CC BY
15
УДК 551.466.6 (265.7)
АНАЛИЗ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ОКЕАНИЧЕСКИХ ВИХРЕЙ В ЮЖНОЙ ЧАСТИ ТИХОГО ОКЕАНА
© 2014 г. Е.В. Бородин
Бородин Евгений Владимирович - аспирант, Балтий- Borodin Evgeniy Vladimirovich - Post-Graduate Student, ский федеральный университет им. Иммануила Канта, Immanuel Kant Baltic Federal University, A. Nevsky St., ул. А. Невского, 14, г. Калининград, 236041, е-mail: 14, Kaliningrad, 236041, Russia, е-mail: kobzon89@mail. ru. kobzon89@mail. ru.
Проведен обзор распределения основных параметров вихрей на акватории южной части Тихого океана. Показано, что вихри, имеющие параметры, превышающие средние, формируют области максимального среднеквадрати-ческого отклонения абсолютной динамической топографии. Установлено, что вихри имеют зональный характер распределения: в субантарктике и субтропике преобладают циклоны, а в умеренном поясе - антициклоны.
Ключевые слова: циклоны, антициклоны, нелинейность, амплитуда, радиус, скорость вращения.
Research of distribution eddies parameters in South Pacific was performed. Eddies with parameters larger averaged are formed area with anomaly of standard deviation in absolutely dynamic topography field. Zonal distribution in fields of eddies was show: in subantarctic and subtropic - cyclonic, in temperate zone - anticyclones.
Keywords: cyclones, anticyclones, nonlinear, amplitude, linear scale, rotation speed.
Важным фактором водообмена между поверхностными и глубинными слоями является наличие на акватории мезомасштабных вихрей разного знака для обеспечения подъема и опускания вод, что в свою очередь провоцирует обогащение поверхностного фотического слоя биогенными элементами для поддержания продуктивности. Далее по тексту под термином «вихрь» будет подразумеваться именно мезо-масштабный вихрь, так как вихри обеспечивают вертикальный подъем биогенов, более действенный, чем горизонтальный [1]. Кроме того, вихри участвуют в локальном переносе антарктической воды из области Субантарктического фронта в южную часть Тихого океана (ЮТО). Это важно, так как антарктическая вода обладает повышенным содержанием биогенных элементов по сравнению с водами умеренных широт, поскольку в субантарктике и более южных областях отсутствуют условия для фотосинтеза (из-за низкого количества поступающей солнечной радиации). Поэтому изучение пространственного распределения количества вихрей и их параметров позволит выделять области максимального подъема вод в океанической части акватории, а также в области проникновения антарктической воды в ЮТО.
Исходя из вышеизложенного, определена цель работы: установить закономерности в распределении циклонических и антициклонических вихрей на акватории ЮТО. Для достижения цели необходимо ре-
шить следующие задачи: 1) создать сетку данных для построения распределения вихрей; 2) выделить особенности распределения параметров циклонических и антициклонических вихрей.
Материалы и методы
Главным источником информации для этой работы послужил массив Mesoscale eddies in Altimeter Observations of SSH. Данный массив был создан в рамках глобального исследования нелинейных мезомасштабных вихрей [2]. Он содержит в себе данные о вихрях начиная с 1992 по 2013 г.: уникальный номер вихря, количество точек, в которых фиксировался вихрь, дата фиксации вихря с обозначением координат, а также данные об амплитуде, см, радиусе, км, времени жизни вихря, недели, и скорости вращения, см/с. Период выборки для анализа: январь 1993 - декабрь 2010. Исследование проводится на основании информации о вихрях, выделенных для региона 20-65° ю.ш., 75-180° з.д. Массив находится в свободном доступе [3].
При извлечении данных из этого массива учитывалось, что представленные данные для анализа непригодны, поскольку имеют строчное представление, т.е. информация по каждому отдельному вихрю содержится в шести строках, длина каждой строки в свою очередь зависит от времени жизни вихря. Для конвертации исходных данных в формат, подходящий
для анализа методами статистической обработки информации, использовалась утилита, созданная совместно с лабораторией промысловой океанологии Ат-лантНИРО. Она применяется для извлечения данных из изначального массива и приведения их к стандартному табличному виду, а также для подсчета количества циклонов, антициклонов и осреднения их характеристик для каждого узла регулярной сетки (авторы: О.Ю. Краснобородько, Е.В. Бородин).
