О гидрофизических процессах в Карском море.
Текущий момент в исследованиях.

Введение. Предмет исследований.
Изучение гидрофизической системы Карского моря представляет большой интерес, в связи с климатическими тенденциями на Земле в целом, и с особенно быстрым, в последнее десятилетие, потеплением в Арктике, (Rantanen et al, 2022). Арктика обширна и неоднородна по своим регионам. По сравнению с другими арктическими шельфовыми морями Карское море имеет свои особенности. Выделяя главную особенность, Карское море можно определить как уникальный «реактор» Арктики, где происходит смешение трёх видов вод. Пресные воды Великих сибирских рек (~1000 км3/год, что составляет порядка 1% от общего объёма Карского моря) растекаются над сравнительно тёплыми «модифицированными Североатлантическими» водами из Баренцева моря, которые располагаются в слое над холодными высокосолёными арктическими водами из котловины Нансена, (Амбросимов, Мельников, 2024; Osadchiev et al., 2022; Osadchiev et al., 2021; Dmitrenko et al., 2015; Pivovarov et al., 2002; Volkov et al., 2002; McClimans et al., 2000; Doronin et al., 1991).
Методы исследований.
Процессы многомасштабных атмосферных воздействий, (включая катабатические ветры с о. Новая Земля (Дианский и др., 2014; Репина и др., 2011; Обзор гидрометеорологических процессов в Северной полярной области, 2022,2023), сезонные прогрев и ледообразование, приливы, на фоне медленной адаптации к гравитационному равновесию указанных водных масс, создают сложную систему трёхмерных разномасштабных течений Карского моря (Дианский и др., 2014; Doronin et al., 1991), изучение которых до сих пор остаётся далёким от завершения. В то же время, очевидно, что климатические изменения в Арктике, биота, вариации ледовитости, стоки от таяния вечной мерзлоты, эмиссия метана, колебания в притоке в русские арктические бассейны Североатлантических вод и др. так или иначе связаны с гидродинамикой Карского моря (Ростов и др., 2019; Алексеев и др., 2018; Aksenov, Ivanov, 2018; Алексеев 2015; Arctic sea ice decline, 2008).
К настоящему моменту в Карском море были проведены немало международных и российских экспедиций (ААНИИ, ИО РАН, ГОИН, AWI и др.) по фундаментальным и прикладным задачам (Амбросимов, Мельников, 2024). Россия участвовала в десятках международных экспедиций в Арктике. В Институте океанологии им. П.П. Ширщова начали заниматься систематическими экспедиционными исследованиями в Арктических морях начиная с середины 1990-х годов.
Для успешного изучения многомасштабных гидрофизических процессов необходим систематический подход в духе принципов долговременных комплексных измерений, изложенных, например, в (Зацепин и др., 2014), спутниковый мониторинг существенных индикаторных параметров атмосферы и океана (Fu et al., 2019) и математические модели циркуляции вод (Яковлев, 2015; Дианский и др., 2014; Яковлев, 1996).
Спутниковые исследования в Арктике.
Систематические дистанционные зондирования Земли (ДЗЗ) из космоса начались со спутников Nimbus-7 и SeaSat, запущенных в 1978 году (Comiso, 2010 ). На их бортах были установлены сканеры цвета поверхности океана, пассивные датчики микроволновых и инфракрасных излучений (Nimbus-7), радар с синтезированной апертурой, радиолокационный высотомер и скаттерометр (SeaSat).
В последующие годы было запущено много новых спутников, в том числе и на полярных орбитах. В программах ДЗЗ участвуют много стран: Европейское космическое агентство (ESA), Японское агентство по аэронавтике и исследованию космического пространства (JAXA), а также в последнее время - Россия, Китай, Индия, Корея и Канада.
В полярных регионах используются системы спутниковых наблюдений, такие как система Copernicus ЕС и система NASA проекта «Система наблюдения за Землей» (Earth Observing System, EOS) спутники Terra и Aqua.
В этих системах имеются несколько спутниковых платформ с многочисленными датчиками т.н. “значимых параметров“ для всепогодного мониторинга изменений климата, криосферы (ледниковых щитов, морского льда, снега), океанических и атмосферных условий и др. Затем спутниковые данные ДЗЗ, дополняя измерения in situ “усваиваются” в разнообразных численных моделях.
В настоящее время собраны в интернет -архивах и бесплатно доступны данные более чем за 45 лет, начиная с данных сканирующего многоканального микроволнового радиометра (SMMR) на борту спутника Nimbus-7, специального сканирующего микроволнового визуализатора (SSM/I) на борту метеорологической спутниковой программы Министерства обороны США (DMSP) и усовершенствованного микроволнового сканирующего радиометра на борту спутника EOS/Aqua.
