Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Географическое положение и океанологические условия в районе Южной Полярной фронтальной зоны 11
1.1 Используемые определения и концепции 11
1.2 Краткая физико-географическая характеристика изучаемого района 13
1.3 Теоретические аспекты динамики мезомасштабных вихрей в океане 20
1.4 Динамика вод в районе Южной Полярной фронтальной зоны 24
Глава 2. Материалы и методы анализа 27
2.1 Алгоритм Челтона для обнаружения и трекинга вихрей 27
2.2 Используемые данные 30
2.3 Методы подготовки исходных данных 35
2.4 Методы анализа данных 40
Глава 3. Пространственное распределение мезомасштабных вихрей и их параметров 47
3.1 Пространственное распределение мезомасштабных вихрей 47
3.2 Пространственное распределение параметров мезомасштабных вихрей 65
3.2.1 Соотношение между циклонами и антициклонами 65
3.2.2 Районы генерации и диссипации вихрей 69
3.2.3 Динамические параметры вихрей 72
3.2.4 Время существования вихрей 100
3.3 Обсуждение результатов и выводы по Главе 3 101
Глава 4. Временная изменчивость распределения мезомасштабных вихрей и их параметров 107
4.1 Временная изменчивость количества наблюдений мезомасштабных вихрей и их параметров в масштабах района исследования 107
4.2 Пространственная неоднородность динамики мезомасштабных вихрей и их параметров в различных секторах изучаемого района 124
4.3 Факторы, определяющие динамику мезомасштабных вихрей на разных временных и пространственных масштабах 134
4.4 Обсуждение результатов и выводы по Главе 4 138
Заключение 143
Список литературы 146
- Краткая физико-географическая характеристика изучаемого района
- Пространственное распределение мезомасштабных вихрей
- Динамические параметры вихрей
- Пространственная неоднородность динамики мезомасштабных вихрей и их параметров в различных секторах изучаемого района
Введение к работе
Актуальность исследования. Южная Полярная фронтальная зона (ЮПФЗ) является важнейшей фронтальной зоной Мирового океана, отделяющей Антарктику от области умеренных широт [Грузинов, 1986]. В этой циркумполярной зоне, заключенной между Южным Полярным фронтом (ПФ) на юге и Субантарктическим фронтом (САФ) на севере, происходит взаимодействие водных масс различного широтного происхождения и интенсивный меридиональный водообмен, в результате чего ЮПФЗ является важным элементом термохалинной циркуляции Мирового океана.
Мезомасштабные (синоптические) вихри представляют собой замкнутые круговороты вод с горизонтальными размерами порядка 100 км и временем существования от нескольких недель и более [Chelton et al., 2011]. Их динамика в значительной степени определяет распределения полей скоростей течений, температуры и солености. Мезомасштабные вихри являются важным фактором горизонтальной и вертикальной динамики вод [Thompson, 2008] и играют ключевую роль в меридиональном водообмене через ЮПФЗ [Голивец и Кошляков, 2004; Кошляков и Тараканов, 2011]. Значительно влияние мезомасштабных вихрей на биопродуктивность акваторий [Nel et al., 2001] и распределение промысловых скоплений гидробионтов Южного океана (например, антарктического криля Euphausia superba [Чурин, 2016]).
В связи с этим анализ пространственного распределения и временной изменчивости мезомасштабных вихрей в районе ЮПФЗ является ключевым фактором понимания океанологических процессов широкого диапазона масштабов в Южном океане, их пространственной неоднородности в различных его секторах, а также является важным шагом к уточнению оценок меридионального водообмена через ЮПФЗ. Подробные представления о динамике мезомасштабных вихрей в изучаемом районе предоставят
возможность уточнить их влияние на биопродуктивность и распределение гидробионтов.
Динамика мезомасштабных вихрей в районе ЮПФЗ и Южном океане в
целом изучена недостаточно детально. Имеющиеся исследования
характеризуются взаимной разнородностью используемых данных и методов их
анализа [Stammer, 1998; Hallberg and Gnanadesikan, 2006; Klocker and Abernathey,
2014], зачастую фрагментарны по пространству [Бородин, 2016; Чурин, 2016],
что затрудняет получение комплексного представления на основе сопоставления
результатов. Недостаточное внимание уделено изучению временной
изменчивости полей мезомасштабных вихрей и их параметров.
Таким образом, вопросы о пространственном распределении
мезомасштабных вихрей в районе ЮПФЗ, временной изменчивости их параметров, а также определяющих эти процессы факторах остаются открытыми.
Цель исследования: на основе имеющегося в открытом доступе массива данных о мезомасштабных вихрях Мирового океана проанализировать пространственно-временное распределение и динамику мезомасштабных вихрей и их параметров в районе циркумполярной ЮПФЗ в связи с положением формирующих ее фронтов и рельефом дна изучаемого района.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Изучить пространственно-временное распределение и динамику мезомасштабных вихрей и их параметров: определить области наибольшей, средней и наименьшей концентрации вихрей, получить пространственное распределение и характерные значения параметров вихрей, выявить особенности перемещения вихрей в пространстве, определить места генерации вихрей и их диссипации, выявить особенности сезонной и межгодовой динамики, определить тенденции во временной изменчивости;
-
Исследовать региональные различия внутри района исследования;
3. Выявить факторы, определяющие распределение и динамику мезомасштабных вихрей.
