Моделирование квазидвухлетних колебаний циркуляции...
DESCRIPTION
Моделирование квазидвухлетних колебаний циркуляции экваториальной стратосферы. В.П. Дымников , Д.В. Кулямин, Е.М Володин. ИВМ РАН. Мотивация. IPCC (4) IPCC (5) = Новые требования Модель климата Модель земной системы. BAMS How Well Do Coupled Models Simulate Today’s Climate? - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
![Page 1: Моделирование квазидвухлетних колебаний циркуляции экваториальной стратосферы](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062314/56813a15550346895da1f17a/html5/thumbnails/1.jpg)
Моделирование Моделирование квазидвухлетних колебаний квазидвухлетних колебаний циркуляции экваториальной циркуляции экваториальной
стратосферы. стратосферы.
В.П. Дымников, Д.В. Кулямин, Е.М Володин.
ИВМ РАН
![Page 2: Моделирование квазидвухлетних колебаний циркуляции экваториальной стратосферы](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062314/56813a15550346895da1f17a/html5/thumbnails/2.jpg)
Мотивация
1. IPCC (4) IPCC (5) = Новые требования
2. Модель климата Модель земной системы
![Page 3: Моделирование квазидвухлетних колебаний циркуляции экваториальной стратосферы](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062314/56813a15550346895da1f17a/html5/thumbnails/3.jpg)
BAMS
How Well Do Coupled Models Simulate Today’s Climate?
THOMAS REICHLER
JUNSU KIM
March 2008
![Page 4: Моделирование квазидвухлетних колебаний циркуляции экваториальной стратосферы](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062314/56813a15550346895da1f17a/html5/thumbnails/4.jpg)
![Page 5: Моделирование квазидвухлетних колебаний циркуляции экваториальной стратосферы](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062314/56813a15550346895da1f17a/html5/thumbnails/5.jpg)
Введение. Квазидвухлетние колебания (КДК)
• Экваториальный захват (симметричная структура по широте)• меняющийся период ~24-30 месяцев• Зона распространения: ~80 – 10 Мб (20 – 70 км) с максимумами амплитуды зональной
скорости ~ 30 м/с на высотах ~ 20-10 Мб• Медленное опускание фаз колебаний со скоростью порядка 1 км/месяц
![Page 6: Моделирование квазидвухлетних колебаний циркуляции экваториальной стратосферы](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062314/56813a15550346895da1f17a/html5/thumbnails/6.jpg)
Широтная структура КДК
![Page 7: Моделирование квазидвухлетних колебаний циркуляции экваториальной стратосферы](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062314/56813a15550346895da1f17a/html5/thumbnails/7.jpg)
Влияние КДК на циркуляцию атмосферы• модуляция планетарных волн и влияние на средние широты и циркумполярный вихрь
• воздействие на процессы генерации и общую циркуляцию озона и других примесей
• взаимодействие с долгосрочными явлениями (Эль-Ниньо и др.)
• влияние на динамику верхней и нижней атмосфере (осадки, возникновение ураганов и др.)
Квазидвухлетняя аномалия в
циркуляции озона:
Широтная структура по наблюдением солнечного поглощения ультрафиолет(а) и выделенная двухлетняя гармоника (б). Контуры проведены через 3 еД (единиц Добсона)
![Page 8: Моделирование квазидвухлетних колебаний циркуляции экваториальной стратосферы](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062314/56813a15550346895da1f17a/html5/thumbnails/8.jpg)
Открытие КДК
• 1883 г. 27 Августа. Извержение вулкана Кракатау показало, что в стратосфере дул восточный ветер (пыль обогнула экватор в западном направлении за 13 дней)
• 1908 г. Берсон обнаружил восточный ветер на высоте ~ 120 Мбар над озером Виктория.
• 1961 г. Пионерские работы по наблюдениям Рида (1961) и Эдбона (1961) показали что стратосферный ветер над экватором меняет направление с периодом порядка 26 месяцев. Ангелл и Коршовер (1964) изучают долго периодные наблюдения и вводят термин КДК (quasi-biennial oscillation).
• 1972 г. Механизм формирования КДК впервые был описан в работе Холтона и Линдзена (1972).
