Морской гидрофизический журнал. 2023; 39: 5-20
Баланс энергии в полярном мезоциклоне над Баренцевым морем
https://doi.org/10.29039/0233-7584-2023-1-5-20Аннотация
Цель работы – исследовать влияние морского ледового покрова на интенсивность полярного мезомасштабного циклона, существовавшего 15–16 марта 2021 г. над Баренцевым морем.
Методы и результаты. Для численного исследования циклона использовалась полярная версия мезомасштабной модели WRF. Проведен численный эксперимент, в котором морской лед в расчетной области заменили водой с температурой 271,46 К. Чтобы выявить основные факторы усиления полярного мезомасштабного циклона, использовали уравнение баланса средней по пространству кинетической энергии циклона. Рассмотрены основные составляющие уравнения баланса кинетической энергии: работа силы, обусловленной радиальным градиентом давления, Fpres, влияние адвекции и работа инерционных сил Adv, а также работа силы турбулентного трения Ffric. Получено, что удаление морского льда из расчетной области привело к уменьшению интенсивности полярного мезомасштабного циклона. Проведено количественное сравнение величин Fpres, Adv и Ffric в основном расчете и в эксперименте и показано, что уменьшение интенсивности произошло в основном в результате уменьшения Fpres и Adv.
Выводы. Уменьшение Fpres является следствием того, что в основном расчете северная часть полярного мезомасштабного циклона располагалась над морским льдом и температура приповерхностного воздуха в этой части была на 25–30 С ниже, чем в южной. Удаление морского льда привело к увеличению приповерхностной температуры воздуха на периферии циклона и уменьшению приповерхностного перепада давления между центром и периферией вихря. Уменьшение Adv связано с деформацией циклона в эксперименте, вследствие чего произошло увеличение пульсационной составляющей азимутальной и радиальной скорости. Оба этих фактора и привели к понижению интенсивности полярного мезомасштабного циклона в эксперименте.
Список литературы
1. Rasmussen E., Turner J. Polar lows: Mesoscale Weather Systems in the Polar Regions. Cambridge : Cambridge University Press, 2003. 612 p. https://doi.org/10.1017/CBO9780511524974
2. 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. https://doi.org/10.3402/tellusa.v67.24660
3. Characteristics of cold-air outbreak events and associated polar mesoscale cyclogenesis over the North Atlantic Region / A. Terpstra [et al.] // Journal of Climate. 2021. Vol. 34, iss. 11. P. 4567–4584. doi:10.1175/JCLI-D-20-0595.1
4. Kolstad E. W. A global climatology of favourable conditions for polar lows // Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. 2011. Vol. 137, iss. 660. P. 1749–1761. doi:10.1002/qj.888
5. Stoll P. J. A global climatology of polar lows investigated for local differences and wind-shear environments // Weather and Climate Dynamics. 2022. Vol. 3, iss. 2. P. 483–504. https://doi.org/10.5194/wcd-3-483-2022
6. Michel C., Terpstra A., Spengler T. Polar mesoscale cyclone climatology for the Nordic Seas based on the ERA-Interim // Journal of Climate. 2018. Vol. 31, iss. 6. P. 2511–2532. https://doi.org/10.1175/JCLI-D-16-0890.1
7. 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
8. Sergeev D., Renfrew I. A., Spengler T. Modification of polar low development by orography and sea ice // Monthly Weather Review. 2018. Vol. 146, iss. 10. P. 3325–3341. doi:10.1175/MWR-D-18-0086.1
9. Adakudlu M., Barstad I. Impacts of the ice-cover and sea-surface temperature on a polar low over the Nordic seas: a numerical case study // Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. 2011. Vol. 137, iss. 660. P. 1716–1730. doi:10.1002/qj.856
10. Zabolotskikh E. V., Gurvich I. A., Chapron B. New areas of polar lows over the Arctic as a result of the decrease in sea ice extent // Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2015. Vol. 51, iss. 9. P. 1021–1033. EDN WTNEGF. doi:10.1134/S0001433815090200
11. Гурвич И. А., Заболотских Е. В., Пичугин М. К. Особенности мезомасштабного циклогенеза над восточным сектором Евразийской Арктики // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2016. Т. 13, № 5. С. 227–237. EDN XAEWWX. doi:10.21046/2070-7401-2016-13-5-227-237
12. Яровая Д. А., Ефимов В. В. Численные эксперименты по чувствительности полярного мезоциклона над Баренцевым морем к источникам тепла // Морской гидрофизический журнал. 2020. Т. 36, № 3. С. 243–260. doi:10.22449/0233-7584-2020-3-243-260
13. 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. Т. 17, № 1. С. 223–233. EDN GYWGNW. doi:10.21046/2070-7401-2020-17-1-223-233
14. Яровая Д. А., Ефимов В. В. Развитие мезомасштабного циклона 1–3 сентября 2015 г. по спутниковым данным и результатам численного моделирования // Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. 2020. Т. 56, № 6. С. 626–637. EDN JBEQFW. doi:10.31857/S0002351520060115.