Научную новизну исследования составляют основные положения, выносимые на защиту. Установлено:
-
Пространственное распределение плотности концентрации вихрей (количество на единицу площади) в районе ЮПФЗ неоднородно и определяется особенностями динамики вод и рельефа дна. Бльшая часть района исследования (открытые районы океана) занята областями средних концентраций вихрей (40–80 вихрей на окрестность с радиусом 0.733). Минимальные концентрации вихрей (0–40) наблюдаются в шельфовых областях, к югу от зоны Антарктического циркумполярного течения (АЦТ) и над крупными подводными хребтами/поднятиями дна, максимальные (80– 120) – в областях интенсивной динамики вод (в частности, в области фронтов АЦТ) и в акваториях, непосредственно прилегающим к подводным хребтам/поднятиям;
-
Наибольшие пространственные различия характерны для распределения значений скорости вращения, амплитуды, зональной и меридиональной компонент (а также их результирующих) перемещения вихрей. При этом пространственное распределение значений радиуса и скорости перемещения вихрей не обнаруживает отчетливых закономерностей. Наиболее интенсивные и подвижные вихри приурочены, в основном, к зоне АЦТ;
-
В изучаемом районе в период 1992–2012 гг. имеет место одновременное сосуществование двух тенденций: к снижению количества наблюдений вихрей при возрастании относительной доли циклонов и росту эффективности осуществляемого вихрями водообмена в северном направлении за счет изменения их параметров (роста размеров, скоростей,
продолжительности существования, меридиональной компоненты
перемещения);
-
В структуре временной изменчивости количества наблюдений вихрей в изучаемом районе доминируют короткопериодные колебания с периодом 3 месяца. Выявлены долгопериодные колебания с периодами 4 года и 13 лет, которые могут быть ассоциированы с крупномасштабными процессами в системе океан–атмосфера (Антарктическая циркумполярная волна) и с 11-летним циклом солнечной активности соответственно. Наиболее интенсивные вихреобразование и его изменчивость наблюдаются в летний период Южного полушария (октябрь–март), а на зимний период (апрель–сентябрь) приходится фаза стабилизации с более низкими значениями;
-
В период 1992–2012 гг. в атлантическом, индоокеанском и тихоокеанском секторах изучаемого района отмечается тесная прямая взаимосвязь изменчивости количества наблюдений вихрей при отсутствии взаимосвязи изменчивости соотношения между количеством наблюдений антициклонических и циклонических вихрей. Степень взаимосвязи изменчивости значений параметров вихрей неодинакова в секторах изучаемого района.
Достоверность полученных в настоящей работе результатов
обусловлена использованием значительного объема современных данных, характеризующихся полнотой географического охвата и длительным периодом наблюдений ( 20 лет). Полученные результаты и выводы основаны на использовании методов одномерного и многомерного статистического анализа данных с широким применением геоинформационных сред. Изложенные в диссертационном исследовании положения и выводы не противоречат имеющимся на сегодняшний день представлениям о динамике вод изучаемого района.
Научное и практическое значение исследования определяется достигнутым прогрессом в изучении пространственного распределения и временной изменчивости мезомасштабных вихрей и их параметров в районе ЮПФЗ.
В настоящей работе впервые на основе единого методического подхода и
исходных данных описаны мезомасштабные вихри ЮПФЗ и прилегающих
акваторий, проанализированы их пространственное распределение и временная
динамика, а также выявлены региональные различия, приуроченные к
конкретным секторам Южного океана. Установлены особенности
пространственного распределения параметров мезомасштабных вихрей, описаны вихреобразование и диссипация вихрей в районе исследования. Впервые оценена изменчивость параметров мезомасштабных вихрей изучаемого района во времени. Получены новые сведения о синоптической, сезонной и межгодовой изменчивости полей мезомасштабных вихрей в Южном океане. Рассмотрены факторы, определяющие распределение и динамику вихрей.
Ценность полученных в работе результатов обусловлена значением
мезомасштабных вихрей в динамике вод района ЮПФЗ, ролью этого района в
циркуляции Мирового океана. Новые представления о динамике
мезомасштабных вихрей могут стать основой для более точной оценки меридионального водообмена через ЮПФЗ и отклика Южного океана на климатические колебания, а также более детального понимания и прогнозирования биопродуктивности обширных акваторий Южного полушария. Использованные методы статистического и геоинформационного анализа, а также подходы к их применению при работе с разнородными океанологическими данными могут послужить основой для проведения аналогичных исследований в других регионах Мирового океана.
Личный вклад автора состоит в поиске и подготовке исходных массивов данных, формировании выборок и последующем проведении их детального
статистического и пространственного анализа на основе ряда методов, специально отобранных исходя из задач исследования. Выбранные автором методы позволили эффективно перейти от отдельных мезомасштабных вихрей к характеристикам их пространственно-временного распределения и получить комплексную характеристику динамики мезомасштабных вихрей в районе ЮПФЗ в период с 1992 по 2012 гг. Автором выполнялась интерпретация полученных результатов с формулировкой основных выводов. По итогам проводилась апробация результатов – подготовка публикаций и выступлений на российских и международных научных конференциях.
Апробация диссертационной работы. Основные результаты работы
докладывались на конференциях Балтийского федерального университета имени
Иммануила Канта (Калининград, 2015, 2016), Санкт-Петербургского
государственного университета (Санкт-Петербург, 2014), на II конференции
Калининградского отделения Русского географического общества
(Калининград, 2014), представлялись на XVI всероссийской конференции по промысловой океанологии (Калининград, 2014), международной конференции «Потоки и структуры в жидкостях» (Калининград, 2015), на конференции CLIVAR-2016 (Циндао, 2016), на XIV всероссийской конференции "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из Космоса" (Москва, 2016).
Публикации. Материалы диссертации полностью изложены в работах, опубликованных соискателем. По теме диссертации опубликовано 12 работ, из которых: 3 работы – в изданиях, рекомендованных ВАК [1–3], 1 статья – в журнале, входящим в международную базу научного цитирования Agris [4], 2 статьи в сборниках научных трудов [5, 6] и 6 тезисов докладов на российских и международных конференциях.
Благодарности. Автор выражает особую благодарность своему научному руководителю д.г.н., профессору Чернышкову Павлу Петровичу; сотрудникам
ИО РАН: д.ф.-м.н., члену-корреспонденту РАН Гулеву С.К., д.ф.-м.н., профессору РАН Тараканову Р.Ю., к.ф.-м.н. Гинзбург А.И., к.ф.-м.н. Тилининой Н.Д.; сотрудникам РГГМУ: д.г.н., профессору Малинину В.Н. и к.г.н., доценту Гордеевой С.М.; д.ф.-м.н., профессору БФУ им. И. Канта Гриценко В.А.; к.г.н. Бородину Е.В.; сотрудникам АтлантНИРО: Краснобородько О.Ю., к.г.н. Чурину Д.А., к.г.н. Полищуку И.А. за внимание к работе и конструктивную критику.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из Введения, четырех глав, Заключения и Списка цитируемой литературы из 135 наименований (из них 80 на иностранном языке). Полный объем диссертации – 156 страниц, включая 74 рисунка и 24 таблицы.
Краткая физико-географическая характеристика изучаемого района
Район исследования в настоящей работе приурочен к ЮПФЗ, которая, в свою очередь, расположена на северной периферии Южного океана.
Циркумполярно непрерывный Южный океан на широтах ЮПФЗ испытывает минимальное влияние со стороны конфигурации суши. Отчетливо это влияние проявляется лишь в проливе Дрейка, где имеет место наименьшее расстояние между Антарктидой и Южной Америкой. При этом существенную роль в циркуляции Южного океана играет рельеф дна [Gille and Llewellyn Smith, 2003; Gille et al., 2004], топография которого имеет сложный и пространственно неоднородный характер (рисунок 1).
Ключевыми элементами рельефа дна Южного океана являются переходная область моря Скотия и ложе океана, которое состоит из трех крупных котловин (Атлантической, Индоокеанской и Тихоокеанской), разделенных срединно-океаническими хребтами на ряд более мелких, характеризующихся неоднородностью локального рельефа [Гидрометеорологическое обеспечение…, 1985]. Типичные глубины над ложем Южного океана составляют 4000–5000 м.
Другой важной особенностью Южного океана являются обширные поднятия дна, такие как плато Кэмпбелл и плато Кергелен. Эти крупные формы подводного рельефа существенно влияют на динамику всей толщи вод Южного океана, определяя направление основного потока вод, интенсифицируя вихреобразование и перемешивание [Gille and Llewellyn Smith, 2003; Gille et al., 2004]. При этом влияние рельефа дна сказывается не только на крупномасштабной динамике вод, но и на локальной циркуляции меньших масштабов [Афанасьев и Масленников, 1983].
В результате рельеф дна и орография суши, являясь консервативными во времени факторами, обуславливают весь спектр существующих в изучаемом районе океанологических и гидрометеорологических условий.
Ключевым элементом циркуляции Южного океана является характеризующееся восточным переносом Антарктическое циркумполярное течение (АЦТ), представляющее собой самое мощное течение Мирового океана (проникающее практически до дна [Масленников, 2003]) с расходом порядка 134±13 Св в районе пролива Дрейка [Rintoul et al., 2001]. Несмотря на то, что на локальных участках АЦТ направление переноса вод может отличаться от восточного (что обусловлено, прежде всего, особенностями рельефа дна), общее направление переноса циркумполярно неизменно. Поле скоростей в АЦТ распределено неравномерно, наибольшие значения скорости приурочены к струям течения. Участки вод между струями характеризуются значительно меньшими скоростями. Наиболее мощные и квазипостоянные струи ассоциируются с фронтами Южного океана. При этом струи сохраняют свою устойчивость вплоть до придонных горизонтов, несмотря на монотонное убывание скорости потока с глубиной.