![Page 9: Моделирование квазидвухлетних колебаний циркуляции экваториальной стратосферы](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062314/56813a15550346895da1f17a/html5/thumbnails/9.jpg)
Современная теория КДКСовременная теория КДКОсновной механизм:Основной механизм:
Нелинейное взаимодействие вертикально распространяющихся Нелинейное взаимодействие вертикально распространяющихся экваториальных волн с зональным течениемэкваториальных волн с зональным течением
Условное разделение спектра экваториальных волн по отношению к КДК
• экваториальные длинные волны (Кельвина, Россби-гравитационные), периоды ~ 1-5 дней, зональные длины волн более 1000 км. В глобальных моделях – внутренний процесс
• мелкомасштабные стратосферные гравитационные волныпериоды значительно меньше дня, зональные длины волн ~10-100 км В глобальных моделях процесс распространения имеет подсеточный масштаб
![Page 10: Моделирование квазидвухлетних колебаний циркуляции экваториальной стратосферы](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062314/56813a15550346895da1f17a/html5/thumbnails/10.jpg)
Механизм формирования КДКМеханизм формирования КДК
Механизм возбуждения КДК от действия двух планетарных волн наглядно описан Пламбом (1977)
![Page 11: Моделирование квазидвухлетних колебаний циркуляции экваториальной стратосферы](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062314/56813a15550346895da1f17a/html5/thumbnails/11.jpg)
Моделирование КДК на основе малопараметрическихмалопараметрических моделей моделей
Цель – исследование механизмов возбуждения КДК от действия двух типов экваториальных волн.
• Исследование взаимодействия длинных волн со средним потоком на критических уровнях (за основу взята модель Р. Пламба).
• Изучение возможности получения КДК с реалистичными характеристиками, используя только параметризации взаимодействия коротких гравитационных волн со средним потоком (за основу взята параметризация, предложенная К. Хинсом ).
• Изучение относительной роли экваториальных волн разных масштабов в формировании КДК.
![Page 12: Моделирование квазидвухлетних колебаний циркуляции экваториальной стратосферы](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062314/56813a15550346895da1f17a/html5/thumbnails/12.jpg)
Модель Пламба
Упрощенная двумерная модель предполагается распространение двух разнонаправленных , их взаимодействие со средним течением описывается уравнениями двумерной (x, z) вязкой жидкости в приближении Буссинеска в поле силы тяжести с термическим выхолаживанием. (Р. Пламб)
1,2 20
2
2
( ) (0)exp ' ,( )
( , ).
z
n n n
n n
nn
NF z F s dz
k u c
F z uu u
t z z
Возбуждение КДК на основе взаимодействия длинных волн с зональным течением: поглощение волн на критических уровнях
2
2
( ) ( ) ( , ),
( , ).
Jt x
N Jt x
'
( )' Re[ ]n nik x c tnn e
g
:u
z
wx
2 2 2 2
22 2
[1 ( )]0.
( ) ( )n n n
nn
n n
N i k u c u zk
z u c u c
Основные уравнения модели
![Page 13: Моделирование квазидвухлетних колебаний циркуляции экваториальной стратосферы](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062314/56813a15550346895da1f17a/html5/thumbnails/13.jpg)
Результаты моделирования колебаний зональной скорости на модели Пламба
• получены колебания, близкие к реалистичным КДК
• получена зависимость периода от параметров модели
• область значений параметров, при которых решение имело вид предельного цикла с такой зависимостью периода, мала
• энергии реальных длинных волн недостаточно для формирования КДК• решающую роль в моделировании взаимодействия на критических уровнях
играет вертикальное разрешение
0
ˆˆ~
kcT
F
![Page 14: Моделирование квазидвухлетних колебаний циркуляции экваториальной стратосферы](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062314/56813a15550346895da1f17a/html5/thumbnails/14.jpg)
Зависимости периода колебаний зональной скорости от Зависимости периода колебаний зональной скорости от параметров модели, полученные в численных экспериментах с параметров модели, полученные в численных экспериментах с
моделью Пламба с симметричными волнами.моделью Пламба с симметричными волнами.
Зависимости периода колебаний зональной скорости от начального потока импульса волн (а), горизонтального волнового числа (б)
![Page 15: Моделирование квазидвухлетних колебаний циркуляции экваториальной стратосферы](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062314/56813a15550346895da1f17a/html5/thumbnails/15.jpg)
Зависимости периода колебаний зональной скорости от фазовой скорости волн (в), коэффициента вертикалной диффузии (г)
В широком диапазоне значений коэффициента термической диссипации период практически не меняется
![Page 16: Моделирование квазидвухлетних колебаний циркуляции экваториальной стратосферы](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062314/56813a15550346895da1f17a/html5/thumbnails/16.jpg)
Результаты для различных значений вертикального разрешения
(а) - М=120, эквивалентно ~ 1км , (б) М= 60, эквивалентно ~ 3 км
Влияние вертикального разрешения на результаты моделирования КДК для модели Пламба
Линии постоянной скорости приведены для значений -30, -20, -10, 10, 25, 30.б по ординате отложена высота, по асбциссе – время в безразмерных единицах
![Page 17: Моделирование квазидвухлетних колебаний циркуляции экваториальной стратосферы](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062314/56813a15550346895da1f17a/html5/thumbnails/17.jpg)
Возбуждение КДК на основе обрушения гравитационных волн: параметризация гравитационно-волнового сопротивления Хинса
Основное уравнение – эволюция средней зональной скорости – аналогично модели Пламба, упрощенная двумерная модель,
2
2
1 GWFu u
t z z
20 0( ) ( ) ( ( ) ( ))GW iC iCF z z hC m z m z - поток импульса от обрушения гравитационных
волн, считается на основе алгоритма, разработанного для параметризации.
