Основной перевод: Галина Суркова, Дмитрий Чечин

Солнце и земная атмосфера прямо и косвенно оказывают определяющее влияние на все динамические процессы в океане. Основные внешние по отношению к океану источники и стоки энергии – свет, испарение, тепловое длинноволновое излучение и потоки явного тепла с поверхности океана. Влияние ветра на циркуляцию поверхностных вод океана проникает до глубины около километра. Глубокое перемешивание до определенной степени управляет глубинными океаническими течениями.

Океан, в свою очередь, влияет на атмосферную циркуляцию. Неравномерное пространственное распределение потоков тепла между океаном и атмосферой приводит к возникновению ветров в атмосфере. Солнечное излучение прогревает воды океана в тропиках. Испарение с прогретой поверхности океана приводит к скрытому переносу тепла из океана в атмосферу. Ветры и океанические течения переносят тепло от экватора к полюсам, откуда оно передается в космос.

Поскольку атмосфера влияет на динамику океана, а океан, в свою очередь, также влияет на атмосферную циркуляцию, мы должны рассматривать океан и атмосферу как единую динамическую систему. В этой главе мы рассмотрим обмен теплом и влагой между атмосферой и океаном. Далее мы исследуем влияние атмосферных движений на океан и обмен моментом движения, приводящий к формированию дрейфовых течений. Затем мы рассмотрим, как океан и атмосфера взаимодействуют в районе Тихого океана в процессе явления Эль-Ниньо.

4.1. Земля в космическом пространстве.

Орбита Земли вокруг Солнца по своей форме близка к окружности со средним радиусом 1.5х10 ^-8 км. Эксцентриситет орбиты мал, 0,0168. Таким образом, Земля на 3,4% дальше от Солнца в положении афелия, чем в перигелии, положении наиболее близком к Солнцу. Положение перигелия достигается в январе, при этом точное время его наступления смещается ежегодно примерно на 20 мин. В 1995 г. Земля находилась в перигелии 3 января. Ось вращения Земли наклонена к плоскости земной орбиты под углом 23.45° (рис. 4.1). Положение Земли при этом таково, что солнечные лучи падают на земной экватор под прямым углом в дни весеннего и осеннего равноденствий, 21 марта и 21 сентября.

Рис. 4.1. Взаимное положение Земли и Солнца. Эллиптичность земной орбиты вокруг Солнца и наклон земной оси вращения по отношению к плоскости орбиты приводит к неравномерному распределению тепла между сезонами.

Широтные дуги 23,45 град. в северном и южном полушарии Земли называются Тропиком Рака и Тропиком Козерога, соответственно. Область, располагающаяся между этими широтными кругами, называется тропиками. В результате эллиптичности земной орбиты максимум средней солнечной инсоляции на земной поверхности в целом приходится на январь. В результате наклона земной оси максимум солнечной инсоляции для внетропических районов приходится на 21 июня в северном полушарии и на 21 июля в южном полушарии.

Если бы приходящая солнечная радиация мгновенно распределялась по земной поверхности, то максимальные температуры наблюдались бы в январе (в положении перигелия– примеч.перев.). Напротив, при медленном перераспределении получаемого от Солнца тепла северное полушарие более всего должно прогреваться летом (при наибольшем угле падения солнечных лучей – примеч.перев.). Из этого следует, что в реальности перераспределение тепла воздушными и океанскими течениями требует значительного времени.

4.2. Атмосферная циркуляция.

Рис. 4.2. Карта среднего годового приземного атмосферного давления по данным 40-летнего Реанализа ECMWF (Kallberg et al., 2005).

Простейшая схема распределения атмосферных ветров (рис. 4.3) показывает, что большое влияние оказывается экваториальной конвекцией и другими процессами в верхней атмосфере. Средняя скорость ветра над океанами u ₁₀ =7.4 м/с (Wentz et al., 1984).

