Рассмотрим примеры регистрации течений антициклонических циркуляций  Атлантического океана (рис. 5.1.). Целесообразно начать с экваториальной зоны.

            В  регионе Южного Экваториального течения Атлантического океана. в 1983-1984 г.г. производились измерения скорости течений (Weisberg R. H., Weingarten T. J. 1988). На рис. 5.5 (слева) представлено расположение приборов. Авторы считают, что зарегистрирован процесс генерации планетарных волн. На рис. 5.5 (справа) показана временная серия меридиональной компоненты скорости на глубине 10 м. АБС расположенных вдоль 28° з. д. Очевидны пакеты волн, содержащие от 2 до 3 колебаний с пиками амплитуды 50-75 см/с. появляющиеся около мая 1983 и 1984 во всех пунктах, исключая 6°N, 4°W. В оба года эти колебания имели центральный период 25 суток.

            Weisberg R. H., (1984) показывает пакеты поверхностных волн, распространяющихся в западном направлении, генерируемых баротропной нестабильностью, наблюдаемых в экваториальной Атлантике в течение 1983 г. (рис. 5.6 левый). Пакеты волн появляются в середине мая на 28° з. д. и несколько позже на 15° з. д. Пакеты существуют 2-3 цикла с основным периодом 25 суток и зональной длиной волны 1140 км. Фаза распространялась в западном направлении с фазовой скоростью 53 см/с. (Судя  по рис. 5.6 левый, пик одноименной волны в т. 28° 09′ появился 3 июня, в т. 14° 27′ - 24 июня, т.е. через 21 день. Простой расчет дает 30 см/с. в восточном направлении, а не в западном, как написано в статье).

  

 

Рис. 5.5. Места установки измерителей течений в эксперименте SEQUAL/FOCAL (левый). Нестабильные волны в экваториальной области Атлантического океана (Weisberg R. H., Weingarten T. J. 1988) (правый).

 

            Профили глубинных скоростей, сделанные в Экваториальной Атлантике, показывают захваченные экватором глубинные струйные течения со сходными чертами в Индийском и Тихом океанах (Gouriou Y., Bourles B., Mercier H., Chuchla R. 1999). Зональные профили скорости зарегистрированные на экваторе 35°W в апреле 1996 г. показывают сложную вертикальную структуру с чередующимися минимумами и максимумами скорости (рис. 5.6 справа). Сильное течение проистекающее в восточном направлении на 80 метровой глубине – это экваториальное противотечение. Течение проистекающее в западном направлении - это экваториальное промежуточное течение (от 200м. до 800 м.).

            Ниже этих двух известных проявлений экваториальных циркуляций наблюдается чередование максимума и минимума скорости. Показано, что до глубины 200 м. течения в основном западного направления. Ниже 2500 м. наблюдаются скорости течений от 5 до 10 см/с. Эти измерения могут подтверждать, что зональный масштаб струйных течений сравним с наблюдаемыми в Индийском и в Тихом океанах.

            Во многих работах отмечается, что в районе экватора Тихого океана наблюдаются такие же нестабильные длинные волны, как на экваторе Индийского и Атлантического океанов. Для получения дополнительной информации о природе этих волн рассмотрим пример измерения течений на экваторе Тихого океана в пункте 0°, 110° з.д., на глубине 10 м. Эти наблюдения продолжаются более 15 лет (ТОGО ТАО).

На рис. 5.7 представлена зональная составляющая (З – В) изменчивости течений за три года, на рис. 5.8 представлена меридиональная составляющая тех же течений. Анализируя эту запись, можно сделать следующие выводы:

   

Рис. 5.6. Меридиональные компоненты экваториальных течений в форме волн Россби на глубине 10 м. (Weisberg R. H. 1984)(левый). Глубинный профиль зональной компоненты скорости в см/с, в пункте 0°-35°W, в апреле 1996 г. (Gouriou Y., Bourles B., Mercier H., Chuchla R. 1999).(right).

