aariПроблемы Арктики и АнтарктикиArctic and Antarctic Research0555-26482618-6713Государственный научный центр Российской Федерации Арктический и антарктический научно-исследовательский институт10.30758/0555-2648-2020-66-3-364-380aari-295Research ArticleФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ГИДРОСФЕРЫATMOSPHERE AND HYDROSPHERE PHYSICSОсобенности турбулентного теплообмена вблизи всторошенных участков морского льдаTurbulent heat exchange characterisics in sea ice ridges areasИвановБ. В.IvanovB. V.

Санкт-Петербург

Москва

St. Petersburg

Moscow

b_ivanov@aari.ruУразгильдееваА. В.UrazgildeevaA. V.

Санкт-Петербург

St. Petersburg

ПарамзинА. Н.ParamzinA. N.

Санкт-Петербург

St. Petersburg

СыроветкинС. С.SirovetkinS. S.

Санкт-Петербург

St. Petersburg

ДрабенкоД. В.DrabenkoD. V.

Санкт-Петербург

St. Petersburg

ГНЦ РФ Арктический и антарктический научно-исследовательский институт; Санкт-Петербургский государственный университет; Институт физики атмосферы РАНРоссияState Scientific Center of the Russian Federation Arctic and Antarctic Research Institute; Saint Petersburg State University; Institute of Atmospheric Physics RASRussian FederationГНЦ РФ Арктический и антарктический научно-исследовательский институт; Санкт-Петербургский государственный университетРоссияState Scientific Center of the Russian Federation Arctic and Antarctic Research Institute; Saint Petersburg State UniversityRussian FederationГНЦ РФ Арктический и антарктический научно-исследовательский институтРоссияState Scientific Center of the Russian Federation Arctic and Antarctic Research InstituteRussian Federation202029092020663364380Copyright © Иванов Б.В., Уразгильдеева А.В., Парамзин А.Н., Сыроветкин С.С., Драбенко Д.В., 20202020Иванов Б.В., Уразгильдеева А.В., Парамзин А.Н., Сыроветкин С.С., Драбенко Д.В.Ivanov B.V., Urazgildeeva A.V., Paramzin A.N., Sirovetkin S.S., Drabenko D.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.aaresearch.science/jour/article/view/295

Исследуются особенности процессов турбулентного теплообмена вблизи всторошенных участков морского льда с помощью беспилотного летательного аппарата (БПЛА). Предшествующие исследования показали, что альбедо склонов торосов и турбулентный обмен вблизи гряд отличаются от условий, наблюдаемых на ровном льду. В задачи исследований входили измерения отраженной радиации над всторошенными участками, для последующего расчета альбедо, и проведение измерений скорости ветра и температуры воздуха вблизи подветренных и наветренных склонов для оценки турбулентных потоков явного тепла. Использовался БПЛА, с оригинальным измерительным комплексом, для изучения всторошенных поверхностей и соседних участков ровного льда, а также измерения характеристик приземного слоя атмосферы (температура воздуха/поверхности, скорость ветра) вблизи торосов. Эксперименты показали, что альбедо и температура поверхности торосов ниже, чем на прилегающих участках ровного льда, а турбулентные потоки явного тепла отличаются от аналогичных характеристик, полученных на ровном льду. В условиях увеличивающейся доли тонких однолетних льдов в Арктике, в большей степени подверженных торошению по сравнению с многолетними льдами, оценки теплообмена с атмосферой, возможно, требует определенного пересмотра.

The studies of the features of turbulent heat exchange were carried out for the first time in domestic practice near ice ridge areas of sea ice using an unmanned aerial vehicle (UAV) as part of the expedition "Transarktika-2019" onboard the R/V “Akademik Tryoshnikov”. An original measuring complex designed in AARI, was used to assess the characteristics of the ice surface (ice ridges, flat areas of ice). This made it possible to obtain comparative estimates of the albedo and surface temperature of different morphometric structures of the sections of the ice field, where the expedition's ice camp was organized. Measurements of air temperature and wind velocity were carried in the atmospheric surface layer on flat snow-covered areas of sea ice out from the windward and leeward sides of the ridge in parallel with the UAV flights. As a result of the experiments, it was found that the ice ridges areas have a lower albedo and surface temperature compared to neighboring areas of flat sea ice on average. Turbulent heat fluxes from the windward side of the hummock ridge exceed similar values recorded from the leeward side under conditions of unstable stratification in the atmospheric surface layer and exceed the fluxes calculated for conditions of flat ice on the sections with absence of hummocks, on average. In total, the nature and intensity of turbulent heat conduction in the ice ridges area differs from the analogous values observed on the flat sea ice cover. It is possible that the assessment of heat conduction with the atmosphere requires a certain revision, against the background (within the conditions) of thin first-year ice increasing which is more prone to hummocking than multi-year ice.

