GRL: 基于MOSAiC观测资料揭示北极海冰表面湍流垂直结构特征

学术   2024-11-18 13:00   北京  
中山大学/南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海)杨清华教授团队基于“北极气候多学科漂流冰站计划(MOSAiC)”观测数据在北极海冰界面过程及其参数化研究中取得系列创新成果(Liu et al., 2023, 2024; Peng et al., 2023; Gu et al., 2024; Xi et al., 2024)。近日,该团队基于MOSAiC冰站湍流观测数据取得新进展,量化揭示了北极海冰表面湍流动能垂直结构特征及其对湍流通量参数化的影响。该成果发表于Geophysical Research Letters


北极近冰层湍流混合过程是实现海冰-大气相互作用的主要途径,厘清湍流生成机制并准确描述近冰层湍流动能(TKE)垂直结构对改进湍流通量参数化方案具有重要意义。一般地,在中性或稳定边界层中,湍流主要由气流与地表摩擦产生的切变效应产生,此时TKE在地表附近最大,并随高度逐渐递减。然而在北极大气边界层中,海冰下垫面的许多独特性质可能对表面湍流混合过程产生影响。目前,基于北极冰面的湍流观测及其相关研究较少,对于北极冰面的TKE垂直结构认识尚不充分。

基于MOSAiC采集的湍流观测数据,研究团队揭示了北极海冰表面主要存在两种TKE垂直结构特征,其中一种“表面型”的TKE垂直结构符合我们对近地面TKE垂直结构分布的传统认知,TKE强度随高度升高而减弱,而另一种“抬升型”的TKE垂直结构则在中间层出现最强TKE。两种湍流垂直结构占比分别为65%和35%。随后,进一步分析了“抬升型”湍流垂直结构的触发机制,发现动力切变项中动量通量的垂直分布差异是导致产生两种湍流垂直结构的主要原因,并且动量通量的垂直分布与稳定度无关。研究团队对一个由“表面型”结构逐渐过渡到“抬升型”结构的个例进行了研究,发现在“抬升型”湍流结构中6米高度处的低频(大涡)贡献显著大于2米高度,且由水平分量主导。本研究认为下垫面非均匀性(例如冰脊、融池、水道分布)可能是导致“抬升型”垂直结构出现的原因。下垫面非均匀性激发自上而下的大涡,从而使6米高度处的湍流动能增强。

最后,本研究评估了在不同TKE垂直结构下1.5阶闭合方案中动量通量参数化的表现,发现目前参数化方案在湍流动能更强的高度处表现更好。当出现“抬升型”垂直结构时,2米高度处的动量通量参数化结果被显著低估,这可能与参数化方案没有考虑自上而下传输的湍涡贡献有关。



图1. (a-b)不同高度湍流动能(TKE)的比较。(c-d)“表面型”与“抬升型”湍流垂直结构。(e-f)两种湍流垂直结构中不同高度处的湍流动能通量。(g-h)两种湍流垂直结构示意图。
图片来源:Peng等,2024


图2.在(a-b)“表面型”与(c-d)“抬升型”湍流垂直结构中1.5阶闭合湍流通量通量参数化在2米和6米高度处的表现。
图片来源:Peng等,2024

上述研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金和南方海洋实验室创新团队建设科研经费等的支持。

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https://doi.org/10.1029/2024GL110792

参考文献

Gu Fengguan, Frank Kauker, Qinghua Yang, Bo Han, Yongjie Fang, and Changwei Liu. Effects of freezing temperature parameterization on simulated sea-ice thickness validated by MOSAiC observations. Geophysical Research Letters, 2024.06.17, 51(12), e2024GL108281

Liu Changwei, Qinghua Yang, Matthew D. Shupe, Yan Ren, Shijie Peng, Bo Han, and Dake Chen. Atmospheric turbulent intermittency over the Arctic sea-ice surface during the MOSAiC expedition.Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 2023.08.16, 128(15), e2023JD038639.

Liu Changwei, Qinghua Yang, Zhongming Gao, Matthew D. Shupe, Bo Han, Huixian Zhang, Shijie Peng, Xingya Xi, and Dake Chen. The role of non-local effects on surface sensible heat flux under different types of thermal structures over the Arctic sea-ice surface. Geophysical Research Letters, 2024.02.28, 51(4), e2023GL106753.

Peng Shijie
, Qinghua Yang, Matthew D. Shupe, Xingya Xi, Bo Han, Dake Chen, Sandro Dahlke, and Changwei Liu. The characteristics of atmospheric boundary layer height over the Arctic Ocean during MOSAiC. Atmospheric Chemistry and Physics, 2023.08.08, 2315, 8683-8703.

Xi Xingya, Qinghua Yang, Changwei Liu, Matthew D. Shupe, Bo Han, Shijie Peng
, Shaohui Zhou, and Dake Chen. Evaluation of the planetary boundary layer height from ERA5 reanalysis with MOSAiC observations over the Arctic Ocean. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 2024.06.22, 129(12), e2024JD040779.

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