Антициклоническая циркуляция и сильные приливные течения на банке Крузенштерна

2006

Известия ТИНРО

Том 147

УДК 551.465

К.А. Рогачев

АНТИЦИКЛОНИЧЕСКАЯ ЦИРКУЛЯЦИЯ И СИЛЬНЫЕ ПРИЛИВНЫЕ ТЕЧЕНИЯ НА БАНКЕ КРУЗЕНШТЕРНА

Банка Крузенштерна расположена в океане к востоку от прол. Крузенштерна. Наблюдения за дрейфом поверхностных буев на банке Крузенштерна показывают сильные приливные течения. Измеренная скорость течения достигала величины около 2 м ' с-1. Приливные эллипсы К и О1 вытянуты вдоль изобат с вращением вектора скорости по часовой стрелке. Хорошо выраженная двухнедельная модуляция скорости течения вызвана присутствием двух суточных гармоник большой амплитуды. Приливные течения вызывают сильное диапикническое (разрушающее пикноклин) перемешивание холодных промежуточных вод с поверхностными и теплыми промежуточными водами. Тем самым формируется холодная и плотная поверхностная вода высокой солености. Для интерпретации физического механизма усиленных приливных течений использована модель шельфовых волн. Частота баротропных шельфовых волн на банке близка к суточным приливным частотам. Предполагается, что усиление приливных течений вызвано резонансом с шельфовыми волнами. Усиленные приливные течения на банке Крузенштерна определяет тот же физический механизм, что и на банке Кашеварова.

Rogachev K.A. Amplification of diurnal tidal currents over Kruzenshtern Bank and their impact on water mixing // Izv. TINRO. — 2006. — Vol. 147. — P. 217-223.

Tidal currents were investigated over Kruzenshtern Bank located eastward from the Kruzenshtern Strait using surface drifting buoys in December 1999. Diurnal oscillation dominated with fortnightly modulation. The velocity reached ~ 2 m/s during spring tide. The K1 and O1 tidal ellipses were clockwise and elongated in isobaths. To interpret physical mechanism of the amplified diurnal currents over the Bank, a shelf wave model is applied. Frequency of the shelf waves at the Bank is close to the diurnal tidal frequencies on its steep slope only. It is suggested that the amplification of diurnal currents over the Bank is caused by resonance with diurnal shelf waves. Strong tidal mixing is a cause of a cold spot formation over the Bank in summer.

Известно, что обширные области у Курильских островов и проливов характеризуются сильными приливными течениями. Диапикническое перемешивание, вызванное сильными приливными течениями, изменяет поверхностную соленость и температуру. Однако прямые измерения течений, особенно в океане к востоку от Курильских островов, достаточно редки. Ранее приливные течения вблизи Курильских проливов рассматривали на основе приливной модели (Kowalik, Po-lyakov, 1998). Наблюдения (Rogachev et al., 2000, 2001; Ohshima et al., 2002; Ono et al., 2006) и приливная модель (Kowalik, Polyakov, 1999) показывают, что су-

точные приливные течения особенно выражены на банке Кашеварова, которая представляет собой подводную банку с вершиной на глубине 100-120 м на северном шельфе Охотского моря (рис. 1).

142 144 146 148

Рис. 1. Географическое положение банок Кашеварова и Крузенштерна

Fig. 1. Schematic drawing of the study area. Shaded areas show the locations of Kashevarov and Kruzenshtern banks

Принято считать, что плотная вода, образующаяся на шельфе Охотского моря во время формирования льда, является важным источником промежуточных вод в северной части Тихого океана. Второй процесс, который важен для образования плотной воды, — рост солености верхнего слоя при диапикничес-ком перемешивании. Рост солености и понижение температуры происходят во время приливного перемешивания. Наблюдения за дрейфом буев показывают, что банка Кашеварова не единственное место, где наблюдаются усиленные приливные течения.

Банка Крузенштерна имеет такие же размеры, но расположена в океане к востоку от прол. Крузенштерна (рис. 2, а). Вершина банки находится на глубине менее 100 м. Два поверхностных буя, выставленных в Камчатском течении, были захвачены локальной циркуляцией на банке Крузенштерна и показали сильные суточные приливные течения. Цель настоящего исследования — определить характер приливных течений, основываясь на этих наблюдениях, и понять физический механизм, ответственный за усиление суточных приливных течений на банке. Сильное приливное перемешивание прямо связано с формированием холодного пятна на поверхности океана и ростом солености верхнего слоя. Последующее зимнее охлаждение приводит к образованию плотных и холодных промежуточных вод. Поэтому сильное приливное перемешивание на банке Крузенштерна играет важную роль в формировании промежуточных вод в области Ойясио.

