Сезонная изменчивость циркуляции вод Охотского моря, рассчитанная на основе стационарной модели океана

Вестник ДВО РАН. 2015. № 6

УДК 551.465.45; 551.468; 551.465.532; 551.465.52 П.А. ФАЙМАН

Сезонная изменчивость циркуляции вод Охотского моря, рассчитанная на основе стационарной модели океана

На основе диагностического расчета течений по климатическим данным выполнен анализ сезонных изменений циркуляции вод Охотского моря. Установлен циклонический характер общей циркуляции вод Охотского моря, состоящей из локальных циклонических круговоротов над впадинами ТИНРО и Дерюгина и антициклонического над Курильской котловиной. Существуют также и локальные циркуляции, меняющие свой знак в течение года. Течения Охотского моря из номенклатуры А.В. Верхунова представляют собой потоки на периферии вышеупомянутых циркуляций. Такая структура циркуляции сохраняется в течение всего периода моделирования. Сезонная изменчивость основных течений сводится к ослаблению скорости течений циркуляций от весны к лету и усилению от лета к зиме.

Ключевые слова: циркуляция морских вод, течения, сезонная изменчивость, Охотское море, диагностические модели.

Seasonal variability of water circulation in the Sea of Okhotsk calculated using a stationary ocean model.

P.A. FAYMAN (V.I. Il'ichev Pacific Oceanological Institute, FEB RAS, Vladivostok).

The analysis of seasonal fluctuations in water circulation in the Sea of Okhotsk is based on sea current forecasting with climate data. General water circulation in the Sea of Okhotsk is cyclonic and consists of local cyclonic circulations over TINRO and Deryugin basins and anticyclonic circulation over the Kuril basin. Besides, there are local circulations annually changing their directions within a year. The currents of the Sea of Okhotsk from A.V. Verkhunov's list are periphery streams of the above-mentioned circulations. Such circulation structure remains during the entire model study. Seasonal variability of the basic currents is reduced to decrease in speed of currents from spring to summer and increase from summer to winter in the above-mentioned circulation.

Key words: sea water circulation, currents, seasonal variability, the Sea of Okhotsk, diagnostic models.

В 1970-е годы для некоторых районов Охотского моря были построены схемы течений для отдельных сезонов и даже месяцев года. В частности, Н.П. Помазановой [13] опубликованы схемы геострофических течений северо-восточной части моря для летне-осеннего периода, а В.Н. Зыряновым и В.Ф. Козловым - схемы течений, полученные при помощи численных прогностических моделей [6, 7]. На основе этих схем был сделан важный вывод об определяющей роли рельефа дна и эффекта бароклинности в формировании интегральной циркуляции вод при второстепенном значении ветра.

С 1980 г. стали появляться схемы течений для всей акватории Охотского моря и для всех месяцев года, построенные по имеющимся на тот момент океанографическим данным с использованием линейной диагностической модели А.С. Саркисяна [10]. Среди обобщенных схем течений для теплого времени года, опубликованных в 1980-е годы, наиболее полной является схема В.И. Чернявского [17].

ФАЙМАН Павел Аркадьевич - ведущий инженер (Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичёва ДВО РАН, Владивосток). E-mail: pavel.fayman@gmail.com

Позднее были составлены диагностические схемы течений, рассчитанные с помощью квазигеострофической модели, основанной на принципах автомодельности второго рода [2]. Показано, что разный характер атмосферной циркуляции над Охотским морем существенно видоизменяет циркуляцию вод не только в верхнем слое, но и на всех горизонтах до дна. Установлено, что циклонический характер циркуляции наблюдается только для северной части моря, а в южной прослеживаются сложные дипольные структуры, которые меняют свои размеры и положение в пространстве и времени.

