Цель и задачи фундаментального исследования

Целью настоящего проекта является получение новых знаний и развитие концептуальных представлений о трансфронтальном обмене, образовании вихрей и интрузий и их влиянии на перемешивание водных масс в Арктическом бассейне.

Для достижения поставленной цели предполагается решить следующие задачи: на основе разработанного комплекса моделей и анализа эмпирических данных выполнить детальное оценивание коэффициентов обмена в областях интрузионного расслоения в деятельном слое Евразийского бассейна; провести анализ изменчивости гидрологических параметров фронтов и интрузий в зоне вдольсклонового течения Евразийского бассейна, на основе метода обработки CTD-данных, предложенного руководителем настоящего проекта (Kuzmina et al., 2005); провести сравнение локальных и интегральных оценок трансфронтального обмена (использование различных методов оценивания); оценить изменчивость количества тепла и соли в Атлантической водной массе, распространяющейся вдоль склона Евразийского бассейна; рассмотреть качественно новую модель неустойчивости бароклинного фронта с учетом вертикальной диффузии плавучести (3D анализ) и применить ее для описания интрузий большого вертикального масштаба, которые наблюдаются в Арктическом бассейне; провести анализ эволюции одиночных внутритермоклинных вихрей с помощью численного моделирования; проанализировать устойчивость вихрей применительно к условиям Арктического бассейна.

Важность представленных задач – неоспорима, так как их решение тесно связано с фундаментальными проблемами, такими как выяснение механизмов вентиляции глубинных вод, оценивание переноса по вертикали тепла и соли двойной диффузией, анализ влияния интрузионного расслоение на климатическую изменчивость термохалинных полей в Арктическом бассейне и др. Существует безусловное основание для успешного решения перечисленных задач, так как данный проект предусматривает продолжение исследований фронтов и интрузий в Арктическом бассейне, начатых в рамках проекта РФФИ (№10-05-00467-a), с привлечением дополнительных CTD-данных и новой аналитической модели интерливинга. Для усиления математической базы описания трансфронтального обмена будет также реализована численная модель (на основе Принстонской модели океана) для анализа эволюции одиночных внутритермоклинных вихрей применительно к условиям Арктики.

Предлагаемые методы и подходы (с оценкой степени новизны)

Существенной особенностью данного проекта (новизна подхода) является эмпирический анализ большого объема тонкоструктурных данных, полученных в различных бассейнах Арктики, совместно с использованием моделей интерливинга (модели неустойчивости фронта конечной ширины) и численного моделирования одиночных вихрей применительно к Арктическому бассейну. В частности предполагается рассмотреть новую аналитическую 3D модель неустойчивости бароклинного фронта с учетом вертикальной диффузии плавучести для описания крупных интрузий в промежуточном слое Евразийского бассейна, а также предложить новый метод оценивания диапикнического перемешивания на основе анализа структуры интрузионного расслоения.

Первое подробное исследование фронтальных зон и интрузий в Евразийском бассейне Арктики представлено в работе (Kuzmina et al., 2011), которая была выполнена в рамках предыдущего проекта РФФИ (№10-05-00467-a). В настоящем проекте будет увеличен используемый для эмпирического анализа банк CTD-данных, в частности будут анализироваться CTD-зондирования, полученные в 2008 году по программе NABOS (Nansen and Amundsen Basins Observational System). Учитывая, что в Арктическом бассейне наблюдаются внутритермоклинные вихри (см. рис.1), которые были подробно описаны на основе эмпирических данных в работах, выполненных в рамках предыдущего проекта РФФИ (№10-05-00467-a), в новых исследованиях предполагается проанализировать изменение структуры одиночных внутритермоклинных вихрей при их приспособлении к геострофическому балансу на основе численного моделирования. Предполагается также предложить новую модель неустойчивости бароклинного фронта для описания образования интрузий большого масштаба в Арктическом бассейне (рис.2), генезис которых до сих пор еще не известен.

