Шельфовая конвекция и каскадинг в Северном Ледовитом океане в меняющихся климатических условиях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Тузов Федор Константинович

• Тузов Федор Константинович
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Тузов Федор Константинович

Оглавление

Введение

Глава 1. Предмет и методы исследования

1.1. Обзор исследований по тематике работы

1.1.1. Шельфовая конвекция и каскадинг в Арктике

1.1.2. Современные изменения климатических условий в Северном 26 Ледовитом океане (СЛО)

1.2. Методы исследования

1.2.1. Описание модели NEMO

1.2.2. Постановка численного эксперимента

1.2.3. Обработка результатов расчетов 36 Глава 2. Разработка метода определения каскадинга по данным в узлах 40 регулярной сетки

2.1. Физическое обоснование

2.2. Описание алгоритма

2.3. Тестирование алгоритма 49 Глава 3. Каскадинг в СЛО по данным модельного расчета

3.1. Пространственно-временные характеристики водообмена между 55 шельфом и глубоким океаном в Арктическом бассейне в 1986-2010 гг.

3.2. Сравнение с натурными данными. 62 3.3 Случаи каскадинга в морях СЛО, выявленные с применением 74 алгоритма.

3.4. Взаимосвязь отступления ледяного покрова и параметров 90 каскадинга

Глава 4. Формирование «купола» плотных вод над Центральной 99 банкой (ЦБ) Баренцева моря в условиях сократившегося ледяного покрова

4.1 Гидрометеорологические и ледовые условия в центральной части 100 Баренцева моря в 2018-2019 гг.

4.2. Формирование «столба» однородной воды в процессе осенне- 107 зимней конвекции

4.2.1. Инициация каскадинга плотных вод

4.2.2. Переход к «куполообразной» структуре и активной стадии 116 каскадинга: новая роль морского льда в изменившихся климатических условиях

Заключение

Список литературы

Приложения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Шельфовая конвекция и каскадинг в Северном Ледовитом океане в меняющихся климатических условиях»

Введение

Гипотеза об обновлении водных масс Арктического бассейна вследствие каскадинга (сползания тяжелых придонных вод вдоль склона до уровня эквивалентной плотности) была впервые высказана Ф. Нансеном в 1906 году (Nansen, 2014). Первоначально предполагалось, что плотность формирующихся на шельфе вод достаточна для их изопикнического проникновения между поверхностным однородным слоем и атлантическими водами, т.е. для образования слоя холодного галоклина, но мала для погружения в глубинную и придонную структурные зоны. На основе анализа данных наблюдений, доступных в то время, было показано, что наиболее благоприятные условия для формирования уплотненных шельфовых вод, способных проникать до значительной глубины вдоль склона, наблюдаются в атлантическом секторе Северного Ледовитого океана (СЛО) в северных акваториях Баренцева и Карского морей (Иванов 2012). Этому способствует фоновая термохалинная структура, характеризуемая повышенной соленостью в верхнем квазиоднородном слое. Наличие такой структуры вод связано со сравнительно слабым распреснением речными водами и проникновением в эти районы высокосоленых атлантических вод (Aagaard et al., 1981).

Актуальность темы. Сокращение многолетнего ледяного покрова в Арктическом бассейне СЛО и окраинных морях сибирского шельфа в последние десятилетия повлекло за собой усиление энергообмена между океаном и атмосферой (Иванов 2011). Конвективное перемешивание в условиях отсутствия постоянного ледяного покрова позволяет образовываться большему объему плотных вод на шельфе (Иванов 2011). Накапливающиеся на границе континентального склона плотные воды стекают вдоль уклона дна на большую глубину, осуществляя вентиляцию глубинных слоев Арктического бассейна. Этот процесс известен в современной океанографии под термином «каскадинг» (Cooper and Vaux, 1949; Lane-Serff, 2001). Каскадинг играет одну из ключевых ролей в энергомассообмене между шельфом и глубоким океаном (Shapiro et al., 2003). В

СЛО, с его протяженными шельфами и наличием высокоградиентной структурной зоны в Арктическом бассейне, препятствующей глубокому проникновению конвекции, вклад каскадинга с шельфов в обновление вод в промежуточном и глубинном слоях по сути является определяющим (Ivanov et а1., 2004). Принимая во внимание продолжающееся отступление летнего ледяного покрова в СЛО, ускорившееся после 2007 г., можно ожидать расширение зон с благоприятными фоновыми условиями для интенсивного энергомассообмена между шельфом и глубоким океаном, что в свою очередь непосредственно влияет на гидрологический режим. Обоснованный прогноз изменений гидрологического режима СЛО под действием меняющихся значимых процессов, к которым относится каскадинг, представляет актуальную научную задачу. Необходимым этапом на пути ее решения является количественная оценка произошедших изменений методами математического моделирования. Актуальность выполненного исследования дополнительно подкрепляется использованием для анализа новейших данных натурных наблюдений, полученных в экспедиции «Трансарктика-2019, первый этап» весной 2019 г. в северной части Баренцева моря (Фролов и др., 2019), в сезон активного развития каскадинга.

Изучение изменения интенсивности каскадинга в морях Северного ледовитого океана в условиях уменьшения площади ледяного покрова представляет собой актуальную научную задачу.

Объектом исследования является каскадинг в морях Северного Ледовитого океана.

Предмет исследования - изменение интенсивности каскадинга в морях Северного Ледовитого океана при уменьшении площади ледяного покрова.

Основной целью работы является количественная оценка пространственно-временных характеристик каскадинга в различных районах СЛО в современный период и исследование возможной взаимосвязи между изменением площади ледяного покрова и интенсивностью шельфовой конвекции и каскадинга. Исходными материалами для выполнения работы были результаты расчета на

гидродинамической модели NEMO (Madec, 2008; www.nemo-ocean.eu) на временном интервале 1986-2010 гг. (Luneva et al., 2020), данные натурных наблюдений в СЛО в различные годы, включая новейшие данные 2019 г., океанский реанализ GLORYS12V1 (Mercator) (http://marine.copernicus.eu/) и данные спутниковых наблюдений за концентрацией льда (Cavalieri et al, 1996; http://nsidc.org/data/nsidc-0051 .html).