Над изолированными топографическими особенностями рельефа возможно усиление шельфовых волн (Ле Блон и Майсек, 1981; Middleton et al., 1982; Padman et al., 1992). Такие волны являются разновидностью топографических волн Россби. Их фазовая скорость распространения направлена поперек склона так, что мелкая вода остается справа. Усиление приливных течений вблизи таких особенностей рельефа можно объяснить резонансом с шельфовыми волнами, поскольку частота суточного прилива близка к естественной частоте шельфовых волн.

Измерения течения выполнены по результатам дрейфа поверхностных буев в 1993 и 1999 гг. Источник данных — канадский департамент рыболовства и океанов. Буи отслеживались спутниковой системой Аргос. Дрифтеры созданы в соответствии с рекомендациями программы поверхностных течений между-

Рис. 2. Карта района исследований, положение гидрологических станций и траектория поверхностного буя B99 (а) и детальная батиметрия на банке Крузенштерна (б). Светлые кружки — станции 1990 г., темные — 1991 г. Стрелки указывают направление дрейфа буя

Fig. 2. Bathymetry of the Kruzenshern Bank region based on navigation chart (а). The rectangle denotes the region shown in (б). The location of CTD stations are shown by circles. Station numbers are shown. The track of the 1999 drifter is shown

народного проекта ВОСЕ. К поверхностной сфере, обеспечивающей плавучесть дрифтера, прикреплен плавучий якорь диаметром около 1 м и длиной около 9 м с центром на глубине 40 м (буй 1993 г. B93) и 15 м (B99), а также передатчик и термистор для измерения температуры. Буи были выставлены в Беринговом море в 1993 и 1999 гг. По завершении дрейфа в Камчатском течении они были захвачены в антициклоническую циркуляцию на банке Крузенштерна. Траектория дрифтера В99 непосредственно на банке показана на рис. 2 (б). В среднем для дрифтера B99 было получено 12-14 определений в день. Промежуток времени между определениями, как правило, составлял около 2 ч. Используя интервал времени 2 ч и точность определений 150 м, получим оценку погрешности скорости течения около 5 см ' с-1. Для буя 1993 г. B93 число определений было меньше. Поскольку положение дрифтера определялось нерегулярно (интервал времени между определениями был разным), исходные данные были интерполированы на регулярный промежуток времени 1 ч. Для получения скорости течения использовались соседние определения положения дрифтера. Интерполированное значение скорости было получено линейной интерполяцией по двум соседним значениям, время для скорости соотносилось к середине промежутка между ними.

Наблюдения за температурой и соленостью были собраны во время выполнения программы ИНПОК (международный проект по изучению климата северной части Тихого океана).

Циркуляция на банке

Банка Крузенштерна — подводная банка к востоку от прол. Крузенштерна на континентальном склоне Курильских островов с глубиной на вершине менее 100 м (рис. 2, б). Дрифтер B99 был захвачен антициклонической циркуляцией на банке с 13 по 31 декабря 1999 г. За это время он совершил 16 оборотов по часовой стрелке. Временной ряд скорости течения дрифтера показал вращение вектора скорости по часовой стрелке с суточным периодом и скоростью до 2 м ' с-1. Временные ряды наблюдений за скоростью течения были использованы для определения приливных гармоник. Результаты приведены в табл. 1. Приливные эллипсы показаны на рис. 3.

