Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В отчетном году была сформирована обширная база спутниковых данных для акватории морей Гренландского, Норвежского, Баренцева, Карского, Чукотского и Бофорта морях для последующего анализа переноса примесей вихревыми структурами в этих районах и анализ характеристик короткопериодных внутренних волн. На безледных участках акваторий этих морей выполнена идентификация вихрей по данным спутниковых оптических, ИК-, РСА и альтиметрических измерений. Выявлены ключевые районы генерации вихревых структур, определены их пространственные и кинематические характеристики. Показано, что большинство вихрей наблюдалось на свалах глубин и на границах крупных течений. В Норвежском и Гренландском морях наибольшие скопления малых вихрей по данным РСА обнаружены в районе плато Варинг, на периферии Норвежского фронтального течения, на восточном склоне Лофотенской котловины, вдоль хребтов Мона и Книповича, в Датском проливе и над Фарерско-Исландским порогом. По данным спутниковых альтиметров в этом же районе выполнена идентификация крупных мезомасштабных вихрей, наибольшее количество которых наблюдалось в Норвежском море в Лофотенской котловине и к югу от плато Варинг, характеризующихся максимальными значениями относительной завихренности. Максимальные радиусы вихрей наблюдались вдоль основных течений и на севере Баренцева моря. Анализ альтиметрических измерений для акватории морей Чукотского и Бофорта с 1993 по 2018 гг. позволил выделить около 2300 индивидуальных вихрей, среди которых наблюдалось примерно равное количество циклонов и антициклонов с радиусами от 20 до 60 км и значениями орбитальной скорости около 0,05–0,4 м/с. Показано, что межгодовая изменчивость вихрей в море Бофорта коррелирует с вариациями интенсивности и содержания пресной воды в круговороте Бофорта. В ходе работы выделено пять ключевых районов генерации вихрей - залив Амундсена, вблизи устья реки Маккензи, западная часть моря Бофорта и шельф Чукотского моря. Выполнен анализ влияния течений на генерацию и характеристики вихрей в районе пролива Фрама по данным модели FESOM высокого разрешения. Для исследуемой области характерно усиление скоростей течений в период с октября по апрель и их ослабление с мая по сентябрь. Аналогичная ситуация наблюдается в изменчивости количества идентифицированных вихрей – увеличение их количества в начале года (максимум в феврале) и снижение числа вихрей в летний период. Аналогичный анализ для акватории Гренландского и Норвежского морей за летний сезон 2007 г. по данным спутниковых РСА измерений и модели GLORYS12V1 показал, что максимальные значения повторяемости вихрей находятся на периферии мощных течений со скоростью более 0,2 м/с. В ходе работы также выполнен расчет и валидация полей горизонтальной скорости течений в прикромочной ледовой зоне пролива Фрама. Для этой цели создана автоматическая система, позволяющая в автономном режиме производить расчеты полей скорости дрейфа морского льда внутри прикромочной ледовой зоны по парам последовательных изображений спутниковых РСА. В качестве основного метода определения горизонтальной скорости течений был использован метод максимальной кросс-корреляции (MКК). Помимо него для расчета полей поверхностной скорости использовался метод 4-Dvar вариационной ассимиляции данных, основанный на решении уравнения оптического потока. Сравнение результатов расчетов двумя методами показало систематическое занижение абсолютных значений скорости течений, рассчитанных по методу 4-Dvar. Результаты расчетов полей скорости течений в прикромочной зоне доступны на сайте http://polar-space.ru. Сопоставление рассчитанных полей скорости с результатами натурных измерений в апреле 2019 г. в северо-западной части Баренцева моря показало, что направление и абсолютное значение вектора скорости, рассчитанного по методу МКК, хорошо совпадает с натурными измерениями. По данным последовательных РСА измерений Sentinel-1 выполнен анализ полей горизонтальной скорости течений и динамических характеристик вихрей в прикромочной зоне пролива Фрама. Полученные поля скорости позволяют проследить эволюция вихревых образований в прикромочной зоне на протяжении нескольких суток, при этом их форма и орбитальные скорости существенно изменяются в