ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОСМИЧЕСКОЙ ^^^^^^^^^^ ИНФОРМАЦИИ О ЗЕМЛЕ
СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СУБМЕЗОМАСШТАБНЫХ ВИХРЕЙ БАЛТИЙСКОГО, ЧЕРНОГО И КАСПИЙСКОГО МОРЕЙ ПО ДАННЫМ
СПУТНИКОВОЙ РАДИОЛОКАЦИИ © 2012 г. С. С. Каримова
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт космических исследований
Российской академии наук, Москва E-mail: feba@list.ru Поступила в редакцию 23.08.2011 г.
В работе проводится анализ субмезомасштабных вихревых структур, обнаруженных на радиолокационных изображениях (РЛИ) Envisat ASAR и ERS-2 SAR в Балтийском, Черном и Каспийском морях в 2009—2010 гг. В результате проведенного анализа были выявлены механизмы, с помощью которых вихревые структуры проявляются на РЛИ указанных морей; определены частота встречаемости вихрей на РЛИ и общее количество вихревых структур; осуществлен статистический анализ пространственного масштаба обнаруженных вихревых образований; исследованы особенности пространственного распространения вихрей, а также их межсезонные различия.
Ключевые слова: субмезомасштабные вихри, спиральные вихри, сдвигово-волновое взаимодействие, радиолокационные изображения, Envisat ASAR, ERS-2 SAR, Балтийское море, Черное море, Каспийское море
ВВЕДЕНИЕ
Объектом исследования данной работы являются субмезомасштабные вихревые структуры (СВС). Термин "субмезомасштабный" по отношению к океаническим вихрям был введен сравнительно недавно, поэтому следует пояснить, что же под ним понимается.
Как известно, вихревые структуры с диаметром в единицы километров традиционно относят к категории мелкомасштабных, а с диаметром в десятки километров — к категории мезомасштаб-ных. Границей между ними считается величина бароклинного радиуса Россби, характерная для рассматриваемого бассейна (Костяной и др., 2010). Под СВС подразумеваются мелкомасштабные вихри плюс наименее крупная (до примерно 20 км в диаметре) часть мезомасштабных вихрей. Употребление термина "субмезомасштабный" в данной работе можно оправдать тем, что он достаточно удобен, т.к. в точности характеризует масштаб вихрей, детектируемых на радиолокационных изображениях (РЛИ) рассматриваемых в работе морей.
Субмезомасштабные вихри представляют собой наименее исследованный участок спектра океанических вихрей. Это легко объясняется их труднодоступностью для изучения как контактными методами, так и с помощью спутниковых изображений низкого и среднего пространственного разрешения. В отличие от большинства средств океанографических исследований, спут-
никовые РЛИ предоставляют прекрасные возможности для изучения именно субмезомасштабных вихрей вследствие достаточно высокого пространственного разрешения этих данных и специфики визуализации на них гидродинамических структур.
В данной работе проводится анализ вихрей, обнаруженных на РЛИ Envisat ASAR и ERS-2 SAR, полученных в 2009—2010 гг. над различными участками акваторий Балтийского, Черного и Каспийского морей. Указанные бассейны в значительной степени различаются по их географическому положению, гидрометеорологическим условиям, особенностям донной топографии и очертаниям берегов, по гидрологическому, гидрохимическому и гидробиологическому режиму вод. Вследствие всех существующих различий в каждом из морей сформировалась специфическая система поверхностной циркуляции. Закономерно предположить, что процессы генерации СВС в исследуемых бассейнах так же обладают своими особенностями. В выявлении этих особенностей и состоит цель данного исследования.
Материал статьи организован следующим образом. Вначале приводятся сравнительный анализ поверхностной циркуляции в исследуемых бассейнах, характеристика используемых данных, а также перечисляются механизмы, благодаря которым гидродинамические структуры могут проявляться на РЛИ. После такой, вводной, части
Рис. 1. Схемы поверхностной циркуляции: а — Балтийского, б — Каспийского и в — Черного морей (источник: Европейское агентство по окружающей среде — European Environmental Agency, www.eea.europa.eu).
статьи обсуждаются результаты проведенных наблюдений, т.е. рассматриваются частота встречаемости СВС на проанализированных изображениях, общее количество вихрей, обнаруженных в различных бассейнах, статистические характеристики диаметра вихрей, особенности пространственного распределения вихревых структур. В заключении перечислены основные выявленные закономерности.
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ПОВЕРХНОСТНОЙ ЦИРКУЛЯЦИИ БАЛТИЙСКОГО, ЧЕРНОГО И КАСПИЙСКОГО МОРЕЙ
Особенности береговой и частично донной топографии исследуемых бассейнов показаны на рис. 1. Там же схематично показаны их системы поверхностной циркуляции. Коротко рассмотрим отличительные особенности каждого из бассейнов.
Балтийское море
Балтийское море представляет собой достаточно мелководный (средняя глубина около 55 м) морской бассейн, который характеризуется сложностью очертаний его береговой линии. Вследствие особенностей донной и береговой топографии он подразделен на большое число суббассейнов (рис. 1а). Благодаря поступлению большого количества речных вод воды моря устойчиво стратифицированы, что в значительной степени затрудняет перемешивание этих вод.
