Factors controlling the surface energy budget over snow and ice

Abstract

Polar Regions are an energy sink of the Earth system, as the Sun rays do not reach the Poles for half of the year, and hit them only at very low angles for the other half of the year. In summer, solar radiation is the dominant energy source for the Polar areas, therefore even small changes in the surface albedo strongly affect the surface energy balance and, thus, the speed and amount of snow and ice melting. In winter, the main heat sources for the atmosphere are the cyclones approaching from lower latitudes, and the atmosphere-surface heat transfer takes place through turbulent mixing and longwave radiation, the latter dominated by clouds.

The aim of this thesis is to improve the knowledge about the surface and atmospheric processes that control the surface energy budget over snow and ice, with particular focus on albedo during the spring and summer seasons, on horizontal advection of heat, cloud longwave forcing, and turbulent mixing during the winter season. The critical importance of a correct albedo representation in models is illustrated through the analysis of the causes for the errors in the surface and near-surface air temperature produced in a short-range numerical weather forecast by the HIRLAM model. Then, the daily and seasonal variability of snow and ice albedo have been examined by analysing field measurements of albedo, carried out in different environments. On the basis of the data analysis, simple albedo parameterizations have been derived, which can be implemented into thermodynamic sea ice models, as well as numerical weather prediction and climate models. Field measurements of radiation and turbulent fluxes over the Bay of Bothnia (Baltic Sea) also allowed examining the impact of a large albedo change during the melting season on surface energy and ice mass budgets. When high contrasts in surface albedo are present, as in the case of snow covered areas next to open water, the effect of the surface albedo heterogeneity on the downwelling solar irradiance under overcast condition is very significant, although it is usually not accounted for in single column radiative transfer calculations. To account for this effect, an effective albedo parameterization based on three-dimensional Monte Carlo radiative transfer calculations has been developed. To test a potentially relevant application of the effective albedo parameterization, its performance in the ground-based retrieval of cloud optical depth was illustrated. Finally, the factors causing the large variations of the surface and near-surface temperatures over the Central Arctic during winter were examined. The relative importance of cloud radiative forcing, turbulent mixing, and lateral heat advection on the Arctic surface temperature were quantified through the analysis of direct observations from Russian drifting ice stations, with the lateral heat advection calculated from reanalysis products.

Polaarialueille tulee suuren osan vuodesta vain vähän tai ei lainkaan auringon säteilyä, ja siksi maapallo polaarialueilla luovuttaa avaruuteen enemmän energiaa kuin auringosta saa. Kesällä auringonsäteily on kuitenkin tärkein energianlähde polaarialueille. Siksi pienetkin muutokset albedossa, eli maapallon pinnan kyvyssä heijastaa auringon säteilyä, vaikuttavat voimakkaasti pinnan energiataseeseen, ja siten myös lumen ja jään sulamisen nopeuteen ja määrään. Talvella polaarialueiden ilmakehä saa lämpöä matalammilta leveysasteilta kulkeutuvien matalapaineiden tuomana. Tällöin ilmakehän ja maapallon pinnan välinen lämmönvaihto perustuu turbulenttiseen sekoittumiseen ja pitkäaaltoiseen säteilyyn, jonka tehokkuutta pilvisyys säätelee.

Väitöskirjan tavoitteena on parantaa ymmärrystä fysikaalisista prosesseista, jotka kontrolloivat lumen ja jään pinnan energiatasetta. Huomio kohdistuu erityisesti pinnan albedoon keväällä ja kesällä, lämmön horisontaaliseen kuljetukseen ilmakehässä, pilvien pitkäaaltoiseen säteilypakotteeseen, ja turbulenttiseen sekoittumiseen talvikaudella. Albedon kuvaus ilmakehämalleissa on aihe, jonka tärkeys tuodaan esille analysoimalla pinnan ja ilman lämpötilojen virhelähteitä säänennustusmallissa HIRLAM. Lumen ja jään albedon päivittäistä ja vuodenaikaista vaihtelua tutkittiin analysoimalla mittauksia erilaisissa ympäristöissä. Analyysien perusteella johdettiin albedon parametrisointi-menetelmiä homogeenisille ja heterogeenisille alustoille. Menetelmistä tehtiin niin yksinkertaisia, että ne ovat sisällytettävissä termodynaamisiin merijäämalleihin, numeerisiin säänennustusmalleihin ja ilmastomalleihin. Pohjanlahdella tehdyt mittaukset säteilystä ja turbulenssista mahdollistivat myös tutkimukset siitä miten albedon suuri muutos keväällä lumen sulaessa vaikuttaa merijään energia- ja massataseeseen. Heterogeenisen alustan efektiivisen albedon parametrisoinnilla osoitettiin myös olevan hyvin tärkeä sovellusmahdollisuus määritettäessä pilvien optinen paksuus maanpinnalta tehtävien mittausten perusteella. Lopuksi tarkasteltiin fysikaalisia tekijöitä, jotka aiheuttavat suuria vaihteluita lumen pinnan ja alimman ilmakehän lämpötiloissa talvella Pohjoisen jäämeren keskiosissa. Pilvien säteilypakotteen, turbulenttisen sekoittumisen, ja lämmön horisontaalisen kuljetuksen suhteellinen merkitys selvitettiin kvantitatiivisesti. Työ johti parempaan ymmärrykseen prosesseista jotka aiheuttavat päivittäisiä lämpötilavaihteluita nykyisessä ilmastossa, ja luo perustan arvioida ilmastomallien kykyä näiden vaihteluiden simuloinnissa.