научная статья по теме ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ВОД И МОРСКОГО ЛЬДА СЕВЕРНОГО ЛЕДОВИТОГО ОКЕАНА Геофизика

Текст научной статьи на тему «ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ВОД И МОРСКОГО ЛЬДА СЕВЕРНОГО ЛЕДОВИТОГО ОКЕАНА»

Лёд и Снег • 2015 • № 2 (130)

Морские, речные и озёрные льды

УДК 551.465.45 doi:10.15356/2076-6734-2015-2-81-92

Численное моделирование современного состояния вод и морского льда

Северного Ледовитого океана

© 2015 г. Е.Н. Голубева12, Г.А. Платов1, Д.Ф. Якшина1

1Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, Новосибирск;

2Новосибирский национальный исследовательский государственный университет

elen@ommfao.sscc.ru

Numerical simulations of the current state of waters and sea ice in the Arctic Ocean

E.N. Golubeva12, G.A. Platov1, D.F. Iakshina1

institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Novosibirsk;

Novosibirsk State University

Статья принята к печати 25марта 2015 г.

Арктика, атлантические воды, изменение климата, морской лёд, Северный Ледовитый океан, тихоокеанские воды, численное моделирование,

циркуляция вод.

Arctic Ocean, Atlantic waters, climate change, numerical modeling, ocean circulation, Pacific waters, sea ice.

В работе представлены результаты численного моделирования изменчивости площади морского льда и циркуляции вод Северного Ледовитого океана с использованием данных реанализа атмосферы. Результаты моделирования отражают реакцию океана на смену режимов циркуляции атмосферы, что проявляется в изменении траектории движения вод, поступающих в Арктический бассейн из Тихого и Атлантического океанов. Показано влияние тихоокеанских и атлантических вод на распределение и толщину арктического льда.

The paper presents results of numerical simulation of variability of the sea ice area and water circulation in the Arctic Ocean performed with use of the atmosphere reanalysis data for the period from middle of the last century to the present time. The model results reflect the ocean responses to changes of the atmosphere circulation regimes that manifests in changes of trajectories of waters coming into the Arctic Ocean from the Pacific and Atlantic oceans. The model results show influence of the Pacific and Atlantic waters on distribution and thickness of the Arctic ice.

Введение

В последние два десятилетия в климатической системе Земли происходят значительные изменения. На это указывает множество физических процессов, среди которых наиболее яркий — резкое сокращение в летний период площади Арктического морского льда. Объём многолетнего льда уменьшается, сезонный лёд начинает доминировать над многолетним [20]. По данным Национального центра обработки данных по изучению снега и льда в США (National Snow and Ice Data Center, далее NSIDC) в настоящее время абсолютный минимум площади льда в Северном Ледовитом океане составляет 3,41 млн км2 (сентябрь 2012 г.), что на 49% ниже среднего значения в 1979— 2000 гг. [33]. Определяющая роль в этом процессе отводится атмосфере в связи с регистрируемым повышением приземной температуры воздуха в полярных широтах и изменением цир-

куляционного режима, формирующего устойчивый вынос льда за пределы Арктического бассейна [3, 22]. Среди вероятных причин современного состояния ледяного покрова Северного Ледовитого океана рассматривается также усиление теплового воздействия поступающих в Арктический бассейн атлантических и тихоокеанских вод. В приатлантическом секторе доказательства влияния теплового воздействия атлантических вод на ледяной покров в западной части котловины Нансена получены на основе обработки данных гидрологических съёмок о температуре атлантических вод, сплочённости и толщине льда за период 1979—2011 гг. [17, 23]. В тихоокеанском секторе с 2001 по 2007 г. в два раза увеличился поток тепла, поступающий в океан через Берингов пролив. Оценки потока тепла для 2007 г. показали, что он сравним с потоком коротковолновой радиации в Чукотское море и способен растопить 30% общего объёма льда, растаявшего летом 2007 г. [32].

6 Лёд и Снег, № 2, 2015

Неоднозначность причинно-следственных связей в системе атмосфера—лёд—океан в Арктике требует более тщательного изучения климатических процессов для выявления физических механизмов, определяющих его состояние и изменчивость Северного Ледовитого океана. Основная проблема — труднодоступность океана, поэтому, несмотря на повышенный интерес к этому региону в последние двадцать лет, банк имеющихся данных не позволяет ответить на многие вопросы, касающиеся состояния и циркуляции вод, а также механизмов, их формирующих. Использование трёхмерных численных моделей динамики океана и морского льда даёт возможность воспроизвести пространственно-временную картину процессов. Однако тестирование моделей существенно ограничено ввиду отсутствия длительных рядов наблюдений.

