CC BY
113
УДК 551.465.48
Вестник СПбГУ. Сер. 7. 2014. Вып. 2
Т. В. Белоненко1, Д. Л. Волков1, Ю. Е. Норден1, В. К. Ожигин2
ЦИРКУЛЯЦИЯ ВОД В ЛОФОТЕНСКОЙ КОТЛОВИНЕ НОРВЕЖСКОГО МОРЯ*
1 Санкт-Петербургский государственный университет, Российская Федерация, 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., 7/9
2 Полярный НИИ морского рыбного хозяйства и океанографии (ПИНРО), Российская Федерация, 183038, Мурманск, ул. Книповича, 6
В данной работе авторы стремились дать исчерпывающее описание циркуляции в Лофотен-ской котловине Норвежского моря. Первая часть статьи посвящена обзору всех существующих исследований за последние 50 лет. Затем приводятся результаты исследования авторов, включающие работу с данными вихреразрешающей модели океанической циркуляции ECCO2, альтиметриче-ские измерения уровня моря, а также данные дрейфующих буев АРГО. Показано, что важнейшими особенностями циркуляции вод Лофотенской котловины являются в целом циклоническое движение вод вдоль изобат, наблюдаемое во всей толще воды, а также антициклонический вихрь в центре котловины. Наличие квазипостоянного антициклонического вихря отмечается на всех рассмотренных горизонтах, наиболее ярко он выражен на глубине 350-552 м. Данный феномен выявляется и при анализе спутниковых данных и буйковых измерений. В данной работе авторы ставят своей целью структурировать данные о наблюдаемом феномене циркуляции в Лофотен-ской котловине и дополнить их результатами своих исследований. Библиогр. 25 назв. Ил. 3.
Ключевые слова: Лофотенская котловина, Норвежское море, термохалинная циркуляция, вихреразрешающая модель, ЕССО2, кинетическая энергия вихрей, энергоактивная зона, перенос тепла, Норвежское течение, квазипостоянный круговорот, водные массы.
WATER CIRCULATION IN THE LOFOTEN BASIN OF THE NORWEGIAN SEA
T V Belonenko1 D. L. Volkov1, Y. E. Norden1, V. K. Ozhigin2
1 St. Petersburg State University, 7/9, Universitetskaya nab., St. Petersburg, 199034, Russian Federation
2 Polar Research Institute of Marine Fisheries and Oceanography (PINRO), 6, ul. Knipovicha, Murmansk, 183038, Russian Federation
It has been known for decades that Lofoten Basin (LB) is a region of high mesoscale activity. This large topographic depression with a maximum depth of 3250 m located in the Norwegian sea is associated with amplification of EKE (eddy kinetic energy) and has some peculiar features of the circulation pattern. Quasi-permanent vortex in the center of the basin is studied with data from ECCO2 eddy-permitting circulation model, altimeter data and trajectories of ARGO buoys. In this study a comprehensive review of all the surveys related to the circulation in LB for the last 50 years is presented in order to structure knowledge and supplement it with the results of new research. The data used in this paper confirm that general water movement in LB is cyclonic along the boundaries of the basin with the distinguishing anticyclonic vortex in the center of the basin. The explanation of this phenomenon is a subject for future research. Refs 25. Figs 3.
Keywords: Lofoten Basin, Norwegian Sea, thermohaline circulation, eddy-permitting model, ECCO2, EKE, heat flux, Norwegian Atlantic Current, quasi-permanent vortex, water masses.
Введение
Анализ данных альтиметрических измерений уровня моря указывает на резкое увеличение кинетической энергии в районе Лофотенской котловины (рис. 1). Существенное увеличение дисперсии колебаний уровня и кинетической энергии
* Работа выполнена при поддержке гранта СПбГУ № 18.38.142.2014 «Исследование механизмов, определяющих изменчивость уровня Северного Ледовитого океана, на основе совместного использования спутниковой альтиметрической информации и данных гравиметрических измерений со спутников GRACE».
5°W 0° 5°E 10°E 15°E 20°E ■
250 200 150 100 50
Рис. 1. Дисперсия аномалий уровня (см2) в районе Лофотенской котловины в Норвежском море
в акватории котловины отмечалось многими исследователями [1]. Наибольшее наблюдаемое значение среднеквадратического отклонения высоты поверхности моря на картах спутниковой альтиметрии в центре котловины составляет 15 см. Учеными даются различные трактовки полученных значений: одни авторы объясняют это явление циклоническим характером движения вод, другие связывают эту особенность с наличием квазистационарного антициклонического вихря в центральной части котловины. Детальный анализ источников с привлечением новых данных является целью настоящей статьи.
Лофотенская котловина представляет собой понижение в рельефе дна Норвежского моря с максимальной глубиной 3250 м. Ее акватория занимает сегмент пространства ограниченный координатами 2° з. д. — 10° в. д. и 68-72° с. ш. — между хребтом Мона на северо-западе и Скандинавским полуостровом на востоке, с юга она ограничена плато Воринг. Основным элементом циркуляции вод Норвежского моря является теплое Норвежское течение, переносящее атлантические воды, поступающие через проливы между Исландией, Фарерскими и Шетландскими островами. Средняя скорость Норвежского течения составляет около 30 см/с [2]. Атлантическая водная масса занимает в Норвежском море верхний слой толщиной около 500 м, что определяется глубиной порогов, через которые вода поступает в море. Под Атлантической водной массой залегает глубинная водная масса, имеющая отрицательную температуру и высокую соленость [3].
