Особенности разномасштабных гидрофизических процессов в Карском море

Изучение гидрофизической системы Карского моря во взаимодействии с атмосферой представляет большой интерес, в связи с повышенным вниманием к тенденции глобального потепления и связанных с этим вопросов о климатических изменениях в Арктике, включая вариации ледовитости, стока великих сибирских рек, таяния вечной мерзлоты и эмиссии метана, колебания в притоке в арктические бассейны северо-атлантических вод и др.
К настоящему моменту в Карском море были проведены ряд экспедиций ГОИН, ИО РАН, ААНИИ по фундаментальным и прикладным задачам. Главными результатами работ были выяснение гидрологической структуры, динамики вод и фронтальных зон Карского моря; процесса распространения стоков Оби и Енисея и формирования линз опреснённых вод, водообмена между Карским и Арктическим бассейнами. О сезонной и долговременной изменчивости гидрофизических полей известно немного. Приводятся обзоры литературы, имеющихся данных и хронология экспедиционных измерений.
В июле-августе 2012 г., в юго-западной части Карского моря, силами сотрудников ГОИН была проведена экспедиция на НИС "Иван Петров", где наряду с решением прикладной задачи о динамике берегов и дна и воздействиях морских льдов на дно и берега, был проведён комплекс гидрофизических измерений. В ходе экспедиции, на основе использования разнообразных измерительных средств, обеспечивающих регистрацию параметров на ходу судна, вертикальные сканирования водной толщи, с отбором проб воды батометрами на выбранных горизонтах для измерения концентрации взвеси, измерение вертикальных профилей скоростей течений и СТД параметров на автономных донных и буйковых станциях, а также временные ряды вариаций метеоэлементов на судовой и береговых метеостанциях, получен уникальный по пространственно-временному разрешению и объему данных научный материал, позволяющий детально исследовать динамику вод и гидрологическую структуру Байдарацкой губы и юго-западной части Карского моря.
Обработка данных измерений включала в себя подготовку массивов данных (редакция, систематизация и архивирование), расчёт статистических характеристик временных рядов с использованием традиционного спектрального анализа Фурье авто- и взаимных спектров, авто- и взаимных вэйвлет–диаграмм, скользящих спектрограмм. С учётом перемежаемости исследуемых процессов, выделены отдельные реализации эволюции поля с яркими проявлениями процессов релаксации системы после выведения из равновесного состояния. С целью идентификации отдельных процессов выявлены типичные фоновые сезонные трёхмерные гидрологические структуры поля на шельфе и мористее, а также количественно оценены отклонения, связанные с другими составляющими изменчивости, такими как краевые шельфовые волны, суточные, инерционные, полусуточные и короткопериодные внутренние волны, поверхностные волны.
На основе оценок статистических связей между различными параметрами исследуемой гидрофизической системы, включая метеорологические элементы, уровень моря и температуру поверхности моря, проведен анализ масштабов пространственно-временной изменчивости наблюдаемых гидрометеорологических полей и получены новые данные о характере действующих физических механизмов развития разномасштабных гидрофизических процессов в шельфово -склоновой зоне Карского моря.
В частности, показано, что в российской Арктике доминируют долговременные юго-западные ветры и, следовательно, привнос более теплых воздушных масс в Арктику. Завихренность в Арктике в долговременном плане - антициклоническая. На о. Врангеля доминирует перенос воздуха из Арктики на Чукотку и Камчатку, и далее, на дальневосточый регион, где преобладают северные ветры с мусонными циклами, в соответствии с циркуляцией по периферии Сибирского антициклона. Ветровое воздействие в летний сезон невелико, характерная толщина верхнего перемешанного слоя составляет ~20 м, дрейфовая компонента течений охватывает верхний тонкий слой ~2 м. Глубже резкого пикноклина, залегает Арктическая донная вода с Т-S параметрами -1- +1 градусов C и 33,5 – 34,5 единиц практической шкалы солёности. В мелководных акваториях Карского моря, по сравнению с открытым океаном, сложность полей и временная изменчивость существенно возрастают. Значительные вариации измеряемых гидрофизических параметров имеют место на малых временных масштабах, начиная от 10 сек. и пространственных масштабах - от 10 см. С целью оценки взаимосвязей на различных масштабах, проведено моделирование спектральных характеристик реализаций. Локально, отклик системы на множественные случайные по фазе и амплитуде воздействия можно рассматривать как нормальный шум, преобразованный в системе с релаксацией, временной масштаб которой определяется физическими свойствами среды. Модель авторегрессии первого порядка соответствует экспоненциальной релаксации, а модель авторегрессии второго порядка описывает автоколебания с релаксацией.
В атмосфере и океане, повсеместно встречаются разномасштабные фронты, с резкими изменениями параметров. В частности, на траверзе п.Харасавэй, наблюдалась фронтальная граница прибрежных взвесенесущих вод, продвигающаяся от берега со скоростью 10 см/с. Отмечаются кардинальные динамические отличия прибрежных (мутных) и мористых (относительно прозрачных) вод. Предварительный анализ показывает, что прибрежные воды могут быть турбулизированы в результате стока рек и приливных течений в мелководных прибрежных областях. Оценка интенсивности и пространственно-временных масштабов флуктуаций параметров в указанных процессах может быть существенна для модельных расчётов динамики вод и осадконакопления.
В заключение, обсуждаются оптимальные гидрофизические измерительные системы. В силу сложного характера процессов взаимодействия в системе атмосфера- море, для их изучения необходим систематический подход. Под систематическим подходом понимается: а) развертывание адекватной изучаемым пространственно-временным масштабам динамических процессов современной постоянно действующей измерительной сети, с использованием контактных методов измерений и дистанционных (спутниковых) зондирований; б) создание современной инфраструктуры для обеспечения сбора, передачи, хранения и незатруднённого доступа к данным измерений и анализа; в) применение современных гидродинамических моделей с усвоением данных измерений для интерполяции измерительных данных на требуемую при анализе процессов сетку по времени и по пространству.