ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2009, том 45, № 4, с. 513-530
УДК 551.465.41
ВОССТАНОВЛЕНИЕ КРУПНОМАСШТАБНОГО СОСТОЯНИЯ ВОД И МОРСКОГО ЛЬДА СЕВЕРНОГО ЛЕДОВИТОГО ОКЕАНА В 1948-2002 гг. ЧАСТЬ 2: СОСТОЯНИЕ ЛЕДОВОГО И СНЕЖНОГО ПОКРОВА*
© 2009 г. Н. Г. Яковлев
Институт вычислительной математики РАН 119991 Москва, ул. Губкина, 8 E-mail: iakovlev@inm.ras.ru Поступила в редакцию 29.01.2008 г., после доработки 14.10.2008 г.
Представлены результаты восстановления состояния ледового и снежного покровов Северного Ледовитого океана за период 1948-2002 гг., полученные с посмощью совместной модели циркуляции океана и эволюции морского льда. Рассматривается область Северной Атлантики и Северного Ледовитого океана к северу от 65° N, без учета Гудзонова залива. Анализируются среднемесячные площади льда и площади области, занятой морским льдом. Тренды этих площадей рассчитываются отдельно по периодам 1970-1979, 1979-1990 и 1990-2002 гг. Наблюдается систематическое небольшое занижение моделью площади, занятой льдом. Оценка показывает, что такая ошибка соответствует ошибке в 100 км в определении положения кромки льда, т.е порядка разрешения модели. Отмечается, что летом модель не воспроизводит многочисленные полыньи, отмечаемые в наблюдениях: по данным наблюдений в центральной части СЛО сплоченность составляет порядка 0.8, модель дает порядка 0.99. Средний тренд за период 1960-2002 гг. составляет для области распространения льда -13931 км2/год, или примерно 2% за декаду, площадь льда имеет тренд -17643 км2/год, или 3% за декаду. Это примерно в 3 раза меньше данных, полученных со спутников. Рассчитанная толщина льда в конце зимы колеблется от 3.5 до 4.8 м, выделяются периоды толстого льда (60-70-е годы) и относительно тонкого льда (80-е годы), начиная с 1995 г. толщина льда быстро уменьшается. Максимальное накопление льда отмечается в 1977 и 1988 г, при этом средний тренд отрицательный -121 км3/год (или 5.5% за декаду). В 1996-2002 гг. среднее изменение толщины льда составило +1.7 см/год. Это говорит о том, что в это время шло относительно быстрое исчезновение тонких фракций льда. Модель дает также некоторое снижение массы снега с трендом -2.5 км3/год (это примерно 0.35 мм снега в год, или 0.1 мм жидкой воды в год). Анализ среднемесячной скорости дрейфа льда говорит о хорошем качестве модели. Приводятся данные по средней скорости дрейфа и сравнение результатов расчетов со спутниковыми данными в конкретные месяцы. Сравнение с данными наблюдений за 1990-1996 гг. в проливе Фрама показывает, что модель дает среднюю за период толщину льда 3.28 м против примерно 3.26 м. За тот же период модель дает среднемесячный перенос 291.29 км3, в сравнении с 237.17 км3, полученными по наблюдениям. Сравнение измеренных и рассчитанных скоростей дрейфа в проливе Фрама показывает, что модель дает среднюю скорость дрейфа порядка 9.78 см/с, что сравнимо с измеренными 10.2 см/с. Отмечаются проблемы с описанием перераспределения льда по градациям толщины, что иллюстрируется сравнением с данными по толщине льда в проливе Фрама.
1. ВВЕДЕНИЕ
Состояние снежного и ледового покровов Северной полярной области является одним из наиболее очевидных индикаторов процессов изменения глобального климата. Одним из ключевых вопросов, стоящих в настоящее время перед мировой наукой, можно считать вопрос: "Наступит ли в обозримом будущем такое состояние климатической системы Земли, когда летом Северный Ледовитый океан будет полностью свободен ото льда?". Тот или иной
* Яковлев Н.Г. Воспроизведение крупномасштабного состояния вод и морского льда Северного Ледовитого океана в 1948-2002 гг. Часть 1: численная модель и среднее состояние // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2009. Т. 45. < 3.
ответ имеет массу практических следствий: например, для прогноза транспортной деятельности (возможность мореплавания неподготовленных судов через полюс напрямую из Европы в Юго-Восточную Азию), для работ на шельфах арктических морей, для выработки мероприятий, связанных с обороной страны, и т.д. В то же время ответ на этот вопрос только на основе анализа данных имеющихся наблюдений неочевиден и связан с решением различных научных задач, направленных на понимание физических механизмов наблюдаемой изменчивости состояния ледового и снежного покровов.
За последние три десятилетия отмечается значительный прогресс в понимании физики и в моделировании морского льда, что прослеживается в большом числе публикаций, посвященных данной теме.
