Параметризация поглощения солнечной радиации снежно-ледяным покровом в термодинамической модели льда Азовского моря

Д. Д. Завьялов✉, Т. А. Соломаха

Морской гидрофизический институт РАН, Севастополь, Россия

✉ e-mail: zavyalov.dd@mhi-ras.ru

Аннотация

Цель. Оценить влияние выбора схемы параметризации радиационных свойств снега и льда на воспроизведение сезонной эволюции толщины снежно-ледяного покрова и распределения температуры в его толще в вершине Таганрогского залива – цель данной работы.

Методы и результаты. Исследование термической сезонной динамики толщины снежно-ледяного покрова в северо-восточной части Таганрогского залива проведено с помощью нестационарной термодинамической модели морского льда. Модель воспроизводит образование льда и аккумуляцию на его поверхности снега, пространственно-временно́е изменение их теплофизических характеристик, таяние снежно-ледяного покрова, вертикальное распределение температуры и поглощенной в его толще солнечной радиации при заданных срочных данных о метеорологических параметрах. В численной реализации решения уравнения теплопроводности с радиационным источником для снега и льда использовалась расчетная сетка, позволяющая сохранять пространственное разрешение профилей температур в снежно-ледяном покрове при его таянии и нарастании. Рассмотрено два варианта параметризации переноса солнечного излучения в морском льду. Первый вариант предполагал экспоненциальное затухание радиации с постоянными коэффициентами пропускания и ослабления. Во втором варианте использовалась двухслойная схема проникновения солнечного излучения в лед, моделирующая приповерхностный переходный слой. Ослабление интенсивности солнечной радиации в толще снега описывалось законом Бугера – Ламберта с коэффициентом ослабления, как не зависящим от теплофизических характеристик снега, так и представленным функцией его плотности. Проведены численные эксперименты по воспроизведению сезонной эволюции толщины снежно-ледяного покрова и вертикального профиля температуры в нем в вершине Таганрогского залива для зимнего сезона 2016/17 г. Сравнительный анализ результатов моделирования и снятых с ледовых карт ЕСИМО значений толщины морского льда позволил выбрать комбинацию параметров модели для наилучшего соответствия расчетных и фактических величин.

Выводы. Показано, что наиболее оправданным оказался выбор коэффициентов пропускания и ослабления для белого льда, представленных функциями облачности, и толщины слоя наиболее интенсивного поглощения коротковолнового излучения ~ 4 см при воспроизведении сезонных изменений толщины ледяного покрова в вершине Таганрогского залива зимой 2016/17 г.

Ключевые слова

морской лед, термодинамика, толщина льда, вертикальный температурный профиль льда, коротковолновая радиация, коэффициент ослабления, Азовское море

Благодарности

Работа выполнена в рамках государственного задания по теме № 0555-2021-0004 «Фундаментальные исследования океанологических процессов, определяющих состояние и эволюцию морской среды под влиянием естественных и антропогенных факторов, на основе методов наблюдения и моделирования».

Для цитирования

Завьялов Д. Д., Соломаха Т. А. Параметризация поглощения солнечной радиации снежно-ледяным покровом в термодинамической модели льда Азовского моря // Морской гидрофизический журнал. 2021. Т. 37, № 5. С. 538–553. EDN PGRVTP. doi:10.22449/0233-7584-2021-5-538-553

Zavyalov, D.D. and Solomakha, T.A., 2021. Parameterization of Solar Radiation Absorption by Snow–ice Cover in the Thermodynamic Sea Ice Model of the Sea of Azov. Physical Oceanography, 28(5), pp. 499-513. doi:10.22449/1573-160X-2021-5-499-513

