CC BY
19
УДК 551.465.45
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ ФОРМИРОВАНИЯ ПОДПОВЕРХНОСТНОГО МАКСИМУМА ТЕМПЕРАТУРЫ В КАНАДСКОМ БАССЕЙНЕ СЕВЕРНОГО ЛЕДОВИТОГО ОКЕАНА
Дина Фаруковна Якшина
Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 6, младший научный сотрудник, тел. (383)330-64-50, e-mail: [email protected]
Елена Николаевна Голубева
Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 6, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, тел. (383)330-64-50, e-mail: [email protected]
Изучаются возможные причины формирования подповерхностного максимума температуры в водах Северного Ледовитого океана, покрытых льдом в летний период. Результаты численного эксперимента показывают, что основным физическим механизмом является коротковолновая радиация, проникающая под ледяной покров в верхний слой моря.
Ключевые слова: Арктика, вертикальная структура вод, изменение климата, морской лед, Северный Ледовитый океан, численное моделирование.
THE STUDY OF MECHANISMS OF THE NEAR-SURFACE TEMPERATURE MAXIMUM FORMATION IN THE CANADA BASIN OF THE ARCTIC OCEAN
Dina F. Iakshina
Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, prospect Akademika Lavrentjeva, 6, junior scientist, tel. (383)330-64-50, e-mail: [email protected]
Elena N. Golubeva
Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, prospect Akademika Lavrentjeva, 6, Dr. Phys.-Math. Sci., leading scientist, tel. (383)330-64-50, e-mail: [email protected]
We study the possible causes of the formation of subsurface temperature maximum in the waters of the Arctic Ocean covered by ice in summer. Numerical experiment results show that the basic physical mechanism is a short-wave radiation penetrating under the ice cover in the upper layer of the sea.
Key words: Arctic Ocean, numerical modeling, sea ice, climate change, ocean water stratification.
Введение
Одной из характеристик вертикальной стратификации вод Северного Ледовитого океана (СЛО) является приповерхностный температурный максимум (ПТМ), регистрирующийся в океанических областях, покрытых льдом в летний период. Данные наблюдений, полученных на основе использования
вмороженных в лед буев, имеющиеся в открытом доступе (http://www.whoi.edu/page.do?pid=20781), регистрируют возникновение ПТМ в летний период и его дальнейшее исчезновение. Механизм формирования ПТМ на основе анализа данных наблюдений обсуждался в работах [1, 2]. В работе [1] он был определен как наименее глубоко расположенный температурный максимум Т^, который удовлетворяет трём следующим критериям: критерий 1 - температура выше точки замерзания должна быть более 0.2 °С; критерий 2 - температура выше точки замерзания должна быть более чем на 0.1°С выше, чем у температурного минимума, расположенного в непосредственной близости в нижележащих слоях; критерий 3 - соленость должна быть менее 31 %о. В представляемой работе исследуется возможные физические процессы, приводящие к образованию ПТМ на основе трехмерной численной модели СЛО.
Метод исследования
Для проведения численных экспериментов используется трехмерная региональная численная модель СЛО и Северной Атлантики ИВМиМГ СО РАН [3-5]. Для определения потоков на поверхности океана и морского льда используются данные атмосферного реанализа NCEP/NCAR [6]. В ходе численного эксперимента моделируются изменения, происходящие в состоянии вод и морского льда, определяемые изменчивостью атмосферной циркуляции в период с 1948 по 2012 гг.
Результаты моделирования и данные наблюдений
Численные эксперименты проводились следующим образом. Начальный расчет был проведен на 30 лет с учетом меняющихся потоков на поверхности океана, рассчитанных для состояния атмосферы в 1948 г. [6] и ледового покрытия, равного 2 м в точках области с температурой ниже -1.8. Два численных эксперимента были проведены с использованием полученного модельного состояния в качестве начальных полей для температуры, солености и поля льда.
