ISSN 2070-7401 (Print), ISSN 2411-0280 (Online)
Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса
физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений
и объектов

  

Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2018. Т. 15. № 1. С. 282-295

Исследование динамики атмосферного пограничного слоя над заприпайной полыньей моря Лаптевых по данным WRF-моделирования

И.А. Репина 1, 2 , А.А. Аниферов 1 
1 Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН, Москва, Россия
2 Институт космических исследований РАН, Москва
Одобрена к печати: 31.12.2017
DOI: 10.21046/2070-7401-2018-15-1-282-295
С помощью мезомасштабной модели WRF Polar исследовались атмосферные процессы над полыньёй моря Лаптевых. В работе рассмотрен случай образования полыньи в море Лаптевых в период апрель – май 2008 г. Было выполнено сравнение модельных экспериментов с разными данными концентрации льда: для одного и того же времени было выполнено моделирование динамики атмосферного пограничного слоя при сплочённости льда, равной 100 %, и реальной сплочённости льда, взятой из спутниковых данных. Для анализа рассматривались как холодные, так и тёплые периоды, когда разница температур открытой воды и воздуха была незначительной. Модельные эксперименты проводились на сетке 10; 5 и 3 км, что позволило рассмотреть влияние горизонтального разрешения на точность эксперимента. Установлено влияние полыньи на поля температуры, скорости ветра и на процессы образования облачности над полыньёй. Степень влияния зависит от синоптической ситуации в районе и уменьшается с усилением циклонической активности.
Ключевые слова: климат Арктики, полыньи и разводья, дистанционное зондирование, атмо­сферный пограничный слой, мезомасштабное моделирование
Полный текст

Список литературы:

