Моделирование динамики атмосферного пограничного слоя при холодных вторжениях в прикромочной зоне морских льдов в Арктике

Актуальность работы.

В последние десятилетия в Арктике наблюдается повышение приземной температуры воздуха, существенно превосходящее соответствующие тренды осредненной по всему земному шару приземной температуры [130]. Кроме того, в Арктике по данным наблюдений зафиксировано стремительное сокращение площади ледяного покрова, выразившееся в ее рекордно низких значениях в сентябре в 2007;м и 2012;м годах [135]. Дальнейшее потепление климата Арктики и сокращение площади ледяного покрова прогнозируется в 21-ом столетии на основе результатов многих численных моделей климата [1, 82, 148].

Последствия изменений климата Арктики могут иметь ключевое значение для глобального климата и климата соседних с Арктикой регионов. Влияние Арктики на глобальный климат осуществляется посредством различных механизмов, таких как, например, действие положительной «альбед-ной"обратной связи [76], или изменение интенсивности глубокой конвекции в Северной Атлантике [53]. Климатические изменения в Арктике не менее важны и для хозяйства России и других граничащих с Арктикой стран. С потеплением в Арктике связывают перспективы развития навигации вдоль Северного морского пути и разработки шельфовых месторождений нефти и газа.

Однако оценки будущих изменений климата Арктики отличаются большой неопределенностью [82], препятствующей решению многих фундаментальных и практических задач. Именно в Арктике отмечается наибольшее расхождение между результатами как глобальных, так и региональных климатических моделей с данными наблюдений [39, 82, 139]. Расхождения в особенности велики в районах прикромочной зоны морского льда, где они достигают 6−12°С (в районе Баренцева моря) [39] для приземной температуры воздуха. Кроме того, наибольший разброс между результатами отдельных моделей также наблюдается в Арктике, в особенности в отношении моделируемой структуры и динамики атмосферного пограничного слоя [139]. Следствием такого разброса является неопределенность в оценках энергообмепа между атмосферой и подстилающей поверхностью, играющего ключевую роль в динамике климатической системы Арктики.

Большая амплитуда наблюдаемых и прогнозируемых изменений климата Арктики, а также большой разброс в их оценках обуславливают актуальность развития численных моделей климата и прогноза погоды и потребность в исследованиях физических процессов в климатической системе Арктики и, в частности, в атмосферном пограничном слое в прикромочной зоне морского льда. Одна из важнейших целей таких исследований — решение проблемы наиболее адекватного представления ключевых физических процессов в численных моделях атмосферы. Актуальность этих задач демонстрирует тот факт, что для консолидации международных усилий, направленных на их решение, в 2007;2008 гг. был организован Международный Полярный Год [87]. Кроме того, необходимость развития системы мониторинга геофизической обстановки в Арктике, опирающаяся в большой мере на численные модели прогноза погоды и климата, отражена в утвержденной в 2013 году стратегии развития Арктической зоны Российской Федерации и обеспечения национальной безопасности на период до 2020 года [11].

Объект и предмет исследований.

Объектом настоящего исследования являются холодные вторжения в прикромочной зоне морского льда в Арктике, играющие важную роль в инициализации и протекании одного из ключевых процессов в глобальной климатической системе — глубокой конвекции в океане. Холодные вторжения представляют собой адвекцию холодной воздушной массы из областей, занятых сплошным ледяным покровом в области открытой воды незамерзающих морей (например, Гренландского, Лабрадорского, Норвежского, Баренцева моря в Северном полушарии). Также, климатическая роль холодных вторжений заключается в осуществлении ими меридионального переноса тепла в атмосфере и создании благоприятных условий для формирования полярных мезоциклонов.

Наиболее яркой чертой ХВ является интенсивный турбулентный обмен между атмосферой и океаном. В холодное время года разница температур между адвецируемой воздушной массой и поверхностью открытой воды может достигать свыше 30 К, что приводит к тому, что значения пространственно осреднепных турбулентных потоков явного тепла могут превышать 650 Вт м-2 вблизи кромки льда [34].