альбедоторосыровный ледтурбулентный обмен в приледном слое атмосферыэксперименты с использованием БПЛАalbedoflat iceice ridgesturbulent heat conduction in the atmospheric surface layerUAV experimentsРабота выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ № 18-05-00471_а «Термодинамика торосов — новый взгляд на теплообмен между атмосферой и ледяным покровом в Арктике. Натурные эксперименты, моделирование» и в рамках раздела 5.1.4 Плана НИТР/ОПР Росгидромета.This work was carried out with the financial support of the RFBR grant № 18-05-00471_а “Thermodynamics of hummocks — a new look at heat transfer between the atmosphere and ice cover in the Arctic. Natural experiments, modeling” and within Roshydromet Targeted Scientific and Techical Program (TSTP), project 5.1.4.ReferencesФайловый сервер AAНИИ WDC Sea Ice. URL: http://wdc.aari.ru/datasets/d0004 (дата обращения 05.07.2020).AARI WDC Sea Ice file server. Available at: http://wdc.aari.ru/datasets/d0004 (accessed 05.05.2020).Макштас А.П. Тепловой баланс арктических льдов в зимний период. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. 65 с.Makshtas A.P. Teplovoi balans arkticheskikh l'dov v zimnii period. Heat balance of arctic ice during winter period. Leningrad: Gidrometeoizdat, 1984: 65 p. [In Russian].Иванов Б.В. Альбедо морского льда с учетом состояния снежниц и их площади // Труды ААНИИ. 2007. Т. 447. С. 16 — 131.Ivanov B.V. Albedo of sea ice taking into account the state of melt ponds and their area. Trudy AANII. AARII Procedeeng. 2007, 447: 16 — 131. [In Russian].Иванов Б.В., Андреев О.М. Особенности термической структуры арктических снежниц // Труды ААНИИ. 2003. Т. 446. С. 176 — 184.Ivanov B.V., Andreev O.V. Features of arctic melt ponds thermal structure. Trudy AANII. AARI Proceedings. 2003, 446: 176 — 184. [In Russian].Виноградняя Е.С., Егорова Е.С., Шевелева Т.В., Юлин А.В. Изменчивость положения границ старых льдов в весенний период и остаточных льдов в осенний период в Северном Ледовитом океане в текущем климатическом периоде // Российская Арктика. 2020. № 2 (9). С. 41 — 55. doi: 10.24411/2658-4255-2020-120094.Vinogradnaya E.S., Egorova E. ., Sheveleva T.V., Ylin A.V. Variability of the position of the boundaries of old ice in the spring and residual ice in the autumn in the Arctic Ocean in the current climatic period. Rossiyskaya Arktika. The Russian Arctic. 2020, 2 (9): 41 — 55. [In Russian].Tucker W.B. III, Perovich D.K., Gow A.J., Weeks W.F., Drinkwater M.R. Physical properties of sea ice relevant to remote sensing // Microwave remote sensing of sea ice. AGU Geophysical Monograph Series / Carsey F.D. (editor). Washington DC, USA. 1992. № 68. P. 9 — 28.Tucker W.B. III, Perovich D.K., Gow A.J., Weeks W.F., Drinkwater M.R. Physical properties of sea ice relevant to remote sensing. In: Microwave remote sensing of sea ice. AGU Geophysical Monograph Series. Carsey F.D. (editor). Washington DC, USA. 1992, 68: 9 — 28.Андреев О.М., Иванов Б.В., Безгрешнов А.М. Особенности перераспределения солнечной радиации в торосах Арктического бассейна // Метеорология и гидрология. 2011. № 1. С. 58 — 63.Andreev O.M., Ivanov B.V., Bezgreshnov A.M. Features of the redistribution of solar radiation in the hummocks of the Arctic basin. Meteorologiya i Gidrologiya. Meteorology and Hydrology. 2011, 1: 58 — 63. [In Russian].Иванов Б.В., Андреев О.М. К вопросу об определении альбедо торосистого образования // Метеорология и гидрология. 