научная статья по теме ОСОБЕННОСТИ ГЕНЕРАЦИИ ПРИЛИВНЫХ ВНУТРЕННИХ ВОЛН У ОСТРОВА ОАХУ (ГАВАЙИ) Геофизика

Текст научной статьи на тему «ОСОБЕННОСТИ ГЕНЕРАЦИИ ПРИЛИВНЫХ ВНУТРЕННИХ ВОЛН У ОСТРОВА ОАХУ (ГАВАЙИ)»

ОКЕАНОЛОГИЯ, 2009, том 49, № 3, с. 325-336

= ФИЗИКА МОРЯ

УДК 551.465,551.466

ОСОБЕННОСТИ ГЕНЕРАЦИИ ПРИЛИВНЫХ ВНУТРЕННИХ ВОЛН

У ОСТРОВА ОАХУ (ГАВАЙИ)

© 2009 г. В. Г. Бондур1, Ю. В. Гребеншк1, К. Д. Сабинин2

1Научный центр аэрокосмического мониторинга "Аэрокосмос", Москва e-mail: vgbondur@aerocosmos.info 2Институт космических исследований РАН, Москва

На основе анализа результатов измерений профилей течений, температуры и CTD-данных в акватории б. Мамала (о. Оаху, Гавайи), исследованы особенности генерации приливных внутренних волн в этом регионе. С помощью специальных методов обработки данных по скоростям течений, полученным с помощью акустических измерителей ADP, были выделены внутренние приливы локального происхождения, отличающиеся от доминирующих в заливе волн дистанционного происхождения присутствием мод высоких номеров. При анализе данных профилографов течений использовались эмпирические ортогональные функции. Установлено, что в общем поле внутренних приливов залива присутствуют и волны локального происхождения, излучаемые от края шельфа в океан.

ВВЕДЕНИЕ

Несмотря на интенсивное изучение внутренних приливов (ВП) у Гавайских о-вов, например, по программе НОМЕ [9, 17, 21, 23, 24] и в более ранних экспериментах [16, 25], многое остается пока еще неясным из-за крайней сложности поля ВП у Гавайского хребта вообще и в бухте Мамала у о. Оаху в особенности. В этих экспериментах показано, что источники ВП сосредоточены, как правило, на значительных глубинах из-за большой крутизны склонов Гавайского хребта (см. рис. 1) [17, 21, 23, 24].

Генерация внутреннего прилива на материковом склоне существенно изменяется от места к месту в зависимости от наклона дна и плотностной стратификации, которая определяет наклон траектории распространения энергии внутреннего прилива (наклон характеристической линии или луча). Наклон луча зависит от частоты волны, инерционной частоты и частоты плавучести [7]. При уменьшении частоты плавучести наклон луча увеличивается. При совпадении наклона луча с наклоном дна энергия ба-ротропного прилива эффективно передается внутреннему бароклинному приливу, который достигает большой амплитуды в придонных слоях. При различии наклонов луча и рельефа дна усиление колебаний у дна невелико.

Анализ рельефа дна в б. Мамала показывает, что на небольшом расстоянии от диффузора сбросовой системы с о. Санд наблюдается достаточно резкий свал глубин с наклоном дна ~12° (рис. 1в, 1г, 1д). Для эффективной генерации у дна луч внутреннего прилива должен распространяться под тем же углом, что достижимо при малом значении частоты плавучести. Для средней плотностной стратификации в б. Мамала наклон дна у края шельфа сверхкритичен, поэтому считается, что внутренний прилив генери-

руется здесь не над бровкой шельфа, как обычно, а на глубинах 500-1000 м, где лучи полусуточного ВП из-за уменьшающейся стратификации становятся круче, совпадая с наклоном дна [16, 23]. С этих глубин критического наклона и происходит излучение полусуточного внутреннего прилива, но только в открытый океан, т. к. вверх по склону наклон дна становится больше наклона лучей.

Тем не менее, на краю шельфа залива Мамала наблюдаются значительные внутренние приливы [2-5]. Основываясь на данных о больших (до 50 м) полусуточных вертикальных колебаниях термоклина на краю шельфа в б. Мамала, Гамильтон [16] предположил, что эти колебания связаны с пучностью в системе квазистоячих волн, которая возникает в центре залива из-за схождения приходящих с обеих сторон о. Оаху приливных течений. Эти колебания, по мнению Гамильтона, и служат источником локальной генерации внутренних приливов, откуда они излучаются в отрытый океан.

Последующее моделирование и натурные наблюдения [4, 5, 9, 12, 17, 21, 23, 24] показали, что это не так, и что сильные полусуточные внутренние приливы в заливе связаны с удаленными источниками над порогами в проливах по обе стороны от о. Оаху (рис. 1а). Приходя в залив, эти волны формируют сложное интерференционное поле, меняющееся не только в пространстве, но и во времени из-за изменения фоновых условий. Тем не менее, можно предположить, как это сделано в работе [4] на основании анализа результатов наблюдений на краю шельфа б. Мамала, что здесь имеет место и локальная генерация, по крайней мере, спорадически, при возникновении благоприятных условий.

Поскольку локально генерированные внутренние приливы маскируются волнами, приходящими

Рис. 1. Остров Оаху и залив Мамала: (а) географическая и батиметрическая карта акватории в районе о. Оаху; (б) расположение в заливе стационарных станций измерения температуры и скоростей течений; профили глубины (в) и наклона дна (г) вдоль сечений А, В, С, указанных на карте рельеф дна (д).

