Сезонная изменчивость циркуляции вод северо-западной части Тихого океана

Океанология, климатология

Вестник ДВО РАН. 2010. № 1

УДК 551.465.632

Г.А.ВЛАСОВА, А.М.ПОЛЯКОВА, М.Н.ДЕМЕНОК

Сезонная изменчивость циркуляции вод северо-западной части Тихого океана

Приведены результаты расчетов интегральной циркуляции вод в северо-западной части Тихого океана на базе гидродинамической модели с учетом различных типов региональных атмосферных процессов («северозападный», «охотско-алеутский» и «циклоны над океаном»). На исследуемой акватории выявлены гидродинамические структуры, зависящие и не зависящие от атмосферной циркуляции. Показана сезонная изменчивость циркуляции вод, связанная с типом барических систем.

Ключевые слова: атмосферные процессы, циркуляция вод, вихри, гидродинамические структуры, северозападная часть Тихого океана.

Seasonal variability of water circulation in the NW Pacific. GA.VLASOVA, A.M.POLYAKOVA, M.N.DEMENOK (V.I.Il'ichev Pacific Oceanological Institute, FEB RAS, Vladivostok).

The results of calculations of integrated water circulation in the north-western Pacific on the basis of hydrodynami-cal model and taking into account various types of regional atmospheric processes (north-western, okhotsk-aleutian and «cyclones above ocean») are presented in the paper. Hydrodynamic structures dependent and independent of atmospheric circulation are revealed in the investigated area. Seasonal variability of water circulation depending on baric types is shown.

Key words: atmospheric processes, circulation of waters, whirlwinds, hydrodynamical structures, NW Pacific.

В северо-западной части Тихого океана наблюдается чрезвычайно сложная гидрологическая обстановка, обусловленная наличием двух круговоротов водных масс и двух крупнейших структур вод (субарктической и субтропической), разграниченных между собой зоной субарктического фронта. Кроме того, на структуру и динамику вод здесь влияют мощное западное пограничное течение Куросио и трансформированные воды дальневосточных морей, поступающие через проливы островных дуг. В силу этого данный регион является уникальной природной базой для изучения комплекса гидродинамических процессов, понимание которых необходимо для решения многих фундаментальных проблем океанологии и прикладных региональных задач. Здесь выполнен достаточно большой объем гидродинамических исследований, главным образом в районах крупнейших течений, среди которых особое внимание уделено Куросио [9, 14-17, 22, 25 и др.], но циркуляция вод, в частности ее синоптическая и сезонная изменчивость, изучены недостаточно.

Цель данной работы - исследование сезонных изменений системы течений на изучаемой акватории в 1949-2006 гг. с помощью методов численного моделирования. Его основы заложены в работах В.Б.Штокмана, А.С.Саркисяна, К.Брайена, Г.И.Марчука, В.М.Каменковича, П.С.Линейкина, В.П.Кочергина, А.И.Фельзенбаума, Г.Неймана, В.Ф.Козлова [1, 6-8, 10, 11, 13, 20, 23, 24 и др.], однако комплексных моделей, которые позволили бы охватить широкий спектр гидрометеорологических характеристик,

ВЛАСОВА Галина Александровна - кандидат географических наук, ведущий научный сотрудник, ПОЛЯКОВА Антонина Марковна - кандидат географических наук, ведущий научный сотрудник, ДЕМЕНОК Марианелла Николаевна - ведущий инженер (Тихоокеанский океанологический институт им. В.И.Ильичева ДВО РАН, Владивосток). E-mail: gavlasova@mail.ru

в настоящее время нет. Используются разные подходы, один из которых реализуется в настоящей работе. Участок исследований ограничен координатами 20-50° с.ш., 146-180° в.д.

