Вихри течения Ойясио
Вихри течения Ойясио
Как известно, погода зависит от проходящих атмосферных
вихрей - циклонов и антициклонов. Так, тайфуны - тропические циклоны в Тихом
океане со скоростью ветра до 250 км/ч - приносят на побережье ливневые
осадки, приводящие к катастрофическим наводнениям. В океане также есть
синоптические вихри, их называют циклонами и антициклонами, если вода в них
вращается соответственно против или по часовой стрелке [1].
Однако эти вихри сильно отличаются от тех, которые непосредственно формируют
погоду. Океанические антициклоны живут довольно долго, охватывая всю толщу вод
от поверхности до дна и перемещаясь вместе с течениями или против них.
В Тихоокеанском океанологическом институте РАН уже около 20
лет ведутся наблюдения за большими антициклоническими вихрями, формирующимися
на западе Тихого океана, в зоне слияния двух главных течений этого региона:
Ойясио и Куросио [2-4].
Растянутые вдоль всей длины Курило-Камчатского желоба, эти вихри медленно
движутся на северо-восток, против основного потока Ойясио, в субарктические
воды. Свойства вихрей (их размеры, температура и соленость в ядре) не
постоянны. Изменчивость такого масштаба оказалась самой большой из
наблюдавшейся где-либо еще в океане. Кроме того, вихри стали новым индикатором
вариаций климата океана.
Один из них, названный WCR86B (вихрь Куросио 1986 г. с
теплым ядром), отделился от течения Куросио примерно у 37°с.ш. и двигался вдоль
желоба против течения на северо-восток со скоростью около 1-2 см·с–1.
В сентябре 1990 г. он достиг широты пролива Буссоль (46.5°с.ш.),
отделяющего южную группу Курильских о-вов от средней. Даже так далеко от места
своего появления он содержал теплое и соленое ядро в верхнем слое воды (что
обычно для вихрей Куросио у побережья Японии) и ядро низкой солености в
промежуточных слоях (250-600 м). (Из-за этого вихри Ойясио называют вихрями с
пресным ядром.) Слежение за вихрем проводилось с помощью последовательных
съемок [2-6] на
судах Тихоокеанского океанологического института (ТОИ) и непрерывных
спутниковых изображений, принятых и обработанных в Институте автоматики и
процессов управления ДВО РАН.
Подобные вихри (а каждый год у пролива Буссоль находится
новый антициклон) - индикатор быстрых изменений, происходящих в холодных водах
Тихого океана в последнее десятилетие и названных климатическим сдвигом [3-5].
Каким же образом вихри связаны с процессами, определяющими климат?
Вихри и вариации климата океана
Накопленное верхними слоями океана в низких широтах
солнечное тепло переносится летом теплыми течениями (такими, как Куросио) в
умеренные. В холодный период года океан в высоких широтах отдает его в
атмосферу. Это один из основных механизмов воздействия океана на климат. Самый
длинный ряд инструментальных наблюдений за температурой и осадками относится к
континентам, и только в последние годы благодаря специальному проекту Всемирной
метеорологической организации появились первые данные об осадках над океаном.
Количество осадков прямо зависит от температуры поверхности
океана и тепла, переносимого главными океанскими течениями. Однако во
фронтальной зоне (т.е. в области больших градиентов температуры и солености)
тепло и соль переносят не только течения, но и синоптические вихри океана,
характеристики которых свидетельствуют помимо прочего об изменениях в системе
течений (циркуляции вод в океане).
Считается, что в 1976 г. в Тихом океане произошла смена
режима океана [3]. Но,
несмотря на более чем десятилетние исследования, ее механизмы до сих пор не
ясны. В Приморском крае в 1976-1977 гг. разразилась драматическая засуха,
а зимы были самыми продолжительными. Похожая ситуация сложилась в
1996-1997 гг. В период с 1988 по 1992 г. количество осадков превышало
их сумму за 1976 г. в четыре раза. Эти наблюдения свидетельствуют о
сильной декадной (10-летней) изменчивости осадков, и именно она “ответственна”
за рост суммы осадков в 1989-1991 гг. и в 2000-м. Нужно отметить, что
стратификация и циркуляция субарктических вод в значительной степени
определяются соленостью, и поэтому они должны сильно зависеть от притока
пресной воды в океан, а его изменчивость в Субарктике Тихого океана до сих пор
не изучалась.
В 2000 г. проливные дожди и наводнения начались для
Приморья довольно рано, в конце июля, с выходом в Японское море тайфуна
Болавин. Не только в Приморье, но и в Японии и Корее сумма осадков в том году
оказалась рекордной за всю историю наблюдений, что связано со стационарным
сезонным фронтом и тайфуном Саомай. В центральных районах Японии в течение двух
дней выпало более 80 см осадков. Примерно столько же Владивосток обычно
получает в течение всего года. Кроме того, поздней осенью 2000 г. на
северо-западе Тихого океана сформировался очень глубокий циклон с давлением в
центре около 950 мб. Его последствием стала гибель теплохода “Рязань” - он
затонул в Беринговом море 6 ноября.