Основные идеи параметризации:
• - дисперсионное соотношение для отдельной волны, изотропность волны
• - условие обрушения волны,
• учет статистических факторов:
• подсчет критического значения для начального вертикального волнового числа
• линейный спектр
1 1Nm h v
Nz
1 2 ˆ, ( )m N v z
min min
20 0 0 0 0ˆ( ) ( ) ( ) / ( ) ( ) ( ) /
iCritical iCritical
i i
m m
GW i i i i i
m m
F z v z v z h m dm z z h P m m dm
10 1 0( )[ ( ) ( ) ( )]iCm N z u z u z v z
Модель Хинса
![Page 18: Моделирование квазидвухлетних колебаний циркуляции экваториальной стратосферы](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062314/56813a15550346895da1f17a/html5/thumbnails/18.jpg)
Результаты моделирования КДК с помощью параметризации Хинса
Граничные условия
0
max
0
max
( ) 0,
( ) 0
( ) 0,
( ) 0
Hines
Hines
Z
u z
u z
F z
F z
z
20 min
1~T
h m
• в результате подбора параметров получены колебания, близкие к реалистичным КДК
• получена зависимость периода от параметров модели
• область значений параметров, при которых решение имело вид предельного цикла, мала; колебания сильно чувствительны к параметрам модели
• характеристики гравитационных волн не соответствуют реальным значениям
![Page 19: Моделирование квазидвухлетних колебаний циркуляции экваториальной стратосферы](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062314/56813a15550346895da1f17a/html5/thumbnails/19.jpg)
Формирование колебаний зональной скорости на основе учета взаимодействия зонального потока с длинными и гравитационными волнами: упрощенная двумерная модель для эволюции осредненной компоненты зональной скорости при наличии двух разнонаправленных длинных волн (по модели Пламба) и непрерывного линейного спектра гравитационных волн (задаваемых параметризацией Хинса):
2
2
1 ( )Plumb Hinesu u F F
t z z
0 20
( ')( ) ( ) ( )exp ' ,
( ( ') )
z
Plumb nn n n
N zF z z F z dz
k u z c
20 0( ) ( ) ( ) ( ( ) ( )).Hines iC iCF z z z hC m z m z
Модель совместного действия двух типов волн
![Page 20: Моделирование квазидвухлетних колебаний циркуляции экваториальной стратосферы](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062314/56813a15550346895da1f17a/html5/thumbnails/20.jpg)
Основные результаты совместного моделирования1. При реалистичных значениях волновых энергий длинных волн и полученных
параметрах обрушения гравитационных волн получены колебания, близкие к наблюдаемым КДК.
2. Основное взаимодействие длинных экваториальных волн с зональным потоком происходит в нижних слоях стратосферы.
3. Обрушение гравитационных волн происходит верхней стратосфере, гравитационные волны играют второстепенную роль в формировании периода.
![Page 21: Моделирование квазидвухлетних колебаний циркуляции экваториальной стратосферы](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062314/56813a15550346895da1f17a/html5/thumbnails/21.jpg)
Демонстрации действия обоих механизмов на разных уровнях в совместной модели:
величины параметров близки к реалистичным, взаимодействие длинных волн с зональным течением реализует свой цикл в нижних слоях. При этом происходит перераспределение потока от гравитационных волн, вследствие изменения профиля средней скорости. Механизм возбуждения колебаний от гравитационно-волнового сопротивления также реализуется, но подстраиваясь под колебания в нижних слоях.
![Page 22: Моделирование квазидвухлетних колебаний циркуляции экваториальной стратосферы](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062314/56813a15550346895da1f17a/html5/thumbnails/22.jpg)
Демонстрации модуляции длинными волнами колебаний, возбуждаемых короткими гравитационными волнами:
с не симметричными характеристиками длинных волн (фазовая скорость восточной волны больше, при этом характеристики гравитационных волн оставались симметричными) установился общий устойчивый несимметричный профиль колебаний.
