Альберт Леонидович Бондаренко
Крупномасштабные течения
и долгопериодные волны
Мирового океана
Глава III
Формирование крупномасштабных течений долгопериодными волнами
Экспериментальные исследования
Приведены
экспериментальные исследования связи долгопериодных волн и крупномасштабных
течений Мирового океана. Связь одновременная, высоко достоверная.
Представления о связи волн и течений. В работах [Бондаренко, 1993, Бондаренко, Жмур и др., 2004, Лаппо, 1979] приводится информация, показывающая, что в переменных течениях замкнутых морей и океанов доминируют течения долгопериодных волн: в океанах - приливных, инерционных и волн Россби, а в замкнутых морях - инерционных и континентальных шельфовых волн. Наглядно это видно из спектров течений типичных для океанов и внутренних морей (рис. 17а, б).
Рис. 17а, б. Функции спектральной плотности течений типичные для океанов (а) и внутренних морей (б): а – построена по измерениям течений в западной Атлантике на глубине 500 м на станции “D”, по данным трехлетних измерений [Thompson, 1979]; б - Каспийского моря в пункте “Нефтяные Камни”, недалеко от Апшеронского п-ва, по данным трёхлетних измерений [Бондаренко, 2001].
Как отмечалось, существует несколько гипотез формирования волн Россби, континентальных шельфовых, крупномасштабных течений в океанах и замкнутых морях, их взаимных связях c явлениями их образующими, следуя которым можно выделить и рассмотреть следующие два сценария формирования и связи между собой рассматриваемых явлений. Расположим их по степени популярности.
Первый сценарий. Крупномасштабные течения формируются ветром в режиме ветровых (экмановских) течений или (и) термохалинными структурами в режиме геострофических или квазигеострофических течений, а волны Россби и континентальные шельфовые являются продуктом этих течений: они сформированы их неустойчивостью.
Второй сценарий. Атмосферная активность создаёт волны Россби и континентальные шельфовые, а те через механизм их отрицательной вязкости или нелинейного взаимодействия волн формируют крупномасштабные течения.
В этих двух сценариях рассматривается режим передачи энергии в виде “накачки”: течений - волнам, наоборот, волн - течениям.
Хотя и существует общее стремление ученых объяснять конкретные ситуации в течениях, наблюдаемых в естественных условиях, с позиции популярных гипотез ветровой и термохалинной их природы, однако далеко не всегда это удается. С позиции только этих гипотез трудно объяснить многое в реально наблюдаемых течениях, в частности, большие скорости струйных течений (составная часть крупномасштабных течений), устойчивый их характер и сложную структуру [Монин, 1978].
Из анализа информации о волнах Россби, континентальных шельфовых и крупномасштабных течений учёным стало ясно, что эти два явления как-то связаны между собой. Так, например, характер распределения по глубине средних за продолжительное время величин кинетических энергий крупномасштабных течений и волн Россби оказался одинаковым [Лаппо, 1979].
Подобного рода связь может быть объяснена с позиции любого из двух указанных сценариев. Однако эту связь большинство учёных объясняли и сейчас объясняют с традиционных позиций о происхождении течений в свете первого сценария: течения ветровые и термохалинные, а волны генерируются ими с помощью механизма неустойчивости течений.
Однако некоторые учёные рассматривали возможность развития событий в обратной последовательности, т.е. в свете второго сценария: волны генерируются атмосферной активностью, а те участвуют в формировании крупномасштабных течений, возможно, наряду с ветровыми и термохалинными течениями.
В конце восьмидесятых годов сотрудниками Института водных проблем РАН выполнялись исследования течений Каспийского моря и было установлено, что в течениях доминируют не ветровые, как ранее считалось, а волновые течения. В частности, тогда и было установлено существование в морях энергетически мощного вида движений вод – континентальных шельфовых волн [Бондаренко, 1993]. Всё изложенное, а также наличие некоторых общих свойств континентальных шельфовых волн и крупномасштабных течений, в частности, распространяться в одном направлении, а также невозможность показать только ветровое или термохалинное происхождение крупномасштабных течений и подсказало авторам [Бондаренко, 1993, Бондаренко, 2000 - 2004], что эти явления должны быть связаны между собой. Предполагалось, что связь должна развиваться по второму сценарию, т.е. континентальные шельфовые волны через механизм отрицательной вязкости или нелинейного взаимодействия волн в виде волнового переноса создают крупномасштабные течения.
Какая из рассмотренных гипотез связи долгопериодных волн и крупномасштабных течений реализуется в естественных условиях должны показать экспериментальные исследования. Частично они будут приведены ниже.
О некоторых закономерностях течений океанов и морей
Ниже приведены данные анализа трёх экспериментов по измерению течений с неподвижного основания: в Каспийском море, в экваториальной зоне Тихого океана и в Охотском море.