зависимости от изменения фоновых условий. Анализ последовательных РСА измерений позволил получить прямые оценки фазовой скорости короткопериодных внутренних волн (КВВ) в районе пролива Фрама и вблизи арх. Шпицберген летом 2018 г. Показано, что максимальные значения фазовой скорости КВВ наблюдаются над плато Ермак и достигают здесь 0,84 м/c±0,03 м/с. Сопоставление спутниковых оценок фазовой скорости КВВ с теоретическими оценками, полученными на основе двуслойной модели с учетом добавки для нелинейных внутренних волн и использованием актуальных гидрологических измерений, показало наилучшее соответствие для случаев с разницей по времени между спутниковыми и контактными измерениями не более одних суток. Результаты оценки фазовой скорости КВВ и их местоположения доступны на сайте http://polar-space.ru. Также выполнен анализ фазовой скорости КВВ в западной части пролива Фрама на основе ручной и автоматизированной обработки данных. Восстановленные значения фазовой скорости КВВ на основе ручного выделения их поверхностных проявлений имели значения от 0,5-1,2 м/c, при этом наблюдалось выраженное увеличение фазовой скорости и длины волн по мере удаления пакетов КВВ из района генерации. Автоматизированное выделение гребней лидирующих волн на основе гистограммной бинаризации снимков и их пространственной кластеризации позволило получить координаты волновых фронтов и определить значения фазовой скорости КВВ, согласующиеся с результатами ручной обработки. Выполнен физический анализ генерации и характеристик внутренних волн большой амплитуды над Шпицбергенской банкой на основе численной модели, данных измерений и спутниковых наблюдений. Анализ серии повторяющихся CTD-зондирований позволил выделить полусуточную внутреннюю волну с высотой колебаний изопикнических поверхностей до 50 м. Генерация сильных внутренних приливов воспроизведена на основе численной модели, показавшей, что колебания изопикн превышают 50 м непосредственно над склоном на глубине 100 м. Развитие вынужденных внутренних приливов в окрестности критической широты М2 сопровождается генерацией коротковолновых цугов внутренних волн (КВВ), отображаемых в спутниковых наблюдениях. В ходе работы также выполнен анализ характеристик плюмов крупных рек на акватории морей Карского, Лаптевых и Восточно-Сибирского на основе анализа контактных и спутниковых измерений. Анализ данных спутниковой альтиметрии для акватории Карского моря показал, что величина положительной аномалии уровня в пределах плюма рек Оби и Енисея сильно зависит от вертикальной структуры плюма и подвержена значительной синоптической и сезонной изменчивости. Показано, что прямое использование альтиметрических данных по уровню моря для определения характеристик речного плюма является некорректным и дает недостоверные результаты. На основе анализа натурных данных также было показано, что суммарная площадь верхнего распресненного слоя в море Лаптевых и Восточно-Сибирском море в отдельные годы существенно больше, чем в Карском море, в то время как общий годовой сток пресной воды в моря Лаптевых и Восточно-Сибирское в полтора раза меньше, чем в Карское море. Эта особенность обусловлена различиями в морфологии устьев и дельт. За счет небольшой толщины плюма Лены его пространственное положение определяется в первую очередь ветровыми условиями. Площадь и положение распресненного слоя практически не зависят от изменчивости годового объема речного стока и ледовитости в теплый период года. Комплексный анализ разнородных спутниковых и контактных измерений для плюма р. Лена показал, что спутниковые измерения поверхностной солености прибора SMAP хорошо согласуются с данными судового термосолинографа. На основе данных SMAP реконструирована эволюция плюма р. Лена в 2015–2020 гг. и выделены три основных типа распространения плюма, обусловленные изменчивостью зонального направления ветра. В ходе экспедиционных работ в Карском море в августе-сентябре 2021 г. на борту ПС «Академик Иоффе» выполнена серия комплексных контактных и дистанционных (с борта судна, БПЛА и спутниковых) измерений в различных районах Карского моря, включая области открытой воды и прикромочной ледовой зоны. В первую очередь получены важные результаты по измерению характеристик внутренних волн большой амплитуды. В ходе