Радіаційний, тепловий та водний баланс у системі океан-атмосфера

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МОРСЬКИЙ ГІДРОФІЗИЧНИЙ ІНСТИТУТ НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ

АВТОРЕФЕРАТ

РАДІАЦІЙНИЙ, ТЕПЛОВИЙ ТА ВОДНИЙ БАЛАНС У СИСТЕМІ ОКЕАН-АТМОСФЕРА

Дисертація є рукописом

Робота виконана в Морському гідрофізичному інституті Національної академії наук України

Науковий керівник:

Доктор географічних наук, старший науковий співробітник Тімофеєв Микола Андрійович, Морський гідрофізичний інститут Національної академії наук України, провідний науковий співробітник

Офіційні опоненти:

Доктор географічних наук, професор Полонський Олександр Борисович, Морський гідрофізичний інститут Національної академії наук України, завідувач відділом морських кліматичних досліджень;

Кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Ільїн Юрій Павлович, Морське відділення Українського науково-дослідного гідрометеорологічного інституту Міністерства України з питань надзвичайних ситуацій та у справах захисту населення від наслідків Чорнобильської катастрофи, директор

Провідна організація:

Одеський державний екологічний університет Міністерства освіти та науки України, м. Одеса 99011, м. Севастополь, вул. Капітанська, 2, малий конференц-зал

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Морського гідрофізичного інституту НАН України, 99011, м. Севастополь, вул. Капітанська, 2

Автореферат розісланий 20.11. 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 50.158.01 доктор географічних наук Совга О.Є.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. В даний час вивчення процесів формування й еволюції великомасштабних аномалій температури, хмарності, атмосферних опадів, радіації, теплового та водного балансів океану стає все більше актуальним. Про це свідчить розвиток численних міжнародних та національних дослідницьких програм в області довготермінового прогнозування погоди і змін клімату.

Головним недоліком перших найбільш повних досліджень теплового балансу земної поверхні, виконаних у 50-60-і роки минулого століття різними дослідниками (зокрема, у Головній геофізичній обсерваторії під керівництвом М.І. Будико), була відсутність достатньої бази експериментальних даних про складові теплового балансу на поверхні океанів. Розрахункові формули містили параметри, визначені по метеорологічних і актинометричних спостереженнях, проведених на суші. Використання таких методик для умов океану приводило до помилок, що перевищують реальні аномалії складових теплового балансу.

З початком епохи спостережень з метеорологічних супутників з'явилася нова інформація про радіаційний режим системи Земля-атмосфера. З 1975 р. почалися безперервні виміри параметрів радіаційного режиму Землі із супутників NOAA, Nimbus та інших. У 1984-1995 р. проводився експеримент по вивченню радіаційного бюджету Землі (ERBE). Отримані в результаті цих експериментів дані використовувалися багатьма дослідниками. Оскільки в основному розрахунки проводилися для Земної кулі в цілому, для обробки даних використовувалися методики, що більше підходять для спостережень над сушею, до того ж явно застарілі. Як показав аналіз доступних останнім часом кліматичних масивів даних по компонентах теплового балансу системи океан-атмосфера, виконаний різними дослідниками, використання застарілих методик приводить до незамкнутості теплового балансу як атмосфери, так і океану.

Запропонована в дисертаційній роботі методика розрахунку складових теплового балансу океану заснована на використанні супутникової та багаторічної суднової інформації. Вона враховує зв'язки між параметрами радіаційного режиму і хмарності над поверхнею океанів і дозволяє проводити розрахунки радіаційного та теплового балансів по мірі надходження інформації із супутників, що надзвичайно актуально в даний час.

Основною складовою балансу прісної води на поверхні океану є атмосферні опади. Донедавна інформація про атмосферні опади над океанами визначалася наявністю суднових спостережень і даних із прибережних і острівних метеорологічних станцій. Опубліковані в 30-60-і роки карти засновані на екстраполяції даних з берегових і острівних станцій і оцінці ймовірності випадання опадів над океанами. У СРСР у 70-80-і роки минулого сторіччя застосовувалися методи розрахунку кількості опадів по суднових спостереженнях за їхньою інтенсивністю та повторюваністю, або розрахунку середньомісячної інтенсивності опадів як функції температури і вологості повітря.

Головний недолік перелічених методів - непридатність для моніторингу опадів. У цьому відношенні більший інтерес представляють супутникові спостереження. Використовуються два види супутникової інформації: відомості про хмарність у ІЧ-діапазоні та результати визначень спектрів по розмірах крапель води, кристалів льоду і снігу в атмосфері в залежності від їх яркісної відображуванності в оптичному, мікрохвильовому й акустичному діапазонах. Апаратурно-модельні “шуми”, властиві таким технологіям, приводять до низької точності одержуваних результатів. Незважаючи на те, що пройшло понад 30 років з тих пір, як супутникову інформацію вперше застосували для оцінки атмосферних опадів, усі запропоновані за цей час методи мають свої недоліки і вимагають додаткових досліджень. В даний час США і Японія планують нову фазу глобального супутникового моніторингу по вивченню атмосферних опадів з використанням більш досконалих приладів і алгоритмів.

