Исследование характеристик внутренних волн в Карском море и их влияния на турбулентные потоки тепла и импульса над морской поверхностью

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Работа посвящена исследованию характеристик внутренних волн в Карском море и их влиянию на турбулентные потоки импульса и тепла в приводном слое атмосферы. Проведены расчеты направления и горизонтальной скорости распространения короткопериодных внутренних волн в проливе Карские Ворота. Проанализированы кросс-спектры мезомасштабных флуктуаций температуры воды на поверхности моря, на глубинах 10 и 20 м, и метеопараметров (скорости ветра, атмосферного давления, температуры) на высоте 22 м. Выявлены общие спектральные максимумы на периодах, характерных как для захваченных внутренних гравитационных волн, распространяющихся в слое термоклина, так и для атмосферных гравитационных волн в устойчиво-стратифицированном слое нижней тропосферы. Предложен механизм влияния наблюдаемых внутренних гравитационных волн в слое термоклина на мезомасштабные флуктуации метеопараметров с периодами от нескольких минут до нескольких часов, и турбулентные потоки импульса, явного и скрытого тепла в приводном слое атмосферы.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Е. А. Марчук

Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: murchuk-ekaterin@mail.ru
Россия, Пыжевский пер., 3, Москва, 119017

И. П. Чунчузов

Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН

Email: igor.chunchuzov@gmail.com
Россия, Пыжевский пер., 3, Москва, 119017

О. Е. Попов

Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН

Email: murchuk-ekaterin@mail.ru
Россия, Пыжевский пер., 3, Москва, 119017

И. А. Репина

Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН; Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Email: murchuk-ekaterin@mail.ru
Россия, Пыжевский пер., 3, Москва, 119017; Ленинские горы, 1, стр. 4, Москва, 119234

И. Е. Козлов

Морской гидрофизический институт РАН

Email: murchuk-ekaterin@mail.ru
Россия, ул. Капитанская, 2, Севастополь, 299011

К. П. Сильвестрова

Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН

Email: murchuk-ekaterin@mail.ru
Россия, Нахимовский пр-т, 36, Москва, 117997

А. А. Осадчиев

Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН; Московский физико-технический институт

Email: murchuk-ekaterin@mail.ru
Россия, Нахимовский пр-т, 36, Москва, 117997; Институтский пер., 9, Долгопрудный, 141700

Н. Б. Степанова

Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН; Московский физико-технический институт

Email: murchuk-ekaterin@mail.ru
Россия, Нахимовский пр-т, 36, Москва, 117997; Институтский пер., 9, Долгопрудный, 141700

У. М. Йоханнессен

Научное общество Нансена

Email: murchuk-ekaterin@mail.ru
Норвегия, Конг-Кристиан-Фредрикс-Пласс, 6, Берген, 5006

