Основная часть
1 Обзор литературы
Моделирование поведения стабильных изотопов воды в различных компонентах гидрологического цикла Земли может способствовать улучшению нашего понимания δ-сигнала в разных архивах данных. В течение двух последних десятилетий с помощью нескольких атмосферных и океанических моделей общей циркуляции атмосферы были расширены возможности по моделированию гидрологического цикла двух стабильных изотопов воды H218O и HDO [5-13]. Известна система управляющих параметров, определяющих силу и развитие изотопических фракций в замкнутой модели. Показано, что глобальное моделирование изотопического состава воды может помочь объяснить изменения в различных архивах [14-15]. В ряде исследований, результатами такого моделирования, уже наглядно продемонстрирована возможность улучшения интерпретации обнаруженных соотношений изотопов воды в терминах изменения климата и окружающей среды [9, 12-13, 16-20]. В настоящее время существует около десятка различных моделей глобальной циркуляции с подобной изотопной диагностикой [21].
Мы будем рассматривать модель общей циркуляции ECHAM5 [22] в связи с тем, что эта модель имеет открытый код, её модификации (в частности ECHAM6) можно портировать на суперкомпьютер URAN ИММ УрО РАН, и лаборатория имеет опыт работы с разработчиками, писавшими модули для этой модели. В сравнении с предыдущими версиями модели ECHAM4, в модель ECHAM5 был внесен ряд существенных изменений, а именно численные изменения параметров и изменения в физике модели. Эти изменения включают в себя потоковую форму полулагранжевой транспортной схемы для положительно определенных переменных компонент воды и малых газовых компонент [23], разделение прогностических уравнений для водяных облаков и облаков льда, прогностическую статистику параметризации облачного покрова [24], и новую микрофизическую схему облачности [25]. Для тропических конвекционных процессов была использована схема потока массы [26] с изменением глубины конвекции согласно [27]. Изменения также были проведены в представлении поверхностных процессов земли, включая представление орографических сил сопротивления [28]. Кроме того, в ECHAM5 был собран новый набор данных параметров поверхности [29]. С другой стороны, горизонтальное и вертикальное распределение, а также спектральная динамика модели практически не изменились по сравнению с предыдущими версиями модели ECHAM4.
2 Постановка задачи
1. Изучить основные принципы динамического моделирования атмосферы.
2. Портировать ECHAM на суперкомпьютер URAN ИММ УрО РАН.
3. Начать освоение модели ECHAM, ее входных файлов, параметров моделирования и необходимых начальных и граничных условий.
3 Строение атмосферы
Атмосфера состоит из четырех основных слоев: тропосферы, стратосферы, мезосферы и термосферы [30]. Они изображены на рисунке 3.1.
Тропосфера – самый нижний слой атмосферы. Её верхняя граница находится на высоте от 8 до 18 км, в зависимости от широты и времени года. В ней температура воздуха падает почти линейно с увеличением высоты. Это связано с тем, что воздух нагревается инфракрасным излучением, приходящим от Земли, и до более высоких слоев доходит меньше излучения.
Следующий слой это стратосфера. Она находится на высоте от 11 до 50 км. В ней температура увеличивается с высотой, потому как в ней содержится основная масса всего атмосферного озона, который хорошо поглощает ультрафиолет, приходящий от Солнца, и при этом нагревается.
Еще выше находится мезосфера. Она начинается на высоте 50 км и заканчивается на 80-90 км. В ней температура падает с высотой, так как в ней содержится меньше озона.
Последний слой это термосфера. В ней температура воздуха увеличивается с высотой из-за коротковолнового излучения, приходящего от Солнца.
Рисунок 3.1 – Строение атмосферы