Рис. 4.3. Упрощенная схема атмосферной циркуляции, управляемой нагреванием тропиков и выхолаживанием высоких широт. Сверху: Меридиональные ячейки в атмосфере и влияние вращения Земли на направление ветра. Снизу: Вертикальный меридиональный разрез показывающий две основные ячейки меридиональной циркуляции (по данным The Open University (1989a))

Карты приземного ветра демонстрируют сезонную изменчивость. Наибольшие изменения наблюдаются в районах Индийского океана и западной части Тихого океана (рис. 4.4). Оба района находятся под влиянием Азиатского муссона. Зимой в нижней атмосфере в районе интенсивного выхолаживания над Сибирью формируется область высокого давления, по ее периферии холодный воздух перемещается с северо-запада на юго-восток над Японией и далее, прогреваясь над теплым океанским течением Куросио. Летом формирование термической депрессии в поле атмосферного давления над Тибетом способствует притоку теплого влажного воздуха с Индийского океана, с приходом которого начинается «сезон дождей» в Индии.

4.3. Планетарный пограничный слой.

4.4. Наблюдения за ветром.

Основной автор перевода этой части – Дмитрий Чечин, кафедра метеорологии МГУ

Измерение ветровых характеристик проводится уже не первое столетие. Мори (1855) был первым, кто собрал и систематизировал данные по ветру и сделал первые карты ветра. В настоящее время в Национальной Администрации по Атмосфере и Океану США (NOAA USA) собраны, отредактированы и переведены в цифровой формат миллионы данных наблюдений за ветром за период более 100 лет. Результатом этой работы стала база данных COADS (Comprehensive Ocean, Atmosphere Data Set), которая подробно рассматривается в §5.5. Эта база данных широко используется для исследования атмосферного влияния на океан.
Современные сведения о характеристиках ветра у земной поверхности поступают из разных источников. Далее перечислены в порядке убывания относительной важности наиболее значимые сведения о методах получения характеристик ветра.

Шкала Бофорта

Наиболее распространенным источником сведений о ветре являются данные измерений скорости ветра в соответствии со шкалой Бофорта. Даже в 1990 году 60% данных наблюдений за ветром, поступивших из Северной Атлантики, были представлены на основе шкалы Бофорта. Шкала основана на наблюдаемых с борта судна характеристиках водной поверхности, в частности, на площади покрытия пеной и форме волн (таблица 4.1).

Шкала была предложена Адмиралом Сэром Ф.Бофортом в 1806 г. для определения силы воздействия ветра на паруса судна. Она была одобрена Британским Адмиралтейством в 1838 году и вскоре была принята в повсеместное использование.
В 1874 году Международный Метеорологический Комитет признал шкалу Бофорта в качестве международного стандарта. В 1926 году была принята модифицированная шкала, в баллах Бофорта, которой соответствовали скорости ветра на высоте 6 метров над поверхностью океана. В 1946 году шкала была вновь пересмотрена, она была расширена для учета более сильных скоростей ветра, а высота, для которой определялась скорость ветра, стала соответствовать 10 метрам. В основе шкалы 1946 года лежит эмпирическое соотношение U ₁₀ = 0.836 B ^3/2 де B – баллы по шкале Бофорта а U ₁₀ – скорость ветра на высоте 10 метров, выраженная в метрах в секунду (List, 1966). В последнее время различные группы ученых пересматривали шкалу Бофорта, сравнивая скорость ветра, рассчитанную по шкале, с измерениями, выполненными с помощью анемометров, установленных на кораблях на известной высоте. Рекомендуемые по результатам этих работ соотношения представлены в таблице 4.1.

Таблица 4.1 Шкала Бофорта и состояние моря.

Наблюдатели на борту обычно передают данные метеонаблюдений, в том числе силу ветра по шкале Бофорта, четыре раза в день, в полночь, в 6 часов утра, в полдень и в 6 часов вечера по Гринвичу. Сообщения кодируются и передаются по радио в национальные метеорологические службы. При этом данные могут нести в себе погрешности следующего характера.

1. Корабли неравномерно разбросаны по океану. Они стараются не заходить в высокие широты зимой и избегать ураганов летом. В южном полушарии кораблей гораздо меньше, чем в северном.
2. Наблюдатели могут ошибочно характеризовать состояние поверхности океана, а именно на этой характеристике основана шкала Бофорта.
3. Ошибки могут возникнуть при кодировке данных, что может привести кневерному определению месторасположения наблюдателя.
4. В целом, точность возможно не выше 10%.

