Исследование изменчивости структуры и интенсивности плотностных течений в области шельф-склон в Антарктике

Исследование заключается в анализе результатов моделирования развития плотностной структуры и бароклинной динамики антарктических шельфовых вод (АШВ) в области шельф-склон во всем геофизическом диапазоне экстремальных метеоусловий образования и существования квазистационарных полыней в Антарктике, способствующих интенсификации формирования АШВ. Для этого используется мелкомасштабная негидростатическая модель Fluidity-ICOM. Получены оценки потоков соли (плавучести) для различных типов ледообразования: статического в полыньях, покрытых молодым льдом, и внутриводного — динамического (наиболее эффективного), в полыньях с открытой водной поверхностью. В зависимости от увеличения интенсивности формирования АШВ и увеличения скорости их распространения выявлены три режима стока по материковому склону: не волновой — или докритический; вихревой и волновой — или сверхкритические (быстрые). Разделение на режимы подтверждается оценками величин внутреннего числа Фруда Fr. При разбиении развитых придонных плотностных течений на склоне пространственные масштабы меандров, вихрей или фронтальных волн оказались близкими по величине (как и их толщина), что согласуются с модельными оценками локального бароклинного радиуса деформации Россби — Rd_L для этих течений. Они совпадают подобными оценками Rd_L, полученными на основе данных натурных измерений, для антарктического склонового фронта (АСФ) в море Содружества. Полученные оценки скоростей распространения плотностных течений и перепада плотностей на их границе также совпадают с данными натурных измерений. Получены оценки объемного q_v и удельного q_l потоков АШВ на материковом склоне вблизи района существования прибрежной полыньи Дарнли в море Содружества, которые позволяют оценить возможный вклад каскадинга АШВ в образование донных вод при различных режимах стока. Точность и корректность оценок q_v и q_l обеспечивается мелкомасштабной дискретностью вычислений, с использованием негидростатической модели Fluidity-ICOM и учетом событий увеличения интенсивности образования АШВ в полыньях с открытой водной поверхностью. При увеличении пространственного шага вычислений X в численных экспериментах в 4 раза недооценка q_v составляет ~30 %. Поэтому в крупномасштабных и даже в мезомасштабных гидростатических моделях недооценка q_v и q_l может быть неприемлемой (в несколько раз).

1. Foster T.D., Carmack E.C. Frontal zone mixing and Antarctic bottom water formation in the southern Weddell Sea // Deep Sea Res. 1976. Vol. 23. P. 301–317. doi:10.1016/0011–7471(76)90872-X

2. Foster T.D., Foldvik A., Middleton J.H. Mixing and bottom water formation in the shelf break region of the southern Weddell Sea // Deep Sea Res. 1987. Vol. 34, № 11. P. 1771–1794. doi:10.1016/0198-0149(87)90053-7

3. Fahrbach E., Rohardt G., Scheele N., et al. Formation and discharge of deep and bottom water in the northwestern Weddell Sea // J. Mar. Res. 1995. Vol. 53, N4 P. 515–538. doi:10.1357/0022240953213089

4. Foldvik A., Kvinge T., Torresen T. Bottom currents near the continental shelf break in the Weddell Sea.In: Oceanology of the Antarctic Continental Shelf. Antarctic Research Series. 1985. Vol. 43. P. 5–20. doi:10.1029/AR043p0021

5. Foldvik A., Gammelsrod T., Osterhus S., et al. Ice shelf water overflow and bottom water formation in the southern Weddell Sea // J. Geophys. Res. 2004. Vol. 109. С02015. doi:10.1029/2003JC002008

6. Baines P.G., Condie S.A. Observations and modelling of Antarctic downslope flows: a review. In: Ocean, ice, and atmosphere: interactions at the Antarctic continental margin. Antarctic Research Series. 1998. Vol. 75. P. 29–49. doi:10.1029/AR075p0029

7. Fuseo G., Budillon G., Sperie G. Surface heat fluxes and thermohaline variability in the Ross Sea and Terra Nova Bay polynya // Cont. Shelf Res. 2009. № 29. P. 1887–1895. doi:10.1016/j.csr.2009.07.006

