Методика исследований. Роль «численных экспериментов» по общей циркуляции атмосферы. Теория климатического распределения метеорологических элементов

Анализ данных фактических наблюдений позволяет обнаружить ряд особенностей в строении атмосферы и установить важные закономерности. Однако нельзя ограничиться изучением эмпирических данных. Отчасти это объясняется и тем, что не все необходимые величины непосредственно измеряются. Поэтому большое значение имеют теоретические исследования и, особенно, так называемые численные эксперименты.

Какой же смысл вкладывается в понятие «численный эксперимент»? Назовем физико-математической (теоретической) моделью явления или процесса совокупность уравнений с граничными и начальными условиями, описывающих изучаемую физическую систему с той или иной степенью приближения.

В понятие модели неотъемлемой частью входят также метод и алгоритм численного решения рассматриваемых уравнений. Необходимость специально оговаривать это обстоятельство объясняется тем, что при численном решении обычно приходится заменять непрерывные поля метеорологических элементов совокупностью значений в дискретных точках.

Такая замена вносит определенные искажения и поэтому, чтобы судить о близости рассматриваемой физической системы и ее модели, нужно ясно представлять способ численной реализации последней.

Теоретическая модель может включать ряд «внешних параметров», характеризующих изучаемое явление. Эти параметры могут отражать, например, астрономическую сторону явления (угловая скорость вращения Земли, величина притока тепла от Солнца и др.), свойства воздушной оболочки и подстилающей поверхности (альбедо, коэффициент турбулентного перемешивания, коэффициенты поглощения радиации и др.) и т. д. В некоторых случаях необходимо параметризовать также некоторые физические эффекты, непосредственно моделью не описываемые.

Численным экспериментом по изучению данной физической системы можно назвать численное решение, полученное для выбранной ее теоретической модели.

Варьируя как саму модель, так и внешние параметры и начальные условия и сопоставляя результаты эксперимента с данными наблюдений, оказывается возможным проверить правильность привлекаемых физических гипотез, установить точность используемых уравнений, выяснить роль разных факторов в изучаемом явлении и дать количественное объяснение формирования процесса. Поэтому в известной степени численные эксперименты заменяют эксперименты натурные.

Из сказанного ясно, что метод численных экспериментов играет важную роль в метеорологических исследованиях. В сущности, этот метод давно уже применяется в динамической метеорологии. Однако широкое и эффективное осуществление численных экспериментов стало возможным после появления быстродействующих ЭВМ.

В начальный период изучения атмосферной циркуляции внимание исследователей было привлечено к задачам о климатическом распределении метеорологических полей: важно было понять и научиться математически описывать формирование того фона, на котором развиваются атмосферные макропроцессы. Начало систематических исследований в этом направлении можно отнести к 30-м годам XX в., когда были выполнены фундаментальные работы Н. Е. Кочина.

Н. Е. Кочин применил при изучении общей циркуляции атмосферы методы теории пограничного слоя. Основной вывод, полученный Кочиным, заключался в том, что тропосферу следует считать планетарным пограничным слоем. В результате проведенных оценок он упростил уравнения движения и получил возможность найти поле скоростей для зональной циркуляции и зональное давление в предположении, что известны поле температуры во всем пространстве и приземное давление. Исследования Кочина получили дальнейшее развитие в работах ряда авторов (А. А. Дородницын, В. И. Извеков, М. Е. Швец и многие другие).

Исследованию незонального поля давления посвящена работа Е. Н. Блиновой. Отправляясь от линеаризированного уравнения вихря, она рассчитала стационарное незональное поле давления на среднем уровне атмосферы. При этом поле температуры на упомянутом уровне предполагалось известным. Позднее Блиновой было получено решение для пространственного случая, позволяющее по известному распределению температуры в атмосфере рассчитать стационарное незональное поле давления на любом уровне, в частности на уровне моря.

