Взаимодействие плотных шельфовых вод Баренцева и Карского морей с вихревыми структурами

Г. А. Платов1,2,✉, Е. Н. Голубева1,2

1 Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, Новосибирск, Россия

2 Новосибирский национальный исследовательский государственный университет, Новосибирск, Россия

✉ e-mail: platov.g@gmail.com

Аннотация

Цель. Рассмотрены процессы формирования плотной придонной воды в зимний период в районе северо-западного побережья Новой Земли и ее дальнейшего распространения вдоль наклонного дна в сторону трога Св. Анны и далее в открытый океан. Цель состоит в том, чтобы показать, что процесс такого распространения тесно связан с генерацией мезомасштабных вихрей.

Методы и результаты. Данные имеющихся измерений указывают лишь на остаточные формы такого движения, поскольку охватывают в основном лишь летний сезон. Численное исследование проводится с помощью системы вложенных моделей SibCIOM и SibPOM. В ходе численных экспериментов удалось показать пригодность данной системы при описании придонной структуры вод и детально воспроизвести процесс распространения придонных вод. При анализе процесса выявлена энергетическая конверсия доступной потенциальной энергии регулярного движения в потенциальную энергию вихревых образований. В свою очередь, агеострофичность вихревых структур способствует ускоренному продвижению плотных шельфовых вод вниз вдоль наклонного дна.

Выводы. Одна из важных особенностей процессов формирования и распространения придонных плотных вод состоит в том, что на начальном этапе они сопровождаются активной генерацией мезомасштабных вихревых структур. Оба процесса энергетически взаимодействуют и способствуют увеличению тепломассообмена между шельфом и открытым океаном. Правильное описание этих обменов является необходимым условием для успешного моделирования термодинамики промежуточных и глубоких вод Северного Ледовитого океана.

Ключевые слова

Северный Ледовитый океан, Карское море, формирование водных масс, каскадинг, мезомасштабный вихрь

Благодарности

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, грант № 17-05-00382, с использованием ресурсов Центра коллективного пользования «Сибирский суперкомпьютерный центр» ИВМиМГ СО РАН.

Для цитирования

Платов Г. А., Голубева Е. Н. Взаимодействие плотных шельфовых вод Баренцева и Карского морей с вихревыми структурами // Морской гидрофизический журнал. 2019. Т. 35, № 6. С. 549–571. EDN YKKXAG. doi:10.22449/0233-7584-2019-6-549-571

Platov, G.A. and Golubeva, E.N., 2019. Interaction of Dense Shelf Waters of the Barents and Kara Seas with the Eddy Structures. Physical Oceanography, [e-journal] 26(6), pp. 484-503. doi:10.22449/1573-160X-2019-6-484-503

