РАЗДЕЛ 2
СЕЗОННАЯ НЕУСТОЙЧИВОСТЬ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ ОКЕАНА
2.1. Постановка задачи
Крупномасштабные нерегулярные изменения температуры поверхности Мирового океана являются важнейшим элементом изменчивости системы океан-атмосфера. Они определяют долговременные аномалии погоды в отдельных районах Земного шара. В настоящее время отчетливо выделено и интерпретировано несколько типов такой изменчивости. В первую очередь это Эль-Ниньо-Южное колебание [68,163], в литературе также выделяются различные моды для средних и высоких широт Атлантики, тропическая дипольная Атлантическая мода, в северной части Тихого океана выделяется моды, связанные с Куросио и субтропическим круговоротом. Все эти колебания происходят на фоне сезонного годового хода - наиболее значительного периодического глобального изменения системы океан-атмосфера.
Процессы, участвующие в формирования температуры поверхности океана, хорошо известны - это турбулентные потоки явного и скрытого тепла, потоки солнечного и инфракрасного излучения через поверхность океана, турбулентное перемешивание в верхнем квазиоднородном слое [37,40,95] и адвективный перенос тепла течениями. В таком виде постановка задачи описания эволюции ТПО кажется простой и не содержащей каких-то принципиальных трудностей. Однако изменчивость ТПО в реальном океане и в современных численных моделях высокого разрешения оказывается очень сложной, многосторонней и многомасштабной. Существует большое разнообразие типов изменчивости, которые необходимо выделить и предложить для них простые физические механизмы.
Несмотря на значительный прогресс в исследовании наиболее важного крупномасштабного явления в системе океан-атмосфера, а именно явления Эль-Ниньо-Южное колебание, в настоящее время проблема долгосрочного прогноза ЭНЮК не решена. Такие подходы, как численное моделирование совместной системы океан-атмосфера или статистические методы, основанные на связях между предиктором и прогнозируемой величиной, оказываются эффективными для предсказания ЭНЮК лишь с максимальным временем прогноза 9 месяцев [68,124,199]. Среди причин такого ограничения предсказуемости рассматривается несколько факторов, например взаимодействие Эль-Ниньо с Индо-азиатским летним муссоном.
Важная черта ЭНЮК обнаружена в этой связи в работах [188,196] - существование так называемого 'барьера предсказуемости'. Корреляция со сдвигом для ежемесячного индекса Южного колебания быстро уменьшается в весеннее время. Корреляция между прогнозируемыми в моделях океан-атмосфера аномалиями ТПО и наблюдаемыми аномалиями ТПО в Тихом океане весной Северного полушария также быстро уменьшается. Весна оказывается специфическим барьером, разрывающим связь между предыдущими и последующими состояниями системы океан-атмосфера.
Предложено несколько гипотез для объяснения сезонного уменьшения корреляции. Весной экваториальный градиент давления в Тихом океане минимален, случайная ошибка может расти более быстро и внешние возмущения, такие как быстро растущий Азиатский муссон, оказывают максимальное воздействие.
Вторая важная особенность ЭНЮК - это захват его фазы годовым циклом. Каждое событие Эль-Ниньо начинает свой рост из практически незаметного возмущения в апреле-мае, за полгода быстро вырастает и достигает максимума, как правило, в январе следующего года, хотя возможны небольшие сдвиги максимума Эль-Ниньо на один-два месяца. Такая синхронизация ЭНЮК с годовым циклом была указана в работе [163]. Для исследования этого захвата [184,197,201] использовали так называемые циклостационарные модели главных колебательных мод (principal oscillation pattern, POP). Параметры регрессии в циклостационарных моделях не постоянны, как в обычных РОР-моделях, а меняются периодически по времени с годовым периодом. Они показали отчетливую периодическую изменчивость с годовым периодом скорости затухания аномалий зонального ветра и ТПО. Сезонный цикл параметров устойчивости тропической связанной модели системы океан-атмосфера был обнаружен в [62]. Затем в статьях [115,180,181] было достигнуто некоторое дополнительное понимание путем объединения вышеупомянутых проблем. В этих работах авторы объединили описание противоречивых черт ЭНЮК - нерегулярность и захват фазы на годовой цикл, - используя упрощенные совместные модели, которые демонстрируют квазипериодический сценарий перехода к детерминированному хаосу.
Одной из целей данного раздела является исследование линейной неустойчивости крупномасштабных аномалий ТПО в связи с существованием барьера предсказуемости Эль-Ниньо. Будет использован метод анализа устойчивости посредством локальных показателей Ляпунова, примененный не к теоретической или численной модели, а к архивным данным ТПО в Тихом океане.
В параграфе 2.2 дается определение показателей и векторов Ляпунова, количественно описывающих оптимальный рост возмущений, приводится подробное описание применяемого нами метода расчета неустойчивых возмущений на основе анализа натурных данных, рассматриваются используемые данные и метод анализа. В следующем параграфе 2.3 приводятся опубликованные в статьях автора [87,90] результаты вычисления параметров неустойчивости в экваториальной и северной областях Тихого океана, обсуждается их связь с сезонной модуляцией явления Эль-Ниньо и с существованием барьера предсказуемости.
В параграфе 2.4 настоящего раздела изучается сезонная неустойчивость крупномасштабных аномалий температуры поверхности океана в трех регионах Атлантического океана. Известно, что в Атлантическом океане колебания типа ЭНЮК проявляются значительно слабее, чем в Тихом океане. Поэтому неустойчивость аномалий ТПО связана здесь с другими физическими механизмами. Эти результаты опубликованы в статях автора [22,90].
В параграфе 2.5 представлены результаты анализа сезонной неустойчивости аномалий температуры поверхности Средиземного моря. Определены локальные показатели и векторы Ляпунова и дана их интерпретация. Обсуждено поведение этих характеристик в теч