CC BY
34
УДК 504.45 + 551.46
Вестник СПбГУ. Сер. 7. 2004, вып. 2
А. А. Бобков, В. Ю. Цепелев, Г. В. Шевченко
ОБ АНЕМОБАРИЧЕСКОЙ ОБУСЛОВЛЕННОСТИ «ОБРАЩЕНИЯ» ТЕЧЕНИЯ СОЯ В ПРОЛИВЕ ЛАПЕРУЗА
Введение. Настоящая статья продолжает исследование Г. А. Кантакова и Г. В. Шевченко [1] по интерпретации данных уникального длительного эксперимента по инструментальному измерению течений в проливе Лаперуза, начатого в 1999 г. и продолженного в 2000-2001 гг. при помощи автономных буйковых станций (АБС), выставленных в середине пролива (рис. 1). Одним из интересных его результатов был факт регистрации поворота векторов течений, наблюденный дважды в 1999 г. (6-8 и 21 марта) и 7 марта 2001 г., который был соотнесен с изменчивостью течения Соя, входящего в Охотское море через пролив Лаперуза:
Рис. /. Карта района.
I - место постановки АБС в 1999 и 2000-2001 гг.; 2 - точка сеточной области, в которой были сняты значения составляющих ветра и рассчитаны его векторы.
Течение Соя, как известно, является продолжением Цусимского течения Японского моря, воды которого со скоростью до 2-3 узлов распространяются очень узкой полосой вдоль северо-восточного побережья о-ва Хоккайдо и имеют генеральное направление на юго-восток до п-ова Сиретоко, после чего отклоняются к северу и северо-востоку и прослеживаются приблизительно до берегов о-ва Итуруп. Воды течения Соя по достаточно высоким значениям температуры и солености значительно отличаются от окружающих охотоморских вод.
Установленной причиной, обеспечивающей устойчивый вынос япономорских вод через пролив Лаперуза, считается разность уровней между Японским и Охотским морями, - факт, впервые описанный еще адмиралом С. О. Макаровым [2, с. 95-240] и впоследствии. подтвержденный дальнейшими исследованиями. Таким образом,
© А. А. Бобков, В. Ю. Цепелев, Г. В. Шевченко, 2004
течение Соя по своей природе традиционно считается стоковым из-за более высокого уровня первого бассейна по отношению ко второму, но на которое влияют локальные процессы и их изменчивость. Неоднократно обосновывалось мнение [1, 3, 4 и др.], что течение Соя более выражено в теплый период года с максимальным развитием в августе-сентябре.
а
б
в
Рис. 2. Векторы течений в проливе Лаперуза по результатам измерений в феврале-марте 1999 г. (а), марте (б) и июле 2001 г. (в).
В качестве причины, обусловившей разворот течения, в [1] было высказано предположение, что таковой могло служить усиление до штормового ветра восточного направления вследствие прохождения над районом работ глубокого циклона, центр которого располагался над о-вом Хоккайдо.
Цель настоящей статьи - более подробный анализ вероятных причин «обращения» течения Соя в проливе Лаперуза, одной из которых, по нашему мнению, может являться анемобарический эффект, проявляющийся через воздействие ветра на водную поверхность вследствие соответствующего расположения центров атмосферного давления, что обусловливает развитие бароградиентных течений.
Материалы. Были использованы следующие материалы: 1) инструментальные данные измерений течений на АБС, выставленных в проливе Лаперуза в 1999 и 2000-2001 гг. сотрудниками СахНИРО, результаты которых были опубликованы в [1] и приводятся на рис. 2: 2) среднесуточные значения приземного атмосферного давления в
1 ** 4 5 * * * 9 10 11 1314)516 17 18 19 Д021 22 23 И 15 2< 27 21 29 3031 Дяи МвСЯЦа
узлах сеточной области с шагом 5x5 град, из базы данных NCAR (Daily Northern Hemisphere Sea Level Pressure Grids); 3) альтиметрическая информация программы ТОПЕКС-ПОСЕЙДОН по северу Японского и югу Охотского морей, содержащаяся на сайте NASA TOPEX/POSEIDON (data set: Physical Oceanography Distributed Active Archive Center at the Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology); 4) среднесуточные составляющие U и V поля ветра в узлах сеточной области с шагом 2,5x2,5 град, из базы данных NCEP/NCAR (Reanalysis Daily Northern hemisphere Surface U and V wind components), взятых в точке 45° с. ш., 142,5° в. д., положение которой показано на рис. 1.
Материалы были подобраны за март 1999 и 2001 гг., когда измерения в проливе Лаперуза зафиксировали изменение распространения потока. Однако в целях расширения временного диапазона и выяснения причин его разворота, массив данных был расширен за счет привлечения сведений по марту за период с 1980 по 2003 г. Помимо этого, для сравнения океанологических и анемобарических ситуаций, характерных для холодного периода года, была использована аналогичная информация по летним месяцам.
