Рачёт циркуляции атмосферы с самосогласованным переносом дыма по двумерной модели

 

Важность одновременного учета гидродинамического переноса инжектированного в атмосферу аэрозоля ветрами и обратное влияние на циркуляцию посредством радиационных эффектов впервые была указана в исследованиях марсианских пыльных бурь (Ryan, Henry, 1979; Haberle et al., 1983). Эти бури на начальной стадии имеют региональный масштаб, но могут быстро превратиться в штормы глобального масштаба в результате взаимодействия между циркуляцией атмосферы Марса и поглощением солнечного излучения пылью.
В работе Хаберле и др. (Haberle et al., 1985) для исследования важных аспектов земной циркуляции модифицирована полностью самосогласованная зональная двумерная модель циркуляции атмосферы Марса, предложенная в 1983 г. (Haberle et at., 1983). Температура поверхности считалась неизменной и равной среднегодовому значению, что примерно соответствует покрытой океанами планете. Потоки явного тепла параметризировались с учетом трения о поверхность. Потоки латентного тепла задавались по данным наблюдений, а балл облачности принимался равным 50% в каждой широтной зоне. Модель описывает ветры, температуру и перенос примесей в меридиональной плоскости, но не содержит параметризации вихревого переноса этих величин, который нельзя рассчитать в рамках двумерной модели. Хотя существующие в настоящее время вихревые потоки в атмосфере играют важную роль, неясно, как они изменятся и, следовательно, как их следует параметризовать в случае сильного возмущения атмосферной циркуляции. Отсутствие вихревых потоков и вариаций температуры поверхности существенно ограничивает определение таких климатических характеристик, как температура воздуха, но, возможно, оно меньше сказывается при исследованиях глобального переноса дыма за счет средней меридиональной циркуляции.
Такая модель, очевидно, очень грубо аппроксимирует реальную атмосферу. В невозмущенном случае модель дает две циркуляционные ячейки гадлеевского типа, но более мелкие и более вытянутые к полюсам, чем в реальности. Полагают, что эти различия связаны главным образом с отсутствием параметризации крупномасштабных вихрей и грубым описанием балансов латентного тепла. Струйные течения в средних широтах также слишком сильны, но стратосфера оказывается статически устойчивой, что препятствует возбуждению вертикальных движений в тропосфере, обусловленных эффектом всплывания. Модель достаточно полно описывает радиационные свойства дыма, включая рассеяние и поглощение солнечной радиации и поглощение и эмиссию инфракрасного излучения. Коагуляция дымовых частиц не учитывается; кроме того, принимается, что удаление аэрозоля обусловлено фиксированным вымыванием, из-за которого среднее время жизни частиц в тропосфере составляет 10—15 сут. Оптические характеристики дыма заимствованы из работы Турко и др. (Turco et at., 1983а).
В начальный момент в атмосферу выбрасываются 265 млн. т дыма в полосе между 27,5 и 62,5° с. ш. В одном эксперименте дым распределялся в слое от 0 до 4 км (низкое облако), а в другом — в слое от 6 до 10 км (высокое облако). Соответствующая начальная оптическая толщина экстинкции равна 14, а оптическая толщина абсорбции — около 5. Для каждого из начальных условий были проведены три расчета для интервала времени длительностью 20 сут. В одном расчете дым рассматривался как пассивная примесь, не влияющая на локальные скорости нагрева и циркуляцию; в другом расчете принималось, что поглощение излучения примесью вызывает ее нагрев и воздействует на циркуляцию атмосферы; наконец, в третьем расчете одновременно учитывались влияние дыма на нагрев и циркуляцию, а также вертикальное перемешивание аэрозоля за счет конвекции.