ОКЕАНОЛОГИЯ, 2014, том 54, № 6, с. 737-743
= ФИЗИКА МОРЯ
УДК 551.465.42
О ЛАГРАНЖЕВЫХ МЕТОДАХ НАБЛЮДЕНИЙ ЗА ВНУТРИТЕРМОКЛИННЫМИ ВИХРЯМИ В ОКЕАНЕ
© 2014 г. Б. Н. Филюшкин1, М. А. Соколовский2, Н. Г. Кожелупова1, И. М. Вагина3
1Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва e-mail: borfil@ioran.ru; nk@ioran.ru 2Институт водных проблем РАН, Москва e-mail: sokol@aqua.laser.ru 3Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, географический факультет
e-mail: iravag@rambler.ru Поступила в редакцию 08.04.2014 г.
В восточной части Атлантического океана регулярно встречаются внутритермоклинные антициклонические вихри (линзы) средиземноморского происхождения. Эти вихри идентифицируются как со спутника по изменениям высот уровня и температуры на поверхности океана, так и по данным поплавков нейтральной плавучести (ПНП), помещенных в тело линзы.
В данной работе в рамках трехслойной квазигеострофической модели с использованием метода контурной динамики рассмотрены некоторые теоретические аспекты наблюдений за перемещениями линз с помощью акустических ПНП и свободно дрейфующих буев проекта "Арго". Данные прямых экспериментальных наблюдений за дрейфом линз в Северной Атлантике качественно подтвердили результаты наших численных экспериментов. В частности, показано, что закрутка со стороны линзы оказывает адвективное влияние на поведение ПНП на расстояниях нескольких ее радиусов.
DOI: 10.7868/S0030157414050050
В умеренных широтах северо-восточной части Атлантического океана на промежуточных глубинах 500—1500 м регулярно встречаются внутритермоклинные антициклонические вихри (линзы) [1, 6, 12]. Они представляют собой заполненные теплыми и солеными средиземноморскими водами эллипсоидные образования с горизонтальными осями от 40 до 100 км и вертикальной от 0.4 до 0.9 км. Отличие характеристик в ядре линзы от окружающих вод может меняться в пределах 1—4°С по температуре и 0.3—1.0 епс по солености в зависимости от ее удаленности от района формирования. Время жизни таких вихрей лежит в диапазоне 3—7 лет, причем в этой части океана их может находиться от 150 до 200 одновременно [3, 9].
Обнаруживаются такие линзы при гидрологических полигонных съемках, на разрезах, а также при анализе материалов наблюдений профило-графов глобального океанографического проекта «Арго» (название происходит от имени легендарного корабля аргонавтов в древнегреческой мифологии). В процессе взаимодействия этих вихрей с окружающей средой они могут передавать динамический сигнал к поверхности океана [1, 4, 8]. Эти вихри идентифицируются на альтиметри-ческих снимках изменения уровня поверхности океана со спутника [4, 8], а также по аномалиям температуры поверхности океана [14, 15].
Таким образом, система спутниковых наблюдений позволяет фиксировать картину эволюции не только поверхностных вихрей, но и процессы слияния и разделения внутритермоклинных линз, а также их взаимодействия с различными формами подводного рельефа. Но, к сожалению, пока корреляция их положения по спутниковым наблюдениям с гидрологическими измерениями недостаточно надежна.
Поэтому для регистрации длительных наблюдений за перемещением вихрей в океане целесообразно также использовать поплавки нейтральной плавучести (ПНП), помещенные в тело самой линзы. В 1984—1986 гг. был осуществлен крупномасштабный эксперимент, в котором в течение двух лет с помощью акустических ПНП наблюдались перемещения трех линз [6, 12]. Эти линзы имели средний диаметр около 100 км и толщину около 800 м, а их ядра располагались на глубине примерно 1100 м.
В данной работе мы рассмотрим некоторые теоретические аспекты наблюдений за линзами с помощью обоих этих методов.
Будем использовать трехслойную квазигеост-рофическую модель [2, 3], в рамках которой под линзами будем понимать вихревые пятна среднего слоя, а с ПНП будем отождествлять центры пассивных малых первоначально круговых областей жидкости, принадлежащей либо линзе, либо ее
2
737
Рис. 1. Конфигурации первоначально круговой линзы (жирные замкнутые линии) в указанные моменты безразмерного времени t и траектории четырех модельных ПНП (тонкие линии) в баротропном зональном потоке восточного направления. Внешние (внутренние) ПНП изображены в виде сплошных и полых круговых (треугольных) маркеров. Для фиксации положений маркеров в моменты времени t = 0, 30, 60 они соединены штиховыми отрезками.
окрестности. Параметры модели: при средней глубине океана Н = 4000 м толщины верхнего, среднего и нижнего слоев примем равными соответственно Н1 = 600 м, Н2 = 1000 м и Н3 = 2400 м (для безразмерных толщин имеем Н1 = 0.15, Н2= 0.25, к3 = 0.6), а первый и второй радиусы деформации — Rd1 = 32 км, Rd2 = 15 км. Эти величины характерны для северо-восточной части Атлантики. При таком выборе средний слой занимает горизонты 600—1600 м, в качестве горизонтального масштаба длины примем Rd1.
