Численные эксперименты по чувствительности полярного мезоциклона над Баренцевым морем к источникам тепла

Д. А. Яровая✉, В. В. Ефимов

Морской гидрофизический институт РАН, Севастополь, Россия

✉ e-mail: darik777@mhi-ras.ru

Аннотация

Цель. Цель работы – провести численные эксперименты с полярным мезомасштабным циклоном, существовавшим 18–20 января 2017 г., чтобы исследовать, как влияли на структуру и интенсивность циклона потоки явного и скрытого тепла от поверхности моря, а также выделение скрытого тепла при конвекции.

Методы и результаты. Для численного исследования циклона использовалась полярная версия мезомасштабной модели WRF. Чтобы выявить реакцию циклона непосредственно на изменения в модели, все эксперименты начинались только после достижения циклоном зрелой стадии в 00:00 20 января. Проведено пять экспериментов: в 1-м отключался только поток явного тепла, во 2-м – только поток скрытого тепла, в 3-м – оба потока тепла, в 4-м – теплообмен при фазовых переходах в атмосфере, в 5-м – оба потока тепла и теплообмен при фазовых переходах. В качестве меры интенсивности циклона использовалось давление на уровне моря в центре.

Выводы. Показано, что во всех экспериментах интенсивность циклона, а также максимальная скорость ветра на нижнем уровне модели уменьшились. Уменьшение интенсивности было примерно одинаковым в экспериментах 1 и 2, т. е. на зрелой стадии потоки явного и скрытого тепла для рассматриваемого циклона были одинаково важны. В экспериментах 1, 3 и 5, в которых был отключен поток явного тепла, значительно увеличилась устойчивость атмосферы, так как уменьшилась температура воздуха на нижнем уровне модели. В эксперименте 4 пограничный слой стал более неустойчивым, потому что испарение осадков в модели не сопровождалось поглощением тепла. Обнаружено, что, несмотря на уменьшение интенсивности и максимальной приповерхностной скорости ветра, интегральная кинетическая энергия циклона в экспериментах 1, 3 и 5 возросла. Рассмотрена наиболее вероятная причина такой реакции циклона, а именно – уменьшение диссипации энергии в приповерхностном слое в связи с увеличением устойчивости атмосферы.

Ключевые слова

полярный мезомасштабный циклон, мезомасштабное атмосферное моделирование, численные эксперименты

Благодарности

Работа выполнена в рамках проекта No 0827-2015-0001 «Фундаментальные исследования процессов в системе океан-атмосфера-литосфера, определяющих пространственно-временную изменчивость природной среды и климата глобального и регионального масштабов».

Для цитирования

Яровая Д. А., Ефимов В. В. Численные эксперименты по чувствительности полярного мезоциклона над Баренцевым морем к источникам тепла // Морской гидрофизический журнал. 2020. Т. 36, No 3. С. 243–260. EDN EJROJX. doi:10.22449/0233-7584-2020-3-243-260

Iarovaia, D.A. and Efimov, V.V., 2020. Polar Low over the Barents Sea: Its Sensitivity to Surface Energy Fluxes and Condensational Heating. Physical Oceanography, 27(3), pp. 225-241. doi:10.22449/1573-160X-2020-3-225-241

