Были проведены численные эксперименты без стохастической параметризации и в случае ее нали- чия. На рисунке 2 изображены спектры энергии до (NO SKEBS) и после включения (SKEBS) стохасти- ческой параметризации. Динамика крупных масштабов восстанавливается, а средние масштабы при- ближаются к DNS. Поскольку крупные масштабы были восстановлены, скорость адвекции приблизи- лась к DNS, и это отразилось на улучшении автоковариационных функций фурье-коэффициентов за- вихренности в средних масштабах (рисунок не приведен). Кроме того, по причине верного воспроизве- дения дисперсии и времени изменчивости динамических переменных на интервале обратного каскада энергии, чувствительность к постоянному возмущению также улучшилась (рисунок не приведен). В DNS-расчете на масштабе форсинга имеются мелкие вихри, которые отсутствуют в грубых моделях.
После включения стохастической параметризации вихри не появились, а спектр энергии в мелких мас- штабах не изменился. Таким образом, динамика крупных масштабов была восстановлена в отсутствие значительных изменений в мелких масштабах.
Рис. 2. Спектр энер- гии для четырех схем (INMOM, INMCM, Z, CCS) до включения стохастической пара- метризации (NO SKEBS), после вклю- чения (SKEBS) в срав- нении с DNS-расче- том. Серым обозначен процент энергии от DNS.
Работа выполнена в ИВМ РАН при поддержке гранта РФФИ 16-55-12015.
Литература:
1. P. Perezhogin, A. Glazunov, E. Mortikov, V. Dymnikov, Russian Journal of Numerical Analysis and Mathematical Modelling, 2017, 32(1), 1-14.
МЕЖДУНАРОДНАЯ МОЛОДЕЖНАЯ ШКОЛА И КОНФЕРЕНЦИЯ ПО ВЫЧИСЛИТЕЛЬНО-ИНФОРМАЦИОННЫМ ТЕХНОЛОГИЯМ ДЛЯ НАУК ОБ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ
CITES’ 2017
Assessment of permafrost thermal regime simulation in INMCM land surface model
Stambrovskaia A.S., Stepanenko V.M.
Lomonosov Moscow State University, Moscow, Russia E-mail: stepanen@srcc.msu.ru
T
he interactions between land and the atmosphere is an important part of the Earth's system modeling.The processes of heat and moisture transfer in soil models are specified by various parameterizations. It was found that due to the difference in these parameterizations the results of climate modeling vary greatly [Henderson-Sellers, McGuffie, & Pitman, 1996]. The reproduction of the temperature regime, moisture circulation regime and humidity dynamics in the soil is an important problem for further research. Particularly, studying the thermodynamic processes in soils containing permafrost and the assessment of their reproduction in models are important objectives.
Changing of the permafrost characteristics due to the climate change is of the interest to various areas of science - for example, for hydrology or biogeochemistry. The results of climate modeling can be used to esti- mate thermodynamical properties of permafrost. This research aims to evaluate the applicability of the INM land surface model [Dymnikov, Lykosov, and Volodin, 2015] to the permafrost temperature regime modeling, and to compare the simulation results with the observation data.
Observation data of the main meteorological variables (air temperature, humidity, precipitation, wind speed and direction, pressure) obtained at meteorological stations [10] were used. The time step in the model is 1 hour, so linear interpolation was used to yield meteorological variables with this resolution. Arrays of daily soil temperature values were compared with model calculations. The World Radiation Data Center (WRDC, [11]) dataset was used to compute the shortwave radiation flux. Longwave radiation flux was calculated using the semiempirical Brent’s formula [Kondratiev, 1965].
Numerical experiments were conducted using measurements at the stations Yakutsk (62° N, 129.7° E) and Verkhoyansk (67° N, 133.3° E) from 1980 to 1989. Three experiments were run for these points with different input data: under conditions of no precipitation (experiment 1); the same but taking into account the precipita- tion (experiment 2); the aim of the 3-d experiment was to assess the sensitivity of the model results to vertical grid spacing. In the latter experiment, the levels of the finite-difference grid of the model were altered from the currently used in the model (1, 2, 4, 8, 15, 25, 35, 45, 55, 65, 75, 85, 95, 105, 115, 125, 135, 145, 155, 200, 300, 500 and 1000 cm) to equidistant levels.
The soil surface temperature values in summer are similar in all experiments. In winter, the temperature varied depending on the thickness of the snow cover: snow increases the albedo of the surface, and therefore the temperature of the soil surface under thin snow cover decreases. However, a sufficiently thick snow layer dampens the cooling of the soil, i.e. the warming effect of the snow cover is observed. The results of the third experiment differ most strongly in surface temperature from the measured data in both cases due to the fact that the finite-difference grid spacing adopted in the INM model in the soil reduces towards the surface, and in ex- periment 3, the resolution of the model at the surface became substantially more coarse.
The surface temperature plays a considerable role for adequate reproduction of climate. It was concluded that the temperature of deep layers in the permafrost zone may be calculated with considerable errors in the climate model, not significantly affecting the quality of the regional climate simulation because the surface temperature is calculated much better.