Виходячи з цього, очевидна актуальність запропонованого в дисертаційній роботі методу розрахунку атмосферних опадів, що дозволяє розраховувати опади над океаном на основі супутникової інформації про температуру поверхні океану, альбедо та відходящу довгохвильову радіацію (ВДР) на верхній границі атмосфери (~30 км).

Дослідженнями меридіональних переносів тепла і прісної води займалися багато авторів, у тому числі й у Морському гідрофізичному інституті НАН України. Вони не втрачають своєї актуальності і в даний час, особливо з урахуванням антропогенного навантаження на систему океан-атмосфера. Перспектива подібних досліджень безумовно буде пов'язана з використанням даних супутникових спостережень. Запропоновані в дисертаційній роботі методи розрахунку складових теплового та водного балансів системи океан-атмосфера дозволяють при оцінках меридіональних переносів тепла та прісної води використовувати не тільки багаторічні суднові дані, але й результати супутникових спостережень.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Дана дисертаційна робота виконана в рамках наступних державних програм і проектів:

1. Проект Національної Академії Наук України “Дослідження змін клімату в системі океан-атмосфера-літосфера на глобальних і регіональних масштабах” (шифр “Океан-клімат”, № держреєстра-ції 0101U001023).

2. Проект Національної Академії Наук України “Дослідження просторово-часової мінливості гідрофізичних полів і процесів взаємодії в системі океан-атмосфера” (шифр “Океан-атмосфера”, № держреєстрації 0196U015534).

3. Проект Міністерства Науки і технологій України “Дослідження океану як енергетичної і динамічної системи глобального рівня з метою прогнозування змін клімату, погоди, навігаційних умов і реалізації морських технологій” (шифр “Середовище”, № держреєстрації 0194U035127).

4. Проект Міністерства екології та природних ресурсів у рамках Кліматичної Програми України “Створення чисельної моделі і використання сучасних методів у дослідженні клімату України в зв'язку з мінливістю в системі океан-атмосфера” (№ держреєстрації 0100U005263).

5. Проект Національної Академії Наук України “Фундамен-тальні і прикладні фізико-кліматичні дослідження морського середовища і кліматичної системи океан-атмосфера” (шифр “Клімат”, № держреєстрації 0106U001406).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка нових методів розрахунку складових радіаційного, теплового та водного балансів у системі океан-атмосфера на основі багаторічної суднової і супутникової інформації, дослідження просторово-часової мінливості розрахованих складових, а також оцінка меридіональних переносів тепла та прісної води в океанах і атмосфері.

Для досягнення цієї мети були вирішені наступні наукові задачі:

1. Розробити новий метод розрахунку складових радіаційного балансу в системі океан-атмосфера і на поверхні океану на основі супутникової інформації, у якому замість загальної кількості хмар використовується ефективна хмарність, що враховує не тільки загальну кількість, але й оптичну товщину хмар.

2. Уточнити коефіцієнти обміну в методиці розрахунку турбулентних потоків явного та схованого тепла на поверхні океану (з використанням даних по Чорному морю) і дослідити отримані складові зовнішнього теплового балансу океану й атмосфери над ним.

3. Розробити нову методику розрахунку атмосферних опадів на основі супутникової інформації (по температурі поверхні океану й ефективній хмарності), розрахувати атмосферні опади, випаровування із поверхні океану та дослідити закономірності формування балансу прісної води на Землі.

4. Оцінити меридіональні переноси тепла та прісної води в системі океан-атмосфера на основі отриманих результатів по тепловому та водному балансах.

Об'єкт дослідження - поверхня Світового океану й атмосфера над океаном.

Предмет дослідження - теплообмін і вологообмін у системі океан-атмосфера.

Методи дослідження. У дисертаційній роботі використову-ються методи багатомірної регресії, кореляційного та статистич-ного аналізу багаторічної суднової і супутникової інформації.

Наукова новизна отриманих результатів. У роботі на основі багаторічної суднової і супутникової інформації проаналізовані зв'язки між компонентами радіаційного балансу в системі океан-атмосфера, в атмосфері, на поверхні океану і запропоновані нові методики розрахунку цих компонентів за супутниковою інформацією.

У результаті аналізу зв'язків радіація-хмарність уперше було введене поняття ефективна хмарність, що є найбільш інформативною характеристикою стану атмосфери, оскільки в ній одночасно враховуються просторово-часові варіації кількості й оптичної щільності хмар.

Запропоновано оригінальний метод розрахунку атмосферних опадів над океаном на основі супутникової інформації по температурі поверхні океану (ТПО) і ефективної хмарності (розраховується по альбедо та відходящій довгохвильовій радіації).

Отримано нові оцінки складових теплових балансів океанів і атмосфери, а також балансу прісної води на поверхні океанів. Результати по водному і тепловому балансі узгоджуються між собою.

Складено новий атлас кліматичних карт радіаційного балансу на поверхні океану, сумарного турбулентного потоку тепла, зовнішнього теплового балансу океану, атмосферних опадів, випаровування, балансу прісної води на поверхні океану та теплового балансу атмосфери. Карти середньомісячних і середньорічних кліматичних величин приведені в додатку дисертаційної роботи. Крім цього у роботі приведені карти міжрічної і внутрішньорічної мінливості перерахованих вище параметрів.

