Исследование вихревой изменчивости в Лофотенской котловине на основе анализа доступной потенциальной и кинетической энергии

В. С. Травкин✉, Т. В. Белоненко

Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург, Россия

✉ e-mail: v.travkin@spbu.ru

Аннотация

Цель. Лофотенская котловина – одна из энергоактивных зон Мирового океана, характеризующаяся высокой активностью мезомасштабных вихрей. Целью работы является анализ различных составляющих общей энергии в этой котловине: средней кинетической и вихревой кинетической энергии, рассчитанных с использованием интеграла по объему доступной потенциальной и кинетической энергии Лофотенского вихря, – а также изменчивости этих характеристик.

Методы и результаты. Используются данные реанализа GLORYS12V1 за 2010–2018 гг. Анализируются средняя и вихревая кинетическая энергия, а для Лофотенского вихря – объемные доступная потенциальная и кинетическая энергия. Отмечается увеличение мезомасштабной активности вихрей в зимний период по сравнению с летним. Изучена эволюция доступной потенциальной и кинетической энергии Лофотенского вихря до горизонта 1000 м. Показано, что доступная потенциальная энергия вихря на порядок превышает кинетическую энергию, причем демонстрирует положительный тренд с коэффициентом 0,23·1015 Дж/год. Установлено, что наибольший вклад в потенциальную энергию вносит промежуточный слой от 600 до 900 м, а в кинетическую – слой от 0 до 400 м. Проанализированы скорости преобразования средней кинетической энергии в вихревую кинетическую энергию и скорости преобразования средней доступной потенциальной энергии в вихревую доступную потенциальную энергию (баротропная и бароклинная неустойчивости). Показано, что первый тип преобразования доминирует летом, в то время как для второго характерно усиление потоков в зимний период.

Выводы. В вертикальных профилях проявляется увеличение кинетической энергии вихрей в зимний период по сравнению с летним. Доступная потенциальная энергия вихря на порядок превышает кинетическую энергию. Увеличение доступной потенциальной энергии подтверждается значимым положительным трендом и уменьшением вихревого числа Бюргера. Графики скорости преобразования баротропной неустойчивости отражают в зоне вихря разнонаправленные потоки, причем в зимний период наблюдается дипольная структура, в летний – трипольная. Наибольшая интенсивность баротропной неустойчивости отмечается летом. Для бароклинной неустойчивости характерно усиление потоков в зимний период, что связано с ослаблением стратификации в этот период вследствие зимней конвекции.

Ключевые слова

Лофотенская котловина, Норвежское море, доступная потенциальная энергия, кинетическая энергия, мезомасштабные вихри, Лофотенский вихрь

Благодарности

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта СПбГУ № 75295423 и гранта РФФИ № 20-05-00066.

Для цитирования

Травкин В. С., Белоненко Т. В. Исследование вихревой изменчивости в Лофотенской котловине на основе анализа доступной потенциальной и кинетической энергии // Морской гидрофизический журнал. 2021. Т. 37, № 3. С. 318–332. EDN AUDWVA. doi:10.22449/0233-7584-2021-3-318-332

Travkin, V.S. and Belonenko, T.V., 2021. Study of the Mechanisms of Vortex Variability in the Lofoten Basin Based on Energy Analysis. Physical Oceanography, 28(3), pp. 294–308. doi:10.22449/1573-160X-2021-3-294-308

DOI

10.22449/0233-7584-2021-3-318-332

Список литературы

  1. Volkov D. L., Belonenko T. V., Foux V. R. Puzzling over the dynamics of the Lofoten Basin – a sub-Arctic hot spot of ocean variability // Geophysical Research Letters. 2013. Vol. 40, iss. 4. P. 738–743. http://dx.doi.org/10.1002/grl.50126
  2. Volkov D. L., Kubryakov A. A., Lumpkin R. Formation and variability of the Lofoten Basin vortex in a high-resolution ocean model // Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers. 2015. Vol. 105. P. 142–157. https://doi.org/10.1016/j.dsr.2015.09.001
  3. Циркуляция вод в Лофотенской котловине Норвежского моря / Т. В. Белоненко [и др.] // Вестник Санкт-Петербургского университета. Серия 7. Геология. География. 2014. № 2. С. 108–121.
  4. Isachsen P. E., LaCasce J. H., Pedlosky J. Rossby wave instability and apparent phase speeds in large ocean basins // Journal of Physical Oceanography. 2007. Vol. 37, iss. 5. P. 1177–1191. https://doi.org/10.1175/JPO3054.1
  5. Nilsen J. E., Falck E. Variations of mixed layer properties in the Norwegian Sea for the period 1948–1999 // Progress in Oceanography. 2006. Vol. 70, iss. 1. P. 58–90. https://doi.org/10.1016/j.pocean.2006.03.014
  6. Федоров А. М., Башмачников И. Л., Белоненко Т. В. Зимняя конвекция в Лофотенской котловине по данным буев ARGO и гидродинамического моделирования // Вестник Санкт-Петербургского университета. Науки о Земле. 2019. Т. 64, № 3. С. 491–511. doi:10.21638/spbu07.2019.308
  7. Новоселова Е. В., Белоненко Т. В. Изопикническая адвекция в Лофотенской котловине Норвежского моря // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2020. Т. 13, № 3. С. 56–67. doi:10.7868/S2073667320030041
  8. Analysis of mesoscale eddies in the Lofoten Basin based on satellite altimetry / V. A. Zinchenko [et al.] // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2019. Т. 12, № 3. С. 46–54. doi:10.7868/S2073667319030067
  9. Statistical analysis of long-lived mesoscale eddies in the Lofoten Basin from satellite altimetry / S. M. Gordeeva [et al.] // Advances in Space Research. 2020. (In press. https://doi.org/10.1016/j.asr.2020.05.043
  10. The Dissipation of Kinetic Energy in the Lofoten Basin Eddy / I. Fer [et al.] // Journal of Physical Oceanography. 2018. Vol. 48, iss. 6. P. 1299−1316. doi:10.1175/JPO-D-17-0244.1
  11. О вертикальной компоненте скорости в Лофотенском мезомасштабном вихре Норвежского моря / Т. В. Белоненко [и др.] // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2017. Т. 53, № 6. С. 728–737. doi:10.7868/S0003351517060071
  12. Travkin V. S., Belonenko T. V. Seasonal variability of mesoscale eddies of the Lofoten Basin using satellite and model data // Russian Journal of Earth Sciences. 2019. Vol. 19, no. 5. ES5004. doi:10.2205/2019ES000676
  13. Sandalyuk N. V., Bosse A., Belonenko T. V. The 3-D structure of Mesoscale Eddies in the Lofoten Basin of the Norwegian Sea: A composite analysis from altimetry and in situ data // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2020. Vol