измерений термопрофилирующими косами, учащённых CTD-зондирований и съемки с беспилотного летательного аппарата (БПЛА) в проливе Карские Ворота в слое 10-70 м было зарегистрировано прохождение цуга аномально высоких КВВ высотой более 40 м. Анализ синхронных и разнесенных в пространстве измерений позволил определить направление распространения и фазовую скорость наблюдаемых КВВ, составляющую около 1 м/с относительно судна. В ходе экспедиции также были выполнены работы по анализу вихревых структур, которые регулярно встречались по маршруту судна. Для определения местоположения вихрей и планирования измерений использовалась оперативная спутниковая информация и БПЛА-съемка. В ходе работ на основе измерений ИК-радиометра также регистрировались аномалии температуры морской поверхности при пересечении вихревых структур. В ходе экспедиции также было выполнено три полигона измерений внутри прикромочной ледовой зоны. На этих полигонах активно осуществлялась БПЛА-съемка с целью дальнейшего восстановления полей скорости дрейфа льда в прикромочной зоне. Анализ данных БПЛА показал интенсивную перестройку ледовых полей, восстановленные скорости дрейфа льда находятся в диапазоне 0,1-1,2 м/с. Наблюдаемая изменчивость направлений дрейфа льда на малых пространственных масштабах при относительно стабильном направлении ветра говорит о выраженной агеострофической составляющей в поле поверхностных течений. Совместный анализ спутниковых РСА-изображений и данных с БПЛА позволил оценить как крупномасштабную динамику льда, так и мелкомасштабные процессы внутри участков прикромочной ледовой зоны Карского моря. В ходе экспедиции при помощи морского палубного спектрофотометра проводились измерения спектров коэффициента яркости (СКЯ) моря в Карском море. Проанализировано пространственное распределение СКЯ и цветовых параметров морской воды. Полученные спектры КЯ можно разделить по форме на две группы – морская вода с низким содержанием растворенного органического вещества и взвеси, и распресненная вода с высоким содержанием органики и иногда взвеси. В первый год проекта была спроектирована реляционная база данных (БД) и web-интерфейс для размещения основных результатов проекта и спутниковых продуктов по фазовой скорости внутренних волн и полей скорости течений в прикромочной зоне в сети интернет. Полученные результаты размещены на интернет сайте http://polar-space.ru.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В ходе работы выполнена оценка горизонтального переноса тепла и био-оптических характеристик под влиянием вихрей в Норвежском и Гренландском морях. Показано, что среднегодовой перенос тепла с вихрями максимален в районе восточной ветви Норвежского течения. Вихри в центральной части Гренландского моря существенно менее интенсивны, имеют меньшую вертикальную мощность и гораздо меньшие аномалии температуры ядра по сравнению с вихрями в Норвежском море. Анализ данных MODIS в оптическом и ИК диапазонах показал, что в полях ТПО доля положительных и отрицательных аномалий в вихрях примерно равна, а в полях хл-а наблюдается преобладание положительных аномалий, которое более ярко выражено у циклонов. Совместный анализ данных модели FESOM и альтиметрических данных AVISO позволил оценить пространственное и количественное распределение вихрей в Гренландском море. Области с максимальным количеством вихрей находятся к западу от струи ЗШТ, а также вдоль южной части Восточного-Гренландского течения (ВГТ). Минимальное количество вихрей наблюдалось в летние месяцы (июнь – август), а повышение их количества имело место в осенне-зимний период. На основе данных модели FESOM выполнен анализ характеристик переноса тепла и льда вихрями к/от прикромочной зоны Гренландского моря. Количество вихрей и суммарная кинетическая энергия вихрей в 30-км зоне в районе кромки льда коррелировали друг с другом. Была выявлена связь остаточных изменений площади льда с количеством (энергией) вихрей: при увеличении количества вихрей наблюдалось уменьшение остаточной площади льда. Выполнен анализ пространственно-временной изменчивости характеристик ПЛЗ и ее связи с интенсивностью вихреобразования в проливе Фрама по данным спутниковых РСА измерений с июня по сентябрь 2007 г. Под влиянием действующих ветров структура и размеры ПЛЗ изменялись, что