На основі результатів розрахунку по новій методиці складових теплового та водного балансів отримані нові оцінки по меридіональних переносах тепла та прісної води в океанах і атмосфері. Розрахункові кліматичні величини меридіональних потоків тепла добре узгоджуються з результатами, отриманими на гідрологічних розрізах в Атлантичному, Індійському і Тихому океанах іншими авторами.

Практичне значення отриманих результатів. Розвиток супутникової гідрофізики дозволяє проводити спостереження за аерозолем, температурою поверхні океану, хмарністю та параметрами радіаційного балансу з достатньою точністю, регулярно й у глобальному масштабі. До теперішнього часу інформація з цих параметрів систематизована за 20-25 років. Отримані в роботі методики розрахунків дозволяють розраховувати поля радіації й атмосферних опадів на морях і океанах з точністю, що задовольняє вимогам міжнародних дослідницьких програм. У майбутньому, після рішення задачі визначення сумарного турбулентного потоку тепла за супутниковою інформацією, буде можливий розрахунок усіх складових теплового та водного балансів поверхні океану, що буде сприяти успішному рішенню проблеми коливань клімату Землі.

Практичним результатом проведених досліджень можна вважати Атлас складових теплового та водного балансів системи океан-атмосфера, що був підготовлений і виданий за матеріалами даної дисертаційної роботи і наведений в додатку до неї.

Особистий внесок здобувача. Постановка наукової задачі дослідження здійснена науковим керівником. У спільних із науковим керівником роботах [1-12, 14, 15, 17] здобувач брав активну участь у рішенні поставлених наукових задач, обговоренні отриманих результатів і формулюванню висновків. Здобувач розробив програми та виконав усі розрахунки на персональному комп'ютері, включаючи побудову карт. Робота [13] виконана здобувачем самостійно. Робота [16] написана в співавторстві з Єфімовим В.В., Тімофеєвим М.А., Куржеєвським І.В., Сичьовим Є.М. і Міловановим В.І., у ній здобувач склав огляд досліджень по турбулентних потоках тепла та виконав частину розрахунків. У роботі [18], виконаної в співавторстві з Артамоновим Ю.В., Булгаковим М.П., Ломакіним П.Д., Скрипальовою О.О. і Тімофеєвим М.А., здобувач виконав розрахунки теплового балансу поверхні океану на основі супутникової інформації.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, представлені в дисертації, доповідалися на наступних конференціях і семінарах:

1. Об'єднаний семінар “Діагноз поточного клімату”, Ленінград, ГГО ім. О.І. Воєйкова (1985 р., 1986 р. і 1990 р.). 2. Всесоюзна конференція “Використання супутникової інформації в дослідженнях океану й атмосфери”, Москва, ІОАН і ІФА, 1989 р. 3. Всесоюзна нарада з актуальних проблем обробки і розвитку супутникової інформації. Обнінск, ВНІІГМІ-МЦД, 1989 р. 4. Всесоюзний семінар по супутниковій гідрофізиці. Севастополь, МГІ АН УРСР, 1989 р. 5. Міжнародний науково-технічний семінар “Системи контролю навколишнього середовища”, Севастополь, МГІ НАН України, 2002 р. 6. Друга Українська антарктична конференція “Антарктичний півострів - ключовий регіон для досліджень змін у навколиш-ньому середовищі”, м. Київ, 2004 р.

Публікації. Наукові результати дисертації опубліковані в одній монографії і 17 наукових статтях: 11 статей у наукових журналах, одна стаття в збірнику наукових праць, дві депоновані статті, три препринти. Всього 18 робіт, з них 13 публікацій відповідають вимогам ВАК України до наукових видань, у яких публікуються результати дисертаційних робіт, і в них досить повно відображені результати дисертації.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел і одного додатка. Повний обсяг роботи включає 246 сторінок, у тому числі додаток на 92 стор., 36 рисунків і 21 таблицю. Список літератури містить 154 джерела.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність тематики дисертаційної роботи. Показано зв'язок роботи з державними науковими програмами, проектами, темами. Сформульовано мету і визначені задачі дослідження. Показано наукову новизну отриманих результатів і їхню практичну значимість. Оцінено особистий внесок здобувача в сумарний результат досліджень. Представлено відомості про апробацію дисертації, про опубліковані автором роботи, про структуру й обсяг дисертації.

У першому розділі розглядається радіаційний баланс у системі океан-атмосфера. Дається короткий огляд досліджень цієї характеристики взаємодії атмосфери й океану, приводяться відомості про використовувані вихідні дані. Описано складові радіаційного балансу на верхній границі атмосфери, власне атмосфери і на поверхні океану і запропонований метод їхнього розрахунку.

Радіаційний баланс на поверхні океану записується у виді: . Тут - альбедо поверхні океану, - ефективне довгохвильове випромінювання з поверхні океану. Сумарна сонячна радіація, що попадає на поверхню океану при реальних хмарних умовах, обчислюється як

де - параметр, що враховує ослаблення радіації хмарністю, - сумарна сонячна радіації в умовах безхмарної океанічної атмосфери з типовими (“нормальними”) концентраціями водяної пари й аерозолів. Безрозмірний параметр <1 враховує вплив континентальних аерозолів на потік сонячної радіації над океаном у районах з більшою запиленістю атмосфери.