Глубокая конвекция в океане наблюдается в тех областях Северной Атлантики, где наиболее интенсивны и часты холодные вторжения, а именнов Лабрадорском, Ирмингерском и Гренландском морях [6, 84, 98]. Роль глубокой конвекции в глобальной климатической системе заключается в том, что она поддерживает так называемый «глобальный конвейер" — термохалин-ную циркуляцию в мировом океане. Интенсивность и другие характеристики глубокой конвекции в немалой степени определяются процессами в вблизи кромки льда в Арктике. Хотя для протекания глубокой конвекции необходимо наличие в океане соответствующей циркуляции, процессы в атмосфере, а именно холодные вторжения, также играют важнейшую роль. В частности, инициализация и протекание глубокой конвекции во многом обусловлено уплотнением поверхностных водных масс вследствие потери тепла с поверхности океана, а также увеличением солености вследствие испарения и образования морского льда [98]. В районах глубокой конвекции в Северной Атлантике наибольших значений поток тепла из океана в атмосферу достигает именно во время холодных вторжений (ХВ).

Кроме того, в работе также рассматривается режим натекания холодного воздуха на заприпайные полыньи, аналогичный режиму холодных вторжений в силу достаточно большой протяженности образующихся в этом случае областей открытой воды. Энергообмен над полыньями определяет такие значимые для регионального и глобального климата процессы, как формирование нового льда и придонных водных масс в полярных регионах.

Предметом исследования является динамика атмосферного пограничного слоя и, в частности, пространственная изменчивость метеорологических параметров во время холодных вторжений и при натекании холодного воздуха на полыньи, а также физические механизмы ее формирования. Особое внимание уделяется исследованию характеристик мезомасштабного струйного течения ледового бриза (СТЛБ), которое, согласно работам других авторов (см., например, работы Рейнольдса [121], Брюммера [34], Бехтольда и др. [30]), выражается в усилении ветра в атмосферном пограничном слое (АПС) над открытой водой на расстоянии порядка 100 км от кромки льда и интенсификации энергообмена между океаном и атмосферой. Также рассматривается вопрос о точности воспроизведения мезомасштабной изменчивости скорости ветра в моделях, использующих грубое пространственное разрешение.

Цель и задачи диссертационной работы.

Целью работы является исследование динамики АПС и пространственной изменчивости метерологических величин во время холодных вторжений в прикромочной зоне морского льда и при натекании холодного воздуха на заприпайные полыньи, а также выявление недостатков и развитие методов численного моделирования указанных метеорологических режимов.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

Первой задачей данной работы является исследование зависимости характеристик СТЛБ от внешних метеорологических параметров в их широком диапазоне. Одним из важных результатов решения этой задачи является определение области метеорологических параметров, в которой СТЛБ может существовать. Мотивацией служит то, что хотя на существование СТЛБ во время ХВ указывают как некоторые данные наблюдений (см. работу Брюмме-ра [34]), так и результаты мезомасштабного моделирования (см., например, работы Рейнольдса [121] и Люпкеса и Шлюнцеп [94]), в некоторых случаях СТЛБ не наблюдается и также отсутствует в результатах моделирования [34, 147]. Систематического исследования СТЛБ еще не проводилось.

Второй задачей исследования является выявление физических механизмов, определяющих формирование и характеристики пространственной изменчивости метеорологических параметров во время холодных вторжений. Особое внимание при этом уделяется анализу физических механизмов СТЛБ. Подобную цель преследовали также предыдущие исследования Юэна и Янга [154], а также Шокурова и Солдаткиной [132], в которых авторы использовали множество идеализаций для упрощения решаемых ими систем уравнений. В отличие от указанных исследований, результаты настоящей работы гораздо ближе соответствуют наблюдаемым в природе режимам, так как они получены с помощью негидростатической мезомасштабной модели N1130 [104], система уравнений которой испольует гораздо меньшее число аппроксимаций.

Третьей задачей исследования является количественная оценка влияния шага горизонтальной сетки на моделируемые характеристики СТЛБ, а также значения турбулентных потоков тепла и импульса на поверхности открытой воды. Согласно предыдущим исследованиям характерный горизо-натльный масштаб СТЛБ в направлении перпендикулярном кромке льда составляет порядка 50−200 км [34, 94]. Так как разрешение глобальных и региональных климатических моделей сравнимо с масштабом СТЛБ, то следует ожидать, что СТЛБ воспроизводится в таких моделях недостаточно адекватпо. Кроме того, некоторые авторы указывают на недостатки продуктов ре-анализа в отношении воспроизведения скорости ветра вблизи кромки льда, связанные с большим горизонтальным шагом сетки, используемым в продуктах реанализа.

