ОКЕАНОЛОГИЯ, 2015, том 55, № 5, с. 731-737
= ФИЗИКА МОРЯ
УДК 551.465.42
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕЖДУ СИНОПТИЧЕСКИМИ ВИХРЯМИ И ВНУТРИТЕРМОКЛИННЫМИ ЛИНЗАМИ
© 2015 г. М. А. Соколовский1,2, Б. Н. Филюшкин2
Институт водных проблем РАН, Москва e-mail: sokol@aqua.laser.ru 2Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва e-mail:borisfil@yandex.ru Поступила в редакцию 25.05.2015 г.
В северо-восточной части Атлантического океана на глубинах 600—1600 м наблюдаются внутритер-моклинные линзы. Они представляют собой локализованные вихревые пятна (антициклонические и циклонические), как правило, эллиптической формы с горизонтальными осями от 40 до 100 км и вертикальными осями от 0.4 до 1 км и объемами от 1000 до 3500 км3. Наблюдения показывают, что типичной является ситуация, при которой в некоторой области океана одновременно могут существовать несколько линз. Таким образом, проблема их взаимодействия и, в частности, воздействия линз на вихри больших масштабов, очень важна. Целью данной работы является исследование механизмов взаимодействия между внутритермоклинными вихрями и синоптическими круговоротами, охватывающими отдельные слои, в рамках трехслойной квазигеострофической модели. Модельные эксперименты показали, что под действием внутритермоклинных линз синоптические вихри существенно меняют свою форму. Предложен возможный механизм торможения линз за счет взаимодействия с синоптическими вихрями, расположенными на разных горизонтах. Очевидно, при разрушении вихрей происходит интенсификация турбулентного обмена на промежуточных глубинах океана.
DOI: 10.7868/S0030157415050160
ВВЕДЕНИЕ
В северо-восточной части Атлантического океана на глубинах 600—1600 м наблюдаются внутритермоклинные линзы (ВТЛ). Они представляют собой локализованные вихревые пятна (антициклонические и циклонические), как правило, эллиптической формы с горизонтальными осями от 40 до 100 км и вертикальными осями от 0.4 до 1 км и объемами от 1000 до 3500 км3. Эти линзы, заполненные средиземноморскими водами (СМВ), легко определяются в океане по высоким значениям температуры и солености, как природные трассеры [11, 13, 22]. Отличие характеристик в ядре линзы от окружающих вод может меняться в пределах 1—4°С по температуре и 0.3— 1.0 епс по солености в зависимости от удаленности их от района формирования. Это дает возможность определять как их положение в океане, так и геометрические размеры жидких объемов и исследовать их эволюцию на всех стадиях жизни вплоть до разрушения [12].
Обычно в районе каньонов формируются ди-польные системы из двух вихрей. Время жизни циклонических вихрей составляет от полугода до года. Разрушаясь, они несколько увеличивают среднюю соленость практически во всем районе своего пребывания. Антициклонические вихри
(линзы) в среднем живут 4—5 лет и играют определяющую роль в переносе тепла и соли на промежуточных глубинах океана. Именно эти вихри определяют соленость языка СМВ на больших удалениях от источника их поступления. ВТЛ встречаются на западе вплоть до срединно-атлан-тического хребта и по широте от 20° с.ш. (линзы "МЕЗОПОЛИГОН" [3]) до 45° с.ш. (линза "Улла" [21]). При этом надо иметь в виду, что на этой акватории одновременно может существовать приблизительно 75—100 линз [18]. Таким образом, можно выделить два района: (1) Кадисский залив и область, прилегающая к Иберийскому полуострову, где одновременно присутствуют антициклонические и циклонические вихри на промежуточных глубинах; (2) Открытая часть Атлантического океана, где наблюдаются, как правило, антициклонические ВТЛ на глубинах 600-1600 м.
Следует отметить, что изолированные ВТЛ, содержащие воды с аномальными свойствами, встречаются во многих районах Мирового океана от глубин 200-500 м до 3000 м. Подробный анализ региональных исследований [1] показал важность учета всех механизмов образования, распространения линз и их роли в формировании промежуточных свойств. Но в данной работе в основном
привлекаются наблюдения над динамикой и эволюцией ВТЛ средиземноморского происхождения.
Наблюдения показывают, что типичной является ситуация, при которой одновременно могут наблюдаться несколько линз в ограниченной области. Таким образом, проблема их взаимодействия важна. Однако в большинстве работ, и в частности, в статье [14] рассматривается лишь воздействие внешних факторов (стационарное течение, острова, подводные горы) на поведение линз, но не уделяется внимания воздействию самих линз на внешние динамические структуры. Исключение составляют лишь работы, в которых обсуждается проявление линз на поверхности океана [8, 15, 16, 17] и недавняя работа [10], в которой исследуется динамика буев нейтральной плавучести, помещенных как внутри линзы, так и вне нее. Однако прямое воздействие линз на вихревые структуры больших масштабов до сих пор не исследовалось.
