ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2009, том 45, № 5, с. 641-651
УДК 551.465:551.466
СПЕКТРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И КИНЕМАТИКА КОРОТКОПЕРИОДНЫХ ВНУТРЕННИХ ВОЛН НА ГАВАЙСКОМ ШЕЛЬФЕ
© 2009 г. В. Г. Бондур*, Ю. В. Гребеншк*, К. Д. Сабинин**
*Научный центр аэрокосмического мониторинга "Аэрокосмос" Минобрнауки и РАН
105064 Москва, Гороховский пер., 4 E-mail: vgbondur@aerocosmos.info **Институт космических исследований РАН 117997 Москва, ул. Профсоюзная, 84/32 E-mail: ksabinin@yandex.ru Поступила в редакцию 11.11.2008 г., после доработки 16.03.2009 г.
По результатам анализа характеристик течений и температуры, измеренных в акватории б. Мамала (о. Оаху, Гавайи), исследованы основные свойства поля короткопериодных внутренних волн, которое отличается большой сложностью. Основное внимание уделено анализу спектральных характеристик и параметров орбит для волн с периодом 20 мин. По результатам исследований установлено, что в исследуемом районе наблюдаются два типа короткопериодных внутренних волн: достаточно интенсивные и быстрые волны, распространяющиеся преимущественно в океан, и более слабые и медленные волны, которые распространялись в основном к берегу. Высказано предположение о механизмах образования этих волн: быстрые и интенсивные волны, скорее всего, связаны с распадом локально генерируемых внутренних приливов, происходящим у края шельфов; медленные и слабые и очень короткие волны возбуждаются, по-видимому, в результате специфического взаимодействия пикноклина и сильных приливных течений над крутым склоном.
1. ВВЕДЕНИЕ
Анализ радиолокационных и оптических космических изображений поверхности океана у Гавайских островов показывает, что без специальной спектральной обработки [1-3, 13] короткопериод-ные внутренние волны (КПВВ) в этом районе не выявляются, как это бывает у края материковых шельфов [1, 4, 12, 13, 17, 18]. Это может быть связано не только с относительно большой толщиной верхнего перемешанного слоя, но и с некоторыми особенностями генерации, распространения и формы КПВВ у островов. Располагая достаточно подробными данными измерений колебаний течений, температуры и звукорассеивающих слоев у бровки шельфа в заливе Мамала (о. Оаху, Гавайские острова), мы попытались охарактеризовать основные черты поля короткопериодных внутренних волн, принимая за таковые волны с периодами менее одного часа.
2. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФОНОВЫХ УСЛОВИЙ И АНАЛИЗИРУЕМЫХ ДАННЫХ
Для исследования характеристик внутренних волн на шельфе у о. Оаху в акватории бухты Мамала использовались результаты гидрофизических измерений, выполненных в 2004 г. в рамках международного проекта [1, 2, 6, 13, 14, 19]. Измерения гидрофизических характеристик проводились с по-
мощью ряда стационарных станций, оборудованных термогирляндами и акустическими измерителями течений (ЛОР), а также с борта судов зондами СТО и ХВТ и микроструктурных зондов (М88). На рис. 1 показано расположение установленных на краю шельфа стационарных станций, на которых в течение 2-3 недель проводились измерения вертикальных профилей температуры (станции АТ, ВТ, СТ, ОТ) и трех составляющих векторов полей течений (станции ЛУ, ВУ, СУ). Термисторные цепочки и ЛОР располагались рядом.
Измерения температуры и течений проводились в трех областях бухты Мамала (см. рис. 1):
- на станциях АТ и ОТ, установленных рядом с диффузором сбросового устройства;
- на станциях ВТ и ВУ, установленных в 3.5 км к востоку от диффузора;
- на станциях СТ и СУ, установленных в ~7 км к юго-востоку от диффузора.
На стационарных станциях течения измерялись в диапазоне глубин от 4 до 76 м с дискретностью по глубине 2 м и дискретностью по времени 1 минута. Измерения температуры воды в 2004 г. проводились на разных горизонтах от 17-33 м до 70-172 м с дискретностью по глубине 5-10 м и по времени 30 секунд [6, 13, 14, 19]. Накопленные данные с учетом дискретности и длительности измерений позво-
(а)
(б)
Рис. 1. Географическая и батиметрическая карта акватории в районе о. Оаху (а), расположение в бухте Мамала стационарных станций измерения температуры и скоростей течений (б).
ляют исследовать изменчивость гидрофизических характеристик в бухте Мамала в масштабах от нескольких минут до 20 суток.
Анализ данных гидрофизических измерений в бухте Мамала показывает, что в записях течений, температуры и звукорассеивающих слоев на фоне мощных многочасовых (главным образом, полу- и четвертьсуточных) колебаний эпизодически проявляются цуги и уединенные короткопериодные внутренние волны более или менее значительной амплитуды [4-6]. В отличие от волн, наблюдавшихся в других районах [1, 12, 23], они не являются квазисинусоидальными, появляясь в виде уединенных волн и цугов с небольшим числом колебаний. Кроме этого, эти внутренние волны сильно уступают по ам-
плитуде низкочастотным волнам, как это хорошо видно на рис. 2. На этом рисунке приведены колебания изотерм в диапазоне 23.5-28°С под действием внутренних волн, зарегистрированные на станции АТ 3 сентября 2004 г.
