ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2013, № 5, с. 12-20
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА
МЕХАНИЗМ ФОРМИРОВАНИЯ АНТИЦИКЛОНИЧЕСКОГО ВИХРЯ В САХАЛИНСКОМ ЗАЛИВЕ ПО СПУТНИКОВЫМ НАБЛЮДЕНИЯМ
© 2013 г. К. А. Рогачев*, Н. В. Шлык
Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева ДВО РАН, Владивосток
*E-mail: rogachev@poi.dvo.ru Поступила в редакцию 14.01.2013 г.
Данные радиометра AVHRR с пространственным разрешением 1.1 км (спутники серии NOAA), а также радиометра MODIS с разрешением 250 м (спутники Aqua и Terra) использованы для определения характеристик антициклонического вихря в Сахалинском заливе. Спутниковые наблюдения указывают на регулярное формирование антициклонического вихря в Сахалинском заливе в теплое время года. Вместе с тем механизм формирования такого вихря до сих пор не был определен. В настоящей работе рассмотрен новый механизм формирования антициклонического вихря в заливе. Наша гипотеза предполагает, что особенность батиметрии залива создает асимметрию в динамике вод. Простая аналитическая модель прибрежных течений на шельфе, учитывающая реальную батиметрию, позволяет определить реакцию прибрежных вод на воздействие ветра. Батиметрия залива включает ложбину с глубиной до 50 м в его восточной части и широкий шельф с глубинами около 20 м у западного берега. Поперечная компонента скорости при южном ветре в этой ложбине направлена в залив и в противоположную сторону в его мелкой части. Тем самым показано, что антициклонический вихрь формируется под действием южного ветра, характерного для региона в теплое время года.
Ключевые слова: эстуарная циркуляция, антициклонические вихри на шельфе Охотского моря, Сахалинский залив, Охотское море
Б01: 10.7868/80205961413050059
ВВЕДЕНИЕ
Сахалинский залив, расположенный в северозападной части Охотского моря, ограничен материком на западе и о. Сахалин на востоке. Глубина моря в заливе растет с юга на север и меняется от нескольких метров в Амурском лимане до 100 м на его северной границе. Важной чертой батиметрии залива является ложбина с глубиной до 50 м в его восточной части и широкий шельф с глубиной около 20 м в западной (рис. 1а). Эта ложбина создает асимметрию, которая, как показано в настоящей работе, является существенной для динамики вод. Гидрологические условия самого залива и Амурского лимана находятся под влиянием сильных приливных течений, однако их характеристики до сих пор слабо изучены. Кроме того, сезонная изменчивость прибрежных течений и термохалинных характеристик в Охотском море очень велика из-за смены муссона в мае-июне. Например, Восточно-сахалинское течение усилено зимой и почти исчезает летом (ЕЬисЫ, 2006). Сильная сезонная изменчивость прибрежного потока Восточно-сахалинского течения была показана также Мк^а й а1. (2003). Скорость
южного потока этого течения на глубине 200 м достигает максимума около 40 см/с в январе и минимума около 10 см/с в июле. При этом перенос массы превышает 12 Свердрупов в феврале и падает в 10 раз в октябре. Поток массы Восточно-сахалинского течения зимой определяется экма-новским переносом к берегу из-за преобладающего северо-западного ветра зимой (81т12и, ОИ8Ыта, 2002). Летом (май—июнь) ветер меняет направление на южное (рис. 1в). Благодаря сезонной смене ветра, аномалия уровня Охотского моря у побережья Сахалина растет зимой и падает летом. Сезонные колебания уровня, связанные со сменой ветра, отмечены также в работах Романова и др. (2004) и Шевченко и др. (2007).
Сезонный ход стока р. Амур в Сахалинский залив также вносит значительный вклад в изменчивость солености залива. Вода низкой солености, стекающая в Сахалинский залив, формирует антициклонический вихрь (рис. 2). Эффективное время нахождения воды в вихре может составлять несколько дней, что связано с изменением циркуляции окружающих вод, Как следствие, это приводит к ослаблению речного потока прибреж-
а
55.0° 138.5° 139.0° 139.5° 140.0°140.5° 141.0° 141.5° 142.0° 142.5°
140° 141° 142° 143° E
в
Масштаб: 10 [м/с] I_I
É i\ \ ß
1 ¡j I- ■ f
02.05 08.05 14.05 20.05 26.05 01.06 07.0613.06 19.06 25.06
Рис. 1. Район исследований: а — изображение MODIS Aqua за 15.06.2003 г. в видимом диапазоне (хорошо видна антициклоническая спираль таящего льда в Сахалинском заливе); б — батиметрия залива и траектория дрифтеров Argos в антициклоническом вихре в мае—июне 2009 г.; в — ветер (м/с) на метеостанции Погиби в мае—июне 2009 г. (данные сайта www.rp5.ru).
РОГАЧЕВ, ШЛЫК 55.5°-139.5°-140.0°—140.5°-141.0°-141.5°-142.0°-142.5° 143.0° 143.5°
55.0
54.5
54.0
53.5
53.0
0.50
2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.27
Рис. 2. Концентрация Chla по данным спутника Aqua от 15.06.2009 г.