![Page 23: Моделирование квазидвухлетних колебаний циркуляции экваториальной стратосферы](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062314/56813a15550346895da1f17a/html5/thumbnails/23.jpg)
Цель - построение модели общей циркуляции атмосферы, воспроизводящей реалистичные КДК зонального ветра в экваториальной стратосфере.
Моделирование КДК в моделях общей моделях общей циркуляции атмосферы ИВМ РАНциркуляции атмосферы ИВМ РАН
• Модель ИВМ РАН 2°х2.5°х39 – взята за основу, в нее включена параметризация гравитационно-волнового сопротивления Хинса, вертикальное разрешение грубое для реализации воздействия длинных волн
• Модель ИВМ РАН 2°х2.5°х80 - новая модель с высоким вертикальным разрешением, должна реализовывать два механизма возбуждения КДК
Численные эксперименты проводились на кластерах ИВМ РАН и МФТИ
![Page 24: Моделирование квазидвухлетних колебаний циркуляции экваториальной стратосферы](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062314/56813a15550346895da1f17a/html5/thumbnails/24.jpg)
Описание двух версий моделей общей циркуляциимоделей общей циркуляцииСредняя температура:
Наблюдения модель 2°х2.5°х39 модель 2°х2.5°х80
Январь
Июль
![Page 25: Моделирование квазидвухлетних колебаний циркуляции экваториальной стратосферы](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062314/56813a15550346895da1f17a/html5/thumbnails/25.jpg)
Описание двух версий моделей общей циркуляциимоделей общей циркуляцииСредняя зональная скорость:
Наблюдения модель 2°х2.5°х39 модель 2°х2.5°х80
Июль
Январь
![Page 26: Моделирование квазидвухлетних колебаний циркуляции экваториальной стратосферы](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062314/56813a15550346895da1f17a/html5/thumbnails/26.jpg)
Средний зональный ветер на экваторе для модели 2°х2.5°х39
Контрольный эксперимент проведен при стандартных параметрах модели
![Page 27: Моделирование квазидвухлетних колебаний циркуляции экваториальной стратосферы](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062314/56813a15550346895da1f17a/html5/thumbnails/27.jpg)
Средний зональный ветер на экваторе для модели 2°х2.5°х80
Контрольный эксперимент проведен при тех же параметрах модели, что и для 2°х2.5°39
![Page 28: Моделирование квазидвухлетних колебаний циркуляции экваториальной стратосферы](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062314/56813a15550346895da1f17a/html5/thumbnails/28.jpg)
Результаты спектрального анализа волновой активности на экваторе в моделях общей циркуляции
• В обеих моделях наблюдается формирование длинных волн в восточном направлении, максимальная энергия приходится на волну с периодом порядка 20 дней и горизонтальным волновым числом 1 (экваториальная волна Кельвина).
• Энергия волн выше в 80-уровневой модели (амплитудные значения отклонения зональной скорости в этой версии порядка 2.5 м/с, а в 39-уровневой модели порядка 1 м/с).
• Волновая активность в модели 2°х2.5°х80 в целом выше: наблюдаются другие волны, в том числе и в западном направлении (численный аналог Россби-гравитационной волны с периодом 5-7 дней, волновым числом 4, амплитудой ~1 м/с)
• Вертикальная структура волнового спектра позволяет сделать вывод, что волны в 80-уровневой модели поглощаются на некотором уровне выше 100 Мб.
• Демонстрация типичной спектральной картины в модели 2°х2.5°х80 с преобладанием волны Кельвина (уровень 30 Мбар, среднее течение восточное).
![Page 29: Моделирование квазидвухлетних колебаний циркуляции экваториальной стратосферы](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062314/56813a15550346895da1f17a/html5/thumbnails/29.jpg)
Результаты спектрального анализаДемонстрация быстрого поглощения волны Кельвина в верхних слоях стратосферы с последующей сменой направления среднего течения с восточного на западное.
Аналогичные результаты получены для других выделенных при анализе экваториальных волн (в восточном и в западном направлении)
![Page 30: Моделирование квазидвухлетних колебаний циркуляции экваториальной стратосферы](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062314/56813a15550346895da1f17a/html5/thumbnails/30.jpg)
Результаты экспериментов по моделированию КДК в модели общей циркуляции ИВМ РАН 2°х2.5°х39.2°х2.5°х39.
