Геострофическая циркуляция и вихри на поверхности Японского моря

2011

Известия ТИНРО

Том 165

УДК 551.46.07:629.783

Г.И. Юрасов1, А.А. Никитин2, Н.С. Ванин2, Н.И. Рудых1*

1 Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева ДВО РАН, 690041, г. Владивосток, ул. Балтийская, 43;

2 Тихоокеанский научно-исследовательский рыбохозяйственный центр, 690091, г. Владивосток, пер. Шевченко, 4

ГЕОСТРОФИЧЕСКАЯ ЦИРКУЛЯЦИЯ И ВИХРИ НА ПОВЕРХНОСТИ ЯПОНСКОГО МОРЯ

По осредненным данным многолетних судовых гидрологических измерений за 1925-2005 гг. и спутниковым изображениям за 1988-2002 гг. проведены исследования течений и вихрей в Японском море. На основании этих данных построены схемы геострофических течений и определено положение квазистационарных вихрей на поверхности моря. Показано, что вихревые образования сосредоточены вдоль струй основных течений. Предпринята попытка построения схемы поверхностных течений с учетом вихрей.

Ключевые слова: Японское море, океанографические данные, геострофическая циркуляция, вихри, течения, схема.

Yurasov G.I., Nikitin A.A., Vanin N.S., Rudykh N.I. Geostrophic circulation and eddies on the surface of the Japan Sea // Izv. TINRO. — 2011. — Vol. 165. — P. 265-271.

Currents and mesoscale eddies in the Japan Sea are considered on the averaged data on water temperature and salinity measurements obtained by research vessels in 1925-2005 and satellite images for 1988-2002. Schemes of geostrophic currents are drawn and position of quasi-stationary eddies at the sea surface is determined. The eddies are located mostly along the streams of basic currents. An attempt is made to take into account the eddies in the schemes of surface circulation.

Key words: Japan Sea, oceanographic data, geostrophic circulation, eddy, current, scheme of circulation.

Введение

Исследование циркуляции вод важно как для развития фундаментальных знаний о природе Мирового океана, так и для решения прикладных задач, связанных с освоением биологических и минеральных ресурсов морских бассейнов.

В настоящее время Японское море в гидрологическом отношении является одной из наиболее изученных областей Мирового океана. За весь исторический период его освоения, с конца 19-го до начала 21-го века, научно-исследовательскими судами России, Японии, Республики Кореи и США на акватории моря выпол-

* Юрасов Геннадий Иванович, кандидат географических наук, заведующий лабораторией, e-mail: yug@poi.dvo.ru; Никитин Александр Афанасьевич, кандидат географических наук, научный сотрудник, e-mail: nikitin@tinro.ru; Ванин Николай Сергеевич, кандидат географических наук, ведущий научный сотрудник, e-mail: vanin@tinro.ru; Рудых Наталья Ивановна, кандидат географических наук, научный сотрудник, e-mail: rudykh@poi.dvo.ru.

нено около 150 тыс. океанографических станций на глубинах от поверхности до дна. Эти данные по мере их накопления использовались при издании многочисленных атласов, справочных пособий, монографий и статей по океанографии Японского моря. В настоящее время полный массив данных по температуре и солености моря успешно используется (Лучин, 2003) для характеристики гидрологического режима моря, но при этом вопросы динамики вод выпали из рассмотрения.

