Расчет общей циркуляции океана

Краткое описание модели общей циркуляции океана (МОЦО) включает сведения о назначении модели, ее основных особенностях и областях применения.

Подборка иллюстраций отражает некоторые результаты численных экспериментов с разными конфигурациями МОЦО:

• интегральный перенос вод в Мировом океане;
• «конвейерная лента» циркуляции океана;
• «подныривание» атлантических вод под арктические воды в проливе Фрама;
• среднемесячные поля глубины верхнего перемешанного слоя в океане;
• долгопериодные эффекты синоптических флуктуаций атмосферных воздействий на поверхности океана.

Модель общей циркуляции океана развивается в Гидрометцентре России с начала 1990-х годов. Подробное описание модели и результаты проведенных с ней численных экспериментов изложены в ряде публикаций (Реснянский, Зеленько, 1991-2002).


Назначение МОЦО. Модель предназначена для воспроизведения течений и гидрологических полей в толще вод океана по заданным условиям на его поверхности. Условия определяют воздействия со стороны атмосферы: напряжение ветра, потоки тепла и пресной воды. Моделирование океанических характеристик необходимо для климатических исследований, совершенствования методов долгосрочных прогнозов погоды, восстановления информации о состоянии океанских вод с использованием систем усвоения данных.

Описание МОЦО. В основе модели лежат уравнения термогидродинамики, записанные в сферической системе координат. Для численного решения этих уравнений используется метод конечных разностей. Расчетная область охватывает Мировой океан от поверхности до дна и имитируется набором сеточных узлов в горизонтальной плоскости и набором расчетных уровней по вертикали.
Процессы мелкомасштабного турбулентного перемешивания в верхнем слое воды описываются на основе интегрального подхода, учитывающего наличие перемешанного слоя. Используемая в модели параметризация бюджета кинетической энергии турбулентности обеспечивает воспроизведение основных асимптотических режимов эволюции верхнего перемешанного слоя. В частности, предусмотрено выполнение условий для воспроизведения как проникающей, так и непроникающей конвекции, а также циклических режимов.

Области применения МОЦО. Разработанная модель обладает необходимым потенциалом для решения широкого круга прикладных задач, связанных с исследованиями возможных изменений климата, разработкой методов долгосрочных прогнозов погоды, обеспечением потребителей информацией о состояние океанских вод. В полной мере этот потенциал может реализоваться при проведении расчетов на сетках с высоким пространственным разрешением и при детальном определении атмосферных воздействий на поверхности воды.


Некоторые иллюстрации результатов численных экспериментов, выполненных с МОЦО.
Функция тока полных потоков для декабря 40-го модельного года. Изолинии проведены через 5 Св.
Расчеты выполнены для конфигурации МОЦО с разрешением 2°х2° по горизонтали и 15 уровнями по вертикали. На поверхности океана задается климатический атмосферный форсинг, рассчитанный по данным реанализа NCEP/NCAR (Kalnay et al., 1996).
Распределение функции тока полных потоковY характеризует интегральный перенос вод от поверхности до дна океана. Разность значений Y между двумя точками равна расходу вод через сечение, соединяющее эти точки. Средние по глубине течения направлены по касательной к изолиниям Y, так что большие значения Y остаются справа, если смотреть по направлению течения.





Поле скорости течений (см с-1) на глубине 105 м (верхняя карта) и 2600 м (внизу).
Расчеты на шесть лет модельного времени выполнены для конфигурации МОЦО с разрешением около 5° по горизонтали и 15 уровнями по вертикали. На поверхности океана задается атмосферный форсинг, рассчитанный по данным ЕЦСПП.
Качественно воспроизводятся элементы глобальной «конвейерной ленты»: поверхностные воды из Тихого и Индийского океанов пересекают весь Атлантический океан с юга на север, опускаются вниз у Гренландии и распространяются на глубинах в обратном направлении, замыкая «конвейерную ленту».





Распределения меридиональной скорости течения (см/с) в двух зональных сечениях через пролив Фрама вдоль широты 76,25° с.ш. (левый разрез) и вдоль широты 80° с.ш. (справа).
Скорость осреднена за последний (1997 г.) год трехлетнего интегрирования модели общей циркуляции океана на сетке 1,25°x1,25° в расчетной области, включающей северный полюс.
Атлантические воды, распространяющиеся в юго-западной части пролива во всей толще воды от поверхности до дна при дальнейшем движении на север «подныривают» под текущие на юг поверхностные распресненные арктические воды.





                                  (а)                                                                        (б)

                                  (в)                                                                        (г)

Среднемесячная толщина ВПС по модели для февраля (а) и августа (в) и по данным климатического атласа Левитуса для февраля (б) и августа (г).
Модель достаточно успешно воспроизводит процессы зимнего перемешивания в высоких широтах.






Cреднезональные разности температуры поверхности океана (градусы Цельсия) между экспериментами А01 и А30 в течение второго года интегрирования. Эксперимент А01 — ежесуточный атмосферный форсинг, эксперимент А30 — тот же форсинг, но подвергнутый сглаживанию с окном 30 суток.
Расчеты выполнены для конфигурации МОЦО с разрешением около 5° по горизонтали и 15 уровнями по вертикали.
Эффекты синоптических вариаций атмосферных воздействий, присутствующие в эксперименте А01 и отфильтрованные в А30, проявляются главным образом в средних широтах соответствующего летнего полушария.