Мезомасштабная циркуляция вод в северо-западной части Японского моря

Вестник ДВО РАН. 2017. № 4

УДК 551.465 А.Г. АНДРЕЕВ

Мезомасштабная циркуляция вод в северо-западной части Японского моря

Используя спутниковые данные по альтиметрии и температуре вод и данные буев Арго, исследована мезомасштабная циркуляция вод в северо-западной (СЗ) части Японского моря за период с 1993 по 2015 г. Установлено, что в июне—августе/ноябре—феврале в СЗ части Японского моря формируется мезомасштабная циклональная/антициклональная циркуляция вод. Происхождение вод в мезомасштабных антициклонах (с относительно высокой температурой) связано с поступлением субтропических трансформированных вод в СЗ часть Японского моря. Воды в циклонах (с относительно низкой температурой) формируются за счет вод холодного Приморского течения. Усиление антициклонального вихря напряжения ветра над Японским морем в октябре—ноябре приводит к интенсификации мезомасштабной антициклональной циркуляции вод, увеличению притока субтропических вод и повышению температуры вод в СЗ части Японского моря в ноябре—декабре. Интенсификация антициклонального вихря напряжения ветра над Японским морем в ноябре—феврале приводит к уменьшению скоростей Приморского течения в феврале—июне и ослаблению мезомасштабного циклонического круговорота вод в СЗ части Японского моря летом.

Ключевые слова: Японское море, мезомасштабная циркуляция, Приморское течение, температура вод.

Mesoscale water circulation in the Northwest Japan Sea. A.G. ANDREEV (V.I. Il'ichev Pacific Oceanological Institute, FEB RAS, Vladivostok).

The mesoscale circulation in the Northwest (NW) Japan Sea for the period from 1993 to 2015 has been investigated using satellite altimetry and sea temperature as well as Argo buoys data. We identified that in the NW Japan Sea the mesoscale cyclonic/anticyclonic water circulation is formed during June—August/November—February. The origin of waters in mesoscale anticyclones is related to the supply of subtropical transformed waters (characterized by relatively high temperatures) into the NW Japan Sea. Waters in cyclones (characterized by relatively low temperatures) are related to the inflow of the Primorsky current waters. An increase of anticyclonic wind stress curl over the Japan Sea in October— November leads to the spin up of the mesoscale anticyclonic water circulation, an increase of the subtropical water inflow and the increment of water temperature in the NW Japan Sea in November—December. An intensification of the anticyclonic wind stress curl over the Japan Sea during November—February results in the decreased velocities of the Primorsky current in February—June and spin down of the mesoscale cyclonic circulation in the NW Japan Sea in summer.

Key words: the Japan Sea, mesoscale circulation, Primorsky current, water temperature.

Общая циркуляция поверхностных вод в южной и центральной частях Японского моря определяется Цусимским и Восточно-Корейским течениями, переносящими на север и северо-восток субтропические воды, поступающие через Цусимский пролив из Восточно-Китайского моря. На широте 37-39° с.ш. Восточно-Корейское течение отделяется от побережья Корейского полуострова и направляется на восток к Сангарскому проливу, формируя вместе с водами Северо-Корейского течения субарктический фронт, разделяющий субтропический и субарктический сектора моря. Течение Шренка (или Ли-манское) на севере, Приморское и Северо-Корейское течения в северо-западной (СЗ) части образуют субарктический циклонический круговорот вод Японского моря [6, 7].

АНДРЕЕВ Андрей Григорьевич - доктор географических наук, ведущий научный сотрудник (Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичёва ДВО РАН, Владивосток). E-mail: andreev@poi.dvo.ru

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (проект № 16-17-10025).

Применение дистанционных методов измерений с искусственных спутников Земли (ИСЗ), использование данных дрифтеров и буев Арго и проведение расчетов по гидродинамическим моделям позволяют исследовать мезомасштабную циркуляцию вод в Японском море [1, 5, 11-13]. Мезомасштабные циклоны и антициклоны (горизонтальный размер ~ 100 км), осуществляющие водообмен между прибрежной и открытой областями Японского моря, оказывают влияние на распределение физических и химических параметров морской воды, состав и биомассу фитопланктона и организмов более высокого трофического уровня. В СЗ части Японского моря расположен морской биосферный заповедник, где наблюдается биомногообразие морских млекопитающих. В зал. Петра Великого

Рис. 1. Поле поверхностных геострофических течений по данным AVISO и распределение температуры в поверхностном слое вод по данным ИСЗ Aqua в июле 2006 г. (а) и ноябре 2007 г. (б) и временная изменчивость зональных (в) и меридиональных (г) составляющих геострофических течений на границах мезомасштабных циркуляционных ячеек. Центры мезомасштабных циклонов и антициклонов показаны треугольниками, ЗПВ -залив Петра Великого, МБЗ - морской биосферный заповедник

(рис. 1а) занимаются разведением марикультуры. Увеличением адвекции субтропических вод Восточно-Корейского течения в район южного Приморья можно объяснить повышение численности тропических и субтропических видов животных и рыб в СЗ части Японского моря [2-4].

С.В. Пранц и др. (2017), используя данные альтиметрии, проанализировали лагранже-выми методами адвекцию субтропических вод в Японском море за период с 1993 по 2015 г. Ими обнаружены устойчивые западный, центральный и восточный коридоры переноса субтропических вод через субарктический фронт. В западном коридоре (130-132,5° в.д.) он обусловлен формированием к северу от фронтальной струи цепочки вихрей, проталкивающих субтропическую воду далеко на север, к берегам Приморья [13]. В настоящей работе с использованием данных спутниковой альтиметрии и буев Арго исследована ме-зомасштабная циркуляция вод в СЗ части Японского моря и установлены причины, вызывающие ее сезонную и межгодовую изменчивость. Показано влияние мезомасштабной циркуляции вод на температуру поверхностных вод зал. Петра Великого.

Наши исследования основываются на спутниковой информации по скоростям геострофических течений в поверхностном слое вод с пространственным разрешением 1/4° на 1/4° (для исследуемого района: ~ 30 км по долготе и ~ 20 км по широте) базы данных AVISO (http: //www.aviso.altimetry.fr). Среднемесячные данные по температуре поверхностных вод (SST) предоставлены Центром диагностики климата (http://www.esrl.noaa. gov). Карты распределения SST построены по спутниковым данным, полученным с ИСЗ Aqua с пространственным разрешением 4 км (http://oceancolor.gsfc.nasa.gov). В работе использованы данные буев Арго (траектории движения и вертикальные профили температуры и солености), предоставленные Национальным агентством по исследованию атмосферы и океана (NOAA) (http://www.nodc.noaa.gov/argo/). При расчете вихря напряжения ветра (cty/cX - ct/cy, где tx и ty - зональные и меридиональные составляющие напряжения ветра) были использованы среднемесячные данные по напряжению трения ветра над поверхностью океана (http://www.esrl.noaa.gov). Проинтегрированные от восточной до западной границы величины вихря напряжения трения ветра представляют меридиональный свердруповский перенос вод [10] на западной периферии Японского моря:

My = J

где ß - широтное изменение параметра Кориолиса, p - плотность океанской воды.

Мезомасштабные антициклоны и циклоны в СЗ части Японского моря

Анализ полей скорости поверхностных течений по данным спутниковой альтиметрии за период с 1993 по 2015 г. показал, что циркуляция вод в СЗ части Японского моря в июне-августе/ноябре-феврале определяется наличием мезомасштабного (горизонтальный размер 100 км) циклона/антициклона (рис. 1а, б) со скоростями геострофических течений на границах равными 0,10-0,15/0,15-0,20 м/с. Меридиональные и зональные скорости на границах мезомасштабных циклонов и антициклонов подвержены значительной сезонной и межгодовой изменчивости (рис. 1в, г). Сезонная изменчивость направления потоков вод указывает на преобладание мезомасштабных циклонов в СЗ части Японского моря летом и антициклонов осенью-зимой. Коэффициент корреляции между зональными скоростями на восточной и западной границах равен -0,63 (1993-2015 гг.). Коэффициенты корреляции между зональной скоростью на северной границе (рис. 1г) и меридиональными скоростями на восточной и западной границах циклона/антициклона (рис. 1в) равны соответственно 0,71 и -0,73. Поток поверхностных вод вдоль материкового склона меняет свое направление с юго-западного летом на северо-восточное осенью-зимой. Смена направления течений объясняет смену направления дрейфа буев ARGOS вдоль южного побережья Приморья в сентябре-декабре 1993 и 1994 гг., когда буи перемещались на юг

в период от конца августа до начала октября, что соответствует потоку Северо-Корейского течения, и, описывая антициклонические петли, обратно на север в октябре-декабре [9, 12].

Мезомасштабные циклоны и антициклоны оказывают влияние на распределение температуры в поверхностном слое вод в СЗ части Японского моря (рис. 1а, б). В июле на северной, западной и южной границах циклона наблюдалась адвекция прибрежных вод с низкими температурами. В ноябре вдоль западной и северной границ мезомасштабного антициклона в район южного Приморья поступали воды с повышенной температурой.

Структура вод и механизм образования

мезомасштабных антициклонов и циклонов

Среднемноголетнее распределение температуры и относительной плотности на горизонте 50 м (данные судовых наблюдений, 1955-2012 гг., WOA13) показывает, что в июле в зоне нахождения мезомасштабного циклона (40-42° с.ш., 130-132° в.д.) температура вод ниже на 4-6 °С, а плотность выше на 0,6-0,8 кг/м3, чем на ее северной, западной и южной границах. В ноябре (рис. 2б, г) наблюдается адвекция теплых субтропических вод Восточно-Корейского течения (с повышенными температурами и пониженными величинами относительной плотности) в район южного Приморья. В зоне нахождения мезо-масштабного антициклона (40-42° с.ш., 130-132° в.д.) температура вод выше на 4-6 °С, а плотность ниже на 0,6-0,8 кг/м3, чем на ее восточной, северной и западной границах. Данные многолетних судовых наблюдений за температурой и соленостью согласуются с данными буев Арго. По данным буев Арго в декабре 2008 - январе 2009 г. в центре мезомасштабного антициклона (41,2° с.ш., 131,4° в.д.) наблюдались повышенные температуры (7,5-11 °С) в верхнем (100 м) слое вод. Максимум солености (34,08-34,10 е.п.с.) на горизонте 125 м указывал на субтропическое происхождение вод. В июле 2009 г. в центре мезомасштабного циклона (41,4° с.ш., 131,0° в.д.) ниже горизонта 30 м наблюдались пониженные температуры вод (1-3 °С).

Касательное напряжение ветра является одним из основных факторов, формирующих циркуляцию вод в океане. При этом вихрь напряжения трения ветра определяет интегральный перенос массы в ветровой циркуляции океана [10]. В осенний и зимний сезоны Японское море находится под влиянием Алеутской депрессии и Сибирского антициклона, что вызывает сильные ветра северных румбов (зимний муссон) и положительный (циклональный) вихрь напряжения ветра над восточной частью моря и отрицательный (антициклональный) вихрь напряжения ветра над западной частью моря [11, 14]. В летний период над Японским морем преобладают южные ветра (летний муссон). Величины вихря напряжения ветра летом в несколько раз меньше, чем зимой, и его пространственное распределение неоднородно. С ноября по февраль основное влияние на циркуляцию вод в Японском море оказывает вихрь напряжения ветра, тогда как летом - это усиление поступления субтропических вод через Цусимский пролив и горизонтальные градиенты температуры и уровня моря в зоне субарктического фронта [11].

На рис. 3 представлены межгодовые изменения вихря напряжения ветра в центральной части Японского моря (41° с.ш., 130-140° в.д.). Положительные/отрицательные величины вихря напряжения ветра над Японским морем должны приводить к меридиональному потоку вод (уравнение (1), направленному на юг/север на западной периферии Японского моря. Межгодовые вариации меридиональных и зональных скоростей течений в СЗ части Японского моря показывают статистически значимую корреляцию с изменениями вихря напряжения ветра. Интенсификация мезомасштабных циклонов/антициклонов происходила в периоды ослабления/усиления антициклонального вихря ветра над Японским морем. Усиление антициклонального вихря напряжения ветра над Японским морем в октябре-ноябре вызывает (со сдвигом по времени 1 месяц) увеличение скоростей

Рис. 2. Карты распределения температуры и относительной плотности на горизонте 50 м в июле

Рис. 3. Межгодовые изменения вихря напряжения трения ветра в центральной части Японского моря

поверхностных течений на восточной и западной границах антициклона в ноябре-декабре (г = -0,80) (рис. 3а). Межгодовые изменения скоростей поверхностных течений на границах мезомасштабного циклона для мая-июня согласуются с изменениями вихря напряжения ветра над Японским морем для ноября-февраля (г = -0,65) (рис. 3б). Направленный на восток поток вод на северной границе циклона усиливался в периоды ослабления антициклонального вихря напряжения ветра.

Усиление антициклонального вихря напряжения ветра в октябре-ноябре снижало поток Приморского течения (на разрезах через 43 и 45° с.ш.) и течения Шренка (на разрезе через 47° с.ш.), направленных с северо-востока на юго-запад вдоль побережья северного Приморья, в ноябре-декабре (г = -0,63- -0,72) (рис. 3в). Следовательно, интенсификация мезомасштабной антициклональной циркуляции вод в СЗ части Японского моря происходила за счет увеличения притока субтропических вод и уменьшения адвекции холодных вод Приморским течением.

Летом образование мезомасштабных циклонов вблизи южного побережья Приморья связано с адвекцией холодных вод Приморским течением. Усиление антициклонального вихря напряжения ветра над Японским морем в ноябре-феврале приводит к ослаблению циклонической циркуляции в северной части Японского моря в январе-июне. Скорости Приморского течения (разрез через 45° с.ш., 137,5-138,2° в.д.) и скорости течения (направленного на север) вдоль восточной границы субарктического циклонического круговорота (139,5-140,0° в.д.) уменьшаются (г = -0,72 и 0,69) (рис. 3г). Уменьшение скоростей Приморского течения сопровождается понижением скоростей на границах мезомасштаб-ного циклона в СЗ части Японского моря в мае и июне (рис. 3б).

Влияние мезомасштабной циркуляции

на температуру поверхностного слоя вод

В ноябре-марте из-за наличия значительных градиентов температуры на поверхности моря хорошо прослеживается положение субарктического фронта, разделяющего субарктический и субтропический секторы в Японском море. В теплую половину года за счет прогрева поверхностного слоя градиенты температуры воды на поверхности моря сглаживаются и поэтому выделение границ субарктического фронта с использованием спутниковой температуры затруднительно. В [8] с использованием данных спутниковой альтиметрии и температуры поверхностных вод с 1993 по 2001 г. показано, что в западной части Японского моря субарктический фронт подвержен значительным сдвигам в меридиональном направлении, приводящим к изменениям в теплосодержании вод и уровне моря. На рис. 4а приведено положение субарктического фронта, выделенного по положению изотерм 17, 18 и 19 °С, в ноябре-декабре 2002 г. и ноябре-декабре 2007 г., в периоды положительного (циклонального) и отрицательного (антициклонального) вихря напряжения ветра над Японским морем. Сдвиг по широте положения субарктического фронта в южном (северном) направлении в 2002 г. (2007 г.) (рис. 4а) можно объяснить циклональным (антициклональным) вихрем напряжения ветра, приводящим к направленному на юг (север) переносу вод на западной границе Японского моря. Под влиянием мезомасштабных антициклонов и циклонов происходят изменения температуры поверхностных вод в районе южного Приморья в ноябре-декабре и в мае-июне (рис. 4б, в), что определяет сезонную активность теплолюбивых видов рыб и их количество в водах зал. Петра Великого [2]. При усилении мезомасштабной антициклонической циркуляции вод (увеличение зональной и меридиональной скоростей течений на северной и западной границах антициклона) в районе южного Приморья наблюдается увеличение температуры поверхностных вод в ноябре-декабре (рис. 4б). При усилении мезомасштабной циклонической циркуляции вод (отрицательные зональные скорости течений на северной границе циклона) в мае-июне в районе южного Приморья наблюдается понижение температуры вод (рис. 4в).

