Сезонная и межгодовая изменчивость характеристик мезомасштабных вихрей Лофотенской котловины по спутниковым и модельным данным

Владимир Травкин

Сезонная и межгодовая изменчивость характеристик мезомасштабных вихрей Лофотенской котловины по спутниковым и модельным данным

Целью нашей работы является изучение сезонной и межгодовой изменчивости характеристик мезомасштабных вихрей Лофотенской котловины по спутниковым альтиметрическим данным и по данным реанализа GLORYS. Указанная цель достигается путем решения следующих задач: 1. Сбор материала и изучение литературных источников по теме исследования. 2. Анализ и описание сезонной и межгодовой изменчивости пространственно-временных характеристик мезомасштабных вихрей по спутниковым данным. 3. Описание сезонной изменчивости пространственного распределения мезомасштабных вихрей в Лофотенской котловине. 4. Анализ сезонной изменчивости термохалинных характеристик мезомасштабных вихрей на глубине 450 м по данным реанализа GLORYS. 5. Изучение сезонной изменчивости аномалий термохалинных характеристик Лофотенского вихря с помощью построения вертикальных разрезов по широте 69,8° с.ш. 6. Изучение и анализ процесса слияния крупного квази-стационарного антициклонического Лофотенского вихря с более мелким антициклоническим мезомасштабным вихрем в районе Лофотенской котловины: исследуются поля скорости, относительной завихренности, параметра Окубо-Вейса и термохалинные характеристики в районе Лофотенской котловины при их слиянии с Лофотенским вихрем. http://earth.spbu.ru/news-events/news_1708.html

География

Курсовые

Вуз: Санкт-Петербургский государственный университет (СПбГУ)

ID: 5d3ed15a7966e1054cb7218a

UUID: bbdc5a40-941d-0137-9ab3-525400005860

Язык: Русский

Опубликовано: больше 5 лет назад

Просмотры: 18

10.86

Владимир Травкин

Санкт-Петербургский государственный университет (СПбГУ)

Комментировать 0

Рецензировать 0

Скачать - 4,6 МБ

Поделиться работой

Правительство Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт−Петербургский государственный университет» (СПБГУ) Институт Наук о Земле Кафедра океанологии КУРСОВАЯ РАБОТА «Сезонная и межгодовая изменчивость характеристик мезомасштабных вихрей Лофотенской котловины по спутниковым и модельным данным» Выполнил: Студент 3 курса Специальность/направление 020603 «Океанология»/021600 «Гидрометеорология» Травкин Владимир Станиславович ___________________ (подпись) «__»__________2019 г. Научный руководитель: Д.г.н., проф. Белоненко Татьяна Васильевна ___________________ (подпись) «__»__________2019 г. Санкт−Петербург 2019

Оглавление Введение ...............................................................................................................................................3 Глава 1. Межгодовая и сезонная изменчивость характеристик мезомасштабных вихрей по данным массива «Mesoscale Eddies in Altimeter Observations of SSH»........................................................................................................................9 1.1. Межгодовая изменчивость характеристик вихрей в период 19932017 гг. ............................................................................................................................................ 10 1.2. Сезонные аномалии термохалинных характеристик вихрей в период 1993-2017 гг. .............................................................................................................. 15 1.3. Сезонная изменчивость термохалинных характеристик мезомасштабных вихрей за период 1993−2017 гг. ............................................... 18 Глава 2. Сезонная изменчивость термохалинных характеристик Лофотенского вихря ................................................................................................................... 20 Глава 3 Взаимодействие мезомасштабных вихрей с квази-постоянным антициклоническим Лоф. вихрем ....................................................................................... 25 3.1. Изменение термохалинных характеристик равнонаправленных вихрей при их слиянии.......................................................................................................... 32 Заключение ...................................................................................................................................... 35 Список литературы ..................................................................................................................... 38

Введение Мировой океан представлен сложной системой горизонтальных и вертикальных движений, переносящих воду в меридиональном и зональном направлениях и связывающих между собой океаны и климатические зоны, уменьшая контраст между меридиональными характеристиками водных масс (Richards and Straneo, 2015; Алексеев и др., 2016). На планетарном масштабе выделяется т.н. «глобальный термохалинный конвейер», представленный в районе Северной Атлантики – Северо-Атлантическим течением, а в СевероЕвропейском бассейне его продолжением – Норвежским течением, состоящим из теплых и соленых вод Атлантики (Pedersen et al., 2005; Orvik, 2004; Jakobsen et al., 2003). Норвежское течение состоит из Норвежского склонового течения, направленного в сторону континентального склона локализованного на Баренцева и изобатах моря Норвежского 2000−2500 м и расположенного фронтального на западной вдоль течения, периферии Лофотенской котловины (рис. 1). В дальнейшем Норвежское фронтальное течение движется вдоль хребта Мона, однако часть вод рециркулирует в сторону Норвежской котловины и в дальнейшем проходит вдоль хребта ЯнМайен. Кроме того, часть вод огибает с северной стороны плато Воринг и, двигаясь в восточном направлении, сливается с Норвежским склоновым течением (рис. 1.). 3

Рис. 1. Район исследования. Цветом отмечена батиметрия (м). Замкнутым белым кругом отмечено местоположение квази-постоянного антициклонического Лофотенского вихря. Стрелочками обозначены основные течения: NCC – Норвежское береговое течение, NAFC – Норвежское фронтальное течение, NASC – Норвежское склоновое течение. Лофотенская Норвежского моря, котловина, расположенная характеризуется локальным в центральной максимумом части вихревой кинетической энергии и является важнейшим транспортным регионом для теплых и соленых атлантических вод на их пути в Арктический бассейн (Volkov et al., 2015). Границу котловины принято проводить по изобате, равной 3250 м, кроме того, на северо-западе котловина граничит с хребтом Мона, а на юге и востоке ограничена континентальным склоном Скандинавии и платом Воринг, что позволяет говорить о характерной топографической обособленности Лофотенской котловины и наличии в ней специфических черт крупномасштабной циркуляции вод (Иванов и Кораблев, 1995а). Водные массы данного региона представлены теплыми и солеными атлантическими водами, которые находятся на глубине порядка 600−700 м и имеют соленость более 35 psu и температуру воды порядка 3−4 °С (Köhl, 2007). Ниже данного слоя находятся водные массы арктического происхождения, 4