Figure 4.5 Location of surface observations made from volunteer observing ships and reported to national meteorological agencies. From NOAA, National Ocean Service.

Скаттерометры

Наблюдения ветра над океаном все чаще осуществляются с помощью оборудования, установленного на спутниках, и скаттерометры это самый распространенный источник наблюдений. Скаттерометрый это прибор, по принципу радара измеряющий рассеяние сантиметровых радиоволн от коротких, сантиметровых волн на поверхности океана. Площадь моря покрыта рябью, состоящей из маленьких волн, амплитуда которых зависит от направления и скорости ветра. Скаттерометр измеряет рассеяние по 2–4 направлениям, далее по данным измерений высчитывается скорость и направление ветра.

Скаттерометры на ERS-1 и ERS-2 осуществляют глобальное измерение ветровых характеристик из космоса с 1991 года. Скаттерометр НАСА, установленный на ADEOS, проводил измерения ветра в течение полугода, начиная с ноября 1996 и вплоть до преждевременного падения спутника. Его сменил Quicksat, запущенный в 1999. Прибор, установленный на Quicksat, каждые 24 часа показывает данные, собранные с 90% поверхности океана.

Фрейлих и Данбар (Freilich and Dunbar, 1999) сообщают, что, в целом, скаттрометр NASA на ADEOS измерял скорость ветра с точностью до ± 1,3 м/с. Ошибка в измерении направления ветра была ± 17º. Пространственное разрешение было 25 км. Ошибки в вычислении скорости были следствием недостатка знаний о зависимости рассеяния от скорости ветра, неизвестного влияния поверхностных пленок, ошибок в измерениях. Калиброванные данные Quicksat имеют точность ±1 м/с.

Так как скаттерометры «видят» определенную площадь поверхности океана один раз в день, или раз в два дня, то требуются дополнительные численные процедуры, в частности математические метеорологические модели, помогающие получить ежедневные карты ветра без разрывов в пространственном покрытии.

Cпециальный микроволновый радиометр SMM/I − еще один прибор спутникового базирования, широко используемый для измерения скорости ветра, устанавливаемый с 1987 года на спутниках U.S. Defense Meteorological Satellite Program, орбиты которых совпадают с полярными орбитами метеоспутников NOAA. Прибор измеряет микроволновую радиацию, испускаемую поверхностью океана под углом около 60° от вертикали. Излучение является функцией скорости ветра, водяного пара в атмосфере и водности облачных капель. Одновременные измерения на нескольких частотах позволяют рассчитать скорость ветра у поверхности.

Измерения скорости ветра с помощью SSM/I имеют точность ± 2 м/с. При совмещении данных этих измерений с результатами объективного анализа фактического поля ветра, рассчитанного по численной модели Европейского Центра Среднесрочного прогноза Погоды на изобарической поверхности 1000 гПа, направление ветра может быть посчитано с точностью ± 22° (Atlas, Hoffman, and Bloom, 1993). Глобальные данные на регулярной сетке с пространственным разрешением 2.5° по долготе и 2.0° по широте поступают с 1987 года каждые 6 часов (Atlas et al., 1996). Но необходимо помнить, что угол обзора прибора ограничен и он дает данные по определенной видимой им зоне океана только один раз в день, поэтому 6-часовые карты с данными по ветру в узлах регулярной сетки имеют большие погрешности.

Анемометры на борту

Следующий распространенный источник данных по характеристикам ветра, поступающих в метеослужбы, это результаты измерений с использованием анемометров, установленных на суднах. Измерения проводятся четыре раза в сутки в установленные сроки по Гринвичу и передаются по радио в метеослужбы. Эти сообщения также могут содержать следующие погрешности:

1.Измерения имеют пространственный и временной разброс. Очень мало кораблей проводят измерения с помощью анемометров.
1.Может оказаться, что после установки поверка анемометра не проводилась ни разу.
1.Наблюдатель обычно производит снятие показаний анемометра в течение нескольких секунд, поэтому измерение отражает мгновенное значение скорости и направления ветра, в то время как получение среднего значения за час требует измерений в течение нескольких минут. Необходимо помнить, что ветер может быть порывистым, и измерения могут содержать ошибки порядка 10%-30%.
1.Данные наблюдений передаются по радио в виде закодированных сообщений, и при кодировке могут быть допущены ошибки. Такие ошибки могут привести к тому что данные с корабля могут иметь неверную привязку к координатам, как это показано на рис. 4.4.