Последние расчеты течений Японского моря динамическим методом проанализированы еще в 1961 г. (Степанов и др., 1961). Приведенные результаты были основаны на неполных данных многолетних измерений отечественных и японских судов, на основании которых удалось рассчитать течения только для трех сезонов года (лета, весны и зимы). Полученные схемы течений явились в дальнейшем тестовыми для оценки достоверности многочисленных диагностических и прогностических моделей. Также в рамках этих исследований оценено влияние ветра на циркуляцию вод моря с привлечением уравнения полных потоков на основе среднемноголетних месячных полей. Было показано, что поле ветра над морем при условии закрытых проливов не определяет циркуляцию вод. Расчет полных потоков при учете расходов через проливы показал, что летом циркуляция полностью определяется притоком субтропических вод через Корейский пролив, которые транзитом следуют от Корейского пролива через все море к стоковым проливам. В зимнее время роль ветра усиливается, и в различных частях моря формируются меандры и вихри. Исторический массив выполненных к настоящему времени судовых наблюдений дает возможность в рамках динамического метода вычислить течения для каждого из месяцев года.

Несмотря на достаточную изученность моря, факты о появлениях теплолюбивых видов рыб в северных акваториях, а также о наблюдающейся с конца 1990-х гг. в южном Приморье продолжительной теплой осени трудно объяснить с привлечением классической схемы течений (Яричин, 1980). Естественно искать причины этих изменений в динамике, т.е. в интенсификации поступления в северные районы моря теплых вод из южного субтропического сектора, что и обеспечивает миграцию к северу тропических и субтропических видов морских организмов. Продление теплого периода (теплая осень) в районах среднего и северного Приморья (мыс Золотой) также можно объяснить усилением теплых течений. С большой вероятностью это связано с теплообменом, обусловленным вихревыми образованиями, механизм передачи тепла которыми подробно рассмотрен ранее (Никитин и др., 2002).

Начиная с 1980 г. спутниковая информация широко использовалась при исследовании поверхностных течений различных морских акваторий (Булатов и др., 1978; Булатов, 1980; Ichiye, Takano, 1988; Isoda, Saitoh, 1993; Isoda, 1994). На схеме течений, созданной на основе спутниковой информации (Ostrovskii, Hiroe, 1994), циркуляция вод моря показана как совокупность вихрей, что заметно отличается от схемы, предложенной ранее (Яричин, 1980), которая построена по данным многолетних инструментальных измерений течений. Последующие исследования на основе совместного анализа спутниковых данных за 1993-1994 гг., ADCP- и CTD-зондирований (Гинзбург и др., 1998) позволили детально исследовать систему течений и основные пространственно-временные и кинематические характеристики стационарных вихрей.

В исследованиях последнего десятилетия, основанных на данных как контактных, так и дистанционных наблюдений, были определены районы формирования, географическое положение, траектории движения вихрей (Лобанов и др., 2007; Никитин, Юрасов, 2008). Было показано, что вихри и меандры могут переносить на большие расстояния воды с определенными характеристиками (Danchenkov et al., 1997; Lobanov et al., 1998; Никитин и др., 2002; Никитин, Харченко, 2002). Самые поздние публикации (Никитин и др., 2008, 2009) позволяют приступить к созданию обобщенной схемы поверхностных течений,

составленной с учетом влияния стационарных вихрей, что и выполняется в данной статье.

Материалы и методы

Для построения схем геострофической циркуляции использовался исторический массив глубоководных океанографических станций, сформированный из данных, имеющихся в информационных центрах России, Японии, Южной Кореи и США, научно-исследовательские суда которых выполняли измерения температуры и солености в Японском море в период с 1925 по 2005 г. Данные проходили процедуру предварительного контроля, включающего исключение дублей в отдельных информационных массивах, а также удаление станций с недостоверной информацией. Общее количество привлеченных к анализу станций равно 133752. Среднемесячные значения температуры и солености вычислялись в центрах квадратов со стороной, равной 0,5о по широте и долготе. На первом этапе обработки производилась интерполяция произвольно расположенных в пределах квадрата станций в его центр, что позволяет исключить пространственную неоднородность. Временная изменчивость в пределах месяца исключалась путем приведения каждого измерения к середине месяца методом наименьших квадратов. Интерполяция в центры квадратов, не обеспеченных данными, производилась с помощью полиномов Лагранжа, а в исключительных случаях использовались вариационные методы. Подробно методика построения среднемесячных полей описана в опубликованной работе (Гонтов, Юрасов, 1985). Применение этой методики позволяет определить глубину проникновения сезонных колебаний и глубину отсутствия пространственной изменчивости в пределах всего моря. По полученным предложенным методом среднемесячным значениям температуры и солености вычисляется плотность, которая и является исходной при расчете геострофической циркуляции динамическим методом. В настоящее время расчет течений динамическим методом (Зубов, Мамаев, 1956), как и ранее, является наиболее распространенным в практике исследований течений как глубоководных, так и мелководных районов. Динамический метод интегрально учитывает влияние ветра и градиентных течений в той степени, в которой они вызывают изменения плотности, и дает основную часть установившегося геострофического течения, не учитывая лишь приливные, кратковременные ветровые и другие составляющие, к которым не успевает приспособиться поле плотности. В данной работе за отсчетную (нулевую) поверхность при расчетах течений выбран горизонт 1000 м.

