научная статья по теме ЭВОЛЮЦИЯ ПЕРЕМЕШАННЫХ СЛОЕВ В СТРАТИФИЦИРОВАННОЙ ОБЛАСТИ ЧЕРНОМОРСКОГО АНТИЦИКЛОНИЧЕСКОГО ВИХРЯ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ЭВОЛЮЦИЯ ПЕРЕМЕШАННЫХ СЛОЕВ В СТРАТИФИЦИРОВАННОЙ ОБЛАСТИ ЧЕРНОМОРСКОГО АНТИЦИКЛОНИЧЕСКОГО ВИХРЯ»

УДК 551.465

ЭВОЛЮЦИЯ ПЕРЕМЕШАННЫХ СЛОЕВ В СТРАТИФИЦИРОВАННОЙ ОБЛАСТИ ЧЕРНОМОРСКОГО АНТИЦИКЛОНИЧЕСКОГО ВИХРЯ

© 2014 г. А. Е. Погребной, А. С. Самодуров

Морской гидрофизический институт 299011 Севастополь, ул. Капитанская, 2 E-mail: pogrebok57@mail.ru Поступила в редакцию 18.12.2013 г., после доработки 24.02.2014 г.

Проведен подробный анализ гидрологии, гидродинамики и микроструктуры антициклонического вихря. Для этого были использованы натурные данные, полученные в мае 2004 г. в северо-западной части Черного моря на краю шельфовой зоны. Исследуются пространственные распределения частоты Брента—Вяйсяля, локального геострофического числа Ричардсона и областей перемешивания с вертикальным масштабом порядка 2 м. Анализируются возможные механизмы генерации и поддержания наблюдаемых перемешанных слоев. Сделан вывод о том, что исследованный вихрь в северо-западной части Черного моря (так же как, вероятно, и другие природные вихри и сдвиговые течения) способен модифицировать тонкую слоистую структуру скалярных гидрофизических полей в верхнем 150-метровом слое, формируя и поддерживая за счет актов локальной сдвиговой неустойчивости горизонтального потока слои пониженных вертикальных градиентов характеристик с масштабами ~2 м по вертикали и до 50—100 км по горизонтали.

Ключевые слова: антициклонический вихрь, перемешивание, микроструктура, сдвиговая неустойчивость.

Б01: 10.7868/80002351514060121

Гидрология вихря. В работе исследовалась структура антициклонического вихря, локализованного севернее струи Основного черноморского течения в северо-западной части

Черного моря на краю шельфовой зоны. Измерения проводились в рейсе НИС "Лкаёеш1к" в мае 2004 г. Карта полигона представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема расположения станций, выполненных в рейсе НИС "Лка(!еш1к". Май 2004 г. Линиями показаны изобаты глубин 50, 100, 500 и 1500 м.

Для предварительной локализации вихря использовалась спутниковая информация по температуре морской поверхности. К сожалению, наличие облачности не позволило точно определить местоположение вихря в период проведения измерений. Поэтому информационная ценность разрезов, выполненных в данном рейсе, оказалась различной. В данной работе рассматриваются в основном данные разреза, включающего станции 22—37. Именно этот разрез, на наш взгляд, включив в себя и периферийные области вихря, наиболее близко пересек его центр.

На рис. 2 представлены данные по распределению температуры, солености и плотности морской воды, полученные с помощью погружного CTD-комплекса 8еаВ1гё.

Процедура построения разрезов следующая:

— для всей совокупности обрабатываемых зондирований определяется полный диапазон изменений исследуемого параметра;

— задается координатная сетка для разреза;

— для каждой точки координатной сетки решается обратная задача по определению значения параметра, соответствующего проходящей через данную точку изолинии. Именно это значение параметра в дальнейшем и присваивается этой точке сетки;

— изолинии строятся с использованием сплайн-интерполяции. В качестве опорных точек сплайна используются значения глубин, на которых выявлено данное значение исследуемого параметра по каждому из обрабатываемых зондирований;

— дальнейшая визуализация разрезов производится с использованием стандартных процедур контурных построений и фоновых отображений.

Данная методика построения разрезов позволяет сохранить высокую дискретность используемых данных по глубине и гарантирует полное соответствие точек пересечения изолинии с координатой каждого зондирования именно на "истинной" глубине, где обнаружено соответствующее значение параметра.

Поле плотности, которое в конечном итоге определяет динамическую структуру вихря, является неоднородным. Пикноклин можно условно разделить на два слоя. Изменчивость в его верхней части (сгущение изолиний плотности на глубинах около 20 м) обусловлена в основном формирующимся сезонным термоклинном. В центральной части разреза (станции 26—34) наблюдается куполообразное поднятие верхнего пикноклина. Этот подъем изолиний немонотонен и имеет двугорбый характер (станции 27 и 33). Перепад плотности в верхнем пикноклине превышает 0.5 условных единиц плотности. При этом вертикальный градиент плотности в нем существенно неоднороден вдоль разреза. Он достигает величин 0.1 у.е./м в

периферийных частях разреза и уменьшается до 0.025 у.е./м в центральной части (станции 29, 30). Таким образом, можно утверждать, что в центре разреза вертикальная устойчивость поля плотности меньше по отношению к областям, где имеются течения со сдвигом скорости.

