ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2011, том 441, № 6, с. 825-828
= ОКЕАНОЛОГИЯ
УДК 551.465.42
ЭВОЛЮЦИЯ ВНУТРИТЕРМОКЛИННЫХ ВИХРЕЙ ПРИ ПРОХОЖДЕНИИ НАД ПОДВОДНОЙ ВОЗВЫШЕННОСТЬЮ © 2011 г. Б. Н. Филюшкин, М. А. Соколовский, Н. Г. Кожелупова, И. М. Вагина
Представлено академиком Р.И. Нигматулиным 15.06.2011 г. Поступило 21.06.2011 г.
На континентальных склонах Пиренейского полуострова формируются антициклонические и циклонические внутритермоклинные вихри. Они возникают в результате динамической неустойчивости придонного потока средиземноморских вод (СМВ). Струя СМВ движется вдоль южного и западного склонов и при пересечении каньонов и возвышенностей дна происходит как слив вод по каньонам [1], так и отрыв струй в сторону открытого моря [2]. Такие вихри выделяются высокими значениями температуры и солености по отношению к окружающим водам и образуют особый класс средиземноморских вихрей (линз или медди). Это дает возможность определять их положение в океане и геометрические размеры жидких объемов с повышенным содержанием тепла и соли, а также исследовать их эволюцию на всех стадиях жизни вплоть до разрушения. Все эти вихри, как правило, оказываются локализованными в слое 500—1500 м. При их моделировании удобно представлять линзы в виде вихревых пятен в трехслойной модели с постоянными значениями плотности и следующими толщинами: верхний слой 0—500 м, средний 500—1500 м и придонный 1500-5000 м [3, 4].
Обычно в начальный момент отрыва объема вод от струи СМВ формируется дипольная система из двух вихрей. Время жизни циклонических вихрей составляет не более 0.5-1 года, тогда как антициклонические вихри (последние называют также медди [3]) в среднем живут 4-5 лет, но в отдельных случаях отмечаются медди 7—8-летнего возраста. Тем не менее в районе формирования, прилегающем к Пиренейскому полуострову, существует область океана, где встречаются вихри противоположных знаков вращения [5]. Именно в этом районе отмечается высокая концентрация
Институт океанологии им. П.П. Ширшова Российской Академии наук, Москва Институт водных проблем Российской Академии наук, Москва Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
вихрей. Так, в рамках проекта AMUSE за период с мая 1993 г. по февраль 1994 г. было обнаружено и отслежено около 19 линз [6]. Поэтому при исследовании эволюции медди в этой области необходимо учитывать их взаимодействия как между собой, так и с вихрями циклонического вращения. Те и другие при этом подвержены влиянию донного рельефа. В экспериментах SEMANE 99 и 2000 на юге Кадисского залива были обнаружены идентичные ситуации: два близко расположенных медди разных размеров взаимодействуют между собой и с циклоническим вихрем меньшего размера, также заполненным теплыми и солеными водами Средиземного моря [5, 7]. При этом медди имели выраженное двухъядерное строение по вертикальному распределению температуры и солености. Максимальные значения характеристик отмечались на глубинах 270—800 и 1100— 1300 м. В эксперименте 2000 г. [7] траектории поплавков показали, что все они собрались в более сильном вихре, что подтверждает их быстрое и интенсивное взаимодействие. Это не позволило проследить стадии взаимодействия двух медди. Имеющиеся спутниковые карты возвышения уровня иногда позволяют выделять медди на поверхности океана (см. [4]), но в рассматриваемом случае не удалось выявить характер взаимодействия и перемещения вихрей во времени и пространстве, совпадающий с результатами, полученными по данным гидрологических наблюдений [5, 7].