В работе А.В. Верхунова [3] приводится самая полная номенклатура течений Охотского моря, которая в целом соответствует схеме В.И. Чернявского. На основе анализа данных о течениях выявлена главная особенность циркуляционной системы моря - общее циклоническое движение вод вдоль границ всего бассейна и антициклоническая циркуляция над впадиной ТИНРО и в районе Курильской котловины. Устойчивые звенья общего круговорота вод как самостоятельные течения получили названия в соответствии с географической привязкой: Камчатское (Западно-Камчатское и Компенсационное), Пенжин-ское, Ямское, Северо-Охотское течение и противотечение, Восточно-Сахалинское, Срединное и течение Соя.

В статье В.Б. Дарницкого и В.А. Лучина [4] приведены схемы с увеличенным пространственным масштабом для каждого месяца. Согласно этим схемам, в Охотском море на климатическом масштабе в летний и осенний сезоны преобладает квазитурбулентный режим течений. Крупномасштабные струйные течения занимают лишь незначительную часть площади. Обозначены районы генерации квазистационарных мезомасштабных вихрей.

Е.В. Самко и Ю.В. Новиков на основе многолетних океанографических данных (19601998 гг.) построили сезонные схемы основных геострофических течений южной части Охотского моря [15].

Целью данной работы является расчет циркуляции вод за каждый месяц с мая по декабрь на основе наиболее полного на сегодняшний день массива климатических данных. Расчет течений производится с помощью линейной диагностической модели.

Модель и данные

Для расчета течений используется линейная диагностическая модель, теоретические основы которой сформулированы в работе А.С. Саркисяна [16]. Исходная система формул включает упрощенные уравнения движения (исключены адвекция и горизонтальный турбулентный обмен) и неразрывности в приближениях гидростатики и Буссинеска. Граничные условия на поверхности моря - напряжение трения ветра и условия «жесткой крышки». После преобразования исходных формул полученная система дифференциальных уравнений в частных производных включает эллиптическое уравнение уровня моря, уравнение неразрывности и явные формулы для вычисления горизонтальных компонент вектора скорости.

При численном решении эллиптического уравнения уровня применяется метод, описанный в монографии В.П. Кочергина [8]. Его суть заключается в сведении задачи Неймана к задаче Дирихле, т.е. уровенная поверхность последовательными приближениями вычисляется в узлах замкнутой границы расчетной области, а затем во внутренних точках области.

При численной аппроксимации вторых производных по горизонтальным координатам использовалась схема центральных разностей, а при аппроксимации первых производных - схема направленных разностей. Последовательные приближения полученной системы линейных уравнений для значений уровня в узлах сетки выполнялись с помощью метода Гаусса-Зейделя. Для дискретизации уравнений горизонтальных компонент вектора скорости применялись центральные разности.

В дальнейшем полная система численных уравнений модели решалась итерационным методом до установления.

Отличие предлагаемой модели от ранее используемой модели Саркисяна [22] - в более корректной численной схеме решения граничной задачи для уровня. Это позволяет методом последовательных приближений согласовать поле течений с рельефом и береговой чертой. Вторая особенность модели - исключение завышенного влияния резких градиентов рельефа дна.

Область моделирования (рис. 1) лежит в пределах 135-160° в.д. и 43-63° с.ш. Дискретность расчетной сетки 1/8 градуса по широте и долготе. По вертикали расчет велся на стандартных горизонтах: 0, 10, 20, 30, 50, 75, 100, 150, 200, 250, 300, 400, 500, 600, 800, 1000, 1200, 1500, 2000, 2500, 3000, 3500 м.

[40 145 ¡50 155

Рис. 1. Область моделирования (области, для которых рассчитывался баланс завихренности): А - впадина Дерюгина, В - северо-западная часть Охотского моря, С - зал. Шелихова, D - Курильская котловина

Поле батиметрии, необходимое для расчетов, формировалось на основе данных банка ЕТ0Р05 [20]. Ветровые показатели брались из банка данных NCEP/NCAR Reanalysis 1 [23]. Источником исходных данных о температуре и солености вод служил «Климатический атлас морей северной части Тихого Океана» [24]. Дискретность исходных данных температуры и солености составляла 1°. Интерполяция с исходной сетки на расчетную выполнялась методом линейного кригинга.