Океанографическим условиям Лофотенской котловины посвящено множество исследований, в ходе которых установлено, что циркуляция вод в этом районе является одним из самых загадочных феноменов в Мировом океане. Одни авторы пишут о циклоническом характере движения вод в Лофотенской котловине, другие же доказывают, что циркуляция принадлежит к антициклоническому типу. Остановимся на изложении основных суждений по этому вопросу.
С середины 1950-х г. до начала 1990-х гг., в Норвежском и Гренландском морях Арктическим и Антарктическим научно-исследовательским институтом проводились крупномасштабные океанографические съемки, направленные на изучение структуры и изменчивости океанографических полей, а также процессов взаимодействия океана и атмосферы [4]. Данные этих съемок позволили идентифицировать антициклонический круговорот в Лофотенской котловине, проявляющийся в виде замкнутой области повышенных значений температуры, солености и других
параметров на горизонтах от 400 до 2000 м в этом районе. Наиболее отчетливо ядро теплых и соленых вод проявилось в распределении средней температуры и солености на горизонте 800 м, причем центр этого ядра в обоих случаях находился в точке 70° с. ш., 2° в. д. [5].
В ходе исследований, проводившихся весной и летом 1985 г. и включавших несколько океанографических съемок и постановку четырех притопленных буйковых станций, было установлено, что наибольшие горизонтальные контрасты температуры и солености характерны для горизонтов 600-800 м, при этом ядро теплых и соленых вод занимает область размерами 180-200 миль по горизонтали и более 1000 м по вертикали. В распределении характеристик верхнего деятельного слоя проявлений круговорота не обнаружено. При сокращении шага сетки станций с 60 х 50 миль (по широте и долготе, соответственно) до 30 х 30 миль, наблюдалось существенное сокращение пространственных размеров вихря и деление его на две части. Данные измерений скоростей течений на автономных буйковых станциях, осредненные за период наблюдений, также показали наличие антициклонического движения вод [5].
В. А. Романцов [6] проанализировал структуру и особенности циркуляции в Норвежском и Гренландском морях на базе данных и знаний, накопленных к началу 1990-х гг. На схеме циркуляции, составленной им на основе расчетов по модели Саркисяна с использованием данных 22 съемок Норвежского моря, в районе Лофо-тенской котловины показан антициклонический круговорот. Такой же (антициклонический) характер движения вод на глубине от 800 до 3000 м показан в районах Гренландской и Норвежской котловин. Приводится описание характеристик вихря в Лофотенской котловине, однако причины его формирования не анализируются.
В. В. Иванов и А. А. Кораблев [7] на основе данных 15 океанографических съемок с разрешением 0,5° по меридиану на 1,5° по параллели, выполненных в 1985-1991 гг., проанализировали пространственно-временную структуру вихря в Лофотенской котловине. Однако авторы не ограничились только описанием характеристик вну-трипикноклинной антициклонической линзы, как они назвали данный природный феномен, но попытались найти его причину и ответить на вопрос, почему в котловине, где в соответствии с законом сохранения потенциального вихря общий характер движения вод должен быть циклоническим, фактически наблюдается довольно крупный антициклонический вихрь. В изменениях характеристик линзы они обнаруживают присутствие сезонного сигнала, выражающегося в усилении термо-халинной аномалии зимой и весной (происходит «сжатие» вихря до размеров баро-клинного радиуса деформации Россби (10 км) и увеличение антициклонической завихренности). Летом наблюдается процесс релаксации вихря (увеличиваются горизонтальные размеры и уменьшается скорость орбитального движения). Рассмотрев внутригодовые изменения характеристик линзы, авторы высказывают предположение о том, что источником ее регенерации в зимний период является конвективное перемешивание.
Развивая исследования, в другой работе В. В. Иванов и А. А. Кораблев [8] в рамках упрощенных аналитических моделей анализируют механизмы летней релаксации антициклонического вихря и его дрейфа. В результате образования сезонного термоклина происходит отсечение ядра аномалии от поверхности, и начинается процесс релаксации за счет экмановских движений. К началу следующего зимнего конвективного сезона толщина ядра уменьшается примерно вдвое, а горизонтальный размер
значительно увеличивается. Авторы указывают, что пространственное положение вихря не остается постоянным. Так, по результатам шести последовательных съемок, выполненных в 1987-1988 гг., отмечено перемещение ядра антициклонического вихря в течение года по траектории, похожей на циклоническую. Расстояние между наиболее удаленными точками этой траектории составляло около 130 км, что существенно меньше размера котловины (приблизительно 500 км в пределах изобаты 2000 м). Исходя из наличия двух типов движения, авторы выдвигают гипотезу о суперпозиции разномасштабных динамических процессов в районе котловины. Вклад донной топографии в феномен антициклонического вихря, по мнению авторов, состоит в том, что под ее воздействием образуется внешнее по отношению к линзе поле циклонического движения по своему пространственному масштабу в несколько раз превосходящее антициклоническое поле движения линзы. Именно это внешнее циклоническое поле, как считают авторы, удерживает линзу в пределах котловины.
В работе П.-М. Пулейн [9] проанализированы данные дрейфа 107 поверхностных буев типа Argos c плавучим якорем на глубине 15 м, выпущенных в 1991-1993 гг. в Норвежском и Гренландском морях. Дрифтеры позволили выявить не только общий крупномасштабный циклонический перенос вод в изучаемом районе, но и циклонический характер движения вод меньшего масштаба в Норвежской, Лофотен-ской и Гренландской котловинах, а также в районе плато к северу от Исландии. Эти особенности циркуляции, по мнению авторов, обусловлены сильным влиянием крупных форм донной топографии. В зонах сильных течений, а также в Лофотен-ской котловине выявлены ярко выраженные вихревые поля. Несмотря на утверждение о циклоническом переносе вод во всех глубоководных бассейнах на схеме циркуляции в Норвежском и Гренландском морях, составленной по данным дрифтеров [9, рис. 7], движение вод в западном и юго-западном направлениях по северной периферии Лофотенской котловины (вдоль хребта Мона) показано пунктиром, что свидетельствует об определенной неуверенности авторов в характере движения вод в этом районе, а, соответственно, и в котловине в целом.
А. И. Перескоков [10] также как В. В. Иванов и А. А. Кораблев [7, 8] предпринял попытку найти причину необычного характера циркуляции вод в Лофотенской котловине. Он считает, что основной причиной крупномасштабной трансформации гидрофизических полей и формирования антициклонического круговорота в Ло-фотенской котловине является перераспределение тепла в верхнем слое моря под действием дифференциально-диффузионной конвекции в виде «солевых пальцев».
О. А. Нёст и П. Е. Исаксен [11] на основе упрощенной диагностической модели проанализировали крупномасштабную циркуляцию в придонном слое Норвежского и Гренландского морей, а также в Северном Ледовитом океане. Во всех крупных котловинах (Норвежской, Лофотенской и Гренландской) модель дает циклонический характер переноса вод. Авторы отмечают, что в районе северо-западного склона Ло-фотенской котловины (около 71° с. ш., 0° в. д.) поверхностное и придонное течения имеют противоположные направления.
В работе П. К. Якобсена [12] исследуется циркуляция в поверхностном слое Северной Атлантики, Норвежского и Гренландского морей по данным дрейфа 387 буев с парусом (водным якорем) на глубине 15 м, выпущенных в 1990-х гг. Вслед за П.-М. Пулейн [9] авторы повторяют о существовании четырех крупномасштабных круговоротов над Гренландской, Норвежской и Лофотенской котловинами, а так-
же над Исландским плато, что все эти круговороты циклонические и тесно связаны с особенностями донной топографии. Авторы отмечают, что для Лофотенской котловины нет чётко выраженной циклонической либо антициклонической циркуляции. Перенос вод, как на восточной, так и на западной ее периферии, имеет хорошо выраженную северную составляющую. Примечательным является рисунок 3 [12], на котором показано распределение флуктуаций вихревой кинетической энергии. В интересующем нас районе область наиболее высоких значений простирается от Лофотенских о-вов до западной периферии Лофотенской котловины.
К. А. Орвик [13] при помощи двухслойной модели плавучести с активным управляемым топографией глубинным слоем показывает, что достижение баланса переносов атлантических вод в Норвежском море достигается благодаря потере плавучести и меняющимся глубинным течениям за счет значительного увеличения слоя атлантических вод в Лофотенской котловине. На схеме циркуляции вод в Норвежском и Гренландском морях, составленной на основе исследований различных авторов за последний период, показаны основные струи течений в приповерхностном и глубинном слоях. Во всех трех котловинах (Гренландской, Норвежской и Лофо-тенской) показан циклонический характер движения вод. При этом получается, что в западной и северо-западной частях Лофотенской котловины (вдоль хребта Мона) поверхностное течение направлено на север и северо-восток, а глубинное — на юг и юго-запад. В завершающей части работы автор делает оговорку о том, что данные результаты следует рассматривать как предварительные, поскольку инструментальные наблюдения за течениями с южной стороны хребта Мона не проводились.
Механизм генерации и условия устойчивости вихря в Лофотенской котловине исследованы А. Кёлем [14] с помощью вихреразрешающей модели океанической циркуляции и альтиметрических данных. В отличие от В. В. Иванова и А. А. Корабле-ва [7, 8] Кёль считает, что конвекция оказывает влияние лишь на верхнюю часть линзообразной структуры. Регенерация антициклонического вихря происходит не столько через поверхностную конвекцию, сколько сам вихрь формируется за счет слияния антициклонов, образующихся в районе Лофотенских о-ов вследствие неустойчивости восточной ветви Норвежского течения и после отделения от него, дрейфующих на запад в Лофотенскую котловину. Крупномасштабные особенности топографии привлекают антициклоны в центр котловины и вынуждают их сливаться. За счет слияния с другими антициклонами вихрь может разрастаться. Достигнув определенного размера, он становится неустойчивым и распадается на вихри меньшего размера. Поскольку антициклонический вихрь в Лофотенской котловине взаимодействует с окружающими вихрями, большая часть изменчивости уровня моря может быть объяснена этими явлениями. А. Кёль опровергает мнение В. В. Иванова и А. А. Кораблева [8] о циклоническом перемещении центра линзы, объясняя это небольшим количеством данных, на которых оно основывалось. Автором получено среднее антициклоническое поле движения. Предполагается, что случайные взаимодействия с окружающими циклонами предопределяют в целом антициклоническую траекторию движения.
Небольшая работа Х. Сёиланда [15] основана на анализе данных дрейфа 22 поплавков нейтральной плавучести, настроенных для изобарического дрейфа на глубине около 800 м. Поплавки были выпущены на северной стороне Исландско-Фарерского порога. Продолжительность дрейфа превышала 18 мес. За это время поплавки
распределились по огромной акватории: 8 покинули Норвежское море и всплыли (для передачи данных на спутник) в Северной Атлантике; 14 остались в Норвежском море (9 дрейфовали в Норвежской котловине, а 5 завершили дрейф в Лофотенской котловине). Сравнивая траектории дрейфа поплавков в двух котловинах, авторы подчеркивают существенно более высокий уровень вихревой активности в Лофотенской котловине по сравнению с Норвежской. Однако в работе ничего не говорится о крупномасштабном характере движения вод в пределах котловин.
На данных дрифтеров также построена и работа Ж.-К. Гаскарда и К. А. Мёрка [16]. В ней проанализированы траектории движения 13 буев типа Агдо, выпущенных в 2002-2007 гг. для дрейфа на глубине 1500 м, и 20 буев, выпущенных на глубине 1000 м. Кроме этого, анализировались данные 42 поплавков RAFOS, выпущенных в 2003-2004 гг. для дрейфа на глубине около 300 и 1000 м (8 поплавков). В работе относительно подробно комментируются траектории четырех буев Агдо, дрейфовавших в Лофотенской котловине по циклоническим траекториям на протяжении от 1 до 3 и более лет. Каждый из этих буев совершил один или два полных оборота в пределах котловины. Их дрейф проходил по участкам, близким к периферии котловины, поперечный размер замкнутых траекторий составлял около 360 км. Траектории дрейфа этих буев указывают на возможное существование в котловине глубинной крупномасштабной циклонической циркуляции, подверженной сильному влиянию донной топографии. Это подтверждено и дрейфом «глубинных» поплавков RAFOS. Траектории дрифтеров этого типа показали, что восточная ветвь Норвежского течения, особенно у Лофотенских о-вов и в районе к северу от них, «насыщена» мезомасштабными вихрями. Высокая вихревая активность в этом районе (восточная периферия Лофотенской котловины) подтверждается и данными спутниковой альтиметрии.
Т. Россби с соавторами [17] на основе большого массива данных (более 300 тыс. станций) проанализировали средние за 50-летний период поля температуры и солености Норвежского и Гренландского морей в координатах х-у-6 (б — аномалия условного удельного объема). Рассматривались четыре изопикнические поверхности 6 = (4,1; 3,1; 2,1; 0,7) х 10-7 м3 • кг-1 (приблизительно соответствуют а! = 27,7; 27,8; 27,9; 28,04 кг • м3). Две поверхности с менее высоким значением 6 (2,1 и 0,7) в районе Лофо-тенской котловины «проваливаются» на глубину от 600 до 900 м, образуя своего рода бассейн, заполненный теплыми и солеными атлантическими водами. Его наиболее глубокая часть по своему положению совпадает с центром Лофотенской котловины. Однако бассейн не круглый, а вытянут с запада на восток, причем по мере приближения к Лофотенским о-вам глубина залегания 6-поверхностей уменьшается. Авторы поддерживают и развивают дальше идею А. Кёля [14] о том, что глубокое залегание пикноклина в Лофотенской котловине поддерживается за счет слияния антициклонических вихрей, отделяющихся от восточной ветви Норвежского течения. Один из аргументов состоит в том, что центр бассейна с теплыми и солеными водами по своему положению совпадает с наблюдаемым альтиметрическим максимумом уровня, который можно ожидать при значительном заглублении менее плотной жидкости. Кроме того, поля средней глубины залегания двух более глубоких 6-поверхностей обнаруживают физическую связь между самой глубокой частью бассейна и районом резкого свала глубин у Лофотенских о-вов. При этом авторы [17] делают очень важное замечание о том, что средние поля сильно маскируют процессы меньшего вре-
менного масштаба. В данном случае — отделение антициклонических вихрей и их дрейф в западном направлении. В результате анализа данных стандартного разреза, пересекающего Лофотенскую котловину по 69°20' с. ш., в распределении температуры и аномалии условного удельного объема (б) обнаружены линзообразные структуры. Один из таких линзообразных вихрей показан на рис. 2. Следует отметить, что такого рода образования регистрировались не при каждом случае выполнения разреза, особенно в восточной его части. Возможно, это объясняется тем, что разрез проходит немного южнее центральной части котловины. В статье приводится ряд других аргументов в пользу механизма, обеспечивающего значительное заглубление изопикни-ческих поверхностей и формирование бассейна, заполненного теплыми и солеными атлантическими водами, за счет антициклонических вихрей [17].
