ПОТОК ПЛАВУЧЕСТИ КАК МЕТРИКА ДЛЯ АНАЛИЗА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ОКЕАНА И АТМОСФЕРЫ НА РАЗЛИЧНЫХ ВРЕМЕННЫХ МАСШТАБАХ

  • П. К. Мироненков Институт океанологии им. П. П. Ширшова РАН; Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова
  • Н. Д. Тилинина Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН
  • С. К. Гулев Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН
DOI: 10.29006/1564-2291.JOR-2024.52(4).9
Ключевые слова: поток плавучести на поверхности океана, поток плотности, взаимодействие океана и атмосферы, трансформация водных масс, потоки тепла между океаном и атмосферой, поток пресной воды между океаном и атмосферой, верхний перемешанный слой океана

Аннотация

В статье проведен всесторонний обзор публикаций в журналах и монографий, посвященных метрике взаимодействия океана и атмосферы – потоку плавучести. Такой способ оценки тенденции к вертикальному перемешиванию в океане, выведенный теоретически еще в 1966 г., имеет большую перспективу использования в настоящее время из-за роста числа наблюдений за состоянием океана и атмосферы и развития вычислительных мощностей, а также из-за понимания важности учета взаимодействия океана и атмосферы для формирования долговременных климатических прогнозов. Поток плавучести позволяет не только качественно, но и количественно оценить взаимодействие океана и атмосферы через потоки тепла, влаги и радиации на различных временных масштабах. Одна из основных целей использования потока плавучести в последние десятилетия – оценка уровня трансформации водных масс при атмосферном воздействии в области формирования Североатлантической глубинной воды (NADW) и Антарктической донной воды (ABW). Поток плавучести может быть использован для учета вклада различных компонент взаимодействия океана и атмосферы в динамику верхнего перемешанного слоя океана: радиационных потоков, потоков тепла, пресной воды. Также для оценки способности водоемов суши поглощать или эмитировать CO2 в зависимости от синоптической динамики атмосферы и даже для оценки изменчивости апвеллингов, влияющих на социально-экономическую ситуацию в прибрежных областях. В обзоре приведено краткое описание научных работ, использующих поток плавучести в различных целях, приведена первая статья, в которой была введена метрика, а также кратко описаны методики, открывающие перспективы в этом направлении исследований на основе современных данных о состоянии океана и атмосферы. В работе проанализировано более 60 научных статей.

Литература


  1. Голицын Г. С. Ураганы, полярные и тропические, их энергия и размеры, количественный критерий возникновения // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2008. Т. 44. № 5. С. 579–590. https://elibrary.ru/item.asp?id=11532756.

  2. Зеленько А. А., Реснянский Ю. Д. Глубокая конвекция в модели общей циркуляции океана: изменчивость на суточном, сезонном и межгодовом масштабах // Океанология. 2007. Т. 47. № 2. С. 211–224. https://elibrary.ru/item.asp?id=9490934.

  3. Зубов Н. Н. Динамическая океанология. Москва: Гидрометеоиздат, 1947. С. 77–78.

  4. Писаревская Л. Г., Волков В. А. Торнадоподобная структура под айсбергом в Баренцевом море // Проблемы Арктики и Антарктики. 2007. № 7. С. 56–67. chrome-extension://efaidnbmnnnibpcajpcglclefindmkaj/http://old.aari.ru/misc/publicat/paa/PAA-77/PAA77-06%20(56-66).pdf.

  5. Руткевич П. Б., Голицын Г. С., Руткевич Б. П., Шелехов А. П. Развитие подоблачного слоя над морем при вторжении холодного воздуха // Известия РАН. Физика атмосферы и климата. 2018. Т. 54. № 4. С. 386–395. https://elibrary.ru/item.asp?doi=10.1134/S0002351518040132.

  6. Чубаренко И. П. Горизонтальный конвективный водообмен над подводным склоном: механизм формирования и анализ развития // Океанология. 2010. Т. 50. № 2. С. 184–193. https://elibrary.ru/item.asp?id=13725336.