В соответствии с указанной целью ставились следующие задачи:

Обработка результатов модельного расчета и вычисление параметров каскадинга.

Выборка районов СЛО, где каскадинг документирован по натурным данным и сопоставление с результатами модельного расчета.

Разработка методики выделения зон шельфовой конвекции и потенциального каскадинга по данным в узлах регулярной сетки.

Поиск областей каскадинга вдоль континентального склона Арктического бассейна и морей СЛО при помощи разработанной методики.

Исследование возможной взаимосвязи между изменениями площади ледяного покрова и интенсивности каскадинга в морях СЛО в 1986-2010 гг.

Исследование шельфовой конвекции и каскадинга в характерном районе Баренцева моря по материалам экспедиции «Трансарктика-2019, первый этап».

Для решения поставленных в работе задач:

Выполнена инвентаризация районов СЛО, где по натурным данным был зафиксирован каскадинг.

Для районов, где по натурным данным когда-либо наблюдался каскадинг проведено сравнение распределений термохалинных характеристик на вертикальных разрезах, построенных по натурным данным, с соответствующими распределениями на разрезах, построенным по данным модельного расчета.

Разработан алгоритм, реализованный в программной среде Matlab, выделяющий в массиве данных модельного расчета гидрологическую структуру вод, характерную для каскадинга.

Рассчитано количество случаев каскадинга и площадь ледяного покрова за каждый временной интервал для российских арктических морей и построены линейные тренды этих характеристик.

Проведен анализ развития шельфовой конвекции и каскадинга на Центральной банке в Баренцевом море в современных условиях сократившегося зимнего ледяного покрова.

Научную новизну работы составляют следующие основные положения, выносимые на защиту:

1. Гидродинамическая модель NEMO позволяет реалистично выявлять зоны, достигающей дна шельфовой конвекции и документировать события каскадинга, что открывает возможность предварительных теоретических предсказаний развития каскадинга в районах, где инструментальные наблюдения ранее не проводились.

2. Алгоритм, разработанный автором, позволяет выделять районы на шельфе со структурой плотности, характерной для различных стадий каскадинга. Анализ повторяемости событий каскадинга на основе разработанного алгоритма показал, что в Баренцевом море, море Бофорта и в море Лаптевых количество случаев каскадинга увеличивается при уменьшении площади ледяного покрова.

3. В Баренцевом море выявлен новый механизм шельфовой конвекции -каскадинга на Центральной банке: осенне-зимняя термическая конвекция достигает дна без ледообразования, требовавшего в климатических условиях второй половины XX века, после чего начинается каскадинг. Вынос льда в район Центральной банки приводит к блокированию вертикального перемешивания и формированию характерного «купола» плотных вод.

Практическая значимость. Разработанный алгоритм выделения зон потенциального каскадинга по данным в узлах регулярной сетки (включая океанский реанализ с высоким пространственным разрешением), может быть применен для количественных оценок водообмена между шельфовой и глубоководной зонами Мирового океана.

Апробация работы. Основные результаты, составившие содержание данной работы, докладывались на научных конференциях «Моря России» (2019, 2020, 2021), «Комплексные исследования мирового океана» (2020, 2021), «Комплексные исследования природной среды Арктики и Антарктики» (2020).

Личный вклад автора. Автор разработал и применил алгоритм выделения из массива данных модельного расчета NEMO (период 1986-2010 гг.) областей с гидрологической структурой, характерной для каскадинга. Автор принимал участие в сравнительном анализе данных натурных наблюдений и модельного расчета. Автор принимал непосредственное участие в научно-исследовательской экспедиции «Трансарктика-2019», результаты которой, составили фактическую основу четвертой главы данной работы. Автор выполнил исследование взаимосвязи между повторяемостью каскадинга и концентрацией льда в российских арктических морях.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 статьи в отечественных и зарубежных рецензируемых журналах, из которых 3 журнала входят в систему индексирования Scopus.

Во всех опубликованных работах вклад автора является определяющим.

Автор принимал активное участие в постановке научных задач, проведении исследований данных моделирования, анализе полученных результатов и предоставлении их в печати.

Автором была проведена значительная работа над текстом разделов статей (Luneva et al 2020, Ivanov, Tuzov 2021), а также созданы иллюстративные материалы. В статье (Luneva et al 2020) автором подготовлен раздел 5, посвященный исследованию каскадинга в акватории «Канадского бассейна». Результаты исследования приведены в 3 главе. В работе (Ivanov, Tuzov 2021), автором обработаны и проанализированы данные экспедиции «Трансарктика-2019» и реанализов Era Enterim и GLORYS12V1. Материалы статьи используются в главе 4. Получены аргументированные выводы о новом принципе возникновения каскадинга над Центральной банкой.

В статье «Разработка и применение алгоритма определения Каскадинга у побережья архипелага Северная земля» (Тузов 2021) автором описаны необходимые условия обработки массива данных, для выделения областей, где происходит каскадинг. Непосредственно разработан код программ в среде программирования Matlab. Подробно проиллюстрирован пример работы алгоритма с нахождением случая каскадинга у побережья острова Малый Таймыр. Материалы данной статьи изложены в главе 2. Разработанный алгоритм был применен автором при написании статьи «Тенденции изменения интенсивности каскадинга плотных вод с арктических шельфов при сокращении ледяного покрова» (Тузов 2021). В главе 3 данной диссертации используются опубликованные в статье результаты.

Автором была проведена значительная работа над текстом статей, а также представление их в архив и редакции журналов и переписка с редакторами и рецензентами.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников из 84 наименований. В ней содержится 143 страницы, 3 таблицы, 63 рисунка и 1 приложение.

Глава 1 посвящена обзору исследований по теме работы. Описаны современные изменения климатических условий. В главе дано описание модели NEMO в общем виде и описание исследуемого модельного расчета для бассейна СЛО.

В главе 2 подробно описан разработанный алгоритм выделения областей с гидрологической структурой, характерной для каскадинга. Показан пример тестирования работы алгоритма для побережья архипелага Северная земля.