DOI

10.22449/0233-7584-2020-3-243-260

Список литературы

  1. Polar low tracks over the Nordic Seas: a 14-winter climatic analysis / M. Rojo [et al.] // Tellus A: Dynamic Meteorology and Oceanography. 2015. Vol. 67, iss. 1. 24660. doi:10.3402/tellusa.v67.24660
  2. Emanuel K. A., Rotunno R. Polar lows as arctic hurricanes // Tellus A: Dynamic Meteorology and Oceanography. 1989. Vol. 41, iss. 1. P. 1–17. https://doi.org/10.3402/tellusa.v41i1.11817
  3. Nordeng T. E., Rasmussen E. A. A most beautiful polar low. A case study of a polar low development in the Bear Island region // Tellus A: Dynamic Meteorology and Oceanography. 1992. Vol. 44, iss. 2. P. 81–99. doi:10.3402/tellusa.v44i2.14947
  4. Polar Lows: Mesoscale Weather Systems in the Polar Regions / E. Rasmussen, J. Turner (eds.). Cambridge : Cambridge University Press, 2003. 612 p. doi:10.1017/CBO9780511524974
  5. Kolstad E. W. Extreme small-scale wind episodes over the Barents Sea: When, where and why? // Climate Dynamics. 2015. Vol. 45, iss. 7–8. P. 2137–2150. https://doi.org/10.1007/s00382-014-2462-4
  6. Analysis of tropical-like cyclones over the Mediterranean Sea through a combined modeling and satellite approach / M. M. Miglietta [et al.] // Geophysical Research Letters. 2013. Vol. 40, iss. 10. P. 2400–2405. https://doi.org/10.1002/grl.50432
  7. A quasitropical cyclone over the Black Sea: Observations and numerical simulation / D. A. Yarovaya [et al.] // Physical Oceanography. 2008. Vol. 18, iss. 3. P. 154–167. https://doi.org/10.1007/s11110-008-9018-2
  8. Ефимов В. В., Яровая Д. А., Комаровская О. И. Мезомасштабный полярный циклон по спутниковым данным и результатам численного моделирования // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2020. (в печати).
  9. A climatological study of polar lows in the Nordic Seas / G. Noer [et al.] // Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. 2011. Vol. 137, iss. 660. P. 1762–1772. doi:10.1002/qj.846
  10. A Description of the Advanced Research WRF Version 3 / W. C. Skamarock [et al.]. Boulder, Colorado : National Center for Atmospheric Research USA, 2008. 113 p. (NCAR Technical Notes). URL: https://opensky.ucar.edu/islandora/object/technotes%3A500/datastream/PDF/view (дата обращения: 08.04.2020).
  11. Hong S., Noh Y., Dudhia J. A New Vertical Diffusion Package with an Explicit Treatment of Entrainment Processes // Monthly Weather Review. 2006. Vol. 134, no. 9. P. 2318–2341. https://doi.org/10.1175/MWR3199.1
  12. Shin H. H., Hong S., Dudhia J. Impacts of the Lowest Model Level Height on the Performance of Planetary Boundary Layer Parameterizations // Monthly Weather Review. 2012. Vol. 140, no. 2. P. 664–682. https://doi.org/10.1175/MWR-D-11-00027.1
  13. A Revised scheme for the WRF surface layer formulation / P. A. Jimenez [et al.] // Monthly Weather Review. 2012. Vol. 140, no. 3. P. 898–918. https://doi.org/10.1175/MWR-D-11-00056.1
  14. Structure of a shear-line polar low / D. E. Sergeev [et al.] // Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. 2017. Vol. 143, iss. 702. P. 12–26. https://doi.org/10.1002/qj.2911
  15. Bresch J. F., Reed R. J., Albright M. D. A Polar-Low Development over the Bering Sea: Analysis, Numerical Simulation, and Sensitivity Experiments // Monthly Weather Review. 1997. Vol. 125, no. 12. P. 3109–3130. https://doi.org/10.1175/1520-0493(1997)1253109:APLDOT2.0.CO;2
  16. A Polar Low over the Japan Sea on 21 January 1997. Part II: a numerical study / W. Yanase [et al.] // Monthly Weather Review. 2004. Vol. 132, no. 7. P. 1552–1574. https://doi.org/10.1175/1520-0493(2004)132%3C1552:APLOTJ%3E2.0.CO;2
  17. A ‘hurricane-like’ polar low fuelled by sensible heat flux: high-resolution numerical simulations / I. Føre [et al.] // Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. 2012. Vol. 138, iss. 666. P. 1308–1324. doi:10.1002/qj.1876
  18. Føre I., Nordeng T. E. A polar low observed over the Norwegian Sea on 3–4 March 2008: high-resolution numerical experiments // Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. 2012. Vol. 138, iss. 669. P. 1983–1998. doi:10.1002/qj.1930
  19. Michel C., Terpstra A., Spengler T. Polar mesoscale cyclone climatology for the Nordic Seas based on ERA-Interim // Journal of Climate. 2018. Vol. 31, no. 6. P. 2511–2532. doi:10.1175/JCLI-D-16-0890.1
  20. Holton J. R. An Introduction to Dynamic Meteorology. Academic Press, 2004. 535 p.

Скачать статью в PDF-формате