Моделирование ледового режима соленых озер

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Представлена новая версия одномерной модели термогидродинамики и биогеохимии водоема LAKE 2.1. Модель дополнена описанием динамики и вертикального распределения солености в ледяном покрове. Результаты модели сопоставлены с данными контактных и спутниковых измерений температуры и ледяного покрова на оз. Убсу-Нур (Монголия) за период с 2000 по 2015 г. Показано, что недостаточное перемешивание в озере по вертикали в теплое время года в модели со стандартным турбулентным замыканием k–ε приводит к значительному сдвигу сроков установления льда. Продемонстрировано также, что при пренебрежении соленостью озера ледостав с модели начинается на 16-17 дней раньше действительных сроков. Эта ошибка удаляется, если в модели учитывать влияние солености воды на плотность воды и температуру замерзания; при этом, модель занижает в среднем на ≈0.2 м максимальную за сезон толщину льда. Данная ошибка, в свою очередь, уменьшается на порядок, если в модели воспроизвести вертикальное распределение и динамику солености льда.

Об авторах

В. М. Степаненко

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Автор, ответственный за переписку.
Email: stepanen@srcc.msu.ru
Россия, 119234 Москва, Ленинские горы, 1, стр. 4

И. А. Репина

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова; Институт физики атмосферы имени А.М. Обухова РАН 

Email: stepanen@srcc.msu.ru
Россия, 119234 Москва, Ленинские горы, 1, стр. 4; 119017 Москва, Пыжевский пер., 3 

Г. Ганбат

Информационно-исследовательский институт метеорологии, гидрологии и окружающей среды

Email: stepanen@srcc.msu.ru
Монголия, 15160 Улаанбаатар, Жуулчны гудамж-3, Бага тойруу-5

Г. Даваа

Информационно-исследовательский институт метеорологии, гидрологии и окружающей среды

Email: stepanen@srcc.msu.ru
Монголия, 15160 Улаанбаатар, Жуулчны гудамж-3, Бага тойруу-5