8. Ohshima K.I., Fukamachi Y., Williams G.D., Nihashi S. et al. Antarctic Bottom Water production by intense sea-ice formation in the Cape Darnley polynya // Nat. Geosci. 2013. № 6(3). P. 235–240. doi:10.1038/ngeo1738

9. Snow K., Sloyan B.M., Rintoul S.R., Hogg A.M., Downes S.M. Controls on circulation, cross-shelf exchange, and dense water formation in an Antarctic polynya // Geophys. Res. Lett. 2016. № 43. P. 7089–7096. doi:02/2016GL069479

10. Snow K., Hogg A.M., Sloyan B.M., Downes S.M Sansitivity of Antarctic bottom water to changes in surface buoyance fluxes // J. Clim. 2016. № 29. P. 313–330. doi:10.1175/JCLI-D-15–0467.1

11. Williams G.P., Herraiz-Borreguero L., Roquet F., Tamura T., et al. The suppression of Antarctic bottom water formation by melting ice shelves in Prydz Bay // Nat. Commun.. 2016. Vol. 7. P. 12577 doi:10.1038/ncomms12577

12. Ackley S.F. et al. Sea-ice production and air/ice/ocean/ biogeochemistry interactions in the Ross Sea during the PIPERS2017 autumn field campaign // Annals of Glaciology. 2020. Vol. 61(82). P. 181–195. doi:10.1017/aog.2020.31

13. De Pace L. et al. Frazil ice growth and production during katabatic wind events in the Ross Sea, Antarctica // The Cryosphere. 2020. Vol. 14. P. 3329–3347 doi:10.5194/tc-14-3329-2020

14. Головин П.Н. Условия формирования шельфовых вод и стока на разных акваториях Арктики и Антарктики // Метеорология и гидрология. 2012. № 12. С. 55–68.

15. Головин П.Н., Антипов Н.Н., Клепиков А.В. Особенности глубоководного каскадинга на антарктическом материковом склоне (на примере моря Содружества) // Метеорология и гидрология. 2018. № 12. С. 81–93.

16. Головин П.Н., Антипов Н.Н., Клепиков А.В., Молчанов М.С., Кашин С.В., Чистяков И.А. Пространственные закономерности стока плотных вод на антарктическом шельфе и материковом склоне // Метеорология и гидрология. 2022. № 11. С. 91–110.

17. Головин П.Н., Антипов Н.Н., Клепиков А.В. Механизмы вентиляции глубинных и донных вод над антарктическим материковым склоном // Метеорология и гидрология. 2019. № 6. С. 52–69.

18. Головин П.Н., Антипов Н.Н., Клепиков А.В. Сток антарктических шельфовых вод в летний период на шельфе и материковом склоне моря Содружества и их влияние на формирование донных вод Южного океана // Океанология. 2011. Т. 51, № 3. С. 393–408.

19. Головин П.Н., Антипов Н.Н., Клепиков А.В. Исследование устойчивости Антарктического склонового фронта в море Содружества // Метеорология и гидрология. 2013. № 11. С. 64–78.

20. Головин П.Н., Антипов Н.Н., Клепиков А.В. Интрузионное расслоение Антарктического склонового фронта // Океанология. 2016. Т. 56, № 4. С. 514–528. doi:10.7868/S0030157416030084

21. Martin S. Frazil ice in rivers and oceans // Ann. Rev. Fluid Mech. 1981/ № 13. P. 379–397. doi:10.1146/annurev.fl.13.010181.002115

22. Монахов Е.И. Условия формирования внутриводного льда — Дис. к. г.н. фонды ФБГУ «РФ ААНИИ». 1989. 171 с.

23. Головин П.Н. Роль квазистационарной заприпайной полыньи в формировании плотных шельфовых вод в зимний период и их последующем склоновом каскадинге (на примере моря Лаптевых) // Метеорология и гидрология. 2008. № 11. С. 57–75.

24. Ohshima K.I. Direct observations of coastal polynyas and glacier-ocean interaction in the East Antarctica // presentation from the OASIIS Workshop. 2017. Bremerhaven. Germany. 14–17th June. URL: https://soos.aq/images/soos/activities/cwg/oasiis/presentations2017/Wednesday/6_oasiis_kay_ohshima.pdf

25. Захаров В.Ф. Роль заприпайной полыньи в гидрологическом и ледовом режиме моря Лаптевых // Океанология. 1966. T. VI. С. 1014–1022.

