ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ОКЕАНА И АТМОСФЕРЫ Гулев Сергей Константинович gul sail

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ОКЕАНА И АТМОСФЕРЫ Гулев Сергей Константинович gul@sail. msk. ru, 124 -7985, (8910)467 -9852 Взаимодействие океана и атмосферы перераспределние солнечной энегии в процессе обмена свойствами между океаном и атмосферой и в ходея связанных с этим трансформаций энергии в океане и в атмосфере q Основа обратных связей в системе океанатмосфера q Граничные условия для океанских и атмосферных моделей q Глобальные и региональные балансы энергии океана и атмосферы

Энергетические источники в климатической системе Приходящая солнечная радиация: 1024 J/year Испарение: 2 1023 J/year Адвекция тепла океанскими течениями: 5 1022 J/year Антропогенная продукция энергии: 5 1019 J/year

Морская вода и атмосферный воздух parameter Плотность Удельная теплоемкость (p=const) Sea water 1025 kg/m 3 4. 2 103 J/(kg K) Air 1. 2 kg/m 3 1 103 J/(kg K) 0. 8 -1. 8 10 -6 m 2 s-1 12 -15 10 -6 m 2 s-1 Кинематическая вязкость 10 -5 m 10 -6 m Толщина ламинарного подслоя /U 1 10 -3 Nsm-2 1 103 Nsm-2 Динамическая

Основные процессы взаимодействия океана и атмосферы 100 6 20 4 6 38 26 16 15 Wind stress precipitation 3 51 waves mechanical mixing 21 7 23 convective mixing

Основные процессы и механизмы: наш план 1. Коротковолновая солнечная радиация (SW): поглощение, отражение, рассеяние 2. Инфракрасная радиация (LW): : излучение, отражение поглощение, 3. Турбулентный перенос тепла 4. Испарение 5. Осадки 6. Поток плавучести на поверхности 7. Турбулентный перенос количества движения тангенциальными компонентами (stress) 8. Турбулентный перенос количества движения нормальными компонентами (normal pressure) 9. Генерация океанских волн и их разрушение 10. Перемешивание в атмосфере и генерация атмосферной завихренности в ПС 11. Перемешивание (механическое и конвективное) в океане и генерация водных масс 12. Перенос газов

Главные следствия взаимодействия океана и атмосферы: (это не будет обсуждаться, но это важно) 1. Адвекция тепла океанскими и атмосферными движениями 2. Неустойчивость в океане и в атмосфере 3. Генерация температурных аномалий в океане 4. Генерация циркуляционных аномалий в атмосфере Annual range of air temperature (Monin 1968)

КОРОТКОВОЛНОВАЯ РАДИАЦИЯ НА ПОВЕРХНОСТИ H = SW - LW - Qh - Qe 100 65 8 27 + - Определение знака – произвольно, но должно быть четко установлено Температура Солнца: Tsun 5800 K; Esun= Tsun 4 99% энергии лежит в пределах 0. 2 -3 Солнечная постоянная (S 0) – среднее за год количество солнечной радиации на верхней границе атмосферы S 0 = 1378 W/m 2 (1359 – 1384 W/m 2)

Северное полушарие Южное полушарие

Орбита Земли – не окружность, а эллипс Солнечная постоянная меняется при вращении Земли Солнечная радиация на верхней границе атмосферы:

Sun brigthness How much brighter is the Sun as viewed from the planet Mercury as compared to Earth? How much fainter is it at Jupiter? These questions can be answered through the inverse square law. The equation relates the relative distances of two objects as compared to a third. Typically one of the objects is Earth, the second is a space craft and the third is the Sun. There is a certain amount of sunlight reaching Earth at any given moment. This is not an absolute quantity because Earth is closer to the Sun at some times of the year verses others and the number of sunspots effects the Sun's energy output. Overall, however, the Sun is remarkably constant in its behavior. The amount of the Sun's energy reaching Earth is 1 solar constant. The average distance from the Sun to Earth is 149, 597, 870. 66 kilometers, (1 Astronomical Unit or 1 AU). So Earth is 1 AU from the Sun and receives 1 solar constant. The relationship can be expressed most simply as: 1/d 2 where d = distance as compared to Earth's distance from the Sun. At 1 AU, Earth receives 1 unit of sunlight; what we generally might associate with a bright sunny day at noon. How much sunlight would a spacecraft receive if it were twice as far from the Sun as Earth? The distance from the Sun to the spacecraft would be 2 AUs so. . . d = 2. If we plug that into the equation 1/d 2 = 1/22 = 1/4 = 25%. The spacecraft is getting only one quarter of the amount of sunlight that would reach it if it were near Earth. This is because the light is being radiated from the Sun in a sphere. As the distance from the Sun increases the surface area of the sphere grows by the square of the distance. That means that there is only 1/d 2 energy falling on any similar area on the expanding sphere. Mercury is at 0. 387 AUs. 1/d 2 = 1/0. 3872 = 1/. 15 = 666. 67%, almost seven times brighter! We can use this method to compare any spot in the Universe if we describe its distance as compared to Earth relative to the Sun. Mars is at a distance of 1. 5 AUs from the Sun. 1/d 2 = 1/1. 52 = 1/2. 25 = 44%. Jupiter is at 5. 2 AUs so 1/d 2 = 1/5. 22 = 1/27 = 3. 7%

Чтобы узнать сколько солнечной радиации прходит на поверхность Земли, нам надо знать, что происходит с солнечной радиацией в атмосфере Спектральный взгляд: Что это за разница?

Коротковолновая радиация на верхней границе атмосферы Коротковолновая радиация на поверхности Земли

SW радиация на поверхности Земли определяется: Ø Высотой Солнца Ø Молекулярной диффузией Ø Поглощением радиации газами Ø Поглощением радиации водяным паром Ø Аэрозольной диффузией Измерения Моделирование Параметризации

Измерения коротковолновой радиации Нисходящая длинноволновая радиация может быть измерена пиранометром, направленным в небо. Современные пиранометры все еще Имеют конструкцию Молла-Горзинского (Moll 1923), когда радиация падает на зачерненную горизонталь связанную с термоэлементом и защищенную двумя концентрическими стелянными пулусферами. Наиболее важными факторами влияющими на точность измерений являются: Ø точность и устойчивость калибрации, Ø термоэффект полусфер, Ø отклик на угол наклона, Ø точность детектора температурной устойчивости. Moll-Gorczynski pyranometer Еще один источник ошибок в в пиранометрах, используемых в море, относительные движения платформы (судна, буя). Это может нарушать горизонтальность поверхности. Ошибки суточных средних могут быть ~ 10 -20%. Пиранометры на море должны быть помещены в карданы. Multi-Filter Rotating Shadowband Radiometer (MFRSR)

SW registration package Kipp&Zonen CNR-1 q q q Spectral range for solar radiation (pyranometer) 0, 3 – 3 μm Spectral range for infrared radiation (pyrgeometer) 5 – 42 μm Field of view - 180° Temporal resolution - 10 sec Measurement accuracy for daily totals – ± 10 %

Where to find/buy/order a perfect package? http: //www. arm. gov/instruments/instclass. php? id=radio http: //www. kippzonen. com/pages/1250/3/Howcan. Ikeepb

Solar altitude Compute solar altitude for: 07: 00 GMT 05. 04. 2006 35 N, 55 W Derive the dependence of solar altitude on: latitude for 12: 00, 04. 2006 hour for 45 N /home/gulev/problems/solar. f