Вихри течения Ойясио

Как известно, погода зависит от проходящих атмосферных вихрей - циклонов и антициклонов. Так, тайфуны - 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 вращается 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 океанологическом 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 [2-4]. 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, названный 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 находится 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 течениями (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 относится 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 главными 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 изменениях 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 продолжительными. 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 рост 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 Субарктике 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 рекордной 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 того, 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 погодных 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 охвачена 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 изменениях 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 вихрей 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 ядра, 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 динамическая 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 представление 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 циркуляции в океане [4-5]. Она согласуется с похожими процессами на северной границе субарктического круговорота [5]. Стало ясно, что субполярный круговорот в океане с горизонтальным 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 буев 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 предоставлены 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 см·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 амплитуды 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 силы 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 гораздо 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 понижается 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 вихря 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 энергии. 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 меняться 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 количества 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, достигавшей 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 приливной 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 разрушаться 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 вихре Буссоль.

Вихри у южных Курильских о-вов. Инфракрасное изображение, полученное со спутника НОАА в Центре приема спутниковой информации Института автоматики и процессов управления 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 - положение 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 (вверху) 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 случались наводнения.

Температура (°С) и соленость (‰) в вихрях Ойясио (числа на изолиниях) в сентябре 1989 г. (вверху) и в феврале 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 построены с использованием данных научно- исследовательского судна “Мирай” (Японское агентство по морским наукам).

Траектория 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