Роль мезомасштабных вихрей в динамике Камчатского и Аляскинского течений

2006

Известия ТИНРО

Том 145

УДК 551.465.535

К.А.Рогачев, Н.В.Шлык

РОЛЬ МЕЗОМАСШТАБНЫХ ВИХРЕЙ В ДИНАМИКЕ КАМЧАТСКОГО И АЛЯСКИНСКОГО ТЕЧЕНИЙ

На основе многолетних океанографических наблюдений (данных буев Арго и судовых СТД-съемок) показано значительное повышение температуры (~ 1 0C) промежуточных слоев в области Камчатского течения. Самые низкие значения температуры промежуточных слоев наблюдались в 1990 г. Парадокс заключается в том, что перенос холодных вод Камчатского течения в 1990 г. был минимальным. Установлено, что большие антициклонические вихри Аляскинского течения играют важную роль в динамике западного субарктического круговорота и Камчатского течения. Такие вихри движутся от места своего отделения в Аляскинском течении на запад и переносят теплую воду (~ 4,2 0C) в своем ядре (200600 м). Этим теплым ядром они отличаются от вихрей Камчатского течения, которые имеют холодное ядро (< 0,2 0C) и переносят холодную воду из Берингова моря. Перенос массы воды одним вихрем Аляскинского течения может достигать 2,5 • 106 т с-1, что на порядок больше, чем перенос вихрем Камчатского течения, и сравнимо с переносом воды Камчатским течением. Поэтому перенос массы и тепла вихрями Аляскинского течения является важным процессом, определяющим рост температуры в области Камчатского течения.

Rogachev K.A., Shlyk N.V. Role of mesoscale eddies in dynamics of the Kamchatka Current and Alaskan Stream // Izv. TINRO. — 2006. — Vol. 145. — P. 228-234.

Dynamics of the waters off Kamchatka are very important for the North Pacific circulation. The Alaskan Stream, flowing along the Aleutian Islands, is peculiar by large anticyclonic eddies with the diameter up to 300 km. These eddies propagate westward with the velocity about 1.2 km/day and transport warm saline waters to the west. The warm core at the depth 200-600 m is a distinctive feature of the Alaskan Stream eddies, in opposite to the eddies of the Kamchatka Current with a cold core. The warm-water link between eastern and western parts of the North Pacific is likely to have strong affect on the Kamchatka Current and Oyashio conditions.

The Alaskan Stream eddies are so large that their volume is comparable with the volume of the inflow through the Near Strait and the total transport of the Kamchatka Current. The number, size, and route of these eddies had changed prominently in 1991-2005. There was no any large eddy of the Alaskan Stream westward from the Near Strait in 1994-1995. Later the eddies fed the Kamchatka Current by relatively warm water that caused a tendency of temperature increasing, which couldn't be explained by the changes in Bering Sea.

Камчатское течение и его продолжение — Ойясио — являются пограничными течениями западного субарктического круговорота. Аляскинское течение — это северное пограничное течение, которое питает Камчатское течение. Воды Камчатского течения, выходящие из Камчатского пролива, балансируют поток вод Аляскинского течения в Берингово море (Ohtani, 1970; Reid, 1973). Эти погранич-

228

ные течения содержат мезомасштабные вихри разного размера (Булатов, Лобанов, 1983; Храпченков, 1987). Вихри Куросио с теплым ядром достигают прол. Буссоль и переносят теплую и соленую воду на север. Вихри меньшего размера в Камчатском течении переносят холодную воду (< 0,2 0C) в своем ядре из Берингова моря (Рогачев, Горин, 2004). Два смежных течения — Ойясио и Камчатское — содержат две разных системы антициклонических вихрей.

Наблюдения, выполненные в период с 1990 по 2005 г., показали значительные вариации термохалинных характеристик Ойясио, Камчатского и Аляскинского течений (Rogachev, 2000a). Эти изменения согласуются с похожими процессами на северной границе субарктического круговорота (Stabeno, Reed, 1992; Reed et al., 1993; Reed, Stabeno, 1993; Qiu, 2002), что указывает на аномалию циркуляции всего западного субарктического круговорота. Наблюдения, выполненные в 1990 г., показали самую низкую температуру промежуточных слоев у южной Камчатки и северных Курильских островов, которая, насколько нам известно, когда-либо наблюдалась в регионе. Новые данные, полученные с помощью буев Арго* в 2004-2005 г., а также СТД-съемка 2005 г.** показали значительный рост температуры холодного и теплого промежуточных слоев Камчатского течения. В настоящей работе предпринята попытка понять причину увеличения температуры в области Камчатского течения и определить роль мезомасштабных вихрей Аляскинского течения в его динамике.

