Пульсирующие течения в океане по спутниковым и контактным измерениям

На основе измерительной информации, полученной в некоторых акваториях Северной Атлантики, с использованием данных контактных измерений, спутниковых дистанционных зондирований, рассматриваются особенности наблюдаемых в системе океан-атмосфера многомасштабных флуктуаций гидрометеорологических параметров. Конечной целью работы является исследование общих фундаментальных свойств многомасштабных динамических процессов, переноса и трансформации энергии во взаимодействиях атмосфера-море на основе обобщения различных региональных проявлений этих механизмов (Melnikov et al., 2016).
В работе приводятся несколько “case-studies” гидродинамических процессов над хребтом Рейкьянес, в области Субарктического фронта (Амбросимов и др., 2019); над Срединно-Атлантическим хребтом, на акватории Азорского течения (Мельников, 2016); Мельников, 2017); в регионе цепи подводных гор хребта Horse Shoe, в области восточной ветви Азорского течения в Иберийской котловине Северной Атлантики (Мельников, Голенко, 2019); на "Черноморском гидрофизическом полигоне Института океанологии РАН", расположенного вблизи Основного Черноморского течения на траверзе г. Геленджик (Зацепин и др. 2014; Мельников и др., 2017); в Карском море (Архипов и др., 2013). Во всех случаях, для интерпретации процессов использовалась разнообразная информация контактных и спутниковых измерений на автономных буйковых станциях, поплавках АРГОС (Мельников, Никитин, 2020) гидрологических зондирований и разрезов, измерений уровня моря и ветров. Составлены продолжительные ряды метеоэлементов по данным береговых (и на островах) метеостанций в Северной Атлантике, а также вокруг берегов Черного моря, включая многолетний (1935-2020 гг.) ряд наблюдений на метеостанции Геленджика (Мельников и др., 2018).
Рутинная обработка данных измерений включала в себя подготовку массивов данных, расчёт статистических характеристик временных рядов измеренных и производных параметров с использованием гистограмм, прогрессивно-векторных диаграмм, традиционного спектрального анализа Фурье - авто- и взаимных спектров, авто- и взаимных вэйвлет–диаграмм, скользящих спектрограмм. Применялись методы обработки векторной информации с расчётами спектральных инвариантов, вращательных компонент, ЭОФ, годографов, а также оценка частотных составляющих спектров на основе динамико-стохастических моделей (Calman, 1978).
С целью идентификации отдельных процессов выявлены типичные фоновые трёхмерные гидрологические структуры, а также количественно оценены отклонения, связанные с другими составляющими изменчивости, такими как сезонный ход, краевые шельфовые волны, суточные, инерционные колебания, полусуточные и короткопериодные внутренние волны, поверхностные волны. По спектрам выделяются три группы временных масштабов: 1) долговременные, с периодами более трёх лет; 2) годовые (сезонные), а также первый и второй обертоны - полугодовые и третьгодовые; 3) мезомасштабные(от первых суток до нескольких месяцев). При исследовании временных рядов долговременных измерений привлекает внимание повсеместная перемежаемость и пространственная неоднородность наблюдаемых океанографических параметров. Такие же свойства характерны для изменений метеопараметров. Плотность кинетической энергии течений изменяется в широких пределах. Общая изменчивость обусловлена циклическими вариациями и перемежаемостью (“вспышками”) колебаний. Перемежаемость частично связана с изменениями средних (низкочастотных) течений, которые могут приводить к сдвигу частоты циклических составляющих спектра, т.к. по измерениям в фиксированной точке наблюдается доплеровская частота f=f0+U*k, где U - скорость течения, k - волновое число пространственной неоднородности поля. Эти особенности хорошо заметны на вэйвлет-диаграммах кинетической энергии течений.В качестве количественной меры наблюдаемой изменчивости удобно взять сумму дисперсий циклических (квази-периодических) составляющих (включая колебания долговременные, годовые (с обертонами) и мезомасштабные) и дисперсии некоторой случайной ("хаотической") фоновой компоненты. Предполагается, что "хаотические" флуктуации возникают вследствие процесса экспоненциальной релаксации возмущений в гидродинамической системе, выведенной из равновесия в результате множественных случайных внешних воздействий. Спектр такого процесса имеет "красный" вид и может объяснить спадающий по частоте как -2 спектральный фон, который повсеместно наблюдается по измерениям в сплошных средах (Мельников, 2015). На этом фоне спектральные пики и плато указывают на процессы притока энергии в гидродинамическую систему океана. Однако, параметры циклических составляющих спектра также имеют признаки нестационарности по среднему значению, дисперсии и частотам, так что бывает затруднительно их оценить. Максимумы в спектре расплываются и плохо выражены. В дополнение к релаксационному процессу, в "хаотическую" составляющую добавляются разномасштабные (различной амплитуды и продолжительности) "вспышки" колебаний, которые возникают в случайные моменты времени. Такая хаотичность также известна под названием "перемежаемость". Перемежаемость существенным образом сказывается на средних величинах, которые часто ошибочно используют для характеристики нестационарной системы "в среднем".
Причины подобных апериодических "вспышек" кинетической энергии движений внутри океана, разнообразны. Среди них известны воздействия атмосферных процессов (Krauss, 1986), перемещение многомасштабных фронтов в океане (Siedler et al., 1985), а также, в Северной Атлантике, переливы глубинных вод Северного Ледовитого океана через Гренландско-Фарерский "порог", распространение Средиземноморских вод повышенной солёности, сток великих сибирских рек в Арктике и др. (Вязилова и др., 2014; Дианский и др., 2010; Buckley, Marshall, 2016). Имеются также объяснения таких эффектов из теории случайных хаотических систем, для которых сложное нерегулярное поведение является характерным. В таких системах могут возникать сравнительно редкие экстремальные «вспышки» энергии, которые по амплитуде в несколько раз превышают стандартные отклонения от среднего состояния (Farazmand, Themistoklis, 2016).
Работа выполнена в рамках госзадания Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН. Тема № 0149-2019-0004, "Механизмы формирования циркуляционных структур Мирового океана: ключевые процессы в пограничных слоях и их роль в динамике океана на основе экспедиционных исследований, численного и лабораторного моделирования". Авторы благодарны поддержке со стороны РФФИ, проект №18-05-01107 "Исследование океанических механизмов декадной и мультидекадной изменчивости климата в атлантическом секторе Мирового океана", а также поддержке РНФ, проект №17-17-01295 "Исследование десятилетней и междесятилетней изменчивости климата в Северной Атлантике и Арктике".