  7. Anitha G., Ravichandran M., Sayanna R. Surface buoyancy flux in Bay of Bengal and Arabian sea // Annales Geophysicae. 2008. Vol. 26. P. 395–400. https://doi.org/10.5194/angeo-26-395-2008.

  8. Bailey S. T., Jones C. S., Abernathey R. P., Gordon A. L., Yuan X. Water mass transformation variability in the Weddell Sea in ocean reanalyses // Ocean Science. 2023. Vol. 19. Iss. 2. P. 381–402. https://doi.org/10.5194/os-19-381-2023.

  9. Baines P., Folland C. Evidence for a rapid global climate shift across the late 1960s // Journal of Climate. 2007. Vol. 20. Iss. 12. P. 2721–2744. https://doi.org/10.1175/JCLI4177.1.

  10. Bashmachnikov I. L., Fedorov A. M., Golubkin P. A., Vesman A. V., Selyuzhenok V. V., Gnatiuk N. V., Gnatiuk L. P., Hodges K. I., Dukhovskoy D. S. Mechanisms of interannual variability of deep convection in the Greenland Sea // Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers. 2021. Vol. 174. P. 103557. https://doi.org/10.1016/j.dsr.2021.103557.

  11. Biastoch A., Böning C. W., Getzlaff J., Molines J.-M., Madec G. Causes of Interannual–Decadal Variability in the Meridional Overturning Circulation of the Midlatitude North Atlantic Ocean // Journal of Climate. 2008. Vol. 21. Iss. 24. P. 6599–6615. https://doi.org/10.1175/2008JCLI2404.1.

  12. Bjerknes J. Atmospheric Teleconnections From the Equatorial Pacific // Monthly Weather Review. 1969. Vol. 97. Iss. 3. P. 163–172. https://doi.org/10.1175/1520-0493(1969)097<0163:ATFTEP>2.3.CO;2.

  13. Caneill R., Roquet F., Madec G., Nycander J. The Polar Transition from Alpha to Beta Regions Set by a Surface Buoyancy Flux Inversion // Journal of Physical Oceanography. 2022. Vol. 52. Iss. 8. P. 1887–1902. https://doi.org/10.1175/JPO-D-21-0295.1.

  14. Cerovečki I., Talley L. D., Mazloff M. R. A Comparison of Southern Ocean Air-Sea Buoyancy Flux from an Ocean State Estimate with Five Other Products // Journal of Climate. 2011. Vol. 24. P. 6283–6306. https://doi.org/10.1175/2011JCLI3858.1.

  15. Clarke R. A., Gascard J. C. The formation of Labrador Sea Water. Part I: Large-scale processes // J. of Phys. Oceanography. 1983. Vol. 13. P. 1764–1778. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1983)013<1764:TFOLSW>2.0.CO;2.

  16. Cronin M. F., Sprintall J. Wind and buoyancy-forced upper ocean // Encyclopedia of Ocean Sciences. 2001. P. 3217–3214. https://doi.org/10.1006/rwos.2001.0157.

  17. Garrett C., Outerbridge R., Thompson K. Interannual Variability in Mediterranean Heat and Buoyancy Fluxes // Journal of Climate. 1993. Vol. 6. Iss. 5. P. 900–910. https://doi.org/10.1175/1520-0442(1993)006<0900:IVIMHA>2.0.CO;2.

  18. Garrett C., Speer K., Tragou E. The Relationship between Water Mass Formation and the Surface Buoyancy Flux, with Application to Phillips’ Red Sea Model // Journal of Physical Oceanography. 1995. Vol. 25. Iss. 7. P. 1696–1705. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1995)025<1696:TRBWMF>2.0.CO;2.

  19. Gill A. E. Atmosphere-Ocean Dynamics. Cambridge: Academic Press, 1982.

  20. Gregory J. M. et al. The Flux-Anomaly-Forced Model Intercomparison Project (FAFMIP) contribution to CMIP6: investigation of sea-level and ocean climate change in response to CO2 forcing // Geoscientific Model Development. 2016. Vol. 9. Iss. 11. P. 3993–4017. https://doi.org/10.5194/gmd-9-3993-2016.

