научная статья по теме ОСНОВНЫЕ МОДЫ ИЗМЕНЧИВОСТИ И ТИПОВЫЕ ПОЛЯ ВЕТРА НАД ЯПОНСКИМ МОРЕМ И ПРИЛЕГАЮЩИМИ РАЙОНАМИ СУШИ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ОСНОВНЫЕ МОДЫ ИЗМЕНЧИВОСТИ И ТИПОВЫЕ ПОЛЯ ВЕТРА НАД ЯПОНСКИМ МОРЕМ И ПРИЛЕГАЮЩИМИ РАЙОНАМИ СУШИ»

ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2007, том 43, № 5, с. 688-703

УДК 551.58:551.465:519.237

ОСНОВНЫЕ МОДЫ ИЗМЕНЧИВОСТИ И ТИПОВЫЕ ПОЛЯ ВЕТРА НАД ЯПОНСКИМ МОРЕМ И ПРИЛЕГАЮЩИМИ РАЙОНАМИ СУШИ

© 2007 г. О. О. Трусенкова*, С. В. Станичный**, Ю. Б. Ратнер**

*Тихоокеанский океанологический институт 690041 г. Владивосток, ул. Балтийская, 43 E-mail: trolia@poi.dvo.ru **Морской гидрофизиологический институт 99011 Севастополь, ул. Капитанская, 2 Поступила в редакцию 11.05.2006 г., после доработки 07.02.2007 г.

Выполнено разложение на комплексные эмпирические ортогональные функции срочных (4 срока наблюдений в сутки) полей ветра в районе Японского моря (34°-53° N, 127°-143° E). Использовались данные реанализа NCEP/NCAR за период 1998-2004 гг. с повышенным, по сравнению со стандартным методом, пространственным разрешением (1° х 1°), свободно доступные в Интернете. Выявлены основные моды изменчивости ветра в районе Японского моря, определяющие генеральное направление переноса воздушных масс в течение всего года, зонально-меридиональную модуляцию, а также циклоническую и антициклоническую вихревую составляющую ветра. Проведена объективная типизация полей ветра по преобладающему направлению переноса, и получены типовые поля касательного напряжения и завихренности ветра для основных ситуаций в холодный и теплый периоды года. Предлагается использовать полученные поля в гидродинамических численных моделях общей циркуляции Японского моря.

ВВЕДЕНИЕ

Японское море расположено в области восточно-азиатского внетропического муссона [1, 2] или, согласно другим оценкам, частично в области мус-сонной тенденции [3], что вместе с водообменом через проливы с прилегающими бассейнами в основном определяет его гидрологический режим. Проточная составляющая, связанная с транзитом ветви Куросио от Корейского пролива на юге до Сангарского пролива (между о-вами Хонсю и Хоккайдо) и пролива Лаперуза (между о-вами Хоккайдо и Сахалин) у восточного берега существенно влияет на теплые течения южной (субтропической) части моря [4]. Термические контрасты между сушей и океаном обуславливают интенсивный циклогенез и значительный теплообмен через поверхность Японского моря. Ветер является основной движущей силой морских течений, причем его циклоническая (Ц) и антициклоническая (АЦ) завихренность считается причиной развития крупномасштабных океанических круговоротов [5]. Для Японского моря было показано, что развитие Ц круговоротов его северной (субарктической) части обуславливается как ветровым, так и термическим воздействием [6], а реалистичная общая циркуляция вод была получена (с использованием численной модели Н.Б. Шапиро и Э.Н. Михайловой [7], основанной на полной системе уравнений термогидродинамики океана) под воздействием водообмена через проливы и потока тепла на поверх-

ности моря, но с нулевым напряжением ветра [8]. Тем не менее численные эксперименты с различными гидродинамическими моделями показали существенную зависимость расчетных течений всего Японского моря [9] или его СЗ части [10, 11], а также циркуляции глубинных вод [10, 12] от используемых полей касательного напряжения ветра. Отметим, что высокая изменчивость циркуляции и структуры вод СЗ части моря выявлена по данным судовых и спутниковых наблюдений за последние 10-15 лет [13, 14].

Выявлены существенные различия между различными наборами данных о ветре, такими как часто используемые в гидродинамических численных моделях общей циркуляции Японского моря многолетние средние месячные поля напряжения ветра [15] или данные реанализа КСЕР/КСЛЯ (Национального центра экологических прогнозов/Национального центра атмосферных исследований, США [16]) и ЕСМ^Б (Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды [17]). В холодные месяцы и в среднем за год поля [15] характеризуются СЗ ветрами с Ц (АЦ) завихренностью над СЗ (южной и центральной) частями моря, что способствует развитию соответствующей ветровой циркуляции вод при интегрировании численной модели [9]. По данным ECMWF высокого пространственного разрешения (0.5625° х 0.5625°) в зимний сезон над Японским морем также преобладают ветра СЗ направления, но преимущественно с Ц

завихренностью; зоны АЦ завихренности имеются у западного и ЮВ берегов [2, 10]. Подобное же пространственное распределение и близкие значения напряжения и завихренности ветра в зимние месяцы имеют поля КСЕР/КСАЯ повышенного, по сравнению со стандартным реанализом [16], разрешения (1° х 1°), подготовленные для проекта [18].