Для анализа вихрей используются спутниковые инфракрасные и телевизионные изображения Японского моря за 1988-2002 гг., сформированные в базу данных на магнитных носителях. В эту базу включены данные ДВНИГМИ (г. Владивосток), УГКМС (г. Петропавловск-Камчатский и г. Южно-Сахалинск) и ДВ РЦПОД (г. Хабаровск). Также в информационный массив начиная с 1999 г. входят данные регулярного приема аналогичной информации Межинститутского центра спутникового мониторинга, организованного на базе ИАПУ ДВО РАН (г. Владивосток). Основные положения методики обработки спутниковых снимков опубликованы ранее (Булатов, 1984; Алексанин, Алексанина, 2006) и основаны на визуальном дешифрировании ИК-, ТВ-изображений совместно с анализом судовых и синоптических данных.

Результаты и их обсуждение

На рисунке приведены схемы поверхностных течений Японского моря, рассчитанные динамическим методом относительно отсчетной поверхности 1000 м, в виде изолиний динамических высот и масштабированных векторов скорости для характерных месяцев каждого из сезонов года. Кроме этого, показано положение квазистационарных антициклонических и циклонических вихрей, выяв-

ленных по данным анализа многолетних спутниковых наблюдений (Никитин и др., 2008; Юрасов, Яричин, 1991).

Май 0 м

Февраль 0 м

Ноябрь 0 м

Август 0 м

143127 129 131 133 135 137 139 141

Поверхностная циркуляция вод Японского моря в феврале, мае, августе и ноябре: круги — антициклонические вихри B, K1, K2 ...; Vk — циклонический круговорот

Geostrophic circulation at the Japan Sea surface in February, May, August, and November. Circles - anticyclonic eddies B, K1, K2 ...; Vk — cyclonic gyre

На схеме для зимы (февраль) поверхностная циркуляция в южной части моря (к югу от 40° с.ш.) представлена известными теплыми течениями (см. рисунок). В юго-восточной части моря, прилегающей к побережью о. Хонсю, от Корейского до Сангарского пролива распространяются со скоростями 10-20 см/с воды Цусимского течения. К сожалению, ветвь течения в непосредственной близости от побережья в масштабах заданной сетки не проявляется, что в равной мере является причиной отсутствия в северной части моря прибрежного Приморского течения. В западной части моря распространяются воды Восточно-Корейского течения, которые втекают в море через западный проход Корейского пролива и далее вдоль побережья Корейского полуострова распространяются к