Что происходило во время этих погодных вариаций в океане?
Регулярные наблюдения за течениями и вихрями начались в 90-е годы в рамках
программы (совместной с Канадским тихоокеанским океанологическим институтом) по
изучению климата северной части Тихого океана. Детальными съемками была охвачена
обширная область субарктических вод у Курильских о-вов и Камчатки - так
называемых западных пограничных течений: Камчатского и Ойясио. Одной из задач
был поиск океанографических индикаторов, способных дать достаточно полное
представление о происходящих изменениях климата и одновременно не требующих
больших затрат судового времени. Исследования позволили выделить все детали
основных течений, включая протяженную цепь больших антициклонических вихрей
Ойясио, растянутых вдоль глубоких желобов у Японии, Курил и Камчатки. После
длительного перерыва наблюдения были продолжены в 2000 г. в экспедиции
Японского центра морских наук и технологий с участием сотрудников ТОИ на судне
“Мирай”.
В целом с 1990 по 2000 г. были изучены характеристики
около двух десятков вихрей пограничных течений и семь различных
антициклонических вихрей Ойясио у пролива Буссоль. В 1990 г. у пролива
находился уже упомянутый самый большой вихрь WCR86B с теплым соленым ядром.
В серии следующих друг за другом вихрей Ойясио с 1990 по
1996 г. их ядра, расположенные на глубине 100-400 м, постепенно
становились холодней, а соленость в них уменьшалась. Если в 1994-1996 гг.
горизонтальные и вертикальные размеры вихрей значительно сократились, а их
динамический уровень (возвышение поверхности океана из-за вариаций плотности)
упал, то, по наблюдениям 2000 г., эти характеристики в последние четыре года
выросли. За истекшее время произошло возвращение пограничных течений в прежнее
состояние, а вихри Ойясио стали большими и глубокими, при этом выросла их динамическая
высота. Вместе с переменами на континенте смены в океане указывали на
существование быстрой изменчивости климата в регионе.
Другими словами, размеры, глубины и структура вихрей могут
служить новым климатическим индексом, способным дать представление о процессах,
происходящих в океане. Первоначально именно наблюдения за вихрями позволили
сделать вывод о быстром изменении климата в Субарктике Тихого океана, которое
было названо термохалинным переходом. Главным его последствием стала смена
циркуляции в океане [4-5]. Она
согласуется с похожими процессами на северной границе субарктического круговорота [5].
Стало ясно, что субполярный круговорот в океане с горизонтальным масштабом
около 4000 км может характеризовать вихри диаметром около 200 км. На
спутниковых снимках к востоку от Курильских о-вов всегда можно увидеть
несколько таких больших антициклонических вихрей.
Ловушка длинных волн
Данные дрейфующих буев и акустические наблюдения за глубиной
звукорассеивающих слоев показывают, что у антициклонических вихрей сложная
внутренняя структура: они способны захватить и держать в своем ядре длинные
волны большой амплитуды, которые называют инерционными. Течения, вызываемые
такими волнами, вместе с приливными движениями вносят значительный вклад в
перемешивание верхнего слоя океана [7].
Самые интересные наблюдения дали три буя (дрифтера),
установленные осенью 1990 г. на участке, проходящем у пролива Буссоль
через центр антициклонического вихря (эти приборы были предоставлены нам
канадским океанологом П.Леблоном). Они не только вращались в вихре, но и
совершали большие регулярные петли. Один из этих буев показал инерционные
движения очень большой амплитуды. В ядре вихря он дрейфовал со средней
скоростью около 40-45 см·с–1 и радиусом вращения
15-20 км. На это среднее вращение накладывались инерционные петли с
периодом, близким к суткам, и радиусом 7-8 км. Скорости течений достигали
140 см·с–1 в центре вихря и заметно уменьшались на его
границах. Вместе с изменением амплитуды этих возмущений менялся инерционный
период.
Принято считать, что инерционные возмущения возникают при
резкой смене ветра. В Северном полушарии вектор скорости таких течений
вращается так же, как в приливной волне - по часовой стрелке. Инерционные силы
в таких движениях - сила Кориолиса и центробежная, связанная с траекторией
частиц воды, поэтому инерционный период определяется широтой места. Например,
на широте пролива Буссоль он должен составлять около 17 ч. Однако в вихре
инерционный период был гораздо больше.
Дело в том, что в антициклоническом вихре вращение
противоположно направлению вращения Земли. Тем самым создаются особые условия
для инерционных волн - вихрь меняет относительную завихренность (из-за
собственного вращения). В результате понижается локальная инерционная частота
волн внутри вихря. По сути волны чувствуют не только вращение Земли, но и его
вращение. Кроме того, свободно распространяться могут только волны, частота
которых больше локальной инерционной. Ее понижение в центре вихря и
обеспечивает захват волн внутрь него, они уже не могут покинуть созданную им
ловушку.
