Water-ice heat exchange and ice-water boundary layer in freshwater lakes
Final Report Abstract
Das Projekt widmete sich der Quantifizierung der Mechanismen, die den Wärmeaustausch in eisbedeckten Seen beeinflussen, und der Abschätzung der Auswirkung der Wärmeabgabe aus der Wassersäule auf die Eisdicke. Zu diesem Zweck wurden mehrere umfangreiche Feldkampagnen auf zwei eisbedeckten Seen durchgeführt: dem Baikalsee (Russland) und dem Kilpisjärvi (Lappland, Finnland). Darüber hinaus wurden in den beiden Seen autonome Eisüberwachungsstationen eingerichtet, mit denen die Wärmebudgetkomponenten während der gesamten Eisbedeckungszeiträume in beiden Seen gemessen wurden. Infolgedessen wurden die Struktur der Untereis-Grenzschicht und die Hauptmechanismen des Wärmetransports zwischen Wasser und Eis für große Seen und für kleine arktische Seen quantifiziert. Der Vergleich der Eisgrenzschichten im Baikalsee und im Kilpisjärvi ergab grundlegend unterschiedliche Mechanismen der Eisdynamik in Seen mit unterschiedlichen horizontalen Abmessungen, genauer gesagt mit den charakteristischen horizontalen Skalen des Sees relativ zur Längenskala der Erdrotation (dem Rossby-Radius). In beiden Fällen waren die Mechanismen der Turbulenzerzeugung unter dem Eis charakteristisch für entwickelte Turbulenzen in stark geschichteten Gewässer. Wir fanden einen engen Zusammenhang zwischen der Turbulenzintensität und der Bildungsrate (Schmelzrate) der saisonalen Eisdecke. Die Erkenntnis machte es erforderlich, die traditionellen Ansätze zur Modellierung der Eisbedeckungsdynamik zu überdenken. Die Turbulenz in der Grenzschicht wurde durch großräumige Zirkulation und Wellenbewegungen unter dem Eis erzeugt und stand im Gegensatz zu den herkömmlichen Annahmen nur indirekt im Zusammenhang mit der konvektiven Mischung durch die solare Erwärmung unter dem Eis. Die Essenz der Ergebnisse, bezogen auf das Hauptziel des Projekts, bestand in der Entwicklung und Verifizierung der universellen Skalierung des Eis-Wasser Wärmeflusses, die auf die direkte Umsetzung in numerische Modelle abzielte. Die ursprüngliche Hypothese über das Gleichgewicht zwischen der turbulenten kinetischen Energie und der Viskositätskraft in der Eisgrenzschicht wurde für kleine Seen eindeutig bestätigt. Der Eis-Wasser Wärmetransport im Baikalsee war hingegen durch das Wechselspiel zwischen der starken Dichteschichtung und der Scherung bestimmt, was einer typischen Situation in großen Seen und Meeren entspricht. Die Bilanz zwischen der Schichtung und Scherung konnte über die Kombination der „z-Skalierung“ für die neutrale Grenzschicht und der schichtungsabhängige Dougherty-Ozmidov-Skalierung parametrisiert werden. Die in diesem Projekt abgeleiteten Parametrisierungen können eine effektive Anwendung für Parametrisierung der Eisdecke in den großflächigen Landoberflächenmodellen finden, was eine Verbesserung der numerischen Wettervorhersage und der Klimaprojektionen für kalte Regionen verspricht. Die Daten zu Temperatur, Wärmeflüsse und Eisdickenvariationen in der saisonalen Eisbedeckung sind ein weiteres Ergebnis des Projekts, das für die Entwicklung von Eismodellen von Nutzen ist und einen ersten umfassenden Datensatz für die Modellüberprüfung und -optimierung darstellt.
Publications
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N. Granin , I. Aslamov, V. Kozlov, M. Makarov, G. Kirillin, K. Kucher, V. Blinov, V. Ivanov, I. Mizandrontsev, A. Zhdanov, A. Anikin, M. Granin, R. Gnatovsky
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