Для выполнения дальнейшего анализа вся акватория ЮТО, для которой проводится исследование вихрей, была разделена на двухградусные квадраты, в результате получилась сетка, состоящая из 1 173 узлов и равномерно покрывающая район. Для каждого квадрата было посчитано количество циклонических и антициклонических вихрей отдельно для каждого месяца каждого года. Так же в алгоритме расчета количества вихрей отдельно для циклонов и антициклонов предусмотрено усреднение таких параметров, как амплитуда, радиус и скорость вращения вихрей, которое так же вычисляется для каждого узла и каждого месяца каждого года.
Результаты и их обсуждение
Выборка из общей базы показала, что на акватории ЮТО в период с 1993 по 2010 г. находились 37 632 вихря. В преобладающем большинстве это были нелинейные вихри (90 % от общего количества). Согласно [2], все вихри, которые находятся за пределами тропиков, являются нелинейными по причине того, что на них воздействует большая сила Кориолиса, чем на вихри, которые находятся в тропической части океана.
Линейная теория движения жидкости предполагает, что скорости вращающегося столба жидкости не намного отличаются друг от друга [4]. Нелинейность заключается в обратном, т.е. скорости вращающейся жидкости имеют значительные отличия.
Для рассмотрения способности вихря переносить жидкость и ее свойства автором был выбран адвективный параметр нелинейности, который заключается в соотношении скорости вращения вихря и скорости его передвижения и является наиболее эффективным. Согласно авторам [2], если нелинейность вихря >1, жидкость внутри вихря находится «в ловушке» и вихрь может переносить тепло, соль, биогенные вещества и фитопланктон. В большинстве внетропические вихри (81 % от общего количества) являются слабо нелинейными, и их индекс нелинейности не превышает 20. Остав-
шиеся 19 % являются сильно нелинейными, и их индекс нелинейности превышает 30, а в некоторых случаях достигает максимального значения 50. Как и ожидалось, акватория распространения вихрей с наибольшим параметром нелинейности расположена в области Антарктического циркумполярного течения (АЦТ) (рис. 1). Следует отметить, что циклонические вихри более нелинейные, чем антициклонические. Это объясняется тем, что скорость вращения циклонов (рис. 5а) больше, чем скорость вращения антициклонов (рис. 5б). Значит, циклоны играют несколько большую роль в переносе антарктической воды в ЮТО по сравнению с антициклонами. Это подтверждает выводы, сделанные в работах [5, 6], показывающие, что именно циклонические вихри переносят антарктическую воду в ЮТО.
74 % от общего числа анализируемых вихрей имеют преимущественно западное направление в зональном распространении, половина этих вихрей имеет северное направление в меридиональном распространении.
Для оценки общей картины состояния локализации циклонов и антициклонов приводится карта количественной разницы вихрей разного знака (рис. 2). Для ее получения в каждом узле регулярной сетки была посчитана разница между общим количеством циклонических и антициклонических вихрей, наблюдаемых в период с 1993 по 2010 г.
Рис. 1. Распределение адвективного параметра нелинейности (а - циклоны, б - антициклоны), осредненного для всего периода наблюдений с 1993 по 2010 г. (рассчитано на основе [3])
Рис. 2. Отображение разницы в количестве циклонических и антициклонических вихрей (с 1993 по 2010 г.) (рассчитано на основе [3])
20
30
40
50
60
20
30
+++ ++
++ +++++
Важно обратить внимание на зональную структуру распределения циклонов и антициклонов. На акватории к югу от 45° ю.ш. и к северу от 25° ю.ш. наблюдается явное преобладание в количестве циклонических вихрей, а значит, здесь должен происходить подъем вод из промежуточных слоев в поверхностные. Обратная картина к северу от 45° ю.ш. и югу от 25° ю.ш. -преобладают антициклоны -происходит опускание вод.
Анализ распределения отдельных параметров вихрей (амплитуда, радиус, скорость вращения) позволил получить следующие результаты.
Амплитуда. Согласно работе [2], параметром «амплитуда» следует считать разницу между оценкой высоты уровня моря (ВУМ) на границе вихря и значением экстремума ВУМ в пределах вихря. На рис. 3 отображается амплитуда, ос-редненная для каждого узла сетки, отдельно для циклонов и антициклонов.
