А Д Лисиченок - Интенсивные внутренние волны в черном море - страница 1

Страницы:
1  2 

удк 55 1.466.8

А. Д. Лисиченок

Морской гидрофизический институт НАН Украины, г.Севастополь

ИНТЕНСИВНЫЕ ВНУТРЕННИЕ ВОЛНЫ В ЧЕРНОМ МОРЕ

На основании обобщения результатов наблюдений за интенсивными внутрен­ними волнами в Мировом океане анализируются условия их возникновения и ос­новные источники генерации. По данным натурных экспериментов в Черном море приведены характеристики экстремальных внутренних волн и обсуждаются усло­вия и причины их возникновения. Обсуждается важная роль интенсивных внутрен­них волн в процессах перемешивания, динамике придонного слоя моря и экологи­ческом состоянии вод прибрежной зоны Черного моря.

В последние десятилетия в исследовании внутренних волн в океане особое внимание уделяется интенсивным внутренним волнам (ИВВ). Под ИВВ обычно подразумеваются внутренние волны с высотой в десятки мет­ров с признаками нелинейности, проявляющимися в вертикальной и гори­зонтальной асимметрии их формы, большими значениями параметров не­линейности (отношения орбитальной скорости к фазовой и амплитуд волн к глубине залегания пикноклина больше 0,1), часто наблюдаемые на поверх­ности воды в виде сулойных или сликовых полос.

Интенсивные внутренние волны в океане. Считается, что этап иссле­дований ИВВ в океане начался с обнаружения по данным спутниковых сним­ков на поверхности Андаманского моря специфических полос, протяженно­стью более 100 км, оказавшимися проявлением на поверхности ИВВ, по сво­им характеристикам близким к солитонам, описываемым уравнением Корте-вега-де-Вриза (КдВ) [1, 2]. Появление этих результатов привлекло внимание многих океанологов и дало мощный толчок к исследованию ИВВ в океане [2].

В дальнейшем был накоплен большой объем данных наблюдений ИВВ в различных районах Мирового океана на основе спутниковых изображений и многочисленных натурных экспериментов [3 - 8]. Было установлено, что один из наиболее важных источников генерации ИВВ связан с приливами. Взаимодействие баротропных приливов с наклонным дном вблизи кромки шельфа приводит к генерации приливных внутренних волн, которые рас­пространяются как в сторону открытого океана, так и к берегу. Это под­тверждается как данными натурных наблюдений, так и результатами мате­матического моделирования [9 - 14]. При распространении в направлении к берегу приливная внутренняя волна обычно приобретает вид внутреннего бора, сопровождаемого группой ИВВ, по своим характеристикам близким к солитонам. Это дало повод некоторым авторам называть такую систему волн «солиборами» [15, 16]. В направлении открытого океана фронты приливных внутренних волн могут распространяться на большие (свыше 500 миль) расстояния и формировать ИВВ в виде одиночных волн, которые обычно распадаются на группы в районах фронтальных зон [17, 18]. Анализ этих результатов явился основой для создания гипотезы «горячих точек» [19].

© А. Д. Лисиченок, 2005

Рис . 1 . Сведения о географическом положении районов обнаружения ИВВ в Мировом океане (по [3]).

Предполагается, что сток приливной энергии в мелкомасштабную турбу­лентность в Мировом океане происходи не по всей его акватории, а в так называемых «горячих точках» - районах резких поднятий дна, банок, про­ливов, шельфовых и фронтальных зон [19 - 21]. Энергия баротропных при­ливов переходит здесь к бароклинным, которые, трансформируясь, генери­руют ИВВ и турбулентность. По аналогии с поверхностными волнами такие районы называют районами «внутренних штормов». В качестве примера распределения «горячих точек» по акватории Мирового океана, воспользу­емся картой районов обнаружения ИВВ на поверхности океана (рис. 1) [3].

Даже при первом взгляде на эту карту, очевидно, что ИВВ обнаружи­ваются преимущественно в шельфовых зонах или вблизи них. В табл. 1 при­ведены количественные оценки расположения районов обнаружения ИВВ.

Несмотря на некоторую субъективность в количественных оценках ре­зультатов, приведенных в табл.1, (которая может быть обусловлена нерав­номерным покрытием Мирового океана данными спутниковых изображе­ний и натурными экспериментами), они дают, на наш взгляд, весьма полез­ную информацию об основных механизмах возникновения ИВВ и их распре­

Таблица 1. Сведения о районах обнаружения ИВВ.