В главе 3 приведены примеры воспроизведения моделью каскадинга в районах, где каскадинг наблюдался во время проведения экспедиций. Также приведены примеры определения конкретных случаев каскадинга при помощи разработанного алгоритма. Показана динамика количества случаев каскадинга и площади ледяного покрова для всех морей СЛО за весь период модельного

расчета. Установлено, что для моря Бофорта, моря Лаптевых, и Баренцева моря уменьшение площади ледяного покрова способствовало увеличению количества случаев каскадинга.

Глава 4 посвящена исследованию купола плотных вод и каскадингу над Центральной банкой в Баренцевом море. Описаны полученные во время экспедиции «Трансарктика-2019» данные гидрологических разрезов над Центральной банкой. Показано развитие каскадинга плотных вод в мае 2019 г., образовавшихся над банкой зимой и весной 2019 г. Проанализированы данные о сплочености ледяного покрова и показано, что зимой 2019 г. конвективное перемешивание и уплотнение происходило без привноса соли от образующегося льда, так как ледяной покров в районе центральной банки зимой отсутствовал.

В заключении кратко обобщены основные результаты работы.

Благодарности. Автор выражает благодарность своему научному руководителю - доктору физико-математических наук Иванову Владимиру Владимировичу за неоценимую помощь при работе над диссертацией, всем сотрудникам кафедры океанологии Географического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова за помощь и поддержку. Автор благодарен к.г.н. Архипкину Виктору Семеновичу и к.ф-м.н. Мысленкову Станиславу Александровичу за ценные консультации и помощь при работе с данными моделирования NEMO и реанализом GLORYS12V1. В завершении, автор хотел бы выразить свою благодарность своей супруге Елизавете и своим родителям за постоянную поддержку в течение всего периода написания диссертационной работы.

Глава 1. Предмет и методы исследования

Конвекция - это разнонаправленные вертикальные движения в столбе воды, в результате которых неустойчивое распределение плотности сменяется устойчивым (Булгаков, 1977). В процессе конвекции потенциальная энергия, привнесенная в систему извне, переходит в кинетическую энергию вертикального движения, а также расходуется на работу вязких сил (перемешивание и диссипация). Шельфовая конвекция - это тип конвекции, которая происходит на мелководном шельфе, ограниченном береговой линией, и континентальным склоном (Иванов 2011). В отличие от конвекции в открытом океане, в случае распространения шельфовой конвекции до дна (что встречается достаточно часто), ее результатом может стать каскадинг - придонное гравитационное течение, выносящее уплотненную воду, образованную при охлаждении или осолонении, вниз по континентальному склону на большую глубину (Shapiro et al 2003). Благодаря этому шельфовая конвекция и каскадинг обеспечивают эффективный механизм горизонтального и вертикального переноса массы, тепла и соли между шельфом и глубоким океаном (Huthnance, 1995; Shapiro and Hill, 1997). В современных климатических условиях, характеризующихся значительным сокращением морского ледяного покрова в СЛО, шельфовая конвекция и каскадинг обретают новые черты, составившие предмет исследования в данной работе.

1.1 Обзор исследований по тематике работы

Термин «каскадинг» (англ.: cascading) был предложен в статье (Cooper and Vaux, 1949). В настоящее время этот термин достаточно широко используется в научной литературе для обобщенного обозначения процесса формирования плотных вод на шельфе и их последующего стекания вдоль понижений рельефа дна (Lane-Serff, 2001). Являясь важным механизмом вентиляции промежуточных и абиссальных вод, каскадинг влияет на глобальную термохалинную циркуляцию (Killworth, 1983, Чубаренко, 2010, Иванов, 2011) и глобальный климат (Meincke et

al., 1997). Поскольку интенсивный водообмен между шельфом и склоном в характерных районах, где периодически развивается каскадинг, происходит на временном масштабе в десятки лет, это обеспечивает климатическую значимость каскадинга (Condie, 1995). Обусловленный каскадингом и компенсационным апвеллингом (Kampf, 2005) вертикальный водообмен играет важную роль в биогеохимических циклах через перенос растворенного кислорода и взвешенного терригенного материала из поверхностного в глубинный слой вод и обратного переноса биогенных веществ в фотическую зону (Иванов 2011). Связанные с каскадингом вдольсклоновые горизонтальные перемещения фитопланктона, углерода и хлорофилла из продуктивных районов непосредственно влияют на состояние морских экосистем (Козина др. 2019, Лисицын 2001).

Крупномасштабный каскадинг в Южном океане (Baines and Condie, 1998) обеспечивает непрерывное обновление Антарктической Донной воды (ААДВ). Плотная вода, формирующаяся в осенне-зимний сезон на обширных арктических шельфах, имеет решающее значение для поддержания так называемого «холодного галоклина» (ХГ) Северного Ледовитого океана - промежуточного водного слоя в диапазоне глубин от 50 до 150 м, отделяющего верхний перемешанный слой (ВКС) от более теплой и соленой воды, поступающей из Атлантического океана (Aagaard et al., 1981).

Несмотря на глобальное распространение (Ivanov et al., 2004), каскадинг, как правило, является перемежающимся процессом (Huthnance, 1995) и состоит из отдельных, сравнительно кратковременных событий. Цикл каскадинга может быть подразделен на три последовательных этапа (Shapiro et al., 2003):

1) формирование однородного «столба» плотной воды от поверхности до дна в процессе шельфовой конвекции.

2) стекание плотной воды на большую глубину вдоль наклонного дна.

3) перемешивание погрузившейся воды с окружающей водой на уровне эквивалентной плотности или ее растекание вдоль дна глубоководных котловин.

1.1.1. Шельфовая конвекция и каскадинг в Арктике

Ключевой вклад процессов на арктических шельфах в формировании водных масс СЛО первым предположил Ф. Нансен на основе анализа ограниченного набора вертикальных температурных профилей в северовосточной части Баренцева моря (Nansen, 2014). Согласно Нансену, основным механизмом уплотнения шельфовых вод в арктических морях является осолонение при ледообразовании, в результате которого в подледную водную толщу вытекает рассол. Гипотеза Нансена была подтверждена последующими исследованиями, в которых были выявлены и другие возможные механизмы образования уплотненных вод на шельфах, характерные для различных географических районов. Эти механизмы определяются как внешними факторами, включая, например, принадлежность к определенной климатической зоне, так и локальными особенностями погодных условий, рельефом дна, конфигурацией береговой линии, речным стоком и др.

