КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер проекта 25-17-00309

НазваниеДинамические процессы в арктическом бассейне и их влияние на вертикальный турбулентный обмен и морской лед

Руководитель Козлов Игорь Евгеньевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр "Морской гидрофизический институт РАН" , г Севастополь

Конкурс №104 - Конкурс 2025 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле; 07-501 - Физика океана

Ключевые слова динамика океана, мезо- и субмезомасштабные процессы, короткопериодные внутренние волны, вихревая динамика, морской лед, прикромочная ледовая зона, вертикальный турбулентный обмен, микроструктурные измерения, дистанционное зондирование океана, беспилотные летательные аппараты, натурные измерения, численное моделирование, арктический бассейн

Код ГРНТИ89.57.45

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Настоящий проект посвящен исследованию динамических процессов верхнего слоя океана (короткопериодных внутренних волн, вихревых и фронтальных структур, филаментов, поверхностных течений) на участках открытой воды и в прикромочной ледовой зоне (ПЛЗ) и их влияния на вертикальный турбулентный обмен в арктическом бассейне на основе комплексного анализа спутниковых данных высокого пространственного разрешения, измерений беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), натурных наблюдений и результатов численного моделирования. Основной акцент в проекте будет сделан на изучение мезо- и субмезомасштабных процессов, играющих ведущую роль в переносе тепла по вертикали и горизонтали, обеспечивая его поступление к нижней или боковым границам ледяного покрова. Интенсивные потоки импульса и энергии, вызванные этими процессами, напрямую влияют на транспорт морского льда, способствуют его деформации и ускоренному таянию. В этом смысле оценка кинематических характеристик динамических процессов верхнего слоя океана, физических механизмов их генерации и влияния на вертикальный турбулентный обмен и морской лед являются приоритетными задачами современной полярной океанологии. Работа по проекту будет основана на качественно новом подходе – анализе полной трехмерной структуры изучаемых процессов по данным квазисинхронных измерений: с воздуха (БПЛА) и из космоса (спутники) будут определены их пространственная структура и горизонтальные скорости, а с помощью контактных измерений – их вертикальные размеры, термохалинная структура и турбулентные характеристики. Ключевую роль при этом будет играть авиаразведка с помощью БПЛА, позволяющая максимально точно выбирать положение районов измерений. Использование такого подхода совместно с численными моделями позволит исследовать механизмы генерации и особенности эволюции наблюдаемых процессов. Важной особенностью и отличием настоящего проекта является применение (помимо прочего оборудования) современных микроструктурных зондов, позволяющих исследовать тонкую вертикальную структуру океана и напрямую оценивать вертикальные потоки тепла и интенсивность турбулентного перемешивания под влиянием различных динамических факторов. Широко используемые параметризации скорости диссипации турбулентной энергии, полученные для низких и средних широт, требуют верификации в арктическом бассейне, где фоновые условия стратификации и общий энергетический уровень существенно отличны. На сегодняшний день современные откалиброванные микроструктурные зонды проверенных производителей есть только в МГИ РАН и ААНИИ, что позволяет решать поставленные задачи на мировом уровне. Научная новизна предлагаемого проекта состоит в объединении компетенций членов научного коллектива в области дистанционных методов, натурных измерений, численного моделирования и морской турбулентности для получения качественно новых сведений о физике образования динамических процессов в арктическом бассейне, особенностях их эволюции и влиянии на вертикальный турбулентный обмен и морской лед. Решение задач проекта неразрывно связано с возможностью улучшения и верификации современных численных моделей циркуляции океана, приливной динамики, распространения внутренних волн в арктическом бассейне, а также существующих параметризаций турбулентного перемешивания, используемых в этих моделях. Детальные сведения о динамике и процессах в ПЛЗ, полученные из наблюдений, являются критически важными для построения реалистичных моделей циркуляции океана с включением ледового блока. С другой стороны, сведения о динамике верхнего слоя океана и морского льда являются критически важными для оперативного прогноза и мониторинга гидрофизических условий, ледовой обстановки и распространения загрязнений в арктическом бассейне, включая район Северного морского пути. Одним из результатов проекта станет создание такой системы для южной части Карского моря и Обь-Енисейского устьевого региона - одного из ключевых районов добычи и транспортировки нефтегазогидратов в Арктике.

