Качество оценок интенсивности конвекции в зависимости от количества данных измерений на основе массивов с ассимиляцией спутниковой информации ARMOR 3D и SODA

Глубокая конвекция (ГК) в Гренландском море формирует глубинные водные массы, которые составляют основную часть возвратного глубинного потока Атлантической термохалинной циркуляции (АТХЦ) [2,3]. Изменчивость интенсивности конвекции отражается на флуктуациях АТХЦ, которые, в свою очередь, влияют на погодные условия в Европе [1] и европейской части России. Интенсивность глубокой конвекции традиционно оценивается как максимальная глубина верхнего квазиоднородного слоя (ВКС) за холодный период. В условиях ограниченного количества контактных измерений, в особенности в зимний сезон, возникает необходимость оценки точности определения глубины ВКС в зависимости от количества наблюдений.
В работе используются данные температуры и солености океанических реанализов с ассимиляцией спутниковой информации: SODA 3.4.2 (1980-2015 гг. на сетке 0.5°х0.5°) и ARMOR3D (1993-2016 гг. на сетке 0.25°х0.25°). SODA 3.4.2 ассимилирует данные о температуре поверхности океана [4]. ARMOR 3D представляет собой продукт оптимальной интерполяции, для которой использовались спутниковые данные по абсолютной динамической топографии, температуре. Для определения концентрации данных контактных измерений использовались данные профилей дрейфующих буев ARGO за период 2005-2017 годов. Также для оценки общего количества контактных наблюдений использовался массив натурных данных EN4 – Hadley center. Глубина верхнего квазиоднородного слоя (ВКС) рассчитывалась по методу Духовского.
Анализ показал, что площади глубин ВКС более 1000 м и максимальных глубин ВКС хорошо аппроксимируются логарифмической функцией для обоих массивов данных: при уменьшении интенсивности конвекции площадь, охваченная глубокой конвекцией, сокращается. Кластерный анализ в поле максимальных глубин ВКС и площади глубин ВКС более 1000 метров по 2 массивам (SODA и ARMOR 3D) позволил выделить три основных кластера. Для каждого из кластеров были построены искусственные поля распределения глубин ВКС, в которых были сохранены площади определенного диапазона глубин, среднего по всем полям этого кластера. Такие распределения были получены для всего Гренландского моря (73-80 º с.ш. 15 º з.д.-7 º в.д.), так и для районов возможного развития глубокой конвекции (74-77 º с.ш., 4 º з.д. - 4 º в.д.).
По полям ВКС случайным образом распределялся набор точек, от 10 до 100 «станций наблюдений». Для каждого количества станций проводилось 100 экспериментов, в которых рассчитывалась разница (ΔZ) между истинной максимальной глубиной ВКС и максимальной глубиной ВКС по набору станций. После чего для каждого количества станций производилось осреднение. Результаты показали, что для определения максимальной глубины ВКС с точностью 15% для всех кластеров было достаточно 90 станций, выполненных в области возможного возникновения глубокой конвекции. Для такого же количества станций, но выполненных на всей акватории Гренландского моря, точность оценки максимальной глубины ВКС, в среднем не превышает 30%. При наличии 40 станций в области возможного возникновения глубокой конвекции ошибка оценки глубины ВКС не превышает 25%.
По данным массива натурных профилей EN4 были выделены годы, когда количество наблюдений в области глубокой конвекции в холодный период превышает 90 вертикальных профилей. С1975 по 2017гг. только 13 лет (30%) позволяет вычислить глубину развития конвекции с хорошей точностью. Однако, в последние годы (2005-2017гг.) в рассматриваемом регионе значительно выросло количество дрейфующих буев ARGO. При этом, в центральной области циклонического круговорота Гренландской котловины концентрируется более 50% все имеющихся профилей. В частности, с 2005г. примерно в 50% лет только количество профилей ARGO в области конвекции в холодный период года превышало 90. Это дает возможность определять в последние годы максимальную глубину конвекции с приемлемой точностью для оценки характера ее межгодовой изменчивости. Хотелось бы отметить, что определение глубины ВКС с точностью 25% для области (74-77 º с.ш., 4 º з.д. - 4 º в.д.) возможно в более чем 80% случаев в период 1985-2017 (27 из 33).
Продукты с ассимиляцией спутниковой информации (ARMOR 3D и SODA) позволяют с большой степенью достоверности воспроизводить океанические поля температуры, солености, абсолютной динамической топографии, которые могут быть использованы в решении различных задач научно-прикладного характера.
Исследование выполнено за счет средств гранта Российского научного фонда (проект № 17-17-01151)