Моделирование крупномасштабной структуры и изменчивости гидрологических полей Северного Ледовитого океана

Северный Ледовитый океан (СЛО) играет важную роль в региональной и глобальной климатической системах. Глубокая конвекция в Гренландском море во многом определяет формирование донных вод Мирового океана и оказывает тем самым влияние на крупномасштабную термохалинную циркуляцию и глобальное перераспределение тепла [77]. Конвекция в северной полярной области может стать причиной смены одного устойчивого режима циркуляции Мирового океана другим, каждый из которых связан с различным климатом [141]. Относительная слабая плотностная стратификация во многих районах океана, в том числе в Гренландском море, предполагает, что даже небольшие изменения в атмосфере и океане могут вызвать или наоборот остановить конвективное перемешивание [161].

Одним из ключевых элементов во взаимодействии океана и атмосферы в Арктике является ледяной покров. Отличия альбедо льда и снега от альбедо воды приводят к значительной разнице в радиационном балансе на поверхности раздела сред. Благодаря большой теплоемкости и низкой теплопроводности лед эффективно изолирует атмосферу и поверхностные воды океана от теплообмена. Поэтому передача тепла от океана к атмосфере осуществляется главным образом на периферии океана через многочисленные разводья, полыньи, а летом — в морях, свободных ото льда [77]. Большой сток рек и значительное превышение количества осадков над испарением обусловливает аккумуляцию пресной воды в Арктическом бассейне, что стабилизирует термохалинную структуру и циркуляцию [77]. В результате в центральных областях Северный Ледовитый океан сильно стратифицирован в слое 50— 150 м.

Это приводит к изоляции промежуточного слоя теплых атлантических вод от поверхностных, что является определяющим для сохранения круглогодичного ледяного покрова в Арктике.

Изучению крупномасштабных процессов в Северном Ледовитом океане посвящено большое количество работ. Начало исследованию Арктики положила экспедиция Нансена на судне «Фрам» в 1893—1896 [по 61]. Последовавшие вслед за ней гидрофизические экспедиции на судах, а позднее — дрейфующие ледовые станции и высокоширотные воздушные экспедиции привели к накоплению обширного материала о структуре вод океана, его циркуляции и взаимодействии различных элементов Арктической системы. Эти наблюдения обобщены в монографиях российских и зарубежных ученых: Доронина [23, 24], Доронина и Хейсина [25], Захарова [26], Крутских [33], Легенькова [36], Никифорова и Шпайхера [43], Николаева и Алексеева [44], Тимофеева [61], Трешникова и Баранова [64], Огарда [75], Кармака [94], Коачмана и Огарда [100], Льюиса [138], Иоханнессена и др. [197] и других авторов.

Математическое моделирование — важный инструмент для исследования Северного Ледовитого океана. Пионерской работой по моделированию крупномасштабной циркуляции в Полярном бассейне с использованием полных уравнений динамики и термодинамики стала работа [192]. Численное моделирование позволило ответить на вопросы о роли ледяного покрова в формировании циркуляции в центральной Арктике [123], о долгопериодной изменчивости океана и его чувствительности к вариациям С02 и стока рек [191], о значении уровня океана как индикатора гидрологических процессов различного масштаба [55], о зависимости глубокой конвекции в Гренландском море от интенсивности адвекции льдов из центрального Арктического бассейна [115] и др.

Вместе с тем до сих пор остаются слабо изученными циркуляция глубинных и промежуточных вод океана, ее изменчивость и механизмы ее поддержания. Наблюдения за глубинными течениями крайне немногочисленны [71], а результаты моделирования порой противоречивы (например, [8] и [191]). Требует оценки вклад процессов таяния и нарастания ледяного покрова в формирование структуры и сезонной изменчивости полей температуры и солености Северного Ледовитого океана. Тесно связан с этим вопрос о генерации фронтальных зон в поверхностных слоях океана, о пространственной и временной изменчивости распределения льда по толщинам Вклад приливов в установление крупномасштабной структуры гидрологических полей остается также неисследованным.

В связи с этим целью работы является установление закономерностей формирования крупномасштабной циркуляции Северного Ледовитого океана, его сезонной и межгодовой изменчивости, оценка роли ледяного покрова в формировании структуры и изменчивости полей температуры и солености Арктического бассейна, разработка методов исследования основных крупномасштабных процессов Северного Ледовитого океана.