На расстояниях, больших 200—400 км, как правило, встречаются только антициклонические вихри, которые мигрируют со скоростью 1—3 см • с-1 на расстояния до 6000 км. В основном медди разрушаются на расстояниях 2000-2500 км от очага их формирования. Имеющиеся экспериментальные наблюдения показывают, что в отдельных районах Атлантического океана медди, встречаясь с подводными горами, частично или полностью разрушаются. В работе [8] приведены результаты двух гидрологических съемок (1-3 и 9-12 февраля 1989 г.) крупной линзы (диаметром около 100 км и объемом около 4600 км3) при ее приближении с северо-востока к подводным горам Крузер и Эр-
-6©-2» -3 -5
J_I_I_I_I_I
I_|_
2 4 6 8 10 12
t = 0
_|_I_I_I_I_I
-3 -5
t = 8
3 -
J_I_I_I_I_I
Г 2 4 6 8 10 12 -6 -4 -2
-3
t = 2 -5
3
Г 2 4 6 8 10 12 t = 4
-6 -4 -2 г 2 4 6 8 10 12 -6 -4 -^ 2 4 6 8 10 12 -6 -4 -2 Т
ОсЬ^
-3 -5
4 6 8 10 12 t = 14
3
3 -
О!, I_I_I_I_I I_I_
- С)л П> о т Т^^ЧУ
-6 -4 -2 -3 -5
&АО 8 10 12 -6 -4 -2 -3
J_I_I_I_I_I I_I_
Г 2 О
t = 0
О 8 10 12 -6 -4 -2 -3
О
J_I_I_I_I_I
Г7 2 8 10 12
-5 3
t = 18
-5
-6 -4 -2 -3 -5
О
J_I_I_I_I_I I_I_
2 4 О 8 10 12 -6 -4 -2 О -3
t = 22 -5
О
J_I_I_I_I_I I_I_
2 4 6 9 10 12 -6 -4 -2
О -3
О
t = 24
-5
t = 20
J_I_I_I_I_I
2 4 6 8 12
О t = 26
Рис. 1. Конфигурации контуров антициклонической линзы, набегающей на подводное препятствие при и = 2 см/с, к = 1000 м в указанные моменты безразмерного времени. Радиусы исходной линзы и модельной круговой возвышенности (всюду закрашена) равны 50 км.
3
3
3
3
винг. За время между съемками она прошла 12 миль, потеряла в объеме 100 км3 и приблизилась к подводному проливу между о. Эрвинг и о. Иер. В январе 1990 г. к западу от этого пролива была обнаружена линза в виде устойчивого гидродинамического образования объемом около 600 км3. Можно предположить, что это фрагмент вышеупомянутой большой линзы [9]. Примеры встреч линз с подводными горами по данным гидрологических съемок приведены в работе [10], а по данным траекторий глубоководных поплавков — в работах [6, 11].
Однако по натурным данным практически невозможно проследить характер эволюции линзы при прохождении над подводным препятствием [12]. Спутниковые наблюдения за проявлениями внутритермоклинных линз на поверхности океана все еще ограничены по точности и не позволя-
Рис. 2. Траектории центров вихрей при и = 2 см/с, к1= 1185.12 м и к2 = 1185.11 м.
ют говорить определенно о характере взаимодействия вихрей как между собой, так и с подводными возвышенностями. Проблема дистанционных наблюдений усложняется и тем, например, что поплавки, помещенные в тело одной линзы, при ее взаимодействии с другой могут совершать сложные хаотические движения [4, 7].
В работе рассматриваются результаты моделирования воздействия подводных возвышенностей различной высоты на движение циклонических и антициклонических внутритермоклинных вихрей с помощью метода контурной динамики.
