Как шероховатость океана управляет ветрами планеты ✎

Оригинал: "Zonal-mean circulation response to reduced air-sea momentum roughness"
arXiv:1606.00566 · 2016-06-02 · arXiv non-exclusive · собственный разбор · 3 мин
Небольшое изменение параметра шероховатости поверхности моря в климатической модели приводит к сдвигу зональной циркуляции, напоминающему отклик на Эль-Ниньо.

Контекст

Параметризации поверхностного слоя в моделях общей циркуляции атмосферы остаются источником значительных неопределённостей, которые могут влиять на систематические ошибки моделей и разброс прогнозов изменений климата. Рядом с данной работой в архиве находятся исследования, посвящённые чувствительности циркуляции к процессам на поверхности и в пограничном слое: влияние трения о дно на вихри в мелкой воде, роль облаков в перестройке океанских вихрей, тепловые насосы в океане Энцелада, а также влияние гор на климат экзопланет. Настоящая статья дополняет эту группу, фокусируясь на чувствительности крупномасштабной циркуляции к изменениям шероховатости поверхности моря, что до сих пор было сравнительно мало изучено по сравнению с параметризациями облаков и конвекции.

Методы

Использовалась модель общей циркуляции атмосферы CAM3 в конфигурации «аквапланета» с заданным зонально-симметричным распределением температуры поверхности моря (профиль Qobs). Проводились парные расчёты с исходной и уменьшенной шероховатостью для импульса Z0m при слабом ветре (коэффициент c4 уменьшался с 0.0027 до 0.000027 м/с). Для выяснения механизма выполнялись эксперименты с «отключением» механизма: уменьшение шероховатости только в тропиках или только во внетропиках, а также только в формулах для потоков тепла или только для напряжения трения. Дополнительно использовались ансамблевые расчёты с внезапным включением уменьшенной шероховатости для анализа временной эволюции отклика. Для проверки робастности проводились расчёты с другими профилями температуры поверхности моря и в более сложной конфигурации AMIP с заданными SST и с океаном смешанного слоя.

Результаты

Уменьшение шероховатости Z0m при слабом ветре приводит к статистически значимому отклику зонально-осреднённой циркуляции, который качественно воспроизводится во всех рассмотренных конфигурациях. В аквапланете с профилем Qobs западные ветры средних широт сдвигаются к полюсу на несколько градусов, причём сдвиг распространяется до поверхности. Ячейка Хэдли ослабевает примерно на 25% по максимуму функции тока на уровне 500 гПа, а внутритропическая зона конвергенции (ITCZ) сдвигается к полюсу. Температура тропической тропосферы понижается, особенно в средних и верхних слоях, а в субтропиках наблюдается потепление, что согласуется с термическим ветром. Эксперименты с «отключением» механизма показали, что отклик инициируется уменьшением потоков скрытого и явного тепла в тропиках, а не изменением напряжения трения. Временной анализ выявил быструю адаптацию баланса Экмана и более медленную перестройку вихревых потоков импульса. В конфигурациях AMIP отклик слабее, но сохраняет ту же структуру, включая сдвиг струй и ослабление ячейки Хэдли.

Значение

Работа демонстрирует, что даже небольшие изменения параметров поверхностного слоя, находящиеся в пределах неопределённостей наблюдений, могут вызывать существенный отклик крупномасштабной циркуляции, сравнимый по амплитуде с естественной изменчивостью ЭНСО. В отличие от соседних исследований, которые фокусируются на отдельных аспектах взаимодействия атмосферы с поверхностью (например, трение о дно или роль облаков), данная статья связывает параметр шероховатости поверхности моря с целостным откликом тропической и внетропической циркуляции через термодинамический механизм. Это подчёркивает необходимость учитывать неопределённости в параметризациях поверхности наравне с параметризациями облаков и конвекции при анализе систематических ошибок моделей и их прогнозов.

Развитие

Тема может развиваться в направлении систематического сравнения чувствительности циркуляции к изменениям параметров поверхностного слоя в разных моделях общей циркуляции. Взаимодействие с параметризациями конвекции и облаков, которое может изменить знак отклика ITCZ, заслуживает отдельного изучения. Также важно исследовать, насколько полученные результаты зависят от конкретной схемы поверхностного слоя (Large and Pond против других) и от способа задания шероховатости для тепла и влаги.

Влияние

Результаты могут повлиять на интерпретацию систематических ошибок климатических моделей, особенно в положении струйных течений и структуре тропической конвергенции. Они также актуальны для разработки более надёжных параметризаций взаимодействия атмосферы и океана в моделях прогноза погоды и климата.

Следующие шаги

Следующим шагом может быть проведение аналогичных экспериментов в нескольких независимых моделях общей циркуляции для оценки универсальности отклика. Также полезно исследовать влияние изменений шероховатости на региональные осадки и муссонную циркуляцию в более реалистичных конфигурациях.

Ключевые проблемы

Работа напрямую связана с проблемой систематических ошибок моделей в положении струйных течений и структуре ITCZ, а также с разбросом прогнозов изменений циркуляции при глобальном потеплении. Она показывает, что неопределённости в параметризациях поверхности могут быть столь же важны, как и неопределённости в облаках и конвекции, и должны учитываться при оценке робастности климатических прогнозов.

В исходной параметризации CAM3 коэффициент сопротивления при слабом ветре (менее 5 м/с) может быть уменьшен в 100 раз, и это всё ещё находится в пределах разброса наблюдений, полученных в полевых кампаниях над океаном.

(\tau, E, H) = \rho_A |\Delta v| (C_D \Delta v, C_E \Delta q, c_p C_H \Delta \theta)
Потоки пропорциональны плотности воздуха, разности скоростей и разности температуры или влажности, умноженным на соответствующие коэффициенты обмена.
C_{DN} = \frac{\kappa^2}{\ln^2(10/Z_{0m})}
Коэффициент сопротивления зависит логарифмически от отношения высоты измерения (10 м) к шероховатости поверхности.
\partial_\phi \langle v h \rangle = \langle Q_R \rangle + L_v E + H \equiv F
Дивергенция потока влажной статической энергии уравновешивается суммой радиационного нагрева и потоков скрытого и явного тепла.

Ключевые числа

  • уменьшение коэффициента c4: в 100 раз (с 0.0027 до 0.000027 м/с)
  • ослабление ячейки Хэдли: около 25%
  • сдвиг струйных течений: несколько градусов широты
  • горизонтальное разрешение аквапланеты: T85 (примерно 1.4°)
  • длительность ансамблевых расчётов: 50 членов, 30 дней после включения
Понятия
ячейка Хэдли ла-нинья внутритропическая зона конвергенции циркуляция уокера обратная связь Бьеркнеса связь океана и атмосферы южная осцилляция модель Зебиака–Кейна эль-ниньо северное экваториальное противотечение океаническое течение океанический индекс нино напряжение ветра относительный они атмосферное давление энсо атлантическая мультидекадная осцилляция аномалия температуры поверхности моря связанная модель общей циркуляции поверхностное натяжение