ОКЕАНОЛОГИЯ, 2004, том 44, № 6, с. 826-836
= ФИЗИКА МОРЯ
УДК 551.465
О ВЛИЯНИИ ТУРБУЛЕНТНОГО ПЕРЕМЕШИВАНИЯ НА ИНТРУЗИОННОЕ РАССЛОЕНИЕ В ЦЕНТРАЛЬНОЙ ЧАСТИ ЭКВАТОРИАЛЬНОЙ ПАСИФИКИ
© 2004 г. Н. П. Кузьмина1, Дж. X. Ли2
1Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва 2Корейский институт океанологических исследований (КОЯО!), Сеул Поступила в редакцию 02.07.2003 г.
СТБ-данные с высоким пространственным разрешенем анализировались с целью изучения экваториального интерливинга в центральной чсти Тихого океана. СТБ-разрез через экватор (от 2° ю.ш. до 1° с.ш. на 176°16' з.д.) показал существование интрузионных слоев с высокой когерентностью, которая нарушалась в области 0°12' с.ш.-0°15' с.ш., причем в центральной части области интрузи-онного расслоения практически не наблюдалось. На границах области нарушение когерентности интрузий сопровождалось увеличением их вертикальных масштабов и уменьшением интенсивности аномалий на вертикальных профилях. Было сделано предположение, что зарегистрированный эффект обусловлен перемешиванием в турбулентном следе за о. Бекер, который находился в десяти морских милях западнее района измерений. Для описания особенностей интрузионного расслоения была рассмотрена модель интерливинга на в-плоскости с учетом двойной диффузии, турбулентного перемешивания и горизонтального сдвига зонального потока. Полученные теоретические результаты использовались для объяснения зарегистрированных особенностей интрузионного расслоения.
1. ВВЕДЕНИЕ
Согласно ряду экспериментальных исследований [8, 11, 12, 15, 16, 21], интрузионное расслоение (интерливинг) основного термо-халоклина экваториальной зоны Тихого океана является устойчивой характерной чертой структуры вод в данном районе. Наблюдаемые слои отличаются высокой когерентностью, занимают большие акватории, распространяясь в направлении, поперечном экватору, на расстояния более 100 км. При этом вертикальный масштаб слоев, как правило, не превышает 20 м.
Естественно предположить, что данные слои в некоторых случаях определяют диапикнический и изопикнический перенос массы и вещества в экваториальной зоне. Кроме того, не исключено, что они могут влиять на прохождение длинных экваториальных волн Кельвина и Россби, определяющих период ENSO (EL Niño and Southern Oscillation): в частности, по мнению некоторых исследователей [12], параметризация перемешивания, обусловленного расслоением, может уточнить прогноз явления El Niño в моделях экваториальной динамики.
Особенности гидрологии экваториального района, а именно, существование соленого климатического языка, распространяющегося с юга на север, и стратификации, предпочтительной для возникновения двойной диффузии, создают основу для развития особого вида гидродинамической неустойчи-
вости, которая получила название "интерливинг, обусловленный двойной диффузией". Моды такой неустойчивости представляют периодические по вертикали функции, т.е. описывают чередующиеся с глубиной слои теплых (соленых) и холодных (менее соленых) вод [2].
Теоретическая модель экваториального интерливинга в приближении в-плоскости была рассмотрена Ричардсом [14]. Позднее более полная модель, с учетом горизонтального и вертикального сдвигов скорости основного потока, была представлена в [5]. Однако, несмотря на достаточно подробные исследования неустойчивости в [5], в модели не учитывалось турбулентное перемешивание, хотя теоретические исследования интерливинга в приближении /-плоскости, которые были уже хорошо развиты, показали, что турбулентность может препятствовать образованию термохалинных интрузий [3, 10, 22, 24].
Учитывая, что, по свидетельству ряда авторов [6, 7, 13, 20, 23], уровень турбулентных пульсаций скорости в Экваториальном противотечении может быть высок, изучение влияния турбулентного перемешивания на интерливинг в экваториальном районе Тихого океана представляется важным. Данная работа посвящена экспериментальному и теоретическому исследованию данного вопроса.
Рис. 1. Средние поля солености, плотности и температуры в зависимости от широты и глубины для разрезов АК90-Ю и АК90-С. Цифры в верхней части соответствуют номерам вертикальных профилей (см. рис. 2).
2. АНАЛИЗ ИНТЕРЛИВИНГА ПО ЭМПИРИЧЕСКИМ ДАННЫМ
а. Данные. СТБ-данные были получены в 51-ом рейсе НИС "Академик Курчатов" в 1990 г. в центральной экваториальной зоне Тихого океана вблизи о. Бекер (США). Измерения были проведены с помощью методики сканирования зонда (Марк-Ш №18) на малом ходу судна, благодаря чему расстояние между любыми двумя соседними станциями составляло 0.8-2 морских мили. Для нашего анализа использовались данные четырех меридиональных разрезов, два из них имели суммарную протяженность около 200 км, протяженность каждого из двух остальных разрезов не пре-
вышала 20 км. Все измерения были выполнены в диапазоне глубин 80-350 м.
