ОКЕАНОЛОГИЯ, 2004, том 44, № 3, с. 364-372
= ФИЗИКА МОРЯ =
УДК 551.465
МЕЗОМАСШТАБНАЯ СТРУКТУРА ГИДРОФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ В СЕВЕРО-ЗАПАДНОЙ ЧАСТИ ТИХОГО ОКЕАНА ПО АКУСТИЧЕСКИМ ДАННЫМ
© 2004 г. В. П. Шевцов
Тихоокеанский океанологический институт ДВО РАН, Владивосток Поступила в редакцию 06.08.2002 г., после доработки 05.05.2003 г.
По результатам дистанционных акустических наблюдений на разрезах большой протяженности в северо-западной части Тихого океана и его окраинных морях выявлена сложная мезо- и микромасштабная структура гидрофизических полей. Среди большого разнообразия наблюдающихся неод-нородностей наибольшее распространение имеют фронтальные разделы, приуроченные к границам водных масс с разными характеристиками. Выявлены два преимущественных состояния среды, отличающиеся механизмами и интенсивностью трансформации неоднородностей: 1) стабильный режим - когда мезомасштабные неоднородности имеют хорошо выраженную и устойчивую структуру, а основной механизм переноса связан с интрузионным переслоением и молекулярными процессами перемешивания; 2) нестабильный режим, который характеризуется быстрым распадом неоднородностей, генерацией интенсивных внутренних волн и активной турбулизацией среды.
Важным звеном в цепи трансформации тепла и соли в водной среде океана являются мезо- и микромасштабные процессы, определяющие его "погоду". Через механизм перемешивания они влияют на биологическую продуктивность, существенно сказываются на распространении звука и т.п. Сами по себе эти процессы во всем их разнообразии изучены неплохо. Заметные успехи, в частности, достигнуты в области теоретических исследований и физического моделирования. Несколько скромнее выглядят результаты натурных наблюдений, в основном, - по причине высоких требований по их аппаратурно-методическому обеспечению, весьма значительных затрат на проведение специализированных экспедиций на судах в открытом океане и т.д. Имеющиеся экспериментальные данные поэтому весьма фрагментарны и не дают общего представления о том, в какой степени и в каком сочетании эти процессы реализуются в тех или иных конкретных районах океана [1-5, 7-9]. Причем трудно надеяться, что с помощью традиционных методов и средств измерений удастся сколько-нибудь существенно продвинуться в этом вопросе в будущем.
Выход, по нашему мнению, может быть найден на пути использования более совершенных методов наблюдений и, в частности, - дистанционных методов, основанных на вертикальном зондировании водной толщи разночастотными акустическими сигналами. Они обеспечивают высокое пространственное разрешение, обладают большой информативностью, оперативны в работе и, что очень важно, - позволяют с минимальными затратами задействовать для попут-
ных наблюдений различные суда, а для измерений использовать слегка модернизированные на месте штатные гидролокаторы и эхолоты.
Полезная информация при таких измерениях представлена в акустических сигналах, рассеянных различными неоднородностями, в т.ч. - турбулентными флуктуациями скорости звука и плотности, микроструктурой гидрофизических полей и др. [6]. За счет этого активные зоны в океане обретают значительный акустический контраст, в результате чего в поле обратного рассеяния становятся "видимыми" и поддаются дистанционному наблюдению фронты, вихри, внутренние волны и другие океанические процессы и явления. Одновременно регистрируются и биологические объекты, что открывает большие возможности в деле изучения влияния изменяющихся условий среды на функционирование экосистем в океане.
На рис. 1 в качестве примера приведена эхоло-кационная запись акустических неоднородностей в сопоставлении с результатами синхронных гидрофизических измерений. Видно, что на ней зафиксированы микромасштабные высокоградиентные прослойки и турбулизированные области. Непосредственными источниками рассеяния в данном случае выступают неоднородности поля скорости звука и плотности с пространственными масштабами, сравнимыми с длиной волны излучения. Поскольку данная запись получена на частоте 20 кгц, то масштаб эффективных рассеива-телей лежит в сантиметровом диапазоне. Если учесть, что водная среда здесь устойчива и по температуре, и по солености, то можно предположить, что указанные неоднородности имеют тур-
о *
и >
о ^
о ч к
ю о
2
-0.5
л;?: ■
то; ■ . .
100-
У
150-§ Я, м
ст. 2454
0 ~~Г"
град м 1 0.5
32.6 32.7 32.8 32.9 33.0 33.1 33.2 33.3 33.4
~г
М СО
О
>
о Е
ч
>
СП
X
>
Я
н >
►а О
о к
со К X и о я к
X а о й
и »
Рис. 1. Результаты синхронных акустических и гидрофизических наблюдений. Т-температура воды (°С), 5- соленость (%с), ¿ТЦН-вертикальный градиент тем-
пературы (°С м )
и> о
Ог
? TW
'•Í Чг
г
г V
'J, 4' ^ .JH iJf- NW^'V^'l v
0 100 200
300 0
100 200 3000
100
200 300 H, M
Рис. 2. Эхолокационная запись мезомасштабных гидрофизических неоднородностей в поле обратного рассеяния звука частотой 20 кгц в глубоководной части Охотского моря на разрезе от пролива Лаперуза до пролива Крузенштерна.
