Вихри течения Ойясио

Вихри течения Ойясио Как известно , погода зависит от проходящих атмосферных вихрей - циклонов и антициклонов . Так , тай фуны - тропические циклоны в Тихом океане со скоростью ветра до 250 км /ч - приносят на побережье ливневые осадки , приводящие к катастрофическим наводнениям . В океане также есть синоптические вихри , их называют циклонами и антициклонами , если вода в них вр а щается соответственно против или по часовой стрелке [ 1 ]. Однако эти вихри сильно отличаются от тех , которые непосредственно формируют погоду . Океанические антициклоны живут довольно долго , охватывая всю толщу вод от поверхности до дна и перемещаясь вместе с течениями или против них . В Тихоокеанском океаноло гическом институте РАН уже около 20 лет ведутся наблюдения за большими антициклоническими вихрями , формирующимися на западе Тихого океана , в зоне слияния двух главных течений этого региона : Ойясио и Куросио [ ]. Растянутые вдоль всей длины Курило-Камчатского желоба , эти вихри медленно движутся на северо-восток , против основного потока Ойясио , в субарктические воды . Свойства вихрей (их размеры , температура и соленость в ядре ) не постоянны . Изменчивость такого масштаба оказалась самой большой из наблюдавшейся где-либо еще в океане . Кроме того , вихри стали новым индикатором вариаций климата океана . Один из них , н азванный WCR86B (вихрь Куросио 1986 г . с теплым ядром ), отделился от течения Куросио примерно у 37°с.ш . и двигался вдоль желоба против течения на северо-восток со скоростью около 1-2 см · с – 1 . В сентябре 1990 г . он достиг широты пролива Буссоль (46.5°с.ш .), отделяющего южную группу Курильских о-вов от средней . Даже так далеко от места своего появления он содержал теплое и соленое ядро в верхнем слое воды (что обычно для вихрей Куросио у побережья Японии ) и ядро низкой солености в промежуточных слоях (250-600 м ). (Из-за этого вихри Ойясио называют вихрями с пресным ядром .) Слежение за вихрем проводилось с помощью последовательных съемок [ 2 - 6 ] на судах Тихоокеанского океанологического института (ТОИ ) и непрерывных спутниковых изображений , принятых и обработанных в Институте автоматики и процессов управления ДВО РАН . Подобные вихри (а каждый год у пролива Буссоль нах одится новый антициклон ) - индикатор быстрых изменений , происходящих в холодных водах Тихого океана в последнее десятилетие и названных климатическим сдвигом [ 3 - 5 ]. Каким же образом вихри связаны с процессами , определяющими климат ? Вихри и вариации климата океана Накопленное верхними слоями океана в низких широтах солнечное тепло переносится летом теплыми теч ениями (такими , как Куросио ) в умеренные . В холодный период года океан в высоких широтах отдает его в атмосферу . Это один из основных механизмов воздействия океана на климат . Самый длинный ряд инструментальных наблюдений за температурой и осадками относит с я к континентам , и только в последние годы благодаря специальному проекту Всемирной метеорологической организации появились первые данные об осадках над океаном . Количество осадков прямо зависит от температуры поверхности океана и тепла , переносимого глав ными океанскими течениями . Однако во фронтальной зоне (т.е . в области больших градиентов температуры и солености ) тепло и соль переносят не только течения , но и синоптические вихри океана , характеристики которых свидетельствуют помимо прочего об изменения х в системе течений (циркуляции вод в океане ). Считается , что в 1976 г . в Тихом океане произошла смена режима океана [ 3 ]. Но , несмотря на более чем десятилетние исследования , ее механизмы до сих пор не ясны . В Приморском крае в 1976-1977 гг . разразилась драматическая засуха , а зимы были самыми продолжительным и . Похожая ситуация сложилась в 1996-1997 гг . В период с 1988 по 1992 г . количество осадков превышало их сумму за 1976 г . в четыре раза . Эти наблюдения свидетельствуют о сильной декадной (10-летней ) изменчивости осадков , и именно она “ответственна” за рос т суммы осадков в 1989-1991 гг . и в 2000-м . Нужно отметить , что стратификация и циркуляция субарктических вод в значительной степени определяются соленостью , и поэтому они должны сильно зависеть от притока пресной воды в океан , а его изменчивость в Субаркт и ке Тихого океана до сих пор не изучалась . В 2000 г . проливные дожди и наводнения начались для Приморья довольно рано , в конце июля , с выходом в Японское море тайфуна Болавин . Не только в Приморье , но и в Японии и Корее сумма осадков в том году оказалась р екордной за всю историю наблюдений , что связано со стационарным сезонным фронтом и тайфуном Саомай . В центральных районах Японии в течение двух дней выпало более 80 см осадков . Примерно столько же Владивосток обычно получает в течение всего года . Кроме то г о , поздней осенью 2000 г . на северо-западе Тихого океана сформировался очень глубокий циклон с давлением в центре около 950 мб . Его последствием стала гибель теплохода “Рязань” - он затонул в Беринговом море 6 ноября . Что происходило во время этих погодны х вариаций в океане ? Регулярные наблюдения за течениями и вихрями начались в 90-е годы в рамках программы (совместной с Канадским тихоокеанским океанологическим институтом ) по изучению климата северной части Тихого океана . Детальными съемками была охвачен а обширная область субарктических вод у Курильских о-вов и Камчатки - так называемых западных пограничных течений : Камчатского и Ойясио . Одной из задач был поиск океанографических индикаторов , способных дать достаточно полное представление о происходящих и з менениях климата и одновременно не требующих больших затрат судового времени . Исследования позволили выделить все детали основных течений , включая протяженную цепь больших антициклонических вихрей Ойясио , растянутых вдоль глубоких желобов у Японии , Курил и Камчатки . После длительного перерыва наблюдения были продолжены в 2000 г . в экспедиции Японского центра морских наук и технологий с участием сотрудников ТОИ на судне “Мирай” . В целом с 1990 по 2000 г . были изучены характеристики около двух десятков вихре й пограничных течений и семь различных антициклонических вихрей Ойясио у пролива Буссоль . В 1990 г . у пролива находился уже упомянутый самый большой вихрь WCR86B с теплым соленым ядром . В серии следующих друг за другом вихрей Ойясио с 1990 по 1996 г . их я дра , расположенные на глубине 100-400 м , постепенно становились холодней , а соленость в них уменьшалась . Если в 1994-1996 гг . горизонтальные и вертикальные размеры вихрей значительно сократились , а их динамический уровень (возвышение поверхности океана из- за вариаций плотности ) упал , то , по наблюдениям 2000 г ., эти характеристики в последние четыре года выросли . За истекшее время произошло возвращение пограничных течений в прежнее состояние , а вихри Ойясио стали большими и глубокими , при этом выросла их ди н амическая высота . Вместе с переменами на континенте смены в океане указывали на существование быстрой изменчивости климата в регионе . Другими словами , размеры , глубины и структура вихрей могут служить новым климатическим индексом , способным дать представл ение о процессах , происходящих в океане . Первоначально именно наблюдения за вихрями позволили сделать вывод о быстром изменении климата в Субарктике Тихого океана , которое было названо термохалинным переходом . Главным его последствием стала смена циркуляц и и в океане [ 4 - 5 ]. Она согласуется с похожими процессами на северной границе субарктического круговорота [ 5 ]. Стало ясно , что субполярный круговорот в океане с го ризонтальным масштабом около 4000 км может характеризовать вихри диаметром около 200 км . На спутниковых снимках к востоку от Курильских о-вов всегда можно увидеть несколько таких больших антициклонических вихрей . Ловушка длинных волн Данные дрейфующих бу ев и акустические наблюдения за глубиной звукорассеивающих слоев показывают , что у антициклонических вихрей сложная внутренняя структура : они способны захватить и держать в своем ядре длинные волны большой амплитуды , которые называют инерционными . Течения, вызываемые такими волнами , вместе с приливными движениями вносят значительный вклад в перемешивание верхнего слоя океана [ 7 ]. Самые интересные наблюдения дали три буя (дрифтера ), установленные осенью 1990 г . на участке , проходящем у пролива Буссоль через центр антициклонического вихря (эти приборы были пре доставлены нам канадским океанологом П.