До сих пор считалось, что перенос вод Камчатским течением является единственным источником теплых промежуточных вод (200-500 дбар) в области к юго-востоку от Камчатки. В настоящей работе показано, что большие антициклонические вихри Аляскинского течения (~ 300 км в диаметре) переносят теплую воду (~ 4,2 0C) в своем ядре с востока на запад вплоть до 1610 в.д. Перенос массы вихрем Камчатского течения на порядок меньше переноса вихрем Аляскинского течения, прежде всего из-за меньшего размера.

В работе использованы доступные нам СТД-данные вместе с наблюдениями, полученными буями Арго. Буи свободно дрейфуют в океане на парковоч-ной глубине (1000 дбар) и регулярно зондируют толщу океана (верхние 10002000 м). В настоящей работе использовано около 3000 гидрологических станций, собранных за период с 1966 по 2005 г., и данные буев Арго за период с 1998 по 2005 г. (рис. 1). Аномалии уровня моря (www.argo.colorado.edu) использованы для определения положения вихрей Аляскинского течения.

Изменение термохалинных характеристик

Новые данные указывают на заметный рост температуры и солености промежуточных слоев в области Камчатского течения и Ойясио в 2004-2005 гг. (рис. 2). Эти изменения хорошо выразились в повышении температуры холодного слоя (~ 1 °C) на изопикне сигма-тета 26,6. Температура теплого слоя также выросла на 0,4 °С (рис. 2, изопикны сигма-тета 26,9-27,0). Температура теплого промежуточного слоя (200-300 дбар) в 2004 г. превышала 3,8 0С на 1560 в.д., (рис. 2) и была больше 4 0С на 1630 в.д. Температура этого же слоя в 1990 г. была ниже на 0,4 0С. Доступные нам наблюдения показывают, что заметные изменения циркуляции вод в регионе происходили также в период с 1990 по 1998 г. Они проявились в усилении потока вод через Камчатский пролив, повышении уровня моря в Петропавловске, относительном усилении прибрежной ветви Ой-ясио (Roga^ev, 2000b; Рогачев, Шлык, 2005).

* Данные буев Арго были собраны и стали доступны благодаря проекту Корио-лис http://www.coriolis.eu.org.

** Данные собраны А.Ворониным (ТОЙ ДВО РАН) и любезно предоставлены для настоящего исследования.

140°Е 150°Е 160°Е 170°Е 180°Е

Рис. 1. Станции, вошедшие в коллекцию использованных данных. Черные кружки — СТД-наблюдения, белые — буи Арго

Fig. 1. Data used in the study. Closed circles are CTD stations, open circles are Argo buoys stations

Геострофический перенос вод Камчатским течением в разные годы также испытывал значительные вариации. Самые низкие значения наблюдались в 1990 г. В августе 1990 г. геострофический перенос вод Камчатским течением составил 1,4 Св (Свердрупов, или 106 м3 с-1), на 55,5° с.ш. (см. таблицу) и 2,4 Св на 54° с.ш. относительно 1000 дбар. Для сравнения укажем, что перенос вод Камчатским течением по данным экспедиции «Арго» в 1966 г. составил около 14,8 Св на разрезе по 55° с.ш. (Ohtani, 1970; Reid, 1973). Однако значительная величина переноса связана с положением западной станции разреза в центре антициклонического вихря Камчатского течения.

