Study of the Characteristics of Internal Waves in The Kara Sea and Their Influence on Turbulent Heat and Momentum Fluxes Over The Sea Surface

封面

如何引用文章

全文:

开放存取 开放存取
受限制的访问 ##reader.subscriptionAccessGranted##
受限制的访问 订阅存取

详细

The paper is devoted to the study of the characteristics of internal waves in the Kara Sea and their interaction with the atmosphere, in particular, their influence on the turbulent momentum and heat fluxes in the surface layer of the atmosphere. The direction and horizontal velocity of propagation of short-period internal waves in the Kara Gate Strait were calculated. Cross-spectra of mesoscale fluctuations of water temperature at the sea surface, at depths of 10 and 20 m, and meteorological parameters at 22 m height were analyzed. Common spectral maxima at periods characteristic of the trapped internal gravity modes propagating in the thermocline layer and atmospheric gravity modes in the stably-stratified layer of the lower troposphere are revealed. A possible mechanism of influence of the observed gravity modes in the thermocline layer on mesoscale fluctuations of meteorological parameters (with periods from 10 min to several hours) and turbulent fluxes of momentum, apparent and latent heat in the surface layer of the atmosphere is proposed.

全文:

受限制的访问

作者简介

E. Marchuk

Obukhov Institute of Atmospheric Physics of the RAS

编辑信件的主要联系方式.
Email: murchuk-ekaterin@mail.ru
俄罗斯联邦, 3, Pyzhevsky All., Moscow, 119017

I. Chunchuzov

Obukhov Institute of Atmospheric Physics of the RAS

Email: igor.chunchuzov@gmail.com
俄罗斯联邦, 3, Pyzhevsky All., Moscow, 119017

O. Popov

Obukhov Institute of Atmospheric Physics of the RAS

Email: murchuk-ekaterin@mail.ru
俄罗斯联邦, 3, Pyzhevsky All., Moscow, 119017

I. Repina

Obukhov Institute of Atmospheric Physics of the RAS; Lomonosov Moscow State University

Email: murchuk-ekaterin@mail.ru
俄罗斯联邦, 3, Pyzhevsky All., Moscow, 119017; Bldg. 4, 1, Leninskie Gory, Moscow, 119234

I. Kozlov

Marine Hydrophysical Institute of the RAS

Email: murchuk-ekaterin@mail.ru
俄罗斯联邦, 2, Kapitanskaya St., Sevastopol, 299011

K. Silvestrova

Shirshov Institute of Oceanology of the RAS

Email: murchuk-ekaterin@mail.ru
俄罗斯联邦, 36, Nakhimovsky Ave., Moscow, 117997

A. Osadchiev

Shirshov Institute of Oceanology of the RAS; Moscow Institute of Physics and Technology

Email: murchuk-ekaterin@mail.ru
俄罗斯联邦, 36, Nakhimovsky Ave., Moscow, 117997; 9, Institutsky All., Dolgoprudny, 141700

N. Stepanova

Shirshov Institute of Oceanology of the RAS; Moscow Institute of Physics and Technology

Email: murchuk-ekaterin@mail.ru
俄罗斯联邦, 36, Nakhimovsky Ave., Moscow, 117997; 9, Institutsky All., Dolgoprudny, 141700

U. Johannessen

Nansen Scientific Society

Email: murchuk-ekaterin@mail.ru
挪威, 6, Kong Christian Fredricks Plass, Bergen, 5006