У роботі запропоновано новий метод розрахунку радіаційного балансу на поверхні океану:

,

де альбедо поверхні океану, що не має міжрічних коливань, визначається геометрією відображення й обчислюється по середньоденних величинах синуса висоти сонця, а ефективне випромінювання з поверхні океану можна розрахувати по даних про температуру води і повітря .

Параметр розраховується по відходящій довгохвильовій радіації (ВДР) і альбедо, вимірюваним з ШСЗ на верхній границі атмосфери:

чи .

, - альбедо й ВДР системи океан-атмосфера при безхмарному небі; , - максимально можливе альбедо і мінімальне ВДР, що спостерігаються при суцільній хмарності з максимальною оптичною товщиною океанічних хмар. Вони параметризуються через три параметри: температуру поверхні океану , середньоденну величину і температуру повітря на рівні тропопаузи .

Замість загальної кількості хмар пропонується ефективна хмарність, яка в даній роботі позначена символом , що враховує просторово-часові варіації загальної кількості хмар і їхньої оптичної товщини . Її можна розрахувати по супутникових вимірах альбедо та ВДР:

.

Раціональною характеристикою оптичного стану атмосфери є параметр її аерозольного помутніння

,

який обчислюється по даних про вологовміст атмосфери й інтенсивність прямої сонячної радіації [Тімофеєв, 1983]. Аерозолі в атмосфері необхідно враховувати і при розрахунках ефективної хмарності по супутникових даних. Зменшення розрахункових значень ефективної хмарності через вплив континентальних аерозолів у запилених районах океану досягає -0.10...…-015.

Точність розрахунку сумарної сонячної радіації і радіаційного балансу на поверхні океану оцінювалася при різних умовах хмарності і ТПО. У середньому для всього масиву розрахованих величин (1974-1983 р.), середньоквадратичні помилки виявилися рівними 5-6 Втм^_2. Незалежні перевірки запропонованих методик виконані для Чорного моря і шельфу Гвінеї.

Розраховані величини радіаційного балансу добре узгоджуються з результатами ГГО-ГГІ [Строкіна, 1989]. Кліматичні дані по з атласів [Будико, 1963, Esbensen et al., 1981] занижені, тому що там використовувалися методи розрахунку сонячної і довгохвильової радіації, розроблені по актинометричних даних, отриманих на суші. Використання даних тільки по загальній кількості хмар без коректного врахування їхньої оптичної щільності також приводить до зниження точності розрахунків коротко- і довгохвильової радіації.

За запропонованою методикою розраховані складові радіаційного балансу системи океан-атмосфера за період 1974-1983 р. Побудовано кліматичні карти середньомісячних і середньорічних величин радіаційного балансу поверхні океану, що наведені в додатку до дисертації. Описано основні закономірності їхнього просторово-часового розподілу, а також особливості внутрішньо- і міжрічної мінливості.

Другий розділ присвячений тепловому балансу океану й атмосфери. Основними компонентами теплообміну океану з атмосферою є радіаційний баланс , а також турбулентні потоки явного і схованого тепла. Їхня сума складає зовнішній тепловий баланс океану

= - - -

де - кількість тепла, що витрачається океаном на прогрів атмосферних опадів, річкового та підземного стоків прісних вод, танення дрейфуючих льодів, а також на фотосинтез планктону і морських водоростей.

На основі замикання повного теплового балансу для замкнутого басейну Чорного моря були уточнені коефіцієнти обміну , у формулах для потоків явного та схованого тепла:

, .

Для Чорного моря отримані постійний = 0.00189 і перемінний = коефіцієнти обміну. Для області Світового океану 63^о півн.ш.-63^опівд.ш. з урахуванням оцінок теплообміну з полярними районами отримано = .

По даних багаторічних суднових спостережень з банку COADS з використанням отриманих коефіцієнтів розрахований сумарний турбулентний потік тепла за період 1974-1983 р. По і , з огляду на те, що -1.2 Втм-², отримані середньомісячні значення зовнішнього теплового балансу поверхні океану за той же період.

Тепловий баланс атмосфери розраховувався по формулі

де - радіаційний баланс атмосфери, рівний -; - теплова енергія, що виділяється в атмосферу при конденсації водяної пари, рівна добутку шару атмосферних опадів на специфічну теплоту конденсації ; - потік явного тепла. Отримано середньомісячні величини теплового балансу атмосфери для Світового океану в широтній зоні 63^опівн.ш. - 63^опівд.ш. за період 1974-1983 р.

За результатами розрахунків побудовані карти кліматичних величин і розглянутий просторово-часовий розподіл сумарного турбулентного потоку тепла, зовнішнього теплового балансу океану і теплового балансу атмосфери, а також їхніх між- і внутрішньорічної мінливостей. Карти наведені в додатку до дисертації. радіаційний тепловий водний баланс

Розглянуто особливості просторово-часового розподілу складових зовнішнього теплового балансу Атлантичного океану. Отримано, що максимальні сезонні варіації характерні для зони Гольфстріму, західної частини субтропічного антициклонічного кругообігу та району Фолклендської течії. Мінімальні річні коливання відзначені в області Внутрішньотропічної зони конвергенції і Гвінейській затоці.