имеющие температуру от – 0,5 до 0,5 °С и более низкую соленость, по сравнению с атлантическими водами (Köhl, 2007). Ключевой особенностью Лофотенской котловины является Лофотенский вихрь, расположенный в центре котловины и являющийся сегодня природной лабораторией для изучения мезомасштабных вихрей в океане. Зимняя глубокая конвекция является необходимым условием существования этого уникального природного феномена, так как она создает благоприятные условия его ежегодной регенерации Лофотенского вихря (Блошкина, Иванов, 2016). Другим механизмом, позволяющим поддерживать в центре котловины высокую антициклоническую завихренность, является захват мезомасштабных вихрей, отрывающихся от Норвежского течения. Мезомасштабные вихри представляют наиболее важную составляющую динамики Лофотенской котловины. Образуясь в результате динамической неустойчивости Норвежского течения (Köhl, 2007; Raj et al., 2015, 2016), они извлекают из него теплую и соленую воду и перераспределяют ее по акватории Норвежского моря. Тем самым, мезомасштабные вихри играют важную роль и в формировании термохалинной структуры Лофотенской котловины. В своей статье Volkov et al. (2015) называет Лофотенскую котловину «горячей точкой Норвежского моря» за счет выявленных в ней с помощью спутниковой альтиметрии локальных максимумов уровня поверхности океана и вихревой кинетической энергии. Согласно закона сохранения потенциального вихря, в котловинах северного полушария имеет место формирование крупномасштабной циклонической циркуляции, имеющей топографическую природу (Köhl, 2007). С начала 60-х годов XX века в районе Лофотенской котловины была обнаружена и выделялась область замкнутых изотерм и изохалин, которая ограничивала внутрипикноклинную антициклоническую линзу – Лофотенский вихрь с центром 70° с.ш. и 4° в.д. на глубинах порядка 300−1000 м. Данный вихрь антициклонического типа меняет свое положение в течение года, двигаясь по квази−циклонической траектории, при этом 5

установлено сохранение его положения относительно центра котловины (Иванов и Кораблев, 1995б; Voet et al., 2010). В работе (Raj et al., 2015) по спутниковым альтиметрическим данным показано, что средний радиус Лофотенского вихря равен 37 км, а орбитальная скорость на поверхности составляет порядка 30 см/с. Кроме того, было установлено колебание пространственного положения ядра данного вихря, достигающее значений порядка 130 км (Иванов и Кораблев, 1995б). Заметна ярко выраженная изменчивость сезонных колебаний термохалинных характеристик. Так в зимние месяцы, за счет ослабленной плотностной стратификации вод и вертикальной инверсии соленых вод на глубину в центре Лофотенского вихря, происходит подпитка ядра вихря поверхностной водой, проникающей на глубины более 1 км (Алексеев и др., 2016; Rossby et al., 2009). В период весны−лета происходит прогрев поверхностного слоя воды, в результате чего происходит формирование сезонного пикноклина с утратой контакта линзы с поверхностью океана. В летний и осенний период линза постепенно сжимается по вертикали и растягивается по горизонтали за счет вязкой релаксации, в результате чего вертикальный профиль Лофотенского вихря приобретает характерную линзообразную форму (Блошкина и Иванов, 2016). Сохранение пространственного положения вихря в границах Лофотенской котловины связано с его квази−циклоническим перемещением в пределах котловины (Блошкина и Иванов, 2016). В нашей работе под мезомасштабными (синоптическими) вихрями подразумеваются вихри, горизонтальный размер которых превышает бароклинный радиус деформации Россби = 𝑁∗ 𝐻 𝑔 𝑑𝜌 , где 𝑁 ∗ − характерная частота Вейсяля−Брента (𝑁 ∗ = √− ), 𝜋𝑓 𝜌 𝑑𝑧 𝑓 −параметр Кориолиса, 𝐻 − глубина океана. Бароклинный радиус деформации Россби в районе Лофотенской котловины равен 7-9 км (Fer et al., 2018). В своей статье Köhl (2007) утверждает, что большую роль на изменчивость термохалинных характеристик Лофотенского вихря оказывает процесс слияния с мезомасштабными антициклоническими вихрями. В 6

среднем, ядра мезомасштабных вихрей в Лофотенской котловине находятся на глубинах 300−800 м, именно поэтому для дальнейшего анализа влияния мезомасштабных вихрей на Лофотенский вихрь нами был выбран горизонт 450 м. Целью нашей работы является изучение сезонной и межгодовой изменчивости характеристик мезомасштабных вихрей Лофотенской котловины по спутниковым альтиметрическим данным и по данным реанализа GLORYS. Указанная цель достигается путем решения следующих задач: 1. Сбор материала и изучение литературных источников по теме исследования. 2. Анализ и описание сезонной и межгодовой изменчивости пространственновременных характеристик мезомасштабных вихрей по спутниковым данным. 3. Описание сезонной изменчивости пространственного распределения мезомасштабных вихрей в Лофотенской котловине. 4. Анализ сезонной изменчивости термохалинных характеристик мезомасштабных вихрей на глубине 450 м по данным реанализа GLORYS. 5. Изучение сезонной изменчивости аномалий термохалинных характеристик Лофотенского вихря с помощью построения вертикальных разрезов по широте 69,8° с.ш. 6. Изучение и анализ процесса слияния крупного квази-стационарного антициклонического Лофотенского вихря с более мелким антициклоническим мезомасштабным вихрем в районе Лофотенской котловины: исследуются поля скорости, относительной завихренности, параметра Окубо-Вейса и термохалинные характеристики в районе Лофотенской котловины при их слиянии с Лофотенским вихрем. Данные В работе использовались данные за 1993−2016 гг. двух массивов «Mesoscale Eddies in Altimeter «GLOBAL_REANALYSIS_PHY_001_030». 7 Observations of SSH» и