В работе показана возможность расчета стационарного распределения давления и поля течений по известному полю температуры. Однако для полного решения задачи нужно, очевидно, не считать распределение температуры известным, а находить его также теоретическим путем.

Первые попытки получить теоретическим путем распределение температуры в атмосфере были связаны с использованием предположения о лучистом равновесии (Гольд, Эмден, Гульберт, Ми- ланкович, Кузнецов и др.). Результаты в этом случае сравнительно близки к наблюдаемым величинам.

Однако рассчитанные вертикальные градиенты температуры значительно превышают фактические — этот недостаток присущ всем исследованиям, исходящим из условия лучистого равновесия и не учитывающим движение воздуха и атмосферную турбулентность. Рассчитанное распределение зональной температуры по меридиану показало также завышенные значения для экваториальной области и заниженные — для полярной.

Более полная постановка (учитывается как турбулентный, так и радиационный перенос тепла) была предложена И. А. Кибелем. Сравнение результатов с фактическими данными показало хорошее согласование, были получены характерные для тропосферы вертикальные градиенты температуры и инверсия в приземном слое.

Решение Кибеля было обобщено Е. Н. Блиновой. Она дополнила уравнение притока тепла слагаемым, описывающим эффект горизонтального перемешивания, и рассчитала среднегодовое распределение зональной температуры по высоте и меридиану в северном полушарии.

Различие распределения температуры в северном и южном полушарии было получено на основе этой же модели С. А. Машковичем. Был выполнен ряд исследований, касающихся годового хода зональных полей температуры и ветра (Блинова, Марчук, Машкович и др.).

В упомянутых выше исследованиях для описания радиационных процессов использовалась модель «серой» атмосферы, описывающей лучистый теплообмен весьма приближенно. Поэтому одним из направлений усовершенствования теории формирования термического поля явилось уточнение учета радиационных процессов.

Так, Л. Р. Ракиповой теоретическая модель была усовершенствована путем учета селективности поглощения и диффузионности распространения радиации, а также путем введения зависимости от географической широты плотности вещества, поглощающего радиацию, и привлечения затрат тепла на испарение и конденсацию.

В результате перечисленных исследований была подготовлена основа для постановки задачи об одновременном нахождении температуры, давления и ветра, т. е. о совместном решении уравнений движения и притока тепла.

Модель такого стационарного незонального распределения температуры и поля течений была предложена Е. Н. Блиновой. При этом решались совместно линеаризированные уравнения вихря скорости, притока тепла и уравнения переноса «серой» радиации. Движение полагалось квазисоленоидальным, вертикальные токи отсутствовали. Позже эта модель была обобщена на случай периодического процесса (решение задачи о годовом ходе температуры и функции тока).

Цикл исследований по теории формирования климатических полей метеоэлементов позволил накопить опыт использования и решения уравнений гидро- и термодинамики в целях динамической метеорологии. Особенно важным результатом представляется разработка методики учета радиационных процессов в атмосфере.

Описанные выше исследования ограничивались рассмотрением стационарных или периодических процессов в атмосфере. Однако очень важным аспектом теории общей циркуляции атмосферы является изучение нестационарных крупномасштабных процессов. Следует отметить, что рассмотрение нестационарных процессов в атмосфере существенно сближает исследования по теории общей циркуляции с собственно прогностическими исследованиями.

Ниже мы остановимся лишь на некоторых аспектах изучения нестационарных атмосферных процессов планетарного масштаба. Один из этих аспектов — исследование взаимосвязи процессов различного пространственного и временного масштаба. Здесь важное место занимает изучение взаимодействия длинных волн, особенно нелинейное взаимодействие этих волн с зональной циркуляцией.

Будут также рассмотрены некоторые вопросы взаимодействия атмосферы с неоднородной подстилающей поверхностью и роль облачных массивов в динамике крупномасштабных атмосферных процессов. Наконец, будут кратко изложены некоторые сведения о применении нестационарных моделей для «воспроизведения» общей циркуляции атмосферы.