Третій розділ присвячений балансу прісної води на поверхні океану і його складовим. Водний баланс океанів визначається коливаннями рівня поверхні океану та записується у виді

де - баланс прісної води на поверхні, - водообмін з навколишніми акваторіями. У дисертації розглядаються атмосферні опади і випаровування на поверхні океану, а оцінки річкового та підземного стоків прісних вод узяті з роботи [Світовий баланс і водні ресурси Землі, 1974].

Запропоновано метод розрахунку атмосферних опадів над океанами на основі супутникової інформації. Основними елементами методу є ефективна хмарність і температура поверхні океану . Величина з погрішністю 0.03 визначається за спостереженнями з ШСЗ.

Вологовміст атмосфери та водність хмар залежать від ТПО. Вплив апвеллінгів, океанічних і атмосферних течій враховується через відхилення температури води та повітря від їх кліматичних зональних значень.

,

де a, b, c і d - поліноми 4-ого ступеня від t_w. Середньоквадратична помилка складає 2.1 мм·доб-¹.

Розрахунок опадів виконаний на основі супутникової інформації за період 1974-1983 р. для вільної від льоду акваторії Світового океану 63^опівн.ш.-63^опівд.ш. По цих даних побудовані карти кліматичних місячних і річної величини , що представлені в додатку до дисертації. Зонально осереднені кліматичні величини опадів у межах 0.2 мм·доб-¹ узгоджуються з результатами Самойленко-Богданової. Крім цього побудовані карти внутрішньо- і міжрічної мінливостей атмосферних опадів і виконаний опис їхнього просторово-часового розподілу.

Випаровування з поверхні океану було розраховано по формулі:

де - специфічна теплота пароутворення; - щільність морської води. По результатах розрахунку побудовані кліматичні карти середньомісячних і річної величини випаровування.

Отримані карти E і AO є більш детальними й обґрун-тованими, тому що при їхній побудові використані фак-тичні дані по радіації, ефек-тивній хмарності, температу-рі води і повітря, вологості повітря, швидкості вітру, систематизовані по просторі та часу.

У результаті був розра-хований баланс прісної води на поверхні океану за період 1974-1983 р., побудовані кліматичні карти, наведені в додатку до дисертації, і виконаний опис його просторово-часового розподілу, внутрішньо- і міжрічної мінливостей. Розглянуто кліматичні компоненти балансу прісної води на Землі, включаючи окремі океани, сушу і полярні райони. Зроблено висновок про узгодженість результатів по водному і тепловому балансах океану.

У четвертому розділі представлені оцінки меридіональних переносів тепла та прісної води на поверхні океану й в атмосфері.

Меридіональні переноси тепла в океані й в атмосфері були розраховані інтегруванням адвекції тепла на поверхні океану, рівної , і в атмосфері, рівної , у південному напрямку по площах широтних зон.

Отримано, що максимуми переносу тепла спостерігаються в тропічних широтах обох півкуль. Через екватор з Південної півкулі в Північну надходить порядку 1 ПВт тепла. В Атлантичному океані меридіональні потоки тепла спрямовані на північ, що погодиться з результатами Хастенраса, отриманими раніше. Північніше 40^опівн.ш. вони практично цілком забезпечують перенос тепла у Світовому океані. У процесах переносу тепла атмосфера більш активна в Південній півкулі. У помірних широтах Північної півкулі меридіональні переноси тепла в атмосфері практично не спостерігаються.

В узагальненому виді характеристики теплообміну між океанами й в атмосфері над ними представлені в табл. 1.

Таблиця 1 Теплообмін між океанами й атмосфері над ними

Океани	Адвекція тепла (ПВт)
	в океані	в атмосфері
Північний Льодовитий (>63опівн.ш.)	0.12	0.03
Атлантичний	0.08	1.92
Тихий	-0.36	-2.95
Індійський	-0.43	-0.74
Світовий (63опівн.ш.- 63опівд.ш.)	-0.71	-1.77
Південний(>63опівд.ш.)	0.59	1.74

Надлишки теплової енергії, що утворюються в Тихому (0.36 ПВт) і Індійському (0.43 ПВт) океанах, перерозподіляються в Південний і Атлантичний океани в пропорції 3:1. При цьому з 25% тепла, що надійшли в Атлантику, 10% заповнюють дефіцит теплового балансу самого Атлантичного океану, а 15% транзитом через Атлантику переносяться в Північний Льодовитий океан. Таким чином, підтверджується меридіональний перенос тепла в Атлантичному океані в північному напрямку, описаний Хастенрасом [Hastenrath S., 1982]. 75% від загальної кількості надлишкового тепла (0.79 ПВт) з Тихого й Індійського океанів надходять у Південний океан.

Розрахункові кліматичні оцінки добре узгоджуються з даними різних авторів, отриманими на гідрологічних розрізах в Атлантичному, Індійському і Тихому океанах, що приведені в [Лаппо й ін., 1990].

Величина меридіонального переносу прісної води на океанах отримана інтегруванням у південному напрямку річних величин балансу прісної води по площах широтних зон.

В Атлантиці переноси прісної води здійснюються як у північному до ~28^опівн.ш., де =0, так і в південному напрямках. На південній (63^опівд.ш.) і північній (63^опівн.ш.) границях області відповідно дорівнюють 11.710³ і -7.210³ км³·рік-¹. У широтних розподілах у Тихому і Світовому океанах з урахуванням знаку переносу є по два мінімуми і максимуми. В Атлантичному й Індійському океанах - по одному максимумі і мінімумі.

