КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 21-77-10052

НазваниеВлияние физических факторов на эволюцию мезо- и субмезомасштабных вихрей в морской среде

РуководительКубряков Арсений Александрович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регионФедеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр "Морской гидрофизический институт РАН", г Севастополь

Срок выполнения при поддержке РНФ 07.2021 - 06.2024 

КонкурсКонкурс 2021 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле, 07-502 - Крупномасштабные и синоптические процессы в океане

Ключевые словадинамика океана, синоптические вихри, субмезомасштабные вихри, лабораторное моделирование, численное моделирование, спутниковые методы, горизонтальный и вертикальный обмен, термохалинная структура, неустойчивость

Код ГРНТИ37.25.19


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Настоящий проект посвящен изучению влияния физических факторов на процессы генерации, эволюции и диссипации мезо- и субмезомасштабных вихрей в морской среде. Исследование будет проведено на основе комплексного анализа результатов численного моделирования с высоким пространственным разрешением; лабораторного моделирования; гидрологических измерений; спутниковых альтиметрических, оптических и радиолокационных данных для акваторий Черного и Норвежского морей, а также отдельных районов Северного Ледовитого океана. В процессе работы планируется изучить влияние различных процессов на усиление/ослабление вихрей и изменение их термохалинной структуры за счет взаимодействия с крупномасштабными течениями, изменений стратификации вод, конвективного перемешивания, ветрового воздействия, а также потоков плавучести, связанных с вовлечением окружающих вод в вихрь. Планируется также провести исследование влияния этих факторов на сезонную и межгодовую изменчивость характеристик вихрей и их количества. Особое внимание будет уделено исследованию влиянию фоновых крупномасштабных течений и топографических препятствий (подводных хребтов) и наклона дна (топографического бета-эффекта) на изменение скорости перемещения вихрей. В частности, на основе данных альтиметров и численных моделей будут изучены причины временного стационирования Севастопольского антициклона и его последующего отрыва от места остановки. В процессе работы планируется получить новые фундаментальные результаты о механизмах воздействия внешних факторов и крупномасштабных течений на вихревую динамику. Полученные результаты также дадут возможность углубить имеющиеся знания о процессах вихревого горизонтального и вертикального обмена в Мировом океане, необходимые для создания репрезентативных систем мониторинга, численного моделирования и прогноза состояния океана, его физической и биохимической структуры.