Основная цель – возможность получения КДК в модели с грубым вертикальным разрешением (механизм – обрушение гравитационных волн)
Для модели 2°х2.5°х39 КДК получить модели не удалось, для низких значений энергий волн получен слабый годовой ход (от Солнца)
![Page 31: Моделирование квазидвухлетних колебаний циркуляции экваториальной стратосферы](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062314/56813a15550346895da1f17a/html5/thumbnails/31.jpg)
Результаты экспериментов по моделированию КДК в модели общей циркуляции ИВМ РАН 2°х2.5°х39.2°х2.5°х39.
Демонстрация реализации механизма возбуждения колебаний зональной скорости на экваторе через обрушение гравитационных волн (параметризация Хинса)
Зональный ветер в модели 2°х2.5°х39 с увеличенной в 3 раза начальной энергии волн в параметризации Хинса
![Page 32: Моделирование квазидвухлетних колебаний циркуляции экваториальной стратосферы](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062314/56813a15550346895da1f17a/html5/thumbnails/32.jpg)
Результаты экспериментов по моделированию КДК в модели общей циркуляции ИВМ РАН 2°х2.5°х80.2°х2.5°х80.
Основная задача – получение КДК с реалистичными характеристиками (действуют оба механизма – поглощение длинных волн и обрушение гравитационных волн)
Для модели 2°х2.5°х80 получены реалистичные КДК (подстроен параметр вертикальной диффузии)
![Page 33: Моделирование квазидвухлетних колебаний циркуляции экваториальной стратосферы](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062314/56813a15550346895da1f17a/html5/thumbnails/33.jpg)
Результаты экспериментов по моделированию КДК в модели общей циркуляции ИВМ РАН 2°х2.5°х80.2°х2.5°х80.
Основная задача – получение КДК с реалистичными характеристиками (действуют оба механизма – поглощение длинных волн и обрушение гравитационных волн)
Для модели 2°х2.5°х80 получены реалистичные КДК (подстроен параметр вертикальной диффузии)
![Page 34: Моделирование квазидвухлетних колебаний циркуляции экваториальной стратосферы](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062314/56813a15550346895da1f17a/html5/thumbnails/34.jpg)
Результаты экспериментов по моделированию КДК в модели общей циркуляции ИВМ РАН 2°х2.5°х80.2°х2.5°х80.
Широтная структура профиля зональной скорости на уровне 20 МБ
![Page 35: Моделирование квазидвухлетних колебаний циркуляции экваториальной стратосферы](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062314/56813a15550346895da1f17a/html5/thumbnails/35.jpg)
Результаты экспериментов по моделированию КДК в модели общей циркуляции ИВМ РАН 2°х2.5°х80.2°х2.5°х80.
Профиль зональной скорости без среднего годового хода на экваторе по данным контрольного эксперимента (со стандартными параметрами модели)
![Page 36: Моделирование квазидвухлетних колебаний циркуляции экваториальной стратосферы](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062314/56813a15550346895da1f17a/html5/thumbnails/36.jpg)
ЗаключениеЗаключение• Рассмотрены два механизма возбуждения КДК на основе
малопараметрических моделей. Показана возможность каждого из них самостоятельно воспроизвести аналог КДК в упрощенной системе.
• Исследованы зависимости характеристик колебаний от параметров моделей в обоих случаях. Выведено условие, необходимые для реализации КДК в глобальных моделях: высокое пространственное разрешение.
• Показано, что при совместном включении двух волновых источников ведущую роль в формировании периода и нессиметрии восточной и западной фаз КДК играют планетарные волны, гравитационные же волны играют второстепенную роль.
![Page 37: Моделирование квазидвухлетних колебаний циркуляции экваториальной стратосферы](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062314/56813a15550346895da1f17a/html5/thumbnails/37.jpg)
ЗаключениеЗаключение• Построена новая модель общей циркуляции ИВМ РАН
2°х2.5°х80, исследовано воспроизведение КДК в моделях ИВМ РАН 2°х2.5°х39 и 2°х2.5°х80
• Продемонстрирована возможность реализации механизма возбуждения колебаний зональной скорости на экваторе через обрушение гравитационных волн в модели 2°х2.5°х39, качественные свойства механизма остались аналогичными малопараметрическим моделям, КДК воспроизвести не удалось
• В новой версии модели 2°х2.5°х80 удалось воспроизвести КДК близкие к данным наблюдений, возбуждаемые двумя механизмами: взаимодействия планетарных волн со средним течением и обрушения гравитационных волн. Результаты показывают синхронизацию этих двух процессов между собой.