Исследование влияния ветрового фактора на изменчивость водообмена Атлантического и Северного Ледовитого океанов на основе модельных расчетов с использованием данных Арго

Воды Северной Атлантики, несущие в Арктический регион большое количества тепла и соли, взаимодействуют с холодными и менее солеными водами морей Северного Ледовитого океана. Эти процессы взаимодействия различных водных масс в основном происходят в пределах Норвежского и Гренландского морей. Поступление большого количества тепла и соли с водами Северной Атлантики, с одной стороны, создает уникальную переходную область с особым региональным климатом, когда в арктических широтах в течение всего года моря свободны ото льда. Более того, эта область определяет умеренный климат Западной Европы, а характер и величина затока вод из Атлантического океана тесно связаны с изменчивостью индекса Североатлантического колебания (Лебедев, 2016). С другой стороны, большое количество соли в верхних слоях приводит к развитию вертикальной конвекции и формированию промежуточных и глубинных вод высокой плотности для Северного Ледовитого океана и Северной Атлантики, которые в значительной мере определяют циркуляцию вод в глубинах Атлантического океана. В связи с тем, что количество гидрофизических наблюдений в приполярных районах ограничено, представляется крайне важным ответить на вопрос о критичности неполноты знаний термохалинных характеристик для корректного численного моделирования особенностей межгодовой изменчивости циркуляции в этом районе.

Проблема недостатка гидрофизических наблюдений в исследуемом районе частично решается за счет появления в последние годы ограниченного количества дрейфующих измерителей программы Арго. Целью международного проекта Argo является создание и поддержание постоянно действующей глобальной сети океанографических станций на основе дрейфующих буев-измерителей. Работа измерителей происходит по следующей схеме. Буй дрейфует около 10 суток на заданной глубине, затем опускается на глубину 2 км и всплывает на поверхность, измеряя температуру и соленость. Во время нахождения на поверхности данные передаются на спутники, которые определяют точное местоположение прибора, после чего буй снова опускается на глубину. Энергии батарей хватает на 3-4 года работы. С 2005 г. измерения с помощью поплавков Argo стали вести на большей части акватории Мирового океана (по состоянию на сегодняшний день в Мировом океане непрерывно работает около 4000 измерителей Argo. Постоянно пополняющиеся массивы измерений позволяют решать задачи реконструкции и мониторинга состояния океана в режиме, близком к реальному времени, и исследовать особенности океанской динамики и ее изменчивости.

Исследование изменчивости водообмена Атлантического и Северного Ледовитого океанов базируется на данных модельных расчетов с использованием разработанной в Институте океанологии им. П.П. Ширшова РАН Арго-модели исследования глобального океана (АМИГО) (Лебедев, 2016, 2017), которая состоит из блока вариационной интерполяции на регулярную сетку нерегулярно расположенных во времени и пространстве данных профилирования Argo (Lebedev et al., 2010; Курносова, Лебедев, 2014) и блока модельной гидродинамической адаптации вариационно проинтерполированных полей (Иванов, Лебедев, 2000; Пальшин и др., 1999). Такая методика позволяет получать по нерегулярно расположенным данным измерений Argo полный набор океанографических характеристик: температуру, соленость, плотность и скорость течений. Расчеты проводились для акватории Мирового океана, ограниченной на севере 85,5° с.ш. на сетке с шагом 1° по долготе и широте, на 32 горизонтах, соответствующих горизонтам массивов World Ocean Atlas 2009 (WOA-09). На глубинах, превышающих 2000 м, где отсутствуют измерения Argo, значения температуры и солености брались из массивов WOA-09.

Методика АМИГО для обработке данных Argo в Северной Атлантике успешно применялась ранее в работах (Лебедев, Саркисян, Никитин, 2016; Саркисян, Никитин, Лебедев, 2016). Анализ результатов модельных расчетов и их сравнение с дрифтерными данными показали, что поля температуры и солености, полученные по данным Argo с использованием вариационной методики интерполяции данных на регулярную сетку, восстанавливают реалистичные поля течений, а созданная таким образом термогидродинамическая информация может успешно использоваться в качестве начальных условий в гидродинамических моделях динамики Мирового океана (Лебедев, Саркисян, Никитин, 2016). Сравнение приповерхностных течений, полученных в результате численного моделирования, с измерениями, в частности, с течениями, полученными по результатам прямых измерений дрифтерами, показывает их хорошее взаимное соответствие (Саркисян, Никитин, Лебедев, 2016).

Результаты численного моделирования с использованием данных Арго позволили достоверно рассчитать обмен массой, теплом и солью Атлантического и Северного Ледовитого океанов (Лебедев, Филюшкин, Кожелупова, 2019). Изменчивость расходов имеет четко выраженный сезонный характер, с максимальными значениями осенью–зимой и минимумами весной–летом. Изменчивость расхода через пролив Фрама содержит полугодовую составляющую, при том, что среднее поступление воды через разрез близко к нулю. Для оценки вклада ветрового и термохалинного факторов в межгодовую изменчивость водообмена были выполнены дополнительные численные эксперименты с заменой реальных термохалинных полей их среднемноголетними аналогами и с заменой среднемноголетними аналогами реальных полей тангенциального напряжения трения ветра (Лебедев, Филюшкин, Щепёткин, 2020). Такой подход использовался ранее в работах (Lebedev, Tarakanov, 2018; Лебедев, 2019). Анализ результатов численных экспериментов показал, что именно изменчивость полей тангенциального напряжения трения ветра является основным фактором, определяющим межгодовую изменчивость водообмена области Полярных морей с Атлантическим и Северным Ледовитым океанами.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ №18-05-80089.