Предлагаемый подход состоит в численном моделировании циркуляции вод под воздействием различных типов атмосферной циркуляции [19]. При типизации атмосферных процессов использованы ежедневные данные приземных синоптических карт полей атмосферного давления над северной частью Тихого океана за 1949-2006 гг. (другие типизации не имеют такого длительного ряда наблюдений [5, 21 и др.]). В основу положена пространственно-временная изменчивость динамики траекторий циклонов и квазистационарность расположения антициклонов над всей акваторией северной половины Тихого океана с прилегающими морями и прибрежными частями Азиатского и СевероАмериканского материков. Все многообразие атмосферных ситуаций сгруппировано в шесть типов барических полей [19]. В данной работе использовали три из них, наиболее активно проявляющиеся над изучаемой акваторией: северо-западный (СЗ), охотско-але-утский (ОА) и «циклоны над океаном» (Цн). Задействована гидродинамическая модель [2, 18, 23], в рамках которой рассчитаны интегральные функции тока от поверхности до дна (полные потоки).

Понятие интегральной функции тока, или функции полных потоков, в общую теорию морских течений впервые ввел В.Б.Штокман [24]. Эта идея, развитая в трудах Х.Свердрупа [27] и В.Манка [26], состоит в отказе от изучения течений в глубоком море по отдельным горизонтам и переходе к изучению полных потоков путем интегрирования уравнений горизонтального движения по вертикальной координате с учетом тангенциального напряжения ветра на поверхности. Эти условия для бездивергентных полных потоков позволяют ввести интегральную функцию тока таким образом, что после интегрирования двумерных уравнений в частных производных относительно интегральной функции тока трехмерное поле скоростей рассчитывается по явным формулам. А.И.Фельзенбаумом был предложен новый метод расчета циркуляции вод, связанный с использованием упомянутой интегральной функции тока [23]. Все модели, основанные на использовании этой функции, имеют простые естественные граничные условия по контуру моря, позволяющие учитывать водный бюджет рассматриваемой области, включая водообмен через проливы, осадки и испарение, а также р-эффект и рельеф дна.

Дальнейшие разработки в этом направлении связаны с привлечением так называемого принципа автомодельности, или «подобия вертикального распределения», при котором учитывается реальное пространственное распределение плотности (поскольку плотность воды обладает природной автомодельностью). Впервые на этот факт обратили внимание В.Б.Штокман [24], А.И.Фельзенбаум [23], В.Ф.Козлов [7], П.С.Линейкин [10], А.С.Монин [12].

Одной из многочисленных модельных разработок, базирующихся на использовании интегральной функции тока и принципа автомодельности, является гидродинамическая модель А.С.Васильева [2, 18], применяемая нами. Главное отличие данной модели от других - введение некоторых функций автомодельности, связанных с реальной стратификацией водной среды и зависящих только от пространственных координат и времени. К определению этих функций сводится задача вычисления пространственно-временного распределения параметров морской системы, прежде всего температуры и плотности воды. Плотность может быть описана моделью, определяемой по данным прямых наблюдений в океане на какой-либо характерной станции. В данном случае при использовании моделей температуры и плотности задача определения основных физических полей в четырехмерном пространстве сводится к решению плоской системы уравнений методом минимальных невязок Г.И.Марчука [11], применяемым для каждого из уравнений в общем итерационном процессе. В результате решения этой задачи на каждом шаге итерации по явным соотношениям, полученным путем интегрирования по вертикальной координате исходных уравнений, рассчитываются составляющие скорости течения, уровень моря,

распределение температуры, глубина однородного слоя и плотность морской воды. Распределение солености вычисляется из уравнения состояния.

Модель длительное время используется в режиме мониторинга при изучении процессов изменчивости гидродинамических параметров синоптического масштаба в различных районах Мирового океана. В большинстве случаев она описывала физические процессы, известные из наблюдений. Это позволило перейти к более широкому анализу гидродинамических характеристик.

