Снежный покров и снежные лавины
УДК 551.578.46
Численное моделирование снежного покрова на о. Гукера (архипелаг Земля Франца-Иосифа)
© 2013 г. В.С. Сократов, |А.Б. Шмакйн]
Институт географии РАН, Москва vasilii@mac.com
Статья принята к печати 27марта 2013 г.
Арктика, метелевое испарение, модель тепловлагообмена, снежный покров.
Arctic, blizzard evaporation, heat-moisture-exchange model, snow cover.
Рассмотрены результаты численного воспроизведения характеристик снежного покрова с помощью модели тепловлагообмена SPONSOR. Эксперименты проводились для Земли Франца-Иосифа с типичным арктическим климатом. Установлено, что на территориях, где наблюдаются высокие скорости ветра, толщина снежного покрова в значительной степени связана с величиной метелевого испарения. Учёт этого параметра заметно улучшает качество расчётов численной модели. Некоторые расхождения между рассчитанными и реальными значениями толщины снежного покрова можно объяснить неточностями в измерениях осадков и погрешностями вычислений приходящей солнечной радиации. Последнее, в основном, объясняется невысокой точностью наблюдений за облачностью.
Введение
Один из современных, быстро развивающихся методов исследования сезонной динамики снежного покрова — численное моделирование. Во многих научных центрах, занимающихся численным моделированием климата и локального тепловлагообмена, разработаны процедуры, позволяющие достаточно детально воспроизводить сезонную динамику снежного покрова [9]. Как правило, снежный покров моделируется совместно с гидротермическим режимом почвы, нередко — с учётом сезонной динамики растительности. В наиболее современных моделях снежного покрова встроены процедуры выделения специфических слоёв снега (ледяные корки, глубинная изморозь и т.д.) и их эволюции в течение сезона. Значительным этапом в разработке проблем численного моделирования снежного покрова стал международный эксперимент по сравнению моделей снежного покрова SnowMIP [11, 14], в котором участвовали специалисты разных стран мира, ведущие работы в данном направлении.
В лаборатории климатологии Института географии РАН в течение ряда лет разрабатывалась численная модель тепловлагообмена на суше
SPONSOR, в состав которой входила и модель снежного покрова. Модель SPONSOR была представлена во всех важнейших международных проектах сравнения моделей такого класса, в том числе SnowMIP, PILPS и др. В последние годы эта модель была значительно усовершенствована путём введения процедур послойной эволюции с учётом сезонной динамики снежных кристаллов [8]. Модель тестировалась на ряде полигонов, где были получены достаточно хорошие результаты, однако предварительные эксперименты для условий Арктики показали, что здесь точность вычисления характеристик снежного покрова невысокая. Цель данной работы — улучшить качество воспроизведения характеристик снежного покрова моделью тепловлагообмена SPONSOR в условиях арктического ледникового купола. В распоряжении авторов были результаты почти двухлетних полевых измерений на ледниковом куполе Чурляниса (о. Гукера, Земля Франца-Иосифа), полученные сотрудниками Института географии АН СССР в период Международного геофизического года (МГГ) в 1957—1959 гг. Модель тестировалась с использованием данных метеорологических и снегомерных измерений, полученных на этом полигоне в период МГГ.
Характеристика модели SPONSOR
Взаимодействие снежного покрова с подстилающей почвой и атмосферой, а также с растительностью описывается с помощью численной модели те-пловлагообмена на суше SPONSOR, разработанной в лаборатории климатологии Института географии РАН. В модели SPONSOR предусматривается расчёт всех составляющих теплового и водного баланса на суше, а также переменных состояний, среди которых: эффективная температура поверхности ландшафта; температура почвы; её влагосодержание; количество замёрзшей воды в почве; альбедо и т.д. Все эти параметры рассчитываются на каждом шаге по времени. При работе с моделью требуется на каждом шаге задавать значения нескольких метеорологических переменных, например: температуры и влажности воздуха на высоте 2 м; скорости ветра на высоте датчика; интенсивности осадков; потоков приходящей коротко- и длинноволновой радиации; атмосферного давления. Для работы схемы необходимы значения ряда ландшафтных параметров, часть которых может иметь сезонный ход. Эти параметры в каждой ячейке суши жёстко связаны с типами растительности или почвы. Кроме того, задаются (в качестве нижних граничных условий по теплу и влаге) значения глубинной температуры грунта и глубины залегания грунтовых вод (для экспериментов по Земле Франца-Иосифа последний параметр не использовался). Число и толщина расчётных уровней в почве могут меняться. В данной работе использовалась семиуровенная версия. Особенности базовой версии модели тепловлагообмена SPONSOR (со старой, упрощенной версией схемы снежного покрова) изложены в работе [15].
