Динамика поверхностных фронтальных зон в Баренцевом и Карском морях в условиях меняющегося климата по разнородным данным спутникового дистанционного зондирования

Одним из важнейших явлений в арктических морях, в котором наблюдаются все каскады масштабов изменчивости океанологических процессов, являются климатические и сезонные фронтальные зоны (Kostianoy et al., 2004). В Баренцевом море таким ярким примером является Полярная фронтальная зона (ПФЗ), которая относится к элементам одной из планетарных циркуляций — переноса тепла с Атлантического океана в Арктику (Oziel et al., 2016). В Карском море наблюдается Стоковая фронтальная зона (СФЗ), образующаяся в результате взаимодействия речных и морских вод (Завьялов и др., 2015). Кроме этого, в обоих упомянутых морях наблюдается Прикромочная фронтальная зона (ПрФЗ), сформированная за счет опреснения и конвекции в области кромки арктического льда (Моисеев и Жичкин, 2017). Однако, несмотря на отмечаемые многими исследователями изменения климата, до настоящего времени представления о многолетней динамике и характеристиках поверхностного слоя в области фронтальных зон в арктическом регионе отрывочны.
Таким образом, цель данной работы – используя единый методический подход выполнить количественную оценку изменчивости поверхностных характеристик в области ПФЗ, ПрФЗ и СФЗ в XXI веке и установить ее связи с особенностями субмезомасштабной вихревой и атмосферной динамики.
В настоящей работе для детектирования характеристик ПФЗ, ПрФЗ и СФЗ использовались среднемесячные спутниковые данные температуры и солености поверхности моря, а также уровня морской поверхности с мая по октябрь с 2002 по 2020 годы.
Для идентификации термических фронтальных зон использовались данные температуры поверхности Баренцева и Карского моря (ТПМ) уровня обработки L3 спутникового радиометра Suomi NPP VIIRS с пространственным разрешением 0,05° по широте и долготе. Изменчивость солености поверхности моря (СПМ) описывали данные уровня обработки L3 спутника NASA SMAP с пространственным разрешением 0,25° по широте и долготе. Для динамического фронта были взяты суточные данные абсолютной динамической топографии (АДТ) из базы AVISO с пространственным разрешением 0,25° по широте и долготе. Для идентификация фронтальных зон на поверхности Баренцева и Карского морей выполнялся кластерный анализ спутниковых данных (Коник и др., 2021). Для выделенной области фронтальной зоны определялись средние значения перечисленных характеристик и их градиентов, а также занимаемая ею площадь.
Для регистрации проявлений вихревых структур в Баренцевом и Карском морях выполнен анализ 3095 РЛИ за август (2007, 2009, 2011, 2015-2020) Envisat Asar в С-диапазоне и режимах съемки WSM и IMP, а также Sentinel-1A и -1B полученных в таком же диапазоне и режимах съемки EW и IW. Анализ спутниковых РЛИ и выделение вихревых структур проводились согласно методике, описанной в работе (Kozlov et al., 2019).
Для оценки влияния на характеристики крупномасштабных атмосферных процессов использовались среднемесячные данные индексов NAO, EA, SCAND, EA/WR и POL. Для определения степени связи характеристик ФЗ и индексов использовался корреляционный анализ (Вайновский и Малинин, 1992).
Оценки в области ПФЗ показали, что ее площадь испытывает значительные изменения в начале летнего сезона, в то время как градиенты ТПМ и СМП довольно стабильны. Анализ межгодовых и сезонных характеристик ПФЗ показал, что её интенсивность выше во второй половине XXI века, что, возможно, связано с увеличением затока теплых атлантических вод в Арктику. Максимальное количество вихревых структур в области ПФЗ наблюдалось в августе 2009 года, в остальные годы их встречаемость на границах и внутри ПФЗ значительно ниже. Анализ статистических связей характеристик ПФЗ и атмосферных осцилляций показал, что индекс SCAND со сдвигом в 3 месяца лучше всего описывает изменение градиентов и площади ПФЗ. Таким образом, установлено, что антициклоническая активность над Скандинавским п-ом может влиять на увеличение градиентов ТПМ и уменьшение площади ПФЗ.
Изменчивость параметров СФЗ характеризовалась значительными внутрисезонными колебаниями АДТ и ТПМ. Анализ межгодовых колебаний характеристик СФЗ показал, что градиенты ТПМ во втором десятилетии XXI гораздо ниже, чем с 2002 по 2010 гг. Возможные причины такой изменчивости связаны с процессами интенсификации распреснения вод Карского моря. Встречаемость вихревых структур в области СФЗ относительно других районов моря в течении всего периода исследований достаточно высока. Наблюдается общий тренд на увеличение проявлений вихрей в августе в области СФЗ с 2017 года, что, вероятно, связано с ослаблением вертикальной устойчивости в области фронта. Анализ корреляции индексов атмосферной циркуляции с характеристиками СФЗ показал, что индекс SCAND и POL со сдвигом в 3 и 6 месяцев лучше всего описывает изменения характеристик ТПМ и их градиентов в области СФЗ.
Анализ характеристик ТПМ и ее градиентов в области ПрФЗ показал наличие значительных межгодовых колебаний интервалом пять лет. Максимальные значения градиентов ТПМ отмечались в годы с минимальным ледовым покровом.
Таким образом, впервые на основе общего методического подхода удалось описать особенности изменчивости характеристик различных по своей природе фронтальных зон в арктических морях, описать их связь с проявлениями вихревых структур и атмосферных осцилляций в условиях современного меняющегося климата.
Анализ вихревых структур выполнен за счет гранта Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 20-35-90053). Анализ фронтальной динамики выполнен в рамках государственного задания по теме № 0128-2021-0014.