Направленность работы потребовала решения следующих задач: — на основе архива данных Арктического и Антарктического НИИ построить среднемноголетние сезонные поля температуры и солености океана, включая Гренландское, Норвежское и Баренцево моряразработать численную гидродинамическую модель бароклинного океана со льдом, учитывающую процессы таяния/нарастания льда, его торошения, образования полыней и разводийобосновать природу циркуляции поверхностных, промежуточных (атлантических) и донных вод в океане, оценить расходы воды через основные проливы, исследовать межгодовую изменчивость течений и колебаний уровняметодами моделирования исследовать сезонную изменчивость ледяного покрова Арктики с учетом многообразия факторов, ее определяющихпоказать роль процессов таяния и нарастания льда в формировании структуры полей температуры и солености океанаисследовать особенности циркуляции вод, связанные с формированием фронтальных прикромочных зонисследовать вклад приливов в формирование крупномасштабных особенностей гидрологических полей океана, определить механизмы этого воздействия.

Основным инструментом исследования в работе является численное гидродинамическое моделирование. Математические модели позволяют облегчить анализ информации, глубже понять многочисленные взаимосвязи между элементами сложных природных систем, выделить главные факторы и абстрагироваться от второстепенных, и, что особенно существенно для Северного Ледовитого океана, отчасти восполнить недостаток данных наблюдений. Кроме того, модели могут быть использованы как аппарат прогноза гидрометеорологических параметров. Примером подобного применения численных моделей в практике прогнозов сгонно — нагонных колебаний в Арктике стала работа [55].

На защиту выносятся следующие положения, выводы и результаты, имеющие научную новизну:

1. Термодинамическая модель океана со льдом.

2. Поля средних сезонных (зима и лето) полей температуры и солености Северного Ледовитого океана, подготовленные для численного гидродинамического моделирования.

3. Рассчитанные средние сезонные (зима и лето) схемы циркуляции вод в поверхностных, промежуточных и придонных слоях Северного Ледовитого океана, схемы свободной поверхности океана, оценки расходов через основные проливы океана.

4. Трактовка причин и характера циркуляции поверхностных, промежуточных и донных вод Северного Ледовитого океана.

6. Обоснование районов максимальной продукции и таяния льда.

7. Обоснование факторов, определяющих формирование сезонного хода температуры и солености в поверхностном слое океана.

8. Трактовка механизмов поддержания структуры термохалинных полей океана приливами.

Структура работы повторяет очередность поставленных задач. В первой главе описывается методика подготовки средних полей температуры и солености океана (первый параграф), на основе различных литературных источников анализируются водные массы СЛО и его термохалинная структура (второй параграф) с углубленным анализом атлантической промежуточной воды (третий параграф), приводится обзор исследования циркуляции вод в СЛО (четвертый параграф) и характеристики ледяного покрова Арктики (пятый параграф). Во второй главе приводится описание разработанной динамической термодинамической совместной модели океана со льдом. В первом параграфе помещен краткий исторический обзор создания моделей океана со льдом. Во втором параграфе приводится формулировка модели. Третий. параграф посвящен описанию тестовых испытаний модели. Результаты диагностических расчетов циркуляции СЛО приведены в третьей главе. В первом параграфе дается краткая историческая справка о применении диагностических методов исследования состояния океана. Формулировка экспериментов приводится во втором параграфе главы. В третьем параграфе рассмотрены результаты расчетов течений и колебаний уровня. Четвертый параграф содержит анализ рассчитанной межгодовой изменчивости зимних плотностных течений Арктического бассейна. Четвертая глава работы посвящена анализу сезонной изменчивости гидрологических полей океана. В первом параграфе приводится формулировка численных экспериментов. Далее, во втором параграфе, исследуется сезонная изменчивость ледяного покрова океана, а в третьем — сезонная изменчивость полей температуры, солености, течений и уровня СЛО. В последней пятой главе анализируется роль приливов в формировании структуры гидрологических полей океана. В первом параграфе исследуются возможные механизмы поддержания структуры поля солености СЛО приливом М2. Следующий параграф посвящен исследованию генерации остаточной приливной циркуляции и формированию интенсивного вертикального приливного перемешивания вод в районе подводного поднятия с однородной по вертикали структурой полей температуры и солености. В заключении диссертации приведены основные результаты, полученные в работе.

В заключение автор выражает искреннюю благодарность коллегам за постоянную помощь, советы и дружескую критику на всех стадиях работы. Автор благодарен жене и дочери за их долготерпение.