参考

  1. Волков Ю.А., Кузьмин А.В., Репина И.А., Трохимовский Ю.Г. Радиометрические исследования температурного режима поверхности воды в лабораторных условиях // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2004. № 1. C. 33–52.
  2. Бондур В.Г., Серебряный А.Н., Замшин В.В., Тарасов Л.Л., Химченко Е.Е. Интенсивные внутренние волны аномальной высоты на шельфе Чёрного моря // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2019. Т. 55. № 1. С. 114–127.
  3. Букатов А. А., Соловей Н. М., Павленко Е. А. Свободные короткопериодные внутренние волны в арктических морях России // Мор. гидрофиз. журн. 2021. Т. 37, № 6. С. 645–658.
  4. Булатов М.Г., Кравцов Ю.А., Кузьмин А.В., Лаврова О.Ю., Митягина М.И., Раев М.Д., Скворцов Е.И. Микроволновые исследования морской поверхности в прибрежной зоне. М.: КДУ, 2003. 136 с.
  5. Григоркина Р.Г., Губер П.К., Фукс В.Р. Прикладные методы корреляционного и спектрального анализа крупномасштабных океанологических процессов, Л.: Изд. ЛГУ, 1973. 172 с.
  6. Доценко С.Ф., Миклашевская Н.А. Генерация поверхностных и внутренних волн в ограниченном бассейне перемещающимся барическим фронтом // Мор. гидрофиз. журн. 2009. № 3. С. 3–18.
  7. Зимин А.В. Внутренние волны на шельфе Белого моря по данным натурных наблюдений // Океанология. 2012. Т. 52. № 1. С. 16–25.
  8. Козубская Г.И., Коняев К.В., Плюдеман А., Сабинин К.Д. Внутренние волны на склоне желоба острова Медвежий по данным эксперимента Полярный фронт Баренцева моря (BSPF#92) // Океанология. 1999. Т. 39. № 2. C. 165–173.
  9. Лаврова О.Ю., Митягина М.И., Сабинин К.Д., Серебряный А.Н. Изучение гидродинамических процессов в шельфовой зоне на основе спутниковой информации и данных подспутниковых измерений // Совр. пробл. дист. зонд. Земли из космоса. 2015. Т. 12. № 5. С. 98–129.
  10. Лаппо С.С. Среднемасштабные динамические процессы океана, возбуждаемые атмосферой. М.: Наука. 1979. 181 с
  11. Марчук Е.А., Репина И.А., Козлов И.Е., Осадчиев А.А., Степанова Н.Б. Анализ температуры поверхности Карского моря на основе спутниковых данных и данных экспедиции «Плавучий университет-2021» // материалы VII Международной научно-практической конференции. 15–19 мая 2023 г., Сб. Научн. тр. Майкоп, 2023 г. Ч. 2. стр. 63—65.
  12. Морозов Е.Г., Нейман В.Г., Щербинин А.Д. Внутренний прилив в проливе Карские Ворота // Докл. РАН. 2003. Т. 393. № 5. С. 688–690.
  13. Поверхностные и внутренние волны в арктических морях / Под ред. И.В. Лавренова, Е.Г. Морозова. СПб.: Гидрометеоиздат. 2002. 360 с.
  14. Репина И.А., Артамонов А.Ю., Варенцов М.И., Хавина Е.М. Взаимодействие атмосферы и океана в Северном Ледовитом океане по данным измерений в летне-осенний период // Росс. Арктика. 2019. № 7. С. 49–61.
  15. Репина И.А. Методы определения турбулентных потоков над морской поверхностью. — М.: ИКИ РАН, 2007. 36 с.
  16. Сабинин К.Д., Становой В.В. Интенсивные полусуточные внутренние волны в Карском море // Поверхностные и внутренние волны в арктических морях /Под ред. И.В. Лавренова, Е.Г. Морозова. СПб.: Гидрометеоиздат, 2002. С. 265–279.
  17. Сабинин К.Д., Серебряный А.Н. «Горячие точки» в поле внутренних волн в океане // Акустич. журн. 2007. Т. 53. № 3. С. 410–436.
  18. Свергун Е.И., Зимин А.В., Атаджанова О.А., Коник А.А., Зубкова Е.В., Козлов И.Е. Изменчивость фронтальных разделов и короткопериодные внутренние волны в Баренцевом и Карском морях по данным спутниковых наблюдений за тёплый период 2007 года // Совр. пробл. дист. зонд. Земли из космоса. 2018. Т. 15. №4. С. 181–188.