Четвертой задачей работы является исследование влияния ширины заприиайной полыньи на динамику АПС над ней, и, в частности, на модуль скорости ветра. Режим натскания холодного воздуха на заприпайные полыньи аналогичен режиму холодных вторжений, однако пространственный размер полыней ограничен и может выступать в качестве важного параметра, определяющего динамику АПС. Систематического исследования изменчивости скорости ветра над полыньями еще не проводилось. Более того, предлагаемые простые модели роста конвективного АПС над полыньями (см. работу Ренфрю и Кинга [118]), а также параметризации турбулентных потоков тепла и импульса, используемые в численных моделях атмосферы с грубой сеткой [143], никак не учитывают изменчивость скорости ветра над полыньями.

Метод исследования.

Систематическое исследование феномена СТЛБ требует данных о его характеристиках в большом диапазоне внешних параметров. К сожалению, данных наблюдений накоплено недостаточно много для того, чтобы решить поставленные задачи. Численное моделирование представляет в этом случае наиболее оптимальный метод исследования. Наиболее адекватно мультимас-штабный режим ХВ может быть воспроизведен с помощью вихреразрешаю-щих моделей. Однако использование таких моделей требует больших вычислительных ресурсов, и ввиду этого проведение многочисленных экспериментов во широком диапазоне параметров с их помощью не представляется возможным. Также для исследования СТЛБ могут применяться мезомасштаб-ные модели, горизонтальный шаг сетки в которых много меньше масштаба СТЛБ, но достаточно велик для того, чтобы количество узлов модельной сетки было сравнительно небольшим. По этой причине мезомасштабное моделирование было выбрано основным методом данного исследования.

Для воспроизведения ХВ используется трехмерная негидростатическая модель МНЗБ. В основе модели лежит система уравнений Миллера и Уайта, а в качестве вертикальной координаты используется нормированное давление а. Эта модель успешно применялась для воспроизведения орографических гравитационных волн при обтекании воздушным потоком трехмерного рельефа. Кроме того, модель использовалась для воспроизведения атмосферных циркуляций над неоднородной поверхностью суши. Однако, ЫНЗБ никогда не применялась для исследования метеорологических режимов в Арктике. Воспроизведение последних требует модификации параметризаций турбулентного обмена и верификации модели.

В рамках настоящего исследования N1130 встроены параметризации турбулентного обмена, адекватность которых была продемонстрирована для различных метеорологических режимов в Арктике. Для параметризации подсе-точного перемешивания в конвективном АПС в модель были встроены нелокальные турбулентные замыкания Люпкеса и Шлюнцеи [94], а также Троена и Марта [140], в которых учитывается вертикальный обмен теплом и импульсом за счет крупных конвективных вихрей. Для применения в условиях устойчивой стратификации надо льдом и в свободной атмосфере в модель было встроено локальное турбулентное замыкание [94]. Кроме того, в модель была встроена монотонная схема горизонтального численного сглаживания [152] вместо немонотонной. В модель была также встроена схема адвекции третьего порядка точности Хундсдорфера и Тромперта [80].

В работе используется широко применяемая методика идеализированного моделирования, позволяющая упростить анализ получаемых результатов. В дайной работе рассматриваются только стационарные режимы, а в качестве внешнего форсинга в модели задается постоянный во времени и пространстве крупномасштабный градиент давления. При этом изменение типа подстилающей поверхности задается только в одном направлении, что делает рассматриваемую задачу квази-двумерной. Также в экспериментах не учитывается влияние радиации. Фазовые переходы атмосферной влаги также не учитывались, так как результаты тестовых экспериментов, приводимых в диссертационной работе, показали их второстепенную роль в мезомасштаб-ной изменчивости метеорологических параметров вблизи кромки льда.