26. Martin S., and Cavalieri D.J. Contributions of the Siberian shelf polynyas to the Arctic Ocean intermediate and deep water // J. Geophys. Res. 1989. Vol. 94. P. 12725–12738. doi:10.1029/JC094iC09p12725

27. Cavalieri D.J., Martin S. The contribution of Alaskan, Siberian, and Canadian coastal polynyas to cold halocline layer of the Arctic Ocean // J. Geophys. Res. 1994. Vol. 99. P. 18343–18362. doi:10.1029/94JC01169

28. Schumacher J.D., K. Aagaard, C.H. Pease, Tripp R.B. Effects of a shelf polynya on flow and water properties in the northern Bering Sea // J. Geophys. Res. 1983. Vol. 88. P. 2723–2732. doi:10.1029/JC088iC05p02723

29. Smith S.D., R.D. Muench, Pease C.H. Polynyas and leads: An overview of physical processes and environment // J. Geophys. Res. 1990. Vol. 95, № C6. P. 9461–9479. doi:10.1029/JC095IC06P09461

30. Smith S.D., R.J. Anderson, G. et al. An investigation of a polynya in the Canadian archipelago, 2, Structure of turbulence and sensible heat flux // J. Geophys. Res. 1983. Vol. 88. P. 2900–2910. doi:10.1029/JC088iC05p02900

31. Головин П.Н., Молчанов М.С. Мелкомасштабное моделирование динамики вод на шельфе и континентальном склоне в Антарктике // Метеорология и гидрология. 2023. № 6. С. 21-43. doi:10.52002/0130-2906-2023-6-21-43

32. Piggott M.D., Gorman G.J. et al. A new computational framework for multi-scale ocean modelling based on adapting unstructured meshes // Int. J. Numer. Meth. Fluids. 2008. Vol. 56. P. 1003–1015. doi:10.1002/fld.1663

33. Chen C.T., Millero F.J. Effect of salt content on the temperature of maximum density and static stability in Lake Ontario // Limnology and Oceanography. 1977. Vol. 22, № 1. P. 158–159.

34. Галеркин Б.Г. Стержни и пластины. Ряды в некоторых вопросах упругого равновесия // Вестник инженеров. 1915. № 19. C. 897–908.

35. Hiester H.R. The application of adaptive mesh techniques to numerical simulations of gravity current flows // Thesis or dissertation. 2011a. Imperial College London. doi:10.25560/9227

36. Волков А.В., Ляпунов С.В. Исследование эффективности использования численных схем высокого порядка точности для решения уравнений Навье-Стокса и Рейнольдса на неструктурированных адаптивных сетках // Журнал вычислительной математики и математической физики. 2006. Т. 46, № 10. C. 1894–1907.

37. Smagorinsky J. General circulation experiments with the primitive equations. I. The basic experiment // Mon. Wea. Rev. 1963. Vol. 91. P. 99–164. doi:10.1175/1520–0493(1963)091<0099:GCEWTP>2.3.CO;2

38. Davies D.R., Wilson C.R., Kramer S.C. Fluidity: A fully unstructured anisotropic adaptive mesh computational modelling framework for geodynamics // Geochem. Geophys. Geosyst. 2011. Vol. 12. Q06001. doi:10.1029/2011GC003551

39. Piggott M.D., Farrell P.E., Wilson C.R., Gorman G.J., Pain C.C. Anisotropic mesh adaptivity for multi-scale ocean modelling // Philosophical Transactions of The Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 2009. Vol. 367 (1907). P. 4591–4611.

40. Hiester H.R., Piggott M.D., P.A. Allison The impact of mesh adaptivity on the gravity current front speed in a two-dimensional lock-exchange // Ocean Modelling. 2011b. Vol. 38. Issues 1–2. P. 1–21. doi:10.1016/j.ocemod.2011.01.003

41. Hiester H.R., Piggott M.D., Farrell P.E., Allison P.A. Assessment of spurious mixing in adaptive mesh simulations of the two-dimensional lock-exchange // Ocean Modelling. 2014. Vol. 73. P. 30–44. doi:10.1016/j.ocemod.2013.10.003