океан с приле­гающими мо­рями

распределение

количество наблюдений ИВВ (% от общего)

 

наблюдений по океанам (% от общего)

между тропиками

между 40° с.ш. и 40° ю.ш.

на шельфе

Тихий

30

53.3

82

82

Индийский

33

95

100

94

Атлантический

33,5

37

85

85

Сев. Ледовитый

3

0

0

80

Южный

0,5

0

0

0

делении по океану. Отметим, что районы обнаружения ИВВ почти в одина­ковом количестве распределены по трем океанам: Тихому, Индийскому и Атлантическому. Другой важной особенностью является то, что, на аквато­рию Мирового океана, заключенную между 40° ю.ш. и 40° с.ш. приходится 89 % случаев обнаружения ИВВ, причем около 62 % случаев приходится на область, заключенную между северным и южным тропиками. И, наконец, на шельфовую зону приходится около 87 % зарегистрированных ИВВ.

Основной причиной такого распределения, по-видимому, является тот факт, что в тропической зоне Мирового океана термоклин и пикноклин су­ществуют перманентно в течение всего года и для генерации приливных внутренних волн существуют все необходимые условия: наличие наклонно­го дна у кромки шельфа, устойчивая стратификация и сильные течения, из­меняющиеся с приливным периодом. Изменчивость появления ИВВ в этих районах, по-видимому, связана с крупномасштабными вариациями глубины положения пикноклина, а также с фазой Луны. Можно также предположить, что при накоплении данных наблюдений, достаточных для описания сезон­ной изменчивости проявления ИВВ, их максимум в области Мирового океана между тропиками и 40° каждого полушария будет наблюдаться ле­том в каждом полушарии. Приведенные данные свидетельствуют о том, что предложенная гипотеза «горячих точек» в целом подтверждается.

Внутренние волны в Черном море. Черное море относится к беспри­ливным, т.к. амплитуды приливов здесь приблизительно на два порядка меньше амплитуд, характерных для открытого океана и морей с приливами. В связи с этим, из источников здесь исключен очень важный (возможно, преобладающий) источник генерации ИВВ, описанный выше. Исследования короткопериодных внутренних волн в Черном море начались со второй по­ловины 60-х гг. прошлого столетия в северо-западной части моря [22]. За­тем были выполнены измерения характеристик внутренних волн на восточ­ном и Болгарском шельфах, шельфе Южного берега Крыма [23 - 25, 2]. Оказалось, что волны имеют перемежающийся вид, их максимальные высо­ты не превышают здесь 1 - 2 м, причем в глубоководном районе моря они меньше, чем в шельфовом, а спектры внутренних волн по уровню энергии монотонно спадающей части примерно на один порядок ниже уровней, опи­сываемых моделью Гаррета-Манка [2, 26]. Интенсификация внутренних волн в Черном море может происходить при протекании активных динами­ческих процессов, связанных с меандрированием Основного черноморского течения (ОЧТ), возникновении и релаксации прибрежного апвеллинга, вих­рями различных масштабов и атмосферными процессами [25 - 27]. Т.е., как и в океане с приливами, струйные течения, взаимодействуя в Черном море с наклонным дном, могут образовывать бароклинные колебания, которые, в свою очередь, испытывая нелинейную трансформацию на шельфе, распа­даются на цуги ИВВ [25].

Интенсивные внутренние волны в Черном море. Впервые ИВВ с вы­сотой около 10 м обнаружены по результатам длительных наблюдений, проведенных на океанографической платформе Морского гидрофизическо­го института НАН Украины, расположенной в прибрежной зоне Южного берега Крыма (пос.Кацивели) [25, 28]. В [28] ИВВ обнаружены на фазе пе­рехода апвеллинга в даунвеллинг, когда в поверхностном слое моря появля­ется пикноклин, который затем начинает опускаться по направлению ко дну моря. ИВВ имели вид одиночных «впадин», по форме близким к солитонам КдВ высотой до 5 - 7 м, а иногда даже до 10 - 12 м, с интервалом времени между гребнями в 15 - 20 мин; на поверхности моря они проявлялись в виде продолжительных узких сликовых полос, движущихся по направлению к берегу. В [25] отмечены ИВВ с высотой 15 м, которую можно рассматри­вать как рекордную для Черного моря. При этом колебания имели вид, ха­рактерный для солибора, т.е. амплитуды волн уменьшались от головной (максимальной) до последней волны в конце волнового следа. Кроме этого, на записях хорошо видна вертикальная и, что особенно важно, горизонталь­ная асимметрия волн.. По результатам анализа гидрологической обстановки и математического моделирования делается вывод о том, что колебания ОЧТ могут происходить в направлении, поперечном береговой линии, пер­пендикулярно изобатам свала глубин и вызывать вертикальные колебания пикноклина над кромкой шельфа с периодом, близким к инерционному. Эти колебания, в свою очередь, генерируют прогрессивные внутренние волны, распространяющиеся как в сторону открытого океана, так и в сторону бере­га. Данное предположение позднее получило подтверждение в [29] при об­наружении цуга ИВВ на мористой периферии ОЧТ. В обоих случаях появ­ление ИВВ в прибрежной зоне моря связано с протеканием активных дина­мических процессов.

Цель данной работы состоит в систематизации данных о ИВВ в Черном море на основе обзора литературных работ и результатов исследований по­следних лет.

В течение 2001 - 2004 гг. нами проводились долговременные экспери­менты по исследованию ИВВ на океанографической платформе МГИ. Ана­лиз ИВВ, зарегистрированных в прибрежной зоне, показал, что ИВВ встре­чаются практически каждый год, причем наиболее часто они наблюдаются с конца июля по середину сентября. В 2001 г. во время преобладания нагон­ной циркуляции в течение суток наблюдался случай появления внутреннего бора и двух цугов ИВВ [27]. Приведем наиболее яркие проявления ИВВ в прибрежной зоне моря.

На рис.2 приведен фрагмент записи цуга ИВВ с высотой волн около 15 м (отметим, что значение высоты волн близко к экстремальному [25]) и меридиональная составляющая скорости течений у дна моря. Отметим, что колебания орбитальной скорости у дна имеют запаздывание относительно вертикальных колебаний температуры, что может объясняться тем, что рас­пределенный датчик температуры находился в слое 13 - 25,5 м, а измерите­ли течений - у дна (25 и 27 м.). Особенность цуга ИВВ являются очень кру­тые передние фронты и пологие задние, т.е. наличие сильно выраженной горизонтальной асимметрия, что по данным [2] является признаком сильно нелинейных волн. Мы не имеем профиля плотности в момент регистрации этого цуга, но по оценкам пространственных спектров и дисперсионным кривым, рассчитанным ранее, волны таких частот (3 - 4 цикл/ч) имеют здесь фазовые скорости Сф = 20 - 30 см/с. Амплитуда орбитальных ско­ростей в цуге Со » 10 см/с, при этом параметры нелинейности оказываются

U ,см/с

0

-5

-10

-15

-20

-25

200 400 600 800 2800        2820        2840        2860        2880 2900

а б

Рис . 2 . Пример цуга ИВВ (а) и меридиональной составляющей скорости течений у дна моря (б).

а/h = 0,2 - 0,25; Со/Сф = 0,3 - 0,5 - амплитуда волны, h - глубина макси­мальной частоты Вяйсяля-Брента), что также свидетельствует о явной при­надлежности зарегистрированных колебаний к сильно нелинейным ИВВ. Отметим также, что этот цуг ИВВ не полностью соответствует виду класси­ческого солибора, когда каждая последующая волна по высоте меньше пре­дыдущей, хотя головная волна в группе имеет максимальную высоту. Другая группа ИВВ, зарегистрированная в этот же день приблизительно пятью часа­ми раньше (рис.3), имеет вид впадины на термоклине, или волн с отрицатель­ной полярностью. Интересно, что здесь максимальную высоту имеет послед­няя волна в группе.

Анализ колебаний скорости течений за это же время показывает, что амплитуды орбитальных скоростей около 3 - 5 см/с. На графике меридио­нальной компоненты (рис.2, б) отчетливо заметен тренд, т.е. за время реги­страции цуга эта компонента изменяется от - 2 до - 20 см/с, т.е. резко уве­личивается компонента вектора течения, направленная в сторону моря, ко­торая для преобладающего направления волн в этом районе направлена на­встречу. Этим может объясняться наличие у волн крутых передних и поло­гих задних фронтов, а также не характерная для солибора форма волн.