Список литературы

  1. Волков Ю.А., Кузьмин А.В., Репина И.А., Трохимовский Ю.Г. Радиометрические исследования температурного режима поверхности воды в лабораторных условиях // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2004. № 1. C. 33–52.
  2. Бондур В.Г., Серебряный А.Н., Замшин В.В., Тарасов Л.Л., Химченко Е.Е. Интенсивные внутренние волны аномальной высоты на шельфе Чёрного моря // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2019. Т. 55. № 1. С. 114–127.
  3. Букатов А. А., Соловей Н. М., Павленко Е. А. Свободные короткопериодные внутренние волны в арктических морях России // Мор. гидрофиз. журн. 2021. Т. 37, № 6. С. 645–658.
  4. Булатов М.Г., Кравцов Ю.А., Кузьмин А.В., Лаврова О.Ю., Митягина М.И., Раев М.Д., Скворцов Е.И. Микроволновые исследования морской поверхности в прибрежной зоне. М.: КДУ, 2003. 136 с.
  5. Григоркина Р.Г., Губер П.К., Фукс В.Р. Прикладные методы корреляционного и спектрального анализа крупномасштабных океанологических процессов, Л.: Изд. ЛГУ, 1973. 172 с.
  6. Доценко С.Ф., Миклашевская Н.А. Генерация поверхностных и внутренних волн в ограниченном бассейне перемещающимся барическим фронтом // Мор. гидрофиз. журн. 2009. № 3. С. 3–18.
  7. Зимин А.В. Внутренние волны на шельфе Белого моря по данным натурных наблюдений // Океанология. 2012. Т. 52. № 1. С. 16–25.
  8. Козубская Г.И., Коняев К.В., Плюдеман А., Сабинин К.Д. Внутренние волны на склоне желоба острова Медвежий по данным эксперимента Полярный фронт Баренцева моря (BSPF#92) // Океанология. 1999. Т. 39. № 2. C. 165–173.
  9. Лаврова О.Ю., Митягина М.И., Сабинин К.Д., Серебряный А.Н. Изучение гидродинамических процессов в шельфовой зоне на основе спутниковой информации и данных подспутниковых измерений // Совр. пробл. дист. зонд. Земли из космоса. 2015. Т. 12. № 5. С. 98–129.
  10. Лаппо С.С. Среднемасштабные динамические процессы океана, возбуждаемые атмосферой. М.: Наука. 1979. 181 с
  11. Марчук Е.А., Репина И.А., Козлов И.Е., Осадчиев А.А., Степанова Н.Б. Анализ температуры поверхности Карского моря на основе спутниковых данных и данных экспедиции «Плавучий университет-2021» // материалы VII Международной научно-практической конференции. 15–19 мая 2023 г., Сб. Научн. тр. Майкоп, 2023 г. Ч. 2. стр. 63—65.
  12. Морозов Е.Г., Нейман В.Г., Щербинин А.Д. Внутренний прилив в проливе Карские Ворота // Докл. РАН. 2003. Т. 393. № 5. С. 688–690.
  13. Поверхностные и внутренние волны в арктических морях / Под ред. И.В. Лавренова, Е.Г. Морозова. СПб.: Гидрометеоиздат. 2002. 360 с.
  14. Репина И.А., Артамонов А.Ю., Варенцов М.И., Хавина Е.М. Взаимодействие атмосферы и океана в Северном Ледовитом океане по данным измерений в летне-осенний период // Росс. Арктика. 2019. № 7. С. 49–61.
  15. Репина И.А. Методы определения турбулентных потоков над морской поверхностью. — М.: ИКИ РАН, 2007. 36 с.
  16. Сабинин К.Д., Становой В.В. Интенсивные полусуточные внутренние волны в Карском море // Поверхностные и внутренние волны в арктических морях /Под ред. И.В. Лавренова, Е.Г. Морозова. СПб.: Гидрометеоиздат, 2002. С. 265–279.
  17. Сабинин К.Д., Серебряный А.Н. «Горячие точки» в поле внутренних волн в океане // Акустич. журн. 2007. Т. 53. № 3. С. 410–436.
  18. Свергун Е.И., Зимин А.В., Атаджанова О.А., Коник А.А., Зубкова Е.В., Козлов И.Е. Изменчивость фронтальных разделов и короткопериодные внутренние волны в Баренцевом и Карском морях по данным спутниковых наблюдений за тёплый период 2007 года // Совр. пробл. дист. зонд. Земли из космоса. 2018. Т. 15. №4. С. 181–188.
  19. Свергун Е.И., Зимин А.В., Атаджанова О.А., Жегулин Г.В., Романенков Д.А., Коник А.А., Козлов И.Е. Коротко-периодные внутренние волны в прибрежной зоне Баренцева моря по данным контактных и спутниковых наблюдений // Фунд. и приклад. гидрофизика. 2020. Т. 13, № 4. С. 78–86.
  20. Тимачев В.Ф., Иванов Б.В., Репина И.А. Теплообмен между атмосферой и ледовым покровом // Труды ААНИИ. 2008. Т. 447. С. 140–155.
  21. Чунчузов И.П., Куличков С.Н., Попов О.Е., Перепёлкин В.Г., Зайцева Д.В., Сомсиков В.М. Волновые возмущения атмосферного давления и скорости ветра в тропосфере, связанные с солнечным терминатором // Известия РАН. Физика атмосферы и океана, 2021. Т. 57. № 6. C. 1–15.
  22. Brekhovskikh L.M., Goncharov V.V. Mechanics of Continua and Wave Dynamics // 1994. Springer, 1994. 342 pp.
  23. Chanona M., Waterman S. Temporal variability of internal wave‐driven mixing in two distinct regions of the Arctic Ocean // J. of Geophys. Res.: Oceans. 2020. V. 125. №. 10. P. 1–23.
  24. Chunchuzov I.P., Kulichkov S.N., Perepelkin V., Ziemann A., Arnold K., Kniffka A. Mesoscale variations in acoustic signals induced by atmospheric gravity waves // J. Acoust. Soc. Am. 2009. V. 125. № 2. P. 651–663.
  25. Chunchuzov I.P. and Kulichkov S.N. Infrasound propagation in an anisotropic fluctuating atmosphere // UK: Cambridge Scholar Publishing, 2020. 356 pp.
  26. Fairall C.W., Bradley E.F., Hare J. E., Grachev A.A. and Edson J.B. Bulk parameterization of air–sea fluxes: Updates and verification for the COARE algorithm // J. Climate. 2003. V. 16. № 4. P. 571–591.
  27. Fer I., Koenig Z., Kozlov I.E., Ostrowski M., Rippeth T.P., & Padman L., et al. Tidally forced lee waves drive turbulent mixing along the Arctic Ocean margins // Geophys. Res. Letters. 2020. V. 47. № 16. e2020GL088083.