Входной информацией для расчетов интегральной циркуляции вод послужили полученные в бюро погоды Приморского управления гидрометслужбы ежедневные данные (с интервалом в 6 ч) приземных синоптических карт полей атмосферного давления за 1949-2006 гг., соответствующие определенному типу атмосферных процессов; архив GDEM (Generalized Digital Environmental Model) - массив среднемесячных данных по поверхностной температуре и солености в узлах сетки 1 х 1° за весь исторический период наблюдений; банк экспедиционных данных ТОИ ДВО РАН «Океан-2» за 1970-1990 гг. по температуре и солености, на основе которых рассчитывалось реальное вертикальное распределение плотности.

Значения глубин морского дна взяты из массива ЕТОРО-5. Для расчетов использовалась сетка 1 х 1°, при формировании которой вся информация, поступающая на вход, обрабатывалась методом интерполяции в режиме Surfer (Kriging).

По результатам расчетов построены карты интегральной циркуляции вод для вышеуказанных типов атмосферной циркуляции. С помощью расчетов интегральных функций тока, выполненных с учетом особенностей типов атмосферной циркуляции, удалось подтвердить существование гидродинамических структур, не зависящих от синоптических процессов, а также выявить гидродинамические структуры, зависящие от типов атмосферной циркуляции. Расчеты проводились для СЗ и ОА типов - в течение года, для Цн типа - в январе, феврале и с сентября по декабрь включительно.

Не зависящие от синоптических процессов гидродинамические структуры обнаружены в трех районах с ярко выраженной антициклонической и в двух - с циклонической деятельностью [4] (см. рис. 2, 3). Участок, где обнаружен первый антициклонический вихрь, ограничен координатами 36-2° с.ш. и 145-154° в.д., что совпадает с данными работ [16, 17, 22]. Он находится в зоне субарктического фронта, в пределах главного меандра Куро-сио, чья вершина располагается на 38° с.ш., а граница проходит примерно по меридиану 146° в.д. Второй подобный вихрь, ограниченный координатами 27-33° с.ш. и 157-163° в.д., также наблюдается в зоне Куросио, на участке, где уже была обнаружена подобная гидродинамическая структура [9]. Третий антициклонический вихрь, ограниченный координатами 40-2° с.ш. и 176-80° в.д., видимо, находится за пределами Куросио и приурочен к теплому Северо-Тихоокеанскому течению [3].

Из выделенных нами циклонических вихрей первый расположен на участке с координатами 33-6° с.ш. и 148-56° в.д. Как оказалось, пространственно он совпадает с уже известным аналогичным вихрем, центр которого имеет координаты 36° с.ш., 143-154° в.д. [9]. Указанная структура сформировалась на северной периферии Куросио, где превалируют холодные воды субарктического происхождения. Второй циклонический вихрь ограничен координатами 22-7° с.ш. и 158-66° в.д. и также совпадает с ранее выделенной подобной гидродинамической структурой [9, 15]. Последняя расположена на участке изгиба меандра Куросио южнее 30° с.ш., в районе 160° в.д.

По нашему мнению, формирование гидродинамических структур, не зависящих от состояния атмосферных процессов, обусловлено постоянным интенсивным воздействием теплых и холодных водных масс, которые генерируются стационарными течениями исследуемого региона [3, 4].

Пространственно-временное распределение гидродинамических структур, зависящих от типов атмосферной циркуляции, имеет свои особенности.

При северо-западном типе атмосферной циркуляции основные траектории циклонов располагаются в северо-западной части Тихого океана, от Японских островов до алеутской депрессии (рис. 1). Что касается антициклонов, то один из них находится над Дальним Востоком, а другой - к юго-востоку от 120-175° в.д. Этот тип атмосферной циркуляции наблюдается в течение всего года, однако имеет ярко выраженный сезонный ход: зимой и осенью его интенсивность очень велика (циклоны достигают исключительной глубины - до 950 ГПа, их радиус возрастает до >1000 миль), летом же она резко падает, глубина циклонов снижается до <1000 гПа, радиус уменьшается до <150 миль (рис. 1а).

