Взаимодействие атмосферы и океана в тропиках - программа TOGA

Принципиальный сдвиг в понимании проблемы отклика атмосферной циркуляции на аномалии источников нагревания произошел после публикации работ (Wallace, Gatzler, 1981; Hoskins, Karoly, 1981). В первой из них на основе метода одноточечных корреляций было показано, что поле корреляций геопотенциала на высоте 500 мб имеет волновую структуру. Эту волновую структуру можно было объяснить с помощью теории стационарных волн, распространяющихся от источников нагревания (Hoskins, Karoly, 1981). При этом весьма существенной оказывается вертикальная структура источника.

Действительно, в предположении устойчивости отклика уравнение для аномалий температуры при динамической компенсации источника можно записать в виде

где Т - климатические значения температуры, u',v',w' - аномалии компонент

вектора скорости, s' - аномалия источника, сг - параметр статической устойчивости атмосферы. Подробный анализ, сделанный в работе (Hoskins, Karoly, 1981), показал, что в случае мелкого источника (аномалия температуры поверхности океана (ТПО) в средних широтах) величина s' компенсируется в уравнении (1.8) либо слагаемым и'^—, либо членом v'^—. В случае глубокого исгоч-

дх ду

ника (аномалия ТПО в тропиках) s компенсируется адиабатическим охлаждением (слагаемым

Если источник глубокий, то он порождает аномалию завихренности, которая генерирует баротронную компоненту волнового отклика в виде пакета стационарных волн, распространяющихся вдоль большого круга (в модельном случае сунервращения). Мелкий же источник в средних широтах при наблюдаемых величинах аномалий ТПО создает, как правило, локальный отклик. Этот отклик может быть ио существу глобальным, если аномалия достаточно велика (см.: Глазунов, Дымников, 2002). При этом характерные времена создания локального источника завихренности и глобального отклика за счет цуга квазистацио- нарных волн Россби по существу разделяются - время установления глобального отклика увеличивается за счет реализации баротронной неустойчивости в областях больших градиентов зонального потока вдоль восточных берегов континентов.

Остановимся на теории стационарных волн Россби несколько подробнее. Пусть линеаризованное уравнение переноса баротронного вихря на /(-плоскости имеет вид

где ц/ - функция тока, q' — At// и

Если решение q' уравнения (1.9) искать в виде то для стационарной волны (сг = 0) соответствующее уравнение будет иметь вид

где К] = р! к . Если к² < К², то данное уравнение имеет волновое решение, при к² > К' мы имеем решение с экспоненциальным затуханием по у. Широта, на которой й = 0, есть критическая широта. Нетрудно вычислить групповые скорости распространения по у стационарных волн от соответствующего источника:

где к и / - компоненты волнового вектора. В работе (Hoskins, Karoly, 1981) показано, что для случая сунервращения на сфере стационарные волны распространяются вдоль больших кругов.

Впервые анализ проблемы устойчивости зонально-несимметричных атмосферных потоков был проведен в работе (Simmons et al., 1983). В 1985 г. официально была объявлена программа взаимодействия атмосферы и океана в тропиках - TOGA (тропический океан и глобальная атмосфера) (подпрограмма программы ВПИК - Всемирной программы исследования климата). В основу этой программы было положено исследование связи явления Эль-Ниньо с Южными осцилляциями. Наблюдательная и теоретическая части программы были посвящены главным образом фундаментальным процессам, формирующим это явление: сбой пассатов в экваториальной зоне Тихого океана, распространение волны Кельвина ог западного берега экваториальной зоны Тихого океана до его восточного берега, блокирование апвеллинга у побережья Перу, сдвиг максимума температуры поверхности океана в центральную часть экваториального Тихого океана, формирование аномалии источника нагревания и завихренности и распространение пакета волн в средние широты. Конечным формальным результатом программы явилось создание совместной модели тропиков Тихого океана и глобальной атмосферы, работающей в оперативном режиме. Отметим также, что была предложена целая серия концептуальных моделей явления Эль- Ниньо: осцилляторы на основе запаздывания по времени, динамикостохастические осцилляторы, POP-анализ и г.д. Особое место в этой цепи работ занимают исследования предсказуемости явления Эль-Ниньо.