В наиболее общем случае горизонтальный градиент плотности между водой на мелководном шельфе и в глубоком море может возникать вследствие так называемого механизма «топографического контроля» (Shapiro et al., 2003), реализуемого благодаря различию в скорости охлаждения/осолонения вод в мелководной и глубоководной зонах. В мелководных областях, где глубина меньше, чем глубина проникновения термической/халинной конвекции, вертикальное перемешивание приводит к образованию однородной от поверхности до дна водной массы. Последующее инверсионное возрастание плотности вследствие потери тепла/влаги с поверхности моря не ведёт к углублению конвективного слоя, как в расположенной рядом глубоководной зоне. В результате уплотнение в мелководной зоне оказывается больше, что и приводит к формированию горизонтального градиента плотности. Этому дополнительно может способствовать поступление тепла и соли через нижнюю границу углубляющегося конвективного слоя в глубоководной зоне. Указанный механизм схематично представлен на рисунке 1 и формализован в формулах (1)-(3) для

часто встречающегося в реальных условиях случая охлаждения у поверхности моря и неоднородного распределения как температуры, так и солености ниже ВКС (Shapiro et al 2003).

Рисунок 1. Общая схема формирования условий для каскадинга. (горизонтального градиента плотности между шельфом и глубоководным бассейном) при изменении температуры Ts - температура на шельфе, Tc -температура стекающей воды, Ss - соленость на шельфе Sc: соленость стекающей воды, Hs - глубина шельфа, Hc - глубина каскадинга, ps - плотность

воды на шельфе (Shapiro et al 2003).

При выводе формул (1)-(3) были приняты следующие упрощения: (а) вертикальная теплоотдача на шельфе и в глубоководной части одинаковы; (б) градиенты температуры (dT/dz) и солености (dS/dz) ниже ВКС постоянны; (в) испарением и осадками можно пренебречь, и (г) горизонтальная адвекция отсутствует.

р dsi Hc -Hs ) 2 i Hc+Hs )

2 dz

2a dz

2 Н,

2 dz

ИГ

Ap=pc-ps = ((]fz-ad£|

dT\ (Hc-Hs)2

2 Hs

(1) (2) (3)

где a/p>0 - коэффициент термического расширения, а ft/p>0 - коэффициент

соленостного сжатия.

Углубление конвективного слоя в глубоководной зоне, которое приводит к формированию перепада температуры между шельфом и глубоководным районом, описывается первым членом в правой части формулы (1). Если к началу охлаждения между шельфом и склоном уже имелась разница в температуре, то эта разница может быть добавлена к (1). При увеличении солености с глубиной (что, как правило, наблюдается в реальных условиях), конвективное перемешивание, вызванное теплоотдачей в атмосферу, приводит к формированию «скачков» температуры и солености на нижней границе конвективного слоя в глубоководной зоне. Устойчивый градиент солености способствует формированию промежуточного максимума температуры и температурной инверсии. Дальнейшее углубление конвективного слоя приостанавливается до тех пор, пока перемешанный слой не охладится до состояния, когда его плотность сравняется с плотностью инверсионного слоя, что описывается вторым членом в правой части формулы (1).

В Арктическом бассейне и окраинных морях СЛО, большую часть года покрытых дрейфующим льдом, температура воды, как правило, близка к точке замерзания, ниже которой температура воды опуститься не может. Этот факт позволил Ф. Нансену, несмотря на имевшиеся в его распоряжении скудные натурные данные, абсолютно точно указать в качестве основного механизма формирования уплотненных шельфовых вод в полярных морях осолонение при ледообразовании. (Ivanov et al., 2004). Чтобы увеличить плотность воды подо льдом, необходимо добавить в нее некоторое количество рассола, выделяющегося при замерзании морской воды. Количество соли, попадающее в воду в результате ледообразования, определяется по формуле (Martin and Cavalieri, 1989):

где S - соленость морской воды, Si - соленость образующегося нового льда, Si=0.31S; pi - плотность льда (pi=0.92 1 03кг/м3), hi - толщина льда.

Увеличение солености и плотности в слое воды толщиной H находится по формулам (Shapiro et al., 2003):

(6)

где р - плотность морской воды. Таким образом, дополнительное увеличение солености и плотности вследствие более интенсивного ледообразования на открытой воде составит:

где his, hic - «кумулятивная» толщина льда, образовавшегося на шельфе и в глубоководной части за одинаковый промежуток времени. Если образование льда на шельфе и в глубоководной части одинаково (hic=his), то соленостный и плотностной контраст будет обусловлен только описанным выше механизмом топографического контроля.

В современных условиях, характеризующихся возрастанием сезонности ледяного покрова, механизм шельфовой конвекции в Арктическом бассейне и окраинных морях претерпел изменения по сравнению с наблюдавшимся в XX веке. В районах, где ледяной покров по-прежнему присутствует круглый год, температура воды у поверхности близка к точке замерзания, и поток тепла из океана в атмосферу в основном расходуется на ледообразование. Кроме того, вклад изменений температуры в плотностные изменения существенно меньше соленостного вклада вследствие малой величины коэффициента термического расширения при низких температурах. Рассол, выделяющийся в воду в процессе ледообразования, увеличивает соленость и плотность подледного слоя в соответствии с формулами (7) и (8). Глубина конвекции, оказывается ограниченной дном (на мелководных шельфах) и стационарным слоем скачка солености или плотности в глубоком океане. Халинная конвекция в Северном Ледовитом океане интенсивно развивается именно в свободных ото льда зонах, поскольку при одинаковых метеорологических условиях поток тепла через свободную ото льда границу на 1-2 порядка превышает поток тепла через лед

(7)

,

(8)

толщиной более 1 м. (Иванов 2011). По этой причине распространяющаяся до дна шельфовая конвекция, как правило, наблюдается в квазистационарных заприпайных полыньях, которые формируются на шельфе в зимний сезон под действием ветра и имеют горизонтальные масштабы от десятков до сотен километров (Захаров, 1996).