Верификация модели NH3D проведена на основе сравнения с данными наблюдений во время ХВ в проливе Фрама 4-го марта 1993 года. Несмотря на идеализированную постановку задачи, результаты NH3D хорошо согласуются с данными наблюдений в отношении вертикальных профилей температуры, скорости прогрева АПС и высоты его верхней границы, а также амплитуды и характерного горизонтального масштаба СТЛБ. Кроме того, показано, что результаты NFI3D хорошо согласуются с результатами мезомасштабной модели METRAS [127], успешно применявшейся ранее для воспроизведения многих метеорологических режимов в Арктике.

Кроме того, в работе сформулирована и численно реализована интегральная модель перемешанного АПС, аналогичная моделям, использовавшимся ранее [12, 112, 121] для исследования термически обусловленных циркуляций в АПС. Сравнение результатов расчетов с помощью этой модели с результатами модели NH3D позволило сделать важные выводы о роли определенных физических механизмов в формировании мезомасштабной изменчивости поля скорости ветра во время холодных вторжений. Также, для интерпретации результатов NH3D в работе используются аналитические решения упрощенных уравнений движения и притока тепла, осредненных по высоте АПС.

Научная новизна.

В данной работе впервые проведено систематическое исследование характеристик СТЛБ в широком диапазоне внешних параметров. Полученные количественные оценки характеристик СТЛБ существенно расширяют ранее опубликованные данные (см., например, работы Брюммера [34] или Гленде-пинга [64]) о характерных горизонтальных масштабах и амплитуде этого явления. Впервые определена область метеорологических параметров, в которой возможно существование СТЛБ.

Впервые на основе анализа результатов трехмерной мезомасштабной модели, а также интегральной модели АПС выполнены оценки роли различных физических механизмов в формировании пространственной изменчивости метеорологических полей во время типичных холодных вторжений. Показано существование обратной связи между процессами в АПС и в вышележащих слоях атмосферы — агеострофические движения в АПС приводят к возникновению бароклинности в атмосфере над АПС. Показано, что такая обратная связь существенно влияет на характеристики СТЛБ, и приводит, в частности, к уменьшению его амплитуды и горизонтального масштаба. При этом, настоящее исследование отличается от работы Юэна и Янга [154], преследовавшей аналогичную цель, тем, что оно опирается на существенно менее идеализированные трехмерные численные эксперименты, проведенные в более широкой области внешних параметров.

Впервые проведена количественная оценка влияния разрешения численных моделей атмосферы на характеристики СТЛБ и величину приземных турбулентных потоков тепла и импульса. Показано, что использование грубого пространственного разрешения приводит к существенному занижению амплитуды СТЛБ, а также моделируемых турбулентных потоков тепла и импульса в области между кромкой льда и 120−180 км вниз по потоку. Результаты и положения, выносимые на защиту: 1. Проведена верификация модели 1тНЗО со встроенными в нее локальным и нелокальным замыканиями турбулентности для случая холодного вторжения в проливе Фрама на основе сравнения с данными наблюдений и результатами моделирования с помощью модели METRAS.

2. Впервые систематически исследовано мезомасштабное струйное течение ледового бриза и показано, что оно является характерной чертой холодных вторжений. Предложен физический механизм струйного течения ледового бриза как эффекта бароклинности вследствие прогрева АПС над открытой водой, а также обратной связи между агеострофическими движениями в АПС и вышележащими слоями атмосферы.

3. Выявлено, что горизонтальный масштаб и амплитуда струйного течения ледового бриза наиболее чувствительны к модулю и направлению крупномасштабного геострофического ветра. Амплитуда струйного течения чувствительна к разности температур поверхности открытой воды и морского льда. Показано, что максимальная скорость ветра в струйном течении превышает скорость крупномасштабного ветра в 1.1 — 1.5 раза. Горизонтальный масштаб ледового бриза меняется в пределах от 80 до 300 км. Определена область параметров, в которой струйное течение отсутствует.

4. Проведенная количественная оценка эффекта горизонтального пространственного разрешения модели показала, что при использовании грубого разрешения занижение рассчитанной амплитуды струйного течения может составлять до 50%, а потоков тепла и импульса — до 20% в районе 120−180 км от кромки льда. Для воспроизведения амплитуды струйного течения с точностью 10% необходимо пространственное разрешение 15−20 км.