  21. Gulev S. K., Barnier B., Knochel H., Molines J.-M., Cottet M. Water Mass Transformation in the North Atlantic and Its Impact on the Meridional Circulation: Insights from an Ocean Model Forced by NCEP–NCAR Reanalysis Surface Fluxes. // Journal of climate. 2003. Vol. 16. Iss. 9. P. 3085–3110. https://doi.org/10.1175/1520-0442(2003)016<3085:WMTITN>2.0.CO;2.

  22. Gulev S. K., Barnier B., Molines J.-M., Penduff T., Chanut J. Impact of spatial resolution on simulated surface water mass transformations in the Atlantic // Ocean Modelling. 2007. Vol. 19. P. 138–160. http://dx.doi.org/10.1016/j.ocemod.2007.07.004.

  23. Isachsen P. E., Mauritzen C., Svensen H. Dense water formation in the Nordic Seas diagnosed from sea surface buoyancy fluxes // Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers. 2007. Vol. 54. Iss. 1. P. 22–41. https://doi.org/10.1016/j.dsr.2006.09.008.

  24. Iudicone D., Madec G., McDougall T. J. Water-Mass Transformations in a Neutral Density Framework and the Key Role of Light Penetration // Journal of Physical Oceanography. 2008. Vol. 38. Iss. 7. P. 1357–1376. https://doi.org/10.1175/2007JPO3464.1.

  25. Jansen M. F., Nadeau L.-P. The Effect of Southern Ocean Surface Buoyancy Loss on the Deep-Ocean Circulation and Stratification // Journal of Physical Oceanography. 2016. Vol. 46. Iss. 11. P. 3455–3470. https://doi.org/10.1175/JPO-D-16-0084.1.

  26. Kalnay E. et al. The NCEP/NCAR 40-Year Reanalysis Project // Bulletin of the American Meteorological Society. 1996. Vol. 77. Iss. 3. P. 437–472. https://doi.org/10.1175/1520-0477(1996)077%3C0437:TNYRP%3E2.0.CO;2.

  27. Karstensen J., Lorbacher K. A. practical indicator for surface ocean heat and freshwater buoyancy fluxes and its application to the NCEP reanalysis data // Tellus A: Dynamic Meteorology and Oceanography. 2011. Vol. 63A. P. 338–347. https://doi.org/10.1111/j.1600-0870.2011.00510.x.

  28. Killworth P. D. Deep Convection In The World Ocean // Reviews of Geophysics and Space Physics. 1983. Vol. 21. No. 1. P. 1–26. https://doi.org/10.1029/RG021i001p00001.

  29. Kostov Y., Johnson H. L., Marshall D. P. AMOC sensitivity to surface buoyancy fluxes: the role of air-sea feedback mechanisms // Climate Dynamics. 2019. Vol. 53. P. 4521–4537. https://doi.org/10.1007/s00382-019-04802-4.

  30. Kraus E. B., Businger J. A. Atmosphere-Ocean Interaction, Second Edition. Oxford: Oxford University Press, 1994.

  31. Large W. G., Yeager S. G. The global climatology of an interannually varying air-sea flux data set // Climate Dynamics. 2009. Vol. 33. P. 341–364. https://ui.adsabs.harvard.edu/link_gateway/2009ClDy...33..341L/doi:10.1007/s00382-008-0441-3.

  32. Lozier M. S. Deconstructing the Conveyor Belt // Science. 2010. Vol. 328. Iss. 5985. P. 1507–1511. https://doi.org/10.1126/science.1189250.

  33. Luyten J., Stommel H. Gyres Driven by Combined Wind and Buoyancy Flux // Journal of Physical Oceanography. 1986. Vol. 16. Iss. 9. P. 1551–1560. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1986)016%3C1551:GDBCWA%3E2.0.CO;2.