Исследуется набегание первоначально круговой антициклонической линзы, переносимой ба-ротропным восточным потоком со скоростью и (рис. 1—3) на осесимметричное подводное возвышение (аналог одиночной подводной горы) при значениях высоты горы над дном в пределах от 800 до 1400 м, т. е. когда ее вершина не выходит за пределы придонного слоя. Оказалось, что характер эволюции линз очень чувствителен к изменению высоты возвышенности. Так, при к = 800 м первоначально круговая антициклоническая линза обходит возвышенность вдоль ее северной периферии, принимает квазиэллиптическую форму и, вращаясь вокруг своей оси, сносится в юго-восточном направлении. При к = 1000 м эволюция линзы принимает качественно другой характер (рис. 1): обойдя возвышенность с севера, она существенно вытягивается. Образуются два ядра
ЭВОЛЮЦИЯ ВНУТРИТЕРМОКЛИННЫХ ВИХРЕИ
827
I_I_I_I_I_I_I I_I_1_I_I_I_I_I_I_I I_I_I
-6 -2 т 2 4 6 8 10 12 14 -6 -4 -2
3 I
О
О
3
_|_I_I_I_I
-3 --5 1
3 -
-3 --5 1
3
(V©-
2 4 6 8 10 12 14 -6 -4 -2Т ^ 6 8 10 12 14
-3 -5
3 -
_I_I_I_I_I_I I_I__I_I_I_I_I_I I_I_I I /К!^1_|_|_|_|
-6 -2 т 2 4 6 8 10 12 14 -6 -4 -П 2 4 6 8 10 12 14 -6 -4 -2^/ 4 6 8 10 12 14
г = 0
-3 --5 1
г = 16
-3 -5
г = 32
-3 -5
3 -
3 -
-6 -4 -2 -3 -5
О
3 -
2 4 О 8 10 12 14 -6 -4 -2
-3
О
I_I__I_I_I_I_I_I I_I_1—I _I_I_I_I_I_I I_I__I_I_I_I_I_I
-5
2 4 6 ^10 12 14 -6 -4 -2 и -3
-5
О
2 4 6 8 10 12 14
О
3 -
-6 -4 -2
г= 48 -5
а
3 -
I_I_V-!_I_I_I_I_I_I I_I_|_
2 4 60 10 12 14 -6-4-2
-3
г = 64 -5
2 4 6 8 р. 12 14 -6 -4 -2 М -3
г= 80 -5
О
I—I—VI—I—I—I—I—I—I
2 4 6 8 10 12 14 С?
Рис. 3. Синхронные конфигурации контуров циклонической (сверху) и антициклонической (снизу) линз, набегающих на подводное препятствие при и = 2 см/с, к = 1400 м.
3
с перемычкой, которая затем рвется, и формируются две практически равновеликие линзы. Далее они также сносятся, вращаясь вокруг общего центра. При к = 1200 м линза делится на две неравные части, но лишь одна из них уносится потоком, а вторая захватывается подводной горой и остается в ее окрестности.
Бифуркационный характер поведения траекторий вихревых пятен антициклонических линз демонстрирует рис. 2, где представлены совмещенные траектории центров вихревых пятен при очень близких значениях высот: к1 = 1185.12 м и к2= 1185.11 м. Здесь жирной линией отмечены совпадающие траектории, тонкой линией — траектория при к = къ полужирной — при к = к2. Первому из этих случаев отвечает снос обоих вихрей, второму - захват одного из них.
Анализ поля изолиний функции тока горизонтального движения в среднем слое дает качественное объяснение такой бифуркации: области захвата отвечает внутренняя часть петли сепаратрисы, формирующейся над южной частью возвышенности.
Поскольку, как отмечалось выше, для области океана, прилегающей к Пиренейскому полуострову, характерно существование не только антициклонических, но и циклонических линз, то важно отметить различный характер взаимодействия вихрей противоположных знаков с одной и той же возвышенностью. На рис. 3 показаны синхронные конфигурации эволюционирующих
вихревых пятен для линз с циклонической (сверху) и антициклонической (снизу) потенциальными завихренностями при к = 1400 м. Если циклон обходит возвышенность по ее северной периферии, практически не меняя своей формы, и уносится потоком, то антициклон, обойдя гору, делится на две неравные части, одна из которых прочно захватывается топографией.
В реальном океане эволюция и разрушение линз создают дополнительные механизмы перемешивания вод в промежуточном слое. Поэтому в районах океана со сложной орографие
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.