Результаты и обсуждение

По результатам диагностического моделирования выявлено, что общая циркуляция Охотского моря имеет циклонический характер (рис. 2). На фоне общей циклонической циркуляции в теплый период наблюдаются локальные области циклонической

135_Ш_1«_1»_1Д5 ''_]«_1«_150_[И 135_1«_1*5_I»_[5^

1 2 3 4 5 С 7 8 9 10 12 15 20 25 30

Рис. 2. Циркуляция вод в Охотском море на горизонтах 10, 50 и 500 м в мае, августе и ноябре

завихренности в зал. Шелихова, над впадинами ТИНРО, Дерюгина и в юго-западной части моря около берегов Хоккайдо. Локальные области антициклонической циркуляции фиксируются в мае в районе Курильской котловины и зал. Шелихова.

Полученные схемы циркуляции вод Охотского моря показывают, что Западно-Камчатское (вместе с Северной ветвью), Северо-Охотское, Ямское, Северо-Восточное и Восточно-Сахалинское течения существуют на протяжении всего исследуемого периода (с мая по декабрь). В отдельные периоды года прослеживаются Пенжинское течение, СевероОхотское противотечение, Срединное и Компенсационное течения, течение Соя. Таким образом, полученные схемы включают все течения из номенклатуры А.В. Верхунова [3].

Результаты диагностического моделирования показали следующее.

Западно-Камчатское течение формируется ответвлением Курильского, которое втекает в Охотское море через Первый и Четвертый Курильский проливы. В мае оно широкое и слабое, начиная с июля состоит из двух струй (первая течет над шельфом, вторая - за континентальным склоном). Осенью вдоль берега Камчатки наблюдается Компенсационное течение. Скорости в Западно-Камчатском течении не превышают 5 см/с. Над впадиной ТИНРО это течение формирует циклонический вихрь, который прослеживался в течение всего периода моделирования. Скорость Северной ветви течения доходит до 20 см/с.

Согласно ранним схемам [9, 12, 29], в зал. Шелихова преобладает циклоническая циркуляция. Последующие работы [27] показали, что циркуляция вод здесь определяется полем ветра и имеет сезонную изменчивость. В зимний период циркуляция антициклоническая [10, 18], в теплый - циклоническая [10, 11, 13]. В результате диагностического моделирования установлено, что в мае наблюдается антициклоническая

циркуляция по всей акватории залива (рис. 2), с июня по декабрь циркуляция циклоническая, со скоростями течений до 10 см/с. Такая структура прослеживается по всей толще водной массы.

Срединное течение слабое и является одним из наименее изученных в Охотском море. Впервые оно описано в работе А.К. Леонова [9]. По данным Н.С. Ванина [1], Срединное течение интенсивно в период ослабления Северо-Охотского противотечения и ослаблено в другое время. По нашим расчетам, в мае оно формируется ветвью Курильского течения, втекающего в Охотское море через прол. Крузенштерна, а в остальное время - ветвью Северо-Восточного течения.

Элементами циркуляции вод северо-западной части Охотского моря являются Севе-ро-Охотское течение, Северо-Охотское противотечение, Восточно-Сахалинское течение и антициклонический круговорот над банкой Кашеварова. Осенью и зимой наблюдается интенсификация Ямского и Северо-Охотского течений [5, 19], летом течения имеют сложную структуру из вихрей разных знаков [13]. Аналогичные результаты дают инструментальные измерения [14].

