Кафедра термогидромеханики океана МФТИ

преподаватель: Репина Ирина Анатольевна, доктор физико-математических наук, профессор РАН

Цель курса

Дать общее понимание процессов взаимодействия на границе океан-атмосфера в разных пространственно-временных масштабах и их роли в моделировании океана, прогнозе состояния его отдельных компонентов.

Задачи курса

• ознакомить студентов с основными процессами взаимодействия океана и атмосферы в различных масштабах, географическими особенностями их проявления в разных районах океанов и в морях;
• дать представление об основных методах исследования процессов взаимодействия;
• показать практическую важность взаимодействия океана и атмосферы для решения задач прогноза изменений климата, рационального использования природных ресурсов и охраны водной и воздушной сред.

Содержание курса, структурированное по темам (разделам)

1. Система океан-атмосфера, ее суть и особенности.
   Исторический обзор; Факторы, определяющие изменчивость системы океан-атмосфера. Внешние и внутренние процессы; Масштабы временной изменчивости системы океан-атмосфера. Колебания вынужденные и свободные. Положительные и отрицательные обратные связи; Фундаментальные следствия взаимодействия океана и атмосферы; Отличие в свойствах океана и атмосферы. Общность законов изменения основных термодинамических характеристик атмосферы и океана.
   
   
2. Пограничный слой атмосферы
   Планетарный слой атмосферы. Экмановский пограничный слой. Атмосферный пограничный слой. Основы физики пограничного слоя атмосферы, законы сопротивления и теплопередачи. Вертикальное распределение метеорологических элементов в пограничном слое атмосферы. Классификация моделей пограничного слоя атмосферы; замыкание моделей, граничные условия. Когерентные структуры, мезо- и крупномасштабное влияние потоков плавучести на структуру АПС.
   
   
3. Основы физики приземного (приводного) слоя атмосферы
   Баланс сил, понятие слоя постоянства потоков тепла и влаги; Понятие атмосферной турбулентности; Основные отличия морской поверхности от твердой стенки; Характеристики приводного слоя (коэффициенты турбулентного обмена, числа Шмидта, Прандтля, Ричардсона); Логарифмический закон распределения метеоэлементов в приземном слое атмосферы; Спектры пульсаций метеопараметров; Устойчивость и типы стратификации в приземном слое (число Монина-Обухова). Основы полуэмпирической теории подобия Монина-Обухова. Влияние взволнованной водной поверхности на микровзаимодействие, волновое сопротивление водной поверхности.
   
   
4. Гидродинамические свойства поверхности моря
   Гидродинамические свойства поверхности моря, ламинарный (вязкий) подслой; Параметр шероховатости; Перенос количества движения в приводном слое воздуха; Тангенциальное напряжение ветра (коэффициент трения); Общая характеристика тепловлагообмена между морем и атмосферой; Контактный теплообмен, теплообмен излучением, испарение; Методы расчета и измерений турбулентных потоков тепла, влаги и импульса. Балк-формулы. Теория процессов контактного теплообмена и испарения (числа Стэнтона, Дальтона, Боуэна); Полуэмпирические теории теплообмена и испарения; Зависимость потока количества движения от ветра и волн. Влияние стратификации. Температурный режим поверхности моря. Холодная пленка.
   
   
5. Действие ветра на море
   Классическая теория ветровых волн. Вероятностные гидродинамические модели волнения. Факторы волнообразования и их роль в развитии волнения. Уравнение баланса волновой энергии. Гипотезы подобия для процессов ветрового волнения; универсальные функции, возраст и степень развития волнения. Понятие о режиме волнения и волновом климате. Генерация и рост волн. Сопротивление, испарение и теплопередача на разных стадиях развития волнения. Статистическое описание ветровых волн. Энергетические спектры ветрового волнения, фазовая скорость. Прогноз волнения. Формула Чарнока, динамика развития поверхностных волн, характеристика высокочастотного участка спектра ветрового волнения.
   Происхождение дрейфовых течений. Экмановская идеализация теории ветровых волн и течений. Апвеллинги, нагоны.
   
   
6. Пограничный слой океана
   Турбулентность в верхнем слое океана. Мелкомасштабная и крупномасштабная океанская турбулентность. Коэффициенты турбулентного обмена, турбулентная диффузия примесей. Конвекция в верхнем слое океана. Верхний квазиоднородный слой и сезонный термоклин в океане. Приповерхностная инверсия температуры воды в океане.
   