Первый массив базируется на алгоритме, который основан на методе идентификации и трекинга вихрей посредством аномалий уровня поверхности океана (SLA), за счет анализа альтиметрических снимков, описанного в работе (Schlax and Chelton, 2016). Для создания этого массива применялся специально разработанный алгоритм автоматической идентификации и трекинга вихрей в поле аномалий уровня моря (SLA), основанный на анализе альтиметрических снимков Chelton et al. (2011). Описание алгоритма дано в работе Williams et al. (2011). В основу данного алгоритма заложено разделение анализируемого поля аномалий уровня с дискретностью, равной 1 суткам, на пиксели (квадраты со стороной 0,25°) и последующее выделение на их основе мезомасштабных вихрей. Алгоритм выделяет вихри как скопления пикселей (максимальный размер – 2000 пикселей), которые удовлетворяют определенному набору критериев (компактность, наличие экстремума аномалии уровня внутри этого скопления, а также равнозначность значений аномалий внутри контура этого скопления со знаком его экстремума). Данный массив содержит информацию о следующих параметрах: • амплитуда (см) – амплитуда определялась как разность между значением экстремума аномалии уровня внутри замкнутого контура SSH и средним значением аномалии уровня внутри данного контура. Для вихря любой полярности амплитуда представляет собой положительную величину. • радиус (км) – определялся как величина, равная радиусу окружности, площадь которой совпадает с площадью пограничного замкнутого контура SSH, на котором орбитальная скорость вихря максимальна. • орбитальная скорость (см/с) – значение средней геострофической скорости, приуроченное к наиболее удаленному от центра вихря замкнутому контору SSH; 8

• время существования вихря − количество дней, в течение которых данный вихрь фиксировался в поле аномалий уровня Второй массив представлен глобальным реанализом GLORYS12V1 – product of the Global Ocean Physics Reanalysis, доступный на сайте CMEMS (Copernicus Marine пространственную Environment дискретность Monitoring 1/12° и 50 Services). уровней Данные по имеют вертикали. Компонентом модели является платформа NEMO, базирующаяся на анализе поверхности океана ECMWF ERA−Interim. Ассимилируются измерения спутниковых альтиметров (аномалия уровня моря), температура поверхности моря, концентрация морского льда и вертикальные профили температуры и солености in situ. Спутниковые наблюдения ассимилируются с помощью фильтра Калмана пониженного порядка. Кроме того, схема 3D−VAR обеспечивает коррекцию медленно меняющихся крупномасштабных отклонений температуры и солености. Массив включает в себя среднесуточные и среднемесячные данные по температуре, солености, направлению морских течений, уровню моря, глубине перемешанного слоя и параметрах морского льда. Глава 1. Межгодовая и сезонная изменчивость характеристик мезомасштабных вихрей по данным массива «Mesoscale Eddies in Altimeter Observations of SSH» По данным массива «Mesoscale Eddies in Altimeter Observations of SSH» за период с 1993 по 2017 гг. в Лофотенской котловине (рис. 1) было зафиксировано 2105 индивидуальных мезомасштабных вихрей, из которых антициклонического типа было 1079 вихрей, а циклонического типа – 1026 мезомасштабных вихрей. 9

1.1. Межгодовая изменчивость характеристик вихрей в период 1993-2017 гг. На рисунке 2 представлена временная изменчивость характеристик этих вихрей: амплитуда, радиус и орбитальные скорости вихрей. Чтобы исключить короткоживущие вихри применялась процедура осреднения с использованием скользящего среднего с шириной окна 35 суток. В межгодовой изменчивости амплитуды можно выделить периоды с амплитудой более 6 см для вихрей циклонического типа и антициклонического типа, однако невозможно подтвердить наличие значимого тренда межгодовой изменчивости для обоих типов вихрей. Кроме того, для обоих типов наблюдаются временные промежутки с амплитудами более 10 см. Для мезомасштабных вихрей характерны радиусы порядка 40−70 км, что подтверждается результатами Raj et al. (2016), однако есть вихри, радиусы которых достигали значений более 100 км (рис. 2). В целом орбитальные скорости вихрей лежат в диапазоне от 5 до 15 см/с, с зафиксированными единичными случаями увеличения скоростей до 25−30 см/с (рис. 2). 10

а б Рис. 2. Временной ход со скользящим среднем амплитуды, радиуса и орбитальной скорости вихрей циклонического (а) и антициклонического (б) типа за период 1993−2017 гг. В таблице 1 показана сезонная изменчивость характеристик вихрей обоих типов. Установлено снижение количества вихрей и уменьшение продолжительности жизни вихрей обоих типов в зимне-весенний период (до значений менее 27 дней), причем наименьшее значение количества вихрей характерно для циклонических вихрей, тогда как наименьшее значение продолжительности жизни вихрей были зафиксированы в зимний период у антициклонических вихрей. В осенне-летний период орбитальные скорости и амплитуды обоих типов вихрей снижаются до значений для скорости порядка 8,5 – 8,7 см/с для циклонов и 9,6 – 10,4 см/с для антициклонов и до значений амплитуд, равных 3,8 – 3,9 см для циклонов и 4,7 – 5,1 см для антициклонов. Таблица 1 11