  1. Дмитренко И. А., Кириллов С. А., Грибанов В. А., Кассенс Х. Оценка ледопродуктивности стационарных полыней на шельфе морей Карского и Лаптевых на основе многолетних гидрологических наблюдений // Метеорология и гидрология. 2001. № 12. C. 38–49.
  2. Иванов В. В., Алексеев В. А., Алексеева Т. А., Колдунов Н. В., Репина И. А., Смирнов А. В. Арктический ледяной покров становится сезонным? // Исследование Земли из космоса. 2013. № 4. С. 50–65.
  3. Карелин И. Д. Исследования стационарных полыней по данным наблюдений со спутников // Труды ААНИИ. 1981. Т. 388. С. 104–109.
  4. Репина И. А., Смирнов А. С. Обмен теплом и импульсом между атмосферой и льдом по данным наблюдений в районе Земли Франца-Иосифа // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2000. Т. 36. № 5. С. 672–680.
  5. Репина И. А., Иванов В. В. Применение методов дистанционного зондирования в исследовании динамики ледового покрова и современной климатической изменчивости Арктики // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2012. Т. 9. № 5. C. 89–103.
  6. Репина И. А., Чечин Д. Г. Влияние полыней и разводий в Арктике на структуру атмосферного пограничного слоя и региональный климат // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2012. № 4. C. 162–172.
  7. Репина И. А., Артамонов А. Ю., Смирнов А. С., Чечин Д. Г. Исследование взаимодействия океана и атмосферы в полярных районах в рамках международного полярного года // Метеорологические и геофизические исследования / под ред. Г. В. Алексеева. М.-СПб., 2011. С. 236–250.
  8. Тихонов В. В., Раев М. Д., Шарков Е. А., Боярский Д. А., Репина И. А., Комарова Н. Ю. Мониторинг морского льда полярных регионов с использованием спутниковой микроволновой радиометрии // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2015. Т. 12. № 5. С. 150–169.
  9. Тихонов В. В., Раев М. Д., Шарков Е. А., Боярский Д. А., Репина И. А., Комарова Н. Ю. Спутниковая микроволновая радиометрия морского льда полярных регионов. Обзор // Исследование Земли из космоса. 2016. № 4. С. 65–84.
  10. Aagaard K., Coachman L. K., Carmack E. On the halocline of Arctic Ocean // Deep-Sea Research. 1981. V. 28A. No. 6. P. 529–545.
  11. Adams S., Willmes S., Heinemann G., Rozman P., Timmermann R., Schröder D. Evaluation of simulated sea-ice concentrations from sea-ice/ocean models using satellite data and polynya classification methods // Polar Research. 2011. V. 30. No. 7124. P. 17. DOI:10.3402/polar.v30i0.7124.
  12. Andreas E. L., Cash B. A. Convective heat transfer over wintertime leads and polynyas // J. Geophysical Research. 1999. V. 104. No. C11. P. 25 721–25 734.
  13. Arctic Climate Assessment (ACIA). Impacts of a warming arctic: Scientific Report. N. Y.: Cambridge Univ. Press, 2004. 139 p.
  14. Barber D. G., Massom R. A. The role of sea ice in Arctic and Antarctic polynyas // Elsevier Oceanography Series. Polynyas: Windows to the World / eds. W. O. Smith, D. G. Barber. Amsterdam, 2007. P. 1–54.
  15. Bromwich D. H., Hines K. M., Bai L. S. Developments and testing of Polar Weather Research and Forecasting model: 2. Arctic Ocean // J. Geophysical Research. 2009. V. 114. Iss. D8. CiteID D08122. DOI:10.1029/2008JD010300.
  16. Cavalieri D. J. A Microwave Technique for Mapping Thin Sea Ice // J. Geophysical Research. 1995. V. 99. Iss. C6. P. 12 561–12 572.
  17. Cavalieri D. J., Martin S. A passive-microwave study of polynyas along the Antarctic Wilkes Land coast // Oceanology of the Antarctic Continental Shelf. Antarctic Res. Ser. / ed. S. S. Jacobs. Washington: AGU, 1985. V. 43. P. 227–252.
  18. Cavalieri D. J., Martin S. The contribution of Alaskan, Siberian, and Canadian coastal polynyas to the cold halocline layer of the Arctic Ocean // J. Geophysical Research. 1994. V. 99. Iss. C9. Р. 18 343–18 362.
  19. Chechin D. G., Lüpkes C., Repina I. A., Gryanik V. M. Idealized dry quasi 2-D mesoscale simulations of cold-air outbreaks over the marginal sea ice zone with fine and coarse resolution // J. Geophysical Research: Atmospheres. 2013. V. 118. P. 8787–8813. DOI:10.1002/jgrd.50679.
  20. Danielson S., Aagaard K., Weingartner T., Martin S., Winsor P., Gawarkiewicz G., Quadfasel D. The St. Lawrence polynya and the Bering shelf circulation: New observations and a model comparison // J. Geophysical Research. 2006. V. 111. Iss. C9. CiteID C09023. DOI:10.1029/2005JC003268.
  21. Dare R. A., Atkinson B. W. Atmospheric response to spatial variations in concentration and size of polynyas in the Southern ocean sea-ice zone // Boundary-Layer Meteorology. 2000. V. 94. No. 1. P. 65–88.
  22. Dethleff D., Loewe P., Kleine E. The Laptev Sea flaw lead — detailed investigation on ice formation and export during 1991/1992 winter season // Cold regions science and technology. 1998. V. 27. Iss. 3. P. 225–243.
  23. Dmitrenko I., Tyshko K., Kirillov S., Eicken H., Hölemann J., Kassens H. Impact of flaw polynyas on the hydrography of the Laptev Sea // Global Planet Change. 2004. V. 48. No. 1–3. P. 9–27. DOI:10.1016/j.gloplacha.2004.12.016.
  24. Dokken S. T., Winsor P., Markus T., Askne J., Björk G. ERS SAR characterization of coastal polynyas in the Arctic and comparison with SSM/I and numerical model investigations // Remote Sensing of Environment. 2002. V. 80. Iss. 2. P. 321–335.
  25. Ebner L., Schroder D., Heinemann G. Impact of Laptev Sea flaw polynyas on the atmospheric boundary layer and ice production using idealized mesoscale simulations // Polar Research. 2011. V. 30. P. 7210. DOI:10.3402/polar.v30i0.7210.
  26. Ernsdorf T., Schröder D., Adams S., Heinemann G., Timmermann R., Danilov S. Impact of atmospheric forcing data on simulations of the Laptev Sea polynya dynamics using the sea-ice ocean model FESOM // J. Geophysical Research. 2011. V. 116. Iss. C12. CiteID C12038. P. 18. DOI:10.1029/2010JC006725.