из проливов, выделить их из суммарных колебаний нелегко. В настоящей работе это делается, опираясь на следующие признаки локально излученных ВП:

1) отношение малой и большой осей годографов течений должно быть близко к отношению локальной инерционной частоты (/ = 0.03 цикл/час) к частоте полусуточного ВП М2 (0.0805 цикл/час), которое равно 0.38;

2) орбиты должно быть вытянуты по нормали к изобатам у бровки шельфа;

3) должна проявляться лучевая структура волн, характерная для поля внутреннего прилива в ближней зоне. При этом вблизи источника форма волны распространяется вниз, что соответствует движению энергии наклонной волны вверх.

Менее определенными, но все же существенными факторами локальной генерации ВП являются:

- ослабление плотностной стратификации (частоты плавучести) в нижней части водной толщи над бровкой шельфа, что усиливает крутизну лучей внутреннего прилива;

- структура фоновых течений, способствующая увеличению крутизны лучей внутреннего прилива;

- близость во времени больших колебаний термоклина и орбитальных течений внутреннего прилива, что свидетельствует об отсутствии стоячих волн, связанных с приходящими из проливов ВП;

- значительная амплитуда поперечных к изобатам компонентов баротропных течений;

- малый "возраст" внутреннего прилива (время между наибольшими баротропными и внутренними приливами).

Последний признак установить особенно трудно, т.к. излученные над порогом внутренние приливы приходят довольно быстро, и поэтому возраст локального ВП мало отличается от возраста нелокальных волн.

В настоящей работе на основании анализа результатов гидрофизических измерений с учетом отмеченных подходов исследуются особенности генерации приливных внутренних волн у о. Оаху (Гавайи).

ОПИСАНИЕ ДАННЫХ

Для исследования характеристик приливных внутренних волн на шельфе у о. Оаху использовались результаты гидрофизических измерений, выполненных в акватории б. Мамала в 2003-2004 гг. [5,

11, 12, 14, 15, 18, 19]. В этом регионе Тихого океана в 2002-2004 гг. в рамках международного проекта проводились исследования антропогенных воздействий глубоководного сброса сточных вод г. Гонолулу на экосистемы прибрежных акваторий [1, 5, 11,

12, 14, 15, 18, 19]. Измерения гидрофизических характеристик проводились с помощью ряда заякоренных буев, оборудованных термогирляндами и акустическими измерителями течений (ЛБР), с борта судов зондами СТО и ХВТ, а также буксируемыми микроструктурными зондами МББ [5, 11, 14, 19]. Кроме того, проводилась космическая съемка с борта различных спутников [1, 2, 3, 11, 13, 15, 18].

На рис. 16 показано расположение заякоренных буев, установленных на краю шельфа, на которых проводились измерения вертикальных профилей температуры (точки Ат, Вт, Ст, Бт) и 3-х составляющих вектора течений (точки Лу, Ву, Су). Термистор-ные цепочки и ЛБР располагались рядом [3, 11, 14].

Измерения проводились в 3-х областях б. Мамала (см. рис. 16): около диффузора глубоководного сброса (точки Ат, Бт), на удалении ~3.5 км к востоку от диффузора (точки Вт, Ву) и в ~7 км к юго-востоку от диффузора (точки Ст, Су). Течения измерялись в диапазоне глубин от 4 до 76 м с дискретностью по глубине 2 м и по времени 1 мин. Температура воды измерялась на разных горизонтах от 3-18 м до 45-76 м с дискретностью 2-5 мин в 2003 г. и 30 с в 2004 г. [5, 11, 14]. Накопленные данные с учетом дискретности и длительности измерений позволяют исследовать изменчивость гидрофизических характеристик в б. Мамала в масштабах от нескольких минут до 20 суток.

ФОНОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ В БУХТЕ МАМАЛА

Условия генерации приливных внутренних волн определяются формой рельефа, приливными течениями, плотностной стратификацией и фоновыми течениями в районе.

Батиметрия б. Мамала приведена на рис. 1г. Наклон дна возле берега составляет ~0.1 и увеличивается до 0.2-0.3 дальше от берега (рис. 1д и 1е). Очень близкие к берегу участки дна характеризуются неровной топографией. На глубинах от 10 до 75 м дно в основном плоское, но с каньонами и рифами [10].

Шельф в основном имеет глубины около 50 м. В восточной части бухты глубина постепенно возрастает до 600 м, а на западе она резко увеличивается до 5000 м. Рост глубин, в основном, происходит в южном и юго-западном направлениях. Очень узкий и

Глубина, м 0

(а)

-10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 -90 -100 -110

0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 -90 -100

22.6 22.8 23.0 23.2 23.4 23.6 23.8 24.0 24.2 24.4 24.6 " (б)

22.0 22.5

23.0

23.5

24.0 24.5

Условная плотность, кг/м

3

25.0

Рис. 2. Вертикальные профили плотности воды в б. Мамала по данным измерений в 2003 г. (а) и 2004 г. (б).

крутой шельф в б. Мамала уже в 2-3-х км от берега на глубинах 70-80 м переходит в очень крутой склон (см. рис. 1г).

Приливные течения в б. Мамала вращаются против часовой стрелки по эллипсам, вытянутым вдоль изобат, и особенно сильны в западной части залива [9, 17, 21, 23]. Плотностная стратификация вод в б. Мамала сильно меняется не только по сезонам, но и в зависимости от погодных условий и изменчивости течений [5, 10]. В 2003 г. термоклин был ближе ко дну, чем в 2004 г., что, возможно, связано с сильным перемешиванием верхнего слоя во время тайфуна Джимена, прошедшего вблизи Гавайских о-вов 2 сентября 2003 г. и повлиявшего на поле течений [5]. Примеры вертикальных распределений плотности в 2003 и 2004 гг. пр

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.

Показать целиком