ОКЕАНОЛОГИЯ, 2004, том 44, № 5, с. 660-669
= ФИЗИКА МОРЯ =
УДК 551.465
МЕЗОМАСШТАБНАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ АПВЕЛЛИНГА
В ЮГО-ВОСТОЧНОЙ БАЛТИКЕ: ИК-ИЗОБРАЖЕНИЯ И ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
© 2004 г. В. М. Журбас1, Т. Стипа2, П. Малкки2, В. Т. Пака3, Н. П. Кузьмина1, В. Е. Скляров1
1Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва 2Финский институт морских исследований, Хельсинки 3Атлантическое отделение Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Калининград Поступила в редакцию 04.08.2003 г., после доработки 09.12.2003 г.
Используя данные спутниковых ИК-изображений и результаты численных экспериментов на основе Принстонской модели океана (РОМ), исследуется мезомасштабная структура апвелинга у Российского побережья и прилегающих к нему районах юго-восточной Балтики. По данным ИК-изображений обнаружено, что при восточном и северном ветрах посередине Куршской косы образуется возмущение вдольберегового апвеллингового фронта в виде поперечной струи, наклоненной в направлении потока. Численная модель неплохо воспроизвела эту поперечную струю и подтвердила, что она связана с отрывом вдольфронтального струйного течения от берега. Модельные расчеты показали, что отрыв течения от берега посередине Куршской косы происходит из-за существования там подводной возвышенности. Перманентное возмущение апвеллингового фронта и связанного с ним струйного течения предсказывается моделью также в районе косы-полуострова Хел. При восточном ветре здесь образуется циклонический меандр, который затем вырастает в поперечную струю и окончательно преобразуется в грибовидную структуру, состоящую из пары вихрей. Аналогичная по местоположению, размеру и ориентации грибовидная структура была обнаружена на одном из ИК-изображений.
1. ВВЕДЕНИЕ
Направленный влево вдольбереговой ветер (если смотреть в сторону моря в северном полушарии) вызывает экмановский перенос воды в перпендикулярном направлении в сторону моря и, как следствие, подъем глубинных вод у берега, или прибрежный апвеллинг. С апвеллинговым фронтом связано формирование вдольберегового струйного бароклинного течения, на фоне которого могут развиваться мезомасштабные неоднородности в виде поперечных струй, вихрей и грибовидных структур [4]. Поскольку явлению апвеллинга и связанным с ним мезомасштабным структурам, как правило, присущи существенные горизонтальные контрасты температуры поверхности океана (ТПО), то эти процессы хорошо визуализируются на изображениях поверхности океана в инфракрасном (ИК) диапазоне, получаемых с искусственных спутников Земли.
Вдольбереговые апвеллинговые фронты, вихри, поперечные струи и грибовидные структуры неоднократно наблюдались на спутниковых ИК-изображениях Балтийского моря, полученных в весенний, летний и осенний сезоны, когда наличие сезонного термоклина обеспечивает заметные контрасты ТПО [2, 3, 8, 9, 14]. В [14] было отмечено, что в юго-восточной Балтике при благоприятном для апвеллинга ветре области холодной
воды вначале появляются вблизи топографических неоднородностей дна, где изобата 10 м не параллельна береговой линии; при продолжительном ветре эти области могут образовывать систему поперечных струй (filaments). Аномальный локальный даунвеллинг при благоприятном для апвеллинга ветре наблюдался в Мекленбургском заливе (Балтийское побережье Германии), что объяснялось приостановлением вдольберегового струйного течения волнами Кельвина, которые генерируются на резком изгибе береговой линии и распространяются вниз по потоку [7].
Цель настоящей работы состоит в исследовании мезомасштабной структуры апвеллинга вдоль Российского и прилегающих к нему побережий юго-восточной Балтики (коса Хел-Гдань-ское побережье-Балтийская (Вислинская) коса-мыс Таран-Куршская коса; см. рис. 1). Основным методом исследования будет моделирование циркуляции в исследуемом районе моря на основе ви-хреразрешающей модели океана и сравнение результатов моделирования с ИК-изображениями. По нашему мнению, такой подход может обеспечить объективный ответ на два вопроса: 1) каким мезомасштабным особенностям циркуляции могут соответствовать неоднородности, наблюдаемые на ИК-изображениях; 2) каким образом эти неоднородности могли быть сформированы. До-
Глубина, м
20 40 60 80 100 120 140
Рис. 1. Батиметрическая карта юго-восточной Балтики. 1 - полуостров Хел (коса); 2 - Гданьский залив; 3 -Балтийская (Вислинская) коса; 4 - мыс Таран; 5 -Куршская коса.
полнительным стимулом для проведения такого исследования является то обстоятельство, что шельф в районе Куршской косы является нефтеносным и существует проект компании "Лукойл" по промышленной добыче на нем нефти. Детальные сведения о мезомасштабной изменчивости течений при различном ветровом воздействии необходимы для прогноза ареала загрязнения побережья при несанкционированном поступлении нефти в море.