Первый эксперимент. Анализировались продолжительные (три года) измерения течений в пункте "Нефтяные камни", расположенном недалеко от Апшеронского п-ва в Каспийском море. Для этого измерения течений были обработаны общепринятым следующим методом. Из непосредственных измерений течений фильтром "скользящее равновесное среднее" с интервалом сглаживания 48 ч были исключены течения высокочастотного диапазона и выделены течения низкочастотного диапазона. Предполагалось, что в этот низкочастотный диапазон входят течения континентальных шельфовых волн и квазипостоянные (рис. 18а), которые рассматривались, как крупномасштабные течения Каспийского моря (рис. 6, гл.I). Течения низкочастотного диапазона были однонаправлены на 1500, вдоль берега. Анализ показал, что составляющие скорости течений, перпендикулярные берегу, существенно меньше составляющих вдоль берега, и поэтому вдольбереговую составляющую можно рассматривать, как вектор или модуль течений.
С помощью фильтра "скользящее равновесное среднее" c интервалом сглаживания 280 ч из низкочастотного диапазона течений (рис. 18а) были выделены переменные течения, пульсации течений, собственно континентальных шельфовых волн с периодом 140 ч (рис 18б) и квазипостоянные, которые, как отмечено выше, мы отнесли к крупномасштабным течениям (рис 18в). В данном случае применительно к квазипостоянным течениям измерения их в точке переносятся на пространство. В принципе это неправомерное действие и оно выполнимо далеко не всегда. Колебания течений континентальных шельфовых волн на рис 18а, б помечены цифрами 1, 2, 3.
В результате анализа этих измерений была получена зависимость скорости квазипостоянных течений U от амплитуды колебания скорости течений континентальных шельфовых волн Vо вида:
U = KVо (1)
Коэффициент корреляции R связи (2) равен 0,88, а К = 1.
Колебания течений континентальных шельфовых волн присутствуют в море постоянно и образуют модуляции (группы, цуги, биения), впрочем, как и во многих других типов волн, состоящие в среднем из восьми колебаний (I-II, II-III, IV-V, V-VI, рис.18а, б) последовательно с малыми - большими - малыми и т.д. амплитудами.
Связь амплитуд колебаний скорости течений волн V0 c величиной скорости квазипостоянных течений U хорошо заметна при рассмотрении рис. 18б, в. Например, на участках графиков около обозначений I, II, III, и т. д. амплитуды колебаний скорости течений волн Россби крайне малы, порядка 1-2 см/c. Соответственно и скорости квазипостоянного течения в эти моменты малы, практически равны нулю (см. I', II', III' и т. д., рис. 18в). Большим волнам соответствует и большие скорости квазипостоянных течений. При этом периоды модуляций континентальных шельфовых волн и крупномасштабных течений практически равны.
Рис. 18а, б, в. Исходные измерения течений Каспийского моря в пункте Нефтяные камни U (а), включающие колебания скорости пульсаций течений, вызванных континентальными шельфовыми волнами V (б) и квазипостоянные, крупномасштабные течения U (в). Цифрами 1, 2, 3 обозначены колебания скорости пульсаций течений, их период ~ 140 ч, цифрами I - VI выделены модуляции пульсаций, а I' - VI' - изменения скорости квазипостоянных, крупномасштабных течений, V0 - амплитуда колебания скорости пульсаций течений.
Второй эксперимент. В [Наlpern, Knox, Luther, 1988] приведены продолжительностью пять лет измерения течений на экваторе в Тихом океане, которые демонстрируют, что события в океанах могут развиваться приблизительно также как и в морях.
Путем осреднения измерений течений по суткам были исключены течения инерционных и приливных волн и выделены течения волн Россби с периодом 20 суток, а путем осреднения по месяцам – квазипостоянные течения, которые, напоминаем, принято относить к крупномасштабным течениям.
Экспериментально установлено, что волны распространяются вдоль экватора на запад с фазовой скоростью 0,9 м/c. На рис. 19а приведена меридиональная составляющая скорости течений волн Россби V0 (вверх на север, вниз на юг) и зональная составляющая переменного по направлению квазипостоянного течения, которое принято относить к крупномасштабному течению (19б), изменяющегося с периодом около года (вниз на запад, вверх на восток). Связь квазипостоянного течения U c амплитудой колебания скорости течения волн Россби подчиняется (1), при K ~ 2, R=0,90.
Связь скорости крупномасштабного течения c величиной амплитуды колебания скорости течений волн Россби хорошо заметна, впрочем, как и в предыдущем эксперименте, непосредственно по измерениям течений. Так, минимальным (I - VI) и максимальным (I' - VI') значениям квазипостоянного течения соответствуют минимальные и максимальные значения амплитуд колебаний скорости течений волн Россби (рис 19а, б). Средние для всей реализации скорости квазипостоянного течения и амплитуды колебания скорости течения волн будут такие: минимальные значения 40, 20 см/c, а максимальные 120, 60 см/c. Можно утверждать, что два процесса: волны и квазипостоянные течения зависимы друг от друга. Особенно хорошо эта зависимость прослеживается там, где волны Россби образуют четкие модуляции.