Метод исследования. Для получения пространственной характеристики барического поля и оценки синоптических ситуаций в марте 1980-2003 гг. были построены карты среднесуточных распределений приземного атмосферного давления (всего 713 ситуаций за 24 года) и выборочно карты для отдельных месяцев. Целью этого шага было выявление анемобарических ситуаций, аналогичных датам разворота векторов течения в марте 1999 и 2001 гг. По результатам составляющих поля ветра были восстановлены его векторы для марта 1999 и 2001 гг. Альтимечрические данные были подвергнуты качественному анализу путем сравнения карт за различные промежутки времени.
Результаты и их обсуждение. Ежедневные синоптические карты были проанализированы с позиций выявления наиболее благоприятных ситуаций, способствующих распространению бароградиентного течения. Первоначально этот этап был выполнен для холодного периода года, когда сток япономорских вод в виде течения Соя, как считается, развит слабо, но для полноты выводов был продолжен для теплого периода. Сопоставление барического поля ситуациям, при которых наблюдался разворот течения, иллюстрирует рис. 3.
Рис. 3. А немобарические ситуации, способствующие усилению ветра восточного направления.
Общей для обоих случаев разворота векторов течений (см. рис. 2, а, б) может быть такая синоптическая ситуация, которая характеризуется быстрым прохождением глубокого циклона с запада на восток, центр которого должен находиться над севером Японских островов, в частности, о-вом Хоккайдо. Такой циклон вызывает значительное увеличение барических градиентов в районе пролива Лаперуза и, следовательно, усиление ветров восточного направления, что способствует нагонным явлениям в акватории пролива и «обращению» течения Соя. Обнаружено, что эти случаи соответствуют только следующим типам синоптических ситуаций, отличающихся локализацией анемобарических образований:
1) центр глубокого циклона располагается над о-вом Хоккайдо, а область высокого давления находится над Охотским морем. В этом случае выраженная зона градиента атмосферного давления вытягивается над проливом Лаперуза в зональном направлении, обусловливая сильные ветры восточных направлений (классические случаи отмечены 24 марта и 21 декабря 2000 г.);
5 июля
2) центр глубокого циклона локализуется к юго-востоку от пролива Лаперуза, а область высокого давления находится к северо-западу от него. При таком расположении над проливом Лаперуза будут преобладать сильные ветры северо-восточного направления (такие случаи отмечены 21 марта 1999 г. и 4 января 2001 г.).
Штормовые ветры восточных направлений, которые сохраняются над проливом в течение 1-3 суток (рис. 4, /). благоприятствуют возникновению бароградиентных течений, преобладающих над постоянным стоком из Японского моря. Их следствием должен быть штормовой нагон, фиксируемый в изменениях: а) уровня моря на береговых гидрометеорологических станциях, б) поля температуры поверхности моря, в) векторов течения. Последнее следствие должно отражаться в изменении генерального направления распространения течения Соя с юго-восточного на северо-западное, результатом чего становится нарушение привычного движения вод в Охотское море, что и зафиксировали АБС.
В табл. 1 даты разворота векторов течений, показанные на рис. 2, соотнесены с моментами сильного восточного ветра, который должен был быть обусловлен исходя из локализации центров анемобарических образований и барического градиента. Из 16 океанологических ситуаций, при которых наблюдался разворот течения, 14 случаев (87%) соответствуют сильному восточному или северо-восточному ветру, причем в 12 случаях (75%) центры циклонов располагались прямо над о-вом Хоккайдо.
Таблица 1. Соответствие дат разворота течения в проливе Лаперуза и дат штормового восточного ветра над исследуемым районом
Наличие анемобарических ситуаций, способствующих развороту течения Даты поворота течения Даты преобладания восточного ветра
Да 02.03.1999 г. 27-28.02.1999 г.
” 06-08.03.1999 г. 05.03.1999 г.
21.03.1999 г. 20-22.03Л999 г.
Нет 02.12.2000 г. Отсутствует
Да 07-10.12.2000 г. 05-10.12.2000 г.
Нет 14-15.12.2000 г. Отсутствует
Да 16.12.2000 г. 16.12.2000 г.
” 24-25.12.2000 г. 23.12.2000 г.
” 27-28.12.2000 г. 26.12.2000 г.
” 31.12.2000 г. 30-31.12.2000 г.
” 04-06.01.2001 г. 02-04.01.2001 г.
Нет 14.01.2001 г. 11-13.01.2001 г.
16-18.01.2001 г. 17-18.01.2001 г.