2011. № 6. С. 78 — 83.Ivanov B.V., Andreev O.M. To the question of determining the albedo of hummocky formation. Meteorologiya i Gidrologiya. Meteorology and Hydrology. 2011, 6: 78 — 83. [In Russian].Иванов Б.В., Поляков С.П. Некоторые результаты исследования отражательной способности склонов торосов в центральной части Арктического бассейна // Труды ГГО. 2013. № 569. С. 239 — 248.Ivanov B.V., Polykov S.P. Some results of a study of the reflectivity of hummock slopes in the central part of the Arctic basin. Trudy GGO. MGO Proceeding. 2013, 569: 239 — 248. [In Russian].Поляков С.П., Иванов Б.В., Андреев О.М., Безгрешнов А.М. Влияние торосистых образований на радиационные характеристики морского ледяного покрова // Лед и снег. 2011. № 4 (116). С. 80 — 84.Polykov S.P., Ivanov B.V., Andreev O.M., Bezgreshnov A.M. Influence of hummocky formations on the radiation characteristics of the sea ice cover. Led i Sneg. Ice and Snow. 2011, 4 (116): 80 — 84. [In Russian].Волков Ю.А., Репина И.А. Влияние структуры подстилающей поверхности в полярных районах на энергообмен атмосферы и океана // Поверхностные и внутренние волны в арктических морях / Под ред. И.В. Лавренова и Е.Г. Морозова. СПб.: Гидрометеоиздат, 2002. С. 189 — 206.Volkov Y.A., Repina I.A. Influence of the structure of the underlying surface in the polar regions on the energy exchange between the atmosphere and the ocean. Surface and internal waves. Ed. By I.P. Lavrenov, E.G. Morozov. St. Petersburg: Gidrometeoizdat, 2002: 189 — 206. [In Russian].Марченко А.В. Влияние консолидации торосов на тепловые потоки из океана в атмосферу // Труды ААНИИ. 2003. Т. 446. С. 150 — 164.Marchenko A.V. Effect of ice hummock consolidation on heat fluxes from the ocean to the atmosphere. Trudy AANII. AARI Proceedings. 2003, 446: 150 — 164. [In Russian].Репина И.А., Смирнов А.С. Перенос тепла и импульса над поверхностями сложной структуры // Математика, компьютер, образование. 2001. Т. 8. Ч. 2. С. 351 — 356.Repina I.A., Smirnov A.S. Heat and momentum transfer over complex surfaces. Matematika, komputer, obrazovanie. Mathematic, computer, education. 2001, 8 (4): 351 — 356. [In Russian].Репина И.А., Артамонов А.Ю., Смирнов А.С., Чечин Д.Г. Исследование взаимодействия океана и атмосферы в полярных районах в рамках Международного полярного года // Метеорологические и геофизические исследования / Под ред. Г.В. Алексеева. М.; СПб.: Паулсен, 2011. С. 236 — 250.Repina I.A., Artomonov A.Y., Smirnov A.S., Chechin D.G. Study of the interaction of the ocean and the atmosphere in polar regions within International Polar Year. Meteorological and Geophysic researches. Ed. by G.V. Alekseev. Moscow; St. Petersburg: Paulsen ltd., 2011: 236 — 250. [In Russian].Мурзин А.И. К вопросу об определении баланса радиации по профилю всторошенного льда // Труды АНИО. 1964. Т. 230. С. 41 — 44.Murzin A.I. On the question of determining the balance of radiation from the profile of hummock ice. Trudy ANIO. ARO Proceedings. 1964, 230: 41 — 44. [In Russian].Алексеев Г.В., Кузмина С.И., Уразгильдеева А.В., Бобылев Л.П. Влияние атмосферных переносов тепла и влаги на усиление потепления в Арктике в зимний период // Фундаментальная и прикладная климатология. 2016. Т. 1. С. 43 — 63.Alekseev G.V., Kuzmina S.I., Urazgildeeva A.V., Bobulev L.P. The influence of atmospheric heat and moisture transport on the intensification of warming in the Arctic in winter. Fundamentalnaya i prikladnaya klimatologiaya. Fundamental and Applied Climatology. 