Сезонная изменчивость характеристик вихрей циклонического (Ц) и антициклонического (АЦ) типа за период 1993−2017 гг. Характеристики Количество (Ц/АЦ) Орбитальная скорость (см/с) (Ц/АЦ) Амплитуда (см) (Ц/АЦ) Продолжительность (дни) (Ц/АЦ) Радиус (км) (Ц/АЦ) Зима Весна Лето Осень 238 269 232 262 279 275 277 273 10,4 10,6 10,9 11,1 8,5 10,4 8,7 9,6 4,8 4,9 5,0 5,4 3,8 5,1 3,9 4,7 26,6 24,3 26,2 27,9 27,0 30,4 27,1 27,6 56,8 54,5 53,1 54,8 54,6 53,9 56,0 55,8 Для анализа пространственного распределения характеристик вихрей их значения осреднялись по пространству в квадратах 1° по широте и долготе. На рисунках 3 и 4 видно, что максимальное количество циклонических и антициклонических вихрей в период с 1993 по 2017 гг. было зафиксировано в центральной и восточной части Лофотенской котловины – до 30 вихрей на единицу сетки за сезон, тогда как западная и северо-западная часть акватории характеризуются наименьшим количеством вихрей обоих типов на протяжении всего года (не более 15 вихрей за сезон). Данная особенность свидетельствует об активном формировании мезомасштабных вихрей в районе Норвежского течения, которые в дальнейшем двигаются в сторону центральной части, что обусловлено топографическим строением Лофотенской котловины и описано в работах (Иванов и Кораблев, 1995б; Köhl, 2007). Кроме того, стоит отметить нахождение в районе расположения Лофотенского вихря на протяжении всего года большого числа мезомасштабных вихрей обоих типов. Так, наибольшее количество мезомасштабных вихрей циклонического типа наблюдается в зимний и летний период, тогда как для антициклонического типа характерны максимумы в летне-осенний период. Минимальное количество вихрей в 12

Лофотенской котловине фиксируется у циклонов в весенний период и в зимний у антициклонов. Рис. 3. Сезонная изменчивость количества индивидуальных вихрей циклонического типа за период 1993−2017 гг. 13

Рис. 4. Сезонная изменчивость количества индивидуальных вихрей антициклонического типа за период 1993−2017 гг. 14

1.2. Сезонные аномалии термохалинных характеристик вихрей в период 1993-2017 гг. по данным GLORYS На рисунках 5−7 показаны сезонные аномалии термохалинных характеристик за период 1993−2017 гг. Для анализа использовались данные реанализа GLORYS. Видно, что присутствие в течение всего года мезомасштабных вихрей обоих типов с теплыми и солеными водами на горизонте 450 м в районе Лофотенской котловины (рисунки). Наибольшие положительные аномалии температуры и солености в центральной части котловины наблюдаются у вихрей антициклонического типа в зимний период, так, аномалии достигают значений более 0.5 ℃ и до 0.04 psu, что способствует формированию вод в промежуточном слое с положительной плавучестью (аномалии условной плотности отрицательны и достигают значений до -0.04 кг/м3). В дальнейшем, в течение года, аномалии термохалинных характеристик обоих типов вихрей уменьшаются, достигая своего минимума в осенний период, когда в районе Лофотенской котловины наблюдаются значения для температуры и солености до 0.3 ℃ и 0.02 psu соответственно, что приводит к формированию вод с аномалиями условной плотности равной от 0.01 до 0.03 кг/м3. Стоит отметить, что антициклонические вихри обладают большими аномалиями температуры воды и солености, по сравнению с циклонами, что способствует наличию у антициклонических вихрей вод с отрицательными значениями условной плотности на протяжении всего года (рис. 7). В течение всего года в районе месторасположения Лофотенского вихря фиксируются положительные аномалии температуры и солености у антициклонических вихрей, что способствует обновлению Лофотенского вихря теплыми и солеными атлантическими водами (рис. 5 и 6). 15

б) а) Рис. 5. Сезонные аномалии температуры (℃) циклонических (а) и антициклонических (б) вихрей за период 1993−2017 гг. на горизонте 450 м 16

б) а) Рис. 6. Сезонные аномалии солености (psu) циклонических (а) и антициклонических (б) вихрей за период 1993−2017 гг. на горизонте 450 м 17

а) б) Рис. 7. Сезонные аномалии условной плотности (кг/м3) циклонических (а) и антициклонических (б) вихрей за период 1993−2017 гг. на горизонте 450 м 1.3. Сезонная изменчивость термохалинных характеристик мезомасштабных вихрей за период 1993−2017 гг. По данным таблицы 2 можно заметить увеличение в осенний период сезонных значений температуры воды у вихрей обоих типов, тогда как минимальные значения температуры воды на горизонте 450 м были зафиксированы в зимний период для циклонических вихрей (3.56 ℃) и для 18

антициклонов (3.98 ℃). Стоит отметить, что антициклоны имеют большую температуру, по сравнению с вихрями циклонического типа. Антициклоны также имеют более низкую соленость воды, с минимальными значениями в зимний период, равными 35.07 psu и максимальными в осенний период − 35.09 psu, тогда как для циклонического типа характерны минимальные значения в весенний период, достигающие значений 35.05 psu и максимумы в осенний период, равные 35.08 psu. Значения температуры и солености воды позволяют судить о характерной для антициклонов большей температуре и меньшей солености, по сравнению с циклонами, что способствует формированию в течение всех сезонов вод с более низкими значениями условной плотности у антициклонического типа, по сравнению с циклоническим типом. Минимальные значения условной плотности для мезомасштабных вихрей обоих типов наблюдаются в осенне-лений период и равны 27.70−27.73 кг/м3 для циклонов и 27.69−27.70 кг/м3 для антициклонов. Максимальные значения для циклонов равны 27.74−27.75 кг/м3, тогда как у антициклонов значения максимальной условной плотности достигают 27.71 кг/м3. Подобные значения свидетельствуют о формировании в зимне-весенний период вод с наибольшей условной плотностью у вихрей обоих типов, тогда как в осенний период наблюдается формирование вод с наименьшей условной плотностью воды, что связано с интенсивным увеличением температуры воды. Таблица 2. Сезонная изменчивость термохалинных характеристик циклонических и антициклонических вихрей за период 1993−2017 гг. Сезоны: Зима Весна Лето Осень Tср (℃) 3.56 3.58 3.77 4.17 Sср (psu) 35.06 35.05 35.06 35.08 σср усл. (кг/м3) 27.75 27.74 27.73 27.70 Tср (℃) 3.98 4.08 4.20 4.30 Характеристики: Циклоны Антициклоны 19