Целью данной работы является исследование механизмов взаимодействия между внутритермо-клинными и синоптическими вихрями в рамках модели трехслойного океана. Линзы располагаются в среднем слое, а мезомасштабные круговороты сосредоточены либо в верхнем слое, либо в верхнем и нижнем слоях. Хотя натурные наблюдения за линзами показывают их существенную изменчивость по вертикали, мы полагаем, что процессы, которые обсуждаются в данной работе, вполне адекватно описываются моделью с кинематически-однородными вихревыми пятнами в каждом из трех слоев.
Наблюдения за линзами в океане. ВТЛ средиземноморского происхождения обнаруживаются по гидрологическим съемкам [11], а также по наблюдениям профилографов глобального проекта АРГО [2] по более высоким значениям температуры и солености. Наиболее полные наблюдения над динамикой распространения СМВ, формированием дипольных вихревых структур, их перемещением и взаимодействием между циклонами и антициклонами в районе Кадисского залива и прилегающих с запада областей Иберийского полуострова были выполнены в рамках экспериментов SEMANE - 1999-2001 [16, 17], MEDTOP [11, 19, 24], ARCANE [21] и POMME [20]. По результатам двух первых проектов были получены убедительные натурные свидетельства существенной роли ВТЛ в процессах перемешивания и обмена свойствами на промежуточных глубинах. Подтверждена правомерность рассмотрения вихрей разного знака, как сплошных тел вращения в среднем слое (600-1600 м) и возможность сканирования их проявлений на поверхности океана при альтиметрических измерениях со спутников. Наблюдались также сложные взаимодействия, например, между тремя вихрями разного знака [16], или двумя дипольными системами на фоне цик-
лонического круговорота в среднем слое [19]. Поскольку прямых измерений скорости этого круговорота не проводилось, то оценить его влияние на характер взаимодействия дипольных структур, возможно, удастся хотя бы качественно в модельных экспериментах (рис. 1-3).
В рамках эксперимента ARCANE в апреле 1997 г. вблизи северо-западнее Иберийского полуострова (45° с.ш., 11.5° з.д.) была обнаружена ВТЛ "Улла" [21]. Она располагалась на глубине 600-1700 м и имела диаметр 50-60 км. Наблюдения лагранже-выми поплавками за перемещением линзы велись в течение 18 месяцев, из них 11 месяцев она испытывала лишь небольшие смещения над подводной горой Шарко на уровне 3500 м над вершиной. Только через 360 дней, находясь в зоне влияния горы Шарко, линза начинает движение к юго-западу, и через 150 дней, продрейфовав до широты 42.5° с.ш., она попадает в локальный циклонический круговорот диаметром около 100 км, а затем в течение 100 дней практически параллельным курсом обратно возвращается к северу до 44° с.ш. (рис. 12 в [21]). Анализ имеющихся наблюдений, а также дополнительных измерений с помощью ПНП на глубинах 400-600 м и 1000— 1500 м, в прилегающем к линзе районе, не позволил объяснить особенности поведения этого вихря, в частности, длительное нахождение над банкой Шарко на начальной стадии наблюдений. Исследования средней и мезомасштабной циркуляции в слое 0-500 м к западу от банки Шарко в рамках проекта POMME [20] показали существование зон циклонической и антициклонической активности синоптических масштабов. Учитывая, что этот район большую часть года находился под действием проходящих Атлантических атмосферных циклонов, можно предположить, что над банкой Шарко в верхнем слое регулярно возникали и существовали относительно устойчивые циклонические вихри. Эта особенность циркуляции вод в верхнем слое позволяет объяснить поведение линзы над банкой в модельном эксперименте (см. рис. 3).
Численное моделирование взаимодействия вихрей. Численные расчеты, результаты которых приведены в этом разделе, проведены в рамках трехслойной квазигеострофической модели на /-плоскости со следующими параметрами, характерными для условий Северной Атлантики: общая глубина составляет 4 км, толщины верхнего, среднего и нижнего слоев равны H1 = 600, H2 = = 1000 и H3 = 2400 м соответственно, а первый и второй радиусы деформации [4] принимают значения Rd1 = 32 км и Rd2 = 15 км [25].
Результаты расчетов представлены в виде последовательности контуров вихревых пятен в слоях. Использовалась трехслойная версия метода контурной динамики (МКД) [6, 7], предполагаю-
(а)
(б)
Рис. 1. Эволюция вихревой структуры, состоящей из синоптического циклонического вихря верхнего слоя (его контур изображен сплошной линией) и двух пар ВТВ, принадлежащих среднему слою и расположенных под ним (светлые пятна — циклоны, темные пятна — антициклоны). Цифровые подписи указывают безразмерные моменты времени. При Г = 0 центр циклона верхнего слоя расположен в начале системы координат (0, 0), а центры четырех вихрей среднего слоя имеют координаты: (а) (+1.2; - 4) и (±1.2; 4), (б) (+1.2; -8) и (±1.2; 8). Верхний знак всюду относится к антициклонической ВТЛ, а нижний — к циклонической.
щей, что потенциальные завихренности (ПЗ) д(' = 1,2,3) в слоях имеют кусочно-постоянное
распределение ду = , такое, что ду (первый
индекс задает номер вихревого пятна, а второй номер слоя) являются константами внутри некоторых компактных областей с площадями Бу и равны нулю вне них, т.е. представляют собой вихревые пятна, N — это количество ви
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.