  19. Свергун Е.И., Зимин А.В., Атаджанова О.А., Жегулин Г.В., Романенков Д.А., Коник А.А., Козлов И.Е. Коротко-периодные внутренние волны в прибрежной зоне Баренцева моря по данным контактных и спутниковых наблюдений // Фунд. и приклад. гидрофизика. 2020. Т. 13, № 4. С. 78–86.
  20. Тимачев В.Ф., Иванов Б.В., Репина И.А. Теплообмен между атмосферой и ледовым покровом // Труды ААНИИ. 2008. Т. 447. С. 140–155.
  21. Чунчузов И.П., Куличков С.Н., Попов О.Е., Перепёлкин В.Г., Зайцева Д.В., Сомсиков В.М. Волновые возмущения атмосферного давления и скорости ветра в тропосфере, связанные с солнечным терминатором // Известия РАН. Физика атмосферы и океана, 2021. Т. 57. № 6. C. 1–15.
  22. Brekhovskikh L.M., Goncharov V.V. Mechanics of Continua and Wave Dynamics // 1994. Springer, 1994. 342 pp.
  23. Chanona M., Waterman S. Temporal variability of internal wave‐driven mixing in two distinct regions of the Arctic Ocean // J. of Geophys. Res.: Oceans. 2020. V. 125. №. 10. P. 1–23.
  24. Chunchuzov I.P., Kulichkov S.N., Perepelkin V., Ziemann A., Arnold K., Kniffka A. Mesoscale variations in acoustic signals induced by atmospheric gravity waves // J. Acoust. Soc. Am. 2009. V. 125. № 2. P. 651–663.
  25. Chunchuzov I.P. and Kulichkov S.N. Infrasound propagation in an anisotropic fluctuating atmosphere // UK: Cambridge Scholar Publishing, 2020. 356 pp.
  26. Fairall C.W., Bradley E.F., Hare J. E., Grachev A.A. and Edson J.B. Bulk parameterization of air–sea fluxes: Updates and verification for the COARE algorithm // J. Climate. 2003. V. 16. № 4. P. 571–591.
  27. Fer I., Koenig Z., Kozlov I.E., Ostrowski M., Rippeth T.P., & Padman L., et al. Tidally forced lee waves drive turbulent mixing along the Arctic Ocean margins // Geophys. Res. Letters. 2020. V. 47. № 16. e2020GL088083.
  28. Fine E.C., Cole S.T. Decadal observations of internal wave energy, shear, and mixing in the western Arctic Ocean // J. of Geophys. Res.: Oceans. 2022. V. 127. №. 5. e2021JC018056.
  29. Finnigan J.J., Einaudi F. and Fua D. The Interaction between an Internal Gravity Wave and Turbulence in the Stably-Stratified Nocturnal Boundary Layer // J. Atmos. Sci., 1984. V. 41. № 16. P. 2409–2436.
  30. Gaisky P.V. and Kozlov I.E. Thermoprofilemeter for Measuring the Vertical Temperature Distribution in the Upper 100-Meter Layer of the Sea and its Testing in the Arctic Basin // Ecological Safety of Coastal and Shelf Zones of Sea. 2023. V. 1. P. 137–145.
  31. Harms I.H. and Karcher M.J. «Modeling the seasonal variability of the hydrography and circulation in the Kara Sea» // J. Geophys. Res.: Oceans., 1999. V. 104. № 6. P. 13431–13448.
  32. Ivanov V., Varentsov M., Matveeva T., Repina I., Artamonov A., Khavina E. Arctic Sea Ice Decline in the 2010s: The Increasing Role of the Ocean—Air Heat Exchange in the Late Summer // Atmos., 2019. V. 10. №. 4. P. 184.
  33. Kozlov I., Kudryavtsev V.N., Zubkova E.V., Zimin A.V. and Chapron B. Characteristics of short-period internal waves in the Kara Sea // Izv. Atmospheric and Oceanic Physics, 2015. V. 51, P. 1073–1087.