Достижения в области компьютерных технологий позволили преодолеть многие проблемы сбора и архивирования, и обеспечивают доступность спутниковых данных, собранных в рамках проекта NASA «Система наблюдения за Землей».
Программы NASA (JPL)и NOAA Polar Operational Environmental Satellites (POES), предоставляют информацию о поверхности Земли в архивах данных Physical Oceanography Distributed Active Archive Center (PODAAC, https://podaac.jpl.nasa.gov/) . Системы комплексных наблюдений за полярными регионами быстро совершенствуются на основе международного сотрудничества в рамках проекта Интегрированная арктическая система наблюдения Земли на Шпицбергене (SIAEOS).
Служба мониторинга морской среды и окружающей среды (Copernicus Marine and Environment Monitoring Service (CMEMS) организована французским центром анализа и прогнозирования состояния Мирового океана (Mercator Océan). Используя информацию спутниковых и наземных наблюдений, а также численные модели, Морская служба «Коперник» ежедневно предоставляет самые современные аналитические данные и прогнозы, позволяющие наблюдать, понимать и прогнозировать состояние морской среды в Карском море, в том числе. Морская служба Copernicus предоставляет данные, модели и информацию, связанные с анализом различных морских переменных. Эти переменные разделены на три категории: “Голубой“(море), “Зелёный“(суша) и “Белый“(криосфера) океан.
Для всех регионов Полярных областей Земли данные из различных источников: глобальных и региональных моделей, локальных наблюдений, спутниковых наблюдений предоставляются Морской службой «Коперник» как точная, детальная и исчерпывающую информация в наиболее полном в настоящее время наборе, в режиме "one-stop-shop" («одного окна»), (The Copernicus Arctic Hub https://www.arctic.hub.copernicus.eu/data?view=catalogue).
Система анализа и прогнозирования состояния мирового океана Operational Mercator на уровне 1/12 градуса предоставляет 10-дневные 3D-прогнозы состояния мирового океана, обновляемые ежедневно. Временные ряды агрегируются по времени для достижения двухлетнего скользящего временного окна.
Этот продукт включает в себя среднесуточные и месячные файлы данных о температуре, солености, течениях, уровне моря, глубине смешанного слоя и параметрах льда от поверхности до самого дна мирового океана. Он также включает среднечасовые поля данных о высоте уровня моря, температуре и течениях. Выходные файлы данных о мировом океане отображаются с горизонтальным разрешением 1/12 градуса в прямоугольной проекции долготы/широты. 50 вертикальных уровней находятся в диапазоне от 0 до 5500 метров.
Этот продукт также предоставляет специальный набор данных о поверхностных течениях, включающий данные о волнении и приливном дрейфе, называемый SMOC (Surface merged Ocean Current), https://doi.org/10.48670/moi-00016.
Приложение Copernicus Marine MyOcean Pro Viewer, предоставляет возможность просматривать к мультипроекционные карты океана в четырёх измерениях (долгота, широта, глубина и время), а также графики в зависимости от времени, глубины и/или расстояния.
Дополнительную информацию о спутниковых исследованиях в Арктике можно получить из ( Nordbeck et al, 2021), а о ближайших планах можно узнать из (Alfred Wegener Institute (AWI), 2024).
Достижения
Главными результатами полевых измерений и спутниковых наблюдений в Карском море были выяснение гидрологической структуры (Амбросимов, Мельников, 2024; Архипов и др., 2013, водообменов с окружающими морями через проливы вокруг Новой Земли, и по каньонам с Северным Ледовитым океаном (Osadchiev et al., 2022; Амбросимов, 2021), процесса распространения стоков Оби и Енисея и формирования линз опреснённых вод (Osadchiev et al., 2021; Поярков, Недоспасов, 2021), фронтальных зон Карского моря (Kulakov M., Stanovoi, 2002), многомасштабной динамики вод (Амбросимов, Мельников, 2024 ).
Необходимость исследования уровня моря.