Стратификация нижней части пикноклина (диапазон плотности 15—16 у.е.) обусловлена в основном полем солености. Перепад плотности в нем ~0.7 у.е. Как и верхний пикноклин, он существенно неоднороден вдоль разреза. В центральной части разреза, которая соответствует подъему верхнего пикноклина, он наоборот опускается. Перепад глубин залегания нижнего пикноклина между периферийными и центральными станциями превышает 70 м. При этом в центре разреза также наблюдается уменьшение его вертикальной устойчивости (уменьшение вертикального градиента плотности).

Между верхней и нижней частью пикноклина локализован формирующийся холодный промежуточный слой. Вертикальное распределение температуры в нем немонотонно и имеет минимум температуры ниже 7°С. В центре разреза (станции 28—33) этот минимум выражен не так ярко, как на периферии, и значения температуры в нем выше. Возможно, этот факт связан с интенсивными процессами вертикального перемешивания в центре разреза.

Профили плотности в области холодного промежуточного слоя (между верхним и нижним пикноклином) однородны по вертикали. При этом в центральной части разреза вертикальные градиенты плотности ниже, чем на периферии для данного диапазона глубин.

На кромке шельфовой зоны (станция 34, глубина ~75 метров) наблюдается инверсия по температуре. Инверсионный участок представляет собой квазиоднородный по температуре слой приблизительно 8-метровой глубины, ограниченный сверху и снизу прослойками с градиентами противоположных знаков. Вклад поля температуры в плотность для этого инверсионного слоя скомпенсирован вкладом солености. В поле плотности инверсий не наблюдается: по-видимому, эта особенность структуры является интрузией.

Гидродинамика вихря. На рис. 3 представлены распределения полей горизонтальной скорости (зональной, меридиональной и модуля) для рассматриваемого разреза, полученные по данным погружного акустического измерителя скорости течений LADCR Эти поля подтверждают наличие антициклонического вихревого образования в исследуемой области. Орбитальные скорости в вихре достигают 50 см/с (станции 31 и 27). Ось вихря в верхнем 100-метровом диапазоне глубин вертикальна (не наклонена) и локализована

ПОГРЕБНОЙ, САМОДУРОВ (а)

200

100 -

150

30°30' 35 37

31° 33 31

-175

31°30'

(б)

29 27

..-■18 ■

32°

25

23

50

100 -

150

200

30°30'

31°

31°30'

(в)

32°

50

100 -

150

200

30°30'

31°

31°30'

32°

Рис. 2. Поля температуры (а), солености (б) и потенциальной плотности (в). 30°13.7'—32°29.5' Е, 43°49.6'—44°49.7' N, 13—16 мая 2004 г. На всех разрезах ось абсцисс — географическая долгота, ось ординат — глубина. На верхней оси показано местоположение и номера станций. Цифры на изолиниях — температура в градусах Цельсия (а), соленость в практических единицах солености (б), потенциальная плотность в условных единицах (в).

0

вблизи станции 29. Глубже 100 м ось вихря приобретает наклон вдоль склонового профиля дна.

Скорости в вихре не спадают до нуля у дна в районе свала глубин. Кроме того, скорости в мо-

ристой части вихря (станции 26—27) превышают скорости в Основном черноморском течении. Это можно интерпретировать как факт того, что данный вихрь зародился и аккумулировал энергию движения ранее. На момент выполнения

(а)

30°30' 31° 31°30' 32°

35 37 33 31 29 (б) 27 25 23

35 37 33 31 29 (в) 27 25 23

Рис. 3. Распределение зональной (а), меридиональной (б) компонент и абсолютного значения (в) поля горизонтальной скорости. Единица измерения скорости - см/с. 30°13.7'-32°29.5' Е, 43°49.6'-44°49.7' N 13-16 мая 2004 г.

данного разреза его энергия не только не пополняется, а, наоборот, расходуется на трение о донный склон и обратную передачу количества движения Основному черноморскому течению.

Ранее указывалось, что верхний пикноклин имеет "двугорбую" структуру. Отметим, что области локального подъема пикноклина совпадают с

местоположением максимумов орбитальных скоростей в вихре.

Температура и соленость верхнего квазиоднородного слоя (выше верхнего пикноклина) неоднородна по горизонтали. В области шельфа его температура составляет ~12°С (станция 36) и увеличивается до ~13.5°С (станция 22) в сторону глу-

log Sgrad T

log k

Рис. 4. Приблизительная форма зависимости спектра

флуктуации градиента температуры от вертикального

волнового числа.

бокого моря. Монотонный ход изменения температуры квазиоднородного слоя нарушается в центральной части разреза. Так, на станции 27 поверхностная температура ниже, чем на соседних 26-й и 28-й станциях. Проведенный T—S анализ показал, что поверхностная вода на станции 27 не может быть смесью шельфовой и более мористой вод квазиоднородного слоя. Вероятно, она образована смесью вод квазиоднородного слоя и воды, поступающей в него через верхний пикноклин из промежуточного холодного слоя. Область перемешивания этих вод имеет наклон, который начинается у станции 29 (центр вихря) на глубине ~20 м и завершается выходом на поверхность у станции 27. Этот вывод качественно подтверждается анализом разреза поля растворенного кислорода, который мы здесь не приводим.

Микроструктура вихря. Основная цель, которая ставится при исследованиях микроструктуры — определить вклад основных процессов, осуществляющих перемешивание и вертикальный обмен в верхнем слое океана, чтобы получить оценки скорости диссипации турбулентной кинетической энергии и коэффициентов вертикальной турбулентной диффузии. Эти величины существенным образом зависят от внешних условий — плот-ностной стратификации

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.

Показать целиком