Список литературы

  1. Бреховских В.Ф. Гидрофизические факторы формирования кислородного режима водоемов / Отв. ред.: В.К. Дебольский, А.Г. Кочарян. М.: Наука, 1988. 168 с.
  2. Greene S., Walter Anthony K.M., Archer D., Sepulveda-Jauregui A., Martinez- Cruz K. Modeling the impediment of methane ebullition bubbles by seasonal lake ice // Biogeosciences. 2014. V. 11(23). P. 6791–6811.
  3. Hodgkins G.A., James Ii I.C., Huntington T.G. Historical changes in lake ice-out dates as indicators of climate change in New England, 1850–2000 // Int. J. Climatol. 2002. V. 22. P. 1819–1827.
  4. Latifovic R., Pouliot D. Analysis of climate change impacts on lake ice phenology in Canada using the historical satellite data record // Remote Sensing of Environment. 2007. V. 106(4). P. 492–507.
  5. Oveisy A., Boegman L. One-dimensional simulation of lake and ice dynamics during winter // Journal of Limnology. 2014. V. 73(3). doi: 10.4081/jlimnol.2014.903
  6. Mironov D.V. Parameterization of lakes in numerical weather prediction. Description of a lake model. Technical report, Deutscher Wetterdienst, 2008.
  7. Fang X., Stefan H.G. Long-term lake water temperature and ice cover simulations/measurements // Cold Reg. Sci. Technol. 1996. V. 24(3). P. 289–304.
  8. Leppäranta M. Modelling the Formation and Decay of Lake Ice // In The Impact of Climate Change on European Lakes. Springer Netherlands, Dordrecht: 2010. P. 63–83.
  9. Brown L.C., Duguay C.R. Modelling Lake Ice Phenology with an Examination of Satellite-Detected Subgrid Cell Variability // Advances in Meteorology. 2012. V. 2012. P. 1–19.
  10. Воеводин А.Ф., Гранкина Т.Б. Численное моделирование динамики роста ледяного покрова в пресных и солоноватых водах // Математические заметки СВФУ. 2012. С. 147–158.
  11. Назинцев Ю.Л., Панов В.В. Фазовый состав и теплофизические характеристики морского льда. С.-П.: Гидрометеоиздат, 2000. 84 с.
  12. Яковлев Н.Г. Совместная модель общей циркуляции вод и эволюции морского льда в Северном Ледовитом океане // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2003. V. 39(3). P. 394–409.
  13. Griewank P.J., Notz D. A 1-D modelling study of Arctic sea-ice salinity // The Cryosphere. 2015. V. 9(1). P. 305–329.
  14. Степаненко В.М., Лыкосов В.Н. Численное моделирование процессов тепловлагопереноса в системе водоем–грунт // Метеорология и гидрология. 2005. № 3. С. 95–104.
  15. Stepanenko V., Mammarella I., Ojala A., Miettinen H., Lykosov V., Vesala T. LAKE 2.0: A model for temperature, methane, carbon dioxide and oxygen dynamics in lakes // Geosci. Model Dev. 2016. V. 9(5). C. 1977–2006.
  16. Степаненко В.М., Мачульская Е.Е., Глаголев М.В., Лыкосов В. Н. Моделирование эмиссии метана из озер зоны вечной мерзлоты // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2011. Т. 47. № 2. С. 275–288.
  17. Stepanenko V.M., Martynov A., Goyette S., Fang X., Perroud M., Mironov D. First steps of a Lake Model Intercomparison Project // Boreal Environ. Res. 2010. V. 15. P. 191–202.
  18. Stepanenko V.M., Martynov A., Jöhnk K.D., Subin Z.M., Perroud M., Fang X., Beyrich F., Mironov D., Goyette S. A one-dimensional model intercomparison study of thermal regime of a shallow, turbid midlatitude lake // Geosci. Model Dev. 2013. V. 6(4). P. 1337–1352.
  19. Stepanenko V., Jöhnk K.D., Machulskaya E., Perroud M., Subin Z., Nordbo A., Mammarella I., Mironov D. Simulation of surface energy fluxes and stratification of a small boreal lake by a set of one-dimensional models // Tellus, Series A: Dynamic Meteorology and Oceanography. 2014. V. 66(1). P. 21389.
  20. Thiery W., Stepanenko V., Fang X., Jöhnk K., Li Z., Martynov A., Perroud M., Subin Z., Darchambeau F., Mironov D., van Lipzig N. LakeMIP Kivu: evaluating the representation of a large, deep tropical lake by a set of one-dimensional lake models // Tellus, Series A: Dynamic Meteorology and Oceanography. 2014. V. 66(1). P. 21390.
  21. Богородский П.В., Пнюшков А.В. Простая модель кристаллизации морской воды в спектре температур // Океанология. 2007. Т. 47(4). С. 539–545.
  22. Андреев О.М., Иванов Б.В. Параметризация вертикального распределения солености однолетнего морского льда для задач термодинамического моделирования в Арктике. Проблемы Арктики и Антарктики. 2007. Т. 75. С. 99–105.