В изменившихся климатических условиях, помимо традиционного («полыньевого») механизма формирования уплотненной воды, можно ожидать, что все более широкое распространение получит механизм формирования уплотненной воды, характерный для субарктических морей с сезонным ледяным покровом (Баренцево, Берингово). Этот механизм связан с неравномерным ледообразованием и переносом льда в прикромочной зоне (Ivanov and Shapiro, 2005). Отличительной чертой прикромочной зоны является близкое соседство покрытой льдом акватории, где температура воды близка к точке замерзания, и свободного ото льда пространства, где температура поверхностного слоя существенно выше. Ветровой вынос льда из шельфовой зоны приводит к быстрому таянию льда в теплой воде и ее распреснению. В то же время на освободившихся ото льда участках шельфа интенсифицируется ледообразование, сопровождающееся осолонением воды. Таяние льда в теплой глубоководной зоне и его образование на шельфе способствуют быстрому формированию плотностных градиентов между шельфом и глубоким морем. Этот процесс особенно эффективен, поскольку, в отличие от полыньи, ограниченной со стороны глубокого моря дрейфующим льдом и существующей весьма ограниченное время (порядка нескольких дней), в прикромочной зоне отсутствует внутреннее ограничение на время действия указанного механизма, которое зависит лишь от внешних (метеорологических) условий (направление ветра и температура воздуха).

После формирования горизонтального плотностного градиента между шельфом и глубоководной зоной развивается геострофическое течение, направленное вдоль фронтального раздела и имеющее характерный масштаб,

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Тузов Федор Константинович, 2022 год

Список литературы

1. Аксенов П.В., Иванов В.В. «Атлантификация» как вероятная причина сокращения площади морского льда в бассейне Нансена в зимний сезон // Проблемы Арктики и Антарктики. - 2018. - Т. 64. - № 1. - С. 42-54.

2. Алексеев Г.В., Данилов А.И., Катцов В.М. и др. Изменения площади морских льдов Северного полушария в XX и XXI веках по данным наблюдений и моделирования // Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. - 2009. - Т. 45. - № 6. - С. 723-735.

3. Архипкин В.С., Добролюбов С.А. Океанология. Физические свойства морской воды: учебное пособие для академического бакалавриата. - М.: Юрайт, 2018. - 216 с.

4. Булгаков Н.П. Конвекция в океане. - М.: Наука, 1977. - 272 с.

5. Деев М.Г. Ледяной покров Арктики и его устойчивость // Вестник Московского университета. Серия 5. География. - 2011. - № 3. - С 52-57.

6. Залогин Б.С., Косарев А.Н. Моря. - М.: Мысль, 1999. - 400 с.

7. Захаров В.Ф. Морской лед в климатической системе. СПб.: Гидрометеоиздат, 1996. - 213 с.

8. Зеленько А.А. Оперативная океанология: моделирование, мониторинг и прогнозирование гидрофизических полей Мирового океана // Дисс. ... докт. физ.-мат. наук (спец. 25.00.29). - М.: Гидрометцентр России, 2018, - 251с.

9. Иванов В.В. Современные изменения гидрометеорологических условий в Северном Ледовитом океане, связанные с сокращением морского ледяного покрова // Гидрометеорология и экология. - 2021. - № 64. - С 407-434.

10. Иванов В.В. Усиление водообмена между шельфом и Арктическим бассейном в условиях снижения ледовитости // Доклады академии наук. -2011. - Т. 441. - № 1. - С. 103-107.

11. Иванов В.В., Алексеев В.А., Репина И.А. Возрастание воздействия атлантических вод на ледяной покров Северного Ледовитого океана // Труды

международной конференции памяти академика А.М.Обухова. - Москва, 2014, - С. 267-273.

12. Иванов В.В. Структурообразующие гидрофизические процессы в приатлантической Арктике // Дисс. ... докт. физ.-мат. наук (спец. 25.00.28). -Санкт-Петербург: ААНИИ, 2012. - 305 с.

13. Козина Н.В., Артемьев В.А., Коченкова А.И. Мультидисциплинарные исследования в Северной Атлантике и прилегающей Арктике в 71-м рейсе научно-исследовательского судна «Академик Мстислав Келдыш» // Океанология. - 2019. - Т. 59. - № 3. - С. 510-512.

14. Лисицын А.П. Нерешенные проблемы океанологии Арктики // Опыт системных океанологических исследований в Арктике. - М.: Научный мир, 2001. - С. 31-74.

15. Мизюк А.И., Коротаев Г.К., Григорьев А.В. и др. Долгопериодная изменчивость термохалинных характеристик Азовского моря на основе численной вихреразрешающей модели // Морской гидрофизический журнал. - 2019. - Т. 35. - № 5. С. 496-510.

16. Сарафанов А.А., Фалина А.В., Соков А.В. Многолетние изменения характеристик и циркуляции глубинных вод на севере Атлантического океана: роль региональных и внешних факторов // Доклады Академии наук. -2013. - Т. 450. - № 4. - С. 470-473.

17. Фролов И.Е., Иванов В.В., Фильчук К.В. и др. Трансарктика-2019: зимняя экспедиция в Северный Ледовитый океан на НЭС «Академик Трёшников» // Проблемы Арктики и Антарктики. - 2019. - Т. 65. - № 3. - С. 255-274.

18. Чубаренко И.П. Горизонтальная конвекция над подводными склонами. -Калининград: Терра-Балтика, 2010. - 255 с.

19. Шалина Е.В. Сокращение ледяного покрова Арктики по данным спутникового пассивного микроволнового зондирования // Современные проблемы изучения Земли из космоса. - 2013. - Т. 10. - № 1. - С. 328-336.

20. Aagaard K., Coachman L.K., Carmack E. On the halocline of the Arctic Ocean //Deep Sea Research Part A. Oceanographic Research Papers. - 1981. - Vol. 28. -no. 6. - P. 529-545.