Рис. 4. Распределение изотерм 17, 18 и 19 °С в ноябре-декабре 2002 и ноябре-декабре 2007 г. (а) и межгодовые изменения зональных и меридиональных скоростей на границах мезомасштабных антициклонов (б) и циклонов (в) и температуры поверхностного слоя вод (SST) в СЗ части Японского моря

ЛИТЕРАТУРА

1. Гинзбург А.И., Костяной А.Г., Островский А.Г. Поверхностная циркуляция Японского моря (спутниковая информация и данные дрейфующих буев) // Исслед. Земли из космоса. 1998. № 1. С. 66-82.

2. Иванков В.Н., Иванкова З.Г. Тропические и субтропические виды рыб в северо-западной части Японского моря // Изв. ТИНРО. 1998. Т. 123. С. 291-298.

3. Измятинский Д.В. Состав и биомасса рыб в сублиторали залива Петра Великого // Изв. ТИНРО. 2004. Т. 138. С. 66-83.

4. Никитин А.А., Лобанов В.Б., Данченков М.А. Возможные пути переноса субтропических вод в район Дальневосточного морского заповедника // Изв. ТИНРО. 2002. Т. 131. С. 41-53.

5. Никитин А.А., Юрасов Г.И., Ванин Н.С. Спутниковые наблюдения синоптических вихрей и геострофическая циркуляция вод Японского моря // Исслед. Земли из космоса. 2012. № 2. С. 28-40.

6. Юрасов Г.И., Ванин Н.С., Рудых Н.И. Климатические характеристики течений Японского моря по данным расчетов динамическим методом // Изв. ТИНРО. 2011. Т. 164. С. 340-347.

7. Юрасов Г.И., Яричин В.Г. Течения Японского моря. Владивосток: ТОИ ДВО РАН, 1991. 174 с.

8. Choi D.-J., Haidvogel D.B., Cho Y.-K. Interannual variation of the Polar Front in the Japan/East Sea from summertime hydrography and sea level data // J. Mar. Sys. 2009. Vol. 78. P. 351-362.

9. Danchenkov M.A., Aubrey D.G., Feldman K.L. Oceanography of area close to the Tumannaya River mouth (the Sea of Japan) // Pacific Oceanography. 2003. Vol. 1. P. 61-69.

10. Kantha L.H., Clayson C.A. Numerical models of oceans and oceanic processes. N.-Y.: Academic Press, 2000. 940 p.

11. Kim T.-K., Yoon J.-H. Seasonal variation of upper layer circulation in the Northern part of the East/Japan Sea // Continental Shelf Res. 2010. Vol. 30. P. 1283-1301.

12. Lee D.-K., Niiler P.P. The energetic surface circulation patterns of the Japan/East Sea // Deep-Sea Research II. 2005. Vol. 52. P. 1547-1563.

13. Prants S.V., Budyansky M.V., Uleysky M.Yu. Statistical analysis of Lagrangian transport of subtropical waters in the Japan Sea based on AVISO altimetry data // Nonlinear Processes in Geophysics. 2017. Vol. 24. P. 89-99.

14. Yoon J.-H., Abe K., Ogata T. et al. The effects of wind-stress curl on the Japan/East Sea circulation // Deep Sea Research II. 2005. Vol. 52. P. 1827-1844.