Общий план работ на весь срок выполнения проекта

1. На основе эмпирических данных и моделей интерливинга детально оценить коэффициенты обмена в областях интрузионного расслоения в деятельном слое Евразийского бассейна при различных значениях вертикального плотностного соотношения. Оценить по эмпирическим данным изменение теплосолезапаса Атлантической водной массы при ее продвижении вдоль склона Евразийского бассейна. Провести сравнение интегральных и локальных оценок трансфронтального обмена в Евразийском бассейне. Проанализировать влияние двойной диффузии на особенности структуры интрузионного расслоения фронтов в области Атлантических вод в Евразийском бассейне и оценить механизмы, которые обуславливают диапикническое перемешивание.
2. Рассмотреть новую модель неустойчивости бароклинного фронта с учетом вертикальной диффузии плавучести (3D анализ) применительно к описанию образования интрузий большого вертикального масштаба, наблюдающихся в Арктическом бассейне.
3. Оценить влияние крупных интрузионных слоев на поле геострофической скорости в Арктическом бассейне [по данным экспедиций судов «Polarstern» (в 1996 г) и «Oden» (в 1991 г)]. Провести анализ изменчивости гидрологических параметров фронтов и структурных особенностей интрузий в зоне вдольсклонового течения Евразийского бассейна на основе данных, полученных по программе NABOS-2008. Получить оценку влияния интрузионного расслоения на изменение гидрологических характеристик среднего термохалинного поля.
4. Подготовить пакет программ для численного моделирования вихрей на основе Принстонской модели океана. Провести численные эксперименты по изучению эволюции одиночных внутритермоклинных вихрей для различных параметров средней стратификации среды с целью анализа изменения горизонтального масштаба и структуры вихря при его приспособлении к геострофическому балансу. Провести анализ устойчивости вихря в зависимости от его начального горизонтального масштаба и масштаба Россби применительно к Арктике на основе численного моделирования.

Ожидаемые научные результаты

1. На основе эмпирических данных и моделей интерливинга оценены коэффициенты обмена в областях интрузионного расслоения в верхнем деятельном слое Евразийского бассейна (развитие идей и оригинальных методов, предложенных в предыдущем проекте РФФИ №10-05-00467-a). С помощью сравнения модельных расчетов и эмпирических данных проанализировано влияние среднего плотностного соотношения на величину вертикального коэффициента обмена теплом и вертикальный масштаб интрузий.
   На основе CTD-данных экспедиции судна «Polarstern» в 1996 г оценено изменение теплосолезапаса Атлантической водной массы при ее продвижении вдоль склона Евразийского бассейна. Полученные результаты используются для интегральной оценки трансфронтального обмена в области распространения Атлантической водной массы. Проведено сравнение интегральных и локальных (полученных с помощью моделей интерливинга) оценок бокового обмена в Евразийском бассейне.
   С помощью оригинальной методики анализа особенностей интрузионного расслоения на фронтах в области Атлантической водной массы выявлены механизмы, которые обуславливают обмен теплом и солью, а также диапикническое смещение ядра Атлантической водной массы по мере ее продвижения вдоль склона Евразийского бассейна. Полученные результаты важны для прогнозирования бокового обмена теплом и солью и поступления количества тепла и соли в другие бассейны Арктики.
2. Рассмотрена новая модель неустойчивости бароклинного фронта с учетом вертикальной диффузии плавучести (3D анализ). Найдены частные неустойчивые (растущие со временем) решения, которые применяются для описания образования интрузий большого масштаба. Результаты модели используются для оценок вертикальных масштабов и времени образования крупных интрузий Арктического бассейна.
3. Проведен анализ влияния крупных интрузионных слоев на поле геострофической скорости в Евразийском бассейне [по данным экспедиций судов «Polarstern» (в 1996 г) и «Oden» (в 1991 г)].
   С помощью оригинальной методики, предложенной в работе (Kuzmina et al., 2011), построены таблицы гидрологических параметров фронтов и описаны структурные особенности интрузий в зоне вдольсклонового течения Евразийского бассейна на основе CTD-данных, полученных по программе NABOS-2008. Результаты используются для оценки влияния бокового обмена на изменение гидрологических характеристик среднего термохалинного поля. Предложен метод расчета коэффициента диапикнического перемешивания.
4. На основе Принстонской модели океана проведены численные эксперименты по изучению эволюции одиночных внутритермоклинных вихрей для различных параметров средней стратификации среды с целью анализа изменения горизонтального масштаба и структуры вихря при его приспособлении к геострофическому балансу. Выполнен анализ устойчивости вихря в зависимости от его горизонтального масштаба и локального радиуса деформации Россби применительно к Арктическому бассейну. Оценено время жизни вихря (время существования вихря как единого целого). Получены предварительные результаты по оцениванию коэффициентов обмена в связи с разрушением вихревых образований.

Телефон: +7 (499) 129-27-72