влияло и на процесс вихреобразования. На вихреобразование также оказывал существенное влияние знак завихренности ветра. Сезонная изменчивость ширины ПЛЗ в целом хорошо совпадала с сезонной изменчивостью количества наблюдаемых вихрей ПЛЗ. На основе спутниковых измерений микроволнового радиометра AMSR-2 оценена фоновая концентрация льда в районах образования вихрей ПЛЗ, а на основе данных РСА Sentinel-1 - процентное содержание льда внутри них. Показано, что большинство вихрей образуется на кромке льда и на участках с концентрацией льда менее 20%. Циклонические вихри в среднем аккумулируют несколько большее количество льда (53%), чем антициклонические (48%). Определена площадь дрейфующего льда, вовлеченного в «средний» вихрь, которая составила около 40 км^2. На основе анализа спутниковой информации и натурных данных получена оценка горизонтального сокращения площади ледяного покрова в ПЛЗ за счет вихреобразования, составившая в среднем 0.2-0.5 км/день ± 0.02 км/день. Максимальная интенсивность горизонтального сокращения льда наблюдается в юго-западной части пролива Фрама, где она достигает 1,5 км/день. Анализ данных Landsat-8 показал, что в ряде районов амеразийского сектора СЛО наблюдается интенсивная вихревая динамика, которая хорошо просматривается на спутниковых оптических снимках и картах температуры поверхности моря (ТПМ). В ходе анализа были получены данные о вихревой динамике в прибрежных зонах, оценены размеры вихрей, определены районы их образования. В ходе экспедиционных работ в Карском море на НИС «Академик Мстислав Келдыш» в сентябре 2022 г. в данных БПЛА были зарегистрированы поверхностные проявления различных динамических процессов верхнего слоя моря. В данных термопрофилемера регистрировались колебания изотермических поверхностей, обусловленных распространением короткопериодных внутренних волн высотой от 1 до 11 м. Выполнены исследования субмезомасштабных структур и термической изменчивости в Кандопожской губе Онежского озера в июне 2022 г. В ходе экспедиции была отработана методика применения БПЛА одноврменно с измерениями термокосы для выбора положения гидрографических станций с учетом мелкомасштабных особенностей поля температуры поверхности воды. Анализ БПЛА-измерений в районе ПЛЗ в северо-западной части Карского моря в августе 2021 г. позволил рассчитать поля скорости дрейфа льда высокого пространственного разрешения. Поскольку наблюдаемые значения скорости дрейфа льда существенно превышали величину дрейфовой компоненты течений, сделан вывод о существенном вкладе агеострофических течений в его дрейф. В ходе анализа натурных данных за 2021 г. для акватории желоба Св. Анны были определены основные характеристики и направления движения фрамовской и баренцевоморской ветвей атлантических вод. Установлено, что на севере желоба имеет место циклоническая циркуляция фрамовской ветви АВ. Обнаруженная циклоническая циркуляция увеличивает время нахождения АВ в желобе и увеличивает количество тепла, которое потенциально может попадать в верхний слой и замедлять процессы образования льда. Сопоставление натурных измерений спектров коэффициента яркости (СКЯ) моря в Карском море, полученных в ходе экспедиции на НИС «Академик Иоффе» в августе 2021 г., со спутниковыми данными показало, что последние завышают значения СКЯ в коротковолновых каналах и занижают их в длинноволновых каналах. Применение стандартных моделей дало завышенные оценки концентрации хл-а, в то время как региональные алгоритмы показали хорошее соответствие натурным измерениям. Анализ натурных измерений в бассейне Браганзаваген во фьорде Ван Майен на арх. Шпицберген в марте 2016 г. выявил изменчивость и замерзание приливных течений в узком канале, расположенном подо льдом. Анализ кинематических характеристик короткопериодных внутренних волн (КВВ) в Белом море по данным спутниковых РЛИ Radarsat-1/2 в июле-августе 2012 г. показал, что оценки горизонтальной скорости КВВ, полученные на основе анализа последовательных РЛ-измерений и на основе анализа одиночных изображений, дают практически идентичные результаты. Значения фазовой скорости КВВ, полученные на основе двуслойной модели, оказались в несколько раз выше определенных по спутниковым данным. В ходе работы также был выполнен обзор многолетних исследований