2016, 1: 43 — 63. [In Russian].Алексеев Г.В., Кузмина С.И., Глок Н.И. Влияние аномалий температуры океана в низких широтах на атмосферный перенос тепла в Арктику // Фундаментальная и прикладная климатология. 2017. Т. 1. С. 106 — 123.Alekseev G.V., Kuzmina S.I., Glok N.I. Influence of ocean temperature anomalies in low latitudes on atmospheric heat transfer to the Arctic. Fundamentalnaya i prikladnaya klimatologiaya. Fundamental and Applied Climatology. 2017, 1: 106 — 123. [In Russian].Алексеев Г.В., Кузмина С.И., Глок Н.И., Вязилова А.Е., Иванов Н.Е., Смирнов А.В. Влияние Атлантики на потепление и сокращение морского ледяного покрова в Арктике // Лед и снег. 2017. № 57 (3). С. 381 — 390.Alekseev G.V., Kuzmina S.I., Glok N.I., Vyazilova A.E., Ivanov N.E., Smirnov A.V. Impact of the Atlantic on warming and decreasing sea ice cover in the Arctic. Led i Sneg. Ice and Snow. 2017, 57 (3): 381 — 390. [In Russin].Alekseev G., Kuzmina S., Bobylev L., Urazgildeeva A., Gnatiuk N. Impact of atmospheric heat and moisture transport on the Arctic warming // International Journal of Climatology. 2019. V. 39. № 8. P. 3582 — 3592.Alekseev G., Kuzmina S., Bobylev L., Urazgildeeva A., Gnatiuk N. Impact of atmospheric heat and moisture transport on the Arctic warming. International Journal of Climatology. 2019, 39 (8): 3582 — 3592.Фролов И.Е., Гудкович З.М., Карклин В.П., Ковалев Е.Г., Смоляницкий В.М. Климатические изменения ледовых условий в арктических морях Евразийского шельфа // Проблемы Арктики и Антарктики. 2007. № 75. С. 149 — 160.Frolov I.E., Gudkovich Z.M., Karklin V.P., Kovalev E.G., Smolyanitsky V.M. Climatic changes in ice conditions in the Arctic seas of the Eurasian shelf. Problemy Arktiki i Antarktiki. Problems of the Arctic and Antarctic. 2007, 76: 149 — 160. [In Russian].Радионов В.Ф., Брязгин Н.Н., Александров Е.И. Снежный покров в арктическом бассейне. СПб.: Гидрометеоиздат, 1996. 124 с.Radionov V.F., Bryazgin N.N., Aleksandrov E.I. Snezhnyi pokrov v arkticheskom basseine. Snow cover in the arctic basin. St. Petersburg: Gidrometeoizdat, 1996: 124 p. [In Russian].Бузуев А.Я., Дубовцев В.Ф. Некоторые закономерности толщины снежно-ледяного покрова в арктичеких морях // Метеорология и гидрология. 1978. № 3. С. 54 — 60.Buzuev A.I., Dubovtsev V.F. Some regularities of the thickness of the snow-ice cover in the arctic seas. Meteorologiya i Gidrologiya. Meteorology and Hydrology. 1978, 3: 54 — 60. [In Russian].Андреев О.М., Иванов Б.В. Одномерная термодинамическая модель эволюции тороса // Метеорология и гидрология. 2007. № 6. С. 38 — 43.Andreev O.M., Ivanov B.V. One dimensional model of hummock evolution. Meteorologiya i Gidrologiya. Meteorology and Hydrology. 2007, 6: 38 — 43. [In Russian].Журавский Д.М., Прохорова У.В., Иванов Б.В., Куприков Н.М., Курапов М.В. Полевые испытания методики фотограмметрической оценки альбедо снежно-ледниковых поверхностей // Исследования Земли из Космоса. 2019. № 4. С. 18 — 28.Zhuravsky D.M., Prokhorova U.V., Ivanov B.V., Kuprikov N.M., Kurapov M.V. Field tests of the method for photogrammetric estimation of the albedo of snow-glacial surfaces. Issledovaniya Zemli iz Kosmosa. Exploration of the Earth from Space. 