Синоптические вихри открытого океана: обзор экспериментальных исследований

М. Н. Кошляков1,✉, В. Н. Белокопытов2

1 Институт океанологии им. П. П. Ширшова РАН, Москва, Россия

2 Морской гидрофизический институт РАН, Севастополь, Россия

✉ e-mail: mnkoshl@ocean.ru

Аннотация

Работа содержит краткий обзор экспериментальных исследований синоптических вихрей, выполненных советскими и зарубежными научными организациями на полигонах в океане.

Вихревые образования были известны с 1930-х гг., но именно полигонные эксперименты: «Полигон-67» в Аравийском море, «Полигон-70», MODE, ПОЛИМОДЕ, Tourbillon, «Мезополигон» в Тропической Атлантике, «Мегаполигон» в северо-западной части Тихого океана – помогли более глубоко понять физическую природу океанских вихрей. Длительные комплексные измерения с помощью систем заякоренных буйковых станций, сопровождаемые сериями гидрологических съемок, послужили необходимым экспериментальным материалом для развития теории синоптических вихрей. Теория позволила объяснить возникновение и развитие вихревых образований в океане как результат взаимодействия различных физических процессов: бароклинной неустойчивости основного потока, трансформации геострофической турбулентности в поле волн Россби, баротропизации вихрей.

С течением времени ведущая роль в экспериментальных исследованиях синоптической изменчивости в океане перешла от океанографических съемок и полигонных экспериментов к методам спутниковой альтиметрии и дрифтерным технологиям. Современные глобальные оценки характеристик вихревых образований в целом не противоречат более ранним работам обобщающего характера. Подтверждая основные черты пространственного распределения вихревой энергии в Мировом океане, они уточняют различные характеристики вихрей: размеры, скорость перемещения, знак вращения, нелинейность, направление движения, отклонение траектории и др.

Несмотря на значительные успехи методов дистанционного зондирования Земли и дрифтерных технологий, получить всеобъемлющую картину вихревых движений во всем объеме океана до сих пор очень сложно. Представляется перспективным возобновить проведение целенаправленных полигонных экспериментов в специально выбранных районах океана на новой технологической основе.

Ключевые слова

обзор, синоптические вихри, волны Россби, бароклинная неустойчивость, баротропизация вихрей, дрифтеры, спутниковая альтиметрия

Благодарности

Работа выполнена в рамках государственного задания ИО РАН по теме № 0149-2019-0004, ФГБУН ФИЦ МГИ по теме № 0827-2018-0001.

Для цитирования

Кошляков М. Н., Белокопытов В. Н. Синоптические вихри открытого океана: обзор экспериментальных исследований // Морской гидрофизический журнал. 2020. Т. 36, № 6. С. 613–627. EDN XPHHPH. doi:10.22449/0233-7584-2020-6-613-627

Koshlyakov, M.N. and Belokopytov, V.N., 2020. Mesoscale Eddies in the Open Ocean: Review of Experimental Investigations. Physical Oceanography, 27(6), pp. 559-572. doi:10.22449/1573-160X-2020-6-559-572