В теплый период года ветер над Японским морем значительно ослабевает в среднем, несмотря на отдельные синоптические события, связанные с сильными ветрами, и характеризуется значительной изменчивостью по направлению, с преобладанием южной составляющей. Это приводит к существенному занижению напряжения и завихренности ветра в средних месячных полях. По данным ECMWF средним для лета является слабый южный и ЮЗ ветер [2]. Среднее напряжение ветра по данным КСЕР/КСАЯ также мало в летние месяцы [11]. Численные эксперименты с моделью Н.Б. Шапиро и Э.Н. Михайловой [7] под воздействием ветра 1ЧСЕР/]ЧСАЯ за 1998-2000 гг. показали ее чувствительность не только к зимнему, но и к летнему ветру [11]. В частности, под воздействием средних месячных полей за 1998 г., характеризуемых сильными восточными ветрами с повышенным напряжением и Ц завихренностью ветра над центральной частью Японского моря, получена существенная интенсификация Ц круговоротов [11]. Получено также, что течения СЗ части Японского моря существенно зависят от поля ветра в теплый период года. Под воздействием АЦ завихренности ветра в район у ЮЗ побережья Приморского края и КНДР, традиционно относимый к субарктической области с Ц циркуляцией вод [4], проникают ветви теплых течений южной части моря и развивается АЦ вихреобра-зование не только в холодный [10, 12], но и в теплый [11] период года, как это известно из данных наблюдений [13, 14, 19].

Современные модели, предлагаемые крупными научно-исследовательскими центрами [16-18, 20], включают ежедневные (до 4 сроков наблюдений в сутки) поля ветра. Учет синоптической изменчивости позволил бы сохранить реалистичные пространственное распределение и величину напряжения и завихренности ветра, но их резкие изменения в пространстве и во времени могут препятствовать устойчивому интегрированию численных моделей. Представляется целесообразным отделить крупномасштабную изменчивость от мелкомасштабного шума путем статистического анализа данных о ветре. Целью работы является выявление основных мод изменчивости ветра в районе Японского моря и объективное выделение типовых полей, которые можно использовать в гидродинамических моделях.

ДАННЫЕ И МЕТОД

К анализу привлекаются срочные (4 срока наблюдений в сутки) поля касательного напряжения ветра в области 34°-53° К, 127°-143° Е, включающей Японское море и прилегающую часть суши, за период 1998-2004 гг. Эти поля рассчитаны по данным реанализа КСЕР/КСАЯ о ветре с повышенным, по сравнению со стандартным методом [16], пространственным разрешением (1° х 1°), подготовленным для проекта SeaWiFS [18]. В отличие от реанализа ECMWF с лучшим пространственным разрешением, эти данные свободно доступны в Интернете, а, в отличие от данных скатеромет-рии, с еще более высоким разрешением [20], рассчитаны как над морем, так и над прилегающими районами суши. Выбор для анализа напряжения ветра связан с нацеленностью работы на практическое применение в гидродинамических численных моделях общей циркуляции Японского моря.

Подготовленные поля имеют пропуски в 1998 и 1999 гг.: наихудшим периодом в этом смысле являются октябрь и ноябрь 1999 г., когда в течение 45 дней присутствовали данные за 2, а не 4 срока в сутки. В марте и декабре отсутствовало по четыре поля (за все годы), в сентябре - два, в июне-августе - по одному; в остальные месяцы пропусков не было. Анализу подвергаются как сквозная выборка за 7 лет от 1 января 1998 г. до 31 декабря 2004 г. (10120 полей), так и месячные выборки по отдельности (от 792 полей для февраля и 804 для октября до 868 для января, мая и т.д.). Последнее нужно для построения полей напряжения ветра для численных моделей.

Средние месячные поля напряжения и завихренности ветра за 1998-2004 гг. показаны на рис. 1. Следует отметить преобладание СЗ ветров, свойственных холодному периоду года, от сентября до марта, наличие западных ветров в апреле, ЮЗ - в мае и, в южной и центральной частях моря, в июле, ЮВ, ЮЗ и южных ветров в июне и восточных - в августе. В летние месяцы напряжение ветра мало и составляет 0.1-0.2 дин/см2, а в июне - 0.05-0.1 дин/см2.

В качестве метода многомерного статистического анализа применяется разложение пространственно-временных полей на комплексные эмпирические ортогональные функции (КЭОФ). В его основе лежит представление функции Х(г, 0, зависящей от пространственных координат г и времени t, в виде ряда, члены которого упорядочены по их вкладу в общую дисперсию, с разделением пространственных и временных составляющих:

Х(г, 0 = £ Лк (г) Бк (t), (1)

где функции Лк(г) представляют собой ортонор-мированный базис (собственно эмпирические ортогональные функции - ЭОФ), а Вк(0 - размерные коэффициенты (главные компоненты - ГК).

Рис. 1. Средние месячные поля напряжения и завихренности ветра от января до декабря (а-м) за 1998-2004 гг. На этом и последующих рисунках показаны масштабные векторы напряжения ветра (дин/см2), а изолинии завихренности проведены через 2 х 10-8 дин/см3, причем положительные значения соответствуют циклонической, а отрицательные - антициклонической завихренности; на нулевой изолинии показаны засечки, направленные в сторону отрицательных значений.

Они оцениваются на основе собственных векторов ковариационной (корреляционной) матрицы исходных данных Х(г, ¿). Старшие (первые) члены такого ряда представляют основные моды изменчивости, а младшие - мелкомасштабный шум [21].

Метод КЭОФ во временной области [22] основан на подобном же разложении комплексного сигнала. В случае скалярных полей, таких как температура поверхности океана (ТПО), мнимая часть достраивается

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