Анализ записей, полученных в течение многолетних экспериментов, свидетельствует о том, что ИВВ регулярно появляются в прибрежной зоне моря, но в отличие от океана не имеют четко выраженной периодичности и могут быть связаны как с инерционными колебаниями, так и с другими ин­тенсивными динамическими процессами в прибрежной зоне, создающими значительные колебания скорости течений и вертикальные сдвиги.

Для наглядности приведем примеры ИВВ, зарегистрированных в раз­личные годы. На рис.4 приведена запись колебаний термоклина в придон­ном слое моря в августе 2002 г. Эта запись имеет вид солибора; высота волн в группе 12 - 12,5 м последовательно уменьшается от головной, имеющей максимальную. Также хорошо заметна горизонтальная асимметрия волн в группе. ИВВ, распространяющиеся в шельфовой и прибрежной зоне, могут

V, см/с

U    к*. м

7:59:00 8:19:00 8:39:00 8:59:00 9:19:00 9:39:00 9:59:00

h, .

час,мин,сек

8:11:30      8:44:50      9:18:10      9:51:30 10:24:50

17.08.2001

Рис . 3 . Проекция скорости тече­ния на параллель U и меридиан V (а) и вертикальные смещения тер­моклина (б).

h, ,

t, час,мин

3:05:07   3:52:44   4:40:21   5:27:58   6:15:35 7:03:12 10.08.2002 г.

Р и с . 4 . Пример солибора внутрен­них волн в прибрежной зоне Чер­ного моря.

иметь вид одиночных, по характери­стикам близким к солитонам КдВ. Форма солитона (возвышение или впа­дина) определяется близостью распо­ложения пикноклина ко дну, или к поверхности моря Пример одиночной внутренней волны, зарегистрирован­ной летом 2003 г., приведен на рис.5.

Фазовая скорость этой волны ока­залась около 30 см/с, направление распространения - северо-восток.

На основании данных документи­рованных наблюдений, представлен­ных в публикациях, и наших измере­ний составлена табл.2, в которой све­дены данные о зарегистрированных в Черном море ИВВ с максимальными высотами.

Приведенные в табл.2 результаты свидетельствуют о том, что ИВВ в период с середины июля по сентябрь проявляются в прибрежной зоне Чер­ного моря практически каждый год.

Как показано выше, основными факторами возникновения ИВВ явля­ются: наличие устойчивой стратифи­кации, резких горизонтальных и вер­тикальных неоднородностей рельефа дна (подводных хребтов и гор, банок, проливов, островов и шельфовых зон), фронтальных зон и связанных с ними изменений положения глубины пик-ноклина, а также существенных коле­баний скорости течений в перпенди­кулярном изобатам направлении, что в океане обеспечивается приливными течениями.

Глубоководная часть Черного моря представляет котловину, которая имеет очень ровную поверхность без резких изменений рельефа дна. В этой части не обнаруживаются фронты с резкими горизонтальными градиентами гидро­логических характеристик. Наиболее существенные изменения рельефа дна и активные динамические процессы приходятся на шельфовую зону моря.

10

а

0

а

-10

-20

-4

-8

-12

б

-16

-20

0

-4

-8

-12

-16

20-

194

18-

17 4

16-

а

t, час, мин, сек

7:46:40

ІІ.м

8:03:19 8:20:00 21.07.2003

8:36:39

б

б

Проанализируем основные условия Т,град

генерации и распространения ИВВ в шельфовой зоне моря. На рис.6 по­казана схема шельфовой зоны на при­мере Южного берега Крыма. Вид на разрез шельфовой зоны - с востока на запад, т. е. по направлению ОЧТ. В ре­зультате геострофического приспо­собления пикноклин в районе стрежня ОЧТ заглубляется в сторону берега. Здесь же показано положение пикнок-лина и циркуляция при сгоне и нагоне.