Результаты моделирования показывают, что составляющие циклонической циркуляции вод в северной части моря (Северо-Охотское течение и Северо-Охотское противотечение) особенно развиты осенью и зимой (рис. 2). В летнее время циклоническая циркуляция на северном шельфе ослабевает. Средние скорости течений на шельфе достигают 20 см/с в осенне-зимнее и 10 см/с в летнее время. В мае и начале лета Северо-Охотское противотечение слабо выражено.

Циркуляция вод сахалинского шельфа представлена Восточно-Сахалинским течением, которое проходит вдоль восточного побережья о-ва Сахалин. Это западный граничный поток циклонической циркуляции вод Охотского моря. Восточно-Сахалинское течение важно для переноса тяжелых шельфовых вод, формируемых на северном шельфе Охотского моря [28].

Первые сведения о сезонной изменчивости Восточно-Сахалинского течения были получены на основе расчетов по диагностической линейной модели Саркисяна [10] и квази-геострофической модели, разработанной в ТОИ ДВО РАН [2]. Результаты наших расчетов показали возрастание скорости течения до 40 см/с осенью и ослабление летом.

Буйковые и инструментальные измерения течений Охотского моря, проведенные в 1998-2001 гг. [26], позволили создать схему поверхностной циркуляции вод в западной части моря. Установлено, что Восточно Сахалинское течение состоит из двух ветвей: одна ветвь - у берега, с глубинами 50-150 м и скоростью 30-40 см/с, вторая - над континентальным склоном, с глубинами 300-900 м и скоростью 20-30 см/с. Долгосрочные измерения вдали от восточного побережья Сахалина [25] показали, что среднегодовой объем вод, переносимый Восточно-Сахалинским течением, равен 6,7 свердруп с максимумом 12,3 свердруп в феврале и минимумом 1,2 свердруп в октябре.

Результаты диагностического моделирования соответствуют выявленным ранее закономерностям. На расчетных схемах (рис. 2) видно, что Восточно-Сахалинское течение состоит из двух ветвей. Первая ветвь проходит вдоль берега (максимальная скорость течения 30 см/с в октябре и ноябре, минимальная 15 см/с в июне), вторая - выявлена вдоль континентального склона (максимальная скорость течения 8 см/с в октябре и ноябре, минимальная 4 см/с в июне).

Течение Соя хорошо прослеживается осенью. Два антициклонических круговорота в Курильской котловине фиксируются в течение всего периода моделирования. Они наиболее интенсивны в мае, ноябре и декабре, а с июня по сентябрь ослаблены. Осенью у берегов Хоккайдо формируется циклонический вихрь.

Циркуляция на больших глубинах представлена циклонической циркуляцией над впадинами Дерюгина и ТИНРО и антициклонической над Курильской котловиной (рис. 2).

Оценка вклада СЭБИР (совместного эффекта бароклинности и рельефа дна моря) и ветра в формировании циркуляции. Уравнение баланса завихренности в случае линейной

диагностической модели имеет следующий вид [21]:

(

дуН диН

дх ду

^ . тт др дН др дН дху дтх

РуН = —----— + —-----

дх ду ду дх дх ду

где и, V - скорость течений; Н - рельеф океана; f - параметр Кориолиса; в - изменение параметра Кориолиса с широтой; р - аномалии давления в морской воде; т и т - со-

(

ставляющие касательного трения ветра; f

ЭуН диН

Эх ду

Л

др дН др дН

- топографический бета-эффект;

дт„ дт„

вуН - планетарный бета-эффект; —---—--СЭБИР;---- - завихренность

дх ду ду дх дх ду

напряжения трения ветра.

Поскольку уровень завихренности в каждой точке чувствителен к топографии и его пространственная изменчивость велика, то балланс был осреднен для различных районов Охотского моря. Районами для осреднения данных были выбраны впадина Дерюгина, северо-западная часть Охотского моря, зал. Шелихова и Курильская котловина.

Результаты расчетов показали, что по всей акватории Охотского моря доминирующим является геострофический балланс, за исключением центральной части (регион А на рис. 1) и зал. Шелихова (регион С), в которых важную роль играет свердруповский баланс (рис. 3).