Поверенные Анемометры на Судах.

Малое количество судов имеют поверенные анемометры. Часто это коммерческие суда, участвующие в the Volunteer Observing Ship program. Ученые, собирающие данные наблюдений в море, встречают эти суда в порту и поверяют или заменяют приборы при необходимости. Наивысшая точность метода ± 2м/с.

Поверенные анемометры на погодных буях.

Наиболее точные измерения параметров ветра производятся поверенными анемометрами на заякоренных погодных буях. К сожалению, таких буев мало, возможно, лишь около сотни их рассеяно по миру. Некоторые, такие как сеть буев Tropical Atmosphere Ocean TAO в тропиках Тихого океана, предоставляют данные из отдаленных областей, куда редко заходят суда, однако большая часть буев расположена вблизи береговых линий. NOAA курирует буи у побережья Соединенных Штатов и сеть TAO в Тихом океане. Данные с прибрежных буев осредняются за восемь минут до окончания часа и данные наблюдений отсылаются на берег через спутник.
Наивысшая точность анемометров на буях, курируемых National Data Buoy Center характеризуется погрешностью ± 1м/с или 10% для скорости ветра и ± 10° для направления ветра (Beardsley et al., 1997).

Изучение состояния поверхности с помощью численных моделей погоды

Измерения параметров ветра поступают в различное время из различных точек земного шара со спутников, судов, буев. Для того, чтобы использовать эти наблюдения для расчета среднемесячных значений характеристик ветра над морем, необходимо выполнить осреднение и интерполяцию данных в узлы регулярной пространственной сетки. Еще менее полезными данные наблюдений окажутся, если их использовать в численных моделях океанических течений. Вы сталкиваетесь с очень распространенной проблемой: как учесть все наблюдения сделанные в один день и определить ветровые характеристики над океаном, скажем, при фиксированной сетке разбиения?

Самым лучшим источником данных о ветре в узлах регулярной сетки являются выходные данные численных погодных моделей. Используемый метод получения таких данных называется методом последовательных приближений или задачей усвоения данных. «Измерения используются для составления начальных условий для модели, затем осуществляется интегрирование по времени до определенного момента в будущем, когда будут доступны данные новых наблюдений. Тогда в модель вводятся обновленные начальные данные (Bennett, 1992: 67)».

Обычно используются все доступные данные наблюдений, включая данные с наземных метеостанций, данные о давлении и температуре, переданные с судов и буев, данные о ветре со скаттерометров космического базирования и данные с метеоспутников. Модель интерполирует данные измерений, чтобы создать начальные условия, согласующиеся с предыдущими и текущими наблюдениями. Дэлей (Daley, 1991) достаточно подробно описывает данный метод.

Возможно, наиболее широко распространена модель погоды, используемая Европейским Центром Среднесрочных Прогнозов (ECMWF). Она рассчитывает параметры ветра у поверхности и потоки тепла (см. часть 5) каждые шесть часов на сетке 1° х 1° с использованием явной модели пограничного слоя. Расчетные значения сохраняются затем в узлах сетки с разрешением 2.5° .

Параметры ветра, рассчитываемые в ECMWF, имеют относительно высокую точность. По оценкам (Freilich and Dunbar, 1999) точность расчета скорости ветра на высоте 10 метров составляет около ±1,5 м/с, для направления ± 18°.

Точность для южного полушария возможно такая же как и для северного, так как континенты южного полушария, в связи с меньшей площадью, не так сильно искажают перенос воздуха, как в северном полушарии. Кроме того, скаттерометры дают точные данные о расположении штормов и фронтов над океаном.

Other surface-analysis values used in oceanography include: 1) output from the numerical weather model run by the NOAA National Centers for Environmental Prediction, 2) the Planetary Boundary-Layer Data set produced by the U. S. Navy's Fleet Numerical Oceanography Center FNOC ; and 3) surface wind maps for the tropics produced at Florida State University (Goldenberg and O' Brien?, 1981).

