Каким образом океанические вихри могут быть столь долгоживущими

Г. Г. Сутырин

Graduate School of Oceanography, University of Rhode Island, Narragansett, Rhode Island, USA

✉ e-mail: gsutyrin@hotmail.com

Аннотация

Цель. Теоретически обосновать удивительную долгоживучесть (до 5 лет) индивидуальных вихрей в Мировом океане на фоне сильных флуктуаций океанических течений и вопреки дисперсионным свойствам волн Россби – цель данной работы.

Методы и результаты. Эволюция бароклинных вихрей рассматривается в гибридной двухслойной модели океана над топографическим склоном на бета-плоскости. В верхнем слое с сильными аномалиями потенциальной завихренности течения считаются сбалансированными; в нижнем слое при слабых аномалиях потенциальной завихренности течения описываются в традиционном квазигеострофическом приближении. Аналитическое описание дано для медленно изменяющихся почти круглых вихрей в зональном течении с вертикальным сдвигом скорости, характерным для океана в субтропиках. Теория показывает, как бароклинный вихрь сопровождается подветренными волнами Россби. Дрейф вихря поперек среднего течения оп-ределяется преимущественно бароклинно-дипольной структурой представленного решения, при этом потеря энергии вихрем, связанная с генерированием волн Россби, может быть компенсирована запасом энергии в средних течениях.

Выводы. Построенная модель дает разумные оценки дрейфа и переноса энергии для типичных океанских вихрей с сильными аномалиями потенциальной завихренности. Прямая подпитка энергии долгоживущих вихрей бароклинными средними течениями независимо от их устойчивости имеет большое значение для лучшего понимания физических механизмов, объясняющих значительную продолжительность жизни геофизических вихрей и особенности их перемещения.

Ключевые слова

барoклинные вихри, течения со сдвигом, волны Россби

Благодарности

Я хотел бы поблагодарить Геннадия Коротаева, Григория Резника и Андрея Зацепина за плодотворные дискуссии и комментарии во время Международной конференции по мезомасштабным и субмезомасштабным процессам в гидросфере и атмосфере (MSP-2018, Москва, Россия). Это исследование поддержано Национальным научным фондом США (грант OCE 1828843). Я высоко ценю комментарии Зива Кизнера и анонимных рецензентов.

Для цитирования

Сутырин Г. Г. Каким образом океанические вихри могут быть столь долгоживущими // Морской гидрофизический журнал. 2020. Т. 36, № 6. С. 740–756. EDN NJPTUM. doi:10.22449/0233-7584-2020-6-740-756

Sutyrin, G.G., 2020. How Oceanic Vortices can be Super Long-Lived. Physical Oceanography, 27(6), pp. 677-691. doi:10.22449/1573-160X-2020-6-677-691