DOI

10.22449/0233-7584-2020-6-613-627

Список литературы

  1. Iselin C. O'D. A study of the circulation of the western North Atlantic // Papers in Physical Oceanography and Meteorology. 1936. Vol. 4, iss. 4. P. 1–101.
  2. Church P. E. Temperatures of the western North Atlantic from thermograph records // Association d’Océanographie Physique. Publication Scientifique. 1937. No. 4. P. 1–32.
  3. Uda M. On the distribution, formation and movement of the dicho-thermal water to the northeast of Japan // Uni to Sora. 1935. Vol. 15. P. 445–452 (in Japanese).
  4. Iselin C. O'D, Fuglister F. C. Some recent developments in the study of the Gulf Stream // Journal of Marine Research. 1948. Vol. 7, iss. 3. P. 317–329.
  5. Fuglister F. C., Worthington L. V. Some results of a multiple ship survey of the Gulf Stream // Tellus. 1951. Vol. 3, iss. 1. P. 1–14. https://doi.org/10.3402/tellusa.v3i1.8614
  6. Kitano K. Some Properties of the Warm Eddies Generated in the Confluence Zone of the Kuroshio and Oyashio Currents // Journal of Physical Oceanography. 1975. Vol. 5, iss. 2. P. 245–252. doi:10.1175/1520-0485(1975)0050245:SPOTWE2.0.CO;2
  7. Swallow J. C. A discussion on ocean currents and their dynamics – The Aries current measurements in the western North Atlantic // Philosophical Transactions of the Royal Society. Series A. 1971. Vol. 270, iss. 1206. P. 451–460. https://doi.org/10.1098/rsta.1971.0084
  8. Leipper D. F. A sequence of current patterns in the Gulf of Mexico // Journal of Geophysical Research: Oceans and Atmospheres. 1970. Vol. 75, iss. 3. P. 637–657. doi:10.1029/JC075i003p00637
  9. Hamon B. V. The East Australian current, 1960–1964 // Deep-Sea Research and Oceanographic Abstracts. 1965. Vol. 12, iss. 6. P. 899–921. doi:10.1016/0011-7471(65)90813-2
  10. Boland F. M., Hamon B. V. The East Australian current, 1965–1968 // Deep Sea Research and Oceanographic Abstracts. 1970. Vol. 17, iss. 4. P. 777–794. doi:10.1016/0011-7471(70)90041-0
  11. Длительные измерения изменчивости физических полей на океанических полигонах, как новый этап в исследовании океана / В. Б. Штокман [и др.] // Доклады Академии наук СССР. 1969. Т. 186, № 5. С. 1070–1073.
  12. Кошляков М. Н., Галеркин Л. И., Чыонг Динь Хиен О мезоструктуре геострофических течений открытого океана // Океанология. 1970. Т. X, вып. 5. С. 805–814.
  13. Large-scale multi-buoy experiment in the Tropical Atlantic / L. M. Brekhovskikh [et al.] // Deep-Sea Research and Oceanographic Abstracts. 1971. Vol. 18, iss. 12. P. 1189–1206. doi:10.1016/0011-7471(71)90026-X
  14. Кошляков М. Н., Грачев Ю. М. Среднемасштабные течения на гидрофизическом полигоне в Тропической Атлантике // Атлантический гидрофизический Полигон-70 / Под ред. В. Г. Корта, В. С. Самойленко. М. : Наука, 1974. C. 163–180.
  15. Кошляков М. Н. Результаты наблюдений на атлантическом полигоне 1970 г. в свете некоторых моделей свободных волн Россби // Океанология. 1973. Т. XIII, вып. 5. С. 760–767.
  16. McWilliams J. C., Robinson A. R. A wave analysis of the Polygon array in the tropical Atlantic // Deep-Sea Research and Oceanographic Abstracts. 1974. Vol. 21, iss. 5. P. 359–368. doi:10.1016/0011-7471(74)90040-0
  17. Коняев К. В., Сабинин К. Д. Спектральное описание синоптической изменчивости течений в океане по данным «Полигона 70» и «Полимоде» // Известия Академии наук СССР. Физика атмосферы и океана. 1981. Т. 17, № 11. С. 1191–1200.
  18. The Mid-Ocean Dynamics Experiment / The Mode Group // Deep-Sea Research. 1978. Vol. 25, iss. 10. P. 859–910. doi:10.1016/0146-6291(78)90632-X
  19. Robinson A. R. Dynamics of ocean currents and circulation: results of POLYMODE and Related Investigations // Topics in Ocean Physics / Eds. A. Osborne and P. M. Rizzoli. Bologna: Società Italiana di Fisica, 1982. P. 3–29.
  20. Каменкович В. М., Кошляков М. Н., Монин А. С. Синоптические вихри в океане. 2-е издание. Л. : Гидрометеоиздат, 1987. 510 с.
  21. Синоптические вихри в океане / Б. А. Нелепо [и др.]. Киев : Наукова думка, 1980. 288 с.
  22. Экспериментальные исследования по международной программе «ПОЛИМОДЕ» (результаты 16-го рейса НИС «Академик Вернадский»). Севастополь : МГИ, 1978. 149 с.
  23. Экспериментальные исследования по международной программе «ПОЛИМОДЕ» (результаты 17-го рейса НИС «Академик Вернадский» и 33-го рейса НИС «Михаил Ломоносов»). Севастополь : МГИ, 1978. 178 с.