На формирование поверхностных течений бассейна наибольшее влияние оказывают ветровое воздействие и термохалинные эффекты (An-drejev et al., 2004).
В среднем поверхностная циркуляция моря характеризуется формированием циклонических круговоротов в каждом из суббассейнов (рис. 1а). Эта циркуляция подвержена сезонной изменчивости (Lehmann, Hinrichsen, 2000). В частности,
ранней весной, когда ветровое воздействие минимально, интенсивность течений определяется преимущественно бароклинностью вод. Осенью и зимой, при интенсивных западных ветрах, проявляются эффекты экмановской накачки.
Вследствие мелководности и относительной замкнутости суббассейнов на интенсивность течений большое влияние оказывает трение о берега и дно бассейна. Поэтому скорости течений в этом море относительно невелики ^еррагаПа, МугЬег§, 2009).
При краткосрочном рассмотрении течения на поверхности моря определяются преимущественно ветром. Вследствие частой переменчивости погодных условий определяемые ими течения также непостоянны.
СВС — как циклонические, так и антициклонические — с размерами 5—50 км были обнаружены в различных районах моря. В качестве механизмов их формирования указываются меандри-рование основных течений, бароклинная и топографическая их неустойчивость, а также атмосферное воздействие ^еррагаПа, МугЬег§, 2009).
Таким образом, по сравнению с двумя другими бассейнами, Балтийское море отличается наименьшей глубиной, наибольшим количеством суббассейнов и, как следствие, наиболее слабой и неустойчивой поверхностной циркуляцией. Ба-роклинный радиус деформации Россби для этого моря наименьший — 1—10 км (08Ш8к1 е! а1., 2010).
Черное море
Черное море — глубокий водоем (средняя глубина 1253 м) со сравнительно простыми очертаниями береговой линии (рис. 1в). Донная топография морской котловины характеризуется узким шельфом и крутым континентальным склоном практически всюду, кроме северо-западной части моря.
Основная черта поверхностной циркуляции Черного моря — наличие мощного течения, охватывающего всю его периферическую часть и следующего в циклоническом направлении ориентировочно над бровкой шельфа — Основного черноморского течения (ОЧТ). Причины его формирования — бароклинные эффекты, связанные с поступлением речных вод, и циклоническая завихренность поля ветра над бассейном. Как и в случае с циклоническими круговоротами в Балтийском море, ОЧТ подвержено сезонным модуляциям, определяемым интенсивностью ветрового воздействия (Виг, 11ут, 1997; Zatsepin е!а1., 2003).
В некоторых работах указывается наличие внутри ОЧТ также двух или трех циклонических субкруговоротов (рис. 1в), но их существование
не было подтверждено дрифтерными экспериментами (Poulain et al., 2005).
Черное море отличается также характерной системой формирования СВС. Один из выдающихся элементов этой схемы — так называемые квазистационарные антициклонические вихри. Наиболее устойчивыми и часто наблюдающимися считаются Батумский, Севастопольский и Кавказский антициклоны. Однако спутниковые наблюдения показали, что вместо одного антициклонического вихря в указанных районах, как правило, формируются более сложные вихревые образования — диполи и мультиполи (Гинзбург и др., 1996; 1998а, 1998б, 2000а; Kari-mova, 2011).
Другая характерная группа вихрей — прибрежные антициклонические вихри (ПАВ), формирующиеся между ОЧТ и берегом вследствие трения, оказываемого последним. Как правило, ПАВ имеют эллипсовидную форму; большая ось таких вихрей расположена примерно параллельно береговой линии. В большинстве случаев формирование ПАВ происходит в районах с наименьшей шириной шельфа, т.е. преимущественно вдоль Кавказского побережья (Каримова, 2008; Karimo-va, 2011). В работе (Гинзбург и др., 2000б) было показано, что ПАВ могут длительно и стремительно эволюционировать, а также превращаться в вихри открытого моря.
В работе (Karimova, 2011) был проведен анализ нестационарных вихревых структур бассейна, в результате которого было установлено, что наиболее распространенными группами таких вихрей являются вихри Анатолийского побережья, грибовидные течения (вихревые диполи) и вихревые цепочки. Практически все вихревые структуры из перечисленных классов наблюдались в зоне ОЧТ.
Таким образом, из трех рассматриваемых морей Черное море отличается наиболее глубокой котловиной с наиболее простыми очертаниями береговой линии. Отсутствие обособленных суббассейнов приводит к формированию здесь единой циркуляционной системы с мощным кольцевым течением, в зоне которого наблюдается подавляющее число мезомасштабных вихревых структур этого моря. Значения бароклинного радиуса деформации Россби для этого моря оказываются промежуточными по сравнению с другими бассейнами: 15—20 км в открытых частях моря (Журбас и др., 2004) и около 12 км в шельфовых районах (Ginzburg et al., 2000).
Каспийское море
Каспийское море обладает вытянутой в меридиональном направлении котловиной со средней глубиной около 200 м (рис. 1б). На ос
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.