5. Обнаружена зависимость модуля скорости ветра над полыньей от ее размера во время натекания на нее холодного воздуха. Показано, что размер полыньи влияет на бароклинность, связанную с агеострофическими движениями в АПС.

Практическая значимость результатов.

Результаты данной работы позволяют улучшить понимание процессов взаимодействия атмосферы и океана в Арктике. В частности, систематическое исследование мезомасштабной изменчивости скорости ветра в АПС позволяет выделить метеорологические режимы в районе кромки льда с наиболее интенсивным энергообменом между атмосферой и океаном.

Оценки влияния пространственного разрешения численных моделей на характеристики CTJIB и величину турбулентных потоков тепла и импульса позволяют сделать выводы о недостатках численных моделей и продуктов реанализа, использующих грубый горизонтальный шаг сетки. Проведенные оценки минимального пространственного разрешения, необходимого для удовлетворительного воспроизведения СТЛБ, могут быть использованы в качестве критерия при выборе разрешения численных моделей, применяемых для полярных регионов.

Исследование физических механизмов мезомасштабной изменчивости скорости ветра при натекании холодного воздуха па полыньи является важным этапом разработки параметризаций энергообмена над полыньями для применения в глобальных климатических моделях.

Структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии и двух приложений. В первой главе на основе обзора литературы рассматривается современное состояние проблемы и производится постановка задач исследования и выбор метода исследования. Во второй главе описывается мезомасштабная модель NH3D и ее модификации, сделанные в рамках данного исследования. В частности, особое внимание уделяется параметризациям турбулентного обмена. В начале третьей главы приводятся результаты верификации модели NH3D на основе сравнения результатов воспроизведения ХВ в проливе Фрама 4-го марта 1993 года с данными наблюдений и результатами модели METRAS (приложение Б). Также в третьей главе приводятся результаты анализа физических механизмов крупнои мезомасштабной изменчивости метеорологических параметров во время холодных вторжений.

4.3. Выводы к четвертой главе.

Сравнение результатов экспериментов с Ау = 5 км и, А у = 60 км показало, что использование грубого пространственного разрешения приводит к занижению амплитуды струйного течения ледового бриза (СТЛБ) до 50% в зависимости от внешних параметров. Причем, чем больше амплитуда СТЛБ и чем меньше его горизонтальный масштаб, тем больше занижение амплитуды СТЛБ при использовании грубого разрешения. Показано, что занижение амплитуды СТЛБ связано с занижением горизонтального градиента давления над открытой водой. В частности, недооценка абсолютных значений вертикальной скорости на верхней границе АПС приводит к уменьшению ба-роклинности в слоях атмосферы над АПС, что, в свою очередь, приводит к занижению скорости ветра внутри АПС.

Занижение амплитуды СТЛБ при использовании, А у = 60 км приводит также к относительному занижению приземных потоков импульса на величину до 25%. Использование грубой сетки также приводит к относительному занижению приземных потоков явного тепла в области первых 120 км над открытой водой на величину до 20%, что может составлять до 80 Втм-2.

Эксперименты с горизонтальным шагом сетки, меняющимся от, А у = 60 км до, А у = 2.5 км продемонстрировали сходимость моделируемой скорости ветра в АПС при уменьшении шага сетки. Эти результаты показывают, что для воспроизведения амплитуды СТЛБ с точностью до 10% относительно результатов с разрешением, А у = 2.5 км необходимо использование горизонтального шага сетки не более Ь/1, что составляет, А у «10−20 км.

Проведена верификация локального замыкания турбулентности, включенного в модель N1130, на основе сравнения с результатами эксперимента САВЬЭ [49]. Показано, что результаты полученные с использованием данного локального замыкания очень хорошо соответствуют результатам вихреразре-шающего моделирования для случая слабоустойчивого АПС над морским льдом в Арктике.

На основе идеализированных экспериментов по моделированию натека-ния холодного воздуха на полыпыо показано, что мезомасштабная изменчивость скорости ветра над полыньей также может быть описана с помощью оценок, сделанных для режима ХВ. Однако, также выявлена зависимость скорости ветра над полыньей от ее ширины. Причем, чем меньше ширина полыньи, тем меньше усиление ветра над ней в рассмотренной области параметров. Показано, что зависимость скорости ветра над полыньей от ее ширины связана с нелокальной обратной связью между процессами в АПС и в вышележащих слоях атмосферы.