Во второй работе, вышедшей в том же году [18], анализируются траектории дрейфа 22 поплавков нейтральной плавучести RAFOS, выпущенных в 2004-2005 гг. к юго-востоку от Исландии и к юго-западу от Фарерских о-вов с целью изучения путей переноса атлантических вод и их распространения в Норвежском море. Поплавки были настроены для «изобарического» дрейфа на глубине около 200 м. Больше половины из них достигли районов Лофотенской котловины и входа в Баренцево море. Только три поплавка завершили дрейф в Норвежской котловине, а два достигли ледовой кромки к востоку от Гренландии. Два поплавка оказались в об-
-800
-1000
5 6 7 8 9 10 11 12
Рис. 2. Аномалия условного удельного объема (10 8 м3 • кг ') на разрезе вдоль 69°20' с. ш. в июле 2000 г.
ласти Норвежского прибрежного течения. Часть поплавков, дрейфовавших на северо-восток, в районе с резким увеличением крутизны материкового склона у Ло-фотенских о-вов отделилась от основного потока и стала смещаться на запад. Непосредственно в Лофотенской котловине завершили дрейф восемь поплавков, причем все в ее восточной половине. Характер дрейфа буйков свидетельствовал в пользу того, что циркуляция в верхнем слое котловины преимущественно антициклоническая. Оценки средней вихревой кинетической энергии показали, что в Норвежской котловине она составляла всего 62 см2 • с-2, а в Лофотенской котловине достигала 300-350 см2 • с-2 вследствие высокой вихревой активности. Результаты, полученные в данном исследовании, в целом подтверждают идею А. Кёля [14] о том, что специфичность океанографических условий в Лофотенской котловине определяется формированием вихрей в районе крутого материкового склона у Лофотенских о-вов, их дрейфа на запад и накапливания в центре котловины.
В совместной работе группы германских и норвежских авторов [19] исследовались траектории 61 автономного профилирующего буя Агдо, дрейфовавшего в средних слоях (1000-1500 м) в 2001-2009 гг. Дрифтеры были выпущены около центров Гренландской, Лофотенской и Норвежской котловин, а также Исландского плато. Рассеяние между бассейнами было небольшим. На протяжении всего срока действия (от 2 до 5 лет) большинство буев оставались в пределах своих топографических структур, только 25% из них переместились в соседние районы. Это указывает на то, что циркуляция в пределах котловин по своей силе и значимости существенно превосходит водообмен между бассейнами. Циркуляция на глубине дрейфа буев во всех котловинах циклоническая, что обусловлено, по мнению авторов, сильным влиянием топографии дна в результате слабой стратификации. Наблюдается интенсификация круговоротов в направлении их периферийных участков (от <1 см • с-1 до 5 см • с-1). Однако в центре Лофотенской котловины изменчивость скорости дрейфа буев такая же, как на периферии. Общая средняя адвекция вод в Норвежском и Гренландском морях обеспечивается узкими пограничными течениями, а в водообмене между бассейнами преобладают диффузионные процессы.
Исследованием модельного направления является работа [20]. Вопросы, связанные с трансформацией водных масс и циркуляцией в Норвежском и Гренландском морях, анализируются на основе серии расчетов с использованием идеализированной численной модели. Невзирая на сильную идеализацию, модель вполне удовлетворительно воспроизводит океанографические условия и циркуляцию, наблюдающиеся в Лофотенской и Гренландской котловинах. Увеличение наклона дна вдоль восточной границы восточного бассейна (в модели представляет Лофотенскую котловину) выражается в усилении вихревых потоков от пограничного течения во внутреннюю часть котловины, в «потеплении» верхнего слоя моря и уравновешивании потерь тепла в атмосферу. При этом циркуляция в восточном бассейне — циклоническая.
В работе И. Козалка [21] авторы снова обратились к анализу данных поверхностных дрифтеров. Всего проанализировано 360 траекторий. Вместо традиционного метода осреднения данных в географических ячейках используется кластеризация, с помощью которой данные о перемещениях дрифтеров группируются в зависимости от расстояния до «ближайшего соседа». Этот прием позволяет получить более надежные оценки скорости и направления течений. Среди прочего, показано, что в центре Лофотенского бассейна (70°с. ш., 2-5°в. д.) существует крупный антициклонический
вихрь. Расчеты вихревой кинетической энергии показали, что самые высокие значения (400-500 см2 • с-2) встречаются в языке, протянувшемся от Лофотенских о-вов до центра Лофотенской котловины. Это, по мнению авторов, предполагает формирование и отделение вихрей от кромки шельфа и распространение их по котловине, что согласуется с результатами модельных исследований А. Кёля [14] и М. А. Спалла [20].