21. Aagaard K., Roach A.T. Arctic ocean-shelf exchange: Measurements in Barrow Canyon // Journal of Geophysical Research: Oceans. - 1990. - Vol. 95. -no. C10. - P. 18163-18175.

22. Arthun M., Eldevik T., Smedsrud L.H. et al. Quantifying the Influence of Atlantic Heat on Barents Sea Ice Variability and Retreat // Journal of Climate. -2012. - Vol. 25. - no. 13. - P. 4736-4743.

23. Asbj0rnsen H., Arthun M., Skagseth O., Eldevik T. Mechanisms Underlying Recent Arctic Atlantification // Geophysical Research Letters. - 2020. - Vol. 47. -no. 15. doi: 10.1029/2020GL088036

24. Baines P.G., Condie S. Observations and modelling of Antarctic downslope flows: A review // Ocean, Ice, and Atmosphere: Interactions at the Antarctic Continental Margin, Antarct. Res. Ser. - 1998. - Vol. 75. - P. 29-49.

25. Bamber, J., van den Broeke, M., Ettema, J. et al. Recent large increases in freshwater fluxes from Greenland into the North Atlantic // Geophysical Research Letters. - 2012. - Vol. 39. - no. 19.

26. Barnier A. DRAKKAR (2012), Coordination of high-resolution global ocean simulations and developments of the NEMO modelling framework. Available at: http://www.drakkar-ocean.eu/publications/reports/reports-of-activity-french-drakkar-team/report_drakkar_lefe_2010-2012_final.pdf. (accessed 03.06.2020).

27. Bouillon S., Maqueda M.A.M., Legat V., Fichefet T. An elastic-viscous-plastic sea ice model formulated on Arakawa B and C grids //Ocean Modelling. -2009. - Vol. 27. - no. 3-4. - P. 174-184.

28. Cavalieri D. "NASA team sea ice algorithm". NASA Goddard Space Flight Center. https://nsidc. org/data/pm/nasateam-index (1996). Condie S.A. Descent of dense water masses along continental slopes // J. Marine Res. - 1995. - Vol. 53. -P. 897-928.

29. Cooper L.H.N., Vaux D. Cascading over the continental slope of water from the Celtic Sea // Journal of the Marine Biological Association of the United Kingdom. - 1949. - Vol. 28. - no. 3. - P. 719-750.

30. Dai A., Qian T., Trenberth K.E., Milliman J.D. Changes in continental freshwater discharge from 1949-2004 // Journal of Climate. - 2008.

31. Dee D.P., Uppala S.M., Simmons A.J. et al. The ERA-Interim reanalysis: Configuration and performance of the data assimilation system // Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. - 2011. - Vol. 137. - no. 656. - P. 553-597.

32. Fichefet T., Maqueda M.A.M. Sensitivity of a global sea ice model to the treatment of ice thermodynamics and dynamics // Journal of Geophysical Research: Oceans. - 1997. - Vol. 102. - no. C6. - P. 12609-12646.

33. Hirano D. et al. A wind-driven, hybrid latent and sensible heat coastal polynya off B arrow, Alaska // Journal of Geophysical Research: Oceans. - 2016. -Vol. 121. - no. 1. - P. 980-997.

34. Holt J., Wakelin S., Huthnance J. Down-welling circulation of the northwest European continental shelf: A driving mechanism for the continental shelf carbon pump // Geophysical Research Letters. - 2009. - Vol. 36. - no. 14.

35. Hunke E.P., Dukowicz J.K. An elastic-viscous-plastic model for sea ice dynamics // Journal of Physical Oceanography. - 1997. - Vol. 27. - no. 9. -P. 1849-1867.

36. Huthnance J.M. Circulation, exchange and water masses at the ocean margin: The role of physical processes at the shelf edge //Progress in Oceanography. -1995. - Vol. 35. - no. 4. - P. 353-431.

37. Ivanov V.V. et al. Shelf-basin exchange in the Laptev Sea in the warming climate: a model study // Geophysical & Astrophysical Fluid Dynamics. - 2015. -Vol. 109. - no. 3. - P. 254-280.

38. Ivanov V.V., Golovin P.N. Observations and modeling of dense water cascading from the northwestern Laptev Sea shelf // Journal of Geophysical Research: Oceans. - 2007. - Vol. 112. - no. C9.

39. Ivanov V.V., Repina I.A. Mid-winter anomaly of sea ice in the Western Nansen Basin in 2010s // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. - 2019. - Vol. 231. - no. 1. - P. 012024.

40. Ivanov V.V., Shapiro G.I. Formation of a dense water cascade in the marginal ice zone in the Barents Sea // Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers. - 2005. - Vol. 52. - no. 9. - P. 1699-1717.

41. Ivanov V.V., Tuzov F.K. Formation of dense water dome over the Central Bank under conditions of reduced ice cover in the Barents Sea // Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers. - 2021. - Vol. 175. - P. 103590.

42. Ivanov V.V., Watanabe E. Does Arctic Sea ice reduction foster shelf-basin exchange? // Ecological applications. - 2013. - Vol. 23. - no. 8. - P. 1765-1777.

43. Ivanov V.V., Shapiro G.I., Huthnance J.M. et al. Cascades of dense water around the world ocean // Progress in oceanography. - 2004. - Vol. 60. - no. 1. -P. 47-98.

44. Kämpf J. Cascading-driven upwelling in submarine canyons at high latitudes // Journal of Geophysical Research. - 2005. - Vol. 110. - P. C02007. doi: 10.1029/2004JC002554

45. Killworth P.D. Deep convection in the world ocean // Reviews of Geophysics. - 1983. - Vol. 21. - no. 1. - P. 1-26.

46. Kohnemann S., Heinemann G., Bromwich D., Gutjahr O. Extreme warming in the Kara Sea and Barents Sea during the winter period 2000 to 2016 // J. of Climate. - 2017. - Vol. 30. - P. 8913-8927. doi: 10.1175/JCLI-D-16-0693.1

47. Kwok R. et al. Thinning and volume loss of the Arctic Ocean sea ice cover: 2003-2008 // Journal of Geophysical Research: Oceans. - 2009. - Vol. 114. -no. C7.