Для зоны АЦТ характерна интенсивная вихревая активность, обусловленная прежде всего бароклинной неустойчивостью течений и влиянием рельефа дна, а также другими факторами [Rintoul et al., 2001]. Меандрирование струй и генерация циклонических и антициклонических мезомасштабных вихрей еще сильнее усиливают пространственную неоднородность АЦТ.
Зона АЦТ характеризуется сложной фронтальной структурой. Северной границей АЦТ является северная периферия струи, соответствующей Субантарктическому фронту (САФ), а южной – гидрологический фронт Южной границы АЦТ (ЮгАЦТ). В свою очередь, внутри зоны АЦТ расположена ЮПФЗ, заключенная между САФ на севере и мощным климатическим Южным полярным фронтом (ПФ) на юге (и изучаемая как географический объект в настоящей работе). К югу от ПФ находится менее градиентный фронт Южной ветви АЦТ (ЮФАЦТ). Пространственное положение САФ и ПФ согласно [Orsi et al., 1995] представлено на рисунке 2.
В отечественной литературе ЮФАЦТ именовался как Вторичная фронтальная зона Антарктики (ВФЗА) [Масленников, 2003]. В работе [Кошляков и Тараканов, 2014] ЮФАЦТ именуется как Южное антарктическое течение (ЮАТ). Подробное описание фронтов АЦТ содержится в работе [Масленников, 2003].
Таким образом, ЮПФЗ, ограниченная с севера и с юга САФ и ПФ соответственно, представляет собой климатическую планетарную фронтальную зону, разделяющую антарктическую и умеренную зоны Мирового океана, и характеризуется интенсивной мезомасштабной динамикой вод, основными элементами которой являются мезомасштабные вихри и меандры [Масленников, 2003]. Непосредственно САФ и ПФ отчетливо идентифицируются по термохалинным и гидрохимическим характеристикам, а также по динамическим признакам [Gordon et al., 1977; Антипов и др., 1987].
Внутри ЮПФЗ складывается особый тип горизонтальной и вертикальной циркуляции вод, что делает эту зону уникальным в границах Мирового океана непрерывным циркумполярно географическим объектом. Для ЮПФЗ характерен интенсивный меридиональный водообмен, наиболее ярким проявлением которого является формирование в ЮПФЗ Антарктической промежуточной водной массы (АПрВ), распространяющейся далеко на север (вплоть до 20о с.ш. в Атлантике [Talley, 1996]) и определяющей биопродуктивность значительных акваторий как Южного, так и Северного полушарий (рисунок 3), в результате чего ЮПФЗ является важным элементом ГОК. Отличительным свойством АПрВ является консервативность ее характеристик, позволяющая отслеживать ее продвижение на значительном удалении от района ее генерации [Гидрометеорологическое обеспечение…, 1985; Сирота, 2003].
Генерация АПрВ происходит вследствие взаимодействия поверхностных водных масс антарктического и субантарктического происхождения. Образующиеся в результате этого взаимодействия воды погружаются на промежуточные горизонты, попутно смешиваясь также с водами Циркумполярной глубинной водной массы. Таким образом, АПрВ формируется в результате смешения Антарктической поверхностной, Субантарктической поверхностной и Циркумполярной глубинной водных масс.
Наряду с выраженными особенностями циркуляции вод, в ЮПФЗ наблюдается повышенная динамическая активность, основным элементом которой являются мезомасштабные вихри. Вследствие активного вихреобразования, район ЮПФЗ характеризуется наиболее высокими по Мировому океану значениями меридионального водообмена, осуществляемого мезомасштабными вихрями [Zhang et al., 2014] (рисунок 4), а динамика вод сопровождается сильной изменчивостью, даже на относительно небольших пространственно-временных масштабах [Масленников, 2003]. При этом мезомасштабные вихри играют важнейшую роль в формировании АПрВ и ее выносе на север [Голивец и Кошляков, 2004] Таким образом, мезомасштабные вихри являются ключевым элементом динамики вод рассматриваемого района и важным механизмом меридионального водообмена через ЮПФЗ [Кошляков и Тараканов, 2011], тем самым осуществляя связь Южного океана с другими элементами ГОК [Visbeck et al., 1997; Marshall and Radko, 2003; Boning et al., 2008; Hogg et al., 2008], основные из которых представлены на рисунке 5.
Пространственное распределение мезомасштабных вихрей
В рамках настоящей работы было проведено исследование пространственно-временного распределения мезомасштабных вихрей и их параметров на основе выборки циркумполярных данных из модифицированного массива Челтона, ограниченных с севера 41о ю.ш. и 63о ю.ш. с юга за период 14.10.1992 – 04.04.2012.
Количество наблюдений мезомасштабных вихрей в сформированной выборке составило 830417 единиц, а количество уникальных (по идентификационному номеру – ID) вихрей — 71572 (разница между понятиями «наблюдение вихря» и «вихрь» подробно описана в разделе 2.3). Данные о мезомасштабных вихрях анализировались совместно с данными батиметрии GEBCO и положением фронтов согласно работе [Orsi et al., 1995] (поскольку этот референтный массив, в отличие от массива по [Sallee et al., 2008], содержит данные не только о САФ и ПФ, но и о других фронтах Южного океана).