Другие аналитически рассчитываемые данные, используемые в океанографии, включают: 1)выходные данные численных погодных моделей, используемых в NOAA National Centers for Environmental Prediction, 2) база данных по планетарному пограничному слою, разработанная американском Центре численной океанографии военно-морского флота (U. S. Navy's Fleet Numerical Oceanography Center, FNOC); 3) карты ветра у поверхности океана для тропических широт, составленные в государственном университете штата Флорида, США (Goldenberg and O' Brien?, 1981).

Реанализ выходных данных численных моделей погоды

Выходные данные численных моделей атмосферной циркуляции доступны на протяжении десятилетий. В течение этого времени модели постоянно изменялись, так как метеорологи стремятся к увеличению точности прогнозов. Таким образом, потоки, рассчитанные моделями, не постоянны во времени. Их изменения могут оказаться больше чем межгодовая изменчивость потоков (White, 1996). Чтобы свести к минимуму такие ошибки, метеослужбы собрали все имеющиеся данные и провели их реанализ с помощью лучших из имеющихся моделей с целью осуществления единого, внутренне согласованного анализа состояния поверхности океана.

Базы данных реанализа используются теперь для изучения динамики океана и атмосферы. Данные анализа поверхности используются для решения задач, требующих современной, текущей информации. Например, если вы проектируете какое-либо сооружение на шельфе, то вам скорее всего понадобятся данные реанализа за десятилетия; если вы управляете работой этого сооружения, то вы будете наблюдать за данными анализа поверхности океана и прогнозами, даваемыми метеослужбами каждые шесть часов.

Источники данных реанализа

Данные реанализа потоков у поверхности предоставляются метеорологическими центрами, занимающимися численными моделями прогноза погоды.

1. The Центр исследования окружающей среды США (NCEP), работающие совместно с Национальным центром атмосферных исследований (NCAR), создали базу данных (NCEP/NCAR реанализ), на основе перерасчета данных по погоде за 40 лет с 1958 по 1998 год, используя свою прогностическую численную модель версии от 25 января 1995 года. Период, подверженный реанализу, охватитывает также время с 1948 по 1957 года; все текущие данные также подвергаются реанализу с шестимесячной задержкой выхода набора данных. При реанализе используются данные наблюдений с суши и с моря, а также данные космического зондирования. Данные реанализа предоставляются каждые 6 часов на сетке T62 в узлах глобальной сетки размером 194х94 узла с пространственным разрешением 209 км и 24 уровнями по вертикали. Важные подразделы данных реанализа, в частности, поверхностные потоки, доступны на компакт-дисках (Kalnay et al., 1996; Kistler et al., 1999). Европейский центр среднесрочных прогнозов погоды провел реанализ погоды за 17 лет, для периода 1979–1993 гг. используя практически те же данные о подстилающей поверхности, судовые и спутниковые данные, что использовались и при создании базы реанализа NCEP/NCAR.

2. Европейский центр проводит реанализ данных с целью покрыть 40-летний период с 1957 по 1997 год. Пространственное разрешение будет 83 км; временное разрешение будет 6 часов. При реанализе будет использована большая часть доступной спутниковой информации, включая данные со спутников ERS-1 и ERS-2, а также SSM/I. Анализ будет включать модель океанских волн, которая будет рассчитывать высоту волн.

3. Отдел усвоения данных Центра управления полетов НАСА (The Data Assimilation Office at NASA's Goddard Space Flight Center) завершил реанализ за период с 1 марта 1980 по 13 декабря 1993, позднее продленный до февраля 1995. Анализируемые данные имеют временное разрешение 6 ч., пространственное 2° х 2.5° (91 на 144 узла сетки), 20 уровней по вертикали. При анализе использовались данные, поступавшие в режиме реального времени из Центра исследований окружающей среды США (NCEP), а такжы данные TOVS от спутников Национальной администрации по атмосфере и океану США (NOAA) и данные о ветре из наблюдений за дрейфом облаков (Schubert, Rood, and Pfaendtner, 1993). Особое внимание при анализе уделялось усвоению спутниковых данных с использованием численной модели погоды Годдаровской системы наблюдений (the Goddard Earth Observing System).

4.5. Напряжение трения.

4.6. Современные концепции.