  28. Fine E.C., Cole S.T. Decadal observations of internal wave energy, shear, and mixing in the western Arctic Ocean // J. of Geophys. Res.: Oceans. 2022. V. 127. №. 5. e2021JC018056.
  29. Finnigan J.J., Einaudi F. and Fua D. The Interaction between an Internal Gravity Wave and Turbulence in the Stably-Stratified Nocturnal Boundary Layer // J. Atmos. Sci., 1984. V. 41. № 16. P. 2409–2436.
  30. Gaisky P.V. and Kozlov I.E. Thermoprofilemeter for Measuring the Vertical Temperature Distribution in the Upper 100-Meter Layer of the Sea and its Testing in the Arctic Basin // Ecological Safety of Coastal and Shelf Zones of Sea. 2023. V. 1. P. 137–145.
  31. Harms I.H. and Karcher M.J. «Modeling the seasonal variability of the hydrography and circulation in the Kara Sea» // J. Geophys. Res.: Oceans., 1999. V. 104. № 6. P. 13431–13448.
  32. Ivanov V., Varentsov M., Matveeva T., Repina I., Artamonov A., Khavina E. Arctic Sea Ice Decline in the 2010s: The Increasing Role of the Ocean—Air Heat Exchange in the Late Summer // Atmos., 2019. V. 10. №. 4. P. 184.
  33. Kozlov I., Kudryavtsev V.N., Zubkova E.V., Zimin A.V. and Chapron B. Characteristics of short-period internal waves in the Kara Sea // Izv. Atmospheric and Oceanic Physics, 2015. V. 51, P. 1073–1087.
  34. Kozlov I.E., Kopyshov I.O., Frey D.I., Morozov E.G., Medvedev I.P., Shiryborova A.I., Silvestrova K.P., Gavrikov A.V., Ezhova E., Soloviev D.M., Plotnikov E.V., Zhuk V.R., Gaisky P.V., Osadchiev A.A., Stepanova N.B. Multi-Sensor Observations Reveal Large-Amplitude Nonlinear Internal Waves in the Kara Gates, Arctic Ocean // Rem. Sens., 2023. V. 15. № 24. P. 5769.
  35. Kozlov I.E., Atadzhanova O.A., Zimin A.V. Internal solitary waves in the White Sea: hot-spots, structure, and kinematics from multi-sensor observations // Rem. Sens. 2022. V. 14. № 19. P. 4948.
  36. Kopyshov I.O., Kozlov I.E., Shiryborova A.I., Myslenkov S.A. Properties of Short-Period Internal Waves in the Kara Gates Strait Revealed from Spaceborne SAR Data // Russian Journal of Earth Sciences, 2023. V. 23. № 5. P. ES0210.
  37. Leonov A.I., Miropolsky Yu. Z. Resonant excitation of internal gravity waves in the ocean by atmospheric pressure fluctuations// Izv. Atmos. and Ocean Phys. 1973. V. 9. № 8. P. 480–485.
  38. Le Pichon A. and Cansi Y. PMCC for Infrasound Data Processing. // InfraMatics. 2003. V. 2. P. 1–9.
  39. Li Q., Wu H., Yang H., Zhang Z. A numerical simulation of the generation and evolution of nonlinear internal waves across the Kara Strait // Acta Ocean. Sinica. 2019. V. 38. № 5. P. 1–9.
  40. McClimans T.A., Johnson D.R., Krosshavn M., King S.E., Carroll J., Grenness O. Transport processes in the Kara Sea // J. Geophys. Res. 2000. V. 105. № 6. P. 14121–14139.
  41. Miropolsky Yu. Z. Dynamics of the Internal Gravity Waves in the Ocean. Boston: Kluwer Academic Publishers. 2001. 752 P.
  42. Morozov E.G., Kozlov I.E., Shchuka S.A., Frey D.I. Internal tide in the Kara Gates Strait // Oceanology. 2017. V. 57. №1. P. 8–18.
  43. Morozov E.G., Marchenko A.V., Filchuk K.V., Kowalik Z., Marchenko N.A., Ryzhov I.V. Sea ice evolution and internal wave generation due to a tidal jet in a frozen sea // Applied Ocean Res. 2019. V. 87. P. 179–191.
  44. Pinkel R. Advection, Phase Distortion, and the Frequency Spectrum of Finescale Fields in the Sea. // J. Physical Oceanography. 2008. V. 38, P. 291–313.
  45. Röhrs J., Halsne T., Sutherland G., Dagestad K.-F., Hole L.R., Brostrom G., Christensen K. H. Current shear and turbulence during near-inertial wave // Frontiers in Marine Science. 2023. V. 10.
  46. Sandven S. and Johannessen O.M. High-frequency internal wave observations in the marginal ice zone // J. Geophys. Res. 1987. V. 92. P. 6912–6920.
  47. Serebryany A., Khimchenko E., Popov O., Denisov D., Kenigsberger G. Internal Waves Study on a Narrow Steep Shelf of the Black Sea Using the Spatial Antenna of Line Temperature Sensors // J. Mar. Sci. Eng. 2020. V. 8. P. 833.
  48. Shved G.M., Petrova L.N., Polyakova O.S. Penetration of the Earth’s free oscillations into the atmosphere //Ann. Geophys. 2000. V. 18. P. 566–572.
  49. Silvestrova K., Myslenkov S.A., Puzina O., Mizyuk A., Bykhalova O. Water Structure in the Utrish Nature Reserve (Black Sea) during 2020–2021 According to Thermistor Chain Data // Journal of Marine Science and Engineering, 2023. V.11. P. 887. https://asf.alaska.edu.
  50. Vihma T., Pirazzini R., Fer I., Renfrew I. A., Sedlar J., Tjernström M., Lüpkes C., Nygård T., Notz D., Weiss J., Marsan D., Cheng B., Birnbaum G., Gerland S., Chechin D. and Gascard J.C. Advances in understanding and parameterization of small-scale physical processes in the marine Arctic climate system: a review // Atmos. Chem. Phys., 2014. V. 14. P. 9403–9450.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Измеренная 12 августа 2021 г. температура на глубине 18 м на трех термокосах (станция 3911) (а) и взаимные функции когерентности флуктуаций температуры, полученные для пар датчиков кос 1 и 2 (б), и 1 и 3 (в). Время по горизонтальной оси отсчитывается с момента 12:29 UTC. Длина записи около 22 мин с частотой выборки 1 Гц. Интервал расчета когерентности составлял 600 с со скользящим окном 150 с и шагом сдвига в 10 с.