DOI

10.22449/0233-7584-2019-6-549-571

Список литературы

  1. Martin S., Cavalieri D. J. Contributions of the Siberian shelf polynyas to the Arctic Ocean intermediate and deep water // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1989. Vol. 94, iss. C9. P. 12725–12738. https://doi.org/10.1029/JC094iC09p12725
  2. Schauer U. The release of brine-enriched shelf water from Storfjord into the Norwegian Sea // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1995. Vol. 100, iss. C8. P. 16015–16028. https://doi.org/10.1029/95JC01184
  3. Winsor P., Bjork G. Polynya activity in the Arctic Ocean from 1958 to 1997 // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2000. Vol. 105, iss. C4. P. 8789–8803. https://doi.org/10.1029/1999JC900305
  4. Dense water formation and circulation in the Barents Sea / M. Årthun [et al.] // Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers. 2011. Vol. 58, iss. 8. P. 801–817. doi:10.1016/j.dsr.2011.06.001
  5. Atlantic water flow through the Barents and Kara Seas / U. Schauer [et al.] // Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers. 2002. Vol. 49, iss. 12. P. 2281–2298. https://doi.org/10.1016/S0967-0637(02)00125-5
  6. Rudels B. On the mass balance of the Polar Ocean, with special emphasis on the Fram Strait. Oslo : Norsk Polarinstitutt, 1987. 53 p. (Norsk Polarinstitutt Skrifter, nr. 188). URL: https://brage.npolar.no/npolar-xmlui/bitstream/handle/11250/173528/ Skrifter188.pdf?sequence=1&isAllowed=y (date of access: 18.07.2019).
  7. Harms I. H. Water mass transformation in the Barents Sea - application of the Hamburg Shelf Ocean Model (HamSOM) // ICES Journal of Marine Science. 1997. Vol. 54, iss. 3. P. 351–365. https://doi.org/10.1006/jmsc.1997.0226
  8. Formation and export of water masses produced in Arctic shelf polynyas - process studies of oceanic convection / J. O. Backhaus [et al.] // ICES Journal of Marine Science. 1997. Vol. 54, iss. 3. P. 366–382. https://doi.org/10.1006/jmsc.1997.0230
  9. Ellingsen I., Slagstad D., Sundfjord A. Modification of water masses in the Barents Sea and its coupling to ice dynamics: a model study // Ocean Dynamics. 2009. Vol. 59, iss. 6. P. 1095–1108. https://doi.org/10.1007/s10236-009-0230-5
  10. Яковлев Н. Г. О воспроизведении полей температуры и солености Северного Ледовитого океана // Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. 2012. Т. 48, № 1. С. 100–116.
  11. Evaluation of dense water cascading and cross-shelf exchange in the Arctic Ocean: inter-comparison project / M. Luneva [et al.] // Geophysical Research Abstracts. 2019. Vol. 21. EGU2019–5567. URL: https://meetingorganizer.copernicus.org/EGU2019/EGU2019-5567.pdf (date of access: 18.07.2019).
  12. Large W. G., Yeager S. G. The global climatology of an interannually varying air-sea flux data set // Climate Dynamics. 2009. Vol. 33, iss. 2–3. P. 341–364. https://doi.org/ 10.1007/s00382-008-0441-3
  13. Proshutinsky A., Steele M., Timmermans M.-L. Forum for Arctic Modeling and Observational Synthesis (FAMOS): Past, current, and future activities // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2016. Vol. 121, iss. 6. P. 3803–3819. https://doi.org/10.1002/2016JC011898
  14. An energy-diagnostics intercomparison of coupled ice-ocean Arctic models / P. Uotila [et al.] // Ocean Modelling. 2006. Vol. 11, iss. 1–2. P. 1–27. doi:10.1016/j.ocemod.2004.11.003
  15. An assessment of the Arctic Ocean in a suite of interannual CORE-II simulations. Part III: Hydrography and fluxes / M. Ilıcak [et al.] // Ocean Modelling. 2016. Vol. 100. P. 141–161. http://dx.doi.org/10.1016/j.ocemod.2016.02.004
  16. Платов Г. А. Численное моделирование формирования глубинных вод Северного Ледовитого океана. Часть II: Результаты региональных и глобальных расчетов // Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. 2011. Т. 47, № 3. С. 409–425.
  17. Залесный В. Б., Тамсалу Р. Моделирование морской экосистемы высокого пространственного разрешения с помощью гидроэкологической модели FRESCO // Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. 2009. Т. 45, № 1. С. 108–122.
  18. Голубева Е. Н. Численное моделирование динамики атлантических вод в Арктическом бассейне с использованием схемы QUICKEST // Вычислительные технологии. 2008. Т. 13, № 5. С. 11–24.
  19. Голубева Е. Н., Платов Г. А. Численное моделирование отклика арктической системы океан – лед на вариации атмосферной циркуляции 1948-2007 гг. // Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. 2009. Т. 45, № 1. С. 145–160.
  20. Марчук Г. И., Залесный В. Б., Кузин В. И. О методах конечных разностей и конечных элементов в задаче глобальной ветровой циркуляции океана // Известия Академии наук СССР. Физика атмосферы и океана. 1975. Т. 11, № 12. С. 1294–1300.
  21. Marchuk G. I., Kuzin V. I. On the combination of finite element and splitting-up methods in the solution of parabolic equations // Journal of Computational Physics. 1983. Vol. 52, iss. 2. P. 237–272. https://doi.org/10.1016/0021-9991(83)90030-X