Ожидаемые результаты
В работе планируется получить новые фундаментальные результаты об образовании, эволюции и диссипации вихрей в морской среде. Будут получены следующие результаты: 1. На основе методов автоматической идентификации вихрей по данным численного моделирования и спутниковых альтиметров, гидрологических данных, спутниковых оптических и ИК- измерений, определены характеристики вихрей Черного и Норвежского морей, включая особенности пространственно-временной изменчивости их динамических и морфометрических характеристик, термохалинной структуры, траекторий перемещения и мест образования. 2. По данным спутниковых радиолокационных (РЛ) измерений для отдельных районов Северного Ледовитого океана (СЛО) определены характеристики вихрей в областях открытой воды и в прикромочной зоне льда, включая места их образования и диссипации, а также исследована их пространственно-временная изменчивость. По данным последовательных спутниковых РЛ измерений определены динамические характеристики вихрей (орбитальные скорости, скорости и траектории перемещения) в прикромочной зоне льда и их зависимость от фоновых метеорологических и гидродинамических условий. 3. Исследованы особенности эволюции термохалинных, динамических и морфометрических характеристик вихрей Черного и Норвежского морей, отдельных районов СЛО в процессе их существования, выделены и изучены события усиления/ослабления вихрей. 4. Исследованы причины изменения скорости перемещения вихрей, в том числе причины их стационирования: - на основе численного моделирования даны оценки влияния крупномасштабных течений на скорость перемещения и форму вихрей различного размера в Черном море - на основе численного моделирования и спутниковых измерений исследовано влияние топографического препятствия на перемещение и стационирование вихрей различного размера и интенсивности (на примере Севастопольского вихря), определены условия отрыва/замедления вихря у препятствия (режим течений, вертикальная протяженность вихря, интенсивность вихря) - оценено влияние топографического бета-эффекта на движение баротропного и бароклинного вихря на основе лабораторных экспериментов с наклонным дном при различных углах наклона дна к горизонтали Даны оценки и представлены схемы влияния этих процессов на перемещение вихрей 5. Исследованы физические причины интенсификации/ослабления вихрей в процессе их эволюции. При этом: - на основе лабораторного эксперимента определены закономерности свободного затухания мезо- и субмезомасштабных вихрей в однородной и двуслойно стратифицированной жидкости - на основе численного моделирования и спутниковых измерений исследовано влияние потоков плавучести, связанных с захватом вихрем шельфовых вод, на его интенсификацию, структуру и эволюцию. - на основе численного моделирования и спутниковых данных получены оценки влияния экмановской накачки и ветрового перемешивания на изменение динамических характеристик и вертикальной структуры вихрей различных знаков после интенсивных штормов. - на основе анализа спутниковых данных проанализировано влияние фоновых ледовых и ветровых условий на интенсивность образования и эволюцию вихрей в прикромочной ледовой зоне. Даны оценки влияния этих факторов на динамические характеристики и структуру вихрей. На основе анализа спутниковых данных и модели высокого разрешения FESOM 1 km оценено влияние вихрей на характеристики ледового покрова в прикромочной зоне - на основе лабораторного эксперимента исследовано влияние конвекции на эволюцию вихрей различного знака, а также влияние вихрей на конвективное перемешивание. 6. Исследовано влияние физических процессов на сезонную и межгодовую изменчивость генерации и характеристик вихрей - на основе численного моделирования исследовано влияние ослабления/интенсификации крупномасштабных течений на количество и интенсивность образованных вихрей в Черном и Норвежском морях. Предложены механизмы влияния усиления/ослабления крупномасштабной циркуляции на генерацию и диссипацию вихрей - на основе численных экспериментов исследовано влияние изменения стратификации на различия в динамических характеристиках и структуре вихрей, образованных в зимний и летний период - на основе численного моделирования и спутниковых измерений исследовано влияние вертикального перемешивания (конвекции и ветрового воздействия) на изменчивость образования субмезомасштабных вихрей в холодный период года. - на основе анализа полей течений, полученных по спутниковым альтиметрическим измерениям и региональной модели высокого разрешения FESOM 1 km, спутниковых данных по температуре морской поверхности и скорости ветра исследовано влияние крупномасштабных