  23. Зубов Н.Н. Льды Арктики. М: Изд. Главсевморпути, 1945. 360 с.
  24. Paul M. Limnological aspects of the Uvs Nuur Basin in northwest Mongolia. PhD thesis, Technischen Universitaet Dresden, 2012. 201 p.
  25. Horn W., Paul M., Uhlmann D., Dulmaa A., Davaa G., Tseveendorj N., editors. The recent surface and subsurface waters in the endorheic Uvs Nuur Basin (Northwest Mongolia). Hirzel S. Verlag, 2016. 32 p.
  26. Poole H.H., Atkins W.R.G. Photo-electric Measurements of Submarine Illumination throughout the Year // J. Mar. Biol. Assoc. U. K. 1929. V. 16(01). P. 297.
  27. Perovich D.K. The Optical Properties of Sea Ice. US Army Corps of Engineers, 1996. Tech. report 96-1.
  28. Berrisford P., Dee D.P., Poli P., Brugge R., Fielding K., Fuentes M., Krallberg P.W., Kobayashi S., Uppala S., Simmons A. The ERA-Interim archive Version 2.0. Shinfield Park, Reading, 2011.
  29. MacCallum S.N., Merchant C.J. Surface water temperature observations of large lakes by optimal estimation // Can. J. Remote Sens. 2012. V. 38(1). P. 25–45.
  30. Hosoda K., Murakami H., Sakaida F., Kawamura H. Algorithm and validation of sea surface temperature observation using MODIS sensors aboard terra and aqua in the western North Pacific // J. Oceanogr. 2007. V. 63(2). P. 267–280.
  31. Sharma S., Gray D. K., Read J.S., O’Reilly C.M., Schneider P., Qudrat A., Gries C. Stefanoff S., Hampton S.E., Hook S., Lenters J.D., Livingstone D.M., McIntyre P.B., Adrian R., Allan M.G., Anneville O., Arvola L., Austin J., Bailey J., Baron J.S., Brookes J., Chen Y., Daly R., Dokulil M., Dong B., Ewing K., de Eyto E., Hamilton D., Havens K., Haydon S., Hetzenauer H., Heneberry J., Hetherington A.L., Higgins S.N., Hixson E., Izmest’eva L.R., Jones B.M., Kangur K., Kasprzak P., Koster O., Kraemer B.M., Kumagai M., Kuusisto E., Leshkevich G., May L., MacIntyre S., Muller-Navarra D., Naumenko M., Noges P., Noges T., Niederhauser P., North R.P., Paterson A.M., Plisnier P.-D., Rigosi A., Rimmer A., Rogora M., Rudstam L., Rusak J.A., Salmaso N., Samal N.R., Schindler D.E., Schladow G., Schmidt S.R., Schultz T., Silow E.A., Straile D., Teubner K., Verburg P., Voutilainen A., Watkinson A., Weyhenmeyer G.A., Williamson C.E., Woo K.H. A global database of lake surface temperatures collected by in situ and satellite methods from 1985–2009 // Sci. Data. 2015. V. 2. P. 150008.
  32. Хвостов И.В., Романов А.Н., Тихонов В.В., Шарков Е.А. Некоторые особенности микроволнового радиотеплового излучения пресноводных водоемов с ледовым покровом // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2017. T. 14(4). P. 149–154.
  33. Gardner A.S., Sharp M.J. A review of snow and ice albedo and the development of a new physically based broadband albedo parameterization // J. Geophys. Res. 2010. V. 115(F1). P. F01009.
  34. Чубаренко И.П. Горизонтальная конвекция над подводными склонами. Терра-Балтика, Калининград, 2010. 282 с.
  35. Arai T. Climatic and geomorphological influences on lake temperature // SIL Proceedings, 1922–2010. 1981. V. 21(1). P. 130–134.
  36. Patalas K. Mid-summer mixing depths of lakes of different latitudes // SIL Proceedings, 1922–2010. V. 22(1). P. 97–102.
  37. Gaudard A., Schwefel R., Vinna L. R., Schmid M., Wuest A., Bouffard D. Optimizing the parameterization of deep mixing and internal seiches in one-dimensional hydrodynamic models: a case study with Simstrat v1.3 // Geosci. Model Dev. 2017. V. 10(9). P. 3411–3423.
  38. Baumert H.Z., Peters H. Turbulence closure: turbulence, waves and the wave- turbulence transition – Part 1: Vanishing mean shear // Ocean Sci. 2009. V. 5. P. 47–58.
  39. Hondzo M., Stefan H.G. Lake Water Temperature Simulation Model // Journal of Hydraulic Engineering. 1993. V. 119(11). P. 1251–1273.
  40. Kirillin G., Terzhevik A. Thermal instability in freshwater lakes under ice: Effect of salt gradients or solar radiation? // Cold Reg. Sci. Technol. 2011. V. 65(2). P. 184–190.
  41. Stepanenko V., Repina I.A., Artamonov A., Gorin S., Lykosov V.N., Kulyamin D. Mid-depth temperature maximum in an estuarine lake // Environmental Research Letters. 2018. V. 13(3). P. 035006.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2019

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах