ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2015, том 51, № 5, с. 627-634
УДК 551.465;551.466
РАСПРОСТРАНЕНИЕ ИНЕРЦИОННО-ГРАВИТАЦИОННЫХ ВОЛН
НА ОСТРОВНОМ ШЕЛЬФЕ © 2015 г. В. Г. Бондур, К. Д. Сабинин, Ю. В. Гребенюк
Научно-исследовательский институт аэрокосмического мониторинга "АЭРОКОСМОС"
105064 Москва, Гороховский пер., 4 E-mails: vgbondur@aerocosmos.info; ksabinin@yandex.ru;grebenyk@gmail.com Поступила в редакцию 12.08.2014 г., после доработки 02.03.2015 г.
Анализируется распространение инерционно-гравитационных волн (ИГВ) на границе тихоокеанского шельфа у о. Оаху (Гавайи), генерация которых была рассмотрена в первой части статьи [1]. Показано, что существенную роль при этом играют плоские наклонные волны, характеристики которых были определены с помощью предложенного метода оценки трехмерных параметров волн для случаев, когда имеются измерения только на двух вертикалях. Установлено, что наряду с типичным для ИГВ распространением энергии вниз имело место и восходящее движение волновых пакетов от дна к верхним слоям, связанное с излучением волн от интенсивных струй сбрасываемых вод, которые вытекают из расположенного на дне диффузора.
Ключевые слова: инерционно-гравитационные волны, профилометр, шельф, индекс изменения течений.
Б01: 10.7868/80002351515050028
ВВЕДЕНИЕ
Данная работа посвящена исследованию распространения инерционно-гравитационных волн (ИГВ) на тихоокеанском шельфе у о. Оаху, генерация которых обсуждалась в первой части статьи [1]. Содержание и условия проведения экспериментов, результаты которых касаются генерации ИГВ, описаны в работах [1, 2]. Данные о полях течений на горизонтах от 4 до 76 м были получены с помощью донных акустических доплеровских профилометров течений АЭР, расположенных вдоль изобаты 80 м на краю крутого и узкого шельфа в точках Л, В и С (см. рис. 1) [3, 4]. Эксперименты проводились в августе—сентябре в течение 512 ч в 2003 г. и 385 ч — в 2004 г. Дискретность измерений по глубине была 2 м, а по времени — 1 мин. Станции измерений в 2003 г. в тексте обозначаются А3 и В3, а в 2004 г. — В4 и С4. Расстояние между станциями А3 и В3, направленными с запада на восток, было 2.807 км, а между направленными по азимуту 131° станциями В4 и С4 — 3.086 км.
Одновременно с гидрофизическими измерениями проводились дистанционные исследования поверхностных проявлений глубинных стоков с помощью оптической и радиолокационной
аппаратуры, установленной на борту различных спутников [5, 6]
Некоторые специфические черты инерционных колебаний, обнаруженные в ходе проведенных экспериментальных исследований на краю островного шельфа бухты Мамала (о. Оаху), были
Рис. 1. Схема расположения в бухте Мамала станций измерения скоростей течений Л у, В у, Су.
(а)
£ -50
5 °
а
4 £
3 ^
3 к
2 ч
7 е
0.010 0.020 0.030 0.040 0.050 0.015 0.025 0.035 0.045 0.055 (б)
0.010 0.020 0.030 0.040 0.050 0.015 0.025 0.035 0.045 0.055 Частота, цикл/ч
Рис. 2. Средние амплитудные спектры течений в зависимости от глубины в 2003 (а) и 2004 гг. (б).
рассмотрены в работах [1, 2]. В этой акватории выявлена аномальная изменчивость инерционных колебаний — необычная форма годографов с часто встречающимися случаями левого вращения инерционных течений и существенные изменения периода колебаний. Эти аномалии связаны с сильными и неоднородными в пространстве и во времени течениями в районе проведения экспериментов, описание которых дано в работе [2].
В настоящей статье дан анализ экспериментальных данных и обсуждаются полученные результаты, касающиеся особенностей распространения ИГВ в период проведения измерений.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Условия проведения экспериментов в различные годы отличались. В период проведения измерений в 2003 г. вблизи Гавайских островов 4 августа прошел тайфун Лшепа, возбудивший сильные течения в верхнем слое океана и в меньшей степени во всей толще вод на краю шельфа. Вследствие этого были интенсифицированы и инерционные колебания, амплитуда которых в 2003 г. была в несколько раз больше, чем в 2004 г., более спокойном в ветровом отношении [1, 2, 4]. Течения резко ослабевали (до нескольких см/с) на глубинах более 12 м, сохраняя преобладание западной составляющей направлений [2]. Подобные явления рассматриваются также в работе [7].
Инерционные колебания течений, под которыми мы будем понимать колебания в диапазоне локальной инерционной частоты / ± 0.005 цикл/ч (отфильтрованные фильтром Баттеруорда 3-го порядка с полосой пропускания 0.025 < ¥ < < 0.035 цикл/ч), выражены в районе наблюдений
очень слабо, о чем говорят средние амплитудные спектры течений, показанные на рис. 2. Анализ амплитуд спектров велся по ежечасным значениям компонентов скоростей и и V посредством суммирования дисперсий колебаний компонентов в каждой частотной полосе спектра с последующим извлечением квадратного корня из дисперсий, так что полученные амплитуды являются среднеквадратическими значениями [8].