  34. MacIntyre S., Jonsson A., Jansson M., Aberg J., Turney D. E., & Miller S. D. Buoyancy flux, turbulence, and the gas transfer coefficient in a stratified lake // Geophysical Research Letters. 2010. Vol. 37. Iss. 24. https://doi.org/10.1029/2010GL044164.

  35. Marsh R. Recent Variability of the North Atlantic Thermohaline Circulation Inferred from Surface Heat and Freshwater Fluxes // Journal of Climate. 2000. Vol. 13. P. 3239–3260. https://doi.org/10.1175/1520-0442(2000)013<3239:RVOTNA>2.0.CO;2.

  36. Marsh R., Josey S. A., de Nurser A. J. G., Cuevas B. A., Coward A. C. Water mass transformation in the North Atlantic over 1985-2002 simulated in an eddy-permitting model // Ocean Science. 2005. Vol. 1. Iss. 2. P. 127–144. https://doi.org/10.5194/os-1-127-2005.

  37. Marshall J., Hill C., Perelman L., Adcroft A. Hydro-static, quasi-hydrostatic, and nonhydrostatiс ocean modelling // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1997. Vol. 102. Iss. C3. P. 5733–5752. https://doi.org/10.1029/96JC02776.

  38. Mazloff M. R., Heimbach P., Wunsch C. An Eddy-Permitting Southern Ocean State Estimate // Journal of Physical Oceanography. 2010. Vol. 40. Iss. 5. P. 880–899. https://doi.org/10.1175/2009JPO4236.1.

  39. Moore J. W. K., Sathiyamoorthy S. Buoyancy Flux at Ocean Weather Station Bravo // J. of Phys. Oceanography. 2001. Vol. 32. P. 458–474. https://doi.org/10.1175/1520-0485(2002)032<0458:BFAOWS>2.0.CO;2.

  40. Pagowski M., Moore J. W. K. A Numerical Study of an Extreme Cold-Air Outbreaks over the Labrador Sea: Sea Ice, Air-Sea Interaction, and Development of Polar Lows // Monthly Weather Review. 2001. Vol. 129. Iss. 1. P. 47–72. https://doi.org/10.1175/1520-0493(2001)129<0047:ANSOAE>2.0.CO;2.

  41. Phillips O. M. On turbulent convection currents and the circulation of the Red Sea // Deep-Sea Research. 1966. Vol. 13 P. 1149–1160. https://doi.org/10.1016/0011-7471(66)90706-6.

  42. Pietrafesa L. J., Janowitz G. S. Effects of buoyancy flux on continental shelf circulation (Technical report). Raleigh, N. C., 1978. https://doi.org/10.2172/5078970.

  43. Prasad T. G. Annual and seasonal mean buoyancy fluxes for the tropical Indian Ocean // Current Science. 1997. Vol. 73. No. 8. P. 667–674. https://www.jstor.org/stable/24100427.

  44. Renfrew I. A., Moore J. W. K. An Extreme Cold-Air Outbreak over the Labrador Sea: Roll Vortices and Air–Sea Interaction // Monthly Weather Review. 1999. Vol. 127. Iss. 10. P. 2379–2394. https://doi.org/10.1175/1520-0493(1999)127<2379:AECAOO>2.0.CO;2.

  45. Reynolds R. W., Rayner N. A., Smiths T. M., Stokes D. M., Wang W. An Improved In Situ and Satellite SST Analysis for Climate // Journal of Climate. 2002. Vol. 15. Iss. 13. P. 1609–1625. https://doi.org/10.1175/1520-0442(2002)015<1609:AIISAS>2.0.CO;2.

  46. Shi J.-R., Talley L. D., Xie S.-P., Liu W., Gille S. T. Effects of Buoyancy and Wind Forcing on Southern Ocean Climate Change // Journal of Climate. 2020. Vol. 33. Iss. 23. P. 10003–10020. https://doi.org/10.1175/JCLI-D-19-0877.1.

  47. Simmons A., Uppala S., Dee D., Kobayashi S. ERA-Interim: New ECMWF reanalysis products from 1989 onwards // ECMWF Newsletter. 2006. No. 110. P. 25–35. https://doi.org/10.21957/pocnex23c6.