However, the quality of temperature simulation at large soil depths is more important for the task of pre- dicting the future change of permafrost, and the modern version of the active layer parameterization in the model needs to be improved. In particular, it is shown that the initial data from which the model starts and the vertical resolution are significant: the replacement of current scheme onto a grid with a constant step leads to an improvement of the temperature calculations at deep layers.
INTERNATIONAL YOUNG SCIENTISTS SCHOOL AND CONFERENCE ON COMPUTATIONAL INFORMATION TECHNOLOGIES FOR ENVIRONMENTAL SCIENCES
CITES’ 2017
Оценка воспроизведения термического режима
многолетнемерзлой почвы блоком деятельного слоя суши модели Земной системы ИВМ РАН
Стамбровская А.С., Степаненко В.М.
Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова, Москва, Россия E-mail: stepanen@srcc.msu.ru
ВВЕДЕНИЕ
Моделирование процессов Земной системы невозможно без учета взаимодействия атмосферы с подстилающей поверхностью. Процессы тепло- и влагопереноса в моделях могут быть заданы различ- ными способами. Было выявлено, что из-за различия в параметризациях этого взаимодействия, резуль- таты моделирования климата сильно различаются. Для сравнения параметризаций процессов в дея- тельном слое суши в 1992 году был начат международный эксперимент PILPS - Project for Intercomparison of Land surface Parameterization Schemes [Henderson-Sellers, McGuffie, & Pitman, 1996].
По результатам проекта показано, что при использовании разных параметризаций перераспределе- ние осадков на сток и испарение неодинаково, различно воспроизводится влажность почвы. Разные схемы могут хорошо воспроизводить фактические значения отдельных величин, но нет ни одной, кото- рая бы хорошо воспроизводила бы все переменные, описывающие климатологические и гидрологиче- ские характеристики пунктов наблюдений. Следовательно, воспроизведение температурного режима, динамики влажности и описание режима циркуляции воды в почве является важной проблемой для дальнейших исследований. Актуальной задачей является исследование термодинамических процессов в многолетнемерзлых грунтах и оценка их воспроизведения в моделях.
Криолитозона – часть криосферы, верхний слой земной коры, в котором наблюдаются устойчивые отрицательные температуры в породах и почвах, а также возможно длительное существование подзем- ных льдов. Криолитозона состоит из нескольких компонентов – морозные породы (находятся в области отрицательных температур, но из-за того, что влажность слишком мала, не образуется лед), криопэги (влага в этих породах имеет очень высокую минерализацию, которая не дает воде перейти в кристалли- ческое состояние даже при низких температурах), и многолетнемерзлые породы. Многолетняя мерзло- та (многолетнемерзлые породы, вечная мерзлота, ММ) - породы, температура которых не поднимается выше нуля в течение двух и более лет, и в которых хотя бы часть воды перешла в твердое фазовое состо- яние [Анисимов и др., 2012].
Изменение характеристик многолетней мерзлоты (занимаемой площади, профиля среднегодовой температуры почвы, глубины сезонно-талого слоя, вертикальной мощности многолетнемерзлых пород, льдистости мерзлых грунтов) в связи с изменениями климата представляет интерес для различных об- ластей науки – например, гидрологии, биогеохимии, геоморфологии, и, с другой стороны, для таких прикладных задач, как строительство.
Свойства многолетней мерзлоты сильно меняются в зависимости от изменений климата, что дела- ет ее естественным показателем изменчивости климата. В прошлом распространение и характеристики многолетней мерзлоты сильно менялись на больших временных масштабах, связанных с ледниковыми периодами (такими как, например, Малый ледниковый период). Уменьшение площади, занятой много- летнемерзлыми породами, можно связать с увеличением температур поверхности, что особенно акту- ально для регионов высоких широт [Lemke&Ren, 2007]. Для оценки термодинамического состояния многолетней мерзлоты можно использовать результаты расчетов климатических моделей [Демченко и др., 2002, Мачульская, Лыкосов, 2009, Slater & Lawrence, 2013]. Распределение ММ, полученное с по- мощью таких расчетов, определяется двумя факторами – во-первых, способностью модели воспроизво- дить метеовеличины на больших временных масштабах и, во-вторых, способностью модели реали- стично отражать особенности физических процессов в многолетнемерзлых породах.
Данная работа направлена на то, чтобы проверить качество воспроизведения температурного ре- жима многолетней мерзлоты в модели Земной системы Института вычислительной математики РАН [Дымников, Лыкосов, и Володин, 2015] на фактических данных. Для выполнения поставленных задач были произведены расчеты значений температуры почвы на разных глубинах с использованием блока деятельного слоя суши модели ИВМ РАН, отвечающего за процессы тепловлагопереноса (диффузия и фазовые переходы) в почве и у ее поверхности.
МЕЖДУНАРОДНАЯ МОЛОДЕЖНАЯ ШКОЛА И КОНФЕРЕНЦИЯ ПО ВЫЧИСЛИТЕЛЬНО-ИНФОРМАЦИОННЫМ ТЕХНОЛОГИЯМ ДЛЯ НАУК ОБ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