268

северу. По мере своего продвижения воды течения образуют меандры, первый из которых проявляется в пределах 38-39° с.ш., где часть вод течения резко поворачивает на юго-восток, соединяясь в области около 37° с.ш. 132° в.д. с Цусимским течением, а также формируя антициклонический вихрь с центром на 37° с.ш. 130,5° в.д., обозначенный на рисунке как К1. На широте 40° с.ш. часть вод Восточно-Корейского течения направляется на восток к Сангарскому проливу. К этой струе в районе банки Ямато присоединяются остальные воды Цусимского течения. Другая часть вод Восточно-Корейского течения в виде антициклонического вихря-меандра В достигает 42° с.ш. в районе к юго-западу от зал. Петра Великого. Все ветви теплых течений соединяются у Сангарского пролива, и часть их покидает море, вытекая через пролив в Тихий океан, а оставшаяся вода распространяется к северу вдоль побережья о. Хоккайдо к прол. Лаперуза. В зоне конвергенции ветвей отмечаются максимальные скорости течений. К востоку от северного меандра Восточно-Корейского течения в северной части моря (к северу от 40° с.ш.) между 132 и 138о в.д. формируются два циклонических круговорота, больший из которых в широтном направлении распространяется до 43° с.ш. Далее к северу можно отметить обширный циклонический меандр в восточной части моря со значительными по величине скоростями течений. Формирование его обусловлено тем, что в зимний период сток вод через прол. Лаперуза отсутствует и поступающие в прибрежной зоне о. Хоккайдо воды из теплого сектора моря, достигая Татарского пролива, поворачивают к югу.

В мае (см. рисунок) в основном сохраняются особенности циркуляции, отмеченные для февраля. Первый антициклонический меандр Восточно-Корейского течения более выражен, чем в зимний период, и достигает 40° с.ш., а второй, более слабый, достигает прибрежных вод Приморья. Циклонический круговорот к северу от 41° с.ш. также ослаблен и представлен двумя циклоническими вихрями в области 133-137° в.д. Северная граница круговоротов ограничена 42° с.ш. Циклонический меандр в восточной части моря, к северу от 43° с.ш., выражен в незначительном по площади локальном районе к западу от о. Хоккайдо. Антициклонический вихрь К1 у побережья п-ова Корея с центром в координатах 37° с.ш. 130,5° в.д. выражен более отчетливо. Можно отметить, что в мае Приморское течение, направленное в юго-западном направлении, хорошо прослеживается, так как достаточно удалено от берега.

В августе (см. рисунок) на фоне практически повсеместного увеличения скоростей течений, связанного с большим притоком вод из Восточно-Китайского моря через Корейский пролив, система течений моря значительно изменяется. Лишь первый меандр Восточно-Корейского течения по сравнению с февралем и маем значительно ослаблен и с севера ограничен 38° с.ш. Как и в зимне-весенний сезоны, антициклонический вихрь К1 с центром в координатах 37° с.ш. 131° в.д. присутствует, хотя и в ослабленном виде. Исключая его, воды Восточно-Корейского и Цусимского течений от 40° с.ш. единым потоком распространяются в направлении Сангарского пролива. После сброса значительного объема через этот пролив в Тихий океан воды этих течений узким потоком следуют далее в направлении прол. Лаперуза. Часть северного потока поступает через прол. Ла-перуза в Охотское море, а оставшаяся часть образует две ветви, одна из которых после незначительного отклонения к западу поворачивает на восток к побережью о. Сахалин и Западно-Сахалинским (Юрасов, Яричин, 1991) течением вытекает через пролив. Другая ветвь, отклоняясь к западу, образует циклонический круговорот у побережья Приморья с центром в координатах 45° с.ш. 138° в.д. Западная огибающая этого круговорота представляет собой часть Приморского течения, которое в непосредственной близости к северо-западному материковому побережью моря распространяется в юго-западном направлении. К югу от зал. Петра Великого течение значительно усиливается и поворачивает к западу за счет притока вод от северного звена циклонического круговорота, располо-

женного к северу от 40° с.ш. Это участок течения, названный ранее (Юрасов, Яричин, 1991) Южно-Приморским, южнее переходит в Северо-Корейское, которое распространяется вдоль побережья п-ова Корея до 38° с.ш., где, встречаясь с водами Восточно-Корейского течения, формирует фронтальный раздел и локальный циклонический вихрь с центром в координатах 39° с.ш. 129,5° в.д.