Из рис. 3 видно, что на 85 % акватории локализуются вихри, причем как циклонические, так и антициклонические, амплитуда которых не превышает 3 см, и лишь на остальных 15 % акватории наблюдается амплитуда вихрей, превышающая среднее значение. Это означает, что величина амплитуды вихрей зависит от наличия на акватории сильных токов. Это на-
+++++++++++ +
+ +++++++ ■(-++■♦-+++++♦ ++++++ + + + + +++ + +++ + + +•++♦++♦ + + + + +•++♦ +
+ + + + + + + ■* + + + +-Г + + ++ + + + +++ +
+
+
++
++++ +
40
50
60
к
++++++
180
170 160
"1-1-1—
150 140 130
—1— 120
110
100 1см
10
40
80
70 З.Д.
Рис. 3. Распределение амплитуды (а - циклоны, б - антициклоны) вихрей, осредненной для всего периода наблюдений с 1993 по 2010 г. (рассчитано на основе [3]); + - центры квадратов, в которых наблюдались вихри с амплитудой более 20 см
ходит подтверждение на рис. 3, а также в самой статье [2], в которой утверждается, что столь большое превышение средней амплитуды наблюдается в крупных течениях, таких как АЦТ, Гольфстрим, Куросио, Восточно-Австралийское и др. Также на карте наблюдается существенная разница между средними значениями амплитуды циклонов и антициклонов. Среднее
а
б
значение амплитуды циклонов для территории южнее 45° ю.ш. составляет 2,45 см, антициклонов - 1,91. Такое превышение средних значений амплитуды циклонов над антициклонами объясняется в статье [2] как явление, вызванное влиянием центробежной силы, которая толкает жидкость наружу во вращающемся вихре [7], усиливая низкое давление в центрах циклонов и ослабляя высокое давление в центре антициклонов.
Радиус. Согласно статье [2], масштабность вихря определяется его радиусом, т.е. радиусом круга с площадью, равной замкнутому контуру ВУМ вихря, в пределах которого наблюдается его максимальная геострофическая скорость вращения. Эта масштабность так же соответствует радиусу, при котором относительная завихренность равна нулю [2].
При сравнении с распределением средней амплитуды (рис. 3) наблюдается обратное распределение радиуса для циклонов и антициклонов (рис. 4). Разница между средними значениями радиуса циклонов и антициклонов составляет 0,07 км. Если брать во внимание общую картину распределения радиуса вихрей, то наблюдается его четкое уменьшение при продвижении от полюсов к экватору. Следует принять во внимание, что вихри с большой амплитудой и радиусом имеют время жизни больше, чем вихри с маленькой амплитудой и небольшим радиусом. При рассмотрении зависимости распределения радиуса от географического положения не наблюдается какой-либо существенной привязки к тем или иным районам, однако, как и в случае количественного распределения вихрей, имеется зональное распределение радиуса с его увеличением при продвижении от полюсов к экватору. Если учесть, что под радиусом вихря автор статьи [2] имеет в виду радиус, в пределах которого у вихря максимальная средняя геострофическая скорость, то такое распределение средних радиусов объясняется изменением силы Кориолиса.
Скорость вращения. Под скоростью вращения вихря (рис. 5) понимается максимальная средняя геострофическая скорость внутри замкнутого контура ВУМ внутри вихря, т.е. та же скорость, которая обозначена в определении масштабности вихря (см. радиус вихря) [2].
При рассмотрении карты распределения средней скорости вращения циклонов и антициклонов (рис. 5) наблюдается пространственное распределение, схожее
Рис. 4. Распределение радиуса (а - циклоны, б - антициклоны) вихрей, осредненного для всего периода наблюдений с 1993 по 2010 г. (рассчитано на основе [3]); изолинии проведены через 10 км; + - центры квадратов, в которых наблюдались вихри с радиусом > 150 км
с распределением амплитуды вихрей (рис. 3). Как и на карте распределения амплитуды (рис. 3), на большей части акватории локализуются вихри (как циклоны, так и антициклоны) со средней скоростью вращения 5 см/с. Разница средних значений скорости вращения циклонов и антициклонов составляет 0,65 см/с.
Примечателен факт, что циклоны и антициклоны как по распределению амплитуды (рис. 3), так и по скорости вращения (рис. 5) сосредоточены в зоне АЦТ, т.е. область южнее 45° ю.ш. будет являться областью локализации вихрей с большой продолжительностью жизни.