Перенос воды Камчатским течением в разные годы Kamchatka Current volume transport in different years

Судно, институт Год Месяц Широта, 0N Перенос, Св

Арго, СИО 1966 Март 55,5 14,8/1000 дбар

Ак. А.Виноградов 1990 Август 55,5 1,4/1000 дбар

Ак. А.Виноградов 1990 Август 54,0 2,4/1000 дбар

Миллер Фриман, НОАА 1991 Август 56,0 6,8/1000 дбар

НОАА 1992 Август 55,0 6,4/1000 дбар

НОАА 1992 Август 54,0 17,0/3700 дбар

Антицикл. вихрь, НОАА 1992 Август 51,5 3,0/1000 дбар

Субарктическое течение, НОАА 1992 Август 18,0/3700 дбар

Камчатское течение, буй Арго 2003 Март 55,5 8,9/1000 дбар

Роль антициклонических вихрей

Антициклонические вихри с холодным ядром (с температурой ~ 0,2 0С на уровне 100 дбар) являются основной особенностью Камчатского течения. Они

Рис. 2. TS-диаграммы (а, б) для района Камчатского течения (в, г). Точки — положение станций. Тонкими горизонтальными линиями на TS-диаграммах показан рост температуры холодного и теплого промежуточных слоев в 2004 и 2005 гг. по сравнению с 1990 г.

Fig. 2. Increase of temperature in the cold and warm intermediate layers in 2004 and 2005 in comparison with 1990

переносят холодную воду в своем ядре из Берингова моря (Рогачев, Горин, 2004). Если вихрь рассматривается как параболоид радиусом R и глубиной й, его объем будет V = п^й/2. Приняв радиус вихря 40 км и глубину 1,5 км, получим объем 0,38 • 1013 м3. Перенос воды таким вихрем составляет около 0,12 • 106 м3 с-1 , что более чем на порядок меньше переноса вихрем Аляскинского течения.

Аляскинское течение переносит теплую воду (~ 3,5-4,0 0С) в промежуточных слоях (200-500 дбар). До сих пор считалось, что этот перенос является единственным источником теплых промежуточных вод, поступающих в область Ойясио и Камчатского течения. Роль вихрей Аляскинского течения в динамике западного субарктического круговорота ранее не рассматривалась. Наблюдения, приведенные в настоящем сообщении, показывают, что большие антициклонические вихри Аляскинского течения (~ 300 км в диаметре) переносят теплую воду (~ 4 0С) в своем ядре с востока на запад вплоть до 1610 в.д., т.е. в область Камчатского течения. Например, система таких вихрей в 2002-2004 гг. состояла из трех больших антициклонов (~ 300 км диаметром). Вихри Аляскинского

течения движутся со скоростью около 1,2 км в день на запад. Приняв радиус вихря 160 км и глубину 2 км, получим объем 8 - 1013 м3. Перенос массы воды одним вихрем Аляскинского течения тогда будет составлять значительную величину (~ 2,5 - 106 т с-1). Этот перенос сравним с переносом Аляскинского течения в Берингово море через проливы Ближний или Амчитка и поэтому важен для переноса тепла и массы в западной Субарктике.

Можно выделить два пути распространения вихрей Аляскинского течения — северный и южный (рис. 3). Вихри, которые движутся по южному пути, отделяются от Аляскинского течения. В качестве примера на рис. 4 показаны разрезы температуры через вихрь Аляскинского течения А04, который отделился от течения в 2004 г. Вихрь А95 двигался по северному пути и не отделился от течения. Этот вихрь оказал существенное влияние на прибрежный уровень и перенос вод Камчатским течением в 1997-1998 гг. (Рогачев, Шлык, 2005). Поэтому мы полагаем, что антициклонические вихри пограничных течений играют важную роль в переносе теплой воды и определяют аномалии температуры промежуточных слоев. Роль вихрей Аляскинского течения в переносе массы, тепла и соли ранее недооценивалась.

Рис. 3. Траектории вихрей Аляскинского течения, определенные по данным буев Арго и аномалиям уровня моря. Буквы N, S показывают северный и южный пути аляскинских вихрей. Дата у траектории указывает время образования и конечную точку вихрей

Fig. 3. Alaskan eddies tracks determined from the altimetry and Argo drifters data

Вихри Аляскинского течения, так же как вихри Куросио, переносят теплую воду в своем ядре. Однако между ними имеются существенные различия. Во-первых, они различаются своими размерами и поэтому своей ролью в переносе массы. Во-вторых, вихри Куросио вытягивают теплую воду из промежуточных слоев Куросио к поверхности (Rogachev, Goryachev, 1991). Вихри Аляскинского течения, наоборот, переносят теплую воду в промежуточные слои.

