Динамика синоптических океанских вихрей

В Президиуме Академии наук СССР 22

 

Доктор физико-математических наук

м. н. кошляков 

ДИНАМИКА СИНОПТИЧЕСКИХ ОКЕАНСКИХ ВИХРЕЙ

Научное сообщение

 

Мировой океан заполнен синоптическими вихрями — мощными нестационарными возмущениями океанской циркуляции с квазивертикальными осями и горизонтальными размерами порядка 100—200 км. Эти вихри, активно взаимодействующие друг с другом и с крупномасштабными океанскими течениями и перемещающиеся в океане как под воздействием этих течений, так и в результате собственной динамики, были открыты в 1970 г. в тропической зоне Северной Атлантики (рис. 1) советской экспедицией «Полигон-70» под руководством академика Л. М. Бреховских'. Работы советских ученых были практически повторены американскими океанологами в 1973 г. в Саргассовом море в рамках эксперимента МОДЕ (Mid Ocean Dynamics Experiment).

В 1974—1979 гг. был осуществлен крупнейший международный (преимущественно советско-американский) эксперимент ПОЛИМОДЕ (от слов «Полигон-70»  и МОДЕ), имевший целью более  полное и детальное исследование синоптических океанских вихрей. Наиболее мощным компонентом ПОЛИМОДЕ была его советская часть, выполненная в 1977—1978 гг. в Саргассовом море на южной периферии противотечения Гольфстрима (рис. 1), в районе океана глубиной около 5300 м. В этой работе участвовало несколько океанологических учреждений во главе с Институтом океанологии им. П. П. Ширшова АН СССР и десять научно-исследовательских судов. Научным руководителем работ был член-корреспондент АН СССР А. С. Монин.

Основная часть настоящего сообщения посвящена краткому изложению результатов выполненного по данным ПОЛИМОДЕ анализа свойств вихрей — их происхождения, динамики, взаимодействия с крупномасштабными океанскими течениями. Основу советских работ по программе ПОЛИМОДЕ составляла стационарная система из 19 заякоренных автономных буйковых станций, располагавшихся в узлах сетки равносторонних треугольников с расстоянием 72 км между соседними узлами и с центром в точке 29° с. ш., 70° з. д. (рис. 2). Непрерывные измерения скорости  и направления течения,  а  также  температуры  воды  на  каждой

¹ Кошляков М. Н. Синоптические вихри открытого океана — новое в океанологии // Вестник АН СССР. 1979. № 6. С. 43—51.

 

Динамика  синоптических океанских вихрей 

23

 

 

 

 

 

В Президиуме Академии наук СССР 

24

 

буйковой станции велись на глубинах 100, 400, 700 и 1400 м с июля 1977 по август 1978 г. В этот же период суда экспедиции выполнили более 50 гидрофизических  съемок района постановки буйковых станций  и большего района океана; в ходе съемок были произведены многочисленные измерения вертикальных распределений температуры воды, ее солености и других океанографических характеристик в различных точках океана.

Рис. 2 и 3 характеризуют некоторые  свойства поля течений синоптического масштаба (или «синоптических течений»), полученного в результате обработки данных измерений течений на полигоне ПОЛИМОДЕ. Картины линий тока на картах (см. рис. 2) рассчитывались по приведенным на них векторам скорости синоптического течения с помощью специальной интерполирующей программы; чем гуще располагаются линии тока, тем больше скорость течения. Значения удельной кинетической энергии течений (см. рис. 3) вычислялись по формуле (и² + у²) /2, где и и v — соответственно зональная и меридиональная составляющие вектора скорости синоптического течения.

Прежде чем обратиться к анализу  свойств вихрей, наблюденных во время  ПОЛИМОДЕ, коротко остановимся на некоторых общих особенностях строения океана и океанских течений. Температура воды, как правило, падает с глубиной в океане, что обусловливает увеличение плотности воды с глубиной (здесь и далее имеется в виду плотность без учета сжимаемости воды под действием давления, другими словами, плотность, являющаяся функцией только температуры и солености воды). Основное падение температуры (увеличение плотности) наблюдается в слое главного термоклина (главного пикноклина). В районе ПОЛИМОДЕ этот слой занимает диапазон глубин от 500 до 1100 м с перепадами температуры сверху вниз от 18 до 5° С и плотности — от 1,0267 до 1,0276 г/см³.

Схемы возмущений уровня океана и  плотности воды в крупномасштабных течениях и синоптических вихрях на рис. 4 для удобства изображены отдельно, тогда как на самом деле оба названные компонента океанской циркуляции существуют совместно. Как крупномасштабные течения, так и синоптические вихри являются квазигеострофическими, то есть в них горизонтальный перепад давления, обусловленный наклоном уровенной поверхности океана и возмущениями поля плотности воды, приблизительно уравновешивается отклоняющей силой вращения Земли (силой Кориолиса), и потому течение направлено поперек градиента давления (см. рис. 4). Обычно наблюдающееся при этом уменьшение скорости течения с глубиной обуславливается противоположными направлениями наклонов поверхности океана и изопикнических поверхностей (поверхностей равной плотности воды), что определяет падение с глубиной абсолютной величины горизонтального градиента давления. Таким образом, для циклонических вихрей, в которых вода вращается против часовой стрелки в Северном полушарии, характерны понижение уровня океана и возвышение изопикнических поверхностей в центральных частях вихрей, а для антициклонических вихрей с вращением воды по часовой стрелке — возмущения уровня и поля плотности обратных знаков. Состояние жидкости с наклоненными изопикническими поверхностями называется бароклинным, и поэтому такие крупномасштабные течения и синоптические вихри, какие изображены на рис. 4, называют бароклинными. Перепады глубин изопикнических поверхностей на рис. 4 представлены реальными величинами, истинные же перепады высоты уровня океана поперек крупномасштабных течений порядка 1 м, а поперек синоптических вихрей — порядка 30 см.

Возмущения поля плотности в  крупномасштабных течениях и синоптических вихрях обуславливают наличие в них некоторых запасов  «до-

 

Динамика синоптических  океанских вихрей 

25

 

ступной потенциальной энергии» (ДПЭ) — излишка потенциальной энергии по сравнению с таким состоянием океана, когда все изопикнические поверхности горизонтальны. Вследствие больших горизонтальных размеров крупномасштабных течений и сопутствующих им значительных возмущений глубины залегания изопикнических поверхностей в среднем по океану ДПЭ крупномасштабных течений примерно на порядок превышает ДПЭ и кинетическую энергию синоптических вихрей и на два порядка — кинетическую энергию крупномасштабных течений. Согласно современным теоретическим представлениям, главным механизмом генерации синоптических вихрей в океане является бароклинная неустойчивость крупномасштабных течений, при которой вихри черпают свою энергию из ДПЭ этих течений. Другими словами, вихри в процессе свое-то формирования и дальнейшего перемещения поперек крупномасштабного течения стремятся уничтожить связанные с ним горизонтальные перепады плотности воды. В то же время крупномасштабные вертикальные движения в океане, вызванные схождением и расхождением горизонтальных течений приповерхностного слоя океана, которые обусловлены трением ветра об океанскую поверхность, эти перепады поддерживают. Оценки показывают, что практически все крупномасштабные течения океана должны быть бароклинно неустойчивыми — произвольные возмущения, наложенные на основное течение, должны расти и развиваться в вихри, осуществляющие перенос массы поперек течения. Очевидно, что вихри, генерируемые таким образом, обязаны иметь бароклинную вертикальную структуру, как это и показано на рис. 4. Кроме того, в соответствии с гидродинамическими моделями неустойчивости крупномасштабных течений океана горизонтальный масштаб (расстояние от центра вихря до точки с наибольшей орбитальной скоростью, умноженное на два и деленное на я) вихрей, формирующихся с помощью описанного выше

 

В Президиуме Академии наук СССР 26

Всего на полигоне ПОЛИМОДЕ автономные буйковые станции и гидрофизические съемки зафиксировали более 20 синоптических вихревых образований, половина из которых были циклонами и половина — антициклонами. Все вихревые возмущения перемещались в генеральном направлении на запад со скоростью от 2 до 7 км/сутки, что объясняется как увлекающим действием противотечения Гольфстрима, так и собственной динамикой вихрей. Вихри активно взаимодействовали друг с другом, вследствие чего ни один из них не прошел через район наблюдений, не изменив при этом существенным образом свои размеры, форму и энергию.

Особенно интересным является то обстоятельство, что в течение года наблюдений вертикальная и горизонтальная структуры  поля вихрей дважды претерпевали существенные изменения. В январе—июне 1978 г. через  полигон проходило несколько  сильных антициклонических вихрей (два из них можно видеть на рис. 2), разделявшихся более обширными областями циклонической завихренности. Их горизонтальный масштаб составлял 35—40 км, что практически совпадает с приведенным выше значением масштаба Россби для района ПОЛИМОДЕ. Антициклоны января—июня 1978 г. были существенно бароклинными (рис. 3): средние скорости течения в их поле изменялись от 20—25 см/с на горизонтах 100 и 400 м до 5—10 см/с на горизонте 1400 м при сохранении качественного подобия картин течений на отдельных горизонтах.

В ноябре—декабре 1977 г. и в июле—августе 1978 г. (см. рис. 2 и 3) через район наблюдений проходили вихри с почти баротропной  вертикальной структурой и характерной скоростью орбитального движения воды порядка 10—15 см/с на всех горизонтах. Особенно интересна происшедшая всего за 20 суток тотальная баротропизация поля вихрей во

 

Динамика синоптических  океанских вихрей 

27

 

второй половине июня 1978 г. (см. рис. 3). При С/=12 см/с имеем L„= =110 км, и, действительно, горизонтальные масштабы вихрей ноября — декабря 1977 г. и июля — августа 1978 г. превышали более чем в два раза масштабы вихрей, наблюдавшихся в январе — июне 1978 г. (см. рис. 2). Измерения течений на глубинах 2000, 3000 и 4000 м, выполненные на полигоне ПОЛИМОДЕ в июле 1978 г., подтвердили примерное постоянство кинетической энергии синоптических вихрей по всей глубине океана в этот период, а синхронные карты течений на горизонтах 100, 400, 700 и 1400 м, построенные по данным буйковых станций ПОЛИМОДЕ для ноября — декабря 1977 г. и июля — августа 1978 г., подтвердили близость картин течений на отдельных горизонтах.

Сопоставление описанных  выше результатов ПОЛИМОДЕ с изложенными непосредственно перед этим выводами теории синоптических океанских вихрей позволяет сделать уверенное предположение о циклическом характере взаимодействия крупномасштабного противотечения Гольфстрима и синоптических вихрей, при котором периоды активной генерации вихрей за счет бароклин-ной неустойчивости крупномасштабного течения (например, январь — июнь 1978 г.) сменяются периодами прекращения этой генерации и свободного развития вихрей (ноябрь — декабрь 1977 г., июль — август 1978 г.). С этим предположением вполне согласуется исключительно антициклонический характер интенсивных баро-клинных вихрей масштаба Россби в районе ПОЛИМОДЕ в июне — январе 1978 г. Действительно, идущее в западном направлении противотечение Гольфстрима, являясь геострофическим течением, характеризуется падением уровня океана и увеличением плотности воды в главном пикноклине при пересечении течения с севера на юг (ср. с рис. 4). Поскольку вихри, порождаемые бароклинной неустойчивостью крупномасштабного течения, в процессе своего формирования и дальнейшего перемещения стремятся выровнять перепады уровня океана и плотности воды поперек течения, на южной периферии противотечения Гольфстрима в периоды интенсивной генерации вихрей должны преимущественно наблюдаться бароклин-ные вихри с положительными возмущениями высоты уровня океана и отрицательными возмущениями плотности воды, то есть антициклоны. Это и было зафиксировано на полигоне ПОЛИМОДЕ. В пользу предположения о генерации вихрей в районе ПОЛИМОДЕ за счет бароклинной неустойчивости крупномасштабного течения свидетельствует и полученное в результате измерений течений нарастание средней за период наблюдений кинетической энергии вихрей примерно в два раза от юго-восточного

