ОКЕАНОЛОГИЯ, 2004, том 44, № 1, с. 34-48
= ФИЗИКА МОРЯ
УДК 551.465
ЦИРКУЛЯЦИЯ ВОД И ХАРАКТЕРИСТИКИ РАЗНОМАСШТАБНЫХ ТЕЧЕНИЙ В ВЕРХНЕМ СЛОЕ ЧЕРНОГО МОРЯ ПО ДРИФТЕРНЫМ ДАННЫМ
© 2004 г. В. М. Журбас1, А. Г. Зацепин1, Ю. В. Григорьева1, В. Н. Еремеев2, В. В. Кременецкий2, С. В. Мотыжев2, С. Г. Поярков1, П.-М. Пулейн3, С. В. Станичный2, Д. М. Соловьев2
1Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва, Россия 2Морской гидрофизический институт НАНУ, Севастополь, Украина 3Националъный институт экспериментальной океанографии и геофизики, Триест, Италия
Поступила в редакцию 12.03.2003 г.
Описаны результаты анализа данных черноморского дрифтерного эксперимента, полученных за период с сентября 1999 г. по сентябрь 2002 г. Траектории дрифтеров подтвердили существование интенсивных мезомасштабных вихрей как в прибрежной, так и в глубоководной частях Черного моря. Получена оценка коэффициента горизонтальной вихревой диффузии и определен масштаб времени обмена между центральной и прибрежной зонами моря. Рассчитаны пространственные распределения полной кинетической энергии течений, кинетических энергий средней и пульсационной составляющих течения, инерционных колебаний. Оценены значения этих характеристик как для всего моря, так и для его различных районов (глубоководная часть, континентальный склон и шельф).
1. ВВЕДЕНИЕ
Традиционная, основанная на гидрологических наблюдениях схема макромасштабной поверхностной циркуляции вод Черного моря, созданная Книповичем [11], включает в себя Основное черноморское течение (ОЧТ) с осью над континентальным склоном, распространяющееся в циклоническом направлении по периметру моря, и два циклонических круговорота (восточный и западный) в глубоководной части моря. В одном из последних вариантов этой схемы, предложенном Овчинниковым и Поповым [14], наряду с указанными элементами циркуляции были выделены также прибрежные антициклонические вихри, расположенные между ОЧТ и берегом. Отмечалось, что эти вихри играют важнейшую роль в вертикальном и горизонтальном (боковом) обмене прибрежной зоны с глубоким морем. Однако из этих схем остается неясным, каким образом происходит водообмен в масштабе всего моря, поскольку прибрежная зона и центральная часть бассейна разделены ОЧТ в виде замкнутого кольца.
Современный анализ многочисленных спутниковых изображений в инфракрасном (ИК) и видимом диапазонах спектра выявил широкую распространенность мезомасштабных вихревых структур -антициклонов и циклонов, вихревых диполей и мультиполей и др. - не только в прибрежной зоне, но и в открытой части Черного моря [6, 8, 26]. Стало очевидным, что эти структуры (размером
10-100 км в поперечнике) существенным образом влияют на общую циркуляцию вод и внутрибас-сейновый водообмен. Однако для ответа на вопрос, как взаимодействуют между собой макро- и мезомасштабные формы движения вод, а также для получения количественных данных о поверхностных течениях и вихревом обмене, наряду со спутниковой информацией требуется использовать другие методы наблюдений. Широко используемым в Мировом океане и, по-видимому, наиболее репрезентативным методом исследования горизонтальной циркуляции вод верхнего слоя являются лагранжевы дрифтеры со спутниковым каналом передачи информации и определения географических координат [28]. Однако до 1999 г. на Черном море дрифтеры такого типа использовались только в испытательных целях [13].
Задача данной статьи - описать особенности циркуляции вод Черного моря и различных характеристик разномасштабных течений в его верхнем слое на основе данных международного дрифтерного эксперимента 1999-2002 гг. Отметим, что лишь небольшая часть анализируемого в данной работе массива данных, относящихся к 1999 г., использовалась нами ранее с этой же целью [7].