На ноябрьской схеме (см. рисунок) Восточно-Корейское течение по мере своего движения в северном направлении вдоль побережья п-ова Корея разделяется на три ветви. Первая (восточная) ветвь на 39° с.ш. образует ярко выраженный антициклонический меандр, поворачивает в южном направлении и в координатах 37° с.ш. 133° в.д. соединяется с восточной ветвью Цусимского течения. Внутри меандра формируется антициклонический вихрь К1. Вторая (центральная) ветвь Восточно-Корейского течения поворачивает на 39-40° с.ш. строго на восток и у Сангарского пролива соединяется с Цусимском течением. Здесь же присоединяется третья ветвь, которая образует антициклонический вихрь-меандр В, достигающий прибрежных областей моря к юго-западу от зал. Петра Великого. Воды этого меандра распространяются в южном направлении, соединяясь со второй ветвью течения в координатах 41° с.ш. 132° в.д. Следует отметить, что в осенний сезон крупный циклонический круговорот, расположенный к северу от 40° с.ш., и Приморское течение, в отличие от остальных сезонов, не проявляются. В поле основных течений моря в осенний период отмечается ряд мезомасштабных меандров и вихрей, особенно хорошо выраженных на глубине 100 м (схема не приводится). Перечень этих образований включает: антициклонический вихрь К1 диаметром около 200 км, центр которого находится в координатах 37° с.ш. 131° в.д.; антициклонический вихрь N диаметром около 100 км с центром в координатах 37,5° с.ш. 135,5° в.д.; циклонический вихрь размером около 200 км с центром на 38,5° с.ш. 133,5° в.д.; антициклонический вихрь В диаметром около 100 км с центром на 41,5° с.ш. 131° в.д. и циклонические меандры у северного побережья п-ова Корея и к западу от о. Хоккайдо. Первый из указанных вихрей К1, как следует из изложенного выше, можно рассматривать как стационарный, так как он проявляется в течение всего года в одном и том же месте.

Заключение

Показано, что на фоне повсеместного увеличения скоростей течений, связанного с большим притоком вод из Восточно-Китайского моря через Корейский пролив, антициклонические вихри в Японском море испытывают значительную сезонную изменчивость, при этом максимальные скорости, диаметр вихрей и т.д. наблюдаются в летний период, в августе. Первый меандр по сравнению с февралем и маем значительно ослаблен и с севера ограничен 38° с.ш.

Антициклонические вихри привязаны к стационарным течениям, выявленным по геострофическим расчетам. Наиболее устойчивый антициклонический вихрь К1 диаметром около 200 км, центр которого находится в координатах 37° с.ш. 131° в.д., можно рассматривать как стационарный, так как он проявляется в течение всего года в одном и том же месте.

Выбранный масштаб осреднения данных многолетних судовых гидрологических наблюдений (полуградусная сетка) не позволяет выделять вихри меньших масштабов. Поэтому более мелкие вихри синоптического масштаба, выделенные по спутниковым данным, не могут быть определены на картах поверхностных течений.

Список литературы

Алексанин А.И., Алексанина М.Г. Мониторинг термических структур поверхности океана по данным ИК-канала спутников NOAA на примере Прикурильского района Тихого океана // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из

космоса. Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов. — М. : Азбука-2000, 2006. — Т. 2, вып. 3. — C. 9-15.

Булатов Н.В. Некоторые черты синоптической и межсезонной изменчивости в системе вод Куросио по данным метеорологических спутников Земли (1974) // Тр. ДВНИГМИ. — 1980. — Вып. 80. — С. 34-45.

Булатов Н.В. Рекомендации по использованию спутниковых ИК снимков в океанологических исследованиях. — Владивосток : ТИНРО, 1984. — 43 с.