Новая модель снежного покрова детально описана в работе [8], где дана характеристика процессов, которые вносят наибольший вклад в формирование теплофизических характеристик снега и важны для описания взаимодействия снежного покрова с атмосферой и почвой. К ним относятся: формирование нового слоя снега; изменение плотности слоёв снега вследствие вязкого и ветрового уплотнения; изменение температуры слоёв снега в результате теплообмена с атмосферой и почвой, поглощения солнечной радиации и фазовых переходов воды в толще снега; испарение; таяние; перенос талой воды и её вторичное замерзание; изменение влажности снега за счёт таяния и просачивания талой воды в толщу, а также в результате поглощения жидких осадков; изменение альбедо снега и свойств снега при смене типа слоёв. Отметим, что для определения изменений температуры важную
роль играет корректное описание изменяющейся теплопроводности и теплоёмкости снега.
Основная структурная единица модели снежного покрова — слой снега. Считается, что на каждом шаге по времени при наличии твёрдых осадков формируется отдельный слой снега с определёнными начальными свойствами. В дальнейшем, под воздействием различных процессов свойства слоя изменяются. При развитии снежной толщи соседние слои одного типа, близкие по свойствам, могут объединяться. При моделировании снежный покров рассматривается как многослойная среда, каждый слой которой характеризуется определёнными температурой, массой (водным эквивалентом), толщиной, плотностью, влажностью, фазовым состоянием содержащейся воды, теплоёмкостью, теплопроводностью и максимальной водоудерживающей способностью. Наряду с рассмотрением снежного покрова как набора слоёв, его можно изучать и как единый объект — колонка снега. Колонка описывает интегральные свойства снежного покрова в данной точке пространства и характеризуется, кроме физических свойств, ещё и определённым типом по какой-либо принятой классификации (например [16]).
Метелевое испарение по А.К. Дюнину
Предварительные эксперименты с данными, собранными на Земле Франца-Иосифа, позволили установить, что для улучшения качества воспроизведения моделью толщины снежного покрова необходимо вводить дополнительный параметр, отражающий вклад сильных ветров в режим снежного покрова арктического острова. Такой параметр впервые был введён в работах А.К. Дюнина, который занимался исследованиями метелей и влияния ветра на снежный покров. Параметр этот оказался актуален для исследуемой территории в связи с частыми сильными ветрами, и его вычисление было добавлено в структуру модели SPONSOR.
Использование формулы А.К. Дюнина значительно влияет на результат расчёта толщины снежного покрова. Для расчёта метелевого испарения он использовал следующее предположение [2]:
1м = QJL3,
где 1м — интенсивность метелевого испарения; Qн — транспортирующая способность метели; L3 — предельная дальность переноса снега.
Транспортирующая способность метели рассчитывается по формуле
QH =0,077(Уф - 5)3, (1)
где Уф — скорость ветра на высоте флюгера.
Величина L3 зависит от климата данной территории, т.е. она не может рассматриваться как универсальная [1]. По А.С. Чернявскому [7], для западной территории России она равна 1750 м, а для Западной Сибири — 2—3 км. В Арктике она колеблется от 5 до 10 км, в Антарктиде, по данным В.М. Котлякова [3], может составлять 10—20 км и более. В публикациях А.К. Дюнина не указана скорость ветра, начиная с которой можно применять формулу (1), хотя можно предположить, что такой порог — 5 м/с. Метелевое испарение означает подъём снежинок с поверхности земли и их испарение под действием ветра, т.е. обратно на поверхность над рассматриваемой территорией эти снежинки не падают. Мы приняли, что метелевое испарение начинается при скорости ветра более 5 м/с, причём при скорости ветра 7 м/с испаряется снег с плотностью не более 96 г/м3, а при скорости 26 м/с — не более 400 г/м3. В случае промежуточных значений скорости плотность испаряющегося снега возрастает по линейному закону. Ограничения по плотности испаряющегося снега объясняются тем, что иначе даже при не очень сильных ветрах в модели испарялась бы ветровая корка снега, что невозможно в принципе.
Для учёта метелевого испарения при моделировании снежного покрова существует также метод, предложенный в работе [10], однако его применение в модели SPONSOR при предварительном тестировании дало неудовлетворительные результаты — испарение снега выросло на очень незначительную величину, поэтому было решено использовать метод учёта метелевого испарения, основанный на подходе А.К. Дюнина. Трудности с применением метода из работы [10] связаны с многочисленными эмпирическими коэффициентами, входящими в соответствующее уравнение (11 коэффициентов!) и, очевидно, калиброванными для конкретных условий севера Канады. Вероятно, модель PIEKTUK [10] с соответствующей поправкой на метелевое испарение также могла быть использована для ледникового купола Чурляниса, однако для этого необходимы были длительные процедуры калибровки параметров и хорошее знание самой модели.
Численный эксперимент и результаты расчётов
Для сравнения рассчита
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.