Визуальный пространственный анализ. Пространственное распределение плотности концентрации мезомасштабных вихрей на основе агрегированных за весь период наблюдения данных представлено на рисунке 14. Имеет место сложная картина пространственного распределения анализируемого параметра. Четко выделяются области минимальных концентраций (0–40 вихрей на окрестность с радиусом 0.733; отображены белым и светло-бежевым цветами), средних (40–80 вихрей; светло-коричневый цвет) и максимальных (80–120; пятна и полосы темно-коричневого цвета) концентраций вихрей.
Пространственное распределение плотности концентрации мезомасштабных вихрей в изучаемом районе характеризуется следующими ключевыми особенностями:
Бльшая часть района исследования занята областями средних концентраций вихрей, которые доминируют в открытых районах океана;
Области минимальных концентраций вихрей приурочены непосредственно к:
шельфовым областям (яркий пример – обширные мелководья Патагонского шельфа (расположен в районе 60о з.д.));
районам к югу от зоны АЦТ, характеризующихся менее интенсивной динамикой вод (что особенно отчетливо проявляется в атлантическом секторе);
акваториям над крупными подводными хребтами и поднятиями (хребет Кергелен (70о в.д.), плато Кэмпбелл (170о в.д.) и др.);
Области максимальных концентраций вихрей (далее — ОМКВ) вкраплены в области средних концентраций вихрей, образуют вытянутые пятна и полосы и приурочены (в подавляющем большинстве) к:
- фронтам АЦТ, располагаясь вблизи от них, а также областям интенсивной динамики вод (например, к области Перуанского течения);
- акваториям, непосредственно прилегающим к крупным подводным хребтам и поднятиям (положение ОМКВ относительно этих элементов рельефа дна определяется как океанологическими условиями конкретной акватории (положением струй течений и др.), так и особенностями конфигурации самого элемента рельефа).
Таким образом, имеет место неоднородное пространственное распределение плотности концентраций вихрей в пределах изучаемого района. Сопоставление пространственного распределения изучаемого параметра с характером топографии дна и положением фронтов Южного океана позволяет заключить, что в условиях господства на большей части района исследования областей средних концентраций вихрей, основными факторами распределения областей минимальных концентраций вихрей и ОМКВ являются:
Особенности океанологических условий – зонам более интенсивной динамики вод соответствуют большие концентрации вихрей (ОМКВ приурочены к районам наиболее интенсивной динамики вод, фронтам и т.д.);
Характер рельефа дна – неровности подводного рельефа интенсифицируют динамику вод, а также (помимо генерирующей роли) играют блокирующую и направляющую роли в характере траекторий вихрей, образуя квазинепрерывные «трассы», сформированные смежными ОМКВ. Также, ОМКВ отсутствуют над шельфовыми областями и крупными поднятиями подводного рельефа. Геометрическая форма и положение ОМКВ согласованы с пространственной конфигурацией рельефа дна.
Изложенные выше особенности пространственного распределения плотности концентрации мезомасштабных вихрей будут детализированы и подробно проиллюстрированы далее на рисунках 15–22, изображающих распределение данного параметра на локальных акваториях изучаемого района.
Анализ показал, что выводы, сформулированные для изучаемого района в целом, справедливы и для локальных его акваторий. В полной мере это проявляется на рисунке 15, изображающем район пролива Дрейка и моря Скотия, где ярко проявляются наиболее характерные особенности пространственного распределения плотности концентрации мезомасштабных вихрей.
Из рисунка 15 следует, что в районе пролива Дрейка и всей акватории моря Скотия имеет место наличие двух квазинепрерывных цепей ОМКВ, которые разделены ПФ и сливаются воедино в районе к югу от Южной Георгии (37о з.д.). Северная цепь ОМКВ приурочена к САФ и примыкает к южной периферии Северного хребта Скотия. Южная цепь ОМКВ приурочена к ЮФАЦТ. Обе цепи ОМКВ представляют собой «трассы» вихрей, поскольку ориентированы вдоль основного потока АЦТ. После преодоления Северного хребта Скотия, трасса ОМКВ продолжается в восточном направлении в районе 30о з.д.
Особого внимания заслуживает оценка роли Северного хребта Скотия в распределении ОМКВ на данной акватории. Согласно представленным на рисунках 15 и 16 результатам, Северный хребет Скотия (проходит по 53о ю.ш. от Патагонского шельфа до Южной Георгии) ограничивает продвижение вихрей на всем своем протяжении, за исключением района пересечения данного хребта ПФ, а также района к востоку от острова Южная Георгия. Перечисленные районы являются наиболее «удобными» участками преодоления хребта для вихрей, так как они приурочены к глубоководным проходам через хребет, где глубины достигают 4500 м. В значительно меньшем количестве вихри проникают через хребет на других участках, таких как место его пересечения САФ. Локальная акватория в районе Северного хребта Скотия представлена на рисунке 16.