Но как только локальная инерционная частота (ее можно
назвать эффективной) становится близкой к частоте суточного прилива,
оказывается возможным захват приливной энергии. Точно так же вихри способны
накапливать и использовать энергию ветра, когда захватывают инерционные волны,
возбужденные им. Усиление таких движений в ядре вихря ведет к генерации
турбулентности, поэтому степень перемешивания в его ядре должна меняться вместе
с внешним воздействием, например при прохождении глубоких атмосферных циклонов.
Особенно интересна продолжительность жизни вихря Ойясио.
Казалось бы, он должен разрушаться из-за турбулентной диссипации (так,
антициклонические ринги Гольфстрима в Северной Атлантике живут только 3-6 мес).
Вместе с тем, вихрь Ойясио WCR86B продолжал двигаться вдоль Курило-Камчатского
желоба еще в конце 1991 г., т.е. существовал более пяти лет. Инерционные
волны, генерируемые ветром или приливом, могут не только продлевать жизнь
вихря, но и регулярно поставлять энергию для перемешивания его ядра.
Хотя в жизни больших антициклонических вихрей течения Ойясио
еще много загадок (как вообще в глубоком океане), ясно, что их характеристики
могут быть новым индексом климатической изменчивости, способным достаточно
полно дать представление о происходящих изменениях.
Работа выполнена при поддержке
Российского фонда фундаментальных исследований. Проект 01-05-96902.
Антициклонические вихри (желтые круги) движутся вдоль
Курило-Камчатской котловины к северо-востоку.
Красная линия - траектория движения буя, установленного в вихре
Буссоль.
Вихри у южных Курильских о-вов. Инфракрасное изображение,
полученное со спутника НОАА в Центре приема спутниковой информации Института
автоматики и процессов управления ДВО РАН. Шкала цвета соответствует увеличению
температуры слева направо и снизу вверх. Белые точки - положение
океанографических станций на разрезе через вихрь Ойясио. Слева - в мае
2000 г., когда здесь располагался самый крупный антициклонический вихрь,
который наблюдался в регионе; справа - в апреле 2001 г.
Динамическая топография (возвышения поверхности океана
из-за разного распределения плотности) вихрей у пролива Буссоль в разные годы.
Серым цветом показаны вихри Ойясио, красными стрелками - положение струй
Ойясио. Хорошо заметно изменение размеров вихрей и смена главных струй течения:
с морской (02 – 1990 г.) на прибрежную (01 – 1996 г.) и снова на морскую
(в 2000 г.). Рисунок из работы [4].
|
Изменение диаметра вихрей Ойясио (вверху) и
аномалии осадков (отклонение от среднемноголетней суммы) во Владивостоке.
Цветом показаны отрицательные аномалии, соответствующие засухе, особенно
сильной в 1976 и 1997 гг.; черным - отмечены годы с положительной
аномалией, во время которых случались наводнения.
|
Температура (°С) и соленость (‰) в вихрях Ойясио (числа
на изолиниях) в сентябре 1989 г. (вверху) и в феврале 2000 г. На разрезах
вверху хорошо заметно холодное и пресное ядро, расположенное под теплым и
соленым. На рисунках внизу видно, что вихрь содержит мощное теплое и соленое
ядро. Диаметр вихря превышает 200 км, а глубина ядра больше 700 м. Разрезы
построены с использованием данных научно- исследовательского судна “Мирай”
(Японское агентство по морским наукам).
Траектория буя, установленного в вихре Ойясио (слева),
и ее фрагмент во время стандартного оборота с петлями инерционных волн. Числа -
время в сутках с начала наблюдений.
Литература
1. Кошляков М.Н. Синоптические вихри
открытого океана // Природа. 1997. №6. С.17-20.
2. Лобанов В.Б., Рогачев К.А., Булатов Н.В.
и др. // Докл. АН СССР. 1991. Т.317. №4. С.984-988.
4. Rogachev K.A. // Journ. of
Geophysical Research. 2000. V.105. C4. P.8513-8526.
5. Rogachev K.A. // Progress in
Oceanography. 2000. V.47/2-4. P.299-336.
6. Rogachev K.A., Carmack E.C., Salomatin
A.S. // Journ. of Marine Systems. 2000. V.26. P.239-258.
7. Рогачев К.А., Саломатин А.С., Юсупов
В.И. и др. // Океанология. 1996. Т.36. №3. С.347-354.
8. Рогачев К.А. Полынья на банке
Кашеварова // Природа. 2001. ?3. С.33-38.
9. Taira K., Kitagawa S., Otobe H., Asai T.
// Journ. Oceanography. 1993. V.49. P.397-406.
Декабрь 2001