поля внутренних волн в Арктике, включающий обобщение информации об амплитудах внутренних волн и их влиянии на ледяной покров. В ходе работы по определению полей горизонтальной скорости течений на основе обработки последовательных спутниковых измерений выполнен сравнительный анализ различных методов. Анализ спутниковых данных различных спектральных диапазонов показал возможность оценивания скорости поверхностных течений одновременно в прикромочной зоне и на безледных участках акватории. Продолжено развитие базы данных (БД) и web-интерфейса сайта http://polar-space.ru, на котором осуществляется размещение спутниковых продуктов и результатов проекта. В 2022 году было обработано и добавлено в БД более 8 тысяч наблюдений КВВ в арктическом бассейне, полученных на основе обработки данных спутниковых радиолокаторов с 2005 по 2020 гг. Эти данные доступны по адресу http://polar-space.ru/arctic_waves_2022.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В ходе работы за третий год проекта: 1). Выполнен анализ изменений фазовой скорости и направления распространения короткопериодных внутренних волн (КВВ) при их распространении из районов открытой воды в прикромочную зону льда (ПЗЛ), а также выполнена оценка влияния КВВ на характеристики ПЛЗ на основе анализа данных спутниковых радиолокаторов Sentinel-1A/B для района пролива Фрама, Плато Ермак и северной части Гренландского моря. Показано, что поверхностные проявления (ПП) КВВ идентифицируются на расстоянии примерно до 50 км вглубь ПЗЛ, а интенсивность ПП существенно зависит от фоновых концентрации льда внутри ПЗЛ, ветровых условий и расстояния от ледовой кромки. В ряде случаев наблюдалось стационирование ПП КВВ под влиянием встречных фоновых течений. В большинстве случаев фазовая скорость ПП КВВ снижалась на 10-30% при вхождении в область ПЗЛ, а распространение КВВ сопровождалось аккумуляцией льда и образованием характерных ледовых полос шириной до 3-5 км в зонах конвергенции поверхностных течений. 2). На основе анализа измерений спутниковых радиолокаторов с синтезированной апертурой (РСА) Envisat ASAR за летне-осенние периоды 2005-2011 годов и Sentinel-1A/B за летне-осенние периоды 2017-2020 годов определены районы наблюдения интенсивных внутренних волн в терминах их радиолокационных контрастов, пространственных размеров и значений фазовой скорости, выделены новые районы генерации КВВ по сравнению с результатами 2005-2011 гг., а также проведен физический анализ причин генерации КВВ в различных районах Арктики на основе использования данных приливной модели AOTIM-5. Показано, что районы регулярного наблюдения КВВ в евразийском секторе Арктики существенно расширились на север. Районы регулярного наблюдения КВВ в спутниковых данных характеризуются более высокими скоростями приливных течений и высоким потенциалом для конверсии баротропной приливной энергии в бароклинную. В ходе экспедиции «Плавучий университет» летом 2021 г. в проливе Карские Ворота были зарегистрированы аномально высокие КВВ высотой до 40 м, наблюдавшиеся в период ослабления отливного течения, когда фоновый поток был сверхкритическим. Наблюдаемые внутренние волны имели длину волны ~100 м и распространялись на северо-восток с фазовой скоростью около 0,8-0,9 м/с. Количество энергии, приходящейся на единицу длины гребня КВВ высотой 30 и 40 м достигало 1,0-1,8 МДж/м. Измерения на основе заякоренных буйковых станций в проливе Акселоя в южной части острова Западный Шпицберген показали, что течения при обтекании подводного поперечного порога в проливе генерируют интенсивные внутренние волны приливного периода. Волны являются вынужденными на подводном склоне и затухают по мере удаления от склона. 3). Выполнен анализ межгодовой и внутрисезонной изменчивости характеристик поверхностных течений и поступления тихоокеанских вод через Берингов пролив в амеразийский сектор Северного Ледовитого океана (СЛО), оценено их влияние на характеристики вихреобразования в этом районе. На основе анализа данных SMAP и GLORYS12v1 выделено два типа распространения тихоокеанских вод на шельфе Чукотского моря – западный и восточный, на которые влияют два основных фактора – поток тихоокеанских вод через Берингов пролив и поток вод арктического происхождения, который увеличивается во время усиления Восточно-Сибирского течения (ВСТ). Определены годы доминирования обоих типов. Анализ межгодовой изменчивости за период с 1993 по 2011 показал существенную связь орбитальных скоростей вихрей как с транспортом через Берингов пролив, так и с усилением ВСТ. Обнаружено увеличение количества и повторяемости циклонических вихрей в юго-западной части Чукотского моря при ослаблении ВСТ и усилении транспорта через Берингов пролив. 