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 1993¬2017 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
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 Северо-Европейском 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 Баренцева моря и расположенного вдоль континентального склона и Норвежского фронтального течения, локализованного на изобатах 2000-2500 м на западной 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 Ян- Майен. Кроме того, часть вод огибает с северной стороны плато Воринг и, двигаясь в восточном направлении, сливается с Норвежским склоновым течением (рис. 1.).
Лофотенская котловина, расположенная в центральной части Норвежского моря, характеризуется локальным максимумом 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).
имеющие температуру от - 0,5 до 0,5 °С и более низкую соленость, по сравнению с атлантическими водами (Kohl, 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 (Kohl, 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 (Kohl, 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 установлено сохранение его положения относительно центра котловины (Иванов и Кораблев, 19956; 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 характерная частота Вейсяля-Брента f—параметр Кориолиса, Н — глубина океана. Бароклинный радиус деформации Россби в районе Лофотенской котловины равен 7-9 км (Fer et al., 2018). В своей статье Kohl (2007) утверждает, что большую роль на изменчивость термохалинных характеристик Лофотенского вихря оказывает процесс слияния с мезомасштабными антициклоническими вихрями. В 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 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.
Данные
В работе использовались данные за 1993-2016 гг. двух массивов «Mesoscale Eddies in Altimeter Observations of SSH» и «GLOBAL REANALYSIS PHY 001 030».
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;
• 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 Environment Monitoring Services). Данные имеют пространственную дискретность 1/12° и 50 уровней по 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.
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 уменьшение продолжительности жизни мезомасштабных вихрей, до значений менее 27 дней. Исследуемый район, за счет наличия Д-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 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 смс, отрицательные значения относительной завихренности и параметра Окубо- Вейса, 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 с мезомасштабными вихрями антициклонического типа (£ < 0), характеризующимися наличием более теплых и соленых атлантических вод.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