Да 21.01.2001 г. 21.01.2001 г.
” 26-27.01.2001 г. 25-27.01.2001 г.
” 07.03.2001 г. 04-07.03.2001 г.
Следует отметить, что анемобарический эффект может прослеживаться в глубь моря до 45 м (нижний горизонт измерений), с некоторой задержкой по времени в 1-2 суток.
Анемобарические ситуации над проливом Лаперуза, при которых вероятен поток вод в Японское море, зафиксированный в марте 1999 и 2001 гг., складываются в обшем достаточно часто. В табл. 2 приведены результаты 713 ежедневных синоптических карт, восстановленных для марта 1980-2003 гг., с целью выявления ситуаций, аналогичных изучаемой. Они показывают, что в течение 24 лет таких случаев, когда существовала потенциальная возможность разворота течения Соя вследствие штормового восточного ветра, могло быть 76, и только в 5 из рассмотренных за многолетний период месяцев вышеописанная синоптическая ситуация не наблюдалась. Из табл. 2
Рис. 4. Анемобарические ситуации в марте 1999 г. (/) и июле 2001 г. (II), способствовавшие возникновению штормового ветра восточного направления.
I-ситуация привела к развороту течения Соя; //-ситуация не привела к развороту течения Соя.
Таблица 2. Обобщенная сводка дней в марте 1980-2003 гг.
способствовали штормовому усилению
Год Дни
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
1980 + + +
1981 + + +
1982 +
1983
1984 + +
1985
1986
1987
1988 + +
1989 + ' + +
1990 4* +
1991 +
:992
'995 +
1994
1995
1996 + +
1997
1998
1999 + + +
2000 + +
2001 + + +
2002 + +
2003 + +■ + + +
следует, что можно говорить о трех периодах повышенной вероятности ожидания в марте штормового восточного ветра, а именно: с 3 по 8, с 14 по 18 и с 20 по 24. В один из них, кстати, попадают исследования японских ученых, обнаруживших подобное «обращение» 13-14 марта 1997 г. [5]. 31% случаев из всех анемобарических ситуаций, которые могли способствовать развороту течения Соя, приходится на 15-18 и 24 марта.
При прохождении глубоких циклонов над районом в теплый период года благоприятная синоптическая ситуация не провоцирует разворот течения Соя, несмотря на развитие штормовых восточных ветров (см. рис. 2, в; рис. 4,
II), так как сток из Японского моря превалирует и подавляет анемобарический эффект, приводящий к возникновению бароградиентного течения из Охотского моря.
Существенным дополнением к проделанному анализу может послужить альтиметрическая информация, которая базируется на «эффекте обратного барометра» и предполагает, что водная поверхность гидростатически откликается на колебания атмосферного давления: увеличение давления на 1 мб понижает уровень моря приблизительно на 1 см, и наоборот. Таким образом, альтиметрические данные являются информативными для оценки превышений уровней япономорского и охотоморского бассейнов. Несмотря на довольно большие пространственные и временные (от 10 дней) масштабы осреднения и определенную погрешность при измерениях, они были использованы для определения фоновых различий в пространственном распределении уровня, при которых может происходить сток япономорских вод в Охотское море в холодный и теплый периоды года.
В качестве примера на рис. 5 приведена серия альтиметрических карт, взятых из Интернета (сайт http://www7320.nrlssc.navy.mil/altinietry/images/). На рис. 5, а показана альтиметрическая ситуация для 8 марта 1999 г., когда наблюдался поворот течения Соя в связи с прохождением глубокого циклона южнее пролива Лапе-руза. На карте видно, что разница в уровне в проливе Лаперуза со стороны Японского и Охотского морей составляла 25 см, а наклон поверхности направлен из Охотского в Японское море. Напротив, в летний период (рис. 5, б),
с синоптическими ситуациями, которые восточного ветра в районе пролива Лаперуза
16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31
+
+ +
+
+ + + +
+ + + + +
+
+ + + + + +
+
+ +
+ +
+ + + +
+ +
+ + +
+ +
+
+ + +
несмотря на аналогичную синоптическую ситуацию, высота уровня Японского моря была выше уровня Охотского моря на 20 см.
Таким образом, можно констатировать, что если разница в уровнях в зимний период года мала, то при слабом стоке из Японского моря бароградиентные поля при выявленных нами синоптических ситуациях сначала будут выравнивать уровенные поверхности на прилегающей к проливу Лаперуза акватории, а затем при помощи ветрового фактора разворачивать движение воды на обратное. Летом же разница уровней между Японским и Охотским морями достаточно велика, и изменение атмосферного давления не в состоянии повлиять на водный поток и, следовательно, восточный ветер, даже усилившийся до штормового, не способствует «обращению» течения. Этот же механизм объясняет, почему разворот течения происходит не только на поверхности, но и на глубинах, где нет прямого дрейфового воздействия, но перепад высот уровня, устанавливаемый с помощью альтиметрии, прослеживается до глубины 100 м и более. Очевидно, что на разворот течения должны влиять локализация барического образования относительно проливной зоны и траектория его перемещения.