  34. Kozlov I.E., Kopyshov I.O., Frey D.I., Morozov E.G., Medvedev I.P., Shiryborova A.I., Silvestrova K.P., Gavrikov A.V., Ezhova E., Soloviev D.M., Plotnikov E.V., Zhuk V.R., Gaisky P.V., Osadchiev A.A., Stepanova N.B. Multi-Sensor Observations Reveal Large-Amplitude Nonlinear Internal Waves in the Kara Gates, Arctic Ocean // Rem. Sens., 2023. V. 15. № 24. P. 5769.
  35. Kozlov I.E., Atadzhanova O.A., Zimin A.V. Internal solitary waves in the White Sea: hot-spots, structure, and kinematics from multi-sensor observations // Rem. Sens. 2022. V. 14. № 19. P. 4948.
  36. Kopyshov I.O., Kozlov I.E., Shiryborova A.I., Myslenkov S.A. Properties of Short-Period Internal Waves in the Kara Gates Strait Revealed from Spaceborne SAR Data // Russian Journal of Earth Sciences, 2023. V. 23. № 5. P. ES0210.
  37. Leonov A.I., Miropolsky Yu. Z. Resonant excitation of internal gravity waves in the ocean by atmospheric pressure fluctuations// Izv. Atmos. and Ocean Phys. 1973. V. 9. № 8. P. 480–485.
  38. Le Pichon A. and Cansi Y. PMCC for Infrasound Data Processing. // InfraMatics. 2003. V. 2. P. 1–9.
  39. Li Q., Wu H., Yang H., Zhang Z. A numerical simulation of the generation and evolution of nonlinear internal waves across the Kara Strait // Acta Ocean. Sinica. 2019. V. 38. № 5. P. 1–9.
  40. McClimans T.A., Johnson D.R., Krosshavn M., King S.E., Carroll J., Grenness O. Transport processes in the Kara Sea // J. Geophys. Res. 2000. V. 105. № 6. P. 14121–14139.
  41. Miropolsky Yu. Z. Dynamics of the Internal Gravity Waves in the Ocean. Boston: Kluwer Academic Publishers. 2001. 752 P.
  42. Morozov E.G., Kozlov I.E., Shchuka S.A., Frey D.I. Internal tide in the Kara Gates Strait // Oceanology. 2017. V. 57. №1. P. 8–18.
  43. Morozov E.G., Marchenko A.V., Filchuk K.V., Kowalik Z., Marchenko N.A., Ryzhov I.V. Sea ice evolution and internal wave generation due to a tidal jet in a frozen sea // Applied Ocean Res. 2019. V. 87. P. 179–191.
  44. Pinkel R. Advection, Phase Distortion, and the Frequency Spectrum of Finescale Fields in the Sea. // J. Physical Oceanography. 2008. V. 38, P. 291–313.
  45. Röhrs J., Halsne T., Sutherland G., Dagestad K.-F., Hole L.R., Brostrom G., Christensen K. H. Current shear and turbulence during near-inertial wave // Frontiers in Marine Science. 2023. V. 10.
  46. Sandven S. and Johannessen O.M. High-frequency internal wave observations in the marginal ice zone // J. Geophys. Res. 1987. V. 92. P. 6912–6920.
  47. Serebryany A., Khimchenko E., Popov O., Denisov D., Kenigsberger G. Internal Waves Study on a Narrow Steep Shelf of the Black Sea Using the Spatial Antenna of Line Temperature Sensors // J. Mar. Sci. Eng. 2020. V. 8. P. 833.
  48. Shved G.M., Petrova L.N., Polyakova O.S. Penetration of the Earth’s free oscillations into the atmosphere //Ann. Geophys. 2000. V. 18. P. 566–572.
  49. Silvestrova K., Myslenkov S.A., Puzina O., Mizyuk A., Bykhalova O. Water Structure in the Utrish Nature Reserve (Black Sea) during 2020–2021 According to Thermistor Chain Data // Journal of Marine Science and Engineering, 2023. V.11. P. 887. https://asf.alaska.edu.
  50. Vihma T., Pirazzini R., Fer I., Renfrew I. A., Sedlar J., Tjernström M., Lüpkes C., Nygård T., Notz D., Weiss J., Marsan D., Cheng B., Birnbaum G., Gerland S., Chechin D. and Gascard J.C. Advances in understanding and parameterization of small-scale physical processes in the marine Arctic climate system: a review // Atmos. Chem. Phys., 2014. V. 14. P. 9403–9450.