Рис. 5.7. Пример измерения скорости течения на экваторе Тихого океана в пункте 0°, 110° W на глубине ё10 м. Меридиональная компонента.

           

            Скорость и направление зонального течения имеют периодическую изменчивость с периодом 17 суток, амплитуда изменчивости от 0 до 100 см/с. на фоне изменяющегося потока в западном направлении. Период изменения течения в западном направлении около года, величина скорости изменяется от 0 до 160 см/с.

Рис. 5.8. Пример измерения скорости течения на экваторе Тихого океана в пункте 0°, 110° W на глубине ё10 м. Зональная компонента.

 

            На экваторе Тихого океана в пункте на 15° восточнее Галапагосских островов производились глубинные (на глубине 3300 м.) измерения течений в 1975 г. (Harvey, Pattsert 1976).. На рис. 5.9 справа показано положение пункта измерения в океане, на рис 5.9 слева представлены изменчивость меридиональной и зональной компонент течений в двух точках в продолжении двух месяцев. Измеряемые течения колеблются с периодом 25 суток, длина волны около 1000 км., амплитуда изменчивости течений 4-7 см/с., фазовая скорость в западном направлении 0,5 м/с. Авторы говорят, что измерены течения длинных волн.

 

          

Рис. 5.9. Изменчивость зональной и меридиональной компонент течений в двух точках Тихого Океана в продолжении двух месяцев (левый)юПозиции пунктов измерения в океане (правый) (Harvey, Pattsert 1976).

  

 

            Продолжим рассмотрение дальнейшего продвижения волновых течений в западном направлении в Атлантическом океане.

            Экваториальное течение достигает берегов Бразилии и здесь называется «Глубинное западное граничное течение» (ГЗГТ), дробится на 2 ветви. Одна ветвь показана траекторией поплавков нейтральной плавучести SOFAR (Sound Fixing And Ranging floats) на горизонте 800 м., захваченных планетарными волнами. Они продолжают движение экваториальных течений по направлению к западному берегу Атлантики (рис.5.10). Эти волны формировались около экватора и распространялись в западном направлении к западному берегу Атлантики и затем в северном направлении вдоль берега.

                    

Рис. 5.10. Траектория буя нейтральной плавучести на глубине 800 м. (программа Sound Fixing And Ranging – SOFAR). Дрифтер захвачен в планетарной волне. (Richardson P. L ,Schmitz W. J. 1993).

 

Вторая ветвь наблюдалась в глубоководных записях от 44 град. з. д., 2 град ю. ш. до 33 град з. д., 3,5 град ю. ш.  после пересечения экватора на 44 град з. д.(рис.5.11).  Течения в пределах ветви глубинного западного берегового течения показывает, что главный вклад в изменчивость около экватора был скорее пульсациями, чем меандрированием  (Fischer J., Schott F. A. 1997). Анализ временных серий течений (рис.5.11) показывает период изменчивости 60 суток, и 25-30 суток доминируют в изменчивости на всех трех уровнях глубинного западного берегового течения (1500, 1800, 2100 м).

 

         

Рис. 5.11. Изменчивость скорости течения у берегов Бразилии (Fischer J., Schott F. A. 1997).

 

            Дальнейшую эволюцию свойств волн показывают траектории дрифтеров в Мексиканском заливе (рис. 5.12 левый). Авторы показывают, что наиболее значительными чертами течений Мексиканского залива являются интенсивные антициклонические ринги, распространяющиеся петлевыми течениями. Эти ринги переносят тепло и соль в западную часть Мексиканского залива, и так же транспортируют значительное количество момента силы (Lewis J. K., Kirwan A. D., 1985).

Таким образом изучается путь следования рингов в заливе.

  

 Рис. 5.12. Траектории дрифтеров в Мексиканском заливе (левый) (Lewis J. K., Kirwan A. D. 1985),  пункты измерения скорости течения (Kelly et all, 2002) (правый).

