Особенности горизонтальной структуры климатических течений Охотского моря с месячной дискретностью
Имеющийся к настоящему времени массив данных инструментальных измерений течений в Охотском море, как и в большинстве других районов Мирового океана, недостаточен, чтобы представить единую картину движений вод исследуемого региона. Эти данные распределены неравномерно и приходятся в основном на летнее время года. При этом наблюдениями охвачены лишь периферийные районы моря, но и для них часто весьма трудно получить характеристики сезонной и внутригодовой изменчивости течений (Морошкин, 1966; Чернявский, 1984).
Сложность рельефа дна и динамических процессов в шельфовой зоне островов Курильской гряды затрудняет анализ систем течений Охотского моря в рамках одной модели, поэтому течения в море и на акватории Курильской островной дуги в большинстве работ рассматривают разAeALHO.
Характеристики течений в районах Курильских проливов и на акватории моря, непосредственно прилегающей к ним, большинством авторов исследовались на базе постоянно дополняющегося массива инструментальных наблюдений. Что касается Охотского моря, то помимо обобщения опыта судоводителей и наблюдений за плавучими объектами, а также данных инструмен
тальных измерений и особенностей гидрологического состояния вод, были проведены и традиционные расчеты течений, основанные на известном из наблюдений поле плотности (Морошкин, 1966). В рамках различных теоретических моделей предпринимались попытки выявить причинно-следственные связи динамических процессов, происходящих в море и атмосфере (Козлов, 1972; Зырянов, 1977; Vasiliev, 1991].
Сегодня общепризнанным является представление о наличии двух циклонических систем течений моря: одной - в северной части, включающей Пенжинский залив, и другой - охватывающей центральную и южную части моря. Особенности рельефа дна приводят к образованию циклонических и антициклонических круговоротов на фоне общего движения вод изменчивость течений с глубиной, как правило, незначительна. Многие авторы подчеркивают решающее значение атмосферной циркуляции в образовании циклонических круговых течений Охотского моря.
Материал, методика
В настоящей работе для расчетов уровенной поверхности и трехмерного поля течений на акватории всего моря использована линейная диагностическая модель (Саркисян, 1977). Она учитывает реальное поле плотности от поверхности до дна, схематизированную конфигурацию берегов, сглаженный рельеф дна и осредненную атмосферную циркуляцию над исследуемой областью. Проведенная предварительно оценка вклада отдельных параметров в исходных уравнениях показала, что при исследовании течений на акватории Охотского моря можно пренебречь инерционными членами и эффектом бокового обмена.
При подготовке базы исходных использовался стандартный прием разбивки поверхности Охотского моря системой трапеций со сторонами, равными одному градусу по широте и долготе. Естественные очертания моря заменялись схематизированной акваторией с контуром ближайших к берегам сторон трапеций, параллельных меридианам и параллелям.
В узлы расчетной сетки (центры трапеций) с карты масштаба 1 : 2 000 000 были занесены характерные значения глубин. Затем проведено пятиточечное сглаживание глубин сравным весом. Для учета вклада дрейфовой составляющей течений в общий перенос на верхней границе исследуемой области задавались составляющие касательного трения ветра, которые рассчитывались через атмосферное давление на уровне моря по модели Аккерблома (Саркисян, 1977). Средние многолетние данные атмосферного давления в узлах расчетной сетки были взяты с карт и таблиц, подготовленных в 1980 г. Т.П.Тимофеевой (ДBНИГМИ).
На основе данных 51607 глубоководных гидрологических станций, выполненных в 876 экспедициях в 1930 - 1988 гг., были сформированы осредненные с месячной дискретностью поля плотности морской воды от поверхности до придонных горизонтов. Подавляющая часть гидрологической информации приходится на теплое время года и на прибрежные области моря. Использованы средние месячные характеристики плотности в слое 0-100 м, сезонные в слое 150 - 250 м, и неизменные в течение года значения плотности вод - с 300 м до придонных горизонтов.
Результаты
Главной особенностью циркуляции вод Охотского моря, как это отмечалось и в большинстве предыдущих исследований, является ее в основном циклонический характер. Звеньями общего циклонического круговорота являются: Западно-Камчатское течение, переносящее тихоокеанские воды в северном направлении приблизительно между 150 - 154° в.д., Северо-Охотское течение, следующее вдоль северных берегов моря; Восточно-Сахалинское - поток холодных вод южного направления у восточных берегов о.Сахалин. Эти течения неоднократно отмечались многими исследователями Охотского моря (Чернявский, 1981; Лучин, 1987).