Sср (psu) 35.07 35.08 35.08 35.09 σср усл. (кг/м3) 27.71 27.71 27.70 27.69 Глава 2. Сезонная изменчивость термохалинных характеристик Лофотенского вихря Лофотенский вихрь характеризуется ярко выраженным сезонным колебанием своих термохалинных характеристик. В своей статье (Иванов, Кораблев, 1995а) говорят о большей изменчивости параметров температуры, солености и плотности в верхней части вихря, чем на участке между ядром вихря и придонным слоем. Так, среднеквадратичное отклонение температуры воды на горизонте между ядром антициклонического вихря и поверхностью воды намного больше, чем аналогичная характеристика на горизонте от ядра до придонного слоя. Средние годовые значения температуры воды равны 5,45 ℃, солености и условности плотности − 35,07 psu и 27,55 кг/м3 соответственно. Для вертикального разреза, пересекающего Лофотенскую котловину по 69,8° с.ш., мы проанализировали сезонные аномалии относительно среднегодовых значений за период с 1993 по 2017 гг. На рисунках 8-10 хорошо видно выраженное преобладание вертикальных градиентов термохалинных характеристик в верхней части Лофотенского вихря. В зимний период на глубинах до 50 м наблюдается существование поверхностного слоя холодных и более соленых, чем нижележащие слои, вод, имеющих максимальные положительные аномалии плотности воды, а, следовательно, и отрицательную плавучесть, способствующую погружению в промежуточный слой и обновлению ядра Лофотенского вихря в процессе зимней конвекции. На глубинах 200–800 м в восточной части наблюдаются атлантические водные массы, характеризующиеся положительными аномалиями температуры и солености, и, из-за положительных значений аномалий температуры воды – более низкими значениями плотности 20 морской воды, чем выше- и

нижележащие слои. характеризуется Ядро Лофотенского отрицательными вихря значениями в аномалий зимний период температур, с минимумом в ядре до −0,50 ℃ по сравнению со среднегодовыми значениями температуры воды. Благодаря процессу зимней конвекции и проникновению в промежуточный слой опресненных водных масс, ядро Лофотенского вихря в зимний период характеризуется сильным опреснением до −0,02 psu по сравнению со среднегодовыми значениями. За счет наличия в ядре Лофотенского вихря холодных опресненных вод, его плотность в зимний период на 0,025 – 0,05 кг/м3 выше, чем среднегодовая. В весенний период зафиксированы максимальные значения аномалий температуры воды, равные −0,80 ℃ в центре Лофотенского вихря, что свидетельствует о продолжающемся развитии в данный период зимней конвекции. На рисунке 9 наблюдается осолонение большей части Лофотенского вихря, в результате чего его аномалии солености равны от 0 до −0,03 psu. Подобное развитие зимней конвекции приводит к формированию положительных аномалий плотности вод в ядре Лофотенского вихря, достигающих значений до 0,05 кг/м3, по сравнению со среднегодовыми значениями. Кроме того, наличие на глубинах от 200 до 800 метров схожих аномалий термохалинных характеристик вблизи Лофотенского вихря позволяет подтвердить существование в весенний период вторичных конвективных ядер с вертикальной мощностью порядка 400−500 метров, ранее описанных в статье (Иванов и Кораблев, 1995а). В летний и осенний период температура ядра Лофотенского вихря выше, чем среднегодовые значения на 0,6 – 0,9 ℃, тогда как температура в поверхностном слое до 100 метров выше среднегодовой на 1,5−2,5 ℃, в результате чего происходит формирование вертикальной плотностной стратификации в летне−осенний период, препятствующее конвекции вод в промежуточные слои. В данный период наблюдается интенсивное осолонение ядра Лофотенского вихря (значение аномалий солености доходит до 0,03 psu), 21

однако, за счет увеличения температуры воды, аномалии плотности намного ниже среднегодовых – до −0,06 кг/м3, с абсолютным минимумом в районе ядра Лофотенского вихря. Рис. 8. Сезонная изменчивость аномалий температуры воды вдоль разреза 69,8° с.ш. Черной изолинией показаны значения равные нулю. Синяя пунктирная линия характеризует положение Лофотенского вихря. 22

Рис. 9. Сезонная изменчивость аномалий солености воды вдоль разреза 69,8° с.ш. Черной изолинией показаны значения равные нулю. Синяя пунктирная линия характеризует положение Лофотенского вихря 23

Рис. 10. Сезонная изменчивость аномалий условной плотности вдоль разреза 69,8° с.ш. Черной изолинией показаны значения равные нулю. Синяя пунктирная линия характеризует положение Лофотенского вихря. 24

Глава 3 Взаимодействие мезомасштабных вихрей с квази-постоянным антициклоническим Лофотенским вихрем В работах (Kohl, 2007; Raj et al, 2016) говорится о большом числа вихрей циклонического и антициклонического типа в восточной и северо-западной части Лофотенского бассейна, образованных в результате отрыва от Норвежского течения. Данные вихри характеризуются наличием относительно теплых и соленых атлантических вод, кроме того, в статье (Fer et al, 2018) указывается на наличие в них большого количества кинетической энергии. Анализ массива «Mesoscale Eddies in Altimeter Observations of SSH» позволяет судить о ежедневной изменчивости количества мезомасштабных вихрей обоих типов в районе Лофотенской котловины. Подобное изменение обусловлено взаимодействием вихрей разной полярности друг с другом, в результате чего происходит формирование дипольных мезомасштабных структур, обладающих специфическими свойствами и взаимодействующих с квази-постоянным Лофотенским вихрем. В работе (Dritschel, 1989) говорится, что если большой и более малый по горизонтальному размеру (мезомасштабный) вихри одного знака находятся на достаточно близком расстоянии, то происходит вытягивание и наматывание малого вихря на большой. Малые мезомасштабные вихри противоположного знака успешно сопротивляются растягивающему действию более крупного вихря и остаются в виде локализованных вихревых образований в относительной близости от более крупного (Жмур, 2010). По данным статьи (Блошкина и Иванов, 2016) часть антициклонических вихрей в центральном районе Лофотенской котловины сливается с более крупным в горизонтальном плане антициклоническим Лофотенским вихрем, что способствует процессу обновления его ядра в течение года. Этот процесс нами анализировался на примере слияния мезомасштабного антициклонического вихря с Лофотенским вихрем в период со 2 по 18 ноября 2016 года. Кроме того, в данный период наблюдалось движение вблизи Лофотенского вихря 25