DOI

10.22449/0233-7584-2020-6-740-756

Список литературы

  1. 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. https://doi.org/10.1016/0011-7471(71)90026-X
  2. Koshlyakov M. N., Monin A. S. Synoptic Eddies in the Ocean // Annual Review of Earth and Planetary Sciences. 1978. Vol. 6. P. 495–523. https://doi.org/10.1146/annurev.ea.06.050178.002431
  3. Eddies in Marine Science / Ed. A. R. Robinson. Berlin-Heidelberg-New York-Tokyo : Springer-Verlag, 1983. 609 p. https://doi.org/10.1002/zamm.19850650123
  4. Кошляков М. Н., Белокопытов В. Н. Синоптические вихри открытого океана: обзор экспериментальных исследований // Морской гидрофизический журнал. 2020. Т. 36, № 6. С. 613–627. doi:10.22449/0233-7584-2020-6-613-627
  5. McWilliams J. C. The Nature and Consequences of Oceanic Eddies // Ocean Modeling in an Eddying Regime / Eds. M. W. Hecht, H. Hasumi. Washington, DC : American Geophysical Union, 2008. Vol. 177. P. 5–15. doi:10.1029/177GM03. 11
  6. Global heat and salt transports by eddy movement / C. Dong [et al.] // Nature Communications. 2014. Vol. 5. 3294. https://doi.org/10.1038/ncomms4294
  7. Chen G., Han G., Yang X. On the intrinsic shape of oceanic eddies derived from satellite altimetry // Remote Sensing of Environment. 2019. Vol. 228. P. 75–89. https://doi.org/10.1016/j.rse.2019.04.011
  8. McWilliams J. C. Submesoscale, coherent vortices in the ocean // Reviews of Geophysics. 1985. Vol. 23, iss. 2. P. 165–182. doi:10.1029/RG023i002p00165
  9. Flierl G. R. Isolated Eddy Models in Geophysics // Annual Review of Fluid Mechanics. 1987. Vol. 19. P. 493–530. https://doi.org/10.1146/annurev.fl.19.010187.002425
  10. Коротаев Г. К. Теоретическое моделирование синоптической изменчивости океана. Киев : Наукова думка, 1988. 157 с.
  11. Korotaev G. K. Radiating Vortices in Geophysical Fuid Dynamics // Surveys in Geophysics. 1997. Vol. 18, iss. 6. P. 567–618. doi:10.1023/A:1006583017505
  12. Nezlin M. V., Sutyrin G. G. Problems of simulation of large, long-lived vortices in the atmospheres of the giant planets (jupiter, saturn, neptune) // Surveys in Geophysics. 1994. Vol. 15, iss. 1. P. 63–99. doi:10.1007/BF00665687
  13. Carton X. Hydrodynamical modeling of oceanic vortices // Surveys in Geophysics. 2001. Vol. 22, iss. 3. P. 179–263. doi:10.1023/A:1013779219578
  14. Sokolovskiy M. A., Verron J. Dynamics of Vortex Structures in a Stratified Rotating Fluid // Atmospheric and Oceanographic Science Library. Vol. 47. Cham : Springer, 2014. 382 p. doi:10.1007/978-3-319-00789-2
  15. Stern M. E. Minimal properties of planetary eddies // Journal of Marine Research. 1975. Vol. 33, iss. 1. P. 1–13.
  16. Ларичев В. Д., Резник Г. М. О двумерных уединенных волнах Россби // Доклады Академии наук СССР. 1976. Т. 231, № 5. C. 1077–1079. URL: http://www.mathnet.ru/links/ab484331932b9f8f6f361e722e3cb8e3/dan40813.pdf (дата обращения: 15.10.2020).
  17. Meleshko V. V., van Heijst G. J. F. On Chaplygin’s investigations of two-dimensional vortex structures in an inviscid fluid // Journal of Fluid Mechanics. 1994. Vol. 272. P. 157–182. https://doi.org/10.1017/S0022112094004428
  18. The theory of the beta-plane baroclinic topographic modons / Z. Kizner [et al.] // Geophysical and Astrophysical Fluid Dynamics. 2003. Vol. 97, iss. 3. P. 175–211. doi:10.1080/0309192031000108706
  19. Михайлова Э. Н., Шапиро Н. Б. Двумерная модель эволюции синоптических возмущений в океане // Известия Академии наук СССР. Физика атмосферы и океана. 1980. Т. 16, № 8. С 823–833.
  20. Петвиашвили В. И. Красное пятно Юпитера и дрейфовый солитон в плазме // Письма в Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1980. Т. 32, вып. 11. С. 632–635. URL: http://www.jetpletters.ac.ru/cgi-bin/articles/download.cgi/478/article_7558.pdf (дата обращения: 30.10.2020).
  21. Сутырин Г. Г. К теории уединенных антициклонов во вращающейся жидкости // Доклады Академии наук СССР. 1985. Т. 280, № 5. C. 1101–1105.
  22. Sutyrin G. G., Yushina I. G. Numerical Modelling of the Formation, Evolution, Interaction and Decay of Isolated Vortices // Mesoscale/Synoptic Coherent structures in Geophysical Turbulence / Eds. J. C. J. Nihoul, B. M. Jamart. Elsevier Oceanographic Series, 1989. Vol. 50. P. 721–736. doi:10.1016/S0422-9894(08)70217-4
  23. 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