15. Smith R. K., Montgomery M. T., Kilroy G. The generation of kinetic energy in tropical cyclones revisited // Quarterly Journal of the Royal Meterolorological Society. 2018. Vol. 144, iss. 717. P. 2481–2490. https://doi.org/10.1002/qj.3332
16. Roles of an upper-level cold vortex and low-level baroclinicity in the development of polar lows over the Sea of Japan / U. Shimada [et al.] // Tellus A: Dynamic Meteorology and Oceanography. 2014. Vol. 66, iss. 1. 24694. doi:10.3402/tellusa.v66.24694
17. Kinetic energy budget during the genesis period of Tropical Cyclone Durian (2001) in the South China Sea / Y. Wang [et al.] // Monthly Weather Review. 2016. Vol. 144, iss. 8. P. 2831–2854. https://doi.org/10.1175/MWR-D-15-0042.1
18. Hong S., Noh Y., Dudhia J. A new vertical diffusion package with an explicit treatment of entrainment processes // Monthly Weather Review. 2006. Vol. 134, iss. 9. P. 2318–2341. https://doi.org/10.1175/MWR3199.1
Morskoy Gidrofizicheskiy Zhurnal. 2023; 39: 5-20
Energy Balance in the Polar Mesoscale Cyclone over the Barents Sea
https://doi.org/10.29039/0233-7584-2023-1-5-20Abstract
The purpose of the paper is to study the effect of sea ice cover on the intensity of the polar mesoscale cyclone that took place on March 15–16, 2021 over the Barents Sea.
Methods and Results. To study the cyclone numerically, the polar version of the mesoscale WRF model was used. In the performed numerical experiment, the sea ice in the computational domain was replaced by water the temperature of which was 271.46 K. To identify the main factors amplifying the polar mesoscale cyclone, the balance equation for the space-average cyclone kinetic energy was applied. The basic components of the kinetic energy balance equation were considered: the work of pressure gradient force, Fpres, the advection effect and the work of inertial forces Adv, and also the work of turbulent friction force Ffric. It was found that the removal of sea ice from the computational domain had resulted in a decrease of the polar mesoscale cyclone intensity. The values of Fpres, Adv and Ffric in the main calculation were quantitatively compared to those in the experiment, and it was shown that the intensity decrease had become mainly a result of a decrease in Fpres and Adv.
Conclusions. Decrease of Fpres is a consequence of the fact that in the control run, the northern part of the polar mesoscale cyclone was located above the sea ice, and the surface air temperature in this part was 25–30 ℃ lower than in the southern one. The removal of sea ice led to an increase in surface air temperature at the cyclone periphery and to a decrease in the surface pressure drop between the vortex center and periphery. The Adv decrease is related to deformation of the cyclone in the experiment, which resulted in increase in the fluctuating component of the azimuthal and radial velocities. Both of these factors have led to a decrease of the polar mesoscale cyclone intensity in the experiment.
