Лекция 7. Влияние автоколебаний в климатической системе на динамику климата
Незатухающие колебания в физической системе в отсутствие переменного внешнего воздействия, период и амплитуда которых определяются свойствами самой системы.
1.Автоколебания атмосферы
2.Автоколебания системы атмосфера – океан
3.Автоколебания системы атмосфера – океан – криосфера
4.Автоколебания системы атмосфера – океан – криосфера – биосфера - литосфера
Пределы временных масштабов (годы)
1.Зональная циркуляция
2.Центры действия атмосферы и индексы
3.Эль-Ниньо – Южное колебание
4.Гольфстрим
5.Криосфера
Процессы, влияющие на изменение климата и характерные временные масштабы их проявлений (Kutzbach J.E., 1974)
Общая циркуляция атмосферы
I
R
Изменение с широтой среднезональной тепловой радиации системы Земля -атмосфера и ее баланса.
R>0
R<0
700 |
|
370 |
|
|
|
370 |
700 |
|||
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
декабрь-февраль
Для компенсации баланса необходим перенос тепла в высокие широты движениями воздуха и воды.
Тихий
океан
Среднезональные межширотные среднегодовые потоки тепла в атмосфере (1), океане (2) и суммарные (3).
Распределение составляющих общей циркуляции атмосферы
а) зональная в м/с, б) функция тока меридиональной циркуляции в 1013 г/c.
осреднение |
|
июнь-август |
|
|
|
пассатов и |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
муссонов |
|
|
|
ячейка |
ячейка |
|
|
|
|||
|
|
|
|
||
|
|
|
|
||
|
|
|
|
||
|
|
|
|
||
|
|
|
|
||
суперротация |
|
субротация |
|
Ферреля |
Ферреля |
|
|
||||
|
|
||||
Зональная составляющая скорости ветра (Wells, 1997) |
зоны пустынь |
зоны пустынь |
1. Зональная циркуляция
На вращающихся планетах крупномасштабная циркуляция имеет квазигеострофический характер: в свободной атмосфере сила барического градиента и сила Кориолиса компенсируют друг друга.
|
|
│φ│<350 –восточные ветры, │φ│>350 –западные. |
||||
Число Кибеля-Россби : |
Ro |
U |
|
tЗемли |
U – скорость движения, L – расстояние, L/U – адекватное время, |
|
fL |
tобъекта |
f 2 sin - параметр Кориолиса, f-1 – время вращения, |
||||
|
|
|
||||
При Ro<1 жидкость при движении испытывает влияние вращения Земли.
Зональная осредненная компонента скорости ветра (u) в изобарической системе координат (ρ):
u R T
f a
T – температура, |
Скорость ветра с высотой возрастает и ее |
R – газовая постоянная, |
максимальный рост в зонах атмосферного |
φ – широта. |
полярного фронта, где разграничение |
|
теплого и холодного воздуха. |
Доказательство зональной циркуляции
При отсутствии перемешивания распределение осевой компоненты момента импульса единицы массы воздуха l:
l r2 sin2
Ω- угловая скорость вращения Земли, r – геоцентрическое расстояние, θ=90-φ – дополнение широты до 900.
Для φ=│350│: l 2 / 3 R2
С учетом зонального переноса воздуха:
l ( r sin u)r sin
Из-за трения воздуха о поверхность Земли появляются вертикальные потоки момента импульса
В низких широтах тормозятся восточные ветры (момент импульса течет от Земли в атмосферу), в высоких – западные ветры (момент импульса стекает вниз)
где u>0 при│φ│>350 u<0 при │φ│<350, u – скорость ветра
Момент импульса переносится в направлении его градиента (из низких широт в высокие)
Траектории переноса момента импульса
Стационарное состояние: приток момента импульса в зонах восточных ветров = стоку момента импульса в зонах западных ветров.
Однако: зоны западных ветров расположены ближе к оси вращения Земли, чем восточных и момент сил трения восточных ветров больше, т.е. в атмосферу притекает момент импульса больше, чем стекает. 
Западные ветры значительно превышают восточные и атмосфера вращается вокруг полярной оси быстрее Земли (суперротация атмосферы).