На фоне общего циклонического движения вод прослеживающегося на периферии моря, воткрытых районах существует система квазистационарных вихревых образований с характерными пространственными масштабами около 150 - 250 миль. В восточной и южной частях моря, прилегающих к берегам п-ва Камчатка и Курильским островам, вихревые образования являются преимущественно антициклоническими, а в северной и западной - циклоническими (Чернявский, 1981; Лучин, 1987).
В течение многих десятилетий в океанологии основное внимание обращалось на структуру и динамику струйных течений. Поэтому в данной статье основное внимание акцентируется на вихревой структуре течений Охотского моря в летние и осенние месяцы, полагая, что общие схемы течений хорошо известны (Морошкин, 1964; Козлов; 1972: Зырянов, 1977; Чернявский, 1981; Nyt II H, 1987;).
В июне общеизвестное циклоническое движение вод нарушается большим количеством вихревых образований (рисунок, а). Можно выделить пять макромасштабных круговоротов, большую часть из которых представляют многоядерные структуры. Наибольшая из них - трехъядерная - расположена в центрально-западной части моря; ее общий циклонический зллипс ориентирован в меридиональном направлении. Центр этой вихревой системы в виде эллиптического циклонического вихря расположен над впадиной Дерюгина и имеет соизмеримый с ней масштаб (180 миль). Севернее с ним взаимодействует антициклонический вихрь меньшего масштаба (длина большой оси -100 миль), зоной притяжения которого является банка Кашеварова.
К востоку и югу от макроциркуляционной системы расположены двухъядерная и трехъядерная вихревые структуры антициклонического вращения.
Южная половина Охотского моря также представляет систему взаимодействующих вихрей разных знаков. Выявляется узкое струйное течение тихоокеанских вод из центральной части Курильских проливов до 54° с.ш., где происходит его раздвоение - один поток резко сворачивает на восток в сторону Камчатки, а второй следует в меридиональном направлении до Тауйской губы. В северо-западной и северо-восточной частях наблюдаются две макроциркуляции циклонического и антициклонического вращения; при этом антициклоническая система, расположенная в северо-восточной части моря (частично над впадиной ТИНРО), имеет двухъядерную структуру. В северной половине моря отмечается также семь вихрей меньших масштабов (60 миль в диаметре).
Всего на акватории моря наблюдается 23 замкнутых циркуляции с масштабами от б0 до 200 MPLE.
В июле горизонтальная циркуляция также характеризуется преобладанием вихревых структур (см.рисунок, б). Общее количество замкнутых вихрей различных масштабов увеличивается до 28. Струйный поток из Четвертого Курильского пролива пересекает море, следуя от Северных Курил на запад, затем в районе 150' с.ш. - на север, а далее в общем северо-западном направлении, но его доля в общей циркуляции незначительна.
Наиболее крупная вихревая система по-прежнему центрируется над впадиной Дерюгина, однако она меньше, чем в июне, почти в 2 раза. Трехъядерная структура ее претерпела трансформацию, сопровождающуюся уменьшением поперечников ядер и более плотной их концентрацией у впадины Дерюгина.
Для остальной акватории характерно чередование замкнутых циркуляций средней интенсивности, причем горизонтальные масштабы вихрей в южной половине Охотского моря оказываются в среднем в 2 - 3 раза меньше, чем в северной.
К августу количество и плотность вихрей в южной части моря, южнее п-ова Камчатка, увеличиваются почти вдвое с сохранением таких же горизонтальных масштабов (см.рисунок, в). Ранее наблюдавшаяся многоядерная вихревая структура над впадиной Дерюгина представлена заметно меньшим по размеру циклоническим вихрем. Вихрей такого масштаба в северной части моря отмечается 7-8, включая незамкнутые структуры. Общее количество вихрей различных масштабов увеличилось до 29. При этом примерно сохраняется баланс завихренности противоположных 3HKOB.