  24. Корт В. Г., Павлова Ю. В., Фомин Л. М. Рельеф изотермической поверхности 15°C // Известия ПОЛИМОДЕ. М. : Институт океанологии АН СССР, 1980. Вып. 2. С. 5–13.
  25. Генерация синоптических океанских вихрей в районе ПОЛИМОДЕ / М. Н. Кошляков [и др.] // Океанология. 1984. Т. XXIV, вып. 1. C. 5–14.
  26. Грачев Ю. М., Кошляков М. Н., Михайличенко Ю. Г. Синоптические вихри в Саргассовом море. М. : Наука, 1988. 220 с.
  27. Tourbillon L. G. The Tourbillon experiment: a study of a mesoscale eddy in the eastern North Atlantic // Deep-Sea Research. Part A. Oceanographic Research Papers. 1983. Vol. 30, iss. 5. P. 475‒511. doi:10.1016/0198-0149(83)90086-9
  28. Об океанских вихрях на мегаполигоне / В. А. Бубнов [и др.] // Доклады АН СССР. 1988. Т. 301, № 6. С. 1468–1471.
  29. Структура и изменчивость поля течений в термоклине по данным «Мегаполигона-87» / М. Н. Кошляков [и др.] // Эксперимент «Мегаполигон». М. : Наука, 1992. С. 251–259.
  30. Hydrophysical experiment “Megapolygon‐87” in the northwestern Pacific subarctic frontal zone / N. A. Maximenko [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2001. Vol. 106, iss. C7. P. 14143‒14163. doi:10.1029/2000JC000436
  31. О мезомасштабных неоднородностях океана / Ю. А. Иванов [и др.] // Доклады АН СССР. 1986. Т. 289, № 3. С. 706–709.
  32. Eddies in Marine Science / Ed. A. R. Robison. Berlin, Heidelberg : Springer, 1983. 609 p. doi:10.1007/978-3-642-69003-7
  33. Блатов А. С., Тужилкин В. С. Среднемасштабные вихри и синоптическая изменчивость в Мировом океане // Итоги науки и техники. Сер. Океанология. М.: ВИНИТИ, 1990. Т. 8. 248 с.
  34. Wyrtki K., Magaard L., Hager J. Eddy energy in the oceans // Journal of Geophysical Research: Oceans and Atmospheres. 1976. Vol. 81, iss. 15. С. 2641–2646. doi:10.1029/JC081i015p02641
  35. Dantzler H. L. Jr. Geographic variations in intensity of the North Atlantic and North Pacific oceanic eddy fields // Deep-Sea Research and Oceanographic Abstracts. 1976. Vol. 23, iss. 9. P. 783–794. doi:10.1016/0011-7471(76)90846-9
  36. Dickson R. R. Global Summaries and Intercomparisons: Flow Statistics from Long-Term Current Meter Moorings // Eddies in Marine Science. Topics in Atmospheric and Oceanographic Sciences / Ed. A. R. Robinson. Berlin, Heidelberg : Springer, 1983. P. 278–353. https://doi.org/10.1007/978-3-642-69003-7_15
  37. Schmitz Jr., William J., Luyten J. R. Spectral time scales for mid-latitude eddies // Journal of Marine Research. 1991. Vol. 49, iss. 1. P. 75–107. doi:10.1357/002224091784968585
  38. Richardson P. L. Eddy kinetic energy in the North Atlantic from surface drifters // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1983. Vol. 88, iss. C7. P. 4355–4367. doi:10.1029/JC088iC07p04355
  39. Krauss W., Käse R. H. Mean circulation and eddy kinetic energy in the eastern North Atlantic // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1984. Vol. 89, iss. C3. P. 3407–3415. doi:10.1029/JC089iC03p03407
  40. Rossby H. T., Riser S. C., Mariano A. J. The Western North Atlantic – A Lagrangian Viewpoint // Eddies in Marine Science. Topics in Atmospheric and Oceanographic Sciences / Ed. A. R. Robinson. Berlin, Heidelberg : Springer, 1983. P. 66–91. doi:10.1007/978-3-642-69003-7_4
  41. Mean Dynamic Topography of the Ocean Derived from Satellite and Drifting Buoy Data Using Three Different Techniques / N. Maximenko [et al.] // Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 2009. Vol. 26, iss. 9. P. 1910–1919. https://doi.org/10.1175/2009JTECHO672.1
  42. Lumpkin R., Johnson G. C. Global ocean surface velocities from drifters: Mean, variance, El Niño – Southern Oscillation response, and seasonal cycle // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2013. Vol. 118, iss. 6. P. 2992–3006. doi:10.1002/jgrc.20210
  43. Dantzler H. L. Jr. Potential Energy Maxima in the Tropical and Subtropical North Atlantic // Journal of Physical Oceanography. 1977. Vol. 7, iss. 4. P. 512–519. doi:10.1175/1520-0485(1977)0070512:PEMITT2.0.CO;2
  44. Levitus S. Climatological atlas of the world ocean. Rockville, Md. : US Department of Commerce. National Oceanic and Atmospheric Administration, 1982. 173 p.
