Моделирование морского льда является актуальной задачей в последние десятилетия в связи с глобальным изменением климата, развитием судоходства в арктических и субарктиче- ских морях, а также освоением шельфовой области и др. В данной работе для восстановления многолетней изменчивости (1992-2021 гг.) состояния морского льда (концентрация и толщи- на) использовалась гидродинамическая модель высокого разрешения NEMO 4.2.1 (Nucleus for European Modelling of the Ocean), в конфигурации автономного модуля взаимодействия океана и атмосферы – Stand-Alone-Surface (SAS) и использованием блока ледового покрова SI3 (Sea ice Modelling Integrated Initiative) [1].
Модуль SI3 предназначен для глобального и регионального применения и учитывает ди- намику и термодинамику льда, включения рассола и изменения толщины в подсеточном мас- штабе.
В работе использовались следующие данные для финальных расчетов:
· В качестве форсинга брались данные атмосферного реанализа ERA5: компоненты век- тора скорости ветра на уровне 10 м, температура воздуха на уровне 2 м, температура точки росы на уровне 2 м, давление на уровне моря, количество твердых осадков, длинноволновая и коротковолновая нисходящая радиация, а также общее количество осадков. Дискретность – 1 час, разрешение – 0.25∘×0.25∘;
· Данные гидротермодинамики океана – уровень моря, компоненты вектора скорости тече- ний, температура и соленость воды были взяты из результатов моделирования Delft3D-FLOW для Охотского моря (пространственное разрешение около 4 км). Дополнительно подключался массив температуры поверхности океана OSTIA (0.05∘×0.05∘);
· В качестве начальных и граничных условий использовалась температура льда из реана- лиза ERA5, а также концентрация и толщина льда из океанического реанализа GLORYS12V1; · Для получения информации о батиметрии использовались оцифрованные навигационные карты для района у побережья острова Сахалин, дополненные данными глобальной батиметрии
Global Multi-Resolution Topography (GMRT) v4.0 (шаг 30’);
Для оценки результатов экспериментов рассчитывались различные метрики, такие как
RMS, RMSE, bias, интегрированная ошибка кромки льда и др. [2]. Данные для оценки качества моделирования: OSTIA (Global Ocean Sea Surface Temperature and Sea Ice Analysis) – концен- трация льда, SMOS Sea Ice Thickness – толщина льда. Также использовались ледовые карты ААНИИ и ЕСИМО для визуального анализа результатов.
На этапе верификации модели производился подбор оптимальной конфигурации расчетной сетки, эксперименты с различными входными данными, выбор реологии и настройка парамет- ризаций ледового модуля. Для финальных расчетов была выбрана прямоугольная и регулярная сетка с разрешением 0,03 градуса. Основной параметризацией для реологии льда была выбрана EVP (elastic-viscous-plastic).
Для верификации были выбраны три ключевых периода, отражающих физический меха- низм образования/таяния морского льда: льдообразование (ноябрь), стабильный покров (фев- раль) и таяние (апрель-май). В процессе верификации были получены следующие выводы:
- Коэффициент трения между атмосферой и океаном cd_i влияет значительно на простран- ственное распределение ледовых параметров. Был принят равным 1.4×10-3.
- Воздействие температуры и солености воды на процессы термодинамики образования льда яв- ляется определяющим. Подбор источника данных для этих параметров играет ключевую роль в достижении достоверных результатов. Так, продукт GLORYS12V1 довольно плохо воспроиз- водит поверхностную температуру и соленость, в отличие от Delft3D.
- Также на толщину льда значительно влияет параметризация торосистости (ridging/rafting), особенно ее коэффициент, зависящий от прочности льда – pstar. Приняли равным 2.0×104 Н/м2. - Коэффициент трения между льдом и океаном cio влияет на скорость дрейфа, но незначитель- но меняет пространственное распределение ледовых параметров. Был принят равным 5×10-3.
Анализ воспроизведения ледовых характеристик показал высокую достоверность модель- ных расчетов. Модель хорошо воспроизводит скорость нарастания и появления льда на аквато- рии по сравнению с ледовыми картами. Заметим, что значения концентрации по модели NEMO более близки к ледовым картам ЕСИМО и ААНИИ, чем значения продуктов OSTIA и SMOS.
Рассмотрение результатов экспериментов в период стабильного покрова выявил, что мо- дель демонстрирует завышение площади распространения льда, особенно заметное в проливе Лаперуза и Татарском проливе. В то же время, в регионах, которые представляют интерес, а именно в районе шельфа о. Сахалин, значения концентрации льда характеризуются точным воспроизведением, согласующимся как с ледовыми картами, так и с данными OSTIA. Отмеча- ется небольшое завышение значений толщины льда по сравнению с ледовыми картами и SMOS. Также модель успешно воспроизводит постоянную полынью, расположенную к северо-востоку от Сахалина.
Наибольшие трудности в воспроизведении характеристик льда при данной конфигурации модели возникают в период таяния. Этот временной отрезок также представляет сложность в интерпретации данных дистанционного зондирования и их отражении на ледовых картах. Эта сложность обусловлена трудностями определения границы между водой и льдом в период активного образования снежниц. В некоторых случаях модель может демонстрировать более интенсивное таяние, чем наблюдалось в реальных условиях.
Общий вывод заключается в том, что ледовый модуль SI3 модели NEMO в конфигурации SAS успешно воспроизводит ледовые характеристики на протяжении большей части ледового сезона, за исключением периода таяния, когда отмечается занижение значений концентрации и толщины льда. Проведенная верификация подчеркивает значимую зависимость ледового мо- дуля не только от коэффициентов параметризации ледовых процессов, но также от качества предоставляемых входных данных.