Таким образом, вихри преодолевают Северный хребет Скотия неравномерно по всей его длине – наибольшее количество вихрей преодолевают его над глубоководными проходами, а в районах, где хребет ярко выражен (глубины до 1500м), вихри наблюдаются в значительно меньших количествах. Поскольку анализ циркумполярного распределения плотности концентрации вихрей показал их отсутствие непосредственно над крупными поднятиями рельефа дна, можно полагать, что значительное число наблюдаемых вихрей блокируется хребтом, а их основная часть пересекает хребет через глубоководные проходы. При этом выявленная невысокая встречаемость вихрей непосредственно над хребтом не находит убедительного объяснения с альтернативных позиций.
Динамические параметры вихрей
Помимо типа вращения (параметра, неизменного на протяжении всего времени существования вихря), каждый вихрь характеризуется целым рядом атрибутивных параметров, значения которых меняются от наблюдения к наблюдению. Эти параметры (зональное и меридиональное смещения, радиус и др.) будем условно именовать далее динамическими, по причине изменчивости их значений во времени.
При этом динамические параметры также целесообразно разделить на:
Кинематические – характеризующие вихрь как физический объект (амплитуда, радиус, скорость вращения, скорость перемещения, нелинейность);
Механические – отражающие особенности перемещения вихря как материальной точки в пространстве (зональное и меридиональное смещения, результирующие зональное и меридиональное смещения, пройденная дистанция, результирующая пройденная дистанция).
Время существования вихрей будет рассмотрено отдельно в рамках параграфа 3.2.4.
В связи с тем, что динамические параметры являются атрибутами конкретных вихрей и их пространственная оценка методом теплокарт логически нецелесообразна, схема анализа этих параметров основана на использовании метода Естественных интервалов Дженкса, особенности которого описаны в Главе 2 настоящей диссертации. Важно отметить, что анализ динамических параметров мезомасштабных вихрей осуществлялся на основе всей исходной совокупности наблюдений вихрей в изучаемом районе за весь рассматриваемый период наблюдений, если не оговорено иное.
Зональное смещение отражает величину смещения вихря по параллели относительно предыдущей точки его фиксации, в градусах широты.
На основе метода естественных интервалов Дженкса, данный параметр мезомасштабных вихрей был классифицирован на три класса (рисунок 30) следующим образом: вихри, смещающиеся на запад (1-й класс) – значения от -1.5 до - 0.3; относительно стационарные вихри (2-й класс) – от -0.3 до 0.3; вихри, смещающиеся на восток (3-й класс) – от 0.3 до 1.5.
По итогам анализа данного параметра было установлено доминирование относительно стационарных вихрей (рисунок 30). Распределение значений параметра имеет колоколообразную форму с четко выраженным максимумом на нулевом значении. Данный максимум обусловлен тем, что в момент обнаружения вихря в поле аномалий уровня ему присваивалось нулевое значение зонального смещения. Так как число уникальных (по ID) вихрей составляет 71572 единицы, очевидно, что наблюдения вихрей в момент их обнаружения и формируют столь отчетливый пик на нулевом значении.
Дальнейший статистический анализ проводился на основе выборки, из которой были исключены наблюдения вихрей в момент их обнаружения – первой фиксации в поле аномалий уровня (поскольку принадлежащие им нулевые значения способны сильно исказить получаемые оценки). При этом из пространственного анализа такие наблюдения вихрей не исключались.
Статистические характеристики по данному параметру для мезомасштабных вихрей обоих знаков, а также для циклонов и антициклонов по отдельности представлены в таблице 7. Количество наблюдений вихрей, смещающихся на восток, превосходит количество наблюдений вихрей, смещающихся на запад, вне зависимости от типа вращения. Анализ максимумов и минимумов зонального смещения свидетельствует о том, что вихри не смещаются более чем на 1.5 градуса в неделю.
В результате, сравнение количества наблюдений вихрей, смещающихся на запад, и вихрей, смещающихся на восток, показало приблизительное равенство с некоторым преобладанием последних (данная особенность, нетипичная в сравнении с другими районами Мирового океана [Chelton et al., 2011], вероятно, обусловлена влиянием АЦТ). Следствием этого является близость к нулю значений среднего и медианы анализируемого параметра. Ввиду значительного количественного преобладания относительно стационарных вихрей (2-й класс), было принято решение проанализировать их пространственное распределение отдельно от вихрей двух других классов.
Анализ пространственного распределения вихрей 1-го и 3-го классов по параметру «зональное смещение» показал довольно четко интерпретируемую картину распределения этого параметра, при некоторой его мозаичности на отдельных участках (рисунок 31). Участки, приуроченные к САФ и ПФ, демонстрируют общую согласованность направления перемещения вихрей и характеризуются довольно четкими, но не всегда непрерывными полосами перемещения вихрей на восток. Примечательно, что полосы перемещения вихрей на восток приурочены к областям высоких концентраций вихрей, в то время как вихри, перемещающиеся на запад, приурочены в основном к областям средних концентраций.