  27. Fiedler E. K., Lachlan-Cope T. A., Renfrew I. A., King J. C. Convective heat transfer over thin ice covered coastal polynyas // J. Geophysical Research. 2010. V. 115. Iss. C10. CiteID C10051.
  28. Goosse H., Fichefet T. Open-ocean convection and polynya formation in a large-scale ice–ocean model // Tellus. 2001. V. 53A. P. 94–111.
  29. Hebbinghaus H., Schlunzen H., Dierrer S. Sensitivity studies on vortex development over a polynya // Theoretical and Applied Climatology. 2007. V. 88. No. 1. P. 1–16.
  30. Hibler W. D., Bryan K. A diagnostic ice–ocean model // J. Physical Oceanography. 1987. V. 17. No. 7. P. 987–1015.
  31. Janjic Z. I. Nonsingular implementation of the Mellor-Yamada level 2.5 scheme in the NCEP Meso Model // NCEP Office Note. 2002. No. 437. 61 р.
  32. Ivanov V. V., Golovin P. N. Observations and modelling of dense water cascading from the Laptev Sea shelf // J. Geophysical Research. 2007. V. 112. Iss. C9. CiteID. P. 1–15. DOI:10.1029/2006JC003882.
  33. Kern S., Spreen G., Kaleschke L., De la Rosa S., Heygster G. Polynya Signature Simulation Method polynya area in comparison to AMSR-E 89 GHz sea-ice concentrations in the Ross Sea and off the Adélie Coast, Antarctica, for 2002–05: first results // Annals of Glaciology. 2007. V. 46. No. 1. P. 409–418. DOI:10.3189/172756407782871585.
  34. Kwok R., Comiso J., Martin S., Drucker R. Ross Sea polynyas: Response of ice concentration retrie­vals to large areas of thin ice // J. Geophysical Research. 2007. V. 112. Iss. 12. CiteID C12012. P. 13. DOI:10.1029/2006JC003967.
  35. Markus T., Burns B. A. A method to estimate sub–pixel scale coastal polynyas with satellite passive microwave data // J. Geophysical Research. 1995. V. 100. Iss. C3. P. 4473–4487.
  36. Markus T., Kottmeier C., Fahrbach E. Ice formation in coastal polynyas in the Weddell Sea and their impact on oceanic salinity // Antarctic Sea Ice: Physical Processes, Interactions and Variability. Antarctic Research Series / ed. M. O. Jeffries. Washington: AGU, 1998. V. 74. P. 273–292.
  37. Martin S., Cavalieri D. J. Contributions of the Siberian shelf polynyas to the Arctic Ocean intermediate and deep water // J. Geophysical Research: Oceans. 1989. V. 94. Iss. C9. P. 12725–12738.
  38. Martin S., Drucker R., Kwok R., Holt B. Improvements in the estimates of ice thickness and production in the Chukchi Sea polynyas derived from AMSR-E // Geophysical Research Letters. 2005. V. 32. Iss. 5. P. L05505. DOI:10.1029/2004GL022013.
  39. Maykut C. A. Energy exchange over young sea ice in the central Arctic // J. Geophysical Research. 1978. V. 83. Iss. C7. P. 3646–3658.
  40. Morales Maqueda M. A., Willmott A. J., Biggs N. R. T. Polynya dynamics: A review of observations and mo­deling // Reviews Geophysics. 2004. V. 42. Iss. 1. P. RG1004. DOI:10.1029/2002RG000116.
  41. Morrison H., Thompson G., Tatarskii V. Impact of cloud micrpohysics on the development of trailing stratiform precipitation in a simulated squall line: Comparison of one- and two-moment schemes // Monthly Weather Review. 2008. V. 137. Iss. 3. P. 991–1007.
  42. Nihashi S., Ohshima K. I., Tamura T., Fukamachi Y., Saitoh S. Thickness and production of sea ice in the Okhotsk Sea coastal polynyas from AMSR-E // J. Geophysical Research. 2009. V. 114. Iss. C10. CiteID C10025. DOI:10.1029/2008JC005222.
  43. Piase C. H. The size of wind-driven polynyas // J. Geophysical Research. 1987. V. 92. P. 7049–7059.
  44. Riggs G. A., Hall D. K., Salomonson V. V. MODIS Sea Ice Products: User Guide to Collection 6. 2015. URL: https://nsidc.org/sites/nsidc.org/files/files/modis-sea-ice-user-guide-C6%5B1%5D.pdf.
  45. Savijärvi H. Antarctic local wind dynamics and polynya effects on the Adélie Land coast // Quarterly J. Royal Meteorological Soc. 2011. V. 137. No. 660. P. 1804–1811.
  46. Schneider W., Budeus G. On the generation of the Northeast water polynya // J. Geophysical Research. 1995. V. 100. Iss. C3. P. 4269–4286.
  47. Schwarzkopf M. D., Fels S. B. The simplified exchange method revisite ― an accurate, rapid method for computation of infrared cooling rates and fluxes // J. Geophysical Research. 1991. V. 96. Iss. D5. Р. 9075–9096.
  48. Spreen G. Kaleschke L., Heygster G. Sea ice remote sensing using AMSR-E 89-GHz channels // J. Geophysical Research. 2008. V. 113. Iss. C2. CiteID C02S03. DOI:10.1029/2005JC003384.
  49. Tamura T., Ohshima K. I. Mapping of sea ice production in the Arctic coastal polynyas // J. Geophysical Research. 2011. V. 116. Iss. C7. CiteID C07030. DOI:10.1029/2010JC006586.
  50. Venkatram A. A model of internal boundary-layer development // Boundary-Layer Meteorology. 1977. V. 11. Iss. 4. P. 419–437.
  51. Wang X., Key J. R., Liu Y. A thermodynamic model for estimating sea and lake ice thickness with optical satellite data // J. Geophysical Research. 2010. V. 115. Iss. C12. CiteID C12035. P. 14. DOI:10.1029/2009JC005857.
  52. Willmes S., Krumpen T., Adams S., Rabenstein L., Haas C., Hölemann J., Hendricks S., Heinemann G. Cross-validation of polynya monitoring methods from multisensor satellite and airborne data: a case study for the Laptev Sea // Canadian J. Remote Sensing. 2010. V. 36. P. 196–210. DOI:10.5589/m10-012.
  53. Winsor P., Björk G. Polynya activity in the Arctic Ocean from 1958 to 1997 // J. Geophysical Research. 2000. V. 105. Iss. C4. P. 8789–8803.
  54. Zwally H. J., Comiso J. C., Gordon A. L. Antarctic offshore leads and polynyas and oceanographic effects Oceanology of the Antarctic Continental Shelf // Antarctic Research Series / ed. S. S. Jacobs. Washington: AGU, 1985. V. 43. P. 203–226.