  24. Sutyrin G. G. Super long-lived ocean eddies // Сборник трудов Международного симпозиума «Мезомасштабные и субмезомасштабные процессы в гидросфере и атмосфере» (МСП-2018). Москва : ИО РАН, 2018. С. 46–47. doi:10.29006/978-5-9901449-4-1-2018-11
  25. Коротаев Г. К. Структура, динамика и энергетика синоптической изменчивости океана. Севастополь, 1980. 64 с. (Препринт / МГИ).
  26. Flierl G. R. Rossby Wave Radiation from a Strongly Nonlinear Warm Eddy // Journal of Physical Oceanography. 1984. Vol. 14, iss. 1. P. 47–58. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1984)0140047:RWRFAS2.0.CO;2
  27. McDonald N. R. The decay of cyclonic eddies by Rossby wave radiation // Journal of Fluid Mechanics. 1998. Vol. 361. P. 237–252. doi:10.1017/S0022112098008696
  28. Nycander J. Drift Velocity of Radiating Quasigeostrophic Vortices // Journal of Physical Oceanography. 2001. Vol. 31, iss. 8. P. 2178–2185. https://doi.org/10.1175/1520-0485(2001)0312178:DVORQV2.0.CO;2
  29. Сутырин Г. Г. О влиянии бета-эффекта на эволюцию локализованного вихря // Доклады Академии наук СССР. 1987. Т. 296, № 5. С. 1076–1080. URL: http://www.mathnet.ru/links/bb945265df7fd03879fae801ee00058a/dan48090.pdf (дата обращения: 30.10.2020).
  30. Kravtsov S., Reznik G. Numerical solutions of the singular vortex problem // Physics of Fluids. 2019. Vol. 31, iss. 6. 066602. https://doi.org/10.1063/1.5099896
  31. Gill A. E., Green J. S. A., Simmons A. J. Energy partition in the large‐scale ocean circulation and the production of mid‐ocean eddies // Deep Sea Research and Oceanographic abstracts. 1974. Vol. 21, iss. 7. P. 499–528. https://doi.org/10.1016/0011-7471(74)90010-2
  32. Vallis G. K. Atmospheric and Oceanic Fluid Dynamics: Fundamentals and Large-Scale Circulation. Cambridge : Cambridge University Press, 2006. 745 p.
  33. Ferrari R., Wunsch C. Ocean Circulation Kinetic Energy: Reservoirs, Sources, and Sinks // Annual Review of Fluid Mechanics. 2009. Vol. 41. P. 253–282. https://doi.org/10.1146/annurev.fluid.40.111406.102139
  34. Venaille A., Vallis G., Smith S. Baroclinic Turbulence in the Ocean: Analysis with Primitive Equation and Quasigeostrophic Simulations // Journal of Physical Oceanography. 2011. Vol. 41, iss. 9. P. 1605–1623. doi: 10.1175/JPO-D-10-05021.1
  35. Radko T., Peixoto de Carvalho D., Flanagan J. Nonlinear Equilibration of Baroclinic Instability: The Growth Rate Balance Model // Journal of Physical Oceanography. 2014. Vol. 44, iss. 7. P. 1919–1940. https://doi.org/10.1175/JPO-D-13-0248.1
  36. Vandermeirsh F., Morel Y., Sutyrin G. Resistance of a Coherent Vortex to a Vertical Shear // Journal of Physical Oceanography. 2002. Vol. 32, iss. 11. P. 3089–3100. https://doi.org/10.1175/1520-0485(2002)0323089:ROACVT2.0.CO;2
  37. Sutyrin G. G., Radko T. Why the most long-lived eddies are found in the subtropical ocean westward flows // Ocean Modelling. 2020. (in press).
  38. Richardson L. F. Weather Prediction by Numerical Process. Cambridge : The University Press, 1922. 258 p. URL:https://archive.org/details/weatherpredictio00richrich (date of access: 30.10.2020).
  39. Монин А. С. Прогноз погоды как задача физики. М. : Наука, 1969. 184 с.
  40. Kamenkovich V. M., Koshlyakoy M. N., Monin A. S. Synoptic Eddies in the Ocean. Series: Environmental Fluid Mechanics 5 / Ed. A. S. Monin. Netherlands, Dordrecht : Springer, 1986. 443 p.
  41. Sutyrin G. G., Grimshaw R. Frictional effects on the deep-flow feedback on the β-drift of a baroclinic vortex over sloping topography // Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers. 2005. Vol. 52, iss. 1. P. 2156–2167. doi:10.1016/j.dsr.2005.06.017
  42. Сутырин Г. Г. Синоптические движения конечной амплитуды // Доклады Академии наук СССР. 1986. Т. 290, № 5. C. 1084–1088. URL: http://www.mathnet.ru/links/5662892d8fad089be8eb8a118be68902/dan47702.pdf (дата обращения: 15.10.2020).
  43. Sutyrin G. G. Agradient velocity, vortical motion and gravity waves in a rotating shallow-water model // Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. 2004. Vol. 130, iss. 601. P. 1977–1989. https://doi.org/10.1256/qj.03.54
  44. Phillips N. A. Energy Transformations and Meridional Circulations associated with simple Baroclinic Waves in a two level, Quasi-geostrophic Model // Tellus. 1954. Vol. 6, iss. 3. P. 273–286. https://doi.org/10.1111/j.2153-3490.1954.tb01123.x