Заметно, что в море Скотия, особенно на северной периферии, прилегающей к Северному хребту Скотия, доминирует перенос на восток с потоком АЦТ (рисунок 31а). Южная периферия этого района более мозаична. Выход вихрей из моря Скотия в открытую Атлантику осуществляется по нескольким глубоководным проходам через Северный хребет Скотия. Вихри массово преодолевают этот хребет в двух местах – через глубоководный проход в районе 48–49о з.д. (место выхода ПФ из моря Скотия) и через глубоководный проход к востоку от Южной Георгии (вплоть до начала Южно-Сандвичевой гряды, место выхода ЮФАЦТ и ЮгАЦТ из моря Скотия), что подтверждает выводы, сформулированные в разделе 3.1. Значительно меньшее количество вихрей проникает на Патагонский шельф к востоку от Огненной Земли, в районе выхода САФ из моря Скотия, и считаные единицы преодолевают Северный хребет Скотия через проход к западу от Южной Георгии.
Зона, прилегающая к Патагонскому шельфу, весьма мозаична и заметно упорядочивается в восточном направлении. Так, в районе Аргентинской котловины имеются две четко выраженные полосы разнонаправленного движения вихрей. Полоса движения вихрей на восток приурочена к южному краю котловины, а полоса движения вихрей на запад – к ее центральной части.
Участок к востоку от моря Скотия характеризуется мозаичным распределением рассматриваемого параметра (рисунок 31б). Наиболее выраженная полоса восточного смещения приурочена к южной границе АЦТ. Отдельные полосы восточного перемещения наблюдаются вблизи САФ и ПФ. Мозаичность распределения анализируемого параметра постепенно снижается в восточном направлении. В районе нулевого меридиана наблюдаются 3 выраженные полосы восточного смещения вихрей, приуроченные к фронтам АЦТ. Эти полосы заметно выделяются и имеют ширину порядка 3–4 градусов по долготе. Далее, на подходе к плато Кергелен, наблюдается обширная зона западного смещения, расположенная в южной части изучаемого района (рисунок 31в). После прохождения плато Кергелен, повсеместно в изучаемом районе практически непрерывно прослеживается полоса восточного смещения вихрей, приуроченная к зоне АЦТ и прилегающим к ней с севера акваториям (рисунок 31г).
Вихри 2-го класса (относительно стационарные) составляют большую часть всех вихрей и способны формировать некоторые области высоких концентраций без участия вихрей других классов (пример представлен на рисунке 32). Такие вихри широко распространены как в областях высоких, так и средних концентраций, формируя костяк всего поля.
Пространственная неоднородность динамики мезомасштабных вихрей и их параметров в различных секторах изучаемого района
В предыдущем разделе были установлены важные закономерности временной изменчивости количества мезомасштабных вихрей и их параметров для изучаемого района в целом. Не менее важной задачей является оценка региональных особенностей этой изменчивости в отдельных секторах изучаемого района, анализ которых и будет приведен в настоящем разделе.
Для этого были сформированы временные ряды месячной дискретности по количеству наблюдений мезомасштабных вихрей, соотношению между количеством наблюдений антициклонов и циклонов, а также по среднемесячным значениям параметров мезомасштабных вихрей для атлантического, индоокеанского и тихоокеанского секторов (границы секторов приведены в разделе 2.3). Полученные для этих трех секторов временные ряды анализировались совместно с аналогичными временными рядами, составленными для всего изучаемого района в целом (представленными в предыдущем разделе).
Анализ каждого из рассматриваемых параметров включал в себя расчет корреляционной матрицы. Корреляционная матрица по временным рядам количества наблюдений мезомасштабных вихрей представлена в таблице 21.
Согласно таблице 21, имеет место тесная прямая линейная взаимосвязь между всеми анализируемыми парами. Наименьший коэффициент корреляции характерен для пары атлантического и тихоокеанского секторов и составляет 0.74. При этом коэффициенты корреляции между временными рядами по всему изучаемому району и временными рядами по отдельным секторам находятся в диапазоне от 0.89 до 0.94.
В результате, изменчивость количества наблюдений вихрей в изучаемом районе в целом тесно согласована с изменчивостью данного параметра в отдельных секторах. Более того, отсутствие различий между периодограммами и автокорреляционными функциями анализируемых рядов (рисунок 69) указывает на фактическую идентичность изменчивости во всех секторах изучаемого района, что говорит о наличии единых для всего Южного океана крупномасштабных механизмов, определяющих временную изменчивость вихреобразования.
Важно отметить, что каждый из трех секторов вносит неодинаковый вклад в интегрированные данные по количеству наблюдений вихрей во всем изучаемом районе вследствие разной площади этих секторов и, как следствие, различного количества вихрей в них. Учитывая, что тихоокеанский сектор имеет наибольшую по сравнению с остальными секторами площадь, его вклад представляется наибольшим. В связи с этим наличие очень тесной взаимосвязи между изменчивостью анализируемого параметра во всех секторах указывает на независимость механизмов, определяющих генерацию вихрей, от географической (в пределах секторов изучаемого района) привязки.