ным течением. Кроме того, от этого зависит вынос загрязняющих, взвешенных и растворимых веществ в Охотское море. Вихрь содержит воду с относительно высокой температурой и низкой соленостью и плотностью (Рогачев, Шлык, 2011). Спутниковые изображения дают представление о размерах такого вихря, однако они не раскрывают его внутреннюю структуру и скорость потока. Особенно, если эта скорость потока меняется с глубиной, поскольку это имеет место в случае гравитационной циркуляции. Механизм формирования такого вихря до сих пор оставался неясным. Спутниковые наблюдения в других районах показывают, что поток вод на шельф прямо связан с присутствием вихрей на континентальном склоне. Известно, что антициклонические вихри существенно меняют циркуляцию и термохалин-ную структуру вод (Okkonen, 1996; Rogachev et г1., 2007; Rogachev et г1., 2008; Рогачев, Шлык, 2009; Рогачев, Шлык, 2011).
Течения на шельфе Охотского моря определяются различными силами, включающими ветер, приливы, градиент давления, инерционные вол-
ны. Ветер является доминирующим источником энергии для течений в прибрежной зоне Охотского моря. Залив и его сложная батиметрия под действием ветра создает горизонтальный градиент давления и трение. Поэтому течения зависят от наклона уровня. Прибрежная циркуляция контролирует обмен залива с глубоким морем. В заливе со сложной батиметрией (например, глубокий канал по оси залива и мелководье на его границах) местный ветер генерирует поток по ветру на мелководье и противоположный поток в канале (Wong, 1994; Winant, 2004; Narvaez, Valle-Levin-son, 2008). В случае сильного перемешивания оба потока достигают либо дна, либо поверхности. Различие в направлении потока связано с балансом между напряжением ветра и градиентом давления, который становится важным в глубоком канале. В настоящей работе на основе спутниковых наблюдений мы раскрываем механизм формирования антициклонического вихря в Сахалинском заливе.
4.20
10.00 13.10
Рис. 3. Поле поверхностной температуры по данным спутника КОЛА от 01.06.2012 г. (темный цвет соответствует холодной воде).
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Спутниковые наблюдения включают изображения радиометра AVHRR и данные канала 1 радиометра MODIS (пространственное разрешение 250 м), предоставленные Центром коллективного пользования регионального спутникового мониторинга окружающей среды ДВО РАН (www.satellite.dvo.ru).
Для определения циркуляции вод использовались траектории дрифтеров Argos, выставленных в заливе в апреле 2009 г. на припайный лед сотрудниками Экологической компании Сахалина, и предоставленные Е.Н. Морозовым. Для построения траектории дрифтеров мы располагали их ежечасным положением. Анализ этих данных сделан нами ранее (Рогачев, Шлык, 2011). Три дрифтера Argos, установленные на припайный лед в Сахалинском заливе в апреле 2009 г., были вовлечены в антициклоническую циркуляцию диаметром около 50 км (рис. 15). Внутренний дрифтер находился в пределах вихря в течение одного месяца.
Среднесуточная скорость дрифтера 89998 достигала 70 см/с 1 июня 2009 г., а двух других буев — около 60 см/с. Все три буя покинули антициклонический вихрь во время усиления южного ветра.
Гидрологические данные включают наблюдения, сделанные ТОИ в разные годы. Батиметрия, использованная для расчета скорости потока, взята из российских навигационных карт.
РЕЗУЛЬТАТЫ НАБЛЮДЕНИЙ
Спутниковые данные указывают на регулярное формирование вихря в Сахалинском заливе. Диаметр антициклонического вихря составил около 50 км, что меньше, чем диаметр вихрей у Курильских о-вов (рис. 3—5). В заливе наблюдается относительно высокая стратификация, вызванная потоком теплой воды низкой солености на поверхности и холодной соленой водой из глубокой части моря (рис. 6). Толщина слоя низкой солености составляет несколько метров (рис. 6а—в). Струя теплых и мутных вод хорошо выделяется на спутни-
Рис. 4. Поле поверхностной температуры по данным спутника МОЛЛ от 02.06.2012 г. (темный цвет соответствует холодной воде).
ковых изображениях (рис. 5б). Вынос амурской воды хорошо виден у южной границе спирали из тающего льда (рис. 5). На изображении видимого канала спутника Aqua, видна узкая полоса тающего льда шириной 5—10 км, которая формирует антициклонический вихрь в заливе непосредственно до стока мутной воды Амура. Это означает, что формирование вихря не связано со стоком пресной воды.
од действия южного ветра в заливе, мы рассмотрели простую аналитическую модель циркуляции вод и адаптировали ее для реальной батиметрии. Следуя работам ШпаП (2004) и №гуае2, Уа11е-Levinson (2008), баланс момента импульса в направлении вдоль залива будем полагать между градиентом давления и трением, что в безразмерном виде можно записать
ОБСУЖДЕНИЕ
Формирование антициклонического вихря в заливе под действием южного ветра
Эстуарная, или гравитационная, циркуляция — это устойчивая средняя циркуляция, и она представляет собой концепцию идеальной циркуляции. В реальности южный ветер создает дрейфовое течение и сгон воды, что приводит к формированию наклона уровня и тем самым создает поток воды в промежуточном слое. Чтобы объяснить формирование антициклонического вихря в пери-
д u
dz2
дп
dx'
(1)
где и, п, х, z — безразмерная скорость потока вдоль эстуария, аномалия уровня, координата вдоль эстуария и вертикальная координата соответственно. Размерные масштабы этих переменных заданы в виде
u =
tH
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.