ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2010, том 46, № 5, с. 694- 702
УДК 551.465; 551.466
ВНУТРЕННИЕ ВОЛНЫ НА МАТЕРИКОВОМ И ОСТРОВНОМ ШЕЛЬФАХ ОТКРЫТОГО ОКЕАНА: СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ НА ПРИМЕРЕ НАБЛЮДЕНИЙ НА НЬЮ-ЙОРКСКОМ И ГАВАЙСКОМ ШЕЛЬФАХ © 2010 г. В. Г. Бондур, Ю. В. Гребенюк, К. Д. Сабинин
ГУ Научный центр аэрокосмического мониторинга "Аэрокосмос" Рособразования и РАН
105064 Москва, Гороховый пер., 4 E-mail: vgbondur@aerocosmos.info E-mail: grebenyk@gmail.com E-mail: ksabinin@yandex.ru Поступила в редакцию 12.08.2009 г., после доработки 18.01.2010 г.
На основании результатов обработки экспериментальных данных по скоростям течений и температуре воды на Атлантическом шельфе США и у Гавайских островов (о. Оаху, залив Мамала) проводится сравнительный анализ характеристик внутренних волн в этих представительных районах материкового и островного шельфов океана. Выполненные исследования показали, что поля внутренних волн в рассматриваемых районах сильно отличаются друг от друга как в низкочастотном, так и в высокочастотном диапазонах. На Атлантическом шельфе регулярно наблюдаются цуги мощных внутренних солитонов, которые отчетливо проявляются на космических изображениях поверхности океана. На островных шельфах солитоноподобные внутренние волны появляются реже в виде весьма специфических колебаний. Отсутствие поверхностных проявлений даже мощных солитонов в заливе Мамала обусловлено как большой глубиной пикноклина, так и тем, что вертикальная структура этих солитонов определяется второй, а не первой модой, как на Атлантическом шельфе.
Ключевые слова: внутренние приливы, бароклинные течения, внутренняя волна, солитон, солибор, изотерма, термоклин, когерентность, фазовая скорость.
ВВЕДЕНИЕ говоротов, где термоклин глубокий, представляет
большой интерес.
Цуги солитоноподобных внутренних волн
(СВВ) часто встречаются в океанах и морях, в осо- ^сшыгажь та датьк наблк>дений на Атланш-
бенности вблизи континентальных шельфов [1-4] ческом шетьфе США у Лонг а^йшщц и у Гатажкж
и некоторых подводных поднятий открытого океа- островов (°. °ахуХ мы готгга^ь ^яжжгь этот
на, таких, например, как Маскаренский хребет, вопрос, сравнив Ф°н°вые усшовия и харакгержтаки
Сейшельские острова и т.п. [3, 4]. Во всех этих рай- вошн (ВВ) в этих двух ^ДОтаттетьти
онах СВВ отчетливо проявляются на поверхности районах: При этомда^уя данные п°др°бных измерений колебаний течений и температуры, мы со-
океана в виде характерных полосчатых структур че-
поставили низкочастотные ВВ (внутренние приливы редующихся сулоев и сликов, которые хорошо ре- ч \ j г г
и инерционные волны) как главные источники СВВ
гистрируются на космических оптических и радио-
^ _ пит, и высокочастотные ВВ, с особым вниманием отно-
локационных изображениях 11-41. В то же время „„„т __
^ сясь к цугам интенсивных волн. подобные цуги не замечены по их проявлениям на
поверхности вблизи таких крупных неоднородно-
стей рельефа даа, как Гагажк™ хребет, и деугж 1. СОПОСТАВЛЕНИЕ ФОНОВЫХ УСЛОВИЙ
островных поднятий центральной части Тихого в РАЙОНАХ ИССЛЕДОВАНИЙ океана [5-7]. Пока еще не совсем ясно, связано ли
это с отсутствием СВВ в этих районах или они про- Профиль дна на Атлантическом шельфе у о. Лонг
сто не проявляются на поверхности океана из-за Айленд приведен на рис. 1а. На рис. 1в показано ти-
большой глубины термокшина. Поскольку СВВ иг- пичное распределение частоты плавучести в этом ре-
рают важную роль в перемешивании вод океана [8], гионе. Здесь формируется две системы ВВ. Первая из
выяснение вопроса об их наличии у поднятий дна них распространяется из района генерации на краю
открытого океана внутри антициклонических кру- шельфа в северо-западном направлении, т.е. к берегу,
вторая система волн формируется южнее в районе каньона Гудзона и перемещается вдоль изобат.
Исследуемая акватория у о. Оаху расположена в области Гавайского хребта, где также наблюдаются интенсивная генерация внутренних приливов. Главной особенностью хребта является сверхкритическая крутизна его склонов, вследствие чего внутренние приливы генерируются здесь не над бровкой шельфа, как обычно, а на глубинах 500—1000 м [1, 5, 6, 9—17]. На рис. 1б приведен профиль дна в заливе Мамала у о. Оаху, из которой видно, что очень узкий и крутой шельф в заливе уже в 2-х км от берега переходит в очень крутой склон. Наиболее сильные полусуточные внутренние приливы в заливе Мамала связаны с удаленными источниками над порогами в проливах по обе стороны от о. Оаху.
На рис. 1в приведено типичное распределение частоты плавучести в заливе Мамала в летний период.
2. ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ ВЫЧИСЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВНУТРЕННИХ ВОЛН
Для вычисления характеристик ВВ на Гавайском шельфе использовались результаты ежеминутных измерений профилей течений и температуры, выполненных в конце лета 2004 г. с помощью 2-х донных ADP (Bv, Cv) и 4-х заякоренных термогирлянд (ATDT), которые были установлены на краю шельфа у о. Оаху (залив Мамала) [9, 13, 18]. Измерения температуры проводились на 8-ми горизонтах в термоклине (глубины 23—72 м), а измерения течений — через каждые 2 м в слое от 4 до 76 м. Использовались также данные о плотностной стратификации, полученные с помощью микроструктурного зонда MSS [9, 13].