ЧИН?
1 »
■■;-: 'J i ■■•.
48 км
булентную природу. В первом приближении сила рассеяния таких неоднородностей пропорциональна величине локального градиента скорости звука и интенсивности турбулентных пульсаций, т.е. между измеряемыми акустическими характеристиками и свойствами среды имеется определенная связь.
Важным достоинством акустических методов измерений является то, что они позволяют усовершенствовать методику исследования мезо- и микромасштабных процессов в океане и перейти от единичных случайных наблюдений к систематическим наблюдениям в режиме мониторинга. В течение длительного времени такие наблюдения мы проводили в северо-западной части Тихого океана и его окраинных морях, используя для этого как специализированные гидрофизические экспедиции, так и другие рейсы с попутными измерениями на ходу судна по всему маршруту плавания.
В специализированных экспедициях проводились непрерывные акустические наблюдения, СТД-съемки и микроструктурные измерения в режиме вертикального зондирования или буксировки на отдельных горизонтах. Для гидрофизических наблюдений использовали СТД-зонд фирмы "Neil Brown" и микроструктурный зонд разработки ТОЙ ДВО РАН. Акустические измерения проводились с помощью многоканального комплекса, представляющего собой набор разночас-тотных гидролокаторов, объединенных в один прибор, имеющий выход на общую информационно-вычислительную систему.
Полученный экспериментальный материал содержит сведения об активности и пространственно-временной изменчивости мезо- и микро-
масштабных процессов в регионе, их влиянии на биологические процессы, преобладающих формах и структуре гидрофизических неоднородностей, динамике их развития и т.п.
Развернутому анализу этих результатов мы намерены посвятить последующие публикации. Цель же данной работы состоит в том, чтобы в предварительном порядке дать общую панораму рассматриваемых явлений в северо-западном районе Тихого океана. Лучше всего, на наш взгляд, это можно сделать на примере конкретной экспресс-съемки, дающей как бы "мгновенный" срез состояния водной среды в обширном районе океана. На рис. 2-4 приведены результаты непрерывных акустических наблюдений, выполненных по маршруту 18-го рейса НИС "Академик М.А. Лаврентьев" (май-июнь 1991 г.) протяженностью свыше 1500 миль за период времени чуть больше недели при спокойных метеорологических условиях.
Первый его участок (рис. 2) пересекает по прямой глубоководную котловину Охотского моря вдоль галса: пролив Лаперуза-пролив Крузенштерна (пройдено на полной скорости без остановок). Далее маршрут пролегает в Тихом океане по меридиану 149° в.д. от 44° до 40° с.ш. со станциями через 25 миль вплоть до Субарктического фронта, северная граница которого на эхолокаци-онных записях отчетливо выделяется повышенным акустическим контрастом в верхнем слое (рис. 3). Продолжается маршрут меридиональным разрезом вдоль 156° в.д. в направлении с юга на север от 42° до 48° с.ш. Фрагмент записи, полученной на северном участке этого разреза, приведен на рис. 4.
Рассматриваемая акватория, как видно из приведенных данных, имеет сложную структуру и до-
о я
м >
и о й о ч
н о £
о о
-1.0 -0.5 0 0.5 градм"1
—I-1-1-1-
3 4 5 6 7 Т, °С
Щ .
и со О
£ >
О 0
ч >
сл
к >
*
о ч
я
ч >
ч
к
о о К
со
К X
И
о «
к
X
я о
й
и &
Рис. 3. Результаты непрерывных акустических наблюдений и сопутствующих измерений температуры Т и ее локального градиента (¿/ГД/Я) на разрезе в Тихом океане вдоль меридиана 149° в.д. на участке от 43° до 40° с.ш. Стрелкой отмечена северная граница Субарктического фронта.
о <1
Рис. 4. То же, что и на рис. 3 на разрезе вдоль меридиана 156° в.д. от 45° до 48° с.ш.
вольно плотно "упакована" мезомасштабными областями с развитой микроструктурой, имеющими определенное внутреннее строение. Детальное обследование показывает, что чаще всего эти области обусловлены горизонтальной перемежаемостью разнородных водных масс, а акустически контрастные слои приурочены непосредственно к границам между ними. Как акустические неоднородности соотносятся со структурой подобных областей, показано на рис. 5, где представлены результаты наблюдений на разрезе протяженностью 20 миль. Сначала он был пройден на полной скорости судна с акустическими наблюдениями, а затем на обратном пути по тому же маршруту - с зондированиями температуры и солености на станциях через 3 мили.
В основной своей части этот разрез пересекает фронтальную зону довольно сложной конфигурации на стыке холодных распресненных вод и более теплой водной массой повышенной солености с общим перепадом по температуре около 1°С. Непосредственные границы между разнородными массами выражаются здесь в виде множества заглубляющихся фронтальных разделов с
высокими значениями горизонтальных градиентов гидрофизических параметров. Именно эти разделы прежде всего и фиксируются в поле обратного акустического рессеяния (рис. 5).
Океанологическая интерпретация результатов дистанционных наблюдений за мезомасштабными возмущениями чаще всего затруднений не вызывает. Их связь с т
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.