DOI

10.22449/0233-7584-2021-5-538-553

Список литературы

  1. Клячкин С. В., Гузенко Р. Б., Май Р. И. Численная модель эволюции ледяного покрова арктических морей для оперативного прогнозирования // Лед и cнег.·2015.·Т. 55, № 3. С. 83–96. doi:10.15356/2076-6734-2015-3-83-96
  2. Кулаков М. Ю., Макштас А. П., Шутилин С. В. AARI-IOCM – совместная модель циркуляции вод и льдов Северного Ледовитого океана // Проблемы Арктики и Антарктики. 2012. № 2. С. 6–18.
  3. Яковлев Н. Г. Воспроизведение крупномасштабного состояния вод и морского льда Северного Ледовитого океана в 1948–2002 гг. Часть 1: Численная модель и среднее состояние // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2009. Т. 45, № 3. С. 383–398.
  4. Завьялов Д. Д. Влияние фазового состава атмосферных осадков на сезонную эволюцию снежно-ледяного покрова в вершине Таганрогского залива // Морской гидрофизический журнал. 2020. Т. 36, № 2. С. 139–155. doi:10.22449/0233-7584-2020-2-139-155
  5. Завьялов Д. Д., Соломаха Т. А. Влияние снежного покрова на состояние морского льда в Таганрогском заливе // Метеорология и гидрология. 2019. № 1. С. 67–77.
  6. CICE: the Los Alamos Sea Ice Model. Documentation and Software User’s Manual. Version 5.1 LA-CC-06-012 / E. C. Hunke [et al.]. Los Alamos : Los Alamos National Laboratory, 2015. 116 p. URL: http://www.ccpo.odu.edu/~klinck/Reprints/PDF/cicedoc2015.pdf (date of access: 07.09.2021).
  7. Андреев О. М., Иванов Б. В. Параметризация радиационных процессов модели ледяного покрова // Метеорология и гидрология. 2001. № 2. С. 81–88.
  8. Андреев О. М., Иванов Б. В. Параметризация переноса коротковолновой солнечной радиации в снежно-ледяном покрове // Метеорология и гидрология. 2003. № 2. С. 54–58.
  9. Красс М. С., Мерзликин В. Г. Радиационная теплофизика снега и льда. Л. : Гидрометеоиздат, 1990. 260 с.
  10. Cheng B., Launiainen J. A one-dimensional thermodynamic air–ice–water model: technical and algorithm description report // MERI – Report Series of the Finnish Institute of Marine Research. Helsinki, Finland : Finnish Institute of Marine Research, 1998. No. 37. P. 15–35. URL: https://helda.helsinki.fi/bitstream/handle/10138/157940/Meri%20No%2037%201998%20OCR.pdf?sequence=1&isAllowed=y (date of access: 07.09.2021).
  11. Cheng B. On the numerical resolution in a thermodynamic sea-ice model // Journal of Glaciology. 2002. Vol. 48, iss. 161. P. 301–311. https://doi.org/10.3189/172756502781831449
  12. Snow and Climate: physical processes, surface energy exchange and modelling / R. L. Armstrong, E. Brun (eds.). Cambridge, U. K. : Cambridge University Press, 2008. 256 p.
  13. Кузьмин П. П. Физические свойства снежного покрова. Л. : Гидрометеоиздат, 1957. 179 с.
  14. Шмакин А. Б., Турков Д. В., Михайлов А. Ю. Модель снежного покрова с учетом слоистой структуры и ее сезонной эволюции // Криосфера Земли. 2009. Т. XIII, № 4. С. 69–79. URL: https://www.researchgate.net/publication/290857976_Model_of_snow_cover_with_inclusion_of_layered_structure_and_its_seasonal_evolution (дата обращения: 07.09.2021).
  15. A new snow thermodynamic scheme for large-scale sea-ice models / O. Lecomte [et al.] // Annals of Glaciology. 2011. Vol. 52, iss. 57. P. 337–346. https://doi.org/10.3189/172756411795931453
  16. Дашкевич Л. В., Немцева Л. Д., Бердников С. В. Оценка ледовитости Азовского моря в ХХI веке по спутниковым снимкам Terra/AquaModis и результатам математического моделирования // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2016. Т. 13, № 5. С. 91–100. doi:10.21046/2070-7401-2016-13-5-91-100
  17. Чикин А. Л., Чикина Л. Г. Моделирование процесса образования льда в Таганрогском заливе // Труды Южного научного центра РАН. 2020. Т. VIII. С. 61–64. doi:10.23885/1993-6621-2020-8-61-64
  18. Матишов Г. Г., Дашкевич Л. В., Кириллова Е. Э. Лед как индикатор изменения климата (на примере Баренцева и Азовского морей) // Наука Юга России. 2020. Т. 16, № 2. С. 27–40. doi:10.7868/S25000640200204
  19. Завьялов Д. Д. Воспроизведение сезонной эволюции толщины льда в северо-восточной части Азовского моря с использованием различных массивов метеорологических данных // Морской гидрофизический журнал. 2019. Т. 35, № 3. С. 273–286. doi:10.22449/0233-7584-2019-3-273-286
  20. Рывлин Ф. Я. Метод прогнозирования предела прочности ледяного покрова на изгиб // Проблемы Арктики и Антарктики. 1974. Вып. 45. С. 79–86.
  21. Ebert E. E., Curry J. A. An intermediate one-dimensional thermodynamic sea ice model for investigating ice-atmosphere interactions // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1993. Vol. 98, iss. C6. P. 10085–10109. https://doi.org/10.1029/93JC00656
  22. Осокин Н. И., Сосновский А. В., Чернов Р. А. Коэффициент теплопроводности снега и его изменчивость // Криосфера Земли. 2017. Т. XXI, № 3. С. 60–68. doi:10.21782/KZ1560-7496-2017-3(60-68)
  23. Perovich D. K. The optical properties of sea ice. Hanover, USA : U.S. Army Cold Regions Research and Engineering Laboratory, 1996. 25 p. (Monograph 96–1). URL: https://erdc-library.erdc.dren.mil/jspui/bitstream/11681/2648/1/CRREL-Mono-96-1.pdf (date of access: 07.09.2021).
  24. Jordan R. A one-dimensional temperature model for a snow cover. Technical documentation for SNTHERM.89. Hanover, USA : US Army Corps of Engineers, 1991. 62 p. (CRREL Special Report 91–16). URL: https://erdc-library.erdc.dren.mil/jspui/bitstream/11681/11677/1/SR-91-16.pdf (date of access: 07.09.2021).
  25. Grenfell T. C., Maykut G. A. The optical properties of ice and snow in the Arctic basin // Journal of Glaciology. 1977. Vol. 18, iss. 80. P. 445–463. https://doi.org/10.3189/S0022143000021122

Скачать статью в PDF-формате