Наличие модуляций указывает на то, что в данном случае существует две или несколько систем волн с различными периодами, что, в принципе, согласуется с гипотезой Манка - Мура. Так, волны Россби сформированы в модуляции с периодом около года и с тем же самым периодом и в такт с амплитудами колебаний скорости течений волн V0 изменяются и квазипостоянное течение.
Авторы [Наlpern, Knox, Luther, 1988], анализируя эти данные, также заметили существование связи волн Россби с крупномасштабными, квазипостоянными течениями, которая, выражалась в том, что в моменты, когда амплитуды колебаний скорости течений волн V0 в модуляциях были наибольшими, квазипостоянные течения U были направлены на запад и их скорости также были наибольшими. Однако каких-либо объяснений этому феномену и каких-либо количественных оценок связи параметров волн Россби с течениями дано не было.
Рис. 19а, б. Течения, зарегистрированные на экваторе на горизонте 20м. Меридианальная составляющая скорости течений волн Россби V (а) и зональная составляющая квазипостоянного, крупномасштабного течения U' (б). Моменты I - VI и I' - VI' cоответствуют максимальным и минимальным значениям скорости квазипостоянных течений и амплитуд колебания скорости течений волн Россби.
Третий эксперимент. В одной из научных статейприведены непрерывные продолжительностью три месяца измерения течений в Охотском море над банкой Кашеварова на горизонте 140 м и на расстоянии 14 м от дна моря, выполненные при участии сотрудника Тихоокеанского института океанологии РАН Рогачёва К.А. и любезно нам предоставленные[Рогачёв, 2001]. Течения однонаправлены (как и в эксперименте на Каспийском море) с севера на юг (рис. 20а). Фильтром "скользящее равновесное среднее" с интервалом сглаживания 48 ч из этих течений выделены квазипостоянные течения U (обозначены на рисунке жирной линией) и течения собственно приливных волн (рис 20б).
Приливные волны (и течения) состоят из двух гармоник с близкими периодами 25,82 ч и 23,93 ч, в результате чего в течениях образуются модуляции с периодами 13,66 ч (I - II, II - III, III - IV и т.д. (рис. 20 а, б). В моменты I, II, III, и т.д., когда фазы волн ~ 1800, то амплитуды колебаний скорости собственно волновых течений минимальны, в моменты I', II', III' и т. д., когда фазы волн ~ 0о, максимальны (рис. 20б). С тем же самым периодом (13,66 ч) и пропорционально величинам амплитуд колебаний скорости течений приливных волн Vо изменяется и квазипостоянные течения U, приблизительно, как (1). Полученная связь скорости квазипостоянного течения U с величинами амплитуд колебаний скорости течений приливных волн Vо характеризуется зависимостью (1) с параметрами: К ~ 3 , R ~ 0,9. Максимальные значения амплитуд колебаний скорости течений приливных волн равны ~35 cм/c, а волнового переноса ~ 120 см/c. Если рассчитывать волновой перенос по методу Лагранжева переноса, то он должен быть ~ 5 см/c, расхождения с наблюдаемыми весьма и весьма существенны.
По результатам этих экспериментов был сделан вывод: долгопериодные волны генерируют течения в режиме одновременной их связи. Такая связь не может быть объяснена с позиции ни одного из указанных ранее механизмов: нелинейного взаимодействия волн, отрицательной вязкости в волнах или неустойчивости течений. Мы пришли к выводу, что это некий механизм типа Лагранжева или Стоксова переносов. Была опубликована статья: “О переносе масс воды морскими и океанскими волнами” [Бондаренко, Жмур и др., 2004]. Результаты и тогда у нас вызвали сомнение. “Слишком большая величина волнового переноса”, - отмечал теоретик В.В. Жмур. На что экспериментатор, аналитик А.Л. Бондаренко возражал: “Так это может быть в глубоком море, а у нас оно мелкое и это эксперимент показывает, он вроде бы чисто выполнен и обработан”. “Да, он чисто выполнен, но всё равно и для мелкого моря это очень большой перенос”. Решено было статью опубликовать, однако вывод сделать очень осторожный, писалось не о существовании механизма переноса вод волнами, а о возможности его существования.
Рис. 20а, б. Течения над банкой Кошеварова в Охотском море(а), оно постоянно направлено на юг. На рис.3 а плавной жирной линией выделены квазипостоянные течения U. На рис. 3 б представлена собственно приливная часть течения с амплитудой V0.