Приведенный обзор литературных источников свидетельствует о противоречивости взглядов различных авторов не только на причины, но даже на направление движения вод в котловине. В соответствии с законом сохранения потенциального вихря в северном полушарии над понижениями рельефа дна циркуляция должна иметь циклонический характер. Однако почти во всех публикациях обсуждается антициклонический вихрь в центре Лофотенской котловины. При этом существуют, хотя и немногочисленные, результаты, указывающие на циклоническое движение вод в этом районе. В целом в рассмотренных работах достаточно убедительно показано, что в слое, занимаемом атлантическими водами, характер циркуляции определяется антициклоническими вихрями. На больших глубинах (1000 м и более), где движение вод циклоническое, характер циркуляции определяется донной топографией.
Используемые данные и методы
Основной задачей проекта ECCO21 (Estimating the Circulation and Climate of the Ocean — Оценка циркуляции и климата океана, 2-ой этап) являлось синтезирование доступного массива океанографических данных с помощью гидродинамической модели океанской циркуляции MITgcm2 [22] в конфигурации, разрешающей океанские синоптические процессы (вихри, планетарные волны, фронты, системы узких течений и др.), которые принимают активное участие в переносе тепла, солей, биогенов и других элементов и субстанций, содержащихся в морской воде.
Для синтезирования данных, гидродинамическая модель MITgcm «подгоняется» под данные наблюдений методом наименьших квадратов. «Подгонка» модели осуществляется для небольшого количества контрольных параметров c использованием метода функций Грина [23]. На практике метод функций Грина включает в себя проведение ряда модельных экспериментов по оценке интенсивности реакции модели на изменение тех или иных контрольных параметров. Массивы данных наблюдений, к которым осуществляется «подгонка» модели, включают в себя аномалии уровенной поверхности океана, средний многолетний уровень океана, температуру поверхности, вертикальные профили температуры и солёности, а также концентрацию, толщину и дрейф морского льда.
В результате проведения ряда экспериментов по оценке интенсивности реакции модели контрольные параметры оптимизируются и в дальнейшем используются для свободной интеграции модели с целью получения оптимальной её реализации.
Данные модели ECCO2, используемые в работе, представляют собой поля различных параметров для акватории со следующими географическими координатами: 67°-73° с. ш. и 10° з. д. — 20° в. д. Одна из задач исследования состояла в сопоставлении картины циркуляции, полученной по данным с различным разрешением: 18 км
1 URL: http://ecco2.jpl.nasa.gov/ (дата обращения: 10.06.2013).
2 Massachusetts Institute of Technology general circulation model.
и 4 км. Данные затем интерполировались в узлы регулярной сетки с разрешением 1/4° для наглядного отображения. Анализируемые данные: уровень SSH и составляющие скоростей течения на различных горизонтах (45 горизонтов). Данные каждого разрешения охватывают разные временные интервалы и обладают разной дискретностью, но при сравнении рассматривался общий для них промежуток времени, охватывающий 5 лет с 2000 по 2004 гг. Надо заметить, что модель позволяет получать значения и многих других параметров, не вошедших в данную работу, таких как, например, придонное давление.
Нами были проанализированы траектории ста поверхностных буев, дрейфовавших с сентября 1996 г. по август 2010 г., и векторы их скоростей, осредненные по ячейкам размером 1 x 0,25° (долгота x широта), скорректированные с учетом течений Экмана [24]. В то время как антициклонический вихрь в центре Лофотенской котловины ясно выявлен, определенности в существовании циклонической поверхностной циркуляции нет.
Более того, поверхностная циклоническая циркуляция в Лофотенской котловине не обнаруживается и в последней разработке в области динамической топографии — модели MDT-CNES-CLS093. Эта модель доступна на сайте AVISO. Она позволяет совмещать измерения спутниковой альтиметрии, гравитации, гидрографии и данные, получаемые с буйков. Для Лофотенской котловины данные модели MDT-CNES-CLS094 показывают широкий, преимущественно направленный в северном направлении дрейф с антициклоническим изгибом вдоль западной границы котловины. С другой стороны, траектории буев АRGO однозначно свидетельствуют, что осредненная по времени циркуляция на средних глубинах (1000-1500 м) в Ло-фотенской котловине является циклонической и направлена вдоль топографических контуров. В западной части котловины в направлении переноса вод в приповерхностном слое и на средних глубинах имеет место сильный вертикальный сдвиг.
Результаты и выводы
Реализация модели ECCO2 проводилась Д. Л. Волковым [24], имеющим большой опыт работы с этой моделью в качестве сотрудника Калифорнийского университета Лос-Анжелеса, аффилированного к Jet Propulsion Laboratory NASA. Для анализа циркуляции вод по модели ECCO2 были выбраны горизонты 5, 25, 55, 95, 195, 350, 552 и 1000 м. Сравнение карт течений при различном разрешении показывает, что использование 4-километровых данных позволяет выявить в поле течений Ло-
з MDT (Mean Dynamic Topography) — это средняя поверхность океана относительно геоида, обусловленная средней динамикой вод. То есть, это топография океана, вызванная основными системами течений. Новая модель MDT-CNES-CLS09 основана на 4,5 годах измерений GRACE, 15-летних альтиметрических данных, а также данных in situ (гидрологических и дрифтерных данных 19932008 гг.). Она была разработана в рамках проекта SLOOP, при поддержке CNES/SALP. Новая модель пока опубликована на правах тестирования и в последствии должна заменить используемую сейчас RIO05 MDT. Кроме более полных исходных данных, в MDT-CNES-CLS09 используется сетка 1/4 ° вместо 1/2 °, применяемой в более ранней модели RIO05.