Ожидаемые результаты
Ниже детально изложены ожидаемые результаты проекта, имеющие важнейшее фундаментальное и прикладное значение по ряду направлений: 1) Массив микроструктурных измерений характеристик вертикального турбулентного обмена, полученных на основе современных откалиброванных микроструктурных зондов (дополнительно оснащенных датчиками мутности, растворенного кислорода и концентрации хлорофилла-а) для различных фоновых гидрологических и ледовых условий арктического бассейна. Массив измерений микроструктурных зондов MSS60/MSS90L (Sea & Sun Technology, Германия) наряду со стандартным набором вертикальный профилей температуры, солености, давления, мутности морской воды, концентрации растворенного кислорода и хлорофилла-а будет включать прямые измерения вертикальной микроструктуры температуры воды, вертикальных сдвигов горизонтальной скорости, скорости диссипации турбулентной энергии (СДТЭ) и полученных на их основе вертикальных потоков тепла и коэффициента диапикнической диффузии. Поскольку интенсивность вертикального турбулентного обмена существенным образом определяет функционирование всех компонент морской системы, полученный массив измерений позволит напрямую оценивать влияние физических факторов (конкретных гидрофизических процессов) на биогеохимические процессы в морской среде. На сегодняшний день в нашей стране современными микроструктурными зондами обладают только два института – МГИ РАН и ААНИИ, поэтому безо всякого преувеличения, ожидаемые результаты измерений будут уникальны для отечественной полярной науки и соответствовать по своему качеству мировому уровню. 2) Получены оценки вертикальных потоков тепла и интенсивности турбулентного перемешивания, формирования тонкой вертикальной структуры под влиянием различных динамических процессов на безледных участках и в прикромочной ледовой зоне (ПЛЗ) арктического бассейна, а также определены зависимости между интенсивностью (горизонтальными и вертикальными скоростями) и вертикальной структурой этих процессов и характеристиками турбулентности. Это принципиально новый результат с точки зрения фундаментальных исследований. На сегодняшний день сведения о вкладе мезомасштабных динамических процессов и тем более процессов меньшего масштаба в вертикальный турбулентный обмен в арктическом бассейне основаны на единичных исследованиях, выполненных преимущественно зарубежными учеными. Прямые оценки коэффициента диапикнической диффузии по данным натурных измерений могут быть в дальнейшем использованы для выбора наиболее подходящих параметрических уравнений, используемых в численных моделях общей циркуляции для расчета этого параметра, для типовых условий на шельфе, континентальном склоне и над глубоководными районами. Это в свою очередь позволит оценить зависимость прогнозируемых океанических полей от выбора типа параметризации вертикального турбулентного перемешивания. Работа по данному направлению не является задачей настоящего проекта, но планируется в будущем для развития модели МГИ РАН арктического бассейна. 3) Получены обобщенные количественные оценки и определены очаги интенсификации вертикального турбулентного обмена (перемешивания) под влиянием различных мезо- и субмезомасштабных процессов для безледной акватории и районов ПЛЗ арктического бассейна путем объединения натурных измерений и спутниковой информации о районах генерации этих процессов и их характеристиках. Объединение большого массива спутниковых наблюдений и натурных микроструктурных измерений (как полученных коллективом проекта, так и доступных от зарубежных коллег) позволит впервые выделить очаги интенсификации вертикального турбулентного обмена под влиянием различных динамических процессов для обширных акваторий арктического бассейна. Эти оценки позволят определить, какие процессы играют доминирующую роль в вертикальном перемешивании на шельфе арктических морей, континентальном склоне и над глубоководными районами. Полученные оценки будут сопоставлены с известными оценками вклада процессов двойной диффузии в диапикническое перемешивание. 4) Выполнена верификация существующих мелкомасштабных параметризаций скорости диссипации турбулентной энергии, полученных на основе гидрологических измерений в низких и средних широтах, путем сопоставления с данными прямых измерений этого параметра в арктическом бассейне. Сопоставление прямых измерений СДТЭ с оценками, полученными на основе применения мелкомасштабных параметризаций этого параметра к стандартным вертикальным измерениям температуры, солености и скорости течений, позволит сделать заключение об условиях применимости этих параметризаций на различных участках арктического бассейна, где фоновые условия стратификации и общий энергетический уровень внутренних волн существенно отличны как между собой, так и по сравнению с низкими/средними широтами. 