Под воздействием указанного типа атмосферной циркуляции в водной среде возникает сложная «мозаика» вихревых образований различных масштаба и знака (рис. 2). Осенью

и зимой практически вся акватория охвачена циклоническим движением вод, что объясняется интенсивно развитым над ней в этот период обширным циклоническим атмосферным вихрем. Однако там, где господствуют теплые течения (Куросио и Северо-Тихоокеанское), ярко выражены антициклонические вихревые образования (рис. 2), причем интегральные расходы воды в некоторых районах этих течений достигают 40 Св.

Весной мелкие циклонические вихри локальной цепочкой вытягиваются в меридиональном направлении, приблизительно между 165-170° в.д., вдоль Императорского хребта и объединяются в слабо выраженный циклонический круговорот вод. Указанные выше антициклонические структуры еще существуют, однако проявляются не так отчетливо, как осенью и зимой, что, безусловно, связано с весенней перестройкой атмосферной циркуляции СЗ типа, которая в этот период ослабевает.

Летом циклонические круговороты размываются и вытягиваются в широтном направлении - вероятно, атмосферные циклоны в этот период также слабо развиты;

Рис. 1. Типы атмосферной циркуляции северо-западной части Тихого океана (по А.М.Поляковой [18]): а - северо-западный, б - охотско-але-утский, в - широтно-алеутский. Сплошная линия - основные траектории циклонов, пунктир - направление переноса воздушных масс

кроме того, температура воды в зоне основной струи Куросио, как теплового генератора, повышается, и температурный фон на значительной акватории выравнивается.

Охотско-алеутский тип атмосферной циркуляции представляет собой систему двух барических депрессий - охотской и алеутской, действием которых определяются основные траектории циклонов (рис. 1).

Охотская депрессия - это система циклонов, вращающихся вокруг некоторого условного квазистационарного центра над акваторией Охотского моря; может быть исключительно обширной, особенно в холодное время года (от 20 до 60° с.ш.). Глубина циклонов 950-1005 ГПа. Алеутская депрессия располагается вблизи побережья Северной Америки. Циклоны, которые входят в эту депрессию, вращаются вокруг квазистационарного центра над зал. Аляска. Траектории отдельных из них отличаются сложностью и изменчивостью во времени.

Высокое барическое поле при ОА типе атмосферной циркуляции характеризуется наличием обширного антициклона, занимающего всю центральную часть северной половины Тихого океана. В виде мощного «гребня», расположенного между обеими вышеуказанными депрессиями, он распространяется на акваторию Берингова моря и Северный Ледовитый океан.

Данный тип атмосферной циркуляции наблюдается в течение всего года, но имеет сезонный ход интенсивности: максимальной она бывает зимой, несколько меньше осенью, еще слабее весной и с очень вялыми процессами летом.

В условиях ОА типа атмосферной циркуляции общая схема течений остается в основном такой же, как и при СЗ типе (рис. 3а, б). Однако существуют и некоторые различия. Так, на месте ярко выраженной ветви Куросио наблюдается только ряд

Рис. 2. Интегральные функции тока (Св) для северо-западной части Тихого океана при СЗ типе атмосферной циркуляции

локальных разорванных антициклонических вихреи, которые расположены в пределах некоторого пространственного эллипса (25-45° с.ш., 150-170° в.д.). Вероятно, при ОА типе под воздействием ОхотскоИ депрессии формируются устойчивые и сильные ветры южных румбов, которые разрывают единую антициклоническую систему. Еще одна отличительная особенность ОА типа атмосферной циркуляции - отсутствие в северо-восточной части исследуемого региона в течение всех периодов года антициклонического вихря, за существование которого «отвечает» Северотихоокеанское течение. Это объясняется тем, что над акваторией указанного течения в атмосфере господствует гребень высокого давления, перекрывающий широтное перемещение воздушных и, соответственно, водных масс.