Заключение. Совместный анализ синоптических и океанологических ситуаций подтверждает гипотезу о существенном вкладе ветровых эффектов в изменчивость постоянных течений в проливе Лаперуза, наблюденных в холодный период года, и такие ситуации, как показано выше, могут возникать неоднократно. В летне-осенний период, когда течение Соя более развито, чем зимой, его поток не реагирует на атмосферные процессы, и анемобарический эффект минимален.
Однако дрейфовый эффект не может считаться единственной причиной, приводящей к развороту вод, и изменения направления ветра не полностью подтверждают описанный выше механизм: в 1999 г. они соответствовали развороту течения 21 марта, но прямая корреляция отсутствовала 6-8 марта. В связи с этим мы полагаем, что не только штормовые ветры восточного направления, но и изменения барического градиента и позиционирование анемобарических возмущений через градиент уровня моря влияют на распространение потока в холодный период
а
б
Рис. 5. Направление переноса вод вследствие разницы уровней между Японским и Охотским морями в холодный (а) и теплый (б) периоды года по данным дешифрированной и генерализованной альтиметрической информации.
года, обусловливая разницу в уровнях между япономорским и охотоморским бассейнами за счет бароградиентных течений, приводя к «обращению» течения Соя. Океанологические ситуации, способствующие его распространению в проливе Лаперуза, носят сложный характер, и штормовой нагон не может являться единственной причиной разворота течения. Синоптические ситуации только благоприятствуют возникновению явления поворота течения, но не полностью обусловливают его, поскольку возможен эффект наложения приливных движений на нагонную силу восточных ветров. Кроме того, существенную роль должны играть вихревые образования, формирующиеся в проливе (приливные ринги в результате апвеллинга при определенных астрономических ситуациях) или выносящиеся из Японского моря с Цусимским течением. «Обращение» течения Соя при океанологических и синоптических условиях в проливе Лаперуза вероятно лишь в холодный период года; в теплый период предпосылки для этого отсутствуют. Влияние анемобарического эффекта, как показали инструментальные измерения течений, сказывается до глубины 45 м.
Summary
Bobkov A. A.. Tsepelev V. Yu., Shevchenko G. V. Anemobaric causing of the Soya Current reversal in the La Perouse Strait.
Short-term turn of current vectors registered several times in March 1999 and 2001 at long-time mooring stations by the south Sakhalin Island, is correlated to the Soya Current variability, entering the Okhotsk Sea through the La Perouse Strait. The assumption is proved, that the reason of this phenomenon in the cold period of year can be anemobaric effect. Common for cases of change in current vectors is the situation characterized by fast passage of a deep cyclone from west to east, whose center must have been over the Hokkaido Island. Such cyclone causes substantial growth of baric gradients in the La Perouse Strait area and storm strengthening of east direction winds, which promote occurrence of barogradient currents prevailing over a permanent one flowing out of the Japanese Sea. Their consequence also can be a short-term change in the general direction of Soya Current spreading into the Okhotsk Sea, as have been fixed by experiments. In the warm period of year similar anemobaric situation is not capable of producing current reversal, as the flow from the Japanese Sea prevails and suppresses anemobaric effect.
Литература
1. Кантаков Г. A., Шевченко Г. В. Анализ непериодических течений в проливе Лаперуза (Соя) в связи с изменениями уровня и воздействием ветра // Динамические процессы на шельфе Сахалина и Курильских островов / Под ред. Г. В. Шевченко. Южно-Сахалинск, 2001. 2. Макаров С. О. «Витязь» и Тихий океан // Океанографические работы / Под ред. Н. Н. Зубова и А Д. Добровольского. М., 1950. 3. Бобков А. А. Течение Соя и его место в системе вод Южно-Курильского района // Изв. Русск. геогр. об-ва. 1992. Т. 124, вып. 5. 4. Takizawa Т. Characteristics of the Soya Warm Current in the Okhotsk Sea// J. Oceanogr. Soc. Japan. 1982. Vol. 38. 5. Tanaka /., Nakata A. Results of direct current measurements in the La Perouse Strait (the Soya Strait), 1995-1998 // Internet version of Proceedings 2nd PICES Workshop on Okhotsk Sea and Adjacent Areas: www.Dices.int/Librarv/ScientificReports/ Reportl2/reportl2.asp.
Статья поступила в редакцию 15 сентября 2003 г.
