Эффекты, обусловленные устойчиво-стратифицированным планетарным пограничным слоем в климате северного полушария Земли

Планетарные пограничные слои вносят определенный вклад в формирование и поддержание климата Земли. Глубокая проникающая конвекция и конвективное приспособление охлаждают планету и контролируют гидрологический цикл. Поэтому конвективные процессы активно изучаются климатологами. Напротив, тонкий устойчиво-стратифицированный пограничный слой получает значительно меньше внимания, поскольку его влияние связывают, главным образом, с местными особенностями климата. Настоящее исследование демонстрирует значительное влияние устойчиво-стратифицированного пограничного слоя на глобальный климат Земли. В данной работе, устойчиво-стратифицированный пограничный слой идентифицируется как ведущий фактор, модулирующий отклик в приземной температуре воздуха на аномалии климатического теплового баланса. Области с наибольшими величинами многолетних температурных трендов и наибольшей температурной изменчивостью географически совпадают с областями, в которых тонкие устойчиво-стратифицированные пограничные слои встречаются часто. Линейные коэффициенты корреляции между обратным значением толщины устойчиво-стратифицированного пограничного слоя и приземной температурой воздуха достигают значений 0.4—0.6 над Евразией и морскими льдами Арктики. Особенно сильные корреляционные связи найдены для континентальных климатов Сибири, где влияние влажности почвы и облачности менее выражено. Климатические модели несовершенны в части расчета свойств устойчиво-стратифицированного пограничного слоя. Это приводит к появлению систематических отклонений моделей при расчете климатических трендов температуры и краткопериодной температурной изменчивости.

1. Esau I., Davy R., Outten S. Complementary explanation of temperature response in the lower atmosphere // Environ. Res. Lett. 2012. 7. 044026.

2. Baklanov A. A., Grisogono B., Bornstein R., Mahrt L., Zilitinkevich S. S., Taylor P., Larsen S. E., Rotach M. W., Fernando H. J. S. The Nature, Theory, and Modeling of Atmospheric Planetary Boundary Layers // Bulletin of the American Meteorological Society. 2011. P. 123—128.

3. Zhang Y., Stevens B., Medeiros B., Ghil M. Low-Cloud Fraction, Lower-Tropospheric Stability, and Large-Scale Divergence // J. Clim. 2010. 22. P. 4827—4844.

4. Arakawa A., Jung J.-H. Multiscale modeling of the moist-convective atmosphere — A review // Atmospheric Research. 2011. 102. P. 263—285.

5. Sherwood S., Bony S., Dufresne J.-L. Spread in model climate sensitivity traced to atmospheric convective mixing // Nature. 505. P. 37—42.

6. Arakawa A. The cumulus parameterization problem: past, present, and future // J. Clim. 2004. 17. P. 2493—2525.

7. King J. C., Jrrar A., Connolley W. M. Sensitivity of modelled atmospheric circulation to the representation of stable boundary layer processes // Geophys. Res. Lett. 2007. 34. L06708. doi:10.1029/2006GL028563.

8. Kim K.-Y., North G. R. Surface Temperature Fluctuations in a Stochastic Climate Model // J. Geophys. Res. 1991. 96. 18,573—18,580.

9. Esau I. Formulation of the planetary boundary layer feedback in the earth's climate system // Comput. Technol. 2008. 13. P. 90—103.

10. Walters J. T., McNider R. T., Shi X., Norris W. B., Christy J. R. Positive surface temperature feedback in the stable nocturnal boundary layer // Geophys. Res. Lett. 2007. 34. L12709.

11. Zilitinkevich S. S., Esau I. Planetary boundary layer feedbacks in climate system and triggering global warming in the night, in winter and at high latitudes // Geography, Environment, Sustainability. 2009. 20—34.

12. Gentine P., Entekhabi D., Polcher J. The Diurnal Behavior of Evaporative Fraction in the Soil–Vegetation–Atmospheric Boundary Layer Continuum // J. Hydrometeorology. 2011. 12. P. 1530—1546.

13. Zhou L., Chen H., Hua W., Dai Y., Wei N. Mechanisms for stronger warming over drier ecoregions observed since 1979 // Climate Dyn. 2016.