У табл. 2 показані характеристики водообміну між океанами.

Дефіцит прісної води (_18.910³ км³·рік-¹) в Атлан-тиці, обумовлений переви-щенням випаровування над сумою опадів і стоку із суші, компенсується надходженням прісної води з Північного Льодовитого океану (7.210³ км³·рік-¹) і з півдня (11.710³ км³·рік-¹). У переносі прісної води в Атлантичний океан з півдня частка Тихого й Індійського океанів (4.010³ км³ рік-¹) складає 1/3.

Таблиця 2 Водообмін між океанами

Океани	Водообмін (км3·рік-1)
Північний. Ледовитий (>63опівн.ш.)	-7.2·103
Атлантичний	18.9·103
Тихий	-1.5·103
Індійський	-2.5·103
Південний (>63опівд.ш.)	-7.7·103
Світовий (63опівн.ш. - 63опівд.ш.)	14.9·103

Висновки

По розроблених нових методах, заснованих на використанні супутникової та суднової інформації, розраховані складові радіаційного, теплового і водного балансів системи океан-атмосфера і створено атлас кліматичних величин цих складових. Основними результатами проведених досліджень є:

1. Розроблено методику розрахунку середньомісячних величин складових радіаційного балансу в системі океан-атмосфера на основі інформації, одержуваної з ШСЗ. Точність відновлення сумарної сонячної радіації та радіаційного балансу на поверхні океану при різних умовах хмарності прийнятна для рішення різних задач і задовольняє вимогам міжнародних кліматичних програм.

2. Запропоноване поняття ефективної хмарності, що з достатньою точністю розраховується по даних альбедо й відходящій довгохвильовій радіації, одержуваних з ШСЗ, і характеризує крім загальної кількості хмар їхню оптичну товщину. Її використання дозволяє більш якісно розраховувати характеристики радіаційного режиму. Показано, що врахування помутніння атмосфери над океаном поблизу континентальних пустель дозволяє підвищити точність розрахунку радіаційного балансу.

3. Розраховано середньомісячні величини складових радіаційного балансу системи океан-атмосфера за період 1974-1983 р. Побудовано карти кліматичних величин, внутрішньо- і міжрічної мінливості. Отримано кількісні оцінки чутливості радіації до умов хмарності на трьох рівнях системи океан-атмосфера. Описані основні закономірності формування радіаційного режиму в системі океан-атмосфера. Показано, що на сучасному етапі радіаційний баланс системи океан-атмосфера характеризується слабкою міжрічною мінливістю й у середньому при всіх умовах хмарності близький до нуля.

4. Уточнено коефіцієнти обміну в методі розрахунку турбулентних потоків явного та схованого тепла на границі розділу вода-повітря стосовно до Чорного моря і Світового океану. Розраховано середньомісячні величини сумарного турбулентного потоку тепла для Світового океану в широтній зоні 63^опівн.ш.- 63^опівд.ш. за період 1974-1983 р., і, на основі результатів по радіаційному балансі поверхні океану, отримані значення повного теплового балансу океану за той же період. Побудовано карти середньомісячних кліматичних величин сумарного турбулентного потоку тепла, повного теплового балансу океанів, а також їхньої між- і внутрішньорічної мінливості.

5. Запропоновано метод розрахунку атмосферних опадів на поверхні океану, що дозволяє на основі супутникової інформації з ефективної хмарності і температури води розраховувати з достатньою точністю кількість опадів, що випали. Розраховано середньомісячні величини атмосферних опадів, випаровування з поверхні океану і, на основі оцінок річкового і підземного стоку, отриманий баланс прісної води. Побудовано карти кліматичних величин атмосферних опадів, випаровування та балансу прісної води на поверхні океану. Виконано опис їхнього просторово-часового розподілу, а також внутрішньо- і міжрічної мінливості. Зроблено оцінки кліматичних величин складових балансу прісної води на Землі, включаючи окремі океани, сушу і полярні райони. Результати по водному і тепловому балансах океану узгоджуються між собою.

6. Отримано оцінки меридіонального переносу тепла на поверхні океану й в атмосфері над ним, виходячи з яких надлишок теплової енергії (0.7910¹⁵ Вт) з Тихого й Індійського океанів перерозподіляється в Південний і Атлантичний океани в пропорції 3:1. Підтверджується меридіональний перенос тепла в Атлантичному океані в північному напрямку, описаний Хастенрасом. Розрахункові кліматичні оцінки меридіональних потоків тепла узгоджуються з результатами різних авторів, отриманими на гідрологічних розрізах в Атлантичному, Індійському і Тихому океанах.

7. Оцінено меридіональні переноси прісної води на поверхні океанів. Отримано, що дефіцит прісної води в Атлантиці (-18.910³ км³·рік-¹), обумовлений перевищенням випаровування над сумою опадів і стоку із суші, компенсується надходженням прісної води з Північного Льодовитого океану (7.210³ км³·рік-¹) і з півдня (11.710³ км³·рік-¹). У переносі прісної води в Атлантичний океан з півдня частка Тихого й Індійського океанів (4.0·10³ км³·рік-¹) складає 1/3.

