Исследования субмезомасштабной изменчивости верхнего слоя океана по данным спутниковых наблюдений

Цель. Представлен подход, применяемый к анализу спутниковых сканерных оптических изображений высокого пространственного разрешения для идентификации и определения количественных характеристик субмезомасштабных динамических процессов в верхнем слое океана.

Методы и результаты. В качестве спутниковых данных используются сканерные изображения AATSR и MERIS со спутника Envisat, позволяющие определять соответственно температуру поверхности океана и яркость поверхности в видимом диапазоне. Вариации яркости солнечного блика связаны с модуляциями шероховатости морской поверхности (среднеквадратичного наклона коротких волн) на течениях. Показывается, что контрасты шероховатости поверхности коррелируют с пространственными неоднородностями температуры поверхности океана, трассирующими субмезомасштабные процессы в океане (спиральные вихри, филаменты, локальные сдвиги течений). Описывается модель формирования поверхностных проявлений, основанная на взаимодействии экмановского течения с завихренностью основного потока.

Выводы. Продемонстрирована возможность обнаружения и количественной оценки интенсивных градиентов течений в окрестности субмезомасштабных фронтов. Эти градиенты проявляются на оптических спутниковых изображениях через модуляции шероховатости поверхности океана. Предложенный подход позволяет изучать и количественно оценивать динамические процессы, действующие в окрестности субмезомасштабных фронтов. Эти процессы, в свою очередь, влияют на обмен импульсом, теплом и газами между океаном и атмосферой. Обсуждаются перспективы применения спутниковых измерений субмезомасштабной изменчивости для развития моделей и систем глобального наблюдения и мониторинга океана.

1. Spirals on the sea / W. Munk [et al.] // Proceedings of the Royal Society of London. Series A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 2000. Vol. 456, iss. 1997. P. 1217–1280. https://doi.org/10.1098/rspa.2000.0560

2. Flament P., Armi L. The shear, convergence, and thermohaline structure of a front // Journal of Physical Oceanography. 2000. Vol. 30, iss. 1. P. 51–66. https://doi.org/10.1175/1520-0485(2000)030<0051:TSCATS>2.0.CO;2

3. Drifter observations of submesoscale flow kinematics in the coastal ocean / J. C. Ohlmann [et al.] // Geophysical Research Letters. 2017. Vol. 44, iss. 1. P. 330–337. doi:10.1002/2016GL071537

4. Monitoring intense oceanic fronts using sea surface roughness: Satellite, airplane and in situ comparison / N. Rascle [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2020. Vol. 125, iss. 8. e2019JC015704. https://doi.org/10.1029/2019JC015704

5. Lapeyre G., Klein P. Impact of the small-scale elongated filaments on the oceanic vertical pump // Journal of Marine Research. 2006. Vol. 64, no. 6. P. 835–851. https://doi.org/10.1357/002224006779698369

6. Ocean convergence and the dispersion of flotsam / E. A. D’Asaro [et al.] // Proceedings of the National Academy of Sciences. 2018. Vol. 115, no. 6. P. 1162–1167. doi:10.1073/pnas.1718453115

7. Propagation of the Azov Sea waters in the Black sea under impact of variable winds, geostrophic currents and exchange in the Kerch Strait / A. A. Kubryakov [et al.] // Progress in Oceanography. 2019. Vol. 176. 102119. doi:10.1016/j.pocean.2019.05.011

8. Suspended-matter distribution near the western coast of Crimea under the impact of strong winds of various directions / A. A. Aleskerova [et al.] // Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2019. Vol. 55, iss. 9. P. 1138–1149. doi:10.1134/s0001433819090044

9. Mahadevan A. The impact of submesoscale physics on primary productivity of plankton // Annual Review of Marine Science. 2016. Vol. 8. P. 161–184. doi:10.1146/annurev-marine-010814-015912

10. A new mixing diagnostic and Gulf oil spill movement / I. Mezić [et al.] // Science. 2010. Vol. 330, iss. 6003. P. 486–489. doi:10.1126/science.1194607

11. Intense deformation field at oceanic front inferred from directional sea surface roughness observations / N. Rascle [et al.] // Geophysical Research Letters. 2017. Vol. 44, iss. 11. P. 5599–5608. doi:10.1002/2017GL073473

12. On radar imaging of current features: 1. Model and comparison with observations / V. Kudryavtsev [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2005. Vol. 110, iss. C7.C07016. doi:10.1029/2004JC002505

13. Imaging mesoscale upper ocean dynamics using synthetic aperture radar and optical data / V. Kudryavtsev [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2012. Vol. 117, iss. C4. C04029. doi:10.1029/2011JC007492

14. Garrett C. J. R., Loder J. W. Dynamical aspects of shallow sea fronts // Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences. 1981. Vol. 302, iss. 1472. P. 563–581. doi:10.1098/rsta.1981.0183