Общая циркуляция океана
Распределение среднегодовой температуры, Levitus, 1982
15-200
Средняя глубина
Распределение т-ры, солености и условной плотности воды, Tolstoy, Clay, 1966
ВКС – верхний квази- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Слой |
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
термоклина |
||||||||||||||||||||||||||
однородный слой |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Зоны |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
полярная |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Глубинный |
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
умеренная |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
слой |
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
тропическая |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
Схема поверхностных (дрейфовых) течений, Свердруп, 1989
Конвейер океанических течений ("петля Брокера”)
Общая циркуляция океана
E>P
|
P>E |
|
ВЗК |
|
Профили среднезональной среднесезонной разности испарение – |
Круговорот (температура-плотность-соленость) вод |
осадки (Е-Р) 1) июль-август 2) декабрь-февраль 3) среднегодовая |
|
Термохалинный (тепло и соленость) механизм |
Линии тока меридиональной циркуляции вод Атлантики
Квазидвухлетняя цикличность (КДЦ)
В1883 г. после извержения Кракатау установлены ветры восточного направления. В 1908 г. немецкий метеоролог А.Берсон обнаружил ветры западных направлений, дующих на высотах около 15 км (вблизи тропопаузы).
Вянваре 1960 года на конференции Американского метеорологического общества представлена работа Р Д. Рида (США) и Р А. Эбдона (Англия) «Стратосферная циркуляция», в которой была описана изменчивость фазы (направления) ветра на высотах и ее распространение с высот более 30 км вниз со скоростью около 1 км в месяц.
Рид указал, что полный цикл смены ветров происходит примерно за 26 месяцев. Так было открыто явление КДЦ, а сам термин «квазидвухлетней циркуляции» был введен в 1964 году. К началу 70-х годов было установлено, что средняя продолжительность КДЦ составляет 28 месяцев.
КДЦ возбуждается взаимодействием между средним потоком и распространяющимися вертикально экваториальными волнами, генерируемыми в тропосфере, главным образом, волны Кельвина и смешанные гравитационные волны Россби).
В экваториальной зоне эти волны возбуждаются конвективными возмущениями.
Индекс А.Л.Каца
500 гПа
100 гПа
10 гПа
Годовой ход индекса зональной циркуляции Каца на изобарических поверхностях в северной (сплошная) и южной (пунктирная) зонах северного полушария.
Взаимосвязь квазидвухлетнего компонента переноса массы в экваториальной стратосфере и аномалий месячных значений индексов зональной циркуляции
Сектор I – Атлантико-Европейский, Сектор II – Азиатский
Сектор III – Американский 50-700 с.ш. –северная зона, 35-500 с.ш. – южная зона.
2. Центры действия атмосферы
Зимой:
-хорошо выражены исландская и алеутская депрессии, -сибирский и североамериканский
антициклоны на континентах, -- предантарктическая зона
пониженного давления, -антициклоны в океанических
субтропиках,
-предэкваториальная полоса пониженного давления(эваториальная ложбина).
Летом:
-исландская депрессия проявляется
слабо, -алеутская депрессия исчезает,
-практически весь материк занимает
азиатская депрессия, -усиливается интенсивность
азорского и тихоокеанского антициклонов, - пояс антициклонов в южном полушарии.
http://data.oceaninfo.ru/applications/indexes/index.jsp
Индекс Северо-Атлантического колебания
Индекс Северо-Атлантического Колебания (САК или NAO) является суммарным измерением состояния циркуляции в средних широтах Северной Атлантики. САК отражает колебание атмосферной массы между севером и югом Северной Атлантики с центрами в районе Исландии (минимум) и в районе Азорских о-вов (максимум). Пространственные особенности и временная изменчивость САК обычно определяются по полю давления на уровне моря ( SLP ), для которого существует наиболее длительный ряд инструментальных наблюдений.
Пространственное распределение разности композиционных аномалий приземного давления в зимний сезон в годы положительной и отрицательной фазы САК с 1899 г . [ Hurell , 2000].
Зимний (декабрь-март) САК, основанный на разности нормализованного (на стандарт) давления на уровне моря между Лиссабоном и Рейкьявиком с 1864г.. Положительные значения характеризуют увеличение интенсивности западного переноса.