Уровень моря является важным индикатором геострофических течений на поверхности моря - по нему можно опосредованно судить даже о процессах в глубинах океана (Fu et al., 2001) и о подробной топографии рельефа дна моря (Smith, Sandwell,1997). Начиная с 80-х годов прошлого столетия спутниковая альтиметрия стала одним из важнейших инструментов для глобального мониторинга крупномасштабной и мезомасштабной динамики океана (Ubelman et al., 2015). Однако, существуют ограничения использования альтиметрии для обнаружения мелких (субмезомасштабных) динамических процессов в открытом океане и, особенно, в прибрежных районах. Альтиметрическая миссия SWOT обеспечивает наблюдения за уровнем морской поверхности с разрешением 250 м вдоль трека спутника, что позволяет наблюдать мелкомасштабные структуры поля уровня моря. Ассимиляция данных контактных и альтиметрических измерений, дрифтерных наблюдений (Никитин, Касьянов, 2016), данные реанализов (Kholoptsev et al., 2021), спутниковые измерения (Шалина, Бобылев, 2017; Буренков и др., 2010) и модели (Каган,Софьина, 2018; Дианский и др., 2014; Panteleev et al, 2007; Kulakov, Stanovoi, 2002; Harms, Karcher, 2005; Harms et al., 2003; Harms, Karcher, 1999; Harms, 1997a; Harms, 1997b; Harms, 1997c; Яковлев, 1996; Doronin et al., 1991), постепенно приводят к прогрессу в изучении трехмерного Карского моря и его временной эволюции (Qiu et al., 2016; Capet et al., 2008).
Спектр изменчивости гидрофизических процессов.
О сезонной и долговременной изменчивости гидрофизических полей в Карском море известно немногое.
В 2021 году в центральной части Карского моря, к западу от полуострова Ямал на год были установлены несколько притопленных буйковых станций (ПБС), оснащенных доплеровскими акустическими измерителями скорости течений, уровня моря и датчиками температуры воды типа Sontek.
Обработка данных измерений включала в себя подготовку массивов данных (редакция, систематизация и архивирование), расчёт статистических характеристик временных рядов измеренных и производных параметров с использованием гистограмм, прогрессивно-векторных диаграмм, лагранжевых траекторий, традиционного спектрального анализа Фурье авто- и взаимных спектров (Calman, 1978a,b), авто- и взаимных вэйвлет–спектров (Torrence, Compo, 1998). С учётом перемежаемости исследуемых процессов, были выделены отдельные примеры эволюции поля с яркими проявлениями процессов релаксации морской гидродинамической системы после выведения из равновесного состояния. С целью идентификации гидродинамических процессов, выявлены типичные фоновые сезонные гидрологические структуры поля, а также количественно оценены флуктуации и плотность кинетической энергии, связанные с другими составляющими изменчивости, такими как: краевые шельфовые волны, инерционные, суточные и полусуточные приливы и внутренние волны, поверхностные волны, согласно методике, изложенной в (Turet et al., 1993).
Для T-S анализа изучались данные гидрологических зондирований при постановке и снятии ПБС, а также гидрологические съёмки, проведённые в рейсе НИС ”Иван Петров” (ГОИН), (Амбросимов, Мельников, 2024; Архипов и др. 2013) .
Дополнительно использовались архивы анализа гидрометеорологической обстановки в регионе, спутниковая информация (поля температуры поверхности моря (SST PathFinder), аномалий уровня моря (Aviso), траектории поверхностных дрифтеров, а также данные прибрежных северных метеорологических станций из списка ВМО (Melnikov et al., 2012) и, в частности, стандартные данные метеостанций на мысе Харасавэй, в Сабетте (аэропорт), на метеостанции им. М.В.Попова (о. Белый), расположенных в относительной близи полигона.
Рельеф дна Карского моря визуализирован на основе массивов (Smith, Sandwell, 1997) и топографических карт.
На основе оценок статистических связей между различными параметрами исследуемой гидрофизической системы, включая метеорологические элементы, уровень моря и температуру поверхности моря, проведен анализ масштабов пространственно-временной изменчивости наблюдаемых гидрометеорологических полей и получены новые данные о характере действующих физических механизмов развития разномасштабных гидрофизических процессов в центральной части Карского моря.
Внутригодовые осцилляции скорости течений.
В период от 15.01.2022 г. по 15.07.2022 г. (подо льдом) на ПБС-7219 наблюдались устойчивые мезомасштабные осцилляции скорости течения с периодом порядка 15 суток. Скорости достигали весьма значительных величин - до 30 см/с. С учётом зимних условий, предполагается, что так проявляются циклы заброса холодных и высокосолёных вод по желобам Св. Анны и Воронина из котловины Северного ледовитого океана. В зимний период температура окружающей морской воды опускается до минимума ~ -2°C, что может быть связано только с привносом холодных высокосолёных вод из арктической котловины Нансена. Эта вода вытесняет относительно теплые и опресненные воды в точке измерений, которые сформированы в центральной части моря в результате летнего распространения и перемешивания паводковых вод рек Обь-Енисейским течением, и поступления баренцевоморских вод через пролив Карские ворота и вокруг северной оконечности о. НоваяЗемля. Отметим, что эта гипотеза требует дальнейшей разработки.