42. Jacobs C.T., Collins G.S., Piggott M.D., Kramer S.C., Wilson C.R.G. Multiphase flow modelling of volcanic ash particle settling in water using adaptive unstructured meshes // Geophys. J. Int. 2013. Vol. 192, № 2. P. 647–665. doi:10.1093/gji/ggs059

43. Wendler G., Stearns C., Weidner G., Durgaund G., Parish T.R. On the extraordinary katabatic winds of Adelie Land // J. Geophys. Res. 1997. Vol. 102. P. 4463–4474. doi:10.1029/96JD03438

44. Parish T.R., Walker R. A re-examination of the winds of Adelie Land, Antarctica // Aust. Met. Mag. 2006. Vol. 55. P. 105–117.

45. Parish T.R. Surface winds over the Antarctic continent: A review // Rev. Geophys. 1988. Vol. 26. № 1. P. 169–180. doi:10.1029/RG026i001p00169

46. Tamura T., Ohshima K.I., Nihashi S. Mapping of sea ice production for Antarctic coastal polynya // Geophys. Res. Lett. 2008. Vol. 35. L07606. doi:10.1029/2007GL032903

47. Martin S., Kauffman Р. А field and laboratory study of wave damping by grease ice // J. Glaciol. 1981. № 27. P. 281–314.

48. Pease C.H. The size of wind-driven coastal polynyas // J. Geophys. Res. 1987. Vol. 92. P. 7049–7059. doi:10.1029/JC092iC07p07049

49. Winsor P., Bjork G. Polynya activity in the Arctic Ocean from 1958 to 1997 // J. Geophys. Res. 2000. Vol. 105, № C4. P. 8789–8803. doi:10.1029/1999JC900305

50. Danielson S., Aagaard K., Weingartner T., Martin S., Winsor P., Gawarkiewicz G., Quadfasel D. The St. Lawrence polynya and the Bering shelf circulation: New observations and a model comparison // J. Geophys. Res. 2006. Vol. 111, № C9. P. 1029–1057. doi:10.1029/2005JC003268

51. Drucker R., Martin S. Observation of ice thickness and frazil ice in the St. Lawrence Island polynya from satellite imagery, upward looking sonar, and salinity/temperature moorings // J. Geophys. Res. 2003. Vol. 108, № C5. P. 3149–3167. doi:10.1029/2001JC001213

52. Головин П.Н. Конвективный массоперенос в подледном слое зимнего разводья в Арктическом бассейне // Океанология. 1995. Т. 35, № 6. C. 854–863.

53. Макштас А.П. Тепловой баланс арктических льдов в зимний период. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. 67 с.

54. Доронин Ю.П., Хейсин Д.Е. Морской лед. Л.: Гидрометеоиздат, 1980. 320 с.

55. Weeks W.F., Ackley S. The growth, structure and properties of sea ice. Hanover (N.H.): U.S. Cold Region Research and Engineering Lab. Springfield. Va. available from N.T. I. S. 1982. 130 p.

56. Зацепин А.Г., Костяной А.Г., Семенов А.В. Лабораторное исследование осесимметричного плотностного течения на наклонном дне во вращающейся жидкости // Океанология. 1996, Т. 36, № 3. С. 339–346.

57. Зацепин А.Г., Гриценко В.А., и др. Лабораторное и численное исследования процесса распространения плотностных течений по склону дна // Океанология. 2005. Т. 45, № 1. С. 5–15.

58. Shapiro G.I., Zatsepin A.G. Gravity current down a steeply inclined slope in rotating fluid // Ann. Geophys. 1997. Vol. 15. P. 366–374. doi:10.1007/s00585–997–0366-x

59. Тернер Дж. Эффекты плавучести в жидкости. М.: Мир, 1977. 431 с.

60. Mensah V., Yoshihiro Nakayama Y., Fujii M., Nogi Y., Ohshima K.I. Dense water downslope flow and AABW production in a numerical model: Sensitivity to horizontal and vertical resolution in the region off Cape Darnley polynya // Ocean Modelling. 2021. Vol. 165/ 101843. doi:10.1016/j.ocemod.2021.101843

61. Вольцингер Н.Е., Андросов А.А. Моделирование длинноволновой динамики на материковом склоне океана и регионах свала глубин // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2020. Т. 13, № 4. С. 16–26. doi:10.7868/S2073667320040024