АНАЛИЗ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ОТКЛИКА ВЕРХНЕГО СЛОЯ ОКЕАНА НА АТМОСФЕРНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ
Существует достаточно обоснований, что согласно гипотезе Бьеркнеса (Bjerknes, 1964) главная часть изменчивости (не связанной с годовым ходом) температуры поверхности океана (ТПО) в средних широтах на временах от внутрисезонных до межгодовых обусловлена непосредственным атмосферным воздействием (см., например, (Frankignoul, Hasselmann, 1977; Zorita et al., 1999; Мошонкин, Дианский, 1992, 1994; Moshonkin, Diansky, 1995; Battisty et al., 1995; Delworth, 1996)). Особенно это проявляется в зимние сезоны, когда активность атмосферы повышена и это воздействие в средних широтах обусловлено главным образом изменчивостью в потоках явного и скрытого тепла на поверхности океана (Сауап, 1992). Таким образом, крупномасштабные поля аномалий ТПО связаны с полями этих потоков. В свою очередь, крупномасштабные пространственные распределения потоков тепла на границе «атмосфера - океан» тесно взаимосвязаны с динамикой крупномасштабной циркуляции атмосферы.
Крупномасштабные пространственно-временные связи между ТПО и атмосферными параметрами обычно изучаются на больших массивах данных, представляющих собой временные последовательности, заданные на пространственных сетках с большим количеством узлов. При этом используются различные методы для выявления из всего многообразия состояний атмосферных параметров и / или ТПО некоторых характерных состояний.
В работах (Kushnir, 1994. 1996; Battisty et al., 1995) были построены композиты теплых и холодных среднезимних аномальных состояний атмосферы и ТПО в Северной Атлантике, где в качестве критерия аномальности служили отклонения ТПО от климатического состояния, осредненные в отдельных районах севернее 40°с.ш. Пространственные формы этих композитов имеют дипольные структуры. Для теплых состояний потепление ТПО севернее 40°с.ш. связано с повышенным давлением на уровне моря (ДУМ) и потеплением воздуха вследствие уменьшения скорости западных ветров. Теплые воды в северной части бассейна сопровождаются аномально холодными водами в области 20- 30°с.ш., где ДУМ имеет пониженное значение и приводный воздух аномально холоден. Композиты холодных состояний имеют противоположную по знаку структуру по отношению к теплым.
Пространственные структуры этих композитов для ДУМ и ТПО схожи со структурами векторов первой моды канонического корреляционного анализа, выполненного в работе (Zorita et al., 1999) для средних месячных зимних полей
Исследования, положенные в основу данной главы, выполнены при финансовой поддержке РФФИ (гранты № 12-05-00810-а, № 12-05-00814-а).
ДУМ и ТПО по данным COADS (Fletcher et al., 1983). Корреляция со сдвигом соответствующих временных коэффициентов Фурье при этих векторах показала, что колебания ДУМ несколько опережают колебания ТПО.
В работах (Wallace et al., 1990; Wallace et al., 1992) были представлены эмпирические ортогональные составляющие (EOF) и проведен анализ, основанный на методе сингулярного разложения ковариационной матрицы (SVD), среднемесячных полей аномалий ТПО и высоты изобарической поверхности 500 мб (Н500). Было показано, что связи между аномалиями Н500 и тенденциями аномалий ТПО сильнее, нежели между самими аномалиями этих величин. Уоллес и Янг (Wallace, Jiang, 1987), по данным наблюдений, и Делворт (Delworth, 1996) в экспериментах с совместной моделью, обнаружили, что временные корреляции между атмосферными полями и аномалиями ТПО возрастают, когда атмосфера опережает океан. Эти и некоторые другие исследования указывают на то, что атмосферные аномалии опережают аномалии ТПО на один или несколько месяцев. Более того, доминантные связанные атмосферно-океанские моды по меньшей мере инициируются аномалиями атмосферной циркуляции. Поэтому горизонтальный масштаб аномалий ТПО отвечает масштабу соответствующих атмосферных аномалий. Во всех приведенных выше исследованиях главные связанные пространственные зимние структуры между ТПО и ДУМ или Н500, полученные для средних месячных рядов в Северной Атлантике, имеют дипольные формы. Как уже говорилось, дипольно структурированная мода в системе «атмосфера - океан» связана с ветровой адвекцией тепла над океаном (Zorita et al., 1999). Это имеет хорошее подтверждение в модельных экспериментах (Battisty et al., 1995; Дымников и др., 1995; Delworth, 1996). Вторые же моды в Северной Атлантике имеют монопольную пространственную структуру (см., например, (Zorita et al., 1999; Wallace et al., 1990)). Пенг и Файф (Peng, Fyfe, 1996) предположили, что дипольная мода связана с атмосферным воздействием на океан (что хорошо подтверждается в других исследованиях), а монопольная мода отражает океанское воздействие на атмосферные процессы. Последнее предположение, конечно же, требует дальнейшего изучения и проверки.
Рассмотрим изменение величины временного сдвига между атмосферным воздействием и крупномасштабным откликом ТПО в зависимости от рассматриваемых временных масштабов. Поскольку первая мода SVD аномалий Н500 и ТПО хорошо отражает атмосферное воздействие на океан, проведем именно ее пространственно-временной анализ. Поле Н5оо используется потому, что служит индикатором циркуляции атмосферы и поэтому хорошо отражает непосредственное воздействие атмосферы на океан. Потоки явного и скрытого тепла и поверхностное напряжение трения ветра тесно связаны с пространственным распределением и изменчивостью этой характеристики, особенно в зимних условиях, когда циркуляция атмосферы в основном эквивалентно-баротропна.
Здесь основные результаты получены по данным наблюдений. Для подтверждения некоторых выводов используются результаты моделирования с совместной моделью «атмосфера - верхний слой океана» (Дымников и др., 1995).
Поскольку модель верхнего слоя отражает в основном квазилокальное атмосферное воздействие, то это косвенно должно подтверждать выводы, полученные по результатам наблюдений (Дианский, 1998; Deser, Timlin, 1997). В § 6.1— 6.3 дан в основном анализ отклика океана на воздействие атмосферы по данным наблюдений, а в § 6.4 выполнено моделирование этого отклика, хотя разделение того и другого условно, гак как эти два направления органически связаны.