14. Alexander L., Zhang X., Peterson T. et al. Global observed changes in daily climate extremes of temperature and precipitation // J. Geophys. Res. 2006. 111. D05109.

15. Esau I., Davy R., Outten S. Complementary explanation of temperature response in the lower atmosphere // Environ. Res. Lett. 2012. 7. 044026.

16. Davy R., Esau I. Global climate models’ bias in surface temperature trends and variability // Environ. Res. Lett. 2014. 9. 114024.

17. Karl T. R., Knight R. W., Gallo K. P., Peterson T. C., Jones P. D., Kukla G., Plummer N., Razuvayev V., Lindseay J., Charlson R. J. A new perspective on recent global warming: asymmetric trends of daily maximum and minimum temperature // Bulletin of American Meteorological Society. 1993. 74. P. 1007—1023.

18. McNider R., Steeneveld G., Holtslag A., Mackaro S., Pour-Biazar A., Walters J., Nair U., Christy J. Response and sensitivity of the nocturnal boundary layer over land to added longwave radiative forcing // J. Geophys. Res. 2012. 117. D14106.

19. Davy R., Esau I., Outten S., Chernokulsky A., Zilitinkevich S. Diurnal asymmetry to the observed global warming // International Journal of Climatology. 2016. doi: 10.1002/joc.4688

20. Holt T., Raman S. A review and comparative evaluation of multilevel boundary layer parameterizations for first-order and turbulent kinetic energy closure schemes // Rev. Geophys. 1988. 26. P. 761—780.

21. Zilitinkevich S. S., Esau I. Resistance and heat transfer laws for stable and neutral planetary boundary layers: old theory, advanced and re-evaluated // Quart. J. Royal Meteorol. Soc. 2005. 131. 1863—1892.

22. Zilitinkevich S. S., Hunt J. C. R., Grachev A. A., Esau I., Lalas D. P., Akylas E., Tombrou M., Fairall C. W., Fernando H. J. S., Baklanov A., Joffre S. M. The influence of large convective eddies on the surface layer turbulence // Quart. J. Royal Meteorol. Soc. 2006. 132. P. 1423—1456.

23. Zilitinkevich S. S., Esau I., Baklanov A. Further comments on the equilibrium height of neutral and stable planetary boundary layers // Quart. J. Royal Meteorol. Soc. 2007. 133. P. 265—271.

24. Mauritsen T., Svensson G., Zilitinkevich S. S., Esau I., Enger L., Grisogono B. A total turbulent energy closure model for neutral and stably stratified atmospheric boundary layers // J. Atmos. Sci. 2007. 64, 11. P. 4117—4130.

25. Zilitinkevich S. S., Esau I., Kleeorin N., Rogachevskii I., Kouznetsov R. D. On the velocity gradient in stably stratified sheared flows. Part 1: Asymptotic analysis and applications // Boundary-Layer Meteorol. 2010. 135. P. 505—511.

26. Zilitinkevich S. S., Elperin T., Kleeorin N., Rogachevskii I., Esau I. A hierarchy of energy- and flux-budget (EFB) turbulence closure models for stably stratified geophysical flows // Boundary-Layer Meteorology. 2013. 146, 3. P. 341—373.

27. Outten S., Davy R., Esau I. Eurasian winter cooling: Intercomparison of reanalyses and CMIP5 data sets // Atmos. Oceanic Sci. Lett. 2013. 6, 5. P. 324—331.

28. Knight C. G., Knight S., Massey N., Aina T., Christensen C., Frame D. J., Kettleborough J. A., Martin A., Pascoe S., Sanderson B., Stainforth D. A., Allen M. R. Association of parameter, software, and hardware variation with large-scale behavior across 57,000 climate models // PNAS. 2007. 104. P. 12259—12264.

29. Qu M., Wan J., Hao X. Analysis of diurnal air temperature range change in the continental United States // Weather and Climate Extremes. 2014. 4. P. 86—95.

30. Zilitinkevich S. S., Baklanov A., Rost J., Smedman A. S., Lykosov V., Calanca P. Diagnostic and prognostic equations for the depth of the stably stratified Ekman boundary layer // Quart. J. Royal Meteorol. Soc. 2002. 128. P. 25—46.