мезомасштабного вихря циклонического типа, который не сливался с Лофотенским вихрем, а продолжил свое движение. Для дальнейшего анализа нами рассчитаны поля скорости, относительной завихренности и параметра Окубо-Вейса: 𝑊 = 𝑠𝑛2 + 𝑠𝑠2 − 𝜁 2 = 4(𝑢𝑥2 + 𝑢𝑦 𝑣𝑥 ), где 𝜕𝑣 𝜕𝑢 𝑔 𝜕 2 ℎ 𝜕 2 ℎ 𝜁= − = ( + ) − относительная завихренность, 𝜕𝑥 𝜕𝑦 𝑓 𝜕𝑥 2 𝜕𝑦 2 𝜕𝑢 𝜕𝑣 −2𝑔 𝜕 2 ℎ 𝑆𝑛 = − = − нормальная компонента напряжения, 𝜕𝑥 𝜕𝑦 𝑓 𝜕𝑥𝜕𝑦 𝜕𝑣 𝜕𝑢 𝑔 𝜕 2 ℎ 𝜕 2 ℎ 𝑆𝑥 = + = ( − ) − сдвиговая компонента напряжения, где 𝜕𝑥 𝜕𝑦 𝑓 𝜕𝑥 2 𝜕𝑦 2 ℎ – аномалии уровня океана. Результаты расчетом представлены на рисунках 11-13. Видно, что район Лофотенской котловины характеризуется наличием большого числа вихрей циклонического значения и параметра антициклонического Окубо−Вейса типа, (𝑊 < 0). имеющих отрицательные Положительные значения относительной завихренности (𝜁 > 0) свидетельствуют о наличии в котловине вихрей циклонического типа, тогда как отрицательные значения (𝜁 < 0) указывают на антициклоническую направленность вихрей в котловине, в тот числе и Лофотенского вихря. В период с 10 по 18 ноября наблюдалось движение вблизи Лофотенского вихря циклонического мезомасштабного вихря (на рисунке отмечен буквой C), а также слияние антициклоническим западной части мезомасштабным Лофотенского вихрем (A), вихря (LV), с характеризующимся отрицательным значением относительной завихренности (𝜁 < 0), а также относительно высоким значением скорости порядка 20 см/с, в результате чего произошло изменение термохалинных характеристик и кинетической энергии 26

Лофотенского вихря (рис. 11). Стоит также отметить, что мезомасштабный вихрь C имеет положительные значения относительной завихренности (𝜁 > 0), а также высокие значения орбитальной скорости равные 20 см/с. На рисунке 11 представлено движение вихрей A и C за счет топографического β-эффекта (Köhl, 2007) в сторону центральной части Лофотенской котловины и дальнейшее слияние A с LV. Для одноименных вихрей характерно необратимое сближение и их дальнейшее слияние, если расстояние между ними меньше 3.2R, где R − начальный радиус вихря (Жмур, 2010). В период со 2 по 10 ноября у А и C наблюдались скорости порядка 20 см/с, тогда как для LV также характерны высокие значения скорости, превышающие 20 см/с. В период со 2 по 10 ноября A и C сблизились с LV на 52,5 км, в результате чего, 18 ноября наблюдалось окончание процесса слияния и передачи кинетической энергии от А к LV (рис. 11). Кроме того, стоит отметить постоянное отсутствие у LV в его центральной части каких-либо скоростей, что характерно для центра ядра вихря, где жидкость ведет себя как твердое тело (Жмур, 2010). 27

Рис. 11. Изменчивость поля скорости (см/с) исследуемом районе на глубине 450 метров в период 2, 10 и 18 ноября 2016 года. На рисунке 12 показаны поля относительной завихренности (𝜁) в границах исследуемого района. Для антициклонических мезомасштабных вихрей характерны отрицательные значения относительной завихренности, причем A и LV характеризуются высокими значениями отрицательных аномалий – до -2.5×10-5 (1/c), тогда как циклонический тип мезомасштабных вихрей, представленный C характеризуется положительными аномалиями относительной завихренности – до 2.5×10-5 (1/c). В период со 2 по 10 ноября наблюдается движение A и C в сторону LV и дальнейшее слияние A и LV, в результате которого, LV меняет свою форму и становится более вытянутым в 28

северо-восточную сторону 18 ноября 2016 года (Рисунок 12). Вихрь C, имеющий разнонаправленную структуру, по сравнению с LV, не сливается с ним, и, двигаясь в восточную сторону, 18 ноября 201 6 года максимально отдаляется от LV. В период 18 ноября 2016 года для A характерны значения относительной завихренности близкие к нулю, что свидетельствует о завершении процесса слияния A и LV. Кроме того, для данного района характерно наличие большого числа антициклонических мезомасштабных вихрей в течение всего года, что отчетливо видно на рисунке 12, на котором изображено множество изолиний с отрицательными аномалиями относительной завихренности, которые достигают значений от -1.5×10-5 до 2.5×10-5 (1/c). 29

Рис. 12. Изменчивость поля относительной завихренности (1/с) на глубине 450 метров в период 2, 10 и 18 ноября 2016 г. На рисунке 13 изображены поля параметра Окубо−Вейса (𝑊) для горизонта 450 м в пределах исследуемого района. Можно заметить наличие большого числа ядер с отрицательными значениями в северо-западной части Лофотенской котловины 2 ноября 2016 года. Подобные отрицательные значения, достигающие -4×10-10 (1/с2) свойственны для вихрей обоих типов направленности (Белоненко и Шоленинова, 2016). Центральная часть Лофотенской котловины также выделяется изолиниями с отрицательными значениями, что характерно для антициклонического LV. 30