Работа состоит из нескольких разделов. В разделе 2 представлены общие сведения о дрифтер-ном эксперименте и дан краткий анализ траекто-
рий дрифтеров. В разделе 3 описаны данные, использовавшиеся для количественного анализа, а также методика их первичной обработки и выделения средней и флуктуационной составляющих скорости перемещения дрифтера. Приводятся типичные автокорреляционные функции, функции спектральной плотности для компонентов скорости и обсуждаются особенности этих функций. В разделе 4 на основе гипотезы Тейлора [30] определяется характерное значение коэффициента горизонтального обмена, а также осуществляется его параметризация. В разделе 5 приводятся результаты расчетов и карты распределения по акватории моря средней скорости течений, а также их кинетической энергии, ее средней и флуктуационной составляющих. Заключение содержит основные результаты и выводы работы.
2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ДРИФТЕРНОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ И РЕЗУЛЬТАТЫ КАЧЕСТВЕННОГО АНАЛИЗА ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ДРИФТЕРОВ
Одним из достижений современного этапа (1999-2002 гг.) международных исследований Черного моря, осуществляемых в рамках черноморского сегмента Глобальной Системы Наблюдений Океана (Black Sea GOOS), явилось применение лагранжевых SVP и SVPB дрифтеров для изучения циркуляции вод в верхнем слое моря, а также для определения температуры морской поверхности (ТПМ) и приводного атмосферного давления (ПАД) [24]. Эти дрифтеры (рис. 1) имеют вертикальный подводный парус цилиндрической формы с центром действия на глубине 15 м, сопротивление которого примерно в 40 раз больше, чем у связанного с ним поверхностного поплавка. Таким образом, влияние поверхностных волн и дрейфовых течений на горизонтальное перемещение дрифтера не является существенным, т.к. он переносится вместе с водной массой, окружающей его парус. Посредством передатчика, электроники и антенны, расположенных в поверхностном поплавке, осуществляется связь дрифтера со спутниками системы "Аргос" и производится (до десяти раз в сутки) определение местоположения дрифтера с разрешением не хуже нескольких сотен метров. Кроме того, на спутник передается как техническая (напряжение электробатарей и др.), так и научная (ТПМ с SVP дрифтеров, либо ТПМ и ПАД с SVPB дрифтеров) информация. Со спутника вся эта информация поступает в Центр Приема Данных, а оттуда - потребителям.
Так как черноморский дрифтерный эксперимент все еще продолжается, в данной работе анализируются лишь данные, полученные в период с сентября 1999 г. по сентябрь 2002 г. При этом рассматриваются только характеристики перемеще-
ч
о
(
о
(
о
Рис. 1. Схема дрифтера лагранжева типа со спутниковым каналом передачи информации. 1 - поверхностный поплавок; 2 - тросовая линия с промежуточной плавучестью; 3 - цилиндрический парус с отверстиями из натянутого на обручи дакрона; 4 - спутник связи; 5 - станция приема информации; 6 - центр первичной обработки данных; 7 - потребитель информации.
ния дрифтеров по акватории на основе спутниковых определений координат, а информация с дриф-терных датчиков о ТПМ и ПАД не используется.
