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)

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Работа за 2–й год проекта “Влияние физических факторов на эволюцию мезо- и субмезомасштабных вихрей в морской среде” посвящена: - Исследованию особенностей эволюции баротропных и бароклинных вихрей по данным лабораторного и численного моделирования в зависимости от особенностей топографии - Исследованию механизмов влияния кросс-шельфовых потоков плавучести на изменение структуры, кинетической и потенциальной энергии синоптических и субмезомасштабных вихрей - Исследование характеристик вихрей в Южной и Северной Атлантике, Арктических морях, Японском море , их пространственно-временной изменчивости на основе данных численного моделирования и спутниковых измерений Получены следующие основные результаты: 1) Проведены лабораторные и численные эксперименты по влиянию различных факторов на на распространение бароклинных вихрей. Наличие топографического препятствия приводит к следующим эффектам: 1) Скорость перемещения вихря значительно снижается при наличии препятствия; 2) После пересечения препятствия потенциальная энергия вихря резко падает и происходит уменьшение его толщины. Было установлено, что шероховатость дна увеличивает устойчивость как циклонических, так и антициклонических вихрей. Такой же, стабилизирующий вихри, эффект обнаружен и в случае наклонного дна. Для устойчивых вихрей предложена параметризация масштаба времени их вязкого затухания. На основе идеализированных численных расчетов модели POM исследовано влияние различных факторов на свободную эволюцию синоптических вихрей, а именно , размеров, интенсивности, стратификации, широты, наклона дна, коэффициентов горизонтальной диффузии, горизонтальных градиентов плотности. Отмечено, что из всех перечисленных факторов особо важную роль играют горизонтальные градиенты сил плавучести, наличие или отсутствие которых существенно меняет режим эволюции вихрей. В зависимости от конфигурации фоновых градиентов плотности динамика вихрей может быть существенно различна. Это связано с тем, что вихрь вовлекает воды другой плавучести в свое орбитальное движение, вызывая генерацию присоединенных вихрей другого знака. Конфигурация диполя определяет дальнейшее направление движение вихря, его смещение на север или юг и может вызывать его усиление или диссипацию. Этот процесс периодичен и способен вызывать образование волн Россби. При этом вихрь извлекает большое количество энергии из фоновых градиентов плавучести и кинетическая энергия системы сильно возрастает при наличии интенсивных градиентов плотности 2) Исследовано влияние горизонтального переноса плавучести на генерацию синоптических ир субмезомасштабных вихрей - На основе данных численного моделирования и спутниковых измерений показано, что образование субмезомасштабных вихрей значительно интенсифицируется при наличии процессов кросс-шельфового обмена, которые вызывают резкий рост градиентов плотности. Пресные воды шельфа попадают в центральную часть моря в результате их вовлечения синоптическими антициклонами. Районы вовлечения этих вод являются зонами наиболее интенсивной генерации субмезомасштабных вихрей на континентальном склоне. . Возникновение бароклинной неустойчивости вызывает генерацию периодических субмезомасштабных структур, среди которых наибольшей завихренностью обладают циклонические вихри. - вовлечение шельфовых вод является важнейшим источником динамической потенциальной энергии для антициклонов Черного моря. Аккумуляция этих вод приводит к росту горизонтальных градиентов плотности в верхнем слое вихря, что вызывает его интенсификацию в поверхностных слоях. Усиление нисходящих движений вызывает опускание сезонного термоклина, что в теплый период времени способствует значительному росту градиентов давления между вихрем и окружающими водами. В результате усиления нисходящих движений происходит опускание основного халоклина. На этих глубинах разница плотности с окружающими водами значительно возрастает, что приводит к росту доступной потенциальной энергии в вихре, которая способна поддерживать существование вихря достаточно длительное время уже после его отрыва от источника опресненных вод. - На основе упрощенной модели точечного вихря исследована эволюция различных характеристик антициклонов при вовлечении шельфовых вод, даны оценки влияния размеров вихря, плотности шельфовых вод на их изменчивость. - На основе проведенного анализа временной изменчивости, вертикальной структуры и эволюции вихрей предложен механизм сезонной генерации антициклонов в Черном море: релаксация поля плотности при ослаблении даунвеллинга, вызванная уменьшением экмановской накачки, приводит к оттоку опресненных вод шельфа в центральную часть моря, что вызывает увеличение потенциальной энергии вод и образование антициклонов. Развивающиеся вихри захватывают в свои орбитальные движения шельфовые опресненные воды, что приводит к росту их потенциальной энергии и их дальнейшему усилению. 3) На основе данных численного моделирования, и спутниковых измерений исследованы характеристики вихрей в Южной и Северной Атлантике, Арктических морях, Японском море, особенности их вертикальной структуры, пространственно-временной изменчивости На основе данных спутниковой альтиметрии за 1992-2021 гг и данных буев Арго исследована пространственно-временная изменчивость вихрей и особенности термохалинной структуры вихрей южной части западной Атлантики (30°-55°ю.ш.; 20 65 в.д.). Проведена валидация данных альтиметрии на основе сопоставления с измерениями ADCP, проведенными в серии Российских Антарктических экспедиций. Определены пространственная изменчивость динамических, геометрических и термохалинных характеристиках (аномалий солености и температуры на разных глубинах) вихрей, получены данные о сезонной изменчивости этих характеристик. - На основе данных гидрологических зондирований Аквалог в Японском море и данных спутниковых оптических измерений MODIS исследована детальная динамическая структура вихрей Приморского течения. Получены данные о размере, скорости перемещения этих вихрей - На основе методов автоматической идентификации вихрей, анализа данных спутниковой альтиметрии и результатов численного моделирования исследована межгодовая изменчивость крупномасштабной и вихревой динамики Норвежского моря, и её связи с временной изменчивостью Лофотенского вихря. Показано, что этом на сезонных масштабах ослабление Норвежского течения приводит к его меандрированию и генерации большего количества синоптических вихрей. Однако, эти вихри имеют наибольшую интенсивность в годы с сильным Норвежским течением. Такие интенсивные вихри способны достигать центра Лофотенской котловины и сливаться с Лофотенским вихрем. В результате изменчивость энергии Лофтоенского вихря на межгодовых масштабах коррелирует с интенсивностью Норвежского течения со значительным лагом ~ 1 год. Этот лаг связан с временем необходимым: 1) для сезонной генерации вихрей Норвежского течения при ослаблении крупномасштабной циркуляции (1/2 года); 2) для перемещения вихрей в центр Лофотенской котловины (~ 1000 км) -На основе обработки измерений спутниковых радиолокаторов с синтезированной апертурой (РСА) проведен анализ пространственно-временной изменчивости поля вихрей в свободных ото льда районах Норвежского и Гренландского морей за летний период 2007 г. и исследование её зависимости от фоновых ветровых условий и поля поверхностных течений. Показано, что наиболее интенсивными районами вихреобразования являются области у плато Воринг, в Датском проливе, над Фарерско-Исландским порогом, на периферии квазистационарного Лофотенского вихря и вдоль ветвей Норвежского течения. Большое количество вихрей также наблюдалось в районе хребтов Мона и Книповича, вдоль основной струи Западно-Шпицбергенского течения в проливе Фрама и на западном шельфе арх. Шпицберген. Максимальное количество вихрей наблюдалось вдоль струй основных течений, особенно в районах их меандрирования. Наибольшее количество вихрей зарегистрировано в мае, когда интенсивность основных течений была максимальной.