В 2003 г. были хорошо выражены суточные волны в верхнем слое океана, тогда как инерционные колебания проявлялись лишь в очень слабом пике вверху и незначительном повышении спектральной плотности в нижележащих слоях (см. рис. 2а). В 2004 г. помимо суточного спектрального максимума на всех горизонтах выделяются "хребты" колебаний на частотах 0.03 цикл/ч и 0.044 цикл/ч (см. рис. 2б).
Следует отметить, что хотя спектральная плотность инерционных колебаний в 2003 г., когда вблизи Гавайев прошел тайфун, была выше, чем в 2004 г., но она слабее выделялась на фоне общего повышения энергии колебаний на других частотах (особенно вблизи частот 0.035—0.05 цикл/ч).
Проанализируем колебания в терминах наклонных (плоских) инерционно-гравитационных волн (ИГВ). Орбиты наклонных волн лежат в плоскостях, перпендикулярных полному волновому вектору, тогда как энергия распространяется вдоль наибольшего наклона плоскости в ту же сторону по горизонтали, как и фаза, и в противоположную — по вертикали [9]. Ясно, что в наклонных волнах наибольшей корреляции колебаний на разнесенных по горизонтали вертикалях (станции А, В в 2003 г., В, С в 2004 г.) следует ожидать уже не вдоль горизонтальных, а вдоль некоторых наклонных направлений, отражающих геометрию лучей, вдоль которых распространяется энергия ИГВ.
Рассмотрим основные характеристики инерционных течений, наблюдавшихся на Гавайском шельфе в 2003 и 2004 гг.
РАСПРОСТРАНЕНИЕ ПАКЕТОВ ИГВ В 2003 г.
Прежде всего, проанализируем корреляцию инерционных течений в 2003 г. между данными синхронных измерений на вертикалях А3 и В3 (см. рис. 1) вдоль трасс всех направлений в плоскости OZ декартовой системы координат ОХУ2, где ОХ направлена от А к В (база АВ), т.е. на восток, ОТ — на север, а OZ — вверх от поверхности океана. При этом здесь и в дальнейшем мы будем анализировать течения в виде комплексных величин и + I х V, где и и V — компоненты скорости вдоль осей ОХ и ОУ соответственно.
На рис. 3, изображающем поле корреляций комплексных величин и + I х V, видно, что верхний
-70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 Глубина, м, станция А3
Рис. 3. Распространение ИГВ вдоль базы АВ в 2003г. (обозначены А3 и В3) и оценки корреляции течений вдоль наклонных трасс.
Рис. 4. Амплитуды инерционных колебаний и их огибающие на концах трассы АВ, т.е. в точках А (72 м) и В (18 м) (а); трасса между точками А и В с наибольшей (0.72) корреляцией ИГВ и средний профиль частоты Брента-Вяйсяля (б).
слой (выше 14 м) отделен от основной части провалами корреляции в слое глубиной около 15 м, где наблюдалась дивергенция течений, способствовавшая поглощению ИГВ [2].
Естественно считать, что распространению пакетов инерционно-гравитационных волн в рассматриваемой плоскости соответствуют трассы с наибольшими значениями коэффициента корреляции колебаний на ее концах. В нашем случае это, во-первых, наклонная трасса АВ от 72 м на вертикали А (точка А) до 18 м на вертикали В (точка В) и, во-вторых, почти горизонтальная трасса АВ1 в верхнем слое от 4 м на вертикали А (точка А1) до 12 м на вертикали В (точка В1).
Проанализируем сначала слой ниже 14 м, где наибольшая корреляция между инерционными колебаниями на вертикалях А и В наблюдается не на одинаковых горизонтах, а между нижними слоями на вертикали А и верхними - на вертикали В, где корреляция колебаний между точками А и В достигает 0.72. Рассмотрим изменение амплитуды колебаний во времени на концах этой трассы АВ (см. рис. 4а). Всплески амплитуд инерционных колебаний на концах трассы АВ, хорошо за-
метные на профилях огибающих (см. рис. 4а), можно связывать с прохождением различных пакетов ИГВ из 4-5 волн с амплитудами до 4-5 см/с. Наиболее значительные всплески отмечались на обеих вертикалях между 200-м и 350-м часами наблюдений. На рисунке 4б показана трасса между точками А и В с наибольшей (0.72) корреляцией ИГВ и измеренный средний профиль частоты Брента-Вяйселя
N = ( Ф ¿г )
где р - плотность, г - глубина.
Для оценивания всех трех компонентов волнового вектора требуются измерения с помощью трехмерных антенн, т.е., как минимум, на трех разнесенных по горизонтали вертикалях. Но можно попытаться оценить полный волновой вектор и по данным, полученным на двух вертикалях, с использованием следующего метода. По ориентации большой оси эллиптических годографов инерционных течений можно установить направление волн с неоднозначностью ±180°. В данном случае
0.5
0
0
ось У
Рис. 5. Поверхность равных фаз наклонной внутренней волны (плоскость орбит), бегущей на северо-восток и вниз с параметрами Кх = Ку = 0.5 и К, = = —1.5 цикл/км. Жирной стрелкой показан полный волновой вектор, а штриховой — луч, вдоль которого распространяется энергия. Пунктиром обозначена линия пересечения плоскости орбит с плоскостью XZ (трасса).
волновые годографы основного цуга были направлены вдоль линии юго-запад — северо-восток. Этому должно соответствовать и направление горизонтальных волновых векторов — на юго-запад или на северо-восток. Трасса АВ — это линия пересечения ("след") плоскости равных фаз наклонной волны с вертикальной плоскостью XZ, проходящей через вертикали А и В. В этой плоскости лежат волнов
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.