48. Lane-Serff, Gregory F. "Overflows and cascades." Academic Press, 2001. 2058-2066.

49. Luneva M.V., Aksenov Y., Harle J.D., Holt J.T. The effects of tides on the water mass mixing and sea ice in the Arctic Ocean // Journal of Geophysical

Research: Oceans. - 2015. - Vol. 120. - no. 10. - P. 6669-6699.

50. Luneva M.V., Ivanov V.V., Tuzov F. et al. Hotspots of dense water cascading in the Arctic Ocean: Implications for the Pacific water pathways // Journal of Geophysical Research: Oceans. - 2020. - Vol. 125. - no. 10. - P. e2020JC016044.

51. Madec G. the NEMO team: "NEMO reference manual 3.6 STABLE: NEMO ocean engine" // Note du Pôle de modélisation. Institut Pierre-Simon Laplace (IPSL), France. - 2016. - no. 27.

52. Madec G. the NEMO team: "NEMO reference manual 3.6 STABLE: NEMO ocean engine" // Note du Pôle de modélisation. Institut Pierre-Simon Laplace (IPSL), France. - 2016. - no. 27.

53. Madec G.V. NEMO Ocean engine. Laboratoired'Oceanographie et du Climat: Experimentation et Approches Numeriques. 2008. URL: www.nemo-ocean.eu (дата обращения: 30.07.2019).

54. Martin S., Cavalieri D.J. Contributions of the Siberian shelf polynyas to the Arctic Ocean intermediate and deep water // Journal of Geophysical Research: Oceans. - 1989. - Vol. 94. - no. C9. - P. 12725-12738.

55. Meincke J., Rudels B., Friedrich H.J. The Arctic Ocean-Nordic Seas thermohaline system // ICES Journal of Marine Science. - 1997. - Vol. 54. - no. 3. - P. 283-299.

56. Melling H. The formation of a haline shelf front in wintertime in an ice-covered Arctic Sea // Continental Shelf Research. - 1993. - Vol. 13. - no. 10. - P. 1123-1147. doi: 10.1016/0278-4343(93)90045-Y

57. Nansen F. Northern Waters. Captain Roald Amundsen's oceanographic observations in the Arctic Seas in 1901. - Christiania: Vid-selskap. Skrifter I, Mat.-Naturv. kl. 1(3), Dybvad. - 1906. - P. 145.

58. Nof D. The translation of isolated cold eddies on a sloping bottom // Deep Sea Research Part A. Oceanographic Research Papers. - 1983. - Vol. 30. - no. 2. -P. 171-182.

59. O'Dea E., Furner R., Wakelin S. et al. The CO5 configuration of the 7 km

Atlantic Margin Model: large-scale biases and sensitivity to forcing, physics options and vertical resolution // Geoscientific Model Development. - 2017. -Vol. 10. - no. 8. - P. 2947-2969.

60. Oki T., Sud Y.P. Design of Total Runoff Integrating Pathways (TRIP) - A global river channel network // Earth Interactions. - 1998. - Vol. 2. - no. 1. - P. 137.

61. Perovich D.K., Richter-Menge J.A., Jones K.F., Light B. Sunlight, water, and ice: Extreme Arctic Sea ice melt during the summer of 2007 // Geophysical Research Letters. - 2008. - Vol. 35. - no. 11.

62. Pickart R.S., Weingartner T.J., Pratt L.J. et al. Flow of winter-transformed Pacific water into the Western Arctic //Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography. - 2005. - Vol. 52. - no. 24-26. - P. 3175-3198.

63. Polyakov I.V., Pnyushkov A.V., Alkire M.B. Greater role for Atlantic inflows on sea-ice loss in the Eurasian Basin of the Arctic Ocean // Science. - 2017. - Vol. 356. - P. 285-291. http://science.sciencemag.org/

64. Ivanov V.V., Repina I.A. Mid-winter anomaly of sea ice in the Western Nansen Basin in 2010s // IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. - 2019. - Vol. 231. -P. 012024. doi: 10.1088/1755-1315/231/1/012024

65. Polyakov I.V., Alexeev V.A., Ashik I.M. NOWCAST: Fate of early-2000's Arctic warm water pulse // Bulletin of the American Meteorological society. -2011. - V. 925. - P. 561-565. doi: 10.1175/2010BAMS292I.I.

66. Polyakov I.V., Pnyushkov A.V., Alkire M.B. et al. Greater role for Atlantic inflows on sea-ice loss in the Eurasian Basin of the Arctic Ocean // Science. -2017. - Vol. 356. - no. 6335. - P. 285-291. doi: 10.1126/science.aai8204.

67. PreuBer A, Heinemann G., Willmes S., Paul S. Circumpolar polynya regions and ice production in the Arctic: Results from MODIS thermal infrared imagery from 2002/2003 to 2014/2015 with a regional focus on the Laptev Sea // The Cryosphere 10.6. - 2016. - P. 3021-3042.

68. Proshutinsky A., Dukhovskoy D., Timmermans M.L. et al. Arctic circulation regimes // Philosophical Transactions of the Royal Society A. - 2015. - Vol. 373.

- no. 2052. - P. 20140160. doi: 10.1098/rsta.2014.0160

69. Quadfasel D., Rudels B., Selchow S. The Central Bank vortex in the Barents Sea: water mass transformation and circulation // ICES Marine Science Symposium. - 1992. - Vol. 195. - P. 40-51.

70. Ricker R., Kauker F., Schweiger A. et al. Evidence for an Increasing Role of Ocean Heat in Arctic Winter Sea Ice Growth // Journal of Climate. - 2021. - Vol. 34. - no. 13. - P. 5215-5227. doi: 10.1175/JCLI-D-20-0848.1

71. Rigor I.G., Wallace J.M. Variations in the age of Arctic sea-ice and summer sea-ice extent //Geophysical Research Letters. - 2004. - Vol. 31. - no. 9.