На рис. 3 - 5 условными знаками отмечены двухградусные квадраты, которые соответствуют тем или иным типам вихрей с теми или иными величинами основных параметров. Как видно из рис. 3, 5, вихри с амплитудой и скоростью вращения, превышающие средние, имеют более четкое распределение: циклонические вихри локализуются в зоне АЦТ, а антициклонические - в субтропической части. Таким образом, очевидно, что области высоких значений средне-квадратического отклонения (СКО) ВУМ формируются именно за счет вихрей, чьи амплитуда и скорость вращения превышают средние. Об этом говорит совпадение местоположений зон повышенных СКО ВУМ и центров квадратов, в которых отмечались вихри, чьи амплитуда и скорость вращения превышали средние (рис. 3, 5). Иначе дело обстоит с распреде-
20 30 40 50 60
+++++-Н-++++++ .....+++++ ♦■++++
++ ++ +++
++ ++++
++++ +++ + + + ++
+
-t±t Jpt
f*
20 30 40 50 60
+++++++++ ++ ++ +++++++++++++ +
Ш++++++++•++ + ++■► + + + -♦• + + + ++ + +++++ + + + + + + + ++ + 4- + + ++ +■
180 170 160 150 140 130 120 110 100 90
cm/C
0
8 12 16 20
Рис. 5. Распределение скорости вращения (а - циклоны, б - антициклоны) вихрей, осредненное для всего периода наблюдений с 1993 по 2010 г. (рассчитано на основе [2]); + - центры квадратов, в которых наблюдались циклоны со скоростью вращения > 40 см/с, антициклоны со скоростью вращения более 20 см/с
а
б
лением радиуса. Из рис. 4 видно, что циклонические и антициклонические вихри, радиус которых превышает 150 км, локализуются к северу от 35° ю.ш.
Остается открытым вопрос о временной изменчивости качественных параметров вихрей (амплитуда, радиус, скорость вращения), который не затрагивается в этой работе, поскольку заслуживает отдельного исследования.
Выводы
Циклоны обладают большей способностью переносить антарктическую воду в ЮТО по сравнению с антициклонами. Это подтверждает выводы работ [5, 6], показывающие, что именно циклонические вихри переносят антарктическую воду в ЮТО.
Распределение вихрей по акватории района имеет зональный характер (рис. 2): в субтропической
Поступила в редакцию
части - циклоны, в умеренной -антициклоны, в субантарктической - циклоны. Это подтверждает вывод работы [8]: под областью низкого давления образуются циклоны, а под областью высокого - антициклоны.
Вихри, чьи амплитуда и скорость вращения превышают средние показатели, формируют повышенное значение в распределении СКО ВУМ:
- циклонические вихри с амплитудой более 18 см (рис. 3) и скоростью вращения более 40 см/с (рис. 5) перемещаются строго в зоне АЦТ;
- антициклонические вихри с амплитудой более 18 см (рис. 3) и скоростью вращения более 20 см/с (рис. 5) перемещаются в северозападной части ЮТО.
Циклоны и антициклоны с радиусом более 150 км локализуются к северу от 35° ю.ш. (рис. 4).
Литература
1. Чернявский Е.Б., Вавилова В.В., Максимов В.П. Биологические последствия подъема вод в открытом океане. М., 1976. Сер. 9, вып. 4. 37 с.
2. Chelton D.B, Schlax M.G., Samelson R.M. Global observations of
nonlinear mesoscale eddies // Progress in Oceanography. 2011. Vol. 91. P. 50.
3. Mesoscale eddies in Altimeter Observations of SSH. URL: http://cioss.coas.oregonstate.edu/eddies/data.html (дата обращения: 28.04.2014).
4. Гринспен Х. Теория вращающихся жидкостей. Л., 1975. 304 c.
5. Голивец С.В., Кошляков М.Н. Циклонические вихри Субантарктического фронта и образование антарктической промежуточной воды // Океанология. 2003. Т. 43, № 3. С. 325 - 338.
6. Голивец С.В., Кошляков М.Н. Вихреобразование на Субантарктическом фронте по данным спутниковых наблюдений и формирование антарктической промежуточной воды // Океанология. 2004. Т. 44, № 4. С. 485 - 494.
7. Gill A.E. Atmosphere-Ocean Dynamics. San Diego, USA, 1982. 662 p.
8. Лаппо С.С. Среднемасштабные динамические процессы океана, возбуждаемые атмосферой. М., 1979. 180 c.
13 мая 2014 г.
