Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора
физико-математических наук: 25.00.29 – Физика атмосферы и
гидросферы. — Институт вычислительной математики РАН. — Москва,
2011. — 38 с.
Научный консультант: доктор физико-математических наук, академик
РАН Дымников В.П.
Цели работы
Построение новых конструктивных методов исследования локальных и глобальных характеристик аттракторов сложных моделей динамики атмосферы и их чувствительности к малым внешним воздействиям, пригодных для анализа современных моделей общей циркуляции атмосферы и реальной климатической системы. Решение актуальных задач теории климата с помощью построенных методов.
Научная новизна
Разработан комплекс новых методов исследования атмосферной циркуляции и ее чувствительности к малым внешним воздействиям, с помощью которого решен ряд важных практических проблем. В том числе:
Предложен и численно реализован метод исследования локальной структуры аттракторов моделей атмосферной циркуляции основанный на аппроксимации распределения плотности вероятности периодическими орбитами. Показано наличие связи между ведущими модами изменчивости системы и периодическими орбитами, выявлены слабо неустойчивые «невидимые» части аттрактора. Для класса атмосферных моделей установлено свойство парной симметрии показателей Ляпунова.
Для систем уравнений, описывающих крупномасштабную динамику атмосферной циркуляции, разработаны и исследованы различные методы построения операторов отклика их статистических характеристик на малые внешние воздействия – методы, основанные на использовании ФДС и неустойчивых периодических траекторий.
Разработана эффективная вычислительная технология реализации методов исследования чувствительности локальных и глобальных статистических характеристик моделей ОЦА и реальной климатической системы. С помощью численных экспериментов с моделями атмосферы показана ее высокая эффективность при решении прямых и обратных задач.
С помощью построенных методов решены важные физические задачи: изучена природа 25-ти дневной моды изменчивости атмосферы, исследованы механизмы возбуждения Североатлантической моды изменчивости и синоптической изменчивости в Северной Атлантике из тропиков, построено оптимальное воздействие для возбуждения Арктической осцилляции (АО) в модели ИВМ РАН и по данным
наблюдений и подтверждена гипотеза об оптимальности возбуждения АО из нижней стратосферы полярных широт. Сформулирован необходимый критерий качества моделей атмосферы при их использовании для оценок чувствительности реальной климатической системы.
Научная и практическая значимость
С помощью разработанной технологии решается ряд практических задач:
Исследование устойчивости и предсказуемости локальных (региональных) свойств моделей крупномасштабной динамики атмосферы: классификация динамических режимов циркуляции в моделях динамики атмосферы (по их близости слабонеустойчивым периодическим траекториям); возможность построения характеристик предсказуемости системы вблизи таких режимов; исследование
устойчивости режимов циркуляции по отношению к различным воздействиям на систему и определение формы наиболее опасных воздействий (способных привести к разрушению режима и существенному изменению структуры циркуляции системы); оценки допустимых воздействий на систему; поиск устойчивых, редко наблюдаемые режимы циркуляции, ответственных за продолжительные периоды аномальной атмосферной динамики (примером которой может, по-видимому, служить погодная аномалия на территории европейской части РФ летом 2010 г.).
Исследование устойчивости, предсказуемости глобальных (статистических) характеристик циркуляции моделей атмосферы и реальной климатической системы: определение наиболее опасных воздействий на систему; поиск воздействий, вызывающих заданный отклик системы; идентификация моделей атмосферы и климата по чувствительности; оценка величины и формы отклика реальной климатической системы к воздействиям определенного типа.
Построение новых конструктивных методов исследования локальных и глобальных характеристик аттракторов сложных моделей динамики атмосферы и их чувствительности к малым внешним воздействиям, пригодных для анализа современных моделей общей циркуляции атмосферы и реальной климатической системы. Решение актуальных задач теории климата с помощью построенных методов.
Научная новизна
Разработан комплекс новых методов исследования атмосферной циркуляции и ее чувствительности к малым внешним воздействиям, с помощью которого решен ряд важных практических проблем. В том числе:
Предложен и численно реализован метод исследования локальной структуры аттракторов моделей атмосферной циркуляции основанный на аппроксимации распределения плотности вероятности периодическими орбитами. Показано наличие связи между ведущими модами изменчивости системы и периодическими орбитами, выявлены слабо неустойчивые «невидимые» части аттрактора. Для класса атмосферных моделей установлено свойство парной симметрии показателей Ляпунова.
Для систем уравнений, описывающих крупномасштабную динамику атмосферной циркуляции, разработаны и исследованы различные методы построения операторов отклика их статистических характеристик на малые внешние воздействия – методы, основанные на использовании ФДС и неустойчивых периодических траекторий.
Разработана эффективная вычислительная технология реализации методов исследования чувствительности локальных и глобальных статистических характеристик моделей ОЦА и реальной климатической системы. С помощью численных экспериментов с моделями атмосферы показана ее высокая эффективность при решении прямых и обратных задач.
С помощью построенных методов решены важные физические задачи: изучена природа 25-ти дневной моды изменчивости атмосферы, исследованы механизмы возбуждения Североатлантической моды изменчивости и синоптической изменчивости в Северной Атлантике из тропиков, построено оптимальное воздействие для возбуждения Арктической осцилляции (АО) в модели ИВМ РАН и по данным
наблюдений и подтверждена гипотеза об оптимальности возбуждения АО из нижней стратосферы полярных широт. Сформулирован необходимый критерий качества моделей атмосферы при их использовании для оценок чувствительности реальной климатической системы.
Научная и практическая значимость
С помощью разработанной технологии решается ряд практических задач:
Исследование устойчивости и предсказуемости локальных (региональных) свойств моделей крупномасштабной динамики атмосферы: классификация динамических режимов циркуляции в моделях динамики атмосферы (по их близости слабонеустойчивым периодическим траекториям); возможность построения характеристик предсказуемости системы вблизи таких режимов; исследование
устойчивости режимов циркуляции по отношению к различным воздействиям на систему и определение формы наиболее опасных воздействий (способных привести к разрушению режима и существенному изменению структуры циркуляции системы); оценки допустимых воздействий на систему; поиск устойчивых, редко наблюдаемые режимы циркуляции, ответственных за продолжительные периоды аномальной атмосферной динамики (примером которой может, по-видимому, служить погодная аномалия на территории европейской части РФ летом 2010 г.).
Исследование устойчивости, предсказуемости глобальных (статистических) характеристик циркуляции моделей атмосферы и реальной климатической системы: определение наиболее опасных воздействий на систему; поиск воздействий, вызывающих заданный отклик системы; идентификация моделей атмосферы и климата по чувствительности; оценка величины и формы отклика реальной климатической системы к воздействиям определенного типа.