Можно сделать вывод, что наблюдения 2004-2005 гг. показали значительный рост температуры в промежуточных слоях Камчатского течения и Ойясио. Эти изменения выразились в повышении температуры и солености теплого и

156*Е 159'Е 162°Е 165'Е 168°Е 171 'Е 174'Е 156'Е 159"Е 162"Е 165*Е 168"Е 17ГЕ 174'Е

54'N

51 *N

48'N

156*Е 159'Е 162'Е 165'Е 168'Е 171'Е 174*Е

174'Е

ю

СО

со

Температурах

Температура°С

Рис. 4. Разрезы температуры (ХВТ-станции, центр данных Кориолис) через антициклонический вихрь Аляскинского течения с теплым ядром А04. Показаны также положение станций разреза и аномалии уровня (см, данные университета Колорадо). Вихрь двигался на запад со скоростью около 1,2 км / день

Fig. 4. XBT sections across the Alaskan eddy A04. Eddy moved westward with a speed of ~ 1.2 km/day

165E 166E 167E 168E 169E 170E 171°E

160 162 164 166

168

170°E

холодного промежуточных слоев Субарктики. В этот же период в регионе происходили заметные изменения циркуляции и термохалинных характеристик Камчатского течения. Большие антициклонические вихри Аляскинского течения играют важную роль в переносе основных физических свойств в западной Субарктике Тихого океана. Ранее роль таких вихрей в переносе тепла не рассматривалась. Значение Камчатского течения в переносе вод Аляскинского течения к юго-востоку от Камчатки может быть гораздо меньше, чем считалось прежде.

Литература

Булатов Н.В., Лобанов В.Б. Исследование мезомасштабных вихрей восточнее Курильских островов по данным метеорологических спутников Земли // Исследование Земли из космоса. — 1983. — № 3. — С. 40-47.

Рогачев К.А., Горин И.И. Перенос массы и долговременная эволюция вихрей Камчатского течения // Океанол. — 2004. — Т. 44, № 1. — С. 15-21.

Рогачев К.А., Лобанов В.Б. Быстрая изменчивость структуры западных пограничных течений субарктики Тихого океана: 10 лет наблюдений за вихрями Ойясио // Докл. РАН. — 2001. — Т. 378, № 5. — С. 681-685.

Рогачев К.А., Шлык Н.В. Многолетние изменения вихря ветра и уровень моря в Камчатском течении // Океанол. — 2005. — Т. 45, № 3. — С. 339-348.

Храпченков Ф.Ф. Исследование вихрей у побережья Камчатки летом 1985 г. // Океанол. — 1987. — Т. 27, № 3. — С. 391-396.

Ohtani K. Relative transport in the Alaskan Stream in winter // J. of Oceanograph. Society of Japan. — 1970. — № 26. — P. 271-282.

Qiu B. Large-scale variability in the midlatitude subtropical and subpolar North Pacific Ocean: Observations and causes // J. of Physical Oceanography. — 2002. — Vol. 32, № 1. — P. 353-375.

Reed R.K., Khen G.V., Stabeno P.J., Vekhunov A.V. Water properties and flow over the deep Bering Sea basin, summer 1991 // Deep-Sea Research. — 1993. — Vol. 40. — P. 2325-2334.

Reed R.K., Stabeno P.J. The recent return of the Alaskan Stream to Near Strait // J. of Marine Res. — 1993. — Vol. 51. — P. 515-527.

Reid J.L. Northwest Pacific Ocean waters in winter. — Baltimore; L.: John Hopkins Oceanographic Studies, 1973. — 95 p.

Rogachev K.A. Rapid thermohaline transition in the Pacific western subarctic and Oyashio fresh core eddies // J. of Geoph. Res. — 2000a. — Vol. 105, № C4. — P. 8513-8526.

Rogachev K.A. Recent variability in the Pacific western subarctic boundary currents and Sea of Okhotsk // Progress in Oceanography. — 2000b. — Vol. 47, № 2-4. — P. 299-336.

Rogachev K.A., Goryachev V.A. Mixing in warm-core ring of the Kuroshio // J. of Geoph. Res. — 1991. — Vol. 96, № C5. — P. 8773-8777.

Stabeno P.J., Reed R.K. A major circulation anomaly in the western Bering Sea // Geoph. Res. Letters. — 1992. — Vol. 19. — P. 1671-1674.

Поступила в редакцию 22.03.06 г.