Российские ученые впервые протестировали глобальные вихреразрешающие модели океана в прикромочной зоне в Арктике на основе сравнения со спутниковыми наблюдениями за океаническими вихрями. Предварительный анализ показал хорошее совпадение. Теперь результаты необходимо верифицировать на более длительных временных рядах. Данный подход поможет лучше понять, могут ли глобальные модели океана адекватно отображать вихревую динамику в прикромочной зоне. В перспективе это поможет лучше понять каким образом вихри влияют на арктический климат. Результаты работы опубликованы в Journal of Sea Research.
Карта пролива Фрама. Источник American Chemical Society
Как и в атмосфере, в океане тоже формируются вихревые структуры — циклоны и антициклоны. Их диаметр может достигать сотен километров. Океанические вихри способны захватывать большие объемы воды, тем самым перенося триллионы тонн тепла, соли, биогенов на большие расстояния, и, как результат, оказывать существенное влияние на региональный климат, вертикальное перемешивание, перенос энергии, биоту и рыбный промысел. Таким образом, изучение вихревой динамики является одной из важнейших задачей современной океанологии.
Переходная область между открытым океаном и сплоченным ледовым полем называется прикромочной ледовой зоной. Данная область характеризуется повышенной активностью динамических океанических процессов — вихри здесь формируются повсеместно. Для океанических вихрей в прикромочной зоне характерна закрытая спиральная структура с циклоническим или антициклоническим направлением вращения. В прикромочной зоне из-за сложных погодных условий, ее отдаленности и наличия ледовых полей невозможно проводить регулярные натурные измерения. Также здесь не работает спутниковая альтиметрия — основной источник информации о вихрях в Мировом океане. Альтиметрические спутники измеряют высоту уровня моря, тем самым отображая динамические процессы в океане, а наличие битого льда и шуги зашумляет микроволновый сигнал, делая его непригодным для изучения вихрей.
В настоящий момент основным источником данных о вихревой динамике в прикромочной зоней является данные спутниковых радаров с синтезированной апертурой (РСА). Однако измерения РСА нерегулярны, сложны в обработке и интерпретации и не обеспечивают достаточного покрытия. Поэтому океанологам необходимо понимать, могут ли глобальные модели океана адекватно отображать реальность в прикромочной зоне. В частности — могут ли они достоверно воспроизводить вихревую динамику.
Российские ученые предложили для этой цели комбинированный подход. Он заключается в сравнении данных РСА и двух глобальных модельных реанализов. В первом приближении эту задачу попытались решить ученые из лаборатории арктической океанологии МФТИ (Москва), Университета Тромсе (Норвегия) и Тихоокеанского океанологического института им. В. И. Ильичева (Владивосток).
Изученная область в проливе Фрама в Арктике. Источник: Journal of Sea Research
Для исследования авторы выбрали участок в проливе Фрама, расположенного между Шпицбергеном и Гренландией. Это чрезвычайно энергоактивный район, и хорошо подходит для изучения океанических вихрей в прикромочной зоне. Ученые, используя авторский метод, построили массив лагранжевых карт. На таких картах, словно на рентгеновских снимках, отчетливо проявляются вихри разных знаков, а также удается визуализировать их центры, границы и воды, вовлеченные в вихревое движение. Важно отметить, что лагранжев подход активно развивается в современной океанологии и ранее использовался авторами для моделирования путей переноса радиоактивного загрязнения от АЭС Фукусима в Тихом океане, а также для выявления областей, потенциально благоприятных для рыбного промысла. Суть лагранжева подхода заключается в численном расчете траекторий миллиона пассивных маркеров, имитирующих водные массы, заполняющие исследуемый район. Для расчетов использовались данные океанических реанализов GOFS3.1 и GLORYS12V1. Реанализы — это продукты численных моделей переноса вод в океане. Выбранные реанализы и модели, на основе которых они получены, являются одними из активно используемых в настоящий момент в океанологии. После построения набора лагранжевых карт их изображения посуточно сравнивались со спутниковыми данными.
«Мы взяли готовые массивы данных из реанализов, сделали на их основе численные расчеты и сравнили со спутниковыми наблюдениями. Важно, что раньше никто не использовал такой подход для данного региона», — рассказал Никита Сандалюк, старший научный сотрудник лаборатории арктической океанологии МФТИ, первый автор статьи.
Снимки спутника Sentinel-1 в ложном цвете (1-я колонка), S-карты на основе реанализа GLORYS 12 V1 (2-я колонка), S-карты на основе реанализа GOFS 3.1 (3-я колонка) за 3, 4, 8, 9 и 10 января 2023 года. Источник: Journal of Sea Research
Модели воспроизводили структуру и полярность вихрей, показанных на спутниковых картах. Однако существуют различия в масштабе и положении центров вихрей.
«Для нас было приятной неожиданностью, что реанализы могу адекватно работать в прикромочной зоне. Но ни в коем случае нельзя делать окончательный вывод, ведь это тест-кейс всего для нескольких вихрей. Тем не менее полученный результат дает основу и мотивацию для дальнейшего более детального исследования», — добавил ученый.
Эта работа подтвердила возможность использования комбинированного подхода для изучения вихревых образований в прикромочных ледовых зонах в Арктике.