Леблоном ). Они не только вращались в вихре , но и совершали большие регулярные петли . Один из этих буев показал инерционные движения очень большой амплитуды . В ядре вихря он дрейфовал со средней скоростью около 40-45 с м · с – 1 и радиусом вращения 15-20 км . На это среднее вращение накладывались инерционные петли с периодом , близким к суткам , и радиусом 7-8 км . Скорости течений достигали 140 см · с – 1 в центре вихря и заметно уменьшались на его границах . Вместе с изменением амп литуды этих возмущений менялся инерционный период . Принято считать , что инерционные возмущения возникают при резкой смене ветра . В Северном полушарии вектор скорости таких течений вращается так же , как в приливной волне - по часовой стрелке . Инерционные с илы в таких движениях - сила Кориолиса и центробежная , связанная с траекторией частиц воды , поэтому инерционный период определяется широтой места . Например , на широте пролива Буссоль он должен составлять около 17 ч . Однако в вихре инерционный период был г о раздо больше . Дело в том , что в антициклоническом вихре вращение противоположно направлению вращения Земли . Тем самым создаются особые условия для инерционных волн - вихрь меняет относительную завихренность (из-за собственного вращения ). В результате пони жается локальная инерционная частота волн внутри вихря . По сути волны чувствуют не только вращение Земли , но и его вращение . Кроме того , свободно распространяться могут только волны , частота которых больше локальной инерционной . Ее понижение в центре вихр я и обеспечивает захват волн внутрь него , они уже не могут покинуть созданную им ловушку . Но как только локальная инерционная частота (ее можно назвать эффективной ) становится близкой к частоте суточного прилива , оказывается возможным захват приливной энер гии . Точно так же вихри способны накапливать и использовать энергию ветра , когда захватывают инерционные волны , возбужденные им . Усиление таких движений в ядре вихря ведет к генерации турбулентности , поэтому степень перемешивания в его ядре должна менятьс я вместе с внешним воздействием , например при прохождении глубоких атмосферных циклонов . Возбуждение инерционных движений , таких как в вихре Ойясио , требует сильного внешнего воздействия . Возможные источники таких волн - ветер и приливные течения . Глубокий циклон действительно прошел во время постановки буев в вихре Ойясио , в ноябре 1990 г ., но , к сожалению , буи довольно быстро его покинули . Механизм возбуждения волн приливными течениями рассматривается пока как гипотеза , поскольку нет достаточного количес т ва данных о двухнедельных циклах , таких как полученные на банке Кашеварова [ 8 ]. На этом этапе наших знаний можно полагать , что оба механизма генерации инерционных движений (ветер и приливы ) равносильны . Правда , сравнение с другими наблюдениями [ 9 ] показывает , что сильные шторма не вызывают волн такой амплитуды . Так , тайфун Нельсон со скоростью ветра , достигавше й 43.5 м /с , в 1989 г . перемешал слой воды глубиной 100 м . Он прошел в 50 км к северу от заякоренного буя с инструментами , измерявшими скорость течения . Амплитуда скорости инерционных возмущений составила “только” около 80 см · с – 1 , т.