В начале летнего сезона (июнь -середина июля) термоклин на этой схеме расположен близко к поверхно­сти. В случае расположения источника генерации у кромки шельфа [25], ИВВ с большими амплитудами должны ис­пытывать нелинейную трансформацию в непосредственной близости от источ­ника. В этот период в апвеллинг в при­брежной зоне имеет максимальную повторяемость. Т.к. фронтальная зона прибрежного апвеллинга удалена от берега на расстояние, равное прибли­зительно внутреннему радиусу дефор­мации Россби, область диссипации энергии ИВВ должна быть локализо­вана в районе, расположенном между кромкой шельфа и фронтальной зоной прибрежного апвеллинга. Отметим так­же, что при преобладании апвеллинга поперечная к берегу компонента тече­ния направлена в сторону кромки шель­фа, т.е. навстречу направлению рас­пространения волн, а сами короткопе-риодные волны при пикноклине, близ­ком к поверхности, имеют небольшие фазовые скорости. Это может приво­дить к блокировке ИВВ. Отметим также, что приповерхностный пикноклин в этот период часто разрушается от воздействия поверхностных волн.

В силу перечисленных факторов ИВВ в этот период не имеют больших амплитуд, но по своим характеристикам могут быть сильно нелинейными, играть важную роль в динамике поверхностного слоя, особенно в штилевую погоду (в этот период они хорошо проявляются на поверхности в шельфо-вой зоне Черного моря в виде сликовых полос).

В период с середины июля по середину августа в прибрежной зоне моря пикноклин обычно занимает промежуточное положение между поверхностью

t

2800

2900

3000

3100

Рис . 5 . Колебания температуры (а) и вертикальные смещения термокли­на (б) во время прохождения оди­ночной волны.

Таблица 2. Характеристики ИВВ в Черном море.

район наблюдений

дата

высота, м

публикация

примечание

океанографическая платформа МГИ (пос.Кацивели)

12.07.1981 г. 15.07.1981 г. 16.07.1981 г. 16.07.1981 г.

3 - 6 1,5 - 2,5

4 2

[2]

 

шельф Крыма

11.08.1985 г.

2 - 2,5

[30]

 

30 миль от Евпатории

 

 

 

 

шельф Болгарии

12.05.1984 г.

4 - 5

[24]

генерация ветром

шельф Крыма

июль 1992 г.

4 - 4,5

[31]

генерация

около Ялты

 

 

 

ветром

океанографическая

9.07.1992 г. 29.07.1993 г. 30.07.1993 г. 31.07.1993 г.

10 - 12 16 - 17 7 - 9 7 - 9

[26]

 

платформа МГИ (пос.Кацивели)

 

 

[25]

 

мористая периферия ОЧТ

июль 1992 г.

3 - 4

[29]

 

 

17.08.2001 г.

14 - 15

[27]

 

океанографическая

17.08.2001 г.

14 - 15

 

 

платформа МГИ

10.08.2002 г.

11 - 12

настоящая

 

(пос.Кацивели)

21.07.2003 г.

13.09.2004 г.

5 - 6

5,6 - 6

работа

 

и дном с максимумом частоты Вяйсяля-Брента на глубине 15 - 20 м. В это время регистрируются ИВВ, причем обычно они появляются в моменты смены апвеллинга на даунвеллинг или наличия инерционных колебаний.

С середины августа по середину сентября толщина верхнего квазиод­нородного слоя увеличивается до 30 40 м. В районе ОП часто наблюда­ется изотермия от поверхности до дна. Однако при смене ветра и воз­действии других динамических про­цессов происходит заток холодных придонных вод, сопровождающийся появлением пикноклина у дна, а также внутренними борами и цугами ИВВ [27]. В это время в придонном слое моря часто происходит смена направления и скорости течений, возникают значительные вертикаль­ные сдвиги скорости течений, вы­званные как динамикой низкочастот­ных колебаний, так и воздействием орбитальных скоростей ИВВ.

Р и с . 6 . Схема динамических процес­сов, происходящих в шельфовой зоне моря. Положение пикноклина и цир­куляция показаны стрелками при сго­не (—>) и нагоне (—>).

Влиянию ИВВ на перемешивание вод и транспорт наносов посвящен ряд работ. В [32, 33] показана важная роль солиборов в динамике вод шель-фовой зоны моря. В [32] получено, что прохождение солибора может при­водить к стократному увеличению диффузии и перемешивания через тер­моклин. В [33] обсуждается роль ИВВ в создании сдвигов скорости и неус­тойчивости в придонном слое моря, а также их важная роль в процессах транспорта наносов.

Страницы:
1  2 


Похожие статьи

А Д Лисиченок - Интенсивные внутренние волны в черном море