Рис. 3. Сезонная изменчивость баланса завихренности для впадины Дерюгина

Выводы

Общая циркуляция Охотского моря состоит из нескольких локальных циклонических (над впадинами ТИНРО и Дерюгина) и антициклонического (над Курильской котловиной) круговоротов. Помимо этого существуют локальные круговороты, имеющие сезонную изменчивость: циклонический над континентальным склоном северной части Охотского моря, антициклонический в мае и циклонический в остальное время в зал. Ше-лихова, циклонический у о-ва Хоккайдо (наиболее заметен осенью и зимой). Такие особенности циркуляции сохраняются в течение всего периода моделирования. Сезонная изменчивость в основном проявляется в ослаблении от весны к лету и усилении от лета к зиме скорости течений вышеуказанных круговоротов и смене типов завихренности в зал. Шелихова.

Отдельные течения служат элементами круговоротов. Западно-Камчатское течение, Северная ветвь, Ямское течение - элементы циклонического круговорота над впадиной ТИНРО. Северо-Охотское течение и Северо-Охотское противотечение - составляющие циклонического круговорота в северной части Охотского моря. Обе ветви Восточно-Сахалинского течения, Северо-Восточное и Срединное течения выступают составными частями циклонического круговорота, расположенного над впадиной Дерюгина. Течение Соя -элемент циклонического круговорота в районе между островами Сахалин и Хоккайдо.

Северо-Восточное течение занимает особое место в системе циркуляции Охотского моря. Оно одновременно является составной частью циклонического круговорота над впадиной Дерюгина и антициклонического над Курильской котловиной. Аналогично двум разным круговоротам принадлежит Северо-Охотское противотечение. Срединное течение в мае существует как ветвь Курильского, а в остальное время - как ветвь Северо-Восточного течения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ванин Н.С. Сравнительный анализ динамики вод и прогрева верхнего слоя в Сахалино-Курильском районе в 1997 и 2000 гг. // Изв. ТИНРО. 2002. Т. 130. С. 59-70.

2. Васильев А.С., Храпченков Ф.Ф. Сезонная изменчивость циркуляции вод и водообмена Охотского моря с Тихим океаном // Метеорол. и гидрол. 1998. № 6. С. 59-67.

3. Верхунов А.В. Развитие представлений о крупномасштабной циркуляции Охотского моря // Комплексные исследования экосистемы Охотского моря / отв. ред. В.В. Сапожников. М.: Изд-во ВНИРО, 1997. С. 8-19.

4. Дарницкий В.Б., Лучин В.А. Особенности горизонтальной структуры климатических течений Охотского моря с месячной дискретностью // Комплексные исследования экосистемы Охотского моря / отв. ред. В.В. Сапожников. М.: Изд-во ВНИРО, 1997. С. 19-25.

5. Жигалов И.А. Характеристика и особенности океанологических условий североохотоморского шельфа осенью 2004 г. // Изв. ТИНРО. 2005. Т. 142. С. 203-213.

6. Зырянов В.Н. Численный расчет установившихся течений Охотского моря // Тр. ВНИРО. 1977. Т. 119. С. 24-30.

7. Козлов В.Ф. Расчет уровенной поверхности в Охотском море // Тр. ДВНИИ. 1972. Вып. 37. С. 37-43.

8. Кочергин В.П. Теория и методы расчета океанических течений. М.: Наука, 1978. 195 с.

9. Леонов А.К. Региональная океанография. Ч. 1. Берингово, Охотское, Японское, Каспийское и Черное моря. Л.: Гидрометеоиздат, 1960. 765 с.

10. Лучин В.А. Циркуляция вод Охотского моря и особенности ее внутригодовой изменчивости по результатам диагностических расчетов // Тр. ДВНИИ. 1987. Вып. 36. С. 3-13.

11. Мороз И.Ф. Термохалинная структура и динамика вод северной части Охотского моря летом 1997 г. // Изв. ТИНРО. 1998. Т. 124. С. 667-680.

12. Морошкин К.В. Водные массы Охотского моря. М.: Наука, 1966. 55 с.

13. Помазанова Н.П. Поверхностные течения в северных и восточных промысловых районах Охотского моря в летние месяцы // Тр. ДВНИГМИ. 1970. Вып. 30. С. 94-104.

14. Путов В.Ф., Шевченко Г.В. Анализ инструментальных измерений течений на шельфе северо-западной части Охотского моря // Динамические процессы на шельфе Сахалина и Курильских островов / отв. ред. Г.В. Шевченко. Южно-Сахалинск: ИМГиГ ДВО РАН, 2001. С. 36-47.

15. Самко Е.В., Новиков Ю.В. Среднемноголетняя геострофическая циркуляция вод южной части Охотского моря // Изв. ТИНРО. 2003. Т. 133. С. 297-302.

16. Саркисян А.С. Численный анализ и прогноз морских течений. Л.: Гидрометеоиздат, 1977. 183 с.

17. Чернявский В.И. Циркуляционные системы Охотского моря // Изв. ТИНРО. 1981. Т. 105. С. 13-19.

18. Фигуркин А.Л., Шапиро П.Б. Притауйский гидрологический фронт осенью 1999-2004 гг. // Изв. ТИНРО. 2006. Т. 145. С. 304-316.

19. Фигуркин А.Л. Развитие океанологических условий западной Камчатки по данным мониторинговых наблюдений 1997 и 2000 гг. // Изв. ТИНРО. 2002. Т. 130. С. 103-116.

20. Data Announcement 88-MGG-02, Digital relief of the Surface of the Earth / NOAA, National Geophysical Data Center. Boulder, Colorado, 1988.

21. Ezer T., Mellor G.L. Diagnostic and prognostic calculation of the North Atlantic circulation and sea level using a sigma coordinate ocean model // J. Geophys. Res. Vol. 99. Р. 14159-14171.

22. Fayman P. A. Diagnostic current calculation for the Sea Of Okhotsk // PICES Sci. Rep. 2004. Vol. 26. P. 82-85.

23. Kalnay E. et al. The NCEP/NCAR 40-year reanalysis project // Bull. Amer. Meteor. Soc. 1996. Vol. 77. P. 437-470.

24. Luchin V., Kruts A., Sokolov O. et al. Climatic Atlas of the North Pacific Seas. 2009: Bering Sea, Sea of Okhotsk and Sea of Japan / eds V. Akulichev, Yu. Volkov, V. Sapozhnikov, S. Levitus. Washington, 2009. 329 p. DVD.

25. Mizuta G., Fukamachi Y., Ohshima K.I., Wakatsuchi M. Structure and Seasonal Variability of the East Sakhalin Current // J. Phys. Oceanogr. 2003. Vol. 33, N 11. P. 2430-2445.

26. Ohshima K.I., Wakatsuchi M., Fukamachi Y., Mizuta G. Near-surface circulation and tidal currents of the Okhotsk Sea observed with satellite-tracked drifters // J. Geophys. Res. 2002. Vol. 107, N C11. P. 3195. doi:10.1029/2001JC001005.

27. Samko E., Glebova S.Y., Petruk V.M. The influence of atmospheric processes on the water circulation off the west Kamchatka coast // PICES Sci. Rep. 2004. N 26. P. 7-12.

28. Talley L.D. An Okhotsk Sea water anomaly: implications for ventilation in the North Pacific // Deep-Sea Res. 1991. Pt A 38 (suppl.). P. 171-190.

29. Watanabe K. On the reinforcement of the East Sakhalin current preceding to the sea ice season off the coast of Hokkaido // Oceanogr. Mag. 1963. Vol. 14. P. 117-130.