В период со 2 по 10 ноября установлено смещение A и C вихрей к западной части LV, причем на рисунке для 10 ноября фиксируется процесс слияния A с LV, в результате чего, 18 ноября A уже не наблюдается, а сам LV, как и в случае с относительной завихренностью, меняет свою форму и становится более вытянутым в северо-восточную сторону. Вихрь же C продолжает свое движение и наблюдается северо−восточнее LV (рис. 13). На данном рисунке мы также можем наблюдать наличие большого числа зон с отрицательными значениями параметра Окубо-Вейса, достигающими значений от -2×10-10 до -4×10-10 (1/с2), что свидетельствует о наличии в районе Лофотенской котловины мезомасштабных антициклонических имеющих разные горизонтальные размеры радиусов. 31 вихрей,

Рис. 13. Изменчивость поля параметра Окубо−Вейса (1/с2) в исследуемом районе на глубине 450 метров в период 2, 10 и 18 ноября 2016 года. 3.1. Изменение термохалинных характеристик равнонаправленных вихрей при их слиянии Для оценки изменения термохалинных характеристик в результате слияния LV с вихрями антициклонического типа нами были построены T/S разрезы, представленные на рисунках 14 и 15. На данных рисунках LV и A выделяются более теплыми и солеными водами в промежуточном слое до 1200−1400 м, кроме того, в период со 2 по 18 ноября наблюдается A−вихря в восточную сторону и его дальнейшее слияние с LV, в результате чего 32

происходит увеличение и заглубление изотерм и изохалин в районе месторасположения LV, что свидетельствует об обновлении ядра Лофотенского вихря не только за счет процесса глубокой конвекции в весенне−зимний период, но и за счет его слияния с мезомасштабными вихрями антициклонического типа (𝜁 < 0), характеризующимися наличием более теплых и соленых атлантических вод. Так, в результате слияния, температуры ядра LV меняются и изотерма, равная 0℃ заглубляется на более чем 150 м, с глубины 1200 м в период 2 ноября 2016 года до 1350 м в момент окончания слияния A и LV – 18 ноября 2016 года. Кроме того, в результате слияния происходит заглубление изохалин, в результате чего, изохалина, равная 34.95 psu в период со 2 по 18 ноября опускается на более чем 150 м, до глубин порядка 1400 м. 33

Рис. 14. Профили температуры воды (℃) для 2, 10 и 18 ноября 2016 Для 2 ноября профиль построен по 70,75° с.ш., для 10 ноября – по 70,50° с.ш., для 18 ноября – 70,41° с.ш. 34

Рис. 15. Профили солености (psu) воды в периоды 2, 10 и 18 ноября 2016 года. Для 2 ноября профиль построен по 70,75° с.ш., для 10 ноября – по 70,50° с.ш., для 18 ноября – 70,41° с.ш. Заключение Для мезомасштабных вихрей в период с 1993 по 2017 гг. в исследуемом районе характерны годовые значения орбитальной скорости и амплитуды, равные от 8,5 до 11,1 см/с и от 3,8 до 5,4 см соответственно. Установлено наличие выраженной сезонной изменчивости, так, в осенне−летний период орбитальные скорости и амплитуды обоих типов вихрей снижаются до значений порядка 8,5 – 8,7 см/с для циклонов и 9,6 – 10,4 см/с для антициклонов и до значений амплитуд, равных 3,8 – 3,9 см для циклонов и 4,7 – 5,1 см для антициклонов. Кроме того, в зимне−весенний период фиксируется 35

уменьшение продолжительности жизни мезомасштабных вихрей, до значений менее 27 дней. Исследуемый район, за счет наличия β-топографического эффекта характеризуется наличием наибольшего числа вихрей обоих типов в центральной и восточной части Лофотенской котловины, тогда как западная и северо−западная часть характеризуется наименьшим количеством вихрей обоих типов на протяжении всего года (не более 15 вихрей за сезон на клетку сетки). В течение всего года наблюдается наличие мезомасштабных вихрей обоих типов с теплыми и солеными водами на горизонте 450 м в районе Лофотенской котловины. Наибольшие положительные аномалии температуры и солености в центральной части котловины наблюдаются в зимний период. В дальнейшем, в течение года аномалии термохалинных характеристик уменьшаются, достигая своего минимума по модулю в осенний период. Кроме того, стоит отметить, что для антициклонических вихрей характерны большие значения аномалий температуры и солености воды, по сравнению с циклоническими вихрями в течение всего года, что способствует формированию у антициклонов вод с положительной плавучестью, тогда как у циклонов наблюдается большое число вихрей с положительными аномалиями условной плотности. Для Лофотенского вихря характерно ярко выраженное сезонное колебание термохалинных характеристик, так, ядро Лофотенского вихря в зимний период характеризуется отрицательными значениями аномалий температур и сильным опреснением, в результате чего, его плотность в зимний период на 0,025 – 0,05 кг/м3 выше, чем среднегодовая. В весенний период зафиксированы максимальные значения аномалий температуры воды, что свидетельствует о продолжающемся развитии в данный период зимней конвекции. Подобное развитие зимней конвекции приводит к формированию положительных аномалий плотности вод в ядре ЛВ, достигающих значений до 0,05 кг/м3, по сравнению со среднегодовыми значениями. В летний и осенний период температура ядра ЛВ выше, чем среднегодовые значения, в результате чего происходит формирование 36