К особенностям Северного Ледовитого океана можно отнести: малый бароклинный радиус деформации Россби (порядка 3—5 км); малый масштаб Райнса (также порядка 3—5 км на материковом склоне); наличие ледяного покрова; сочетание в одном регионе как сильно устойчивой стратификации в летний сезон (в связи с формированием тёплого и пресного верхнего слоя), так и неустойчивой стратификации с зонами глубокой конвекции, проникающей до дна. Всё это — причины, по которым Северный Ледовитый океан относится к области, чрезвычайно сложной для моделирования. Международный проект FAMOS (Forum for Arctic Modeling and Observational Synthesis, http:// www.whoi.edu/projects/famos) предусматривает разработку современных моделей океана на основе сравнения существующих моделей с имеющимися данными наблюдений и проведения координированных экспериментов. В настоящей работе приводятся результаты, отражающие изменчивость состояния морского льда и динамики вод Северного Ледовитого океана, полученные в результате численного моделирования, выполненного по протоколу FAMOS на основе региональной модели океана, а также северной и экваториальной Атлантики.

Постановка задачи

Термохалинная структура и циркуляция вод Северного Ледовитого океана формируются в результате воздействия внешних факторов и внутренних процессов. Среди внешних факто-

ров в качестве основных можно выделить термическое и динамическое взаимодействие с атмосферой, радиационные потоки, поступление в океан тёплых и солёных атлантических вод через пролив Фрама и Баренцево море и тихоокеанских вод через Берингов пролив, речной сток в арктические моря. Из внутренних физических процессов наиболее важны механизмы и явления, связанные с формированием и таянием льда, его динамикой, торошением, изменением альбедо, выносом льда и водных масс через пролив Фрама и проливы Канадского архипелага, а также конвективные, адвективные, турбулентные и диффузионные процессы в океане. Предполагается воспроизвести обозначенные процессы и их пространственно-временную изменчивость с помощью непрерывного расчёта на основе численной модели океана и морского льда, используя данные атмосферного реанали-за для оценки потоков на поверхности океана с 1948 г. по настоящее время. Данная работа представляет собой продолжение исследования [2], в котором подробно рассматривалась реакция Северного Ледовитого океана на вариации атмосферного воздействия в период с 1948 по 1995 г.

Численная модель

Для проведения численных экспериментов используется региональная численная модель океана и морского льда ИВМиМГ СО РАН (Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН). Океаническая модель [2, 13] основана на системе полных нелинейных уравнений гидротермодинамики океана, записанных в криволинейных ортогональных координатах. Используются приближения гидростатики и «твёрдой крышки». В модель включены следующие параметризации: изопик-нической диффузии тепла и соли [16]; мгновенного конвективного перемешивания на основе привлечения дополнительной модели верхнего квазиоднородного слоя океана; переноса аномалий плотной воды вдоль наклонного шельфа [6]. Для наглядности представления изменчивости циркуляции вод рассчитывается поле концентрации трассеров, распространяющихся от непрерывно действующих источников, где концентрация задаётся равной единице. Трассеры трактуются как пассивная примесь, распростра-

няющаяся системой течений и вовлекаемая в процесс конвективного перемешивания.

В качестве ледового блока модели используется модель CICE3, представляющая собой модификацию стандартной вязкопластической модели динамики льда [14, 15]. Толщина снежного покрова и льда вычисляется на основе термодинамической модели [10] для шести категорий льда и одной категории снега. Горизонтальный перенос льда осуществляется с помощью адвективной схемы полулагранжевого типа [21].

Область моделирования и численная сетка. В область моделирования входят Северный Ледовиты океан и северная часть Атлантического океана с экваториальной зоной, начиная с 20° ю.ш. При построении численной модели используется репроективная трёхполярная сетка, сопрягающаяся со сферической на 65° с.ш. Пространственное разрешение для Атлантики выбрано равным 0,5° х 0,5°, что обеспечивает разрешение в океане 15—25 км. Вертикальное разрешение модели — 38 горизонтов, при этом в поверхностном слое шаг сетки по вертикали составляет 5 м.

Начальные данные и граничные условия. Начальные распределения полей температуры и солёности соответствуют климатическим данным РНС (Polar science center Hydrographic Climatology) [28] для зимы. На поверхности океана потоки тепла, пресной воды и импульса определялись на основе использования данных атмосферного реанали-за CORE2 [34]. Граничные условия на дне не допускают потоков тепла и соли через эти границы, локальное трение о дно пропорционально квадрату придонной скорости. На «твёрдой» береговой границе ставятся условия отсутствия потока тепла и соли, а также условие равенства нулю горизонтальной составляющей движения. В области Берингова пролива задаётся баротропный поток из Тихого океана среднемесячной температуры и солёности [28] в период с 1948 по 2003 г. Среднегодовой расход потока 0,8 Св. В последующий период использовались данные из работы [32]. Граничные условия для притока пресной воды рек задаются согласно имеющимся данным о среднеклиматиче-ском сезонном изменени

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Геофизика»