4). Оценена роль вихрей в переносе тепла и био-оптических характеристик в различных районах Арктики на основе анализа спутниковых данных и результатов численного моделирования. На основе расчета параметра Окубо-Вейса по модельным полям скорости поверхностных течений модели NEMO определено пространственное и количественное распределение вихрей в морях Чукотском и Бофорта. Показано, что повышенные значения вероятности наблюдения вихрей соответствуют областям интенсивных течений, а их количество зависит от интенсивности струйных течений. Сезонная изменчивость количества вихрей соответствует сезонной изменчивости скоростей течений – максимум наблюдается в октябре-ноябре, а минимум – с февраля по май. Анализ спутниковых данных высокого разрешения позволил оценить характеристики переноса вихрями тепла и массы. Области генерации субмезомасштабных вихрей приурочены к областям температурных фронтов и границам струйных течений. Генерация вихрей в прибрежной зоне способствует выносу взвеси и распространению речных вод в глубоководную часть моря. Скорости горизонтального перемещения вихрей достигают 10-25 см/с, а время жизни - несколько суток. На основе анализа спутниковых данных MODIS показано, что адвекция относительно теплых вихрей вглубь прикромочной зоны льда (ПЗЛ) пролива Фрама происходит на расстояние до 100 км, а вынос льда под влиянием вихревой динамики из ПЗЛ в область открытой воды может достигать 150 км. Анализ данных модели FESOM показал, что основная роль вихревого перемешивания заключалась в стабилизации положения кромки льда в Восточно-Гренландском течении. Анализ данных спутниковой альтиметрии AVISO18 за период 1993-2018 гг. для акватории Баренцева моря показал, что большинство вихрей диссипировало в тех же ячейках сетки, в которых фиксировалась их генерация, что было связано с коротким временем жизни большинства вихрей. 5). В ходе экспедиции «Плавучий университет-2023» на борту НИС «Дальние Зеленцы» в моря Карское и Баренцево в июле-августе 2023 г. выполнен комплекс гидрологических и дистанционных измерений с помощью БПЛА. В частности, выполнены исследования КВВ в проливе Карские Ворота (КВ), на входе и выходе из пролива, а также севернее м. Желания. В юго-восточной части пролива Карские Ворота зарегистрированы интенсивные КВВ высотой до 28 м, вблизи м. Желания – до 10 м. Получены данные о гидрологической структуре и динамике мезомасштабных вихрей, наблюдавшихся в остаточных формах льда в северо-восточной части Новоземельского желоба. На основе измерений микроструктурным зондом получен уникальный массив вертикальных профилей скорости диссипации турбулентной энергии (СДТЭ), позволяющий исследовать тонкую вертикальную структуру моря, оценить вертикальные потоки тепла и интенсивность вертикального перемешивания при различных условиях. Максимальные значения СДТЭ наблюдались в проливе Карские Ворота при регистрации внутренних волн, а также в Баренцевом море на верхней границе водной массы атлантического происхождения. 6). За третий год проекта была значительно расширена база данных с полями скорости дрейфа льда в ПЗЛ пролива Фрама, рассчитанных на основе последовательных РСА-изображений Sentinel-1A/В за 2018 год. Была модифицирована система хранения и визуализации данных скоростей дрейфа льда, размещенная на сайте http://polar-space.ru/arctic_currents/. Добавлена возможность скачивания файлов с полями скорости дрейфа льда в формате netCDF за выбранную дату. Внесены изменения в систему отображения данных о проявлениях внутренних волн в арктическом бассейне: скорректирован метод отображения, расширен набор отображаемых параметров внутренних волн. Результаты отображены на сайте http://polar-space.ru/iw_arctic_atlas/. Продукт со сведениями о фазовой скорости внутренних волн вблизи арх. Шпицберген вынесен на отдельную страницу http://polar-space.ru/iw_arctic_speed/.