  48. Small R. J., Bryan F. O., Bishop S. P. Surface Water Mass Transformation in the Southern Ocean: The Role of Eddies Revisited // Journal of Physical Oceanography. 2022. Vol. 52. Iss. 5. P. 789–804. https://doi.org/10.1175/JPO-D-21-0087.1.

  49. Speer K., Isemer H.-J., Biastoch A. Water mass formation from revised COADS data. Journal of Physical Oceanography. 1995. Vol. 25. P. 2444–2457. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1995)025<2444:WMFFRC>2.0.CO;2.

  50. Speer K. G., Tziperman E. Rates of water mass formation in the North Atlantic Ocean // J. of Phys. Oceanography. 1992. Vol. 22. P. 93–104. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1992)022<0093:ROWMFI>2.0.CO;2.

  51. Stanev E. V. Understanding Black Sea Dynamics: Overview of Recent Numerical Modeling // Oceanography. 2005. Vol. 18. No. 2. P. 56–75. https://doi.org/10.5670/oceanog.2005.42.

  52. Tailleux R. Entropy versus APE production: On the buoyancy power input in the oceans energy cycle // Geophysical research letters. 2010. Vol. 37. Iss. 22. https://doi.org/10.1029/2010GL044962.

  53. Talley L. D., Pickard G. L., Emery W. J., Swift J. H. Descriptive Physical Oceanography: An Introduction, Sixth Edition. Cambridge: Academic Press, 2011.

  54. Toualy E., Aman A., Silué M. Seasonal Variability of the Buoyancy Flux along the Northern Coast of the Gulf of Guinea // Atmospheric and Climate Sciences. 2021. Vol. 11. P. 363–372. https://doi.org/10.4236/acs.2021.112021.

  55. Tucker G. B. Precipitation over the North Atlantic Ocean // Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. 1962. Vol. 88. Iss. 375. P. 107–109. https://doi.org/10.1002/qj.49708837516.

  56. Walin G. On the relation between sea-surface heat flow and thermal circulation in the ocean // Tellus. 1982. Vol. 34. Iss. 2. P. 187–195. https://doi.org/10.1111/j.2153-3490.1982.tb01806.x.

  57. WMO. Manual on Codes, Volume I.1 – International Codes. Annex II to the WMO Technical Regulations. Part A – Alphanumeric Codes // Secretariat of the World Meteorological Organization. 1995. P. 140–143.

  58. Woodruff S. D., Lubker S. J., Wolter K., Worley S. J., Elms J. D. Comprehensive Ocean–Atmosphere Data Set (COADS) release 1a: 1980–1992 // Earth System Monitoring. 1993. Vol. 4 (1). P. 4–8.

  59. Woodruff S. D., Slutz R. J., Jenne R. L., Steuer P. M. A Comprehensive Ocean-Atmosphere Data Set // Bulletin of the American Meteorological Society. 1987. Vol. 68. Iss. 10. P. 1239–1250. https://doi.org/10.1175/1520-0477(1987)068<1239:ACOADS>2.0.CO;2.

  60. Zhang H.-M., Talley L. D. Heat and Buoyancy Budgets and Mixing Rates in the Upper Thermocline of the Indian and Global Oceans // J. of Phys. Oceanography. 1998. Vol. 28. P. 1961–1978. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1998)028<1961:HABBAM>2.0.CO;2.

  61. Zou S., Petit T., Li F., Lozier M. S. Observation-Based Estimates of Water Mass Transformation and Formation in the Labrador Sea // Journal of Physical Oceanography. 2024. Vol. 54. Iss. 7. P. 1411–1429. https://doi.org/10.1175/JPO-D-23-0235.1.

Опубликован
2024-12-29
Выпуск
Том 52 № 4 (2024): Океанологические исследования
Раздел
Физика океана и климат

Передача авторских прав происходит на основании лицензионного договора между Автором и Федеральным государственным бюджетным учреждением науки Институт океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук (ИО РАН)

Наиболее читаемые статьи этого автора (авторов)