течений, фронтов и ветрового воздействия на временную изменчивость образования вихрей на участках открытой воды в отдельных районах СЛО. Определение закономерностей формирования структуры вихрей и их динамики важно для описания процессов горизонтального и вертикального обмена в океане, которые оказывают существенное влияние как на физические, так и на биологические характеристики вод океана. Вихревая динамика оказывает существенное влияние на кросс-шельфовый обмен, вентиляцию прибрежной зоны, перенос взвеси, загрязнений, эрозию берегов. Знание этих закономерностей необходимо для создания репрезентативных систем мониторинга и прогноза состояния океана, имеющих важное значение для обеспечения безопасности судоходства и прибрежной хозяйственной инфраструктуры, моделирования процессов, ответственных за морскую литодинамику. Вихревой обмен значительно влияет на горизонтальный и вертикальный перенос биогенных веществ, необходимых для развития фитопланктона, и его исследование даст возможность уточнить влияние динамических процессов на функционирование морских экосистем.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Работа за 1–й год проекта “Влияние физических факторов на эволюцию мезо- и субмезомасштабных вихрей в морской среде” посвящена: - Исследованию характеристик субмезомасштабных вихрей в Черном море, их пространственно-временной изменчивости и механизмов образования на основе данных численного моделирования, спутниковых и контактных измерений - исследованию изменчивости скорости перемещения синоптических вихрей, причин их стационирования в Черном море и отрыва от места стационирования - Исследованию особенностей диссипации баротропных и бароклинных вихрей по данным лабораторного моделирования - Исследованию вихревой динамики в проливе Фрама и Норвежском море, определению их структуры, влияния на термические характеристики, и причин пространственно-временной изменчивости по данным спутниковых измерений и реанализов. Получены следующие основные результаты: 1) На основе данных моделирования исследованы особенности пространственно-временной изменчивости субмезомасштабной динамики вод Черного моря. Выявлены районы и периоды их наиболее интенсивного образования. Показано, что в зимний период одним из важных механизмов их образования является фронтогенезис на границе зоны выхолаживания, вызванный экмановским транспортом под действием штормовых ветров. Этот же механизм играют важную роль в образовании вихрей на фронте интенсивных апвеллингов в летний период. По данным моделирования и спутниковых измерений исследована структура и эволюция таких вихрей. По данным беспилотных летательных аппаратов исследована динамическая структура и механизм образования цепочки субмезомасштабных антициклонов диаметром менее 500м и орбитальной скоростью до 25 см/с. Причиной их образования послужило взаимодействие интенсивного течения из бухты, вызванного действием сильных апвеллинговых ветром, с топографической границей бухты – молом, сопровождающееся резким ростом сдвига скорости и завихренности течений. 2) На основе данных численного моделирования исследованы вертикальное распределение геометрических (радиуса, толщины, наклона вертикальной оси) и динамических характеристик вихрей в различных районах Черного моря, изменение вихрей в процессе эволюции, их пространственная, сезонная и межгодовая изменчивость, вертикальное распределение геометрических (радиуса, толщины, наклона вертикальной оси) и динамических характеристик вихрей в различных районах Черного моря. Впервые, получены большой статистический массив о скорости смещения вихрей, их пространственной изменчивости и связи с характеристиками вихрями. Проведенный анализ показал, что скорости перемещения обратно пропорциональны радиусу вихря. В свою очередь радиус вихря тесно связан с его вертикальной протяженностью. Мелкие вихри, занимающие обычно верхний слой (30-150 м), двигаются с относительно высокими скоростями 8-14 см/с. Причиной этого по-видимому является снос вихрей под действием крупномасштабного Основного Черноморского Течения, наиболее интенсивного в верхнем 0-150 метровом слое. В то же время крупные протяженные вихри с нижней границей на глубинах 250 м лишь частично находятся под влиянием фоновых течений. Они двигаются с меньшими скоростями под действием бета-эффекта, соответствующими бароклинным скоростям волн Россби (2-6 см/с), либо становятся квазистационарными со скоростями менее 4 см/с. Результаты исследования изменчивости угла наклона вертикальной оси вихрей, полученные на основе автоматических алгоритмов показали, что воздействие фонового потока на верхнюю часть черноморских