Скачать (604KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Колебания температуры, измеренные на глубине 18 м с помощью трех термокос, обозначенных 1, 2 и 3, и отфильтрованные в диапазоне периодов 40–160 с (а) обратный азимут распространения относительно оси судна корма-нос (б) и горизонтальные фазовые скорости внутренних волн (в) относительно судна. Время отсчитывается относительно момента 12:29 UTC.

Скачать (378KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Направление (а) и скорость дрейфа судна (б) в зависимости от времени в течение промежутка времени 400–700 с (т.е. в течение 300 с), когда были определены направление и скорость распространения волн на рис. 3б–в. Скорость дрейфа имеет азимут примерно 36° относительно направления на Север в промежутке времени от 400 до 500 с. Горизонтальная фазовая скорость волн относительно судна равна 0.15 м/c, а азимут равен 234°. Показана также групповая скорость Сг относительно неподвижной Земли.

Скачать (198KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Измеренные 12.08.2021 г. в течение 1.9 ч от момента времени 11:00 UTC флуктуации температуры морской воды на глубине 10 и 20 м, температуры поверхности моря по данным ИК-радиометра, атмосферного давления, скорости ветра, влажности и температуры воздуха на высоте примерно 22 м над уровнем моря.

Скачать (435KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Взаимные амплитудные кросс-спектры между флуктуациями температуры воды на глубине 10 м (Т10) и атмосферного давления (P), температуры Т10 и скорости ветра (V), температуры Т10 и температуры поверхности океана (Tик), температуры Т10 и температуры воздуха (Tвозд), и средний кросс-спектр для указанных выше 4-х кросс-спектров (жирная черная кривая) (а); Те же кросс-спектры, что и на рис. 5а, только для температуры воды на глубине 20 м. Показан также кросс-спектр между флуктуациями температуры воды на глубинах 10 и 20 м (пунктир).

Скачать (454KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Вертикальные профили температуры, солености и частоты Брента–Вяйсяля в период проведения измерений 12 августа 2021 г. на станции 3911.

Скачать (120KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Мезомасштабные вариации в течение 14 ч 23.08.2021 турбулентных потоков явного (QH) и скрытого тепла (QL), скорости турбулентного трения u*, а также осредненные за 10 мин: горизонтальная скорость V, температура воздуха (temp), разность температур океана и воздуха (delta) и атмосферное давление (P).

Скачать (305KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Мезомасштабные вариации тех же параметров, что и на рис. 7, но полученных за 24 августа 2021 г.

Скачать (340KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Временные спектры вариаций динамической скорости u* и турбулентных потоков тепла QL, полученных 23 августа (слева) и 24 августа (справа) 2021 г. с 00:00 до 06:00 UTC.

Скачать (222KB)
Метаданные


Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».