Основная необходимость определения Средней динамической топографии (MDT) в том, чтобы, привязав её к Аномалиям Уровня Моря (Sea Level Anomalies (SLA)), получить более точные значения абсолютной динамической топографии ADT (Absolute Dynamic Topography)
4 URL: http://www.aviso.oceanobs.com/en/data/products/auxiliary-products/mdt/index.html (дата обращения: 10.06.2013).
фотенской котловины многие структуры, которые не обнаруживаются при разрешении 18 км.
На рис. 3 представлены схемы течений на нескольких горизонтах, полученные по данным реализации модели ЕСС02 при разрешении 4 км. Система течений,
6°\Л/
12°Е
18°Е
Рис. 3. Схема циркуляции течений на горизонте 5 (а), 195 (б), 350 (в), 552 (г), 1000 м (д) по данным вихреразрешающей модели ЕСС02 с разрешением 4 км (значения указаны в см/с)
г
Рис. 3. Окончание
представленная в соответствии с расчетами по модели, соответствует существующим описаниям Норвежского течения, являющегося продолжением Северо-Атлантического течения и представляющего собой систему течений из двух ветвей, охватывающую весь бассейн Норвежского моря. Восточная ветвь, следующая вдоль норвежского континентального склона, разворачивается к северу в районе 70° с. ш., 17° в. д., в дальнейшем чуть отклоняясь на запад, а другая ветвь, направленная на север, разделяется в районе 68° с. ш., 1° в. д. на две новых. Одна из них переносит воды циклонически, поворачивая к западу в координатах 69° с. ш., 3° з. д. и потом направляясь на юг вдоль меридиана 6° з. д с усилением течений. Вторая, отрываясь в точке бифуркации от основной ветви, поворачивает на восток и в дальнейшем соединяется с прибрежной восточной ветвью со скоростями, достигающими 4,5 см/с, но эта ветвь с увеличением глубины постепенно ослабевает, и на горизонте 1000 м максимальные скорости наблюдаются не вдоль кромки шельфа, а на участке, расположенном западнее ветви. В целом, очевидно, что циклонический характер общей циркуляции Лофотенской котловины обусловлен ее топографическими особенностями и течения на всех рассмотренных горизонтах в той или иной степени следуют топографии дна.
Другой особенностью циркуляции является антициклоническое образование в центре Лофотенской котловины. Оно обнаруживается на всех рассмотренных горизонтах, но наиболее ярко на глубинах 195, 350 и 552 м. Скорости в среднем почти
одинаковы по глубине и составляют порядка 2-3 см/с. В приповерхностном горизонте антициклоническое образование немного сложнее идентифицировать именно как особенность циркуляции, так как оно окружено другими потоками. Но продвигаясь на глубину, когда картина течений становится более определенной, видно, что антициклонический круговорот сохраняет свой ярко выраженный характер вплоть до глубины 1000 м.
Таким образом, основываясь на данных реализации гидродинамической модели ECCO2 были выявлены важнейшие особенности циркуляции вод в Лофотенской котловине: циклонический круговорот, распространяющийся во всей толще переносящей воды вдоль изобат, а в центре котловины — антициклонический вихрь, наиболее выраженный на глубине 350-552 м. Было подтверждено существование антициклонического вихря в толще моря, перемещающееся ядро которого было предметом изучения в ходе русских океанологических исследований в 80-х гг. прошлого века и является одной из ключевых особенностей движения вод в исследуемом районе. Наличие квазипостоянного антициклонического вихря отмечается на всех рассмотренных горизонтах. Этот вихрь также проявляется и на карте кинетической энергии, рассчитанной с использованием геострофических формул по уровенным альтиметрическим данным, и на основе анализа траектории 100 поверхностных буев, дрейфовавших в районе исследования с сентября 1996 г. по август 2010 г., и векторов их скорости, осредненных по ячейкам размером 1 x 0,25° (долгота x широта). На горизонте 1000 м происходит перестройка системы течений, что, вероятно, связано с особенностями проникновения в Лофотенскую котловину Атлантических вод [25].
Литература
1. Fu L. Pattern and velocity of propagation of the global ocean eddy variability // J. Geophys. Res. 2009. Vol. 114, C11017.
2. Атлас океанов. Северный ледовитый океан. М.: Издательство МО СССР, 1980. 184 с.
3. Сухоеей В. Ф. Моря Мирового океана. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. 288 с.
4. Алексеее А. П., Истошин Б. В. Некоторые результаты океанографических исследований в Норвежском и Гренландском морях // Советские рыбохозяйственные исследования в морях Европейского севера. М.: Пищевая промышленность, 1960. С. 23-26.
5. Структура и циркуляция вод на севере-востоке Норвежского моря / Алексеев Г. В., Багрян-цев М. В., Богородский П. В., Васин В. Б., Широков П. Е. // Проблемы Арктики и Антарктики: сб. статей. Л.: Гидрометеоиздат, 1991. Вып. 65. С. 14-23.