Заключение

.

Негидростатическая модель NH3D впервые использована для воспроизведения атмосферных режимов в Арктике, связанных с термически неоднородной подстилающей поверхностью. Для этого в модель были встроены замыкания подсеточной турбулентности (нелокальное замыкание для условий неустойчивой стратификации и локальное для устойчивой), которые прежде были успешно использованы для параметризации турбулентного обмена в конвективном и устойчивом пограничных слоях в Арктике. Более того, для условий устойчивой стратификации проведена дальнейшая верификация локального замыкания турбулентности на основе сравнения с результатами эксперимента GABLS I.

На основании сравнения результатов NH3D с данными наблюдений для случая холодного вторжения в проливе Фрама 4-го марта 1993 года показано, что модель NH3D хорошо воспроизводит прогрев и рост конвективного АПС над открытой водой, а также амплитуду и характерный горизонтальный масштаб струйного течения ледового бриза (СТЛБ) даже при идеализированной постановке эксперимента. Сравнение результатов NH3D с результатами другой мезомасштабной модели METRAS продемонстрировало, что модель NH3D воспроизводит поля атмосферных параметров во время холодных вторжений с такой же точностью, что и модель METRAS. Результаты двух моделей очень хорошо согласуются друг с другом, что в первую очередь связано с использованием одинаковых замыканий турбулентности.

Параметризации турбулентного обмена, встроенные в модель NH3D, были также встроены автором в параллельную версию модели NH3D-MPI, развиваемую в Научно-исследовательском вычислительном центре МГУ им. Ломоносова. Кроме того, в ходе исследования были сделаны и другие модификации модели, такие как монотонизация схем численного сглаживания и адвекмодели N1130, мезомасштабиая изменчивовсть связана с приспособлением поля скорости ветра к резко меняющимся градиенту давления и высоте атмосферного пограничного слоя. Анализ результатов N1130 демонстрирует, что важную роль при этом играют агеострофические составляющие скорости ветра в атмосферном пограничном слое. В частности, выявлена обратная связь между процессами внутри атмосферного пограничного слоя и вышележащими слоями атмосферы. Эта обратная связь заключается в том, что дивергенция (конвергенция) массы в АПС приводит к вертикальным движениям над АПС и формированию дополнительных горизонтальных градиентов давления. Важная роль этой обратной связи в формировании мезомасштабной изменчивости продемонстрирована при помощи экспериментов с эйлеровой моделью перемешанного пограничного слоя атмосферы, программный код которой был полностью написан автором исследования.

В данной работе впервые было проведено систематическое исследование характеристик струйного течения ледового бриза в широком диапазоне внешних параметров. В частности, представлена количественная оценка амплитуды М и горизонтального масштаба Ь струйного течения ледового бриза, которая демонстрирует их сильную зависимость от значений внешних параметров. Обнаружено, что амплитуда струйного течения меняется от 0 до 0.5 и достигает наибольших значений при большой разнице температур поверхности морского льда и открытой воды при умеренной скорости крупномасштабного геострофического ветра |Уь| < 10 мс-1 северо-восточного направления (если кромка льда ориентирована в направлении запад-восток). Струйное течение очень слабо или отсутствует при больших |Л/" ь| северо-западного направления и разности Ав8 < 15 К. Мы обнаружили, что такая изменчивость осредпенной по высоте пограничного слоя скорости ветра хорошо согласуется с изменчивостью модуля скорости геострофического ветра, также осреднен-ного по высоте АПС. В работе показано, что учет термического ветра в атмосфсрном пограничном слое позволяет качественно предсказать полученную с помощью N1130 зависимость скорости ветра от внешних параметров.

Полученные оценки характерного горизонтального масштаба СТЛБ Ь показали, что Ь меняется в пределах от 80 до 250 км. Показано, что Ь наиболее чувствительно к модулю и направлению крупномасштабного геострофического ветра.

