Взаимодействие атмосферы с подстилающей поверхностью. Регулирующая роль облачности

Хорошо известно, что при изучении процессов большой продолжительности важно учитывать крупномасштабное взаимодействие атмосферы с подстилающей поверхностью. При таком взаимодействии существенная роль должна принадлежать океану, обладающему большой тепловой инерцией.

Другим важным фактором является поле облачности. Влияние возникновения и эволюции облачных систем проявляется, с одной стороны, вследствие процессов конденсации и испарения, с другой —вследствие изменения режима радиационного и турбулентного теплообмена.

Количественно роль изменяющегося во времени поля облачности в развитии атмосферных макропроцессов исследована пока еще недостаточно. Обычно использовались средние многолетние данные о распределении облачности, так, например, поступали при решении упоминавшихся выше задач теории климата. Лишь в последнее время были предприняты попытки включить облачные эффекты в нестационарные модели общей циркуляции атмосферы.

Попытки эти в большинстве случаев ограничивались учетом конденсации в облачных системах. Несомненно, что не менее важно при рассмотрении процессов большой продолжительности учитывать изменения радиационного режима в результате преобразований поля облачности. Благодаря экранирующему действию облачности может существенно варьировать приток солнечной энергии к земной поверхности, изменяются также потоки длинноволновой радиации и т. и.

По А. С. Монину, облачность является «регулятором с обратной связью», ибо ее поле определяется теми же крупномасштабными процессами, на эволюцию которых она эффективно влияет. Регулирующее действие облачности, согласно А. С. Монину, можно упрощенно описать следующим образом. Пусть в некоторый момент времени в море имеется повышенное количество тепла.

Море будет усиленно нагревать атмосферу, в ней интенсифицируются восходящие движения и образуется повышенное количество облаков. Такая облачность создает увеличенную экранировку солнечной радиации, в результате чего появится аномалия притока солнечного тепла. Море, получающее теперь меньше тепла, охладится и начнет охлаждать атмосферу, восходящие движения воздуха ослабнут и облачность начнет таять.

При пониженном же количестве облаков море вновь начнет прогреваться, восстановятся условия, с которых процесс начинался, и картина будет повторяться. Изложенная здесь концепция указывает на возможность возникновения автоколебаний в атмосфере благодаря наличию облачности. Описанная схема в некоторой степени подтверждается результатами теоретических исследований. Так, Б. Л. Гаврилин и А. С. Монин предложили теоретическую модель, в которой одновременно учитываются облачные эффекты и взаимодействие атмосферы с подстилающей поверхностью.

При этом принималось, что земля сплошь покрыта океаном. Важным новшеством является учет изменений во времени притока тепла от Солнца, обусловленных облачностью, которые принимаются пропорциональными аномалиям количества облаков. В свою очередь количество облаков взято пропорциональным вертикальной скорости на изобарической поверхности 850 мб.

Отправным является линеаризированное уравнение для эволюции потенциального вихря. Учитывается турбулентная теплопроводность по горизонтали, притоки тепла за счет конденсации и радиации. Аномалии радиационного притока тепла (отклонение от стандартного распределения) принимаются пропорциональными аномалиям температуры при безоблачном небе и равным нулю в облаке, где учитывается приток тепла от конденсации.

Распределение температуры в океане определяется из обычного уравнения теплопроводности. Решение задачи при соответствующих граничных условиях обнаруживает долгопериодические колебания. Для волн разных размеров период изменяется от одного до пяти месяцев. Таким образом, при рассмотренном типе долговременного взаимодействия океана и атмосферы можно ожидать появления колебаний с периодом в несколько месяцев.

В вышеупомянутой модели учитывались облачные эффекты и взаимодействие атмосферы с подстилающей поверхностью в предположении, что последняя однородна (океан). Однако очевидно, что наличие облачности сказывается в рассматриваемых явлениях по-разному в зависимости от того, над каким типом поверхности эта облачность находится. Так, экранирование солнечной радиации облачностью приведет к различным результатам над морем и над сушей. Следовательно, при изучении регулирующей роли облачности желательно учесть различие свойств подстилающей поверхности.

Этот вопрос был рассмотрен С. А. Машковичем, исследовавшим эволюцию зональной циркуляции и температуры при изменяющейся во времени облачности над сферической землей с реальным распределением материков и океанов.

Для определения зональной температуры воздуха использовалось уравнение притока тепла, учитывающее горизонтальную и вертикальную турбулентную теплопроводность и радиационный теплообмен. Температура в почве и океане находилась из уравнения теплопроводности,

В одном из вариантов постановки задачи количество облаков определялось из статистического соотношения по оператору Лапласа от функции тока, в другом — использовались фактические ежедневные данные об облачности. Результаты расчетов продемонстрировали возникновение колебаний зональной циркуляции с периодом от нескольких суток до десятков дней.

Выше говорилось об одном из регуляторов с обратной связью — облачности. Вероятно, облачность — не единственный регулятор такого типа. В качестве примера можно указать морские течения дрейфового происхождения.

Эти течения возникают под действием ветра и, следовательно, зависят от циркуляции атмосферы. Вместе с тем они переносят тепло и влияют на распределение в пространстве и времени потоков тепла из океана в атмосферу, а значит, и на энергетику общей циркуляции атмосферы. Однако, по-видимому, облачность является более быстродействующим и более эффективным регулятором.