Список опублікованих робіт з теми дисертації

1. Тимофеев Н.А., Юровский А.В. Радиационные, тепло- и водобалансовые режимы океанов. Климат и изменчивость. - Севастополь: НПЦ “ЭКОСИ-Гидрофизика”, 2004. - 256 с.

2. Тимофеев Н.А., Юровский А.В. Длинноволновое излучение в космос как индикатор радиационного режима океанов // Исследование Земли из космоса. - 1999. - № 1. - С.9-17.

3. Тимофеев Н.А., Юровский А.В. Аномалии радиационного баланса океанов в период максимума Эль-Ниньо // Исследование Земли из космоса. - 1999. - № 5. С 31-40.

4. Тимофеев Н.А., Юровский А.В. Прогноз Эль-Ниньо на основе спутниковой информации // Исследование Земли из космоса. - 2000.- № 3. С.13-20.

5. Тимофеев Н.А., Юровский А.В. Климатические корреляции и проблемы чувствительности радиационного режима на океанах и вариации характеристик облачности // Исследование Земли из космоса. - 2001. - №.4. - С.53-62.

6. Тимофеев Н.А., Юровский А.В. Реконструкция атмос-ферных осадков на океанах на основе спутниковой информации // Исследование Земли из космоса. - 2003. - № 3. - С.51-62.

7. Тимофеев Н.А., Юровский А.В. Соотношение между компонентами радиационного баланса системы океан-атмосфера. // Морской гидрофизический журнал. - 1992. - № 6. - C.38-47.

8. Тимофеев Н.А., Юровский А.В. Альбедо облаков и радиационный режим океанов // Морской гидрофизический журнал. - 1999. - № 2. - С. 74-87.

9. Тимофеев Н.А., Юровский А.В. О связях между радиационными и метеорологическими параметрами системы океан-атмосфера // Морской гидрофизический журнал. - 2000. - № 2. - С.61-73.

10. Тимофеев Н.А., Юровский А.В. Радиационная энергетика системы океан-атмосфера и Земли как планеты по спутниковым данным // Морской гидрофизический журнал.-2002.-№.4. С.51-69.

11. Тимофеев Н.А., Юровский А.В. Природные корреляции и проблема наблюдений океанической облачности с ШСЗ // Морской гидрофизический журнал. - 2002. - №.5. - С.64-79.

12. Тимофеев Н.А, Юровский А.В. Учет континентальных аэрозолей при восстановлении полей эффективной облачности и атмосферных осадков над океанами по данным наблюдений с ШСЗ // Морской гидрофизический журнал.-2004.- № 2. - С.60-72.

13. Юровский А.В. Метод восстановления параметров облач-ности по спутниковым наблюдениям // Системы контроля окружа-ющей среды.-Севастополь: МГИ НАН Украины.-2002.-С.262-266.

14. Тимофеев Н.А., Юровский А.В. Параметры радиационного баланса на верхней границе атмосферы //МГИ АН УССР. - Севастополь, 1989. - 26 с. Деп. в ВИНИТИ, № 4576-B89.

15. Тимофеев Н.А., Юровский А.В. Радиационный режим Мирового океана по данным спутниковых измерений широкосек-торными и узкоугольными приборами // МГИ НАН Украины.- Се-вастополь, 1994. - 110 с. Деп. в ВИНИТИ 17.11.94., № 2632,-B94.

16. Ефимов В.В., Тимофеев Н.А., Куржеевский И.В., Сычев Е.Н., Милованов В.И., Юровский А.В. Оценка методов расчета тепло- влагообмена между океаном и атмосферой. Севастополь: 1984. - 46 с. (Препр. / АН УССР: Морской гидрофизический ин-т).

17. Тимофеев Н.А., Юровский А.В. Атмосферные осадки над океанами: Климат и изменчивость. Спутниковая информация. - Севастополь: 2002. - 40 с. (Препр. / НАН Украины: Морской гидрофиз. ин-т).

18. Артамонов Ю.В., Булгаков Н.П., Ломакин П.Д., Скрипалева Е.А., Тимофеев Н.А., Юровский А.В. Распределение и сезонная изменчивость внешнего теплового баланса и его сос-тавляющих на поверхности Атлантического океана.- Севастополь: 2004. - 50 с.

Анотація

Юровський Олександр Васильович. Методи та результати розрахунку радіаційного, теплового і водного балансів системи океан-атмосфера. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата географічних наук за спеціальністю 11.00.08 - океанологія. - Морський гідрофізичний інститут НАН України, Севастополь, 2006.

Дисертація присвячена дослідженню складових теплового та водного балансів системи океан-атмосфера на основі супутникової і суднової інформації.

Запропоновано метод розрахунку середньомісячних величин радіаційного балансу на поверхні океану на основі супутникових вимірів на верхній границі атмосфери. Уперше введене поняття ефективної хмарності, що характеризує крім загальної кількості хмар їхню оптичну товщину. Уточнено коефіцієнти обміну в методі розрахунку турбулентних потоків явного і схованого тепла на границі розділу вода-повітря для Чорного моря та Світового океану. Запропоновано новий метод розрахунку атмосферних опадів на поверхні океану, що дозволяє по ефективній хмарності та температурі поверхні океану, одержуваних на основі супутникових вимірів, розраховувати кількість опадів.