6. Романцое В. А. Крупномасштабная структура и особенности средней циркуляции вод // Проблемы Арктики и Антарктики: сб. статей. Л., 1991. Вып. 65. С. 75-97.
7. Иеаное В. В., Кораблее А. А. Формирование и регенерация внутрипикноклинной линзы в Норвежском море // Метеорология и гидрология. 1995а. № 9. С. 102-110.
8. Иеаное В. В., Кораблее А. А. Динамика внутрипикноклинной линзы в Норвежском море // Метеорология и гидрология. 1995б. № 10. С. 55-62.
9. Poulain P.-M., Warn-Varnas A., Niiler P. P. Near-surface circulation of the Nordic Seas as measured by Lagrangian drifters // J. Geophys. Res. 1996. Vol. 101. P. 18 237-18 258.
10. Перескокое А. И. О физической природе крупномасштабного антициклонического круговорота в толще вод Норвежского моря // Доклады Академии наук. 1999. Т. 364, № 4. С. 549-552.
11. N0st O. A., Isachsen P. E. "tte large-scale time-mean ocean circulation in the Nordic Seas and Arctic Ocean estimated from simplified dynamics // J. Marine Research. 2003. Vol. 61. P. 175-210.
12. Near-surface circulation in the northern North Atlantic as inferred from Lagrangian drifters: Variability from the mesoscale to interannual / P. K. Jakobsen, M. H. Ribergaad, D. Quadfasel, T. Schmith, Ch. W. Hughes // J. Geophys. Res. 2003. Vol. 108 (C8). P. 3251-3264.
13. Orvik K. A. The deepening of the Atlantic water in the Lofoten Basin of the Norwegian Sea, demonstrated by using an active reduced gravity model // Geophys. Res. Let. 2004. Vol. 31. L01306.
14. Köhl A. Generation and stability of a quasi-permanent vortex in the Lofoten Basin // J. Phys. Oceanogr. 2007. Vol. 37. P. 2637-2651.
15. S0iland H., Prater M., Rossby T. Rigid topographic control of currents in the Nordic Seas // Geophysical Research Letters. 2008. Vol. 35. L18607.
16. Gascard J.-C., Mork K. A. Climatic importance of large-scale and mesoscale circulation in the Lo-fonten Basin deduced from Lagrangian observations // Arctic-Subarctic ocean fluxes. Defining the role of the Northern Seas in climate / ed by R. R. Dickson, J. Meincke, P. Rhines. 2008. P. 131-144.
17. Rossby T., Ozhigin V., Ivshin V., Bacon Sh. An isopycnal view of the Nordic Seas hydrography with focus on properties of the Lofoten Basin // Deep-Sea Research I. 2009a. Vol. 56, N 11. P. 1955-1971.
18. Rossby T., Prater M. D., S0iland H. Pathways of inflow and dispersion of warm waters in the Nordic seas // J. Geophys. Res. 2009. Vol. 114. C. 04011.
19. Voet G., Quadfasel D., Mork K. A., Soil H. The mid-depth circulation of the Nordic Seas derived from profiling float observations // Tellus. 2010. Vol. 62A. P. 516-529.
20. Spall M. A. Dynamics of downwelling in an eddy-resolving convective basin // J. Phys. Oceanogr. 2010. Vol. 40. P. 2341-2347.
21. Surface circulation in the Nordic Seas from clustered drifters / Koszalka I., LaCasce J. H., Anders-son M., Orvik K. A., Mauritzen C. // Deep-Sea Research. 2011. Vol. 58, iss. 1. P. 468-485.
22. A finite volume, incompressible Navier-Stokes model for studies of the ocean on parallel computers / Marshall J., Adcroft A., Hill C., Perelman L., Heisey C. // J. Geophys. Res. 1997. Vol. 102. P. 5753-5766.
23. Menemenlis D., Fukumori I., Lee T. Using Green's functions to calibrate an ocean general circulation model // Mon. Weather Rev. 2005. Vol. 133. P. 1224-1240.
24. Volkov D. L., Belonenko T. V., Foux V. R. Puzzling over the dynamics of the Lofoten Basin — a subArctic hot spot of ocean variability // Geophysical Research Letters. 2013. Vol. 40. P. 1-6.
25. Blindheim J., Rey F. Water-mass formation and distribution in the Nordic Seas during the 1990s. ICES // J. Marine Science. 2004. Vol. 61 (5). P. 846-863.
Статья поступила в редакцию 27 января 2014 г.
Контактная информация
Белоненко Татьяна Васильевна — кандидат географических наук; [email protected] Волков Денис Леонидович — кандидат географических наук; [email protected] Норден Юта Евгеньевна — студентка; [email protected] Ожигин Владимир Кириллович — кандидат географических наук; [email protected]
Belonenko T. V. — Candidate of Geographic Sciences; [email protected] Volkov D. L. — Candidate of Geographic Sciences; [email protected] Norden Yu. E. — student; [email protected] Ozhigin V. K. — Candidate of Geographic Sciences; [email protected]