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML
下载
2. Fig. 1. Measured temperature at 18 m depth on 12 August 2021 at three thermocones (Station 3911) (a) and mutual coherence functions of temperature fluctuations obtained for sensor pairs cos 1 and 2 (b), and 1 and 3 (c). The time on the horizontal axis is counted from the moment 12:29 UTC. The length of the recording is about 22 min with a sampling rate of 1 Hz. The coherence calculation interval was 600 s with a sliding window of 150 s and a shift step of 10 s.

下载 (604KB)
索引源数据
3. Fig. 2. Temperature fluctuations measured at 18 m depth using three thermocosms labelled 1, 2 and 3 and filtered over a period range of 40-160 s (a) inverse azimuth of propagation relative to the stern-to-bow ship axis (b) and horizontal phase velocities of internal waves (c) relative to the ship. The time is relative to the moment 12:29 UTC.

下载 (378KB)
索引源数据
4. Fig. 3. Direction (a) and drift velocity of the vessel (b) as a function of time during a time interval of 400-700 s (i.e., within 300 s) when the direction and velocity of wave propagation were determined in Fig. 3b-c. The drift velocity has an azimuth of approximately 36° relative to the North direction during the time interval of 400 to 500 s. The horizontal phase velocity of the waves relative to the ship is 0.15 m/s and the azimuth is 234°. The group velocity of Cg relative to the stationary Earth is also shown.

下载 (198KB)
索引源数据
5. Fig. 4. Measured fluctuations of seawater temperature at 10 and 20 m depth, sea surface temperature from infrared radiometer data, atmospheric pressure, wind speed, humidity and air temperature at approximately 22 m above sea level measured on 12.08.2021 within 1.9 h from time 11:00 UTC.

下载 (435KB)
索引源数据
6. Fig. 5. Mutual amplitude cross-spectra between fluctuations of water temperature at 10 m depth (T10) and atmospheric pressure (P), T10 temperature and wind speed (V), T10 temperature and ocean surface temperature (Tic), T10 temperature and air temperature (Tvozd), and the mean cross-spectrum for the above 4 cross-spectra (bold black curve) (a); The same cross-spectra as in Fig. 5a, only for water temperature at 20 m depth. The cross-spectrum between water temperature fluctuations at 10 and 20 m depths is also shown (dashed line).

下载 (454KB)
索引源数据
7. Fig. 6. Vertical profiles of temperature, salinity and Brent-Wäisälä frequency during the period of measurements on 12 August 2021 at station 3911.

下载 (120KB)
索引源数据
8. Fig. 7. Mesoscale variations during 14 h on 23.08.2021 of the turbulent fluxes of apparent (QH) and latent heat (QL), turbulent friction velocity u*, and averaged over 10 min: horizontal velocity V, air temperature (temp), ocean-air temperature difference (delta), and atmospheric pressure (P).

下载 (305KB)
索引源数据
9. Fig. 8. Mesoscale variations of the same parameters as in Fig. 7, but obtained for 24 August 2021.

下载 (340KB)
索引源数据
10. Fig. 9. Time spectra of variations in dynamic velocity u* and turbulent heat fluxes QL obtained on 23 August (left) and 24 August (right) 2021 from 00:00 to 06:00 UTC.

下载 (222KB)
索引源数据


Creative Commons License
此作品已接受知识共享署名-非商业性使用-禁止演绎 4.0国际许可协议的许可。

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».