ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2015, том 51, № 2, с. 235-241
УДК 551.465,551.466
ГЕНЕРАЦИЯ ИНЕРЦИОННО-ГРАВИТАЦИОННЫХ ВОЛН НА ОСТРОВНОМ ШЕЛЬФЕ
© 2015 г. В. Г. Бондур*, К. Д. Сабинин*, **, Ю. В. Гребенюк*
*Научно-исследовательский институт аэрокосмического мониторинга "АЭРОКОСМОС"
105064 Москва, Гороховский пер., 4 E-mail: vgbondur@aerocosmos.info E-mail: ksabinin@yandex.ru E-mail: grebenyk@gmail.com **Акустический институт им. акад. Н.Н. Андреева 117036 Москва, ул. Шверника, 4 Поступила в редакцию 29.04.2014 г., после доработки 12.08.2014 г.
Анализируются данные по течениям у о. Оаху (Гавайи), измеренные с помощью донных акустических профилометров течений, которые были установлены на краю шельфа в заливе Мамала. Изменения амплитуды инерционно-гравитационных волн (ИГВ) сопоставляются с изменениями фоновых низкочастотных течений с помощью специально разработанных показателей изменений величины и направления течений. Установлено, что в случаях локальной генерации ИГВ наблюдается хорошая связь амплитуды волн с изменчивостью фоновых течений, особенно если течения вращаются по часовой стрелке. Такая связь ослабевает в присутствии волн, приходящих от удаленных источников, которыми, в частности, могли быть ИГВ, возбужденные вытекающими из глубоководного диффузора струями сбрасываемых вод. Полученные результаты показывают, что ИГВ могут быть связаны не только с ветровым воздействием, но и непосредственно с любой перестройкой поля течений внутри океана.
Ключевые слова: инерционно-гравитационные волны, профилометр, течения, шельф.
Б01: 10.7868/80002351515020030
ВВЕДЕНИЕ
Инерционные колебания слоев воды и возбуждаемые ими инерционно-гравитационные волны возникают при нарушении баланса сил, действующих на частицы жидкости. Основной причиной таких явлений считается действие ветра, в связи с чем связано наблюдаемое в океане доминирование распространения энергии ИГВ из верхних слоев вниз [1]. Некоторые специфические черты инерционных колебаний, обнаруженные в ходе экспериментальных измерений на краю островного шельфа залива Мамала (о. Оаху), были рассмотрены в [2]. Наблюдались аномальные характеристики инерционных колебаний — необычная форма годографов с часто встречающимися случаями левого вращения инерционных течений и существенные изменения периода колебаний. Эти аномалии связаны с сильными и неоднородными в пространстве и во времени течениями в районе экспериментов, описание которых дано в [3—6] и в кратком виде разделе 1. Раздел 2 посвящен анализу экспериментальных данных, а раздел 3 — обсуж-
дению полученных результатов, касающихся причин возбуждения ИГВ в 2003 и 2004 гг., когда проводились измерения.
1. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
На Гавайском шельфе в акватории бухты Ма-мала (о. Оаху, США) в течение ряда лет (2002— 2004 гг.) проводились комплексные исследования антропогенных воздействий на экосистемы прибрежных акваторий, вызванных заглубленными стоками [3—7]. В ходе этих экспериментов в течение длительного времени измерялись характеристики течений с помощью донных акустических доплеровских профилометров течений ЛЭР (3 луча) и температуры морской воды с использованием заякоренных термогирлянд [2—4]. Параллельно с гидрофизическими измерениями проводились также космические съемки морской поверхности с помощью оптических и радиолокационных средств, установленных на различных спутниках, позволявшие исследовать поверхностные
г ЪШкШЯ
ГЧ-'Ь4^ И. ,
- Сч V?,'1
_Ж".Г * кЛ -^'т^
Аэропорт
шп
К
о. Санд Диффузор стока
I
- V -р
р
А ^ Ау А ■
ТзянЬ
Вт
Ст
0 1
Су , 5 км
Рис. 1. Схема расположения в бухте Мамала станций измерения скоростей течений Ау, Ву, Су.
проявления глубоководных стоков, результаты которых обобщены в работах [3, 5].
Измерения трех составляющих вектора течений проводились на трех станциях А, В, С, расположенных вдоль изобаты 70 м (рис. 1). Станции измерений в 2003 г. в тексте обозначаются А3, В3, в 2004 г. — В4, С4. Расстояние между соседними станциями составляло 2 км и 2.5 км. Характеристики течений измерялись на глубинах от 4 м до 76 м с дискретностью по глубине 2 м, с дискретностью по времени — 1 мин. [3, 4, 6]. Измерения проводились в летний период года (август—сентябрь). Длина рядов измерений скоростей течений составляла 512 ч в 2003 г. и 385 ч в 2004 г.
Следует отметить, что измерители течений в бухте Мамала были расположены на очень крутом откосе дна (уклоны достигают десятых долей градуса), что представляет большое препятствие для возникновения инерционных волн. Даже в верхнем 20-м слое волны, скорее всего, отражаются, хотя исчезающая в верхнем слое стратификация не способствует наклону инерционных волн, а превышение эффективной инерционной частоты над планетарной на шельфе вообще не "пускает" волны к берегу.
2. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИИ
В период проведения измерений в 2003 г. вблизи Гавайских островов 1 сентября прошел тайфун Лшепа, возбудивший сильные течения в верхнем слое и в меньшей степени во всей толще вод на краю шельфа. Вследствие этого были интенсифицированы и инерционные колебания, амплитуда которых в 2003 г. была в несколько раз больше, чем в 2004 г., более спокойном в ветровом отношении. Непосредственным следствием тайфуна явились сильные (до нескольких дм/с) течения в верхнем слое океана, ежесуточные сглаженные
0
^-12.5 §-25.0
(а)
св Я
и
ю ^
11
16
21
(в)
1 6 11 16 21 Период измерений, дни
Рис. 2. Ежесуточные векторы низкочастотных течений станции А в 2003 г. на горизонте 10 м (а), амплитуда инерционных волн (в градациях уровень серого) (б) и значения индекса 1о (уровень серого) (в). Экстремумы амплитуды ИГВ (3 и 0 см/с) и индекса 1о (15 и -20 см/с) обозначены треугольниками.
значения которых на горизонте 10 м показаны стрелками на рис. 2а. Течения резко ослабевали до нескольких см/с на глубинах более 12 м, сохраняя преобладание западной составляющей направлений. Похожее воздействие тайфуна на характеристики течений рассмотрено также в [8].
На рис. 2б показана амплитуда ИГВ, под которой мы будем понимать среднеквадратические колебания течений в частотном диапазоне ±0.03-0.005 ц/ч, а на рис. 2в - показатель изменения фоновых течений, который определим некоторым специально разработанным индексом Jo (см. ниже). Фоновыми будем считать течения, сглаженные фильтром Баттерворда 3-го порядка с часто-
1
6
Таблица 1.
Станции ^Л (Л) дм/с тах Л stdJo п
А3 0.47 - 0.26 0.012 0.0288 0.0566 735
В3 0.63 -0.30 0.090 0.0267 0.0482 740
В4 0.20 0.02 0.084 0.0225 0.0283 666
С4 0.04 0.11 0.074 0.0158 0.0331 555
Примечание. JA — коэффициент корреляции между модулем Jo и амплитудой ИГВ (коэффициент "модульной" корреляции), JoA — коэффициент корреляции между Jo и амплитудой (коэффициент полной корреляции), (Л) — среднее и тахЛ — максимальное значения амплитуды, 81(11о — среднеквадратическое отклонение Jo, п — количество оценок.
той среза 0.01 ц/ч. При вычислении амплитуды ИГВ (А) из рассчитанных с недельным усреднением оценок вычиталось минимальное значение, которое считалось следствием шумовой составляющей сигнала. Данные первых и последних суток наблюдений, искаженные концевыми эффектами фильтрации, не учитывались.
Несмотря на относительную стабильность фоновых течений, временами наблюдались заметные изменения как их скорости, так и направления. Поскольку с такими изменениями должна быть связана генерация ИГВ, возникла необходимость ввести некие показатели изменчивости течений. Простейшим показателем такого рода является разность соседних векторов. Путем присвоения величине векторной разности знака их векторного произведения можно получить достаточно информативный скалярный показатель изменчивости течений — дифференциальный индекс (ОН), хорошо отражающий изменение величины и направления вращения течения.
Поскольку произведение векторов отражает как направление их вращения (отрицательному знаку произведения соответствует вращение "по солнцу", положительному — "против солнца"), так и изменение величины скорости течения (модуль произведения), то можно ввести и другой, так сказать, векторный индекс (Уес), за который целесообразно принять значение корня квадратного из модуля векторного произведения соседних векторов, взятое со знаком произведения. Векторный индекс хорошо характеризует оба важных для генерации ИГВ фактора — интенсивность изменения векторов фонового течения и знак их вращения, но только в тех случаях, когда изменение направления течения не превышает +90°. Среднее из двух величин, определяемых индексами ЭИ" и Уес, каждый из которых имеет свои достоинства и недостатки, назовем объединенным индексом (^).
На фоне недельных колебаний амплитуды ИГВ бросается в глаза резкое усиление амплитуды А (выше 3 см/с) в слое 6—10 м между 12-м и 15-м днями измерений (рис. 2б), когда произошел по-
ворот течения по часовой стрелке, чему соответствуют отрицательные значения индекса Как и при генерации инерционных колебаний вращающимися ветровыми полями [1], и в нашем случае можно было ожидать усиления генерации при вращении фоновых течений "по солнцу", т.е. в сторону вращения инерционных течений. Анализ рис. 1б, 1в показывает, что и другим всплескам амплитуды А (светлые пятна на рис. 2б) соответствуют понижения индекса ^ (темные пятна на рис. 2в). Налицо противофазность колебаний амплитуды ИГВ и индекса свидетельствующая в пользу преимущественного значения вращения фоновых течений "по солнцу" при генерации ИГВ. Подобная противофазность колебаний проявляется, правда, несколько слабее, и в более глубоких слоях при меньших скоростях течений и амплитуд.
Проведенное сопоставление значений индексов ЭИ, Уес, ^ с амплитудой ИГВ показало, что лучше всего амплитуда инерционных волн А кор-релируется со значением индекса что подтверждается данными табл. 1. В таблице приведены результаты оценок величин, характеризующих амплитуду ИГВ и изменчивость фоновых течений по данным измерений на всех станциях в 2003 г.
Анализ данных таблицы показывает, что наблюдается последовательное уменьшение амплитуды ИГВ от станции А3 к станции С4. Индекс ^ уменьшается от станции А3 к В4, х
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.