 

 

 

 

            Мы имеем другое мнение о кинематике наблюдаемых движений воды.  Экваториальное волновое течение проистекает в Мексиканский залив., как в западню, многократно отражается от берегов и образует ринги петлевого течения (Щевьёв В. А. 2007).

            (Kelly et all, 2002) описывают наблюдения измерителями течений в двух точках АБС (эйлеровы измерения) свала глубин в течение 6 месячного периода с марта по август 1999 г. Буй М располагался в северо-западной части Мексиканского залива на 57 м. глубине, буй N был расположен в 32 км. дальше от берега (рис. 5.12, справа).

                

Fig 5.13. May 1999 time-series plots of half-bourly current velocity, in stick vector form

Recordedby (from the top): Buoy M at 2 m, and Buoy N at 9 m, 29 m, 49 m, 69 m, and 94 m. The origin of each stik vector is on the x axis; north is vertically up; and magnitude scale is along the y-axis. (Kelly et all, 2002).

 

            Данные наблюдений показывают, что сначала ринги двигаются через залив в западном направлении, затем, после достижения берега, в северном направлении. Средняя скорость перемещения рингов в западном направлении равна 2,5 - 8 см/с. Скорость в вихре, в водовороте 50-75 см/с. Типичный радиус 150-183 км. Типичный период вращения 15 суток. Менее известно о частоте образования рингов. Зарегистрировано образование 3 рингов в год. Другие сообщают об образовании одного ринга в 10 мес.

            Верхняя панель на рис.5.13 показывает временную серию векторов течений (через полчаса) в векторной форме, записанные на АБС М на 2,5 м ниже поверхности воды. В потоке доминируют вращения по часовой стрелке приблизительно суточного периода (влияние ветра, ветровые течения). Записи на глубине 9 м. демонстрируют такие вращения короткий период в начале. Продолжение записи содержит более постоянный поток, который флюктуирует между северным и южным направлениями.

            На более глубоких горизонтах (29 м. – 34 м.) (рис.5.13) показан постоянный поток не суточного периода когерентный по частоте по всему 105 м. столбу воды.

            Дальнейшее движение крупномасштабной циркуляции показано в работе (Philip L. Richardson, 1991). На рис. 5.14 показаны траектории 230 дрифтеров, запущенных с 1972 по 1989 г.г. на глубинах до 2000 м. в северной Атлантике в районе Гольфстрима и прилегающих к нему. Статья начинается с фразы: ”Здесь есть кое-что удивительное о поверхностных траекториях дрифтеров”. Что же удивило авторов? Несмотря на то, что на одном рисунке приведены все траектории, что делает невозможным проследить за конфигурацией траектории каждого дрифтера, ясно, что течение имеет вихревой и волновой характер. Из текста статьи следует, что половина дрифтеров совершали вращательное движение по часовой стрелке, другая половина против. Можно найти доводы в пользу вихревой структуры течений Гольфстрима, другие доводы свидетельствуют в ползу волновой природы наблюдаемых течений. Траектории дрифтеров имеют петлеобразный характер, авторы называют их Eddys.

               

Рис. 5.14. 240 дрифтерных траекторий в Северной Атлантике. Программа SOFAR ( Sound Fixing And Ranging ). . (Philip L. Richardson 1991).

 

            Но более правильно можно показать природу наблюдаемых движений вод Гольфстрима, если показать изменение скорости перемещения дрифтера вдоль траектории. Если бы дрифтер двигался в вихре, то скорость его перемещения изменялась бы мало. На рис. 5.15 видно, что скорость изменяется как в волновом течении (Бондаренко А. Л. 2009). Скорость возрастает до максимального значения (1-2 м/с), затем уменьшается до 5 см/с., иногда поток почти останавливается, затем снова приходит в движение. Таким образом происходит движение в волновых течениях. Скорость в вихре изменяется мало. Наиболее распространенное название этих течений – волны Россби.