Представляют интерес среднегодовые спектральные характеристики динамики вод в центральной части Карского моря.
Проведённые измерения скорости течений и СТД параметров позволяют представить движение различных водных масс и оценить спектральные свойства кинетической энергии течений во внутригодовом диапазоне периодов 2 час.-170 суток. Долговременный измерения скорости течений в течение года показывают значительные вариации плотности кинетической энергии в диапазоне до 1000 эрг/см3.
Главный пик мезомасштабных (синоптических) возмущений по данным ПБС приходится на период 10-15 сут.
Высокочастотные колебания параметров.
Колебания течений происходят на фоне с богатым спектральным содержанием высокочастотных составляющих. Подо льдом энергия колебаний течений уменьшается в среднем на порядок, хотя вспышки течений продолжаются и зимой. Тонкая структура приливного полусуточного спектрального пика обнаруживает наличие интенсивных инерционных колебаний.
Высокочастотная часть спектра, в интервале периодов 20 с. – 2 суток, оценивалась в ряде экспериментов по рядам продолжительностью порядка несколько суток с дискретностью 10 с. (Амбросимов, Мельников, 2024). На малых временных масштабах, начиная от 10 сек. и пространственных масштабах - от 10 см имеют место значительные вариации измеряемых параметров. Это обусловлено условиями стратификации в Карском море. Глубже резкого пикноклина, залегает Арктическая донная вода с Т-S параметрами -1- +1 градусов C и 33,5 – 34,5 единиц практической шкалы солёности. В мелководных акваториях Карского моря, по сравнению с открытым океаном, сложность полей и изменчивость существенно возрастают.
Обоснование структуры атмосферных и морских спектров флуктуаций параметров.
С целью оценки взаимосвязей на различных масштабах, проведено моделирование спектральных характеристик реализаций. Локально, отклик системы на множественные случайные по фазе и амплитуде воздействия можно рассматривать как нормальный шум, преобразованный в системе с релаксацией, временной масштаб которой определяется физическими свойствами среды. Модель авторегрессии первого порядка соответствует экспоненциальной релаксации, а модель авторегрессии второго порядка описывает автоколебания с релаксацией (Мельников, 2015).
Сопоставление с атмосферными процессвми.
В российской Арктике доминируют долговременные юго-западные ветры и, следовательно, в Арктику в среднем привносятся более теплые воздушные массы. Завихренность в Арктике в долговременном плане - антициклоническая, (Melnikov, et al., 2012). На о. Врангеля доминирует перенос воздуха из Арктики на Чукотку и Камчатку, и далее, на дальневосточный регион, где преобладают северные ветры с мусонными циклами, в соответствии с циркуляцией по периферии Сибирского антициклона. Ветровое воздействие в летний сезон сравнительно невелико, характерная толщина верхнего перемешанного слоя составляет ~20 м, дрейфовая компонента течений охватывает верхний тонкий слой ~2 м. Изменчивость ветра хапктеризуется синоптическими периодами 2-20 суток. Однако, насколько сильно влияние ветров над поверхностью льда в зимний период - не ясно. Сравнение энергии течений с энергией ветров на метеостанции им. М.В.Попова показывает сопоставимые значения, хотя в среднем корреляция возмущений в воде и в атмосфере невелика.
Мутьевой фронт.
В Карском море и в атмосфере над ним повсеместно встречаются разномасштабные фронты с резкими изменениями параметров. В частности, на траверзе п. Харасавэй, наблюдалась фронтальная граница прибрежных взвесенесущих вод, продвигающаяся от берега со скоростью 10 см/с. Отмечаются кардинальные динамические отличия прибрежных (мутных) и мористых (относительно прозрачных) вод. Предварительный анализ показывает, что прибрежные воды могут быть сильно турбулизированы в результате стока рек и приливных течений в мелководных прибрежных областях. Оценка интенсивности и пространственно-временных масштабов флуктуаций параметров в указанных процессах может быть существенна для модельных расчётов динамики вод и осадконакопления, (Архипов и др., 2013).
Благодарности.
Работа выполнена в рамках Государственного задания ИО РАН по теме FMWE-2024-0016 («Разномасштабные гидрофизические процессы в Мировом океане и его пограничных слоях: их исследование методами оперативной океанографии, судовых наблюдений, дистанционного зондирования, теоретического, численного и лабораторного моделирования»), а также при выполнении темы 4.6.11 ГОИН Росгидромета.