б. Описание среднего термохалинного поля и ин-трузионного расслоения. На рис. 1 даны средние поля солености, плотности и температуры для глубин в диапазоне 100-300 м для южного (АК90-Ю) и северного (АК90-С) разрезов. Для разделения средних и флуктуаций каждый вертикальный профиль температуры и солености подвергался обработке с использованием косинус фильтра с шириной окна 50 м.
Согласно рис. 1, в верхнем слое наблюдается соленый язык толщиной приблизительно в 200 м, который является климатической чертой экваториальных вод [15]. Этот язык обуславливает су-
Рис. 2. Тонкоструктурные флуктуации солености в зависимости от а-координаты для последовательных профилей разрезов ЛК90-Ю (вверху) и ЛК90-С (внизу). Цифры в верхних частях фрагментов соответствуют номерам профилей (см. рис. 1). Сдвиг по оси абсцисс для любых двух соседних профилей составляет 0.2 рзи. Горизонтальные линии соединяют максимумы и минимумы когерентных интрузий.
ществование горизонтальных градиентов солености, превышающих фоновые, и вертикальную стратификацию, предпочтительную для возникновения конвекции типа солевых пальцев: температура и соленость спадают с глубиной.
Тонкоструктурные флуктуации солености в а-координатах для ряда последовательных профилей, полученных на разрезах АК90-Ю и АК90-С, представлены на рис. 2. Для сравнения аномалий на вертикальных профилях со структурой средних полей пространственное расположение некоторых профилей с номерами 9, 25, 32, 46, 59 (АК90-Ю) и 11, 22, 37, 48 (АК90-С) показано на рис. 1. Интерливинг, имеющий место в переходной зоне между двумя различными водными массами, теплой и соленой (на юге) и холодной и менее соленой (на севере), представляет собой когерентные по горизонтали слои приблизительно 20-метровой толщины, охватывающие область глубин со 120 до 300 м.
Метод представления тонкоструктурных флук-туаций в изопикнических координатах позволяет отфильтровать маскирующий эффект внутренних волн, поэтому часто используется [17, 18] для оценивания наклона интрузий к изопикническим поверхностям: информация такого рода бывает полезна для понимания механизмов интрузионного расслоения.
Для лучшей демонстрации эффекта наклонения интрузий к изопикнам соответствующие максимумы и минимумы когерентных интрузий соединены сплошными линиями (рис. 2). Хорошо видно, что горизонтальные, поперечные фронту,
масштабы интрузий могут варьироваться в широком диапазоне, а наклоны интрузий к изопикнам могут иметь как положительные, так и отрицательные значения. Важно отметить, что на южном разрезе, который находится на некотором отдалении от экватора, наблюдается явное пересечение интрузий с изопикнами, в то время как на северном разрезе, который получен в узкой зоне сильного влияния Р-эффекта на динамику движения, интрузии располагаются практически вдоль изопикн.
Существование наклонов интрузий к изопикнам может свидетельствовать о важной роли двойной диффузии в возникновении неустойчивости фронтальной зоны, в то время как изопикническое движение интрузий может быть связано с суммарным действием нескольких эффектов. Действительно, гидрологическая структура фронтальной зоны вблизи экватора может быть чрезвычайно сложной [1]: именно здесь располагается Экваториальное противотечение, горизонтальные и вертикальные сдвиги скорости которого могут давать вклад в неустойчивость совместно с эффектами двойной диффузии, причем турбулентное перемешивание в зоне течения может также оказывать определенное влияние на расслоение. Обратим внимание на особенность эмпирических данных, которая удовлетворительно идентифицируется на рис. 2, а именно: наблюдается практически полное отсутствие интрузий в узкой широтной полосе 0°12' с.ш.-0°15' с.ш. Можно предположить, что такая особенность связана с перемешиванием в
Рис. 3. Соленость в зависимости от широты и плотности для коротких разрезов западнее (наверху) и восточнее (внизу) о. Бекер.
турбулентном следе, развивающемся за о. Бекер, который находился в 10-ти милях западнее от разреза АК90-С. Такую гипотезу подтверждают и короткие разрезы, западнее (выше по течению) и восточнее (ниже по течению) о. Бекер (рис. 3), которые удовлетворительно демонстрируют различие в горизонтальной структуре интрузий. Более обоснованные свидетельства влияния в данном случае турбулентного перемешивания на ин-трузионное расслоение можно получить при помощи сравнения модельных расчетов с параметрами тонкоструктурного расслоения в районе измерений.
3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭКВАТОРИАЛЬНЫХ ИНТРУЗИЙ
Здесь мы рассмотрим бесконечно широкую, чисто термохалинную фронтальную зону с фоно-
выми градиентами температуры (Ту и Тг), солености (и ) и плотности (р у = - Ту + = 0 и
рг = - Тг + ) в поперечном фронту и вертикальном направлениях, где у и г являются меридиональной и вертикальной координатами соответственно. Для упрощения представления уравнений будем понимать под Т, и р произведение коэффициента термического расширения а и температуры, произведение коэффициента соле-ностного сжатия 5 и солености и отношение плотности на отсчетную плотность р0 соответственно. Предполагается, что средняя стратификация устойчива (рг < 0; ось г направлена вверх) и предпочтительна для развития конвекции типа солевых пальцев (0 < < Т).
Для чист
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.