вертикальной плотностной стратификации в летне−осенний период, препятствующее конвекции вод в промежуточные слои. В данный период наблюдается интенсивное осолонение ядра Лофотенского вихря, однако, за счет увеличения температуры воды, аномалии плотности намного ниже среднегодовых, с характерным абсолютным минимумом в районе ядра Лофотенского вихря. В районе Лофотенского вихря наблюдается преобладание вертикальных градиентов термохалинных характеристик в верхней части вихря, по сравнению с нижележащими слоями, кроме того, зафиксирована выраженная сезонная изменчивость термохалинных характеристик – в весенне−зимний период за счет процесса глубокой зимней конвекции в ядре Лофотенского вихря наблюдаются отрицательные аномалии температуры и солености морской воды, приводящие к положительным аномалиям плотности в промежуточном слое ЛВ в данное время. В осенне−летний период преобладает картина с положительными аномалиями температур и солености, что способствует формированию в ядре Лофотенского вихря вод, имеющих потенциальную плотность ниже среднегодовых значений. В данном районе исследования фиксируется наличие мезомасштабных антициклонических вихрей, для которых характерны скорости порядка 20 см\с, отрицательные значения относительной завихренности и параметра ОкубоВейса, равные от -1.5×10-5 до -2.5×10-5 (1/c) и достигающие -4×10-10 (1/с2) соответственно. Кроме того, по данным рисунков 11−13 в данном районе наблюдается наличие мезомасштабных вихрей циклонического типа, которые продолжают свое движение вблизи антициклонического Лофотенского вихря, но не сливаются при сближении к нему. В результате слияния мезомасштабного антициклонического вихря с Лофотенского вихря происходит увеличение и заглубление изотерм и изохалин в районе месторасположения Лофотенского вихря, что свидетельствует об обновлении ядра Лофотенского вихря не только за счет процесса глубокой конвекции в весенне−зимний период, но и за счет его слияния 37 с мезомасштабными вихрями

антициклонического типа (𝜁 < 0), характеризующимися наличием более теплых и соленых атлантических вод. Список литературы 1) Алексеев В. А., Иванов В. В., Репина И. А., Лаврова О. Ю., Станичный С. В., Конвективные структуры в Лофотенской котловине по данным спутников и буев Арго, Исследование Земли из космоса. – 2016. − № 1−2 – с. 90−91 2) Белоненко Т. В., Шоленинова П. В., Об идентификации синоптических вихрей по спутниковым данным на примере акватории северозападной части Тихого океана, Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2016. Т. 13. № 5. С. 79–90. 3) Блошкина Е. В., Иванов В. В., Конвективные структуры в Норвежском и Гренландских морях по результатам моделирования с высоким пространственным разрешением, Труды Гидрометцентра России, 2016, в. 361, с. 146−150. 4) Иванов В. В., Кораблев А. А., Формирование и регенерация внутрипикноклинной линзы в Норвежском море, Метеорология и гидрология, 1995, № 9, с. 102−108. 5) Иванов В. В., Кораблев А. А., Динамика внутрипикноклинной линзы в Норвежском море, Метеорология и гидрология, 1995, № 10, с. 55−59. 6) Жмур В. В., Мезомасштабные вихри океана, М.: ГЕОС, 2010, с.8-32. 7) Chelton D. B., Schlax M. G., Samelson R. M., Global observations of nonlinear mesoscale eddies, Progress in Oceanography, 2011, 91, p. 196−214. 8) Fer. I., Bosse A., Ferron B., Bouruet−Aubertot P., The Dissipation of Kinetic Energy in the Lofoten Basin Eddy, Journal of Physical Oceanography, 2018, Vol. 48, I. 6, p. 1299−1305. 38

9) Jakobsen P., Ribergaard M., Quadfasel D., Schmith T., Hughes C., Near−surface circulation in the northern North Atlantic as inferred from Lagrangian drifters: Variability from the mesoscale to interannual, Journal of geophysical research, 2003, V. 108, No. C8., p. 3251−3254. 10) Köhl A., Generation and Stability of a Quasi−Permanent Vortex in the Lofoten Basin, Journap of Physical Oceanography, 2007, V. 37, No. 11, p. 2637−2643. 11) Orvik K., The deepening of the Atlantic water in the Lofoten Basin of the Norwegian Sea, demonstrated by using an active reduced gravity model, Geophysical research letters, 2004, Vol. 31, L01306, p. 1−3. 12) Pedersen O. P., Zhou M., Tande K. S., Evandsen A., Eddy formation on the coast of Norway−Evidenced by synoptic sampling. ICES J. Mar. Sci., 2005, 62, p. 615−626. 13) Raj R. P., Chafik L., Even J. Ø. Nilsen, Eldevik T., Halo I., The Lofoten Vortex of the Nordic seas. Deep−sea research I, 2015, V. 96, p. 1−2. 14) Raj R. P., Johannessen J. A., Eldevik T., Nilsen J. E. Ø., Halo I., Quantifying mesoscale eddies in the Lofoten Basin, Journal of Geophysical Research: Ocean, 2016, Vol. 121, I. 7, p. 2−15. 15) Richards C., Straneo F., Observations of Water Mass Transformation and Eddies in the Lofoten Basin of the Nordic Seas, Journal of Physical Oceanography, 2015, 45(6), p. 1735−1737. 16) Rossby T., Ozhigin V., Ivshin V., Bacon S., An isopycnal view of the Nordic Seas hydrography with focus on properties of the Lofoten Basin. Deep−sea Res., 2009, I. 56(11), p. 1955−1971. 17) Schlax M. G., Chelton D. B., The “Growing Method” of eddy Identification and Tracking in Two and Three Dimensions, 2016, p. 1−7. 18) Voet G., Quadfasel D., Mork KA., Søiland H., The mid−depth circulation of the Nordic Seas derived from profiling float observations. Tellus A., 2010, 62(4), p. 516–529. 39

19) Volkov D. V., Kubryakov A. A., Lumpkin R., Formation and variability of the Lofoten basin vortex in a high−resolution ocean model, Deep−sea research I, 2015, V. 105, p. 142−144. 20) Williams S., Petersen M., Bremer P.−T., Hecht M., Pascucci V., Ahrens J., Hlawitschka M., Hamann B., Adaptive extraction and quantification of geophysical vortices, IEEE T. Vis. Comput. Gr., 2011, 17, p. 2088−2095. 40

Рецензии:

Авторизуйтесь, чтобы добавить рецензию

- у работы пока нет рецензий -

Отзывы:

Авторизуйтесь, чтобы оставить отзыв