Численное моделирование влияния холодной пленки на тепловой баланс и термический режим водоемов

Для решения различных прикладных и фундаментальных задач физики атмосферы необходима оценка процессов энергообмена на границе раздела атмосферы и океана. В этом свете информация о температуре поверхности воды имеет ключевое значение, так как именно ее разность с температурой воздуха в значительной мере определяет интенсивность и направленность обменных процессов. Температура поверхности океана (ТПО) используется при определении составляющих теплового баланса на поверхности океана: турбулентных потоков тепла и влаги, уходящего длинноволнового излучения. Газообмен между атмосферой и океаном также в значительной степени зависит от температуры поверхности.
ТПО, восстанавливаемая по результатам спутникового зондирования в инфракрасном диапазоне, представляет собой температуру холодной пленки на поверхности океана, в то время как данные контактных измерений как правило относятся к некоторой глубине. Различия между температурой холодной пленки и нижележащих слоев воды могут достигать 1-2 градусов. Именно холодная пленка непосредственно участвует в тепло- и газообмене океана и атмосферы. При численном моделировании наличием холодной пленки часто пренебрегают, что может приводить к систематическим ошибкам в расчетах температуры поверхности воды и величин турбулентных потоков тепла и влаги между атмосферой и океаном.
В работе исследуется влияние холодной пленки на энергообмен между атмосферой и океаном. С этой целью проведена серия численных экспериментов с использованием одномерной модели водоема LAKE. В модели использовалось три типа параметризаций холодной пленки. В качестве граничных и начальных условий использовались данные натурных экспериментов в прибрежной зоне Черного моря, в Северном Ледовитом Океане и над озером Спарклинг. По результатам экспериментов установлено, что модель LAKE со встроенной параметризацией холодной пленки успешно воспроизводит характеристики холодной пленки, а именно величину разности температуры на поверхности холодной пленки и температуры воды на некоторой глубине. Результаты численных экспериментов лежат в пределах изменчивости результатов натурных экспериментов. Показано, что наличие холодной пленки приводит к уменьшению потерь тепла водоемом. Численные эксперименты показали, что наличие холодной пленки может приводить к изменениям термического режима водоема, его стратификации за счет изменения теплового баланса на поверхности. Это может иметь большое значение для моделирования многих процессов внутри водоема и на его поверхности, таких как, например, газо- и теплообмен. На основании результатов численных экспериментов делается вывод о том, что учет наличия холодной пленки на поверхности водоемов будет иметь наиболее важное значение при климатическом моделировании.