По запропонованих методах розраховані складовi теплового балансу океану й атмосфери та балансу прісної води на поверхні океанів. Складений атлас кліматичних величин цих параметрів. Отримано оцінки меридіонального переносу тепла на поверхні океану й в атмосфері над ним, виходячи з яких надлишок теплової енергії з Тихого й Індійського океанів перерозподіляється в Південний і Атлантичний океани в пропорції 3:1. Оцінені меридіональні переноси прісної води на поверхні океанів.

Аннотация

Юровский А.В. Методы и результаты расчета радиационного, теплового и водного балансов системы океан-атмосфера. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук по специальности 11.00.08 - океанология. - Морской гидрофизический институт НАН Украины, Севастополь, 2006.

Диссертация посвящена исследованию составляющих теплового и водного балансов системы океан-атмосфера на основе многолетней спутниковой и судовой информации.

Предложен метод расчета среднемесячных величин радиационного баланса на поверхности океана на основе спутниковых измерений альбедо и уходящего длинноволнового излучения на верхней границе атмосферы с точностью приемлемой для решения различных задач и удовлетворяющей требованиям международных программ по изучению климата. Впервые введено понятие эффективной облачности, которая характеризует помимо общего количества облаков их оптическую толщину и с высокой точностью рассчитывается по измерениям альбедо и уходящей длинноволновой радиации с ИСЗ. Это позволяет более качественно рассчитывать характеристики радиационного режима. Показано, что учет замутненности атмосферы над акваториями вблизи континентальных пустынь позволяет повысить точность расчета радиационного баланса на поверхности океана. Получены количественные оценки чувствительности радиации к условиям облачности на трех уровнях системы океан-атмосфера. Описаны основные закономерности формирования радиационного режима в системе океан-атмосфера. Показано, что на современном этапе радиационный баланс системы океан-атмосфера характеризуется слабой межгодовой изменчивостью и в среднем при всех условиях облачности близок к нулю.

На основе замыкания полного теплового баланса для замкнутого бассейна Черного моря уточнены коэффициенты обмена в методе расчета турбулентных потоков явного и скрытого тепла на границе раздела вода-воздух.

Предложен новый метод расчета атмосферных осадков на поверхности океана, позволяющий по эффективной облачности и температуре поверхности океана, получаемых на основе спутниковых измерений, рассчитывать с достаточной точностью количество выпавших осадков.

По предложенным методам рассчитаны среднемесячные величины радиационного баланса, турбулентных потоков тепла, тепловых балансов океана и атмосферы, атмосферных осадков, испарения, а также баланса пресной воды на поверхности океанов за период 1974-1983 гг. и составлен атлас климатических карт этих параметров. Получены оценки их внутри- и межгодовой изменчивости, представленные в виде соответствующих карт. Результаты расчетов составляющих теплового и водного балансов Мирового океана, суши и Земли согласованы между собой.

Получены оценки меридионального переноса тепла на поверхности океана и в атмосфере над ним, исходя из которых избыток тепловой энергии из Тихого и Индийского перераспределяется в Южный и Атлантический океаны в пропорции 3:1. Подтверждается меридиональный перенос тепла в Атлантическом океане в северном направлении, описанный Хастенрасом. Расчетные климатические оценки меридиональных переносов тепла согласуются с некоторыми результатами, полученными на гидрологических разрезах в Атлантическом, Индийском и Тихом океанах другими авторами.

Оценены меридиональные переносы пресной воды на поверхности океанов. Получено, что дефицит пресной воды в Атлантике (_18.910³ км³·год-¹), обусловленный превышением испарения над суммой осадков и стока с суши, компенсируется поступлением пресной воды из Северного Ледовитого океана (7.210³ км³·год-¹) и с юга (11.710³ км³·год-¹). В переносе пресной воды в Атлантический океан с юга доля Тихого и Индийского океанов составляет 1/3.

Summary

Yurovsky A.V. The method and results of calculation of the radiation, heat and water balances of the ocean-atmpsphere system. - Manuscript.

The thesis to claim the academic degree of candidate of geographical sciences on the speciality 11.00.08 - oceanology. - Marine Hydrophysical Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine, Sebastopol, 2006.

The thesis is devoted to investigation of the heat and water balance components of the ocean-atmosphere system based on satellite and ship data sets.

The method of analysis of the monthly values of radiation budget on the sea surface using the satellite observations on the top of the atmosphere is proposed. The effective cloudiness term is introduced first It characterize both the total amount and the optical thickness of clouds. The exchange coefficients in bulk formulas for the turbulent sensible and latent heat fluxes on the air-sea level are specified as applied to the Black Sea and the World Ocean. The new method for calculation of the precipitation on the sea surface is proposed. It allows to estimate the rainfall using the effective cloudiness and the sea surface temperature.

The components of net ocean and atmosphere heat balance and fresh water balance on the sea surface are calculated using proposed methods. The atlas of climatology of these parameters is compiled. The estimates of meridional atmosphere and ocean heat transports are obtained. It has shown that the surplus of heat energy redistributes from the Pacific and Indian Oceans to the South and Atlantic Oceans as 3:1. The meridional fresh water transports on the sea surface are estimated.

Размещено на Allbest.ru

...