  22. Leonard B. P., Lock A. P., MacVean M. K. Conservative Explicit Unrestricted-Time-Step Multidimensional Constancy-Preserving Advection Schemes // Monthly Weather Review. 1996. Vol. 124, no. 11. P. 2588–2606. doi:10.1175/1520-0493(1996)1242588:CEUTSM2.0.CO;2
  23. Численное моделирования циркуляции Мирового океана с учетом верхнего квазиоднородного слоя / Е. Н. Голубева [и др.] // Океанология. 1992. Т. 32, № 3. С. 395–405.
  24. Hunke E. C., Dukowicz J. K. An Elastic–Viscous–Plastic Model for Sea Ice Dynamics // Journal of Physical Oceanography. 1997. Vol. 27, no. 9. P. 1849–1867. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1997)0271849:AEVPMF2.0.CO;2
  25. Bitz C. M., Lipscomb W. H. An energy-conserving thermodynamic model of sea ice // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1999. Vol. 104, iss. C7. P. 15669–15677. https://doi.org/10.1029/1999JC900100
  26. Lipscomb W. H., Hunke E. C. Modeling sea ice transport using incremental remapping // Monthly Weather Review. 2004. Vol. 132, no. 6. P. 1341–1354. https://doi.org/10.1175/1520-0493(2004)1321341:MSITUI2.0.CO;2
  27. Blumberg A. F., Mellor G. L. A Description of a Three-Dimensional Coastal Ocean Circulation Model // Three-Dimensional Coastal Ocean Models. Washington, D.C. : American Geophysical Union, 1987. P. 1–16.
  28. Platov G. A., Middleton J. F. F. Notes on pressure gradient correction // Bulletin of the Novosibirsk Computing Center. 2001. No. 7. P. 43–58.
  29. Наблюдение малых вихрей в Белом, Баренцевом и Карском морях по данным спутниковых радиолокационных измерений / О. А. Атаджанова [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2017. № 2. С. 80–90. doi:10.22449/0233-7584-2017-2-80-90
  30. Кулаков М. Ю. О новом подходе к моделированию циркуляции вод арктических морей // Проблемы Арктики и Антарктики. 2012. № 2 (92). С. 55–62.
  31. Harms I. H., Karcher M. J. Modeling the seasonal variability of hydrography and circulation in the Kara Sea // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1999. Vol. 104, iss. C6. Р. 13431–13448. https://doi.org/10.1029/1999JC900048
  32. Доронин Н. Ю. Расчет баротропной циркуляции вод Карского моря // Труды ААНИИ. 1983. Т. 380. С. 54–62.
  33. Доронин Н. Ю. Обобщенная двухслойная модель циркуляции вод Карского моря // Труды ААНИИ. 1985. Т. 389. С. 15–23.
  34. Доронин Н. Ю., Кузнецов В. Л., Прошутинский А. Ю. К вопросу о циркуляции вод Карского моря // Труды ААНИИ. 1991. Т. 424. С. 34–41.
  35. Atlantic water flow into the Arctic Ocean through the St. Anna trough in the northern Kara Sea / I. A. Dmitrenko [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2015. Vol. 120, iss. 7. P. 5158–5178. https://doi.org/10.1002/2015JC010804
  36. Уралов Н. С. Об адвективной составляющей теплового баланса южной половины Баренцева моря // Труды ГОИН. 1960. Вып. 55. С. 3–20.
  37. Яковлев Н. Г. Моделирование распространения атлантических вод в Северном Ледовитом океане // Метеорология и гидрология. 1998. № 2. С. 73–84.
  38. Pavlov V. K., Pfirman S. L. Hydrographic structure and variability of the Kara Sea: implification for pollutant distribution // Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography. 1995. Vol. 42, iss. 6. P. 1369–1390. https://doi.org/10.1016/0967-0645(95)00046-1
  39. Investigation of the summer Kara Sea circulation employing a variational data assimilation technique / G. Panteleev [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2007. Vol. 112, iss. C4. C04S15. doi:10.1029/2006JC003728
  40. Кауркин М. Н., Ибраев Р. А., Беляев К. П. Усвоение данных наблюдений в модели динамики океана высокого пространственного разрешения с применением методов параллельного программирования // Метеорология и гидрология. 2016. № 7. С. 47–57.
  41. Stepanov D. V. Mesoscale eddies and baroclinic instability over the eastern Sakhalin shelf of the Sea of Okhotsk: a model-based analysis // Ocean Dynamics. 2018. Vol. 68, iss. 10. P. 1353–1370. https://doi.org/10.1007/s10236-018-1192-2
  42. Cascades of dense water around the world ocean / V. V. Ivanov [et al.] // Progress in Oceanography. 2004. Vol. 60, iss. 1. Р. 47–98. doi:10.1016/j.pocean.2003.12.002
  43. Иванов В. В. Усиление водообмена между шельфом и арктическим бассейном в условиях снижения ледовитости // Доклады академии наук. 2011. Т. 441, № 1. С. 103–107.
  44. Nof D. The translation of isolated cold eddies on a sloping bottom // Deep Sea Research Part A. Oceanographic Research Papers. 1983. Vol. 30, iss. 2. Р. 171–182. https://doi.org/10.1016/0198-0149(83)90067-5
  45. Субмезомасштабные вихревые структуры и фронтальная динамика в Баренцевом море / О. А. Атаджанова [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2018. № 3. С. 237–246. doi:10.22449/0233-7584-2018-3-237-246

Скачать статью в PDF-формате