Относительно баланса завихренности и возможного влияния на этот процесс взаимодействия атмосферы и океана можно заметить следующее. Охотский антициклон в атмосференаибольшее развитие имеет в летний период, но с климатической точки зрения это влияние неустойчиво, и на картах среднемесячных значений он не проявляется. Этим, очевидно, и объясняется отсутствие ярко выраженного влияния атмосферной антициклонической циркуляции на циркуляцию в гидросфере в летний период. Процессы самоорганизации течений в гидросфере приводят к эволюции вихревого поля течений, которая заключается в изменении суперпозиции и масштабов вихревых образований, возможно в некотором автономном режиме. Однако ясно и то, что сам процесс обработки вносит некоторые элементы, не свойственные реальным структурам.
В сентябре происходит перестройка барического поля, а с октября для Охотского моря характерен циклонический тип движения воздушных масс. Наблюдается перестройка и в системах вихревых течений в гидросфере. Рассмотрим структуру течений в ежемесячной последовательности, как это сделано для летнего периода.
В сентябре выделяется поток тихоокеанских вод, следующих от центральных и северных проливов Курильской гряды к северу примерно вдоль 150" в.д. до 53" с.ш. (см.рисунок, г). Затем одна часть его вод следует по направлению к центру североокотоморского шельфа, а вторая - к берегам Камчатки. По мере продвижения на север поток тихоокеанских вод меандрирует. Наибольшая амплитуда меандров наблюдается на южном участке этого течения.
Хорошо прослеживается Восточно-Сахалинское течение с резко выраженным меандрированием потока; длина его крупномасштабных волн - меандров соизмерима с размерами острова меридиональном направлении и составляет около 200 миль. С юга на север вдоль острова укладывается три таких крупномасштабных волны - меандра.
Остальное пространство моря заполнено вихрями различных масштабов. Наиболее обширная вихревая циклоническая система расположена в западной половине Охотского моря, между 50 и 59" с.ш. Она состоит из 5 ядер внутри общего циклонического контура, который своей большой осью ориентирован в меридиональном направлении (вдоль 146 - 147° в.д.). Внутренняя структура этого макровихря состоит из двух центров - двухъядерного циклонического образования над впадиной Дерюгина и триадной системы вихрей (два циклона и антициклон), располагающейся над шельфовой мелководной частью моря. Размеры и интенсивность этих вихрей в 2 - 3 раза меньше южной системы вихрей.
Следующая по масштабу (длина большой оси около 300 миль) вихревая структура занимает большую часть северо-западного района моря.
В северо-восточной части моря (севернее 54° с.ш.) наблюдаются пять взаимодействующих эллиптических вихрей. Масштаб этих вихрей составлял около 200 миль,
Общее количество замкнутых вихревых структур в сентябре составило 19. десять из них -антициклонического вращения.
В октябре, по-видимому, вследствие усиления циклонической деятельности атмосферы происходит значительная структурная перестройка систем течений (см.рисунок, 9). Траектории квазистационарных потоков (из Тихого океана и Восточно-Сахалинское течение) приобретают более сглаженный вид. Основные изменения касаются вихревых образований. Единая ранее и наиболее обширная макроциркуляционная циклоническая система в западной части моря разбивается
на две обособленные равновеликие макроструктуры, размеры которых составляют около 250 M.
Антициклоническая циркуляция над впадиной ТИНРО выражена в октябре слабее, чем в сентябре. Западнее нее на периферии потока тихоокеанских вод проявляется обширный эллиптический (с размерами большой оси 120 - 150 миль) циклонический круговоротвод, ориентированный в меридиональном направлении (между 150 - 153° в.д.).
Викри в южной части Охотского моря, так же как в сентябре, по-видимому, слабо взаимодействуют между собой, т.е. плотность их распределения невелика. Они носят изолированный характер, P??? октябре на акватории Охотского моря наблюдалось 19 замкнутых вихревых образований в основном циклонического вида, что, вероятно, определялось карактером атмосферной циркуляции.
В ноябре всю западную половину моря можно окарактеризовать как область преобладающего циклонического переноса вод (см.рисунок, е). Двухъядерная циклоническая структура в районе впадины Дерюгина вновь занимает положение, подобное сентябрьскому, но прежних размеров она недостигает. Мезомасштабные вихри в южной части моря наблюдаются в несколько большем количестве, увеличивается плотность их распределения вблизи Курильских островов.
В северной части моря не отмечается столь масштабных вихревых образований, характерных для поля течений в сентябре и октябре. Большая его однородностъ, вероятно, обусловлена сглаживанием пространственнык градиентов в поле плотности вследствие осеннего охлаждения деятельного слоя шельфовых вод. Из представленного анализа структуры бароклинности можно сделать вывод, что по крайней мере в летние и осенние месяцы преобладающими следует признать вихревые системы, подверженные синоптическои изменчивости.
