ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ О ЗЕМЛЕ
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕЗОМАСШТАБНЫХ И СУБМЕЗОМАСШТАБНЫХ ВИХРЕЙ В ОХОТСКОМ МОРЕ ПО ДАННЫМ СПУТНИКОВЫХ НАБЛЮДЕНИЙ
© 2014 г. И. А. Жабин*, А. Г. Андреев
Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева ДВО РАН, Владивосток
*Е-таП: zhabin@poi.dvo.ru Поступила в редакцию 15.05.2013 г.
Проведено исследование взаимодействия мезомасштабных и субмезомасштабных вихрей в глубоководной Курильской котловине Охотского моря. Анализ многолетнего ряда спутниковых альти-метрических наблюдений (2000—2011 гг.) показал, что циркуляция вод в Курильской котловине определяется тремя квазистационарными мезомасштабными антициклоническими вихрями. По данным скаттерометра Зеа^пё ИСЗ QuikSCAT в теплую половину года над глубоководной частью Охотского моря наблюдается отрицательная завихренность поля напряжения ветра, которая формирует антициклоническую циркуляцию вод, состоящую из мезомасштабных вихрей. Анализ спутниковых ИК-изображений показал, что субмезомасштабные процессы определяют взаимодействие мезомасштабных вихрей с водами зоны интенсивного приливного перемешивания, расположенной на шельфе Курильских о-вов. Субмезомасштабные циклонические вихри формируются на фронтах приливного перемешивания и в районе прол. Буссоль, расположенного в центральной части Курильской гряды. Лагранжева диагностика показала, что субмезомасштабные вихри распространяются по периферии северного мезомасштабного вихря в пределах адвективного стримера, ограниченного транспортными барьерами. Формирование и разрушение субмезомасштабных вихрей за счет горизонтального перемешивания приводят к поступлению холодных и богатых биогенными элементами вод зоны интенсивного приливного перемешивания в глубоководную Курильскую котловину. За счет взаимодействия субмезомасштабных и мезомасштабных вихрей в поверхностном слое северо-восточной части Охотского моря в летний период наблюдаются повышенные концентрации хлорофилла-а.
Ключевые слова: мезомасштабные и субмезомасштабные вихри, фронты приливного перемешивания, АУИЯЯ, Ьапё8а1, МОБК, спутниковая альтиметрия, хлорофилл-а, Охотское море, Курильские о-ва
DOI: 10.7868/S0205961414030075
ВВЕДЕНИЕ
Субмезомасштабная изменчивость океана связана с различными физическими явлениями, которые включают в себя вихри, стримеры и фронты. Горизонтальные масштабы субмезомасштабных процессов составляют 0.1—10 км, вертикальные — 10—100 м, временные — 1—10 дней. Субмезомасштабные процессы играют важную роль в горизонтальном и вертикальном переносе массы, плавучести и трассеров в верхнем слое океана. Субмезомасштабная изменчивость рассматривается как промежуточное звено в переносе энергии от мезомасштабных движений (горизонтальный масштаб ~100 км) к мелкомасштабной турбулентности. К субмезомасштабным процессам относятся стримеры (струйные течения на периферии мезомасштабных вихрей), поперечные струйные течения в системах прибрежного ап-веллинга (filaments) и спиральные вихри. Эти явления наблюдаются во фронтальных зонах и при
взаимодействии вихрей с водами прибрежных районов. Субмезомасштабные вихри, которые часто наблюдаются в морях и океане, характеризуются числом Россби Ro ~ 1 и не могут быть представлены в рамках традиционного квазигеострофического приближения (Ro ~ 0.1), используемого для описания мезомасштабного поля скорости (Thomas et al., 2008). Число Россби характеризует отношение сил инерции к силе Кориолиса. Нарушение геострофического баланса, при котором сила Ко-риолиса уравновешивается горизонтальным градиентом давления (Ro ^ 1), приводит к развитию агеострофической циркуляции, которая может быть связана с действием трения и центробежной силой. Прямые инструментальные наблюдения субмезомасштабных вихрей практически отсутствуют, что связано в первую очередь с пространственными и временными масштабами этих вихревых структур. Для исследования субмезомасштаб-ных вихрей обычно используются спутниковые данные высокого разрешения, в основном радиоло-
кационные изображения поверхности океана (Ja-hannessen et al., 1996; Ivanov, Ginzburg, 2002; Каримова, 2012). Спутниковые наблюдения и результаты численного моделирования показывают, что субмезомасштабные вихри оказывают существенное влияние на динамику вод шельфовой зоны и могут непосредственно взаимодействать с мезомасштабными вихрями (Badin et al., 2009; Callendar et al., 2011; Nakamura et al., 2012).