Таблица 1

Характеристики приливных эллипсов, полученные по наблюдениям за дрифтером B99 на банке Крузенштерна

Table 1

Features of tidal elipses, determined from the drifter B99 track

Гармо- Частота, Большая полуось, Малая полуось, Ориентация, Направление

ника цикл ' ч-1 см ' с-1 см ' с-1 град. вращения

К, 0,04178075 61 31 54 По час. стрелке

0,03873065 28 9 54 По час. стрелке

Гармонический анализ был выполнен для временных рядов компонент скорости в период с 14 по 30 декабря 1999 г. с использованием 18 гармоник (Foreman, 1978). Доминирующими являются суточные гармоники К1 и Oj с вращением вектора скорости по часовой стрелке. Главные полуоси эллипса составляют 0,61 и 0,28 м ' с-1 соответственно для К1 и Oj (табл. 1). Главная полуось полусуточной гармоники S2 составляет 0,09 м ' с-1, что в 7 раз меньше суточных гармоник, M2 — 0,04 м ' с-1. Буй B93 находился на банке продолжительный период. Однако период, полезный для определения характеристик приливных течений, составил немногим более недели. Результаты анализа по данным буя B93 показали значения довольно близкие к величинам, полученным по данным буя В99, и поэтому подтверждают полученные результаты.

Рис. 3. Приливные эллипсы K и Oj Fig. 3. Tidal current ellipses of K and Ot based on drifter track. All the tidal current ellipses are clockwise

Воздействие приливного перемешивания на структуру вод

По данным гидрологических съемок рассмотрено воздействие приливного перемешивания на структуру вод на банке. Для этого были выбраны станции, выполненные в пределах банки и за ее границами (см. рис. 2, а). На рис. 4 показаны TS-диаграмма и вертикальные профили температуры для станций 180— 189 съемки 1990 г. Станция 186 выполнена вблизи вершины банки и характеризуется однородным распределением температуры и солености с глубиной практически до дна. На TS-диаграмме она представлена как одно пятно плотно расположенных точек на изопикне 26,7 аг На станции 185 выделяется хорошо перемешанный слой от поверхности до глубины около 350 м. Окружающие станции 180 и 187 содержат хорошо выраженный холодный и теплый промежуточные слои.

о з-

о

А 2

Оо \ \

180\ 4 > w Л ftf 189

\l 185 Y7 1С (V к' CV

/

йд /

п) -О

3>

а?

О-

33

34

50С

- —|- 186 -

\ 1S.9

180 1

2.5 ¿3 33 .5 &

Salinity [psu]

Salinity [psu]

Рис. 4. TS-диаграмма (а) и вертикальные профили солености (б) для станций, выполненных на банке и в окружающих водах

Fig. 4. TS-diagram (a) and vertical profiles of salinity for stations within the KB (б). Station numbers are shown

Интерпретация усиленных приливных течений

Простая интерпретация связывает усиление приливных течений с резким уменьшением глубины на вершине банки. Течение вдоль склона будет усилено на плато, если сохраняется перенос массы (Padman е! а1., 1992). Однако такая

221

интерпретация не может объяснить, почему течения усилены именно в южной части банки.

Гидрологические наблюдения показывают на банке область хорошо перемешанных вод (рис. 4). Это позволяет рассматривать суточные приливные течения как баротропные. Предполагается, что усиление суточных приливных течений на банке Крузенштерна связано с особенностями топографии. Банка имеет широкое плато и относительно узкий склон с восточной и западной стороны. Нами предполагается, что усиление суточных приливных течений связано с генерацией шельфовых волн приливного периода, как и на банке Кашеварова (Rogachev et al., 2000; Ohshima et al., 2002; Ono et al., 2006). Далее будет показано, что резонансный пик естественных колебаний (шельфовых волн) на банке близок к суточному приливу. Для расчета дисперсионных характеристик шельфовых волн применительно к банке Крузенштерна использовалась модель свободных барот-ропных шельфовых волн (Middleton et al., 1982). Основными параметрами модели являются крутизна склона Я, ширина склона a и глубина в океане. Крутизна

H - H

склона Я = —---, где H и H — глубина в океане и на шельфе. Для фиксиро-

H-+Hs d s

ванной глубины плато Я зависит от глубины в океане и растет при уменьшении глубины на банке. Дисперсионные кривые шельфовых волн сильно зависят от Я. Значения безразмерной частоты шельфовых волн для разных значений крутизны склона приведены в табл. 2.