е . гораздо меньшие , чем в вихре Ойясио [ 9 ]. Еще один аргумент в пользу приливн ой генерации волн - совпадение времени установки буя в вихре Ойясио с максимальной амплитудой приливных течений и уменьшением размеров инерционных петель при их ослаблении . Особенно интересна продолжительность жизни вихря Ойясио . Казалось бы , он должен ра зрушаться из-за турбулентной диссипации (так , антициклонические ринги Гольфстрима в Северной Атлантике живут только 3-6 мес ). Вместе с тем , вихрь Ойясио WCR86B продолжал двигаться вдоль Курило-Камчатского желоба еще в конце 1991 г ., т.е . существовал более пяти лет . Инерционные волны , генерируемые ветром или приливом , могут не только продлевать жизнь вихря , но и регулярно поставлять энергию для перемешивания его ядра . Хотя в жизни больших антициклонических вихрей течения Ойясио еще много загадок (как вообще в глубоком океане ), ясно , что их характеристики могут быть новым индексом климатической изменчивости , способным достаточно полно дать представление о происходящих изменениях . Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований . Проект 01-05-96902. Антициклонические вихри ( желтые круги ) движутся вдоль Курило-Камчатской котловины к северо-востоку. Красная линия - траектория движения буя , установленного в в ихре Буссоль. Вихри у южных Курильских о-вов . Инфракрасное изображение , полученное со спутника НОАА в Центре приема спутниковой информации Института автоматики и процессов управлен ия ДВО РАН . Шкала цвета соответствует увеличению температуры слева направо и снизу вверх . Белые точки - положение океанографических станций на разрезе через вихрь Ойясио . Слева - в мае 2000 г ., когда здесь располагался самый крупный антициклонический вихрь , который наблюдался в регионе ; справа - в апреле 2001 г. Динамическая топография (возвышения поверхности океана из-за разного распределения плотности ) вихрей у пролива Буссоль в разные годы . Серым цветом показаны вихри Ойясио , красными стрелками - полож ение струй Ойясио . Хорошо заметно изменение размеров вихрей и смена главных струй течения : с морской (02 – 1990 г .) на прибрежную (01 – 1996 г .) и снова на морскую (в 2000 г .). Рисунок из работы [ 4 ]. Изменение диаметра вихрей Ойясио ( вв ерху ) и аномалии осадков (отклонение от среднемноголетней суммы ) во Владивостоке . Цветом показаны отрицательные аномалии , соответствующие засухе , особенно сильной в 1976 и 1997 гг .; черным - отмечены годы с положительной аномалией , во время которых случали сь наводнения. Температура (°С ) и соленость (‰ ) в вихрях Ойясио (числа на изолиниях ) в сентябре 1989 г . (вверху ) и в фе врале 2000 г . На разрезах вверху хорошо заметно холодное и пресное ядро , расположенное под теплым и соленым . На рисунках внизу видно , что вихрь содержит мощное теплое и соленое ядро . Диаметр вихря превышает 200 км , а глубина ядра больше 700 м . Разрезы пос т роены с использованием данных научно - исследовательского судна “Мирай” (Японское агентство по морским наукам ). Тра ектория буя , установленного в вихре Ойясио ( слева ), и ее фрагмент во время стандартного оборота с петлями инерционных волн . Числа - время в сутках с начала наблюдений. Литература 1. Кошляков М.Н . Синоптические вихри открытого океана // Природа . 1997. № 6. С .17-20. 2. Лобанов В.Б ., Рогачев К.А ., Булатов Н.В . и др. // Докл . АН СССР . 1991. Т .317. № 4. С .984-988. 3. Рогачев К.А . Быстрые изменения в холодных водах Субарктики Тихого океана // Рос . наука : день нынешний и день грядущий : Сб. науч.-поп . статей . М ., 1999. 4. Rogachev K.A. // Journ. of Geophysical Research. 2000. V.105. C4. P.8513-8526. 5. Rogachev K.A. // Progress in Oceanography. 2000. V.47/2-4. P.299-336. 6. Rogachev K.A., Carmack E.C., Salomatin A.S. // Journ. of Marine Systems. 2000. V.26. P.239-258. 7. Рогачев К.А ., Саломатин А.С ., Юсупов В.И . и др . // Океанология . 1996. Т .36. № 3. С .347-354. 8. Рогачев К.А . Полынья на банке Кашеварова // Природа . 2001. ?3. С .33-38. 9. Taira K., Kitagawa S., Otobe H., Asai T. // Journ. Oceanography. 1993. V.49. P.397-406. Декабрь 2001