Только данные по дрейфующим буям использованы более чем в 500 опубликованных работ! Поэтому сделать обзор всех работ по исследованию состояния морского льда Северного Ледовитого океана практически невозможно, однако можно выделить основные идеи. Прежде всего, это идея о том, что изменчивость морского льда на достаточно больших масштабах времени объясняется взаимодействием термодинамических и динамических процессов, так что невозможно отдать приоритет ни одному из этих процессов. В одни годы большее значение имеет повышение температуры воздуха, в другие - усиление скорости дрейфа льда, перераспределение его по акватории СЛО и вынос через пролив Фрама. Поэтому развитие численных моделей идет по пути усложнения как локально-одномерных термодинамических моделей, так и моделей дрейфа льда со сложным описанием процессов динамики, связанной с нелинейной реологией льда и с процессами торошения.
В настоящей работе представлены результаты восстановления состояния ледового и снежного покровов Северного Ледовитого океана за период 1948-2002 гг., полученные в рамках идеологии программы сравнения моделей СЛО AOMIP [1] (Arctic Ocean Model Intercomparison Project, официальный интернет-сайт программы http://iish.cims.nyu.edu/project_aomip/overview.htm).
Описание совместной модели океана и морского льда (используемые параметризации, внешнее воздействие и численные схемы) представлено в первой части серии работ, представленной в журнале "Известия РАН. Физика атмосферы и океана". Эта модель представляет собой глубоко переработанную версию модели [2-4], особенно сильные изменения коснулись блока дрейфа морского льда. Здесь приведем краткое описание основных характеристик используемой численной модели динамики и термодинамики морского льда.
Рассматривается область Северной Атлантики и Северного Ледовитого океана к северу от 65° N, без учета Гудзонова залива. Учитывая невысокое пространственное разрешение модели, Канадский Архипелаг детально не описывается, но считается, что в нем есть три пролива: Нарский, Мак-Клур и модельный пролив в районе о-ва Принс-Патрик. Берингов пролив считается открытым. Учитывается восемь основных рек, эстуарии которых рассматриваются как специального вида проливы. Белое море, которое при данном пространственном разрешении не описывается с достаточной точностью, рассматривается как эстуарий реки Северная Двина. Проливы Канадского архипелага и эстуарии рек (в том числе и Горло Белого моря) считаются закрытыми для дрейфа льда. Уравнения динамики океана и морского льда рассматриваемой модели записываются в широко распространенной системе координат "сферического слоя" (А, 6, z) (долгота,
дополнение широты до 90°, глубина, отсчитываемая вертикально вниз от поверхности океана в состоянии покоя относительно Земли) с полюсами, расположенными в точках с географическими координатами 180° Е, 0° N - "Северный" полюс, 0° Е, 0° N -"Южный" полюс. Пространственное разрешение модели - 1° по горизонтальным переменным в повернутой системе координат, т.е. около 111.2 км. По вертикали бралось 16 неравноотстоящих уровней в г-системе координат со сгущением к поверхности океана.
В целом модель локально-одномерной термодинамики льда основана на идеях, изложенных в работе [5] и практически не отличается от модели, использовавшейся автором в работе [2], за исключением параметризации потоков тепла и массы, которые были сделаны в соответствии с требованиями программы АОМ1Р. Термодинамический блок применяется к каждой из 14 градаций льда по толщине: 0 см (открытая вода), 10, 20, 30, 50, 70 см, 1, 1.5, 2, 3, 4, 5, 6, 10 и более 10 м. Изменения массы льда и снега и сплоченности льда вычисляются отдельно для каждой градации льда по толщине. Предполагается, что изменение сплоченности за счет бокового таяния пропорционально изменению толщины льда за счет таяния его на нижней поверхности, с коэффициентом пропорциональности 5 х 10-5 см-1 (см. обзор параметризаций [6]). Перераспределение массы льда по градациям толщины происходит в результате процессов таяния и образования льда и при торошении льда при его движении. Последний процесс описывается аналогично тому, как это предложено в работах [7-9].
Большое значение для воспроизведения состояния ледового и снежного покровов имеет выбор альбедо снега и льда - параметризация альбедо приведена в таблице. В данной модели нет теплоемкости льда, поглощение солнечной радиации в самом верхнем слое льда параметрически учитывается через изменение эффективного альбедо, параметр поглощения зависит от балла облачности.
Расчет скорости дрейфа морского льда основан на работах [10-12]. Выбрана упруго-вязко-пластичная реология [11, 12] . Вычисление давления во льду (или прочности льда) основано на работах [7-9].
Как и вся модель, пространственная аппроксимация блока морского льда делается с помощью технологии метода конечных элементов. Отметим, что использование метода конечных элементов позволяет более точно вычислить вертикальное распределение потока проникающей в океан солнечной радиации. Это способствует более точному воспроизведению положения кромки льда летом.
В качестве начальных условий задавались однородная толщина льда 2 м и снега 10 см там, где температура поверхности океана была меньше или равна Тр + 0.2, где Тр = Тр5) - точка замерзания, функция солености Выбор сдвига 0.2 связан с тем, что
ВОССТАНОВЛЕНИЕ КРУПНОМАСШТАБНОГО СОСТОЯНИЯ ВОД И МОРСКОГО 515 Параметризация альбедо снега и льда в зависимости от температуры поверхности Т и толщины льда к и снега Н5.
Поверхность Сухой Т < -1°C Мокрый T > -1°C
О,снег 0.8 as = 0.8 -
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.