Таблица 2

Частота шельфовых волн v при разных значениях безразмерного волнового числа k и крутизны склона Я

Table 2

Dispersion relation of zero-mode barotropic shelf waves for various values of the slope parameter, Я, and along slope wave number k. Table values are v, the dimensionless frequency

Я 0,1 0,5 1 2 3 4 5

0,6 0,40 0,41 0,37 0,26 0,21 0,17 0,14

0,7 0,50 0,56 0,46 0,30 0,28 0,24 0,20

0,8 0,58 0,68 0,59 0,47 0,38 0,33 0,29

0,9 0,66 0,82 0,76 0,65 0,57 0,51 0,46

Для расчета безразмерной частоты в модели использованы следующие масштабы: для длины волны (с волновым числом к) — ширина склона а, для частоты V — абсолютное значение параметра Кориолиса / = 1,08 ' 10-4 с-1. Частота суточных гармоник К1 = 0,729 ' 10-4 с-1 и 01 = 0,676 ' 10-4 с-1 в безразмерном виде составляет К1// = 0,675, 01// = 0,626.

Масштаб глубины выбирается как глубина на середине склона Нд. Для Нд = 2500 м, а = 40 км крутизна склона Я = 0,92. При такой крутизне склона возможен резонанс с суточным приливом (табл. 2).

Естественная частота шельфовых волн сильно зависит от крутизны склона Я и становится достаточно близкой к частоте суточного прилива только при больших значениях крутизны склона. Для значения крутизны склона Я больше 0,8 (табл. 2) возможен резонанс с суточным приливом. К северу от банки Крузенштерна крутизна склона гораздо меньше, и поэтому условие резонанса шельфовых волн с суточным приливом не достигается.

Основные результаты исследования заключаются в следующем.

Наблюдения за дрейфом буев на банке Крузенштерна показали усиленные суточные приливные течения до 2 м ' с-1. Суточные приливные течения К1 и 01 имеют приливные эллипсы, вытянутые вдоль изобат. Биения, вызванные сложением двух суточных гармоник К1 и 01, приводят к сильной двухнедельной моду-

222

ляции течений и сильной двухнедельной изменчивости степени приливного перемешивания. Приливное перемешивание на банке приводит к формированию плотных поверхностных вод высокой солености. За усиленные приливные течения на банках Кашеварова и Крузенштерна отвечает один и тот же физический механизм.

Литература

Ле Блон и МайсеК' Волны в океане. — М.: Мир, 1981. — 480 с.

Foreman M'G-G- Manual for tidal currents analysis and prediction. — Sidney, BC: Institute of Ocean Sciences, Patricia Bay, 1978. — 57 p.

Kowalik Z', Polyakov I' Diurnal tides over Kashevarov Bank, Okhotsk Sea // J. Geophys. Res. — 1999. — Vol. 104(C3). — P. 5361-5380.

Kowalik Z', Polyakov I' Tides in the Sea of Okhotsk // J. Phys. Oceanogr. — 1998. — Vol. 28. — P. 1389-1409.

Middleton J'H', Foster T'DV Foldvik A' Low-frequency currents and continental shelf waves in the southern Weddell Sea // J. Phys. Oceanogr. — 1982. — Vol. 12(7). — P. 618-634.

Ohshima K'L, Wakatsuchi Mv Fukamachi Yv Mizuta G- Near-surface circulation and tidal currents of the Okhotsk Sea observed with sayellite-tracked drifters // J. Geophys. Res. — 2002. — Vol. 107, № C11. — P. 3195.

Ono J', Ohshima K'L, Mizuta G' et al' Amplification of diurnal tides over Kashevarov Bank in the Sea of Okhotsk and its impact on water mixing and sea ice // Deep-Sea Res. I. — 2006. — Vol. 53. — P. 409-424.

Padman Lv Plueddemann AJ', Muench R'DV Pinkel R' Diurnal tides near the Yermak Plateau // J. Geophys. Res. — 1992. — Vol. 97(C8). — P. 12639-12652.

Rogachev K'AV Carmack E'CM Salomatin A'S' Strong tidal mixing and ventilation of cold intermediate water at Kashevarov Bank, Sea of Okhotsk // Journal of Oceanography. — 2000. — Vol. 56, № 4. — P. 439-447.

Rogachev K'AV Carmack E'CV Salomatin A'S', Alexanina M'G' Lunar fortnightly modulation of tidal mixing near Kashevarov Bank, Sea of Okhotsk, and its impacts on biota and sea ice // Progress in Oceanography. — 2001. — Vol. 49, № 1-4. — P. 373-390.

Поступила в редакцию 21.06.06 г.