В первом эксперименте учитывалось проникновение коротковолновой солнечной радиации на открытой поверхности и под ледяной покров в верхний слой моря на основе подхода [7]. Во втором эксперименте считалось, что вся поступающая коротковолновая солнечная радиация поглощается в верхнем 2,5 метровом слое океана. Оба эксперимента были просчитаны на период с 1948 по 2012 гг.
Полученные в результате численных экспериментов модельные поля отражают пространственно-временную изменчивость водных масс и морского льда СЛО. Критерии существования подповерхностного максимума температуры, определенные в работе [1], были применены к оценке модельных полей. На основе этих критериев были выделены точки, в которых присутствует подповерхностный максимум в вертикальном распределении температуры. На рис. 1 показана временная изменчивость вертикальной структуры температуры и солености верхнего слоя океана, а также толщина льда для одной из таких точек.
В первом эксперименте при учете проникающей радиации появление подповерхностного максимума температуры происходит в летний период при сокращении толщины льда до двух метров. Его постепенное разрушение (рис. 2, а) происходит в течение осеннего сезона за счет процесса интенсивного вертикального перемешивания, обусловленного охлаждением поверхности и высвобождением соли при образовании льда.
ice depth * concentration
2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012
Temperature
2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012
Рис. 1. Временной ход температуры, солености и толщины льда в Эксперименте 1
Во втором эксперименте, где не учитывалась возможность проникновения коротковолновой радиации в верхний слой океана под ледовым покровом, тепло сконцентрировано ближе к поверхности, а в подповерхностные слои распространяется за счет процессов вертикальной адвекции и диффузии (рис. 2, б, рис. 3). В этом случае поверхность океана сильнее нагревается, что способствует более интенсивному таянию льда в летний период. Явно выраженный температурный максимум, соответствующий критериям 1-3, не регистрируется.
По результатам проведенного моделирования подповерхностный максимум температуры может также образовываться за счет горизонтальной адвекции тепла из близлежащих регионов, свободных ото льда в летний период.
-80-1-1-1--_8о'-1-1-1-
-1.5 -1 -0.5 0 1 5 1 0.5 С
Рис. 2. Изменение вертикального профиля температуры: а) Эксперимент 1, б) Эксперимент 2
Рис. 3. Временной ход температуры, солености и толщины льда в Эксперименте 2
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (№16-05-00558, №14-05-00730, №16-35-00439).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Jackson, J. M., E. C. Carmack, F. A. McLaughlin, S. E. Allen, and R. G. Ingram (2010), Identification, characterization, and change of the near-surface temperature maximum in the Canada Basin, 1993-2008, J. Geophys. Res., 115, C05021, doi:10.1029/2009JC005265.
2. Jackson, J.M., S.E. Allen, F A. McLaughlin, R.A. Woodgate, and EC. Carmack. 2011. Changes to the near-surface waters in the Canada Basin, Arctic Ocean from 1993-2009: A basin in transition, Journal of Geophysical Research, 116, C10008, doi:10.1029/2011JC007069.
3. Golubeva, E. N., and G. A. Platov. On improving the simulation of Atlantic water circulation in the Arctic Ocean. // J. Geophys. Res. 2007. 112. doi:10.1029/2006JC003734.
4. Голубева Е.Н.Численное моделирование динамики Атлантических вод в Арктическом бассейне с использованием схемы QUICKEST// Вычислительные технологии, 2008, т. 13, № 5, стр. 11-24.
5. Hunke E.C., Dukowicz J.K. An elastic-viscous-plastic model for ice dynamics // J. Phys. Oceanogr. 1997. V. 27. № 9. P. 1849-1867.
6. http://www.esrl.noaa.gov/psd/data/gridded/data.ncep.reanalysis.html.
7. Jerlov, N. G. (1976), Marine Optics, Elsevier Oceanogr. Ser., vol. 14, Elsevier, New York.
© Д. Ф. Якшина, Е. Н. Голубева, 2016