Дрифтерный эксперимент 1999-2002 гг. состоял из нескольких фаз, каждая из которых начиналась с квазисинхронного запуска кластера дрифтеров (4-10 штук) в различных районах открытой части Черного моря. Всего в указанный период было запущено 34 лагранжевых дрифтера. В табл. 1 приведены данные о продуктивном времени работы каждого из них (среднее время работы - 135 сут, максимальное - 277 сут) и средней частоте их обсерваций за сутки. Из этой таблицы видно, что не все дрифтеры обеспечивали нормальную (4-6 раз в сутки) частоту определения координат. Некоторые дрифтеры по тем или иным причинам работали очень недолго и позволили получить данные, представляющие весьма ограниченный интерес. Поэтому для выявления количественных
4
5
1
2
3
7
Таблица 1. "Время жизни" дрифтеров в сутках (Тд) и среднее число их обсерваций за сутки (т)
№ дрифтера Тд т № дрифтера Тд т № дрифтера Тд т № дрифтера Тд т
16330 277 7.1 17431 91 4.5 28376 20 0.6 33352 189 5.0
16331 165 6.6 17432 91 4.0 28377 72 7.0 34829 154 5.2
16332 84 4.7 17483 5 2.6 28378 119 0.3 34830 167 7.3
16333 54 2.1 17484 202 3.1 28379 104 1.1 34831 24 2.7
16334 250 3.5 17485 172 1.2 33347 62 6.5 34832 114 4.3
16335 169 4.1 17486 5 4.8 33348 11 6.5 34833 172 6.9
16336 140 4.2 17487 100 0.4 33349 154 5.6 34834 166 5.5
16337 139 6.1 17490 36 2.0 33350 54 2.0
17430 92 7.5 17491 90 4.6 33351 31 0.3
— 1/2
Таблица 2. Оценки лагранжевых масштабов длины (Ьи = аиТи, Lv = аТ), времени (Ти, ТД скорости (аи = и' ,
21/2 2 2 аv = V1 ) и коэффициентов горизонтального обмена (Ки = и' Ти, К= V1 Ти)
№ дрифтера Lu (км) Lv (км) Ти (сут) Tv (сут) аи (м2/с2) (м2/с2) Ки (м2/с) х 104 (м2/с) х 104
17430 12.7 16.1 1.33 1.69 0.11 0.11 0.14 0.18
17491 15.1 11.4 1.17 1.06 0.15 0.12 0.22 0.14
16330 25.9 18.0 3.16 2.44 0.09 0.08 0.25 0.15
16331 18.5 13.8 1.10 0.91 0.19 0.17 0.36 0.24
16332 12.2 7.54 1.40 1.00 0.10 0.09 0.12 0.07
16333 17.2 7.51 1.28 0.78 0.15 0.11 0.27 0.08
16334 45.8 20.6 3.02 1.78 0.18 0.13 0.81 0.28
16335 41.8 20.5 3.40 1.93 0.14 0.12 0.60 0.25
16336 36.6 14.7 2.75 1.51 0.15 0.11 0.56 0.17
16337 25.0 22.0 2.05 2.16 0.14 0.12 0.35 0.26
17484 28.2 8.4 3.30 1.43 0.10 0.07 0.28 0.06
17490 7.13 7.91 1.15 1.01 0.07 0.09 0.05 0.07
33347 8.14 13.0 0.96 1.25 0.10 0.12 0.08 0.16
33349 55.4 13.1 4.64 1.40 0.14 0.11 0.76 0.14
33350 6.09 12.0 1.08 1.48 0.06 0.09 0.04 0.11
33352 34.9 15.5 3.28 1.93 0.12 0.09 0.43 0.14
34829 23.0 19.2 1.75 1.96 0.15 0.11 0.35 0.22
34830 32.8 21.6 3.55 2.60 0.10 0.09 0.35 0.21
34832 35.7 32.0 2.55 2.54 0.16 0.14 0.58 0.47
34833 36.4 31.2 2.91 2.68 0.14 0.13 0.53 0.42
34834 32.4 11.1 3.18 1.20 0.12 0.10 0.38 0.18
Среднее 26.2 16.1 2.33 1.65 0.13 0.11 0.36 0.19
Ср.-кв.отк. 13.3 6.8 1.05 0.57 0.03 0.02 0.22 0.10
характеристик течений использовались данные только дрифтеров, указанных в табл. 2.
Среди факторов, ограничивающих продуктивное время жизни дрифтеров, на первом месте - их "застревание" на мелководье (приблизительно
50% случаев). Второе и третье места делят между собой случаи умышленного уничтожения дрифтеров (так называемый "вандализм рыбаков") и отказы по техническим причинам (приблизительно по 25% случаев). Однако, даже с учетом этого,
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.