Исследование физических механизмов мезомасштабной изменчивости вблизи кромки льда имеют важное методологическое значение. Полученные результаты указывают на важность учета взаимодействия пограничного слоя с вышележащими слоями атмосферы при построении моделей пограничного слоя над неоднородной подстилающей поверхностью. Также, наши результаты указывают на недостатки распространенного подхода при вихреразре-шающем моделировании, в рамках которого модельная область вихреразре-шающей модели рассматривается как лагранжев объем, и, следовательно, бароклинность в АПС не может быть явно учтена.

Полученные результаты, а также использованная методика анализа и интерпретации результатов моделирования, могут использоваться в дальнейшем также и при интерпретации данных климатического моделирования, реанализа и наблюдений. Проведенное исследование физических процессов, определяющих пространственную изменчивость метеорологических полей в прикромочной зоне льда, должно расширить понимание роли прикромочных областей в региональном и глобальном климате.

Используя грубое пространственное разрешение, А у = 60 км в модели N1130, была проведена количественная оценка влияния грубого шага сетки на результаты моделирования. Показано, что занижение амплитуды струйного течения ледового бриза может достигать 50% в зависимости от внешних параметров. Соответственно оказываются занижены так же и турбулентные потоки тепла и импульса вблизи кромки льда в среднем на 10−15% при наибольшем занижении до 20−25%.

Важно, что эффект пространственного разрешения наиболее велик в области вблизи кромки льда, где имеет место наиболее интенсивный энергообмен атмосферы и океана. Среднемесячные значения потоков тепла в при-кромочной зоне по меньшей мере в 10−15 раз превышают потоки тепла над областями, покрытыми морским льдом в Центральной Арктике. Кроме того, известно, что процессы в прикромочной зоне играют важную роль на начальной стадии глубокой конвекции в океане. Это указывает на то, что использование грубой сетки в климатических моделях, а также данных реанализов с грубым пространственным разрешением, таких как NCEP/NCAR, ERA-40 и ERA-Interim, может представлять существенный недостаток при климатических исследованиях.

Проведенные исследования по сходимости результатов идеализированного моделирования холодных вторжений при уменьшении шага сетки показали, что для воспроизведения амплитуды струйного течения ледового бриза с точностью 10% шаг сетки должен составлять не больше, чем приблизительно L/7, где L — горизонтальный масштаб струйного течения ледового бриза. В соответствии с выполненными оценками L указанный максимальный шаг сетки должен быть порядка 15−20 км. Этот результат может иметь существенное методологическое значение при использовании численного моделирования в климатических исследованиях и оперативном прогнозе погоды. Он также позволяет рассчитывать, что данные реанализов нового поколения, таких как Climate Forecasting System Reanalysis NCEP и Arctic System Reanalysis, имеющих разрешение в пределах 10−30 км, адекватно воспроизводят мезомас-штабную изменчивость в прикромочпых областях.

На основе результатов идеализированного моделирования показано, что скорость ветра над линейно вытянутыми полыньями, которым в природе соответствуют заприпайные полыньи, также может характеризоваться существепной мезомасштабной изменчивостью, характеристики которой могут довольно точно быть описаны с помощью сделанных оценок для режима ХВ. Тем не менее, выявлена зависимость скорости ветра над полыньей от ее ширины, связанная с нелокальной обратной связью между процессами внутри АПС и вышележащими слоями атмосферы. Причем, чем меньше ширина полыньи, тем меньше амплитуда мезомасштабной изменчивости скорости ветра. Полученные результаты в отношении амплитуды мезомасштабной изменчивости скорости ветра над полыньями указывают на необходимость доработки существующих параметризаций турбулентного обмена над неоднородной подстилающей поверхностью в Арктике, используемых в моделях с грубым пространственным разрешением, для которых полыньи является подсеточ-ными объектами. В таких параметризациях мезомасштабная изменчивость скорости ветра не учитывается.

Несомненно, необходимы дальнейшие исследования физических механизмов пространственной изменчивости скорости ветра во время холодных вторжений, а также проведение более реалистичных численных экспериментов, например, с помощью вихреразрешающих моделей с учетом трехмерной структуры прикромочной зоны морского льда. Тем не менее, настоящее исследование является важным шагом в понимании и количественной оценке мезомасштабной изменчивости метеорологических величин в районах наиболее крупных неоднородностей подстилающей поверхности в Арктике — прикромочной зоны морского льда и заприпайных полыней.