Рис. 5.15. Изменчивость скорости перемещения дрифтера №12046 вдоль траектории (Бондаренко А. Л.).

 

            Три вихря в серединных водах Атлантики проследовали в восточной Атлантике длительное время (Philip L. Richardson. 1991). Один дрифтер совершил 114 петель за 821 день. Этот вихрь можно видеть на рис. 5.16 (около 22° W между 22° and 32° N). Другой из этих вихрей наблюдался около 31° N, 28° W, дрейфовал 8 месяцев, третий вихрь дрейфовал в южном направлении полтора года.

            Эти 3 траектории дрифтеров в восточной части Атлантики показывают восточную ветвь (в южном направлении) крупномасштабной антициклонической циркуляции Северной Атлантики.

                     

Рис. 5.16. Три траектории дрифтеров в восточной атлантике в продолжении длительного периода. (Philip L. Richardson. 1991).

Fig. 5.16. Three Mediterranean water eddies (Meddies) were tracked in the eastern Atlantic for long time periods (Philip L. Richardson. 1991).

 

            Интересен пример измерений параметров течений на периферии района Гольфстрима. Этот грандиозный эксперимент (ПОЛИМОДЕ) был задуман для изучения океанских вихрей. На рисунке 5.17 видна синхронная изменчивость скорости и направления течений по всем горизонтам до глубины 4-5 км. с периодом 1-1,5 мес. Этот пример показывает, что ветер не может образовать этих течений.

 

          

Рис. 5.17. Изменчивость течений в Северной Атлантике. Эксперимент POLYMODE.

            Приведенные выше примеры показывают, что антициклонические циркуляции в северных и южных частях трех океанов существуют отдельно в виде результирующего движения длиннопериодных волновых течений (рис. 5.1, 5.2, 5.3 толстые линии).

            Длиннопериодные волны наблюдаются в любом месте этих циркуляций. Правильнее говорить: «Крупномасштабные циркуляции существуют в виде длиннопериодных волновых течений (ДПВТ)». Предположительно ДПВТ образуются на экваторе, и далее распространяются в западном направлении. Достигнув берега, растекаются на север на юг, образуя антициклонические циркуляции в северной и южной частях трех океанов (Рис. 5.1, 5.2, 5.3).

            ДПВТ преимущественно регистрируются двумя методами:

                        а) Измерителями течений на АБС.

                        б) Дрифтерными наблюдениями.

            Каждый из методов имеет свои преимущества и недостатки, и область применения.

Траектории дрифтеров часто имеют петлеобразный характер. Поэтому возникает впечатление, что дрифтер попал в вихрь и передвигается вместе с ним. Изменчивость скорости движения дрифтера вдоль траектории помогает понять, каков характер движения в действительности (Рис. 5.15). В вихре скорость движения  изменяется мало. Скорость движения в волновом течении изменяется периодически. Дрифтер совершает движение по петлевым орбитам в тех случаях, когда появляется составляющая скорости перпендикулярная направлению движения, сравнимая по величине с составляющей в направлении движения. Кроме того возможны ошибки в интерпретации наблюдений, когда дрифтер может переходить из одного потока в другой, даже противоположно направленный. Для более определенного выявления пространственного распределения течения необходимы дополнительные исследования, например распределения водных масс.  

            Учитывая вышеизложенное, можно дать методические рекомендации для измерений волновых длиннопериодных течений.

            Продолжительность измерений должна быть больше 100 периодов. Получить точные измерения можно только, если прибор установлен неподвижно.

            Для измерения фазовой скорости волновых течений необходимо расположить 2 измерителя течений вдоль пути распространения течения на расстоянии приблизительно 0,25 – 0,5 длины волны (Бондаренко А. Л. 2009). Затем вычисляется фазовая скорость по разнице времени прохождения одноименной точки волны через  эти пункты измерения.