2019, 4: 18 — 28. [In Russian].Frolov I.E., Ivanov V.V., Filchuk K.V., Makshtas A.P., Kustov V.Yu., Mahotina I.A., Ivanov B.V., Urazgildeeva A.V., Semin V.L., Zimina O.L., Krylov A.A., Bogin V.A., Zakharov V.Yu., Malyshev S.A., Gusev E.A., Baryshev P.E., Pilgaev S.V. Transarctika-2019: winter expedition in the Arctic Ocean on the R/V “Akademik Tryoshnikov” // Проблемы Арктики и Антарктики. 2019. Т. 65. № 3. С. 255 — 274.Frolov I.E., Ivanov V.V., Filchuk K.V., Makshtas A.P., Kustov V.Yu., Mahotina I.A., Ivanov B.V., Urazgildeeva A.V., Semin V.L., Zimina O.L., Krylov A.A., Bogin V.A., Zakharov V.Yu., Malyshev S.A., Gusev E.A., Baryshev P.E., Pilgaev S.V. Transarctika-2019: winter expedition in the Arctic Ocean on the R/V “Akademik Tryoshnikov”. Problemy Arktiki i Antarktiki. Problems of the Arctic and Antarctic. 2019, 3 (65): 235 — 274.Монин А.С., Обухов А.М. Основные закономерности турбулентного перемешивания в приземном слое атмосферы // Труды Геофизического института АН СССР. 1954. № 24 (151). С. 163 — 187.Monin A.S., Obukhov A.M. Basic regularities of turbulent mixing in the surface layer of the atmosphere. Trudy Geofizicheskogo instityta AN SSSR. Proceedings of Geophysical institute AS USSR. 1954, 24 (151): 163 — 187. [In Russian].Макштас А.П., Иванов Б.В. Алгоритм расчета характеристик турбулентного обмена в приводном слое атмосферы // Физика атмосферы. Т. 12: Примеси в окружающей среде: Сб. науч. тр. Вильнюс: Мокслас, 1988. С. 56 — 63.Makshtas A.P., Ivanov B.V. Algorithm for calculating the characteristics of turbulent exchange in the near water layer of the atmosphere. Fizika Atmosfery. 12. Primesi v okryjaushei srede. Atmospheric Physics. 12. Impurities in the environment. Vilnius: Mokslas, 1988: 56 — 63. [In Russian].Быкова Л.П., Преображенский Л.Ю. Аэродинамические характеристики поверхности арктических районов // Труды ГГО. 1977. Т. 399. С. 87 — 114.Bukova L.P., Preobrajenskiy L.Y. Aerodynamic characteristics of Arctic area surface. Trudy GGO. MGO Proceeding. 1977, 399: 87 — 114. [In Russian].Макштас А.П., Тимачев В.Ф., Соколов В.Т., Кустов В.Ю., Говорина И.А. Процессы турбулентного энергообмена на границе морской лед — атмосфера по историческим данным и данным дрейфующих станций «Северный полюс-35» и «Северный полюс-39» // Проблемы Арктики и Антарктики. 2014. № 1 (99). С. 53 — 64.Makshtas A.P., Timachev V.F., Sokolov V.T., Kustov V.Y., Govorina I.A. Processes of turbulent energy exchange at the sea ice — atmosphere boundary according to historical data and data from drifting stations “North Pole-35” and “North Pole-39”. Problemy Arktiki i Antarktiki. Arctic and Antarctic Research. 2014, 1 (99): 53 — 64. [In Russian].Макштас А.П., Иванов Б.В., Тимачев В.Ф. Сравнение параметризаций турбулентного энергомассообмена в устойчиво-стратифицированном приземном слое атмосферы // Проблемы Арктики и Антарктики. 2012. № 3 (93). С. 5 — 18.Makshtas A.P., Ivanov B.V., Timachev V.F. Comparison of the parameterizations of turbulent energy and mass exchange in a stably stratified surface layer of the atmosphere. Problemy Arktiki i Antarktiki. Problems of the Arctic and Antarctic. 2012, 3 (93): 5 — 18. [In Russian].Иванов Б.В., Тимачев В.Ф. Тепловой баланс снежной поверхности морского льда в море Лаптевых весной 2009 года // Проблемы Арктики и Антарктики. 2012. № 4 (94). С. 99 — 104.Ivanov B.V., Timachev V.F. Heat balance of the snow surface of sea ice in the Laptev Sea in spring 2009. Problemy Arktiki i Antarktiki. Problems of the Arctic and Antarctic. 2012. № 4 (94): 99 — 104. [In Russian].

The authors declare that there are no conflicts of interest present.