  45. Emery W. J. Global Summary: Review of Eddy Phenomena as Expressed in Temperature Measurements // Eddies in Marine Science / Ed. A. R Robinson. Berlin, Heidelberg : Springer, 1983. P. 354–375. doi:10.1007/978-3-642-69003-7_16
  46. Emery W. J., Lee W. G., Magaard L. Geographic and Seasonal Distributions of Brunt-Väisälä Frequency and Rossby Radii in the North Pacific and North Atlantic // Journal of Physical Oceanography. 1984. Vol. 14, iss. 2. P. 294–317. doi:10.1175/1520-0485(1984)0140294:GASDOB2.0.CO;2
  47. Geographical Variability of the First Baroclinic Rossby Radius of Deformation / D. B. Chelton [et al.] // Journal of Physical Oceanography. 1998. Vol. 28, iss. 3. P. 433–460. doi:10.1175/1520-0485(1998)0280433:GVOTFB2.0.CO;2
  48. Cheney R. E., Marsh J. G., Beckley B. D. Global mesoscale variability from collinear tracks of SEASAT altimeter data // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1983. Vol. 88, iss. C7. P. 4343–4354. https://doi.org/10.1029/JC088iC07p04343
  49. Variations of global mesoscale eddy energy observed from Geosat / C. K. Shum [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1990. Vol. 95, iss. C10. P. 17865–17876. doi:10.1029/JC095iC10p17865
  50. Stammer D. Global Сharacteristics of Ocean Variability Estimated from Regional TOPEX/POSEIDON Altimeter Measurements // Journal of Physical Oceanography. 1997. Vol. 27, iss. 8. P. 1743–1769. doi:10.1175/1520-0485(1997)0271743:GCOOVE2.0.CO;2
  51. Ducet N., Le Traon P. Y., Reverdin G. Global high‐resolution mapping of ocean circulation from TOPEX/Poseidon and ERS‐1 and ‐2 // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2000. Vol. 105, iss. C8. P. 19477–19498. doi:10.1029/2000JC900063
  52. Global observations of large oceanic eddies / D. B. Chelton [et al.] // Geophysical Research Letters. 2007. Vol. 34, iss. 15. L15606. doi:10.1029/2007GL030812
  53. Chelton D. B., Schlax M. G., Samelson R. M. Global observations of nonlinear mesoscale eddies // Progress in Oceanography. 2011. Vol. 91, iss. 2. P. 167–216. doi:10.1016/j.pocean.2011.01.002
  54. Tulloch R., Marshall J., Smith K. S. Interpretation of the propagation of surface altimetric observations in terms of planetary waves and geostrophic turbulence // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2009. Vol. 114, iss. C2. C02005. doi:10.1029/2008JC005055
  55. Wunsch C. Low frequency variability of the sea // Evolution of Physical Oceanography: Scientific Surveys in Honor of Henry Stommel / Eds. B. A. Warren, C. Wunsch. Cambridge : The MIT Press, 1981. P. 342–374.
  56. Wunsch C. Western North Atlantic Interior // Eddies in Marine Science / Ed. A. R. Robinson. Berlin, Heidelberg : Springer, 1983. P. 46–65. doi:10.1007/978-3-642-69003-7_3
  57. Bernstein R. L., White W. B. Time and Length Scales of Baroclinic Eddies in the Central North Pacific Ocean // Journal of Physical Oceanography. 1974. Vol. 4, iss. 4. P. 613–624. doi:10.1175/1520-0485(1974)0040613:TALSOB2.0.CO;2
  58. Fu L.-L. On the wave number spectrum of oceanic mesoscale variability observed by the SEASAT altimeter // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1983. Vol. 88, iss. C7. P. 4331–4341. doi:10.1029/JC088iC07p04331
  59. Scott R. B., Wang F. Direct evidence of an oceanic inverse kinetic energy cascade from satellite altimetry // Journal of Physical Oceanography. 2005. Vol. 35, iss. 9. P.1650–1666. doi:10.1175/JPO2771.1
  60. Cushman-Roisin B., Tang B., Chassignet E. P. Westward Motion of Mesoscale Eddies // Journal of Physical Oceanography. 1990. Vol. 20, iss. 5. P. 758‒768. doi:10.1175/1520-0485(1990)0200758:WMOME2.0.CO;2
  61. Chelton D. B., Schlax M. G. Global Observations of Oceanic Rossby Waves // Science. 1996. Vol. 272, iss. 5259. P. 234‒238. doi:10.1126/science.272.5259.234
  62. Killworth P. D., Chelton D. B., De Szoeke R. A. The Speed of Observed and Theoretical Long Extratropical Planetary Waves // Journal of Physical Oceanography. 1997. Vol. 27, iss. 9. P. 1946‒1966. doi:10.1175/1520-0485(1997)0271946:TSOOAT2.0.CO;2
  63. Fu L.-L. Patterns and Velocity of Propagation of the Global Ocean Eddy Variability // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2009. Vol. 114, iss. C11. C11017. doi:10.1029/2009JC005349

Скачать статью в PDF-формате