вихрей приводит к тому, что в среднем вертикальная ось вихрей наклонена в циклоническом направлении. На основе данных моделирования и спутниковых альтиметрических измерений исследованы причины стационирования и отрыва Севастопольских вихрей. Причиной стационирования является меридиональный хребет, который выступают в роли вертикальной стенки при продвижении вихря на запад. В результате движение Севастопольского вихря блокируется – он становиться стационарным. Под действием imagery-effect (Nof, 1999) вихрь первоначально двигается на север и упирается в северную стенку. Здесь к северу от вихря в результате трения о склон и интенсивного сдвига скорости формируется присоединённый подповерхностный циклон Увеличение радиуса циклона вызывает первоначальное выталкивание антициклона на юг. В результате возникает вихревой диполь под действием собственного момента которого образовавшаяся пара смещается на юг (Sutyrin et al., 2009).. Через некоторое время антициклоническая часть диполя выходит на юг за пределы меридиональная стенки (рис.1-г) – вихрь отрывается от препятствия. 3) Разработан и опробован новый метод создания бароклинных вихрей в лабораторном эксперименте во вращающейся двуслойной жидкости. В отличие от подавляющего большинства создававшихся в лабораторных условиях бароклинных вихрей, представляющих собой вихри с ядром, содержащим воду другой плотности - фронтальных вихрей (Griffits, Hopfinger, 1984; Cushman-Rosen, Beckers, 2011) данный способ предназначен для создания вихрей «открытого океана», а также большинства вихрей Черного моря, содержащих жидкость той же плотности, что и окружающая их жидкость. Выполнены серии опытов по изучению затухания баротропных (однородная по плотности водная среда) и бароклинных (двуслойная по плотности водная среда). Баротропные вихри, как циклоны, так и антициклоны, затухают достаточно быстро за счет трения о гладкое дно бассейна. При этом масштаб времени затухания (уменьшение орбитальной скорости вращения в «е»-раз) хорошо согласуется с масштабом времени τ спинапа (Гринспен, 1975): τ = H/(fν)1/2. В экспериментах этот масштаб составлял 10-20 периодов вращения платформы (лабораторных суток). Бароклинные вихри, как циклоны, так и антициклоны верхнего слоя, затухали на порядок большее время (100-200 лабораторных суток), чем баротропные за счет: а) уменьшения эффективной вязкости на плотностной границе раздела и слабой передачи завихренности из нижнего слоя в верхний; б) постепенного перехода доступной потенциальной энергии стратификации в кинетическую энергию вихря. В опытах была исследована эволюция вихря в зависимости от значения числа Бургера Bu = (Rd/R0)2 в диапазоне Bu = 0.4 – 4. При этом вихри, для которых Bu<0.8 были бароклинно неустойчивыми и распадались на два вихря того же знака, что и начальный вихрь, а для вихрей с Bu>0.8 наблюдалась вязкая релаксация вихря. 4) Исследованы характеристики субмезомасштабных вихрей в районе пролива Фрама и их связь с динамикой прикормочной зоны льда на основе изображений спутниковых радиолокаторов. Зарегистрированные вихри вытянуты вдоль всей кромки льда Гренландского моря протяженностью около 1000 км, а также над южным склоном Плато Ермак, вокруг архипелага Шпицберген, над Шпицбергенской банкой и близи острова Надежды (рис. 2а). Ширина области регулярного наблюдения вихрей достигает 200-250 км, что определяется прежде всего внутрисезонной изменчивостью положения прикромочной ледовой зоны (ПЛЗ). Высокая повторяемость вихрей в этом месяце наблюдается на фоне умеренного северо-восточного ветра, способствующего генерации вихрей при такой конфигурации ПЛЗ. На основе спутниковых данных и результатов реанализов исследованы причины и сезонная динамика образования холодного пятна над Лофотенским антициклоном. Показано, что холодная аномалия связана с линзовидной структурой вихря, формирующейся в теплый период года, и усиливается в августе-сентябре в период разрушения сезонного термоклина, который маскирует влияние линзы в летний период. По результатам работы за первый год проекта подготовлено и отправлено в печать 5 публикаций, из них 1 опубликована в Q1, 1 принята в печать в RSCI (Исследование Земли из Космоса)

 

Публикации

1. В.С. Травкин, Т.В. Белоненко, А.А. Кубряков Холодное пятно над Лофотенским вихрем Исследование Земли из Космоса, - (год публикации - 2022).

2. Козлов И.Е., Атаджанова О.А. Eddies in the Marginal Ice Zone of Fram Strait and Svalbard from Spaceborne SAR Observations in Winter Remote Sensing, Eddies in the Marginal Ice Zone of Fram Strait and Svalbard from Spaceborne SAR Observations in Winter. Remote Sensing, 14(1), 134. (год публикации - 2022).