Дистанционные измерения характеристик снежно

Дистанционные измерения
характеристик снежно-ледяного
покрова в Арктике
Ирина Репина
Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН/
Институт космических исследований РАН
Основное содержание
1. Основные задачи полевых исследований
турбулентного взаимодействия атмосферы и
льда;
2. Потоки тепла над различными типами льда;
3. Коэффициент сопротивления и факторы его
определяющие;
4. Методы и результаты определения температуры
поверхности;
5. Заключение.
Летний минимум распределения
арктического льда
1987
2004
Основные факторы, влияющие на
толщину льда:
1. Температура
2. Соленость
3. Плотность (меняется от сезона к
сезону и существенно зависит от
температуры и солености льда)
4. Теплоемкость (определяется
теплоемкостями пресноводного
льда, рассола, солями в рассоле
и солями в осадке)
5. Структура поверхности
(заснеженность, всторошенность,
наличие снежниц и разрывов)
Зависимость температуры снежно-ледяной поверхности от
температуры воздуха для различных значений толщины льда
Поступление Атлантических вод в Северный ледовитый океан.
Распределение
температуры и
солености
Измерения температуры подстилающей поверхности в
эксперименте NABOS/АВЛАП (август-сентябрь 2006)
Комплекс СВЧ радиометров (5 см и 8 см)
ИК-тепловизор ИРТИС
Термическая структура тороса
Снежницы
Турбулентные измерения
Турбулентный
поток тепла
Турбулентный
поток влаги
Поток
импульса
H
u1
LH
u3
τ
Fc
Турбулентный
поток СО2
Измеряемые величины
q, c, T, U,V,W
10-20 Hz
[
s' = s − s
2
τ = − ρ 0 u ' w' + v ' w'
2
]
1
2
= ρ 0u*2 - поток импульса
H = c p ρ 0 w' T ' - Поток тепла
LE = ρ0 w' q 'Ls - Поток влаги
Fco2 = w' c '
τ = ρC u
2
D z
H = ρ c p C H u z (T0 − Tz )
LE = Ls C E u z (q0 − qz )
- Поток углекислого газа
2
u 
C D =  *  - Коэффициент сопр.
 uz 
CH =
w′T ′
- Число Стентона
u z (T0 − Tz )
CE =
w′q ′
- Число Дальтона
u z (q 0 − q z )
Параметр
шероховатости

κ
z0 = z exp  −

C Dn





Масштаб
Монина-Обухова
u* ρc p
2
L=−
κβ H
β =g
T
Относительное распределение величин измеренного потока
явного тепла в зависимости от типа льда
р овный, заснеженный
Одноле тний, толщина 30-70 см
Одноле тний сер ый л ед
Таящий л ед
%
25
20
15
10
5
0
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Вт/м2
% 18
16
14
12
Полыньи
10
8
6
4
2
0
50
100
150
2 00
250
Вт/м
3 00
2
350
4 00
450
80
30
Относительное
распределение потока
тепла (H) над сплошным
льдом..
льдом
25
%
20
15
10
5
0
-50
-20
10
40
70
100
H Вт м-2
200
150
H Вт м-2
100
50
Зависимость измеренного 0
потока тепла от
-50
сплоченности льда
0
2
4
6
-100
Спл оче ннос ть льд а (бал л ы)
8
10
Измерения на ледовых станциях
2
3
30
Вт/м 2
20
10
0
1s t
2d
3d
-10
с танции
4th
1
4
Температура поверхности: рассчитанная и из контактных измерений
a) Направление ветра от торосов к ровной поверхности
b) Направление ветра от ровной поверхности к торосам
2.9
2.7
2.3
2.1
1.9
1.7
2.4
1.5
2.3
50
100
150
200
250
2.2
distance, m
2.1
-3
0
CD 10
C D 10
-3
2.5
2
1.9
1.8
1.7
1.6
1.5
0
50
100
distance, m
150
20
%
18
♦Относительное распределение
параметра шероховатости (z0 )
над ровной заснеженной
поверхностью.
16
14
12
10
8
6
4
2
0
-6
-5.6
-5.2
-4.8
-4.4
-4
-3.6
-3.2
-2.8
-2 .4
-2
lo g (z 0 (m))
континентальный лед
18
%
Морской ровный лед
Морской лед с торосами
16
Относительное распределение
значений шероховатости
поверхности разных типов
14
12
10
8
6
4
2
0
0.000001
0.00001
0.0001
0.001
0.01
0.1
z0 1
Выводы
1. Вертикальные турбулентные потоки в полярных
районах существенно зависят от типа подстилающей
поверхности;
2. Коэффициенты обмена, полученные из прямых
измерений, не зависят прямо от каких-либо
метеорологических параметров, а зависят от
величин, которые невозможно легко измерить;
3. Для построения параметризаций
необходимо
проведение целенаправленных измерений над
различными поверхностями, которые включают в
себя
профильные
измерения,
измерения
в
приземном слое, дистанционные измерения.