Иными словами, вне зависимости от географического положения сектора, его площади и количества вихрей в нем, временная изменчивость количества наблюдений вихрей в нем будет фактически идентична соседним секторам, поскольку определяющие эту изменчивость механизмы действуют единым образом на всей акватории изучаемого района.
В результате полученные в предыдущем разделе выводы на основе анализа временной динамики количества наблюдений мезомасштабных вихрей в изучаемом районе в целом, могут быть экстраполированы и на отдельные его сектора.
Корреляционная матрица по временным рядам соотношения между количеством наблюдений антициклонов и циклонов представлена в таблице 22. Полученные при анализе этой корреляционной матрицы результаты продемонстрировали фактическое отсутствие линейной зависимости между временной изменчивостью рассматриваемого параметра в секторах изучаемого района. При этом коэффициенты корреляции между временным рядом по всему изучаемому району в целом и временными рядами по отдельным секторам находятся в диапазоне значений от 0.44 (с атлантическим сектором) до 0.71 (с тихоокеанским сектором). Учитывая неодинаковую площадь секторов, а также отсутствие линейной зависимости между временными рядами по отдельным секторам, можно заключить, что изменчивость в тихоокеанском секторе дает наибольший вклад в изменчивость по изучаемому району в целом.
Таким образом, временная изменчивость соотношения между антициклонами и циклонами сильно неоднородна по пространству и не синхронизирована между секторами. В результате, временной ряд данного параметра для изучаемого района в целом является лишь интегральной характеристикой, и экстраполяция выводов на его основе для локальных акваторий некорректна. Следует учитывать, что вклад каждого сектора в данный временной ряд пропорционален площади этого сектора. Как следствие, содержательное использование временных рядов рассматриваемого параметра возможно только при наличии четкой географической привязки при их формировании.
Подтверждением зависимости временной динамики рассматриваемого параметра от особенностей конкретного сектора изучаемого района являются значительные расхождения между полученными для секторов значениями таких описательных статистик, как коэффициент вариации, среднее, медиана, верхний и нижний квартили (таблица 23).
Представленные в таблице 23 результаты демонстрируют преобладание во всех секторах циклонических вихрей. В атлантическом и индоокеанском секторах преобладание циклонов проявляется наиболее ярко. При этом если в атлантическом секторе преобладание циклонов наблюдалось, примерно, в 75% случаев (верхний квартиль), то в индоокеанском секторе этот показатель значительно более высокий. Количество наблюдений антициклонов и циклонов наиболее близко к равенству в тихоокеанском секторе. Важно отметить значительную (до 5 раз) разницу в коэффициентах вариации анализируемых временных рядов. Так, наиболее стабильным относительно своего среднего является временной ряд индоокеанского сектора, в то время как наибольшая изменчивость характерна для тихоокеанского сектора. При этом имеет место расхождение в направлениях и степени выраженности трендов в анализируемых секторах.
Таким образом, отсутствие линейной взаимосвязи в совокупности со взаимной несогласованностью значений описательных статистик свидетельствуют о независимости определяющих соотношение между антициклонами и циклонами процессов, протекающих в различных секторах изучаемого района.
Анализ автокорреляционных функций временных рядов по каждому сектору (рисунок 70) показал, что в атлантическом и индоокеанском секторах временная изменчивость не демонстрирует какой-либо выраженной периодичности и напоминает белый шум.
Автокорреляционная функция для тихоокеанского сектора, в свою очередь, имеет выраженные признаки цикличности с периодом в 12 месяцев
В итоге, установлено, что изменчивость соотношения между антициклонами и циклонами носит стохастический характер в атлантическом и индоокеанском секторах, а в тихоокеанском секторе, напротив, более упорядочена и характеризуется наличием значимой годовой гармоники. Стоит отметить, что цикличность с периодом в один год проявляется также на автокорреляционной функции для временного ряда по всему изучаемому району (рисунок 65а), хотя и не столь отчетливо, вследствие влияния зашумленных рядов атлантического и тихоокеанского секторов.
Как следствие, изменчивость анализируемого параметра в масштабах всего изучаемого района наиболее хорошо согласуется с его изменчивостью в тихоокеанском секторе (таблица 23). Синтезируя данный результат с выявленной независимостью изменчивости количества наблюдений вихрей от рассматриваемого сектора, можно заключить, что тихоокеанский сектор является "уменьшенной копией" Южного океана (в границах изучаемого района) и на основе динамики соотношения вихрей разных знаков вращения в данном секторе можно судить о характере динамики этого параметра во всем изучаемом районе в целом.
Таким образом, установлена нетипичность тихоокеанского сектора по сравнению с другими секторами. Наименее стохастичный, тихоокеанский сектор фактически отражает динамику вихрей в изучаемом районе, что открывает широкие возможность для мониторинга ситуации по изучаемому району в целом на основе лишь одного сектора в дальнейших исследованиях. Очевидно, что вследствие наименьшей стохастичности (даже меньшей, чем по изучаемому району в целом), тихоокеанский сектор наиболее удобен для исследования механизмов вихреобразования и процессов, определяющих динамику вихрей.