Булатов Н.В., Луданник Л.А., Фукс В.Р. Мезомасштабное вихреобразование во фронтальной зоне Куросио (по данным метеорологических спутников Земли) // Вестн. ЛГУ. — 1978. — № 18. — C. 87-94.

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.

Гонтов Д.П., Юрасов Г.И. Методика построения среднемесячных полей гидрофизических характеристик // Океанологические исследования в Тихом океане. — Владивосток : ДВНЦ АН СССР, 1985. — С. 117-125.

Зубов Н.Н., Мамаев О.И. Динамический метод вычисления элементов морских течений. — Л. : Гидрометиздат, 1956.

Лобанов В.Б., Пономарев В.И., Салюк А.Н. и др. Структура и динамика синоптических вихрей северной части Японского моря // Дальневосточные моря России. Океанологические исследования. — М. : Наука, 2007. — C. 450-473.

Лучин В.А. Гидрология вод // Гидрометеорология и гидрохимия морей. Т. 8: Японское море, вып. 1. — 2003. — С. 157-256.

Никитин А.А., Данченков М.А., Лобанов В.Б., Юрасов Г.И. Новая схема поверхностной циркуляции Японского моря с учетом синоптических вихрей // Изв. ТИНРО. — 2009. — Т. 157. — С. 158-167.

Никитин А.А., Данченков М.А., Лобанов В.Б., Юрасов Г.И. Поверхностная циркуляция и синоптические вихри Японского моря // Современное состояние водных биоресурсов : мат-лы науч. конф., посвящ. 70-летию С.М. Коновалова. — Владивосток : ТИНРО-центр, 2008. — С. 601-604.

Никитин А.А., Лобанов В.Б., Данченков М.А. Возможные пути переноса субтропических вод в район Дальневосточного морского заповедника // Изв. ТИНРО. — 2002. — № 31. — C. 41-53.

Никитин А.А., Харченко А.М. Типизация термических структур в Японском море и некоторые элементы их изменчивости // Изв. ТИНРО. — 2002. — № 131. — C. 22-40.

Никитин А.А., Юрасов Г.И. Синоптические вихри Японского моря по спутниковым данным // Исслед. Земли из космоса. — 2008. — № 5. — C. 1-16.

Степанов В.Н. Общая характеристика гидрологии Японского моря // Основные черты геологии и гидрологии Японского моря. — М. : АН СССР, 1961. — С. 102-131.

Юрасов Г.И., Яричин В.Г. Течения Японского моря : монография. — Владивосток : ДВО РАН, 1991. — 190 с.

Яричин В.И. Состояние изученности циркуляции вод Японского моря // Тр. ДВНИГМИ. — 1980. — Вып. 80. — C. 46-61.

Danchenkov M.A., Nikitin A.A., Volkov Yu.N., Goncharenko I.A. Surface thermal fronts of the Japan Sea // Proc. CREAMS'97. — Fukuoka, 1997. — P. 75-80.

Ichiye T., Takano K. Mesoscale eddies in the Japan Sea // La Mer. — 1988. — Vol. 26, № 2. — P. 69-75.

Isoda Y. Warm eddy movements in the eastern Japan Sea // J. Oceanogr. — 1994. — Vol. 50, № 1. — P. 1-16.

Isoda Y., Saitoh S. The northward intruding eddy along the east coast of Korea // J. Oceanogr. — 1993. — Vol. 49. — P. 443-458.

Lobanov V.B., Danchenkov M.A., Nikitin A.A. On the role of mesoscale eddies in the Japan Sea water mass transport and modification // Oceanography. — 1998. — Vol. 11, № 2. — P. 46.

Ostrovskii A., Hiroe Y. The Japan Sea circulation as seen in satellite infrared imagery in Autumn 1993 // Proc. CREAMS'94. — Fukuoka, 1994. — P. 75-88.

Поступила в редакцию 1.03.11 г.