МОДЕЛИ И МЕТОДЫ В ЗАДАЧАХ КРУПНОМАСШТАБНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА

Проблему взаимодействия атмосферы и океана можно рассматривать как частную проблему теории климата и его изменений. Разговор о ней целесообразно начать с определений климатической системы и климата.

• 1. Под климатической системой будем понимать систему, состоящую из атмосферы, океана, криосферы, суши и биоты.
• 2. Под климатом будем понимать ансамбль состояний, проходимый климатической системой за достаточно большой промежуток времени (порядка 30 лет).

Если принять во внимание, что ансамбль состояний предполагает наличие на множестве состояний некоторой вероятностной меры, то под климатом будем понимать все статистические характеристики множества состояний, полученные усреднением по данной вероятностной мере. В определении климата также предполагается, что ансамбль состояний порождается траекторией климатической системы, поэтому в принципе мы можем рассматривать предсказуемость траектории, усредненную по ансамблю начальных данных, как климатическую характеристику. В этом смысле задачи прогноза погоды входят в число задач теории климата. В данной работе мы будем рассматривать задачи крупномасштабного взаимодействия атмосферы и океана в исторической ретроспективе. Такой подход позволяет последовательно изложить логическую взаимосвязь моделей и методов, положенных в основу исследования данной проблемы.

Проблеме крупномасштабного взаимодействия атмосферы и океана посвящено огромное число работ, поэтому установление иерархии их значимости является в определенной степени субъективным. Так, по мнению автора, ключевой задачей в этой проблеме является задача исследования роли океана в формировании крупномасштабной низкочастотной изменчивости атмосферной циркуляции, поэтому основной упор в данной работе будет сделан на модели и методы решения именно этой задачи. Поскольку в силу особенностей атмосферы и океана ключевым аппаратом исследования вышеуказанной проблемы являются глобальные численные модели атмосферы и океана, наше рассмотрение мы начнем с истории создания совместных моделей атмосферы и океана, которая по понятным причинам (как уже было сказано выше) будет довольно фрагментарной. Прежде чем перейти непосредственно к этому вопросу, отметим, что проблему моделирования климата и его изменений можно структурировать в рамках трех ключевых задач.

Исследования, положенные в основу данной главы, выполнены при финансовой поддержке РФФИ (гранты № 12-05-00484-а, 13-05-12052-офи_м), а также гранта Президента Российской Федерации по государственной поддержке ведущих научных школ России (№ НШ-6147.2014.5).

I. Воспроизведение климата. В принципе, данная задача сводится к описанию всех климатообразующих процессов с той или иной степенью точности. Ясно, что если требуется воспроизводить региональные особенности климата (например, с помощью так называемых бесшовных моделей), то климатические модели должны иметь высокое пространственное (и, следовательно, временное) разрешение. В этом смысле задачу о роли океана в формировании низкочастотной изменчивости атмосферных процессов можно рассматривать как подзадачу первой ключевой задачи моделирования климата и его изменений.

Если ставить вопрос в более широком аспекте - как задачу исследования роли океана в формировании климата, то некоторые ответы кажутся вполне очевидными. Например, очевидным представляется, что океан в силу своей термической инерции снижает амплитуду годового хода, температурные контрасты между океаном и сушей порождают стационарные термические волны через формирование соответствующих источников нагревания, температурные контрасты в тропиках отвечают за формирование зон конвергенции. Океан является главным источником водяного пара в атмосфере и, следовательно, первоисточником процессов, связанных с конденсацией водяного пара и выделением скрытого тепла, океан переносит тепло к полюсам и т.д., и г.п. Ясно, что совместные модели общей циркуляции атмосферы и океана все эти процессы должны воспроизводить адекватным образом.

Несмотря на множество вопросов о взаимодействии атмосферы и океана, ответы на которые кажутся вполне очевидными, существует много проблем, требующих тщательного исследования. С самого начала изучения проблемы взаимодействия атмосферы и океана и роли океана в формировании и предсказуемости атмосферных процессов возникли вопросы, полные ответы на которые не получены до сих пор. К таким вопросам можно отнести следующие.

• 1. Каковы механизмы отклика атмосферной циркуляции на аномалии поверхностной температуры океана в средних широтах и тропиках?
• 2. Какова роль сезонного хода в формировании этого отклика?
• 3. На каких временных масштабах существуют моды совместной изменчивости атмосферной и океанической циркуляции?
• 4. На каких временных масштабах океан является «диссинатором» атмосферной циркуляции, а на каких - ее «генератором»?

Можно перечислить и множество других проблем, ответы на которые несомненно приведут к лучшему пониманию предсказуемости климатических изменений.

II. Чувствительность климата к малым внешним воздействиям. Проблема определения чувствительности климата к малым внешним воздействиям была рассмотрена нами в многочисленных работах, в частности (Грицун, Дым- ников, 1999; Дымников, Грицун, 2005). Здесь лишь отметим, что методы, разработанные для решения этой задачи, с успехом могут быть применены и для анализа отклика атмосферы циркуляции на аномалии температуры поверхности океана (см., например, Глазунов и др., 2001; Глазунов, Дымников, 2002). Подробнее эти методы рассмотрены в специальном разделе данной работы.

III. Прогноз изменений климата. Эта задача представляется наиболее сложной из всех. Проблема заключается в том, что изменения климата происходят по двум причинам: за счет изменения внешних воздействий (внешних параметров) и за счет собственной изменчивости, поскольку в определении климата мы выбрали конечный интервал времени. Известно, что траектория климатической системы неустойчива, по Ляпунову, следовательно, будут неустойчивы и функционалы от нее, вычисленные на конечном интервале времени. Однако сколько-нибудь эффективных оценок для осредненных показателей Ляпунова мы не имеем, и с математической точки зрения эта проблема остается открытой (см.: Дымников, Филатов, 1994). Важно подчеркнуть, что в силу того, что ряды наблюдений климатической системы ограничены, решить эту задачу в настоящее время чисто экспериментально (как это делается для среднесрочного прогноза погоды) практически невозможно.