Морской гидрофизический журнал. 2021; 37: 538-553
Параметризация поглощения солнечной радиации снежно-ледяным покровом в термодинамической модели льда Азовского моря
https://doi.org/10.22449/0233-7584-2021-5-538-553Аннотация
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.
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
Morskoy Gidrofizicheskiy Zhurnal. 2021; 37: 538-553
Parameterization of Solar Radiation Absorption by Snow-Ice Cover in the Thermodynamic Sea Ice Model of the Sea of Azov
https://doi.org/10.22449/0233-7584-2021-5-538-553Abstract
Purpose. The work is aimed at assessing the influence of choice of the parameterization scheme of the snow and ice radiation features upon reproduction of seasonal evolution of the snow-ice cover thickness and temperature distribution in it in the Taganrog Bay top part.
Methods and Results. Thermal seasonal dynamics of the snow-ice cover thickness in the northeastern part of the Taganrog Bay was studied using a non-stationary thermodynamic model of sea ice. The model reproduces formation of ice and accumulation of snow on its surface, spatial-temporal change in their thermophysical characteristics, melting of the snow-ice cover, vertical distribution of temperature, and solar radiation absorbed in its thickness at a preset timed data on the meteorological parameters. In the numerical solution of the heat conductivity equation for snow and ice including a radiation source, a computational grid permitting to maintain spatial resolution of the temperature profiles in the snowice cover during its melting and growth was applied. Two variants of parameterization of solar radiation transfer in the sea ice were considered. The first version assumed exponential decay of radiation with the constant transmittance and attenuation coefficients. In the second one, a two-layer scheme of the solar radiation penetration into ice was used; it simulated the near-surface transition layer. Attenuation of intensity of solar radiation in the snow thickness was described by the Bouguer – Lambert law with the attenuation coefficient both as independent of the snow thermophysical characteristics and as represented by the function of its density. The numerical experiments with the purpose to reproduce seasonal evolution of the snow-ice cover thickness and its vertical temperature profile in the Taganrog Bay top part were performed for the winter season, 2016/17. Comparative analysis of the simulation results and the sea ice thickness values taken from the ESIMO ice maps made it possible to choose a combination of the model parameters that provides the best correspondence between the calculated and actual values.
Conclusions. It is shown that in reproducing the seasonal changes in the ice cover thickness in the Taganrog Bay top part in winter, 2016/17, the choice of the transmittance and attenuation coefficients for white ice represented by the cloudiness functions, on the one hand, and the thickness of the layer with the most intense absorption of short-wave radiation ∼ 4 cm, on the other, turned out to be the most justified.
References
1. Klyachkin S. V., Guzenko R. B., Mai R. I. Chislennaya model' evolyutsii ledyanogo pokrova arkticheskikh morei dlya operativnogo prognozirovaniya // Led i cneg.·2015.·T. 55, № 3. S. 83–96. doi:10.15356/2076-6734-2015-3-83-96
2. Kulakov M. Yu., Makshtas A. P., Shutilin S. V. AARI-IOCM – sovmestnaya model' tsirkulyatsii vod i l'dov Severnogo Ledovitogo okeana // Problemy Arktiki i Antarktiki. 2012. № 2. S. 6–18.
3. Yakovlev N. G. Vosproizvedenie krupnomasshtabnogo sostoyaniya vod i morskogo l'da Severnogo Ledovitogo okeana v 1948–2002 gg. Chast' 1: Chislennaya model' i srednee sostoyanie // Izvestiya RAN. Fizika atmosfery i okeana. 2009. T. 45, № 3. S. 383–398.
4. Zav'yalov D. D. Vliyanie fazovogo sostava atmosfernykh osadkov na sezonnuyu evolyutsiyu snezhno-ledyanogo pokrova v vershine Taganrogskogo zaliva // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2020. T. 36, № 2. S. 139–155. doi:10.22449/0233-7584-2020-2-139-155
5. Zav'yalov D. D., Solomakha T. A. Vliyanie snezhnogo pokrova na sostoyanie morskogo l'da v Taganrogskom zalive // Meteorologiya i gidrologiya. 2019. № 1. S. 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. Andreev O. M., Ivanov B. V. Parametrizatsiya radiatsionnykh protsessov modeli ledyanogo pokrova // Meteorologiya i gidrologiya. 2001. № 2. S. 81–88.
8. Andreev O. M., Ivanov B. V. Parametrizatsiya perenosa korotkovolnovoi solnechnoi radiatsii v snezhno-ledyanom pokrove // Meteorologiya i gidrologiya. 2003. № 2. S. 54–58.
9. Krass M. S., Merzlikin V. G. Radiatsionnaya teplofizika snega i l'da. L. : Gidrometeoizdat, 1990. 260 s.
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. Kuz'min P. P. Fizicheskie svoistva snezhnogo pokrova. L. : Gidrometeoizdat, 1957. 179 s.
14. Shmakin A. B., Turkov D. V., Mikhailov A. Yu. Model' snezhnogo pokrova s uchetom sloistoi struktury i ee sezonnoi evolyutsii // Kriosfera Zemli. 2009. T. XIII, № 4. S. 69–79. URL: https://www.researchgate.net/publication/290857976_Model_of_snow_cover_with_inclusion_of_layered_structure_and_its_seasonal_evolution (data obrashcheniya: 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. Dashkevich L. V., Nemtseva L. D., Berdnikov S. V. Otsenka ledovitosti Azovskogo morya v KhKhI veke po sputnikovym snimkam Terra/AquaModis i rezul'tatam matematicheskogo modelirovaniya // Sovremennye problemy distantsionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa. 2016. T. 13, № 5. S. 91–100. doi:10.21046/2070-7401-2016-13-5-91-100
17. Chikin A. L., Chikina L. G. Modelirovanie protsessa obrazovaniya l'da v Taganrogskom zalive // Trudy Yuzhnogo nauchnogo tsentra RAN. 2020. T. VIII. S. 61–64. doi:10.23885/1993-6621-2020-8-61-64
18. Matishov G. G., Dashkevich L. V., Kirillova E. E. Led kak indikator izmeneniya klimata (na primere Barentseva i Azovskogo morei) // Nauka Yuga Rossii. 2020. T. 16, № 2. S. 27–40. doi:10.7868/S25000640200204
19. Zav'yalov D. D. Vosproizvedenie sezonnoi evolyutsii tolshchiny l'da v severo-vostochnoi chasti Azovskogo morya s ispol'zovaniem razlichnykh massivov meteorologicheskikh dannykh // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2019. T. 35, № 3. S. 273–286. doi:10.22449/0233-7584-2019-3-273-286
20. Ryvlin F. Ya. Metod prognozirovaniya predela prochnosti ledyanogo pokrova na izgib // Problemy Arktiki i Antarktiki. 1974. Vyp. 45. S. 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. Osokin N. I., Sosnovskii A. V., Chernov R. A. Koeffitsient teploprovodnosti snega i ego izmenchivost' // Kriosfera Zemli. 2017. T. XXI, № 3. S. 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