72. Shapiro G., Luneva M., Pickering J., Storkey D. The effect of various vertical discretization schemes and horizontal diffusion parameterization on the performance of a 3-D ocean model: The Black Sea case study // Ocean Science. -2013. - Vol. 9. - no. 2. - P. 377-390. doi: 10.5194/os-9-377-2013

73. Shapiro G.I., Hill A.E. Dynamics of dense water cascades at the shelf edge // Journal of Physical Oceanography. - 1997. - Vol. 27. - no. 11. - P. 2381-2394.

74. Shapiro G.I., Huthnance J.M., Ivanov V.V. Dense water cascading off the continental shelf //Journal of Geophysical Research: Oceans. - 2003. - Vol. 108. -no. C12.

75. Shapiro G.I., Zatsepin A.G. Gravity current down a steeply inclined slope in a rotating fluid //Annales Geophysicae. Copernicus GmbH. - 1997. - Vol. 15. -no. 3. - P. 366-374.

76. Storkey D. et al. UK Global Ocean GO6 and GO7: A traceable hierarchy of model resolutions //Geoscientific Model Development. - 2018. - Vol. 11. - no. 8.

- P. 3187-3213.

77. Timmermans M.L., Labe Z., Ladd C. Sea surface temperature // Bulletin of the American Meteorological Society. - 2020. - Vol. 101. - no. 8. - P. 249-251.

78. Wang Q., Wang X., Wekerle C. et al. Ocean heat transport Into the Barents Sea: distinct controls on the upward trend and interannual variability // Geophysical Research Letters. - 2019. - Vol. 46. - no. 22. - P. 13180-13190.

79. Wang Q., Wekerle C., Wang X. et al. Intensification of the Atlantic Water Supply to the Arctic Ocean Through Fram Strait Induced by Arctic Sea Ice Decline // Geophysical Research Letters. - 2020. Vol. 47. - no. 3. - P. e2019GL086682.

80. Weingartner T. J. et al. Circulation, dense water formation, and outflow on the northeast Chukchi shelf //Journal of Geophysical Research: Oceans. - 1998. - Vol. 103. - no. C4. - P. 7647-7661.

81. Winsor P., Bjork G. Polynya activity in the Arctic Ocean from 1958 to 1997 //Journal of Geophysical Research: Oceans. - 2000. - Vol. 105. - no. C4. -P. 8789-8803.

82. Программа Европейского союза по исследованию окружающей среды. -URL: http://marine.copernicus.eu (дата обращения 01.09.2020).

83. Национальный центр исследований исседований снега и льда США. -URL: http://nsidc.org/data/nsidc-0051.html (дата обращения 06.07.2020).

84. Портал гидрометеорологических данных Бременского университета. -URL:https://seaice.uni-bremen.de/databrowser/ (дата обращения 01.07.2020).

85. Национальный центр экологической информации США. -URL: https: //www.ncei.noaa. gov/products/world-ocean-database (дата обращения 03.09.2020).

86. Объединение университетов в области исследований атмосферы. - URL: https://www.unidata.ucar.edu/software/netcdf/ (дата обращения 03.09.2020).

Приложение 1.1. Распределение аномалии потенциальной плотности на разрезе через Центральную банку в Баренцевом море (рисунок 56). В качестве источника данных о температуре и солености использован Реанализ Мегса1:ог (0.12°). Период: 14.01-01.02 2019 г., интервал: 2 дня.

Приложение 1.2. Распределение аномалии потенциальной плотности на разрезе через Центральную банку в Баренцевом море (рисунок 56). В качестве источника данных о температуре и солености использован Реанализ Мегса1:ог (0.12°). Период: 03.02-15.02 2019 г., интервал: 2 дня.

го ГО го го го го [О ГО го го

■VI ■VI 00 00 00

VI VI 00 00 из из из о о н»

■Ь 00 го СП 00 го СГ!

ГО го (О ГО го ю м 00 го 00 ГО 00

V "■о 00 00 го 00 СТ1 «5 из из 00 о о СП

ш

го го ■о ГО го ■о го ■о ГО го 00 ГО 00 го 00

VI V 00 00 го 00 01 из из из 00 о го о О! V»

кг/м3

28

06

28

02

27

94

27

78

27

74

75,25 с

ш. 44 в

74

34

Расстояние

чм

КГ/М3

28

06

27

98

200

27

86

27

78

250-

27

74

75,25 с

ш. 44 в

74

34

Расстояние

км

Приложение 1.3. Распределение аномалии потенциальной плотности на разрезе через Центральную банку в Баренцевом море (рисунок 56). В качестве источника данных о температуре и солености использован Реанализ Мегса1:ог (0.12°). Период: 03.04-25.05 2019 г., интервал: 4 дня.

го ГО го (О ГО го го ГО го го

■О ■VI VI 00 00 00

VI "■о 00 00 из из из о о н1

00 го СП 4^ 00 ГО СП

^ о У1

"го

"I го о о

■Р» Л О

ш о о

"О

ш о п ч о

X

X X

пз

ш о

3—

N1 О

о

1Л

о

о -ф,

и; ■Р*

о о

5 .....—

ГО •VI го "VI (О VI ГО -VI го ю м VJ ю 00 го 00 ГО 00

■р. 00 00 го 00 СТ1 из из 4г. из 00 о го о СП

си о о

о о

У

(Л

о О

Е

-р*

■с»

ш

О ■е.

к) о

"О 1-> Ш -С* п О

0

1 5 ГО

ж 2

ю о о

го 01 о

Ш

4^

О

о

иг

го ч о

• •1........—1

-

о

н шшя

го го -VI ГО -VI го го -VI ГО •VI ю го 00 ГО 00 го 00

-о 4^ 00 00 го 00 СП из из из 00 о го о О!

* 9 ^ о

00

10 го м го го го го ю го ГО

■о ■о 00 00 со

V] "■о 00 00 из из из о о V»

со N3 СП 00 го СП

о го -VI го ■о ГО го ГО го ю ю го 00 ГО 00

>1 "■о л "■о 00 00 го 00 СП «3 ш л из 00 о го о СТ1

ГО ■о го ■о ГО -о ю го -о ГО м го ГО 00 го 00 го оо

"■о "•о ОО 00 го 00 03 1о из из 00 о го о О! "н»