 

В Президиуме Академии наук СССР 28

к северо-западному углу полигона, то есть в направлении осевой части  противотечения Гольфстрима.

Результаты прямых измерений течений  на полигоне ПОЛИМОДЕ и гидрофизических  съемок полигона не только позволили  развить приведенные выше качественные соображения о взаимодействии крупномасштабного течения и синоптических вихрей в районе эксперимента, но и дали возможность количественно оценить соответствующую изменчивость во времени скорости крупномасштабного течения, ДПЭ и кинетической энергии синоптических вихрей, скорости трансформации ДПЭ и кинетической энергии крупномасштабного течения в ДПЭ и кинетическую энергию синоптических вихрей на отдельных горизонтах и в отдельных слоях океана. Наиболее интересные результаты этих оценок приводятся на рис. 5. Кривые 3 и 4 на рис. 5 рассчитаны в реальном предположении, что направление крупномасштабного противотечения Гольфстрима в районе ПОЛИМОДЕ постоянно во времени и составляет 240° (отсчет по часовой стрелке от направления на север). Кривые 1 и 2 на рис. 5 относятся к главному пикноклину — слою океана, в котором в основном происходит процесс трансформации ДПЭ крупномасштабных течений в ДПЭ синоптических вихрей.

Сопоставляя рис. 5, 2 и 3, обнаруживаем следующую естественную последовательность событий. В октябре 1977 — апреле 1978 г. направленное на запад — юго-запад противотечение Гольфстрима в районе наблюдений характеризовалось относительно большим (около 2 см/с) вертикальным перепадом скорости через главный пикноклин (рис. 5), что должно было сопровождаться соответствующим горизонтальным перепадом плотности воды поперек течения (см. рис. 4). Обладая, таким образом, большим запасом ДПЭ и будучи бароклиино неустойчивым, крупномасштабное течение, начиная с конца декабря 1977 г., интенсивно трансформировало свою энергию в ДПЭ синоптических течений (кривая 2 на рис. 5), порождая в рассматриваемом районе океана сильные баро-клинные вихри масштаба Россби. Этот процесс достиг максимальной интенсивности в феврале—апреле 1978 г. и эффективно продолжался примерно до конца мая 1978 г. (см. рис. 5), чему соответствовал максимум энергии синоптических вихрей в мае — начале июня 1979 г. (см. рис. 3, 5).

Другим следствием генерации синоптических  вихрей за счет баро-клинной неустойчивости крупномасштабного течения явилось  резкое падение вертикального сдвига скорости противотечения Гольфстрима в мае — первой половине июня 1978 г. (см. рис. 5), что, естественно, сопровождалось прекращением процесса генерации вихрей и привело затем к тотальной баротропизации поля вихрей и росту их горизонтального масштаба во второй половине июня — начале июля 1978 г. (см. рис. 2, 3). Практическое отсутствие крупномасштабного течения (см. рис. 5) и баротропный режим вихрей в районе ПОЛИМОДЕ наблюдались затем до самого конца эксперимента. Можно предполагать, что дальнейшее восстановление бароклинного противотечения Гольфстрима произошло вследствие осенней интенсификации поля ветра над северной половиной Атлантики и соответствующего усиления процесса дивергенции ветровых течений приповерхностного слоя океана.