Из рис. 2 видно, что колебания изотерм имеют сложный характер - кроме доминирующих полусуточных волн, наблюдаются почти столь же мощные 6-часовые волны, а солитоноподобные колебания появляются как в виде солитонов углублений, так и в виде солитонов поднятий. Следует отметить, что солитоны наблюдаются не только в подошвах низкочастотных волн, как это обычно бывает [12], но и вблизи их гребней. Так, например, на рис. 2 видно, что в период 6-9 часов на гребне четвертьсуточ-
СПЕКТРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И КИНЕМАТИКА КОРОТКОПЕРИОДНЫХ -35 -40 -45
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Время, часы
Рис. 2. Колебания изотерм под действием внутренних волн, зарегистрированные на станции АТ 3 сентября 2004 г.
ной волны прошел цуг из нескольких солитонов углубления, тогда как на заднем склоне следующей волны между 13-15 часами наблюдался цуг солитонов возвышения.
Такой необычный характер солитонов в районе, как и относительно слабое проявление их цугов, связано с тем, что ось пикноклина находится вблизи середины водной толщи. При эти условиях генерация солитонов затруднена, а при значительных колебаниях глубины пикноклина возможно образование солитонов обеих полярностей - при высоком термоклине должны преобладать солитоны углублений, при низком - солитоны поднятий. На рис. 3 иллюстрируются сильные колебания глубины пикноклина в районе о. Оаху.
Учитывая сложный характер КПВВ в исследуемом районе, мы сосредоточили свое основное внимание на средних характеристиках поля этих волн, анализируя спектры колебаний изотерм и течений.
3. АНАЛИЗ ДАННЫХ ГИДРОФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ В БУХТЕ МАМАЛА
Для исследования параметров короткопериод-ных внутренних волн в бухте Мамала на основе данных контактных измерений проводились вычисления и анализ: спектральных характеристик флукту-аций скоростей течений и колебаний изотерм; параметров орбит горизонтальных течений; изменчивости амплитуд КПВВ и когерентности этой изменчивости с внутренними приливами; фазовых скоростей и дивергенции орбитальных течений КПВВ. Рассмотрим основные результаты проведенных исследований.
На рис. 4 приведены спектры вертикальных скоростей смещений термоклина, оцененные по
колебаниям глубины залегания центральной изотермы термоклина (27°С) на станциях ВТ и СТ в 2004 г. Спектры вычислены для диапазона частот 0.02-60 ц/ч и представлены в полулогарифмическом масштабе. Флуктуации вертикальных скоростей в области частот больше 20 ц/ч были сглажены фильтром Баттеруорда 4-го порядка. Из рис. 4 видно, что на спектрах, помимо узких полусуточных и 5-6-часовых пиков, выделяется более широкий пик на частотах 3-5 ц/ч.
В то же время на частотных спектрах течений, представленных на рис. 5, короткопериодные ВВ не выделяются. Это можно объяснить общей тенденцией снижения роли горизонтальных движений с ростом частоты в случайном поле внутренних волн [15].
100 200 300 400 Время, часы
500 600
Рис. 3. Колебания глубина изотермы 27°С (центральной изотермы пикноклина) и ее сглаженное значение по измерениям на станции ВТ.
5
Частота ^ цикл/ч
Рис. 4. Спектры вертикальных скоростей смещений глубины залегания термоклина Sw(f), оцененные по колебаниям изотермы 27°С на станциях ВТ и СТ в 2004 г.
3.1. Анализ характеристик течений
Анализ данных измерений характеристик полей течений, выполненных с помощью акустического профилографа ЛБР показал наличие большого уровня шумовых помех. Для уменьшения ошибок измерений применялось усреднение исходных данных по глубине и времени. Исследования показали,
что особенно эффективным является сглаживание по глубине. Оптимальным является сглаживание по глубине фильтром Баттеруорда 4-го порядка с частотой среза 100 ц/км, при котором отношение сигнал/шум превышает 1 на частотах ниже 4 ц/ч. На более высоких частотах шум превалирует, что ограничивает частотную полосу при изучении КПВВ по данным ЛБР.
При обработке данных ЛБР учитывалось также ослабление сигнала и расхождение лучей при увеличении расстояния от измерителя. Вблизи границ слоя, охваченного измерениями, сказываются концевые эффекты фильтра сглаживания данных по глубине. С учетом всего этого при обработке мы ограничились анализом данных скоростей течений в слое от 10 до 70 м.
Особое внимание было уделено ошибкам в измерении вертикальных скоростей W, которые возникли из-за ошибок определения наклона лучей ЛБР. Вследствие этого результаты измерений W могли искажаться за счет "просачивания" горизонтальных компонент течения даже при точности измерения наклона лучей в 1°. Подобное "загрязнение" особенно существенно на низких частотах, где вертикальные скорости малы по сравнению с горизонтальными.
На рис. 5 представлены спектры горизонтальных течений и средние параметры орбит коротко-периодных внутренних волн, рассчитанные по методу спектральных инвариант течений [9].
Частота, цикл/ч
2 4 6 Частота, цикл/ч
Рис. 5. Параметры орбит горизонтальных течений, рассчитанные по данным измерений на глубине 70 м на станциях В и С (а, в): отношение малой и большой осей орбит - (ax), степень их стабильности - (st), направление большой оси орбиты - (dir); с
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.