Обсуждение результатов
Определение о достоверности систем течений Охотского моря требует решения, как минимум, двух вопросов: во-первык, какова достоверность крупномасштабных, повторяющихся из месяца в месяц элементов циркуляции, во-вторых, какова вероятность элементов циркуляции, проявляющихся только на скемах течений в конкретные месяцы.
Следует отметить, что крупномасштабная система движения вод Охотского моря не отличается коренным образом от полученных ранее, например, от общепринятой и по настоящее время схемы К.В.Морошкина (1966), которая характеризуется многими авторами как наиболее полная и достоверная. Расхождения с последней заключаются в следующем. По нашим расчетам, уберегов Камчатки выделяется течение южного направления, а над глубоководной котловиной моря, прилегающей к Курильской гряде, наблюдается антициклоническое, в основном викpевое ДВИЖЕНие ВОД.
Расхождение между обеими схемами циркуляции можно объяснить, во-первых, существенным различием в объеме используемых глубоководных данных (у К.В.Морошкина их было в 45 раз меньше); во-вторых, в примененной нами методике нет необходимости определения так называемой нулевой поверхности (что всегда сопряжено с некоторыми неточностями), а учтено совместное влияние бароклинности и рельефа дна.
О достоверности рассмотренной выше картины движения вод Охотского моря можно также судить, сравнивая расчеты с наблюдениями. Были привлечены результаты обработки инструментальных наблюдений (Помазанова, 1970; Лучин, 1987), которые обобщают материалы более 100 случаев измерений течений с продолжительностью одни сутки и более в теплое время года. Сравнение показало, что векторы течений, полученные по данным инструментальных измерений, не противоречат рассмотренным особенностям крупномасштабных движений вод Охотского моря. Необходимо отметить, что вследствие различия временных масштабов осреднения инструментальных измерений течений и исходных полей для диагностических расчетов результаты оценок необходимо считать предварительными.
Для доказательства существования потока южного направления в непосредственной близости от берегов Камчатки были привлечены также значения амплитуд годового кодатемпературы воды на береговых станциях. Эти данные свидетельствуют, что наибольший прогреввод и, следовательно, максимальная годовая амплитуда температуры наблюдается в районе Хайрюзовского мелководья (около 57° с.ш.), а при движении от него на север и юг происходит уменьшение указанной амплитуды. В том случае, если бы вблизи берегов Камчатки (от мыса Лопатки до п-ова Тайгонос) движение вод осуществлялось только на север, как на схеме К.В.Морошкина, то этого явления не наблюдалось бы.
Еще более сложной является оценка достоверности рассчитанных ежемесячных средних многолетних схем циркуляции вод Охотского моря. Это связано с тем, что исходные данные по плотности морской воды распределены крайне неравномерно как по исследуемой акватории, так и в течение года. Поэтому в конкретные месяцы на различных участках моря многолетние значения плотности в толще вод имеют различную статистическую значимость.
Более того, при анализе течений в динамически активных районах, к которым относится Окотское море, следует учитывать растянутость во времени гидрологических съемок (1 - 2 мес). В то же время в рассматриваемом регионе существует широкий спектр временной изменчивости океанологических параметров для всей толщи вод - от короткопериодных (от десятков минут до нескольких суток) до межгодовых. Имеющиеся данные полигонных наблюдений и регистраций параметров в фиксированных точках на протяжении длительных периодов времени показывают, что внутрисуточная изменчивость гидрологических характеристик на конкретных горизонтах в пределах деятельного слоя может быть сравнимой с межгодовыми вариациями параметров.
Учитывая все вышеизложенное, необходимо отметить следующее. Так как в большинстве узлов расчетной сетки для открытой части моря количество наблюдений недостаточно, а получаемые значения плотности морской воды рассчитаны с определенными допущениями, то представленные схемы ежемесячных течений Охотского моря могут нести определенные погрешности. Авторы отдают себе отчети в том, что указанный период осреднения с неизбежностью включает в себя, вероятно, различные внутридекадные и междeкaдные изменения крупномасштабной циркуляции вод,
Материалы съемок ТИНРО - ВНИРО в последнее десятилетие также свидетельствуют опреобладании вихревой структуры течений над струйными потоками в подавляющем большинстве экспедиций (данные этих экспедиций не включались в расчетный массив ретроспективной климатической информации),
Турбулентные пространственно-временные структуры, возникающие в нелинейной диссипативной системе, к которой отнесем и Охотское море, называются диссипативными структурами. Новое состояние - диссипативная структура - обязано своим возникновением тому, что поток вещества через турбулентную систему отклоняет ее далеко отравновесного состояния. В этом случае можно говоритъ о рождении порядка через флуктуации [Сеидов, 1989], которые, как хорошо известно в океанологии, являются непременными атрибутами движения океанских вод.
