его продолжение в Тихом океане.
Наличие ЭАЗО в проливе Дрейка обусловлено взаимодействием Антарктического течения, опоясывающего Антарктиду, с Перуанским и Бразильским течениями. ЭАЗО, расположенная к югу от Африки, связана с Агульяским течением, а в Тасмановом море — с Восточно-Австралийским течением. Особый интерес представляет тропический пояс Мирового океана, где поглощается гигантское количество солнечной радиации, а выделяющееся при этом тепло переносится затем в высокие широты. По данным наблюдений в полосе 10—30° с. ш., количество тепла, выделяющееся в верхнем слое океана в результате поглощения солнечной радиации, достигает 350 Вт’м2. К числу ЭАЗО принадлежат зоны миграции кромки полярных льдов, а также районы формирования мощных муссонных течений в Индийском океане и в других частях Мирового океана. Роль различных ЭАЗО в формировании долговременных аномалий погоды значительно изменяется в течение года и от года к году.
К числу основных задач программы «Разрезы» принадлежит изучение процессов, управляющих крупномасштабной изменчивостью ЭАЗО со временем и интенсивностью ЭАЗО. Исследуя воздействие климатически ключевых зон на погоду, можно выявить те причины (предикторы), которые оказывают наиболее существенное влияние на устойчивые крупномасштабные аномалии. Как уже отмечалось, к числу таких причин несомненно принадлежат аномалии температуры поверхности океана.
Конкретными целями программы «Разрезы» являются: I) исследование чувствительности атмосферы к изменениям термического режима океана в зонах активного взаимодействия океана й атмосферы; 2) оценки предсказуемости крупномасштабных характеристик общей циркуляции атмосферы (траекторий движения циклонов, муссонной циркуляции и др.), обусловленных изменчивостью процессов взаимодействия океана и атмосферы; 3) разработка и усовершенствование методов параметризации физических процессов в верхнем слое океана и в приповерхностном слое атмосферы (пограничных слоях океана и атмосферы) и др. Большое значение имеют исследования газообмена между океаном и атмосферой, направленные в первую очередь на изучение процессов переноса углекислого газа между океаном и атмосферой (включая теоретические расчеты баланса С02 в атмосфере, океане и биосфере), а также обмена кислородом.
На полигонах, выбранных в пределах различных ЭАЗО, должны осуществляться специализированные подпрограммы наблюдений с учетом специфики каждого полигона (кромка ледяного покрова, апвеллииг, аномалия ТПО, район формирования мощного течения и т. п.). В таких случаях ведущую роль приобретают специализированные комплексы аппаратуры, например для изучения турбулентности в океане и атмосфере, детальных температурных изменений в обеих средах, определения оптических и радиационных характеристик атмосферы и океана, химического состава воды: я воздуха и мн. др. Важным средством наблюдений, обеспечивающим (в дополнение к данным с судов) трехмерность получаемой информации, являются самолеты-лаборатории, работающие согласованно с судами. Спутниковые наблюдения обеспечивают «фоновые» данные для обширных регионов, окружающих изучаемый полигон. Благодаря разнообразию применяемых средств наблюдений особое значение придается метрологическим аспектам измерений и выдвигаются на передний план такие задачи, как обеспечение максимальной унификации аппаратуры, сравнимость результатов измерений, разработка методик приведения данных к эквивалентным масштабам осреднения в пространстве и времени и др.
Важными этапами осуществления программы «Разрезы» явились экспедиции на различных полигонах в пределах ЭАЗО, осуществленные в 1981 —1984 гг. таким образом, чтобы ежегодно на каждом из полигонов проводилась экспедиция в течение одного из сезонов и чтобы за четырехлетний период получить информацию, охватывающую целый годичный цикл. Первая экспедиция на Норвежском полигоне, в которой участвовало 4 судна (три из них оснащены аппаратурой аэрологического зондирования), проведена осенью 1981 г., а работы на Ньюфаундлендском полигоне начались зимой 1982 г. Естественно, что осуществление такой крупномасштабной программы, как «Разрезы», потребует больших усилий по сбору, обработке и анализу данных. В этой связи предусмотрены четкое распределение обязанностей и координации усилий экспедиционного персонала и всех специалистов, участвующих в решении задач, поставленных программой. Поскольку программа «Разрезы» станет органической составной частью Всемирной климатической программы, важную роль должно сыграть международное научное сотрудничество в выполнении этой программы.
Источник