Отметим сразу же, что этот метод выделения течений хотя и общепринятый, но, как увидим, неверный. Будет показано, что В.В. Жмур был прав – волновой перенос не может быть большим. Но об этом позже. А пока мы рассмотрим, является ли закономерность (1) справедливой для морей и океанов в целом.
О некоторых закономерностях течений океанов и морей. Экспериментальные исследования. Из изложенного в предыдущем разделе было установлено, что течения включают некую квазипостоянную часть течений, получившую название крупномасштабных течений, и пульсационную, образованную долгопериодными волнами.
Мы проанализировали свыше двухсот дрифтерных измерений течений в Чёрном море, в районе Гольфстрима, Куросио, Сомалийского, Восточно-Австралийского, Бразильского течений и установили, что течения в них имеют подобный, описанному ранее, пульсационный характер. Скорость измеренного течения изменяется от нуля (или приблизительно от нуля) и при этом модуль скорости квазипостоянного течения U равен амплитуде колебания скорости пульсаций V0, т.е. выполняется (1) при К ~ 1.
Рис. 21а, б, в, г, д. Векторы средних по ансамблю измерений течений. Область с большими скоростями течений соответствует крупномасштабным течениям: Чёрного моря (а), Гольфстрима (б), Куросио (в), Сомалийского (г).
Далее в качестве образца приводим отдельные результаты экспериментальных исследований течений в указанных выше объектах: Чёрном море, Гольфстриме, Куросио, Сомалийском течениях. На рис. 21а, б, в, г приведены средние по ансамблю наблюдений течения в них.
На рис. 22 а, б, в, г и 23а, б, в, г приведены типичные трассы дрифтеров и, соответственно, графики модуля скорости течений по трассе.
Мы видим, что течения в целом одно направлены и отсутствуют движения вихреобразной формы. Вместе с тем, модуль течений пульсирует, в минимумах скорости крайне малы, соизмеримы с нулём. Если течения, изображённые на рис. 23а, б, в, г подвергнуть фильтрации с интервалом сглаживания приблизительно равным периоду пульсаций, то удаётся выделить в “чистом” виде пульсации и крупномасштабные течения. При этом будет выполняться соотношение (1). Такое течение является длинноволновым и состоит из квази циклических по форме течений собственно волн Россби и крупномасштабных однонаправленных течений.
Рис. 22а, б, в, г. Трассы дрифтеров, в течениях изображённых на рис. 21а, б, в, г. Цифры около кружочков – время движения дрифтера в сутках с начала его запуска.
Рис. 23а, б, в, г. Модуль скорости течений по трассам дрифтеров, изображённых на рис. 22а, б, в, г.
Обсуждение, выводы. Экспериментально получена одновременная связь скорости квазипостоянных, крупномасштабных течений и амплитуд колебаний скорости течений долгопериодных волн в виде (1). Величины U и V0 соизмеримы, а точнее К ~ 1 - 3 при коэффициентах корреляции 0,8 - 0,9, что позволяет рассматривать эту связь, как близкую к функциональной. Связь (1) качественно похожа на получаемую с помощью соотношений Лагранжа и Стокса. Это указывает на то, что в данном случае механизмы передачи энергии в виде “накачки” не работают. А поэтому указанные выше гипотезы формирования волн течениями и формирования течений волнами в экспериментах не реализуются.
В данном случае не реализуются и механизмы образования течений в виде Стоксова или Лагранжева переносов, ибо коэффициенты К для волн Россби и приливных небольшие и составляют ~0,01 - 0,05 [Longuet-Higgins, Wunsh, 1973], т. е. существенно меньше величин, полученных в эксперименте.
Не может быть и речи о реализации гипотезы формирования волн неустойчивостью крупномасштабных течений. В этом нас убеждает третий эксперимент, приливные волны генерируются не течениями, а приливообразующими силами.
Из соотношения (1) при больших коэффициентах корреляции следует, что величина U , точно также как и V0 принадлежат определённой волне и в этом случае U не крупномасштабное течение и V0 не амплитуда. Связь (1) указывает на то, что нет крупномасштабного течения, а есть долгопериодные волны, включающие компоненты U и V0 . Что представляют эти волны мы рассмотрим позже. Там будет показано, что амплитуда волны равна сумме компонент U и V0.
Мы уже отмечали в предисловии, что приблизительно к такому же выводу пришёл К. Россби задолго до обнаружения волн Россби в океанах [Бетяев, 2007]. Более подробно обо всём этом далее.
Сведения об авторе.
Альберт Леонидович Бондаренко, океанолог, доктор географических наук, ведущий научный сотрудник Института водных проблем РАН. Область научных интересов: динамика вод Мирового океана, взаимодействие океана и атмосферы. Достижения: доказательство существенного влияния океанических волн Россби на формирование термодинамики океана и атмосферы, погоды и климата Земли.