Для вычисления характеристик ВВ на Атлантическом шельфе использовались измерения профилей течений, выполненных с помощью донного ADCP на краю шельфа на глубине 103 м в эксперименте SWARM в 1995 г. [3]. Измерения проводились с 20 по 30 июля 1995 г. с дискретностью 1.5 минуты на 22-х горизонтах от 11 до 95 м через каждые 4 м.
Методика обработки исходных экспериментальных данных включала предварительную и специальную обработку. Предварительная обработка состояла в сглаживании массивов течений по глубине с помощью низкочастотного фильтра Баттеруорда 3-го порядка с частотой среза 100 ц/км, фильтрации по времени полосовым, низко- или высокочастотным фильтрами Баттеруорда 6-го порядка, формировании массивов данных по колебаниям глубины изотерм.
Сильно изрезанные вертикальные профили течений в заливе Мамала приобретают осмысленный вид лишь при сглаживании не менее, чем по 10 м (Fc = 100 ц/км). Данные измерений течений на Атлантическом шельфе с помощью ADCP (4 луча) яв-
0 20 S 40 2 60 S 80 §100 й 120 140
(а)
0
S 40
S 80
к
Ц120 160
-5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Расстояние, км
(б)
0
20
м
а, 40
н и 60
б
у л 80
(-н 100
120
8 1.2 1.6 2.0 2.4 2.8 3.2 3.4
Расстояние, км
(в)
__ ______^ -АШ
- ------------ ^ J У < ■ - - - ЗМ
-
5 10 15 20 25 30 Частота плавучести, цикл/ч
Рис. 1. Профили дна на Атлантическом шельфе (АШ) (а) и в заливе Мамала (ЗМ) (б), типичные профили частоты плавучести в этих районах (в).
ляются более точными и поэтому используются в основном без сглаживания.
При специальной обработке вычислялись следующие характеристики: составляющие течений, связанные с поверхностными и внутренними волнами, эмпирические ортогональные функции (ЭОФ), спектральные характеристики колебаний течений (в том числе спектральные инварианты и спектры по частотам и волновым числам), спектры изотерм и связь их колебаний с колебаниями течений, фазовые скорости волн.
3. СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НИЗКОЧАСТОТНЫХ ВНУТРЕННИХ ВОЛН
Имеющиеся публикации указывают на сравнительно простой характер и преимущественно локальную генерацию внутренних приливов (ВП) на Атлантическом шельфе [2—4, 7] и сложную и сильно изменчивую структуру поля ВП на Гавайском шельфе [6, 7, 10, 13], где орбитальные течения часто
0
(а)
+- 26 м * 10 м ^_76 м Теория
10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
(б)
* + + + ~ + * 95 м + 75 м 55 м + 35 м 15 м
" * + - + + А * * ♦ ° +
" + $ * о + ° * - + + * + + ° + л *+ + * + о * - ♦ +
4-
0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 Частота, цикл/ч Частота, цикл/ч
200 /с150 с100
(а)
50
0
80 60 40 20
0 0.1 0.2 0.3 Частота, цикл/ч
400 300 200 100
0
80 60 40 20
0 0.1 0.2 0.3 Частота, цикл/ч
Рис. 2. Отношение спектров право- и левостороннего вращения Sп/Sл внутриволновых течений в зал. Ма-мала (а) и на Атлантическом шельфе (б) на разных глубинах.
Рис. 3. Сопоставление спектров течений нисходящих и восходящих поперечных (а, в) и продольных (б, г) внутренних волн в заливе Мамала (а, б) и на Атлантическом шельфе (в, г).
обнаруживают необычный, циклонический характер вращения (против часовой стрелки).
Здесь приводятся некоторые новые результаты, полученные по часовым данным после соответствующего сглаживания по глубине и по времени. На рис. 2 приведены графики отношения спектров право- и левостороннего вращения внутриволновых течений в заливе Мамала и на Атлантическом шельфе. Анализ рис. 2 показывает, что в заливе Мамала в нижнем слое доминирует левостороннее (циклоническое) вращение на приливных частотах, тогда как на Атлантическом шельфе вращение везде правильное (антициклоническое), хотя орбиты утолщены из-за неустойчивости направлений. Однако отношение вращательных компонент и на Атлантическом шельфе значительно выше теоретического (жирная линия на рис. 2), которое должно быть в волнах Свердрупа.
Заметим, что здесь, как и везде в этом пункте, внутриволновые движения выделялись из общего поля вычитанием нулевой моды ЭОФ, которая и характеризует поле течений поверхностного прилива в исследуемом районе. Простое вычитание средних по вертикали течений, как это обычно делается, дает ба-роклинную составляющую поля, которая включает в себя и течения поверхностного прилива вблизи резких неоднородностей рельефа дна [11].
Сопоставим теперь частотные спектры внутриволновых течений в исследуемых районах, различая волны, энергия которых идет вверх (восходящие ВВ) и вниз (нисходящие ВВ). Это достигается путем суммирования спектральной плотности в соответствующих квадрантах двумерных спектров по частоте и вертикальному волновому числу с применением метода Вентцеля, Крамерса, Бриллюэна
(ВКБ) — трансформации оси глубин [19]. На рис. 3 дано сопоставление одномерных спектров в заливе Мамала и на Атлантическом шельфе.
Расчеты таких спектров для различающихся по вертикальному на
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.