5) Развитие технологий мониторинга арктического бассейна на основе БПЛА и спутниковых измерений. Усовершенствованы методы оценки скорости дрейфа льда по данным БПЛА-измерений при различных условиях геометрии съемки и фоновых метеоусловиях. Ранее разработанная система автоматизированной обработки квазисинхронных спутниковых радиолокационных данных дополнена модулями обработки оптических и ИК-данных (Sentinel-2A/B, Sentinel-3A/B, Landsat-8/9, MODIS). Важный шаг по развитию ранее разработанных коллективом проекта в МГИ РАН методов автоматизированной обработки измерений БПЛА и квазисинхронных спутниковых данных для оценки скорости поверхностных течений и дрейфа морского льда в Арктике. На основе этих данных будут получены поля скорости и направления дрейфа льда, поверхностных течений, орбитальной скорости вихревых структур на акватории морей Карского, Баренцева и Гренландского. Решение этой задачи неразрывно связано с возможностью определения районов образования потенциально опасных (для судоходства, надводного и подводного строительства) интенсивных горизонтальных и вертикальных течений в верхнем слое арктического бассейна. 6) Создана система автоматизированного расчета, хранения, визуализации и предоставления свободного доступа к спутниковым продуктам с полями скорости течений и дрейфа льда в южной части Карского моря и Обь-Енисейском устьевом регионе - одном из ключевых регионов добычи и транспортировки нефтегазогидратов в Арктике. Сведения о динамике верхнего слоя океана и морского льда являются критически важными для оперативного прогноза и мониторинга гидрофизических условий, ледовой обстановки и распространения загрязнений в арктическом бассейне, включая район Северного морского пути. Изначально система будет построена на обработке зарубежных спутниковых данных Sentinel-1,-2,-3, Landsat-8/9, MODIS. При появлении доступных отечественных измерений (например, РСА Обзор-Р, Касатка-Р X-диапазона) модули обработки будут доработаны для использования этих данных. Потенциальными потребителями полученных спутниковых продуктов в этом регионе являются компании НОВАТЭК, инфраструктурный оператор Севморпути Росатом, Газпром Космические системы и Газпром ВНИИГАЗ. 7) Определены механизмы генерации и исследованы особенности эволюции динамических процессов в арктическом бассейне на основе совместного анализа наблюдений и численного моделирования. Установлены зависимости кинематических характеристик указанных процессов от фоновых гидрометеорологических (характеристик вертикальной стратификации, донной топографии, приливных, ветровых и ледовых) условий. На основе комплексного анализа натурных измерений, спутниковых и БПЛА-наблюдений, а также численных моделей высокого разрешения (негидростатической модели Власенко, полнонелинейной модели Дюбрей-Жакотин–Лонга, атмосферной модели WRF) будут исследованы механизмы генерации и процессы эволюции короткопериодных внутренних волн и вихрей в различных по своим морфометрических и гидрологическим характеристикам районах арктического бассейна. Решение этой задачи имеет фундаментальное значение. 8) Оценено влияние различных гидрофизических процессов на дрейф и характеристики морского льда. В рамках этого результата будут получены оценки переноса льда под влиянием морских течений, внутренних волн и вихревых структур как на безледных участках, так и внутри ПЛЗ. Результаты в области исследования динамики ПЛЗ и вихревых процессов в ней могут быть использованы для валидации численных вихреразрешающих моделей общей циркуляции арктического бассейна, включающих ледовый блок (coupled sea ice-ocean model). В контексте все большего увеличения доли ПЛЗ относительно общей площади льда в Арктике в летний период, адекватное описание реологии и динамики льда в ПЛЗ на сегодняшний день представляет собой одну из наиболее сложных задач моделирования. В целом результаты проекта позволят существенно расширить границы применения методов дистанционного зондирования арктических морей из космоса. Установление общих зависимостей между горизонтальными параметрами изучаемых процессов и их вертикальными характеристиками позволит распространить полученные в ходе проекта выводы на весь арктический бассейн. Решение задач проекта станет важным шагом от традиционных наблюдений двумерных/поверхностных характеристик динамических процессов из космоса к их трехмерной (термохалинной и турбулентной) структуре. Активное участие в проекте молодых ученых будет способствовать развитию отечественных исследований в области морской турбулентности, существенно сократившихся в нашей стране в постсоветский период.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---