15. Klein P., Hua B. The mesoscale variability of the sea surface temperature: An analytical and numerical model // Journal of Marine Research. 1990. Vol. 48, no. 4. P. 729–763. doi:10.1357/002224090784988700

16. Large horizontal surface velocity shears in the ocean obtained from images of refracting swell and in situ moored current data / D. Sheres [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1985. Vol. 90, iss. C3. P. 4943–4950. https://doi.org/10.1029/jc090ic03p04943

17. Grodsky S., Kudryavtsev V., Ivanov A. Quasisynchronous observations of the Gulf Stream frontal zone with Almaz-1 SAR and measurements taken on board the R/V Akademik Vernadsky // The Global Atmosphere and Ocean System. 2000. No. 7. P. 249–272. URL: https://www.researchgate.net/publication/256198018_Quasisyncronous_observations_of_the_Gulf_Stream_frontal_zone_with_ALMAZ-1_SAR_and_measurements_taken_on_board_the_RV_Akademik_Vernadsky (date of access: 10.11.2020).

18. Sun glitter imagery of surface waves. Part 2: Waves transformation on ocean currents / V. Kudryavtsev [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2017. Vol. 122, iss. 2. P. 1384–1399. doi:10.1002/2016JC012426

19. Dulov V. A., Kudryavtsev V. N. Imagery of the inhomogeneities of currents on the ocean surface state // Soviet Journal of Physical Oceanography. 1990. Vol. 1, iss. 5. P. 325–336. doi:10.1007/BF02196830

20. Lyzenga D. R. Effects of intermediate-scale waves on radar signatures of ocean fronts and internal waves // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1998. Vol. 103, iss. C9. P. 18759–18768. doi:10.1029/98jc01189

21. Kubryakov A. A., Kudryavtsev V. N., Stanichny S. V. Application of Landsat imagery for the investigation of wave breaking // Remote Sensing of Environment. 2020. 112144. https://doi.org/10.1016/j.rse.2020.112144 (in press).

22. Phillips O. M. On the response of short ocean wave components at a fixed wavenumber to ocean current variations // Journal of Physical Oceanography. 1984. Vol. 14, iss. 9. P. 1425–1433. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1984)014<1425:OTROSO>2.0.CO;2

23. Submesoscale instabilities in mesoscale eddies / L. Brannigan [et al.] // Journal of Physical Oceanography. 2017. Vol. 47, iss. 12. P. 3061–3085. https://doi.org/10.1175/JPO-D-16-0178.1

24. Physical mechanisms of submesoscale eddies generation: evidences from laboratory modeling and satellite data in the Black Sea / A. Zatsepin [et al.] // Ocean Dynamics. 2019. Vol. 69, iss. 2. P. 253–266. https://doi.org/10.1007/s10236-018-1239-4

25. Expected performances of the Copernicus Imaging Microwave Radiometer (CIMR) for an all-weather and high spatial resolution estimation of ocean and sea ice parameters / L. Kilic [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2018. Vol. 123, iss. 10. P. 7564–7580. doi:10.1029/2018JC014408

26. Global observations of fine-scale ocean surface topography with the surface water and ocean topography (SWOT) mission / R. Morrow [et al.] // Frontiers in Marine Science. 2019. Vol. 6.232. doi:10.3389/fmars.2019.00232

27. Lumpkin R., Özgökmen T., Centurioni L. Advances in the application of surface drifters // Annual Review of Marine Science. 2017. Vol. 9. P. 59–81. https://doi.org/10.1146/annurev-marine-010816-060641

28. Sunglint images of current gradients at high resolution: Critical angle and directional observing strategy / N. Rascle [et al.] // Remote Sensing of Environment. 2018. Vol. 216. P. 786–797. doi:10.1016/j.rse.2018.06.011

29. On dual co-polarized SAR measurements of the Ocean surface / V. Kudryavtsev [et al.] // IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters. 2013. Vol. 10, no. 4. P. 761–765. doi:10.1109/LGRS.2012.2222341

30. Quad-polarization SAR features of ocean currents / V. Kudryavtsev [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2014. Vol. 119, iss. 9. P. 6046–6065. doi:10.1002/2014JC010173

31. Chapron B., Collard F., Ardhuin F. Direct measurements of ocean surface velocity from space: Interpretation and validation // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2005. Vol. 110, iss. C7. C07008. doi:10.1029/2004JC002809

32. SEASTAR: a mission to study ocean submesoscale dynamics and small-scale atmosphereocean processes in coastal, shelf and polar seas / C. Gommenginger [et al.] // Frontiers in Marine Science. 2019. Vol. 6. 456. doi:103389/fmars.2019.00457