В настоящее время в связи с сокращением морских экспедиционных исследований спутниковые данные становятся одним из основных источников информации об океанологических условиях Охотского моря. Объединенный многолетний массив данных спутниковой альтиметрии проекта AVISO об аномалиях уровня моря (пространственное разрешение 1/3 град, интервалы осреднения — 5 дней и 1 мес.) дает возможность рассмотреть мезомасштабную изменчивость в глубоководной части Охотского моря. Объединенный массив AVISO включает в себя корректированные альтиметрические данные, полученные со спутников TOPEX/Poseidon, GFO, En-visat, Jason-1 и -2. Для коррекции альтиметрических данных применялась глобальная приливная модель GOT4.7. При расчете геострофических течений использовалась средняя динамическая топография океана MDT CNES-CLS-09. Известно, что глобальные модели приливов вносят ошибку в результаты расчета уровенной поверхности в окраинных морях. Оценка приливных ошибок в данных альтиметрии AVISO для Охотского моря (модель GOT4.7) показала, что величина ошибки, связанная с приливной коррекцией, превышает 5 см только для двух районов — северо-западного шельфа и Курильских о-вов (Morimoto, 2009). Результаты, полученные в этой работе, показывают, что данные альтиметрии AVISO можно использовать для исследования мезомасштабной изменчивости в открытой глубоководной части Охотского моря. Точки, расположенные в непосредственной близости от Курильских о-вов (область шельфа и материкового склона), были удалены из сеточного массива объединенной альтиметрии AVISO. Характеристики поля приводного ветра, полученные по данным скаттерометра SeaWind ИСЗ QuikSCAT (среднемесячные данные за период с 2000 по 2009 гг., пространственное разрешение 1/4°, http://cioss. coas.oregonstate.edu/scow/), позволяют исследовать влияние завихренности напряжения трения ветра на формирование антициклонических мезомасштабных вихрей в Курильской глубоководной котловине. Архивы изображений поверхности моря в инфракрасном диапазоне спектра, полученные с ИСЗ серии NOAA (пространственное разрешение 1.1 км) и спутников Landsat-5 и -7 (разрешение 80—120 м), можно использовать для изучения субмезомасштабных процессов в прибрежных районах Охотского моря. Данные о кон-
центрации хлорофилла-a, полученные при помощи сканирующих спектрорадиометров SeaWiFS и MODIS-Aqua (исходное пространственное разрешение 1 км, огрубленное пространственное разрешение 9 км, интервал осреднения — 1 мес., http ://reason.gsfc .nasa.gov/OPS/Giovanni/), позволяют рассмотреть особенности пространственного распределения фитопланктона в районах с высоким уровнем субмезомасштабной активности. Исходя из этих новых возможностей, была сформулирована основная цель работы — на основе мультисенсорной спутниковой информации исследовать мезомасштабные и субмезомасштаб-ные вихри в районе Курильских о-вов и в Курильской глубоководной котловине Охотского моря.
АНТИЦИКЛОНИЧЕСКИЕ МЕЗОМАСШТАБНЫЕ ВИХРИ КУРИЛЬСКОЙ КОТЛОВИНЫ ОХОТСКОГО МОРЯ
Циркуляция вод Охотского моря состоит из двух основных круговоротов — циклонического и антициклонического (рис. 1) (Дубина и др., 2012). Циклонический круговорот в северо-восточной части моря имеет ветровое происхождение (Ohs-hima et al., 2004). В районе глубоководной Курильской котловины наблюдается антициклоническая циркуляция вод (Talley, Nagata, 1995). Спутниковые и гидрологические данные показывают, что среднюю антициклоническую циркуляцию в Курильской глубоководной котловине определяют несколько мезомасштабных антициклонических вихрей диаметром 100—150 км (Wakatsuchi, Martin, 1991; Хен, Муктепавел, 1995; Rogachev, Verkhunov, 1996; Булатов и др., 1999; Zhabin, 1999; Жабин, Лукьянова, 2011), которые наблюдаются как в холодный, так и в теплый периоды года. Количество выделяемых вихрей изменялось от трех до девяти. Антициклонические вихри определяют динамику и структуру вод Курильской котловины Охотского моря.
Общее представление о структуре вихревого поля в Курильской котловине можно получить при помощи совместного анализа спутниковых ИК-изображений и поля скорости поверхностных геострофических течений, рассчитанных по данным альтиметрии (рис. 2a). На свободных от облачности спутниковых снимках обычно можно выделить три—четыре мезомасштабных антициклонических вихря. В летне-осенний период вихри южной части Курильской котловины (наиболее устойчивый вихрь обозначен как А1) в поле температуры поверхности моря (ТПМ) проявляются как теплые, поскольку взаимодействуют с теплыми водами течения Соя, которые поступают из Японского моря через прол. Лаперуза (Жа-бин, Лукьянова, 2011). Вихрь А2, расположенный в центральной части глубоководной котловины, может взаимодействовать как с теплыми водами
Срединное (Сев. ветвь)
Восточно-Сахалинское 1 ветвь
7ЙР
Восточно-Сахалинское 2 ветвь
Срединное (Южн. ветвь)
ападно-Камчатское
Соя
Рис. 1. Схема поверхностных течений Охотского моря: 1 — прол. Буссоль; 2 — Четвертый Курильский прол.; 3 — о-в Симу-шир; 4 — Курильская глубоководная котловина.
южной части Курильской котловины, так и с холодными водами зоны интенсивного приливного перемешивания, которая расположена на шельфе Курильских о-вов. Северный вихрь А3 в летний период всегда проявляется в поле ТПМ как "холодный", поскольку взаимодействует с водами основной зоны приливного перемешивания, расположенной в центральной части Курильской гряды между прол. Буссоль и Четвертым Курильским прол.
Среднее поле поверхностных геострофических течений в глубоководной части Охотского моря (сентябрь), рассчитанное по объединенному массиву альтиметрических данных AVISO для периода 2000—2011 гг. показано на рис. 2б. В поле течений отчетливо в
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.