Морской гидрофизический журнал. 2023; 39: 421-434
Особенности параметризации турбулентного взаимодействия с подстилающей поверхностью в региональной термодинамической модели морского льда
https://doi.org/10.22449/0233-7584-2023-4-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.
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. doi: 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. doi: 10.1175/1520-0485(1980)010<0709:WSAHFO>2.0.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. doi: 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. doi: 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. doi: 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. doi: 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. doi: 10.1175/1520-0450(1991)030<0327:FPOLSF>2.0.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
Morskoy Gidrofizicheskiy Zhurnal. 2023; 39: 421-434
Features of Parameterizing Turbulent Interaction with Underlying Surface in the Regional Thermodynamic Model of Sea Ice
https://doi.org/10.22449/0233-7584-2023-4-Abstract
Purpose. The study is aimed at assessing the impact of choice of parameterizing the turbulent heat transfer at the ocean – atmosphere boundary upon the basic characteristics of ice regime in the Taganrog Bay apex.
Methods and Results. Thermal seasonal dynamics of the snow-ice cover thickness was studied using the non-stationary thermodynamic model of sea ice. The algorithm for defining the turbulent fluxes of momentum, sensible and latent heat in the sea ice regional model is based on the Monin – Obukhov similarity theory. The numerical experiments were performed for the winter seasons of 2007–2008 and 2017–2018, the meteorological conditions of which differed significantly. The transfer coefficients were determined both as the constant values, and as those depending on the atmosphere stratification and the aerodynamic roughness of underlying surface. Implementing stable stratification implied application of three different expressions for determining the stability functions. To avoid the iteration process required for numerical solving the equations of the Monin – Obukhov similarity theory, the transfer coefficient parameterizations based on the approach relating these coefficients to the bulk Richardson number, were used in the model. Having been analyzed, the results of simulating the evolution of seasonal snow-ice thickness permitted to reveal the features in applying the parameterization of turbulent fluxes.
Conclusions. It is shown that the type of parameterizing the turbulent fluxes for the winters characterized by stable frosty weather and ice cover, does not impact significantly the basic elements of ice regime in the Taganrog Bay apex. However, in case the snow-ice cover is highly unstable during a season, the simulation results significantly depend on the method of determining the turbulent transfer coefficients. The best results in reconstructing the seasonal changes in ice cover thickness were obtained when using both the constant coefficients of turbulent transfer CH = CE equal to ≈ 1.7·10-3 and those depending on the atmosphere stratification at the ice geometric roughness equal to 8–10 cm.
References
1. Monin A. S., Obukhov A. M. Osnovnye zakonomernosti turbulentnogo peremeshivaniya v prizemnom sloe atmosfery // Trudy geofizicheskogo instituta AN SSSR. 1954. № 24(151). S. 163–187.
2. Zav'yalov D. D., Solomakha T. A. Vliyanie diskretizatsii termodinamicheskoi modeli na vosproizvedenie evolyutsii tolshchiny l'da v Azovskom more // Meteorologiya i gidrologiya. 2021. № 7. S. 79–89.
3. Zav'yalov D. D., Solomakha T. A. Parametrizatsiya pogloshcheniya solnechnoi radiatsii snezhno-ledyanym pokrovom v termodinamicheskoi modeli l'da Azovskogo morya // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2021. T. 37, № 5. S. 538–553. doi: 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. doi: 10.1175/1520-0485(1980)010<0709:WSAHFO>2.0.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. doi: 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. doi: 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. doi: 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. doi: 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. doi: 10.1175/1520-0450(1991)030<0327:FPOLSF>2.0.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