References
1. Rasmussen E., Turner J. Polar lows: Mesoscale Weather Systems in the Polar Regions. Cambridge : Cambridge University Press, 2003. 612 p. https://doi.org/10.1017/CBO9780511524974
2. 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. https://doi.org/10.3402/tellusa.v67.24660
3. Characteristics of cold-air outbreak events and associated polar mesoscale cyclogenesis over the North Atlantic Region / A. Terpstra [et al.] // Journal of Climate. 2021. Vol. 34, iss. 11. P. 4567–4584. doi:10.1175/JCLI-D-20-0595.1
4. Kolstad E. W. A global climatology of favourable conditions for polar lows // Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. 2011. Vol. 137, iss. 660. P. 1749–1761. doi:10.1002/qj.888
5. Stoll P. J. A global climatology of polar lows investigated for local differences and wind-shear environments // Weather and Climate Dynamics. 2022. Vol. 3, iss. 2. P. 483–504. https://doi.org/10.5194/wcd-3-483-2022
6. Michel C., Terpstra A., Spengler T. Polar mesoscale cyclone climatology for the Nordic Seas based on the ERA-Interim // Journal of Climate. 2018. Vol. 31, iss. 6. P. 2511–2532. https://doi.org/10.1175/JCLI-D-16-0890.1
7. 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
8. Sergeev D., Renfrew I. A., Spengler T. Modification of polar low development by orography and sea ice // Monthly Weather Review. 2018. Vol. 146, iss. 10. P. 3325–3341. doi:10.1175/MWR-D-18-0086.1
9. Adakudlu M., Barstad I. Impacts of the ice-cover and sea-surface temperature on a polar low over the Nordic seas: a numerical case study // Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. 2011. Vol. 137, iss. 660. P. 1716–1730. doi:10.1002/qj.856
10. Zabolotskikh E. V., Gurvich I. A., Chapron B. New areas of polar lows over the Arctic as a result of the decrease in sea ice extent // Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2015. Vol. 51, iss. 9. P. 1021–1033. EDN WTNEGF. doi:10.1134/S0001433815090200
11. Gurvich I. A., Zabolotskikh E. V., Pichugin M. K. Osobennosti mezomasshtabnogo tsiklogeneza nad vostochnym sektorom Evraziiskoi Arktiki // Sovremennye problemy distantsionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa. 2016. T. 13, № 5. S. 227–237. EDN XAEWWX. doi:10.21046/2070-7401-2016-13-5-227-237
12. Yarovaya D. A., Efimov V. V. Chislennye eksperimenty po chuvstvitel'nosti polyarnogo mezotsiklona nad Barentsevym morem k istochnikam tepla // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2020. T. 36, № 3. S. 243–260. doi:10.22449/0233-7584-2020-3-243-260
13. Efimov V. V., Yarovaya D. A., Komarovskaya O. I. Mezomasshtabnyi polyarnyi tsiklon po sputnikovym dannym i rezul'tatam chislennogo modelirovaniya // Sovremennye problemy distantsionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa. 2020. T. 17, № 1. S. 223–233. EDN GYWGNW. doi:10.21046/2070-7401-2020-17-1-223-233
14. Yarovaya D. A., Efimov V. V. Razvitie mezomasshtabnogo tsiklona 1–3 sentyabrya 2015 g. po sputnikovym dannym i rezul'tatam chislennogo modelirovaniya // Izvestiya Rossiiskoi akademii nauk. Fizika atmosfery i okeana. 2020. T. 56, № 6. S. 626–637. EDN JBEQFW. doi:10.31857/S0002351520060115.
15. Smith R. K., Montgomery M. T., Kilroy G. The generation of kinetic energy in tropical cyclones revisited // Quarterly Journal of the Royal Meterolorological Society. 2018. Vol. 144, iss. 717. P. 2481–2490. https://doi.org/10.1002/qj.3332
16. Roles of an upper-level cold vortex and low-level baroclinicity in the development of polar lows over the Sea of Japan / U. Shimada [et al.] // Tellus A: Dynamic Meteorology and Oceanography. 2014. Vol. 66, iss. 1. 24694. doi:10.3402/tellusa.v66.24694
17. Kinetic energy budget during the genesis period of Tropical Cyclone Durian (2001) in the South China Sea / Y. Wang [et al.] // Monthly Weather Review. 2016. Vol. 144, iss. 8. P. 2831–2854. https://doi.org/10.1175/MWR-D-15-0042.1
18. Hong S., Noh Y., Dudhia J. A new vertical diffusion package with an explicit treatment of entrainment processes // Monthly Weather Review. 2006. Vol. 134, iss. 9. P. 2318–2341. https://doi.org/10.1175/MWR3199.1