На рис. 1 показаны траектории четырех модельных ПНП, которые в исходном состоянии имеют следующее расположение: все они принадлежат одной прямой; два из них помещены внутрь круговой линзы на расстоянии 0.4 ее радиуса от центра и два других — вне линзы на расстоянии в 3 радиуса от центра. Безразмерный радиус круга равен единице, т.е. диаметр моделируемой линзы составляет 64 км, а безразмерная единица времени отвечает одним суткам. Вихрь переносится баротропным, направленным на восток зональным потоком со скоростью, которая при выбранных масштабах равна 7.41 см/с. Очевидно, в этой простейшей ситуации линза перемещается поступательно, практически не меняя свою форму (на рисунке ее контуры представлены для моментов 0, 30 и 60), а внутренние ПНП вращаются относительно ее центра с орбитальной скоростью жидких частиц на том же удалении от центра и, таким образом, описывают спирали, сдвинутые друг относительно друга на полпериода. Именно так выглядит значительная часть траекторий линзы М1 в эксперименте 1984-1986 гг. [6, 11, 12] и траекторий ПНП 171, 175, 177 в эксперименте 1993-1995 гг. в [13]. В течение всего времени наблюдения за линзой М1 ПНП находились внутри
нее и имели антициклоническое вращение с периодом 6 суток. При этом период вращения оставался постоянным в продолжение двух лет, несмотря на значительное уменьшение объема линзы за счет процессов перемешивания на ее внешних границах. Отметим, что в работах [10] и [16] подобная консервативность ротационного периода эллипсоидальных вихрей подтверждается численными экспериментами в рамках диффузионной модели.
Сложнее выглядят траектории внешних ПНП, находящихся под совместным влиянием относительно слабой закрутки потока со стороны линзы и основного течения: они носят петлеобразный периодический характер. На рис. 1 центр линзы в начальный момент времени расположен в точке с координатами (-6; 0), а ПНП начинают движение из точек с координатами (-9; 0) и (-3; 0); расчетный интервал составляет менее половины периода обращения этих поплавков вокруг линзы. Данный численный эксперимент показывает, в частности, что воздействие линзы на поток распространяется на расстояния, значительно превышающие ее радиус.
На рис. 2 демонстрируется степень такого воздействия со стороны неподвижной (т.е. при отсутствии внешнего течения) круговой линзы на серию окружающих ее изначально искусственно возмущенных маркерных линий (их невозмущенные радиусы R равны 1.5, 2.0, ..., 4.5, а возмущения в виде восьмой гармонической моды имеют в случае (а) амплитуду 0.05 и в случае (б) амплитуду 0.1 относительно радиуса). Мы видим, что к моменту времени t = 15, т.е. через 15 суток, на контурах с радиусами R от 1.5 до 2.5 в первом случае и до 3.5 во втором случае образовались затяжки.
5 г
(а)
5 г
(б)
t = 0
-5
t = 15
Рис. 2. Иллюстрация воздействия круговой линзы единичного радиуса (заштрихованная область) на окружающих ее семь возмущенных маркерных контуров со средними радиусами Я от 1.5 до 4.5 с шагом 0.5 с амплитудой возмущений А = 0.05Я (а) и А = 0.1Я (б).
Примерно до Я ~ 4 можно полагать влияние линзы вполне ощутимым.
В реальном океане трудно проследить поведение ПНП, находящихся вне линзы, но в зоне ее влияния. В работе [12] приведены наблюдения взаимодействия линзы М1 и двух акустических ПНП (рис. 7 в [12] — поплавки 126 и 132). Здесь мы приводим этот рисунок в несколько адаптированном виде (см. рис. 3). Линза М1 радиусом 50 км и толщиной 0.8 км дрейфует в южном направлении на глубинах от 700 до 1500 м со скоростью 1.8 см/с (измерения проводились на гори-
зонте 1100 м), а акустические ПНП на той же глубине перемещаются со скоростью 0.3 см/с в северо-западном направлении на расстояниях около 300 и 60 км от центра линзы М1. Удаленный ПНП (126), достигая широты линзы, описывает петлю, приближаясь к линзе на расстояние до 150 км, затем удаляется на запад более чем на 350 км и как бы возвращается на продолжение начальной траектории. В то же самое время ПНП 132, в начальный момент находившийся вблизи края линзы, описывает сложную траекторию вокруг нее в виде нескольких петель: он удаля-
^ ПНП 132
ПНП 126
ПНП
141
\
'М 1
500 400 300 200 100 0
-100
-200
-300 км
-500 -400 -300 -200 -100 0 100 200
Рис. 3. Траектории трех ПНП 126, 132 и 141, которые проходят близко от линзы М 1, дрейфующей в южном направлении. ПНП 141 был помещен внутрь линзы и, прежде чем покинул линзу, вращался в ней по круговой орбите около 8 месяцев. Стрелки с цифрами показывают расстояния от центра линзы в км (адаптированный рис. 7 из [12]).
ется на запад и север на 150-200 км, затем приближается с севера на расстояние около 100 км к линзе и, наконец, снова возвращается к дрейфу в северном направлении, противоположном ее движению. Эти наблюдения позволяют отметить, что влияние закрутки со стороны линзы на отдельные внешние ПНП сказывается на расстояниях до 6 Я. В пределах расстояний, меньших 3 Я, отмечается сложный характер взаимодействия ПНП с линзой. Качественно такой характер взаимодействия ПНП и линзы в реальном океане подтверждают оценки, полученные на основе анализа наших модельных расчетов (рис. 1 и 2).
Здесь следует отметить обстоятельство, затрудняющее а
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.