Сезонный ход течений представлен следующим образом. Зимой мощный антициклонический вихрь в южной части акватории распадается на более локальные вихри. Весной циклонический круговорот, вытянутый в меридиональном направлении вдоль Императорского хребта, выше 30° с.ш. сужается, тем самым расширяя пространственное распространение теплых вод. Летом количество антициклонических вихрей значительно возрастает и их интенсивность усиливается. В целом в течение года антициклонические структуры не размываются, а сохраняют свою индивидуальность. Вероятно, это объясняется тем, что при данном типе атмосферных процессов происходит активное наступление высокого барического поля с юга на север. Все гидродинамические структуры четко выражены зимой, что соответствует интенсивности проявления рассматриваемого типа атмосферной циркуляции в данный период.

Тип атмосферной циркуляции «циклоны над океаном» характеризуется наличием над северной частью Тихого океана преимущественно циклонических образований, траектории которых очень „ , „ , ,„ ч „ разнообразны (рис. 1). Он отли-

Рис. 3. Интегральные функции тока (Св) для северо-западной г г /

части Тихого океана при ОА (а, б) и Цн (в) типах атмосферной чается сложНЫм наб°р°м траек-

циркуляции торий многочисленных циклонов,

которые не поддаются классификации и не имеют закономерности в пространственном расположении. Глубина циклонов может быть различной - от 1000 до 950 ГПа. Антициклоны встречаются редко в виде отдельных ядер, не обладают устойчивостью во времени и пространстве. Цн тип наблюдается в течение всего года, но преобладает в холодное время, имеет большую повторяемость и непрерывную продолжительность действия (до 2-3 мес) (рис. 1).

Под воздействием атмосферной циркуляции Цн преобладает активная циклоническая деятельность, что вполне естественно для данного типа барических образований, так как над всей северной частью Тихого океана наблюдается подвижная система циклонических вихрей (рис. 3в). Однако на этом фоне четко прослеживаются все вышеотмеченные антициклонические структуры, что говорит о стационарности их очагов, возникших под влиянием теплых течений Куросио и Северо-Тихоокеанское.

Сравнение результатов выполненного нами моделирования с данными экспедиционных исследований [14] показало, что теоретические оценки параметров циркуляции вод превышают экспериментальные приблизительно в 1,5 раза; это находится в пределах допустимого.

Таким образом, путем моделирования выявлены следующие закономерности циркуляции вод в северо-западной части Тихого океана в 1949-2006 гг.:

1. Подтверждена квазиустойчивость основной схемы течений региона, не зависящая от характера атмосферной циркуляции.

2. Показана зависимость циркуляции вод от характера барических образований, формирующихся над поверхностью океана, а именно: а) под воздействием СЗ типа атмосферной циркуляции возникает система вихреобразования, которая в зависимости от сезона приобретает либо преимущественно циклонический (осень-зима), либо преимущественно антициклонический характер движения вод (лето). Это связано с различной интенсивностью проявления данного типа атмосферных процессов; что касается климатического аспекта, то при данном типе циркуляции зимой и летом исследуемая акватория теплее; б) в условиях ОА типа атмосферной циркуляции превалирует антициклоническое движение вод. Это объясняется наступлением теплого барического поля с юга. Таким образом, при данном типе зимой - холоднее, летом - теплее; в) под воздействием атмосферной циркуляции типа Цн в зимний сезон преобладает циклоническое движение водных масс, что соответствует характеру рассматриваемого типа барических образований. В результате при данном типе зимой акватория значительно теплее.

ЛИТЕРАТУРА

1. Брайен К., Кокс М. Численное исследование общей океанической циркуляции // Теория климата. Л.: ГМИ, 1967. С. 342-377.

2. Васильев А.С. Автомодельность второго рода и мониторинг основных физических полей океана // Докл. АН. 1993. Вып. 328, № 5. С. 613-618.

3. Власова Г.А., Полякова А.М. Активная энергетическая зона океана и атмосферы северо-западной части Тихого океана. Владивосток: Дальнаука, 2004. 146 с.

4. Власова Г.А., Полякова А.М. Температура поверхности океана как индикатор термодинамических процессов на примере северо-западной части Тихого океана // Морской гидрофиз. журн. НАН, МГИ (Украина). 2004. № 5. С. 45-52.