   
7. Физико-химическое взаимодействие атмосферы и океана
   Физико-химическая характеристика поверхности раздела жидкость-газ. Поверхностное натяжение и пленки. Процессы массопереноса. Пограничный диффузионный слой. Мономолекулярный слой поверхностно-активных веществ на поверхности океана. Пузыри и брызги. Перенос вещества через границу океан-атмосфера. Баланс солей и отдельных элементов в системе океан-атмосфера. Обмен газами между океаном и атмосферой.
   
   
8. Тепловой баланс системы атмосфера-океан
   Лучистые потоки тепла в атмосфере и океане. Солнечное излучение. Длинноволновое излучение атмосферы и океана. Отражение и поглощение радиации океаном. Радиационный баланс океана. Глобальный бюджет тепла, составляющие теплового баланса. Годовой ход составляющих теплового баланса. Меридиональный перенос тепла в атмосфере. Источники и стоки тепла в системе атмосфера-океан-материк.
   
   
9. Глобальное взаимодействие океана и атмосферы
   Теория подобия для глобального взаимодействия океана и атмосферы. Бароклинная неустойчивость, необходимые условия. Баротропная неустойчивость. Вихри в океане, фронты, общая циркуляция в атмосфере. Облачность как продукт и регулятор взаимодействия атмосферы и океана, конвекция кучевых облаков. Междугодовая изменчивость системы атмосфера-океан-континент. Крупномасштабное взаимодействие океана и атмосферы и долгопериодные прогнозы погоды. Климат земли при различных условиях глобального взаимодействия атмосферы и океана. Современный климатический режим и оценки его вариаций. Иерархия моделей климатической системы.
   
   
10. Региональные особенности взаимодействия атмосферы и океана.
    Механизм взаимодействия океана и атмосферы в умеренных, тропических и полярных широтах. Тропические циклоны: структура, климатология. Воздействие тропических циклонов на океан. Тропические ураганы. Влияние температуры поверхности океана на региональный климат. Эль-Ниньо - Южное колебание. Лед как продукт взаимодействия океана и атмосферы. Закономерности формирования ледяного покрова. Влияние ледяного покрова на теплообмен атмосферы с океаном. Влияние полыней и разводий на взаимодействие атмосферы и океана в полярных областях. Различие климата Северной и Южной полярных областей. Местные и катабатические ветра.

Основная литература

1. Океанология. Гидрофизика океана. М.: «Наука». 1978. Стр. 208-339.
2. Гилл А. Динамика атмосферы и океана. М.: Мир. 1986. пер. с англ. 1т. – 398 с., 2 т. – 417 с.
3. Доронин Ю.П. Взаимодействие океана и атмосферы. Л.: Гидрометиздат., 1981, 287 с.
4. Перри А.Х., Уокер Дж.М. Система океан-атмосфера. пер. с англ. Л.: Гидрометеоиздат. 1979. 195 с.
5. Краус Е. Б. Взаимодействие атмосферы и океана Л., Гидрометеоиздат, 1976, 296с.
6. Лайхтман Д. Л. Физика пограничного слоя атмосферы Л., Гидрометеоиздат, 1961, 252 с.
7. Федоров К. Н., Гинзбург А. И. Приповерхностный слой океана Л., Гидрометеоиздат, 1988, 302 с.

Учебно-методические материалы для самостоятельной работы

1. И.А. Репина Методы определения турбулентных потоков над морской поверхностью. Москва, 2007, ИКИ РАН, 36 с.

Дополнительная литература

1. Безбородов А.В., Еремеев В.Н. Физико-химические аспекты взаимодействия океана и атмосферы. Киев. Наукова думка. 1984. 183 с.
2. Зилитинкевич С.С. Динамика пограничного слоя атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1970. 292 с.
3. Шулейкин В.В. Избранные труды. Крупномасштабное взаимодействие океана и атмосферы. М.: Наука, 1986, 174 с.
4. Китайгородский С.А. Физика взаимодействия атмосферы и океана. Л.: Гидрометеоиздат. 1970, 284 с.
5. Взаимодейсмтвие океана и атмосферы в северной полярной области // под ред. А. Ф. Трешникова и Г. В. Алексеева.- Л.,Гидрометеоиздат, 1991, 176 с.
6. Монин А.С., Красицкий В.П.   Явления на поверхности моря. Л.: Гидрометеоиздат, 1985. 376 с

Перечень ресурсов, необходимых для освоения дисциплины

1. http://lib.mipt.ru/ – электронная библиотека Физтеха
2. http://benran.ru –библиотека по естественным наукам Российской академии наук
3. http://www.edu.ru – федеральный портал «Российское образование».

Необходимое программное обеспечение

1. MATLAB
2. Golden Software Surfer