Ячеистое пространственное распределение гидрохимических характеристик: pH, содержания кислорода, щелочности, фосфатов и кремнекислоты (Гидрометеорология., 1993) также свидетельствует в пользу преобладания вихревых движений водных масс. Причем количество ячеек различных гидрохимических параметров соизмеримо с числом вихревых структур, полного совпадения, однако, быть не может из-за различных периодов осреднения данных и различия в количестве соответствующей информации.
Рассмотрим для примера лишь одну диссипативную структуру Охотского моря - циклонический вихрь в районе банки Кашеварова, которая является "центром тяжести" этого вихря. Наличие квазистационарного циклонического вихря над банкой и ее склонами приводит к мощному подъему промежуточных и глубинных вод от дна к поверхности. В результате даже зимой температура воды в центре викря сохраняет значение более 1"C, а летом, напротив, она не поднимается выше 4°С при фоновых значениях 8 - 12"С (Гидрометеорология., 1993: Чернявский, 1984). Из-за интенсивных вертикальных движений вод над банкой вертикальные градиенты обычно в течение года близки к нулю, что, кaк правило, характерно для внутренних вихрей Тэйлора (Дарницкий, 1991). Поступление промежуточных вод во внутренней области вихря настолько мощное, что в период интенсивного развития фитопланктона насыщенностъ вод кислородом здесь не превышает 95%, а биомассасетного планктона нередко достигает величин около 5000 мг/м3 (Чернявский и др., 1993).
Аналогичные диссипативные структуры могут периодически возникать и над другими подводными банками и возвышенностями.
Характеристики некоторых вихревых систем приводятся в ряде работ (Чернявский, 1981; Маркина, Чернявский, 1984; Чернявский и др., 1993). Здесь мы не имеем возможности охарактеризовать каждую диссипативную структуру, но особо подчеркнем, что в соответствии с теоретическими положениями Д.Г.Сеидова (1989), мы можем полагать, что в летне-осенний период в Охотском море принципиально возможно преобладание крупно- и среднемасштабной викpевой циркуляции, возникающей в результате самоорганизации течений через флуктуации океанологических полей. Все представленные схемы вихревых течений свидетельствуют в пользу этого вывоA.
Следствием превалирования в системе течений Охотского моря вихревых структур, выявленного нами на климатическом материале в летне-осенние периоды, может быть наблюдающаяся пространственная дифференциация не только упомянутых выше гидрохимических параметров, но и количественного распределения гидробионтов различных трофических уровней (Жигалов, Матвеев, 1987, Маркина, Чернявский, 1984, Шунтов, 1994).
Bывод
В Охотском море на климатическом масштабе в летний и осенний сезоны преобладает квазитурбулентный режим течений и лишь незначительную часть площади занимают крупномасштабные струйные течения.
Частичная адвекция вихрей в северном направлении из районов их генерации у островов Курильской гряды порождает систему мезомасштабных вихрей в южной части Охотского моря, которые существуют там в течение всего года. 3TO подтверждается и данными космических наблюдений Прикурильского района.
Наиболее крупный макромасштабный циклонический круговорот в западно-центральной части моря периодически генерируется над впадиной Дерюгина. Этот круговорот проявляется в течение длительного времени.
Другими районами генерации квазистационарных мезомасштабных вихрей можно назвать район банки Кашеварова, острова Ионы и банки Ионы, многочисленные мысы и заливы и другие морфологические особенности рельефа дна (впадина ТИНРО, желоб Лебедя, возвышенности института Океанологии и Академии наук).
В динамике дискретных течений основополагающая роль принадлежит самоорганизации вихревых структур, НахОдЯШЦая отражение в схеме климатических течений.
В.Б.Дариицкий (ТИНРО), В.А.Лучин (ДBНИГМИ)
Смотрите также
