Особенности параметризации турбулентного взаимодействия с подстилающей поверхностью в региональной термодинамической модели морского льда

Д. Д. Завьялов✉, Т. А. Соломаха

Морской гидрофизический институт РАН, Севастополь, Россия

✉ e-mail: zavyalov.dd@mhi-ras.ru

Аннотация

Цель. Оценить влияние выбора вида параметризации турбулентного теплообмена на границе океан – атмосфера на основные характеристики ледового режима в вершине Таганрогского залива – цель настоящей работы.

Методы и результаты. Исследование термической сезонной динамики толщины снежно-ледяного покрова проведено с помощью нестационарной термодинамической модели морского льда. В основе алгоритма определения турбулентных потоков импульса, явного и скрытого тепла в региональной модели морского льда лежит полуэмпирическая теория Монина – Обухова. Численные эксперименты проведены для зимних сезонов 2007/08 и 2017/18 годов, метеорологические условия которых существенно различаются. В расчетах применялись как постоянные коэффициенты сопротивления, тепло- и влагообмена, так и полученные с учетом стратификации приземного слоя атмосферы и шероховатости подстилающей поверхности. При реализации устойчивой стратификации использовались три различных выражения для определения функций устойчивости импульса, тепла и влаги. Численное решение уравнений теории подобия основывается на полуэмпирической зависимости коэффициентов турбулентного обмена от объемного числа Ричардсона, что позволяет избежать итерационного процесса. Проведен анализ результатов моделирования и выявлены особенности применения вида параметризации при численном воспроизведении сезонного хода толщины снежно-ледяного покрова.

Выводы. Показано, что при условии продолжительных холодов и наличии ледяного покрова в течение почти всего сезона выбор какого-либо из рассмотренных видов параметризации турбулентного взаимодействия с подстилающей поверхностью не вносит существенных различий в определение максимальной сезонной толщины льда, а также дат замерзания и очищения. Однако при условиях крайней неустойчивости снежно-ледяного покрова зависимость результатов моделирования от способа определения коэффициентов турбулентного обмена может быть весьма заметной. Наиболее удовлетворительные результаты воспроизведения сезонных изменений толщины ледяного покрова найдены при использовании как постоянных коэффициентов турбулентного обмена CH = СE ≈ 1,7·10–3, так и коэффициентов, полученных с учетом стратификации атмосферы при значении геометрической шероховатости льда 8–10 см.

Ключевые слова

теория Монина – Обухова, параметризация, турбулентные потоки, морской лед

Благодарности

Работа выполнена в рамках темы государственного задания FNNN-2021-0004 «Океанологические процессы».

Для цитирования

Завьялов Д. Д., Соломаха Т. А. Особенности параметризации турбулентного взаимодействия с подстилающей поверхностью в региональной термодинамической модели морского льда // Морской гидрофизический журнал. 2023. Т. 39, № 4. С. 421–434. EDN KONRCG.

Zavyalov, D.D. and Solomakha, T.A., 2023. Features of Parameterizing Turbulent Interaction with Underlying Surface in the Regional Thermodynamic Model of Sea Ice. Physical Oceanography, 30(4), pp. 385-397.

Список литературы

  1. Монин А. С., Обухов А. М. Основные закономерности турбулентного перемешивания в приземном слое атмосферы // Труды геофизического института АН СССР. 1954. № 24(151). С. 163–187.
  2. Завьялов Д. Д., Соломаха Т. А. Влияние дискретизации термодинамической модели на воспроизведение эволюции толщины льда в Азовском море // Метеорология и гидрология. 2021. № 7. С. 79–89.
  3. 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. https://doi.org/10.22449/0233-7584-2021-5-538-553
  4. Smith S. D. Wind Stress and Heat Flux over the Ocean in Gale Force Winds // Journal of Physical Oceanography. 1980. Vol. 10, iss. 5. P. 709–726. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1980)010%3С0709:WSAHFO%3E2.0.CO;2
  5. Banke E. G., Smith S. D., Anderson R. J. Drag coefficients at AIDJEX from sonic anemometer measurements // Sea Ice Processes and Models. Seattle : University of Washington Press, 1980. P. 430–442.
  6. Zilitinkevich S. S., Grachev A. A., Fairall C. W. Scaling reasoning and field data on the sea surface roughness lengths for scalars // Journal of the Atmospheric Sciences. 2001. Vol. 58, iss. 3. P. 320–325. doi:10.1175/1520-0469(2001)058<0320:NACRAF<2.0.CO;2
  7. Andreas E. L. A theory for the scalar roughness and the scalar transfer coefficients over snow and sea ice // Boundary-Layer Meteorology. 1987. Vol. 38, iss. 1–2. P. 159–184. https://doi.org/10.1007/BF00121562
  8. Launiainen J. Derivation of the relationship between the Obukhov stability parameter and the bulk Richardson number for flux-profile studies // Boundary-Layer Meteorology. 1995. Vol. 76, iss 1–2. P. 165–179. https://doi.org/10.1007/BF00710895
  9. An Improved Approach for Parameterizing Surface-Layer Turbulent Transfer Coefficients in Numerical Models / Y. Li [et al.] // Boundary-Layer Meteorology. 2010. Vol. 137, iss. 1. P. 153–165. https://doi.org/10.1007/s10546-010-9523-y
  10. Högström U. Non-dimensional wind and temperature profiles in the atmospheric surface layer: A re-evaluation // Boundary-Layer Meteorology. 1988. Vol. 42, iss. 1–2. P. 55–78. https://doi.org/10.1007/BF00119875
  11. Beljaars A. C. M., Holtslag A. A. M. Flux Parameterization over Land Surfaces for Atmospheric Models // Journal of Applied Meteorology and Climatology. 1991. Vol. 30, iss. 3. P. 327–341. https://doi.org/10.1175/1520-0450(1991)0300327:FPOLSF2.0.CO;2
  12. Cheng Y., Brutsaert W. Flux-profile Relationships for Wind Speed and Temperature in the Stable Atmospheric Boundary Layer // Boundary-Layer Meteorology. 2005. Vol. 114, iss. 3. P. 519–538. doi:10.1007/s10546-004-1425-4
  13. SHEBA flux-profile relationships in the stable atmospheric boundary layer / A. A. Grachev [et al.] // Boundary-Layer Meteorology. 2007. Vol. 124, iss. 3. P. 315–333. doi:10.1007/s10546-007-9177-6

Скачать статью в PDF-формате