2. АНАЛИЗ ИК-ИЗОБРАЖЕНИЙ
На рис. 2 приведены четыре ИК-изображения Российского побережья юго-восточной Балтики, включая Балтийскую и Куршскую косы, а также расположенный между ними мыс Таран. Изображения были получены в конце лета-начале осени с 26 августа по 23 сентября 2002 г. По метеорологическим данным агентства КОАА (программа КСБР/КСАР Реша^в), этот период в целом характеризовался относительно спокойной погодой со скоростью ветра не выше 7 м/с и переменным направлением, причем моментам получения каждого из четырех изображений предшествовал непродолжительный (1-2 сут) промежуток времени усиления северо-восточного (восточного в случае
ШАА-15 26.08.2002 06:37 ОМТ ШАА-12 11.09.2002 14:37 ОМТ
Рис. 2. ИК-изображения Российского побережья юго-восточной Балтики (Балтийская коса-мыс Таран-Куршская коса). Данные получены с сайта Лаборатории информационной поддержки космического мониторинга ИКИ РАН (www.smis.rssi.ru).
изображения 26 августа 2002 г.) ветра. Именно северо-восточный ветер является наиболее благоприятным для апвеллинга вдоль побережья Балтийская коса-мыс Таран-Куршская коса, вытянутого с юго-запада на северо-восток. Как следствие, на всех четырех изображениях четко видна светлая полоса более холодной апвеллинговой воды вдоль побережья с нерегулярной, испещренной поперечными струями границей со стороны открытого моря.
ИК-изображения на рис. 2 характеризуются несколькими типичными мезомасштабными особенностями:
1. Примерно от середины Куршской косы отходит от берега наклонная (направленная влево по диагонали если смотреть в сторону моря) струя холодной воды, прослеживающаяся с различным размером и интенсивностью на всех четырех изображения.
2. Аналогичная струя отходит от мыса Таран на трех изображениях.
3. На ИК-изображении от 23 сентября 2003 г. апвеллинг наиболее интенсивен, изобилуя поперечными струями и грибовидными структурами.
На рис. 3 приведены ИК-изображения юго-восточной Балтики от 28 мая 2003 г. (а) и от 03 июня 2003 г. (б). На изображении рис. 36 наблюдается парадоксальная на первый взгляд ситуация: полоса холодной апвеллинговой воды существует одновременно как вдоль Куршской и Балтийской кос, так и вдоль косы/полуострова Хел несмотря на то, что первые две ориентированы перпендикулярно последней. Причиной тому является резкое изменение ветра с северо-восточного, благоприятного для апвеллинга вдоль Куршской и Балтийской кос, который наблюдал-
ся за двое суток до момента получения изображения, на юго-восточный, благоприятный для апвеллинга вдоль косы Хел. Второй замечательной особенностью обоих ИК-изображений на рис. 3 является обширная грибовидная структура с характерным размером около 50 км, расположенная к северу от косы Хел на широте Куршской косы. Отметим, что грибовидная структура ориентирована таким образом, что основание гриба ("ножка") находится над косой Хел, указывая на место предположительного зарождения грибовидной структуры.
Для интерпретации описанных выше мезомас-штабных структур обратимся к численному моделированию циркуляции вод в исследуемом районе.
3. МОДЕЛЬ
Для моделирования мезомасштабной циркуляции в юго-восточной Балтике применим Прин-стонскую модель океана (РОМ), созданную Блумбергом и Мэлором [5, 6]. РОМ основана на примитивных уравнениях движения в приближениях гидростатики и свободной поверхности. Вместо обычной вертикальной координаты (глубины) в ней используется так называемая а-коор-дината (вертикальная координата, нормированная на полную толщину столба воды). Для расчета коэффициентов вертикального обмена в РОМ встроена модель турбулентности с замыканием Колмогоровского типа на уровне вторых моментов [12]. Ранее РОМ успешно применялась для условий Балтики в работах [1, 10, 15, 16].
Адаптация РОМ для поставленной задачи была аналогичной применявшейся ранее в [16] и состояла в следующем. Модельная область включа-
с.ш.
55.5
54.5
55.5
55.0
54.5
МЕЗОМАСШТАБНАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ АПВЕЛЛИНГА (а) (б)
55.0°-
— 20
40
60
90
120 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8
Рис. 4. Топография дна моря (а, б) и результаты модельных расчетов скорости течения и температуры в поверхностном слое юго-восточной Балтики при t = 7 сут (в, г) в эксперименте с напряжением трения восточного ветра тх = 0.1 Н/м2. Левые (правые) рисунки относятся к реальной (модифицированной) топографии дна. Векторы скорости течений показаны в каждом четвертом узле модельной сетки. Верхняя шкала справа - глубина в м, нижняя - температура в °С.
ла в себя все Балтийское море и ограничивалась с запада по проливам между Балтийским и Северным морями. В зависимости от величины горизонтальных шагов сетки 5х и 5у, вся модельная область разделялась на подобласти низкого (5х, 5у < 10 км), умеренного (5х, 5у < 4 км), и высокого (5х, 5у ~ 1 км) разрешения. Высокое разрешение применялось в юго-восточной Балтике, где непосредственно исследовалась мезомасштабная изменчивость (см. рис. 1), умеренное разрешение -в остальной части Балтийского моря, за исключением Рижского, Финского и Ботнического заливов, составивших подобласть низкого разрешения. Результаты расчетов анализировались только в области высокого разрешения. По вертикали а-слои имели одинаковую толщину и их количество равнялось 20. Значения глубины моря в узлах сетки брал
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.