  45. Scales, Growth Rates, and Spectral Fuxes of Baroclinic Instability in the Ocean / R. Tulloch [et al.] // Journal of Physical Oceanography. 2011. Vol. 41, iss. 6. P. 1057–1076. https://doi.org/10.1175/2011JPO4404.1
  46. Thompson A. F., Young W. R. Scaling Baroclinic Eddy Fluxes: Vortices and Energy Balance // Journal of Physical Oceanography. 2006. Vol. 36, iss. 4. P. 720–738. https://doi.org/10.1175/JPO2874.1
  47. Reznik G. M., Sutyrin G. G. Baroclinic topographic modons // Journal of Fluid Mechanics. 2001. Vol. 437. P. 121–142. doi: 10.1017/S0022112001004062
  48. Sutyrin G. G., Flierl G. R. Intense Vortex Motion on the Beta Plane: Development of the Beta Gyres // Journal of Atmospheric Sciences. 1994. Vol. 51, iss. 5. P. 773–790. https://doi.org/10.1175/1520-0469(1994)0510773:IVMOTB2.0.CO;2
  49. SIDDIES Corridor: A Major East‐West Pathway of Long‐Lived Surface and Subsurface Eddies Crossing the Subtropical South Indian Ocean / A. F. Dilmahamod [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2018. Vol. 123, iss. 8. P. 5406–5425. https://doi.org/10.1029/2018JC013828
  50. Sutyrin G. G. How baroclinic vortices intensify resulting from erosion of their cores and/or changing environment // Ocean Modelling. 2020. Vol. 156. 101711. https://doi.org/10.1016/j.ocemod.2020.101711
  51. Pegliasco C., Chaigneau A., Morrow R. Main eddy vertical structures observed in the four major Eastern Boundary Upwelling Systems // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2015. Vol. 120, iss. 9. P. 6008–6033. https://doi.org/10.1002/2015JC010950
  52. Burgess B. H., Dritschel D. G., Scott R. K. Vortex scaling ranges in two-dimensional turbulence // Physics of Fluids. 2017. Vol. 29, iss. 11. 111104. https://doi.org/10.1063/1.4993144
  53. Сутырин Г. Г. Азимутальные волны и симметризация интенсивного вихря // Доклады Академии наук СССР. 1989. Т. 304, № 5. С. 1086–1091. URL: http://www.mathnet.ru/links/8a31183a00e5c592d7d0ebfc624dda46/dan48505.pdf (дата обращения: 30.10.2020).
  54. Sutyrin G. G. On the vortex intensification due to stretching out of weak satellites // Physics of Fluids. 2019. Vol. 31, iss. 7. 075103. https://doi.org/10.1063/1.5098068
  55. Sutyrin G. G., Radko T. On the peripheral intensification of two-dimensional vortices in smaller-scale randomly forcing flow // Physics of Fluids. 2019. Vol. 31, iss. 10. 101701. https://doi.org/10.1063/1.5118752
  56. Benilov E. S. Stability of vortices in a two-layer ocean with uniform potential vorticity in the lower layer // Journal of Fluid Mechanics. 2004. Vol. 502. P. 207–232. doi:10.1017/S0022112003007547
  57. Sutyrin G. Generation of deep eddies by a turning baroclinic jet // Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers. 2015. Vol. 101. P. 1–6. doi:10.1016/j.dsr.2015.02.011
  58. Sutyrin G. G., Radko T. Stabilization of Isolated Vortices in a Rotating Stratified Fluid // Fluids. 2016. Vol. 1, iss 3. 26. doi:10.3390/fluids1030026
  59. Sutyrin G. Why compensated cold-core rings look stable // Geophysical Research Letters. 2015. Vol. 42, iss. 13. P. 5395–5402. doi:10.1002/2015GL064378
  60. Sutyrin G. G. On sharp vorticity gradients in elongating baroclinic eddies and their stabilization with a solid-body rotation // Geophysical Research Letters. Vol. 43, iss. 11. P. 5802–5811. doi:10.1002/2016GL069019.
  61. Legras B., Dritschel D. Vortex stripping and the generation of high vorticity gradients in two-dimensional flows // Applied Scientific Research. 1993. Vol. 51. P. 445–455. doi.org/10.1007/BF01082574
  62. Mariotti A., Legras B., Dritschel D. G. Vortex stripping and the erosion of coherent structures in two-dimensional flows // Physics of Fluids. 1994. Vol. 6, iss. 12. 3954. https://doi.org/10.1063/1.868385
  63. Legras B., Dritschel D. D., Caillol P. The erosion of a distributed two-dimensional vortex in a background straining flow // Journal of Fluid Mechanics. 2001. Vol. 441. P. 369–398. https://doi.org/10.1017/S002211200100502X
  64. Sutyrin G., Carton X. Vortex interaction with a zonal Rossby wave in a quasi-geostrophic model // Dynamics of Atmospheres and Oceans. 2006. Vol. 41, iss. 2. P. 85–102. doi:10.1016/j.dynatmoce.2005.10.004
  65. Sutyrin G. G. Maintenance of quick fluid rotation in the cores of long-lived Arctic eddies // Journal of Marine Systems. 1992. Vol. 3, iss. 6. P. 489–496 doi:10.1016/0924-7963(92)90019-5

Скачать статью в PDF-формате