5. Глебова С.Ю. Типы атмосферных процессов над дальневосточными морями, межгодовая изменчивость их повторяемости и сопряженность // Изв. ТИНРО. 2003. Т. 134. С. 209-257.

6. Каменкович В.М. Основы динамики океана. Л.: ГМИ, 1973. 240 с.

7. Козлов В.Ф. О геострофических течениях // Океанология. 1966. Т. 6, № 2. С. 208-216.

8. Кочергин В.П. Теория и методы расчета океанских течений. М.: Наука, 1978. 130 с.

9. Куросио и прилегающие районы Тихого океана. 1972. 210 с. (Тр. ГОИН; вып. 106).

10. Линейкин П.С. Гидродинамика океанских течений. Обнинск, 1969. 55 с.

11. Марчук Г.И. О нелинейных задачах океанической циркуляции // Докл. АН. 1967. Вып. 176, № 1. С. 80-83.

12. Монин А.С., Нейман В.Г., Филюшкин В.Н. О стратификации плотности в океане // Докл. АН. 1970. Т. 191, № 6. С. 1277-1279.

13. Нейман Г. Океанские течения. Л.: ГМИ, 1973. 257 с.

14. Нелезин А.Д., Манько А.Н. Изменчивость термодинамической структуры вод северо-западной части Тихого океана. Владивосток: Изд-во Дальневост. ун-та, 1999. 127 с.

15. Нелепо Б.А., Булгаков Н.П., Блатов А.С., Иванов В.А., Косарев А.Н., Тужилкин В.С. Классификация и распространение синоптических вихревых образований в Мировом океане. Препр. БЯ № 09556 / Мор. гидрофиз. ин-т АН УССР. Севастополь, 1984. 40 с.

16. Новожилов В.Н. Положение и строение южного субарктического фронта северо-западной части Тихого океана осенью 1976 г. // Гидрофиз. исследования в северо-западной части Тихого океана. Владивосток: ДВНЦ АН СССР, 1978. С. 6-12.

17. Покудов В.В., Вельяотс К.О. Перенос вод и тепла течением Куросио в зимний период // Тр. ДВНИГМИ. 1974. Вып. 45. С. 87-96.

18. Полякова А.М., Власова Г.А., Васильев А.С. Влияние атмосферы на подстилающую поверхность и гидродинамические процессы Берингова моря. Владивосток: Дальнаука, 2002. 203 с.

19. Полякова А.М. Календарь типов атмосферной циркуляции с учетом нестационарности над северной частью Тихого океана и их краткая характеристика. Владивосток: Изд-во Дальневост. ун-та, 1999. 116 с.

20. Саркисян А.С., Сеидов Д.Г., Семенов Е.В. Численная модель океанических течений синоптического масштаба // Океанология. 1978. Т. 18, № 1. С. 5-10.

21. Соркина А. И. Типы атмосферной циркуляции и связанных с ней ветровых полей над северной частью Тихого океана. М.: Гидрометеоиздат, 1963. 248 с.

22. Субарктический фронт северо-западной части Тихого океана. Владивосток: ТОИ ДВО АН СССР, 1972. 133 с.

23. Фельзенбаум А.И. Динамика морских течений // Гидродинамика. М., 1970. С. 99-338. (Итоги науки, Механика / ВИНИТИ; № 6176).

24. Штокман В. Б. Уравнения поля полных потоков, возбуждаемых ветром в неоднородном море // Докл. АН. 1946. Т. 54, № 5. С. 407-410.

25. Kawabe M. Variations of current path, velocity, and volume transport of the Kuroshio in relation with the large meander // J. Phys. Oceanogr. 1995. Vol. 25, N 12. Р. 3103-3117.

26. Munk W.H. On the wind-driven ocean circulation // J. Met. 1950. Vol. 7, N 2. Р. 79-93.

27. Sverdrup H.U. Wind-driven currents in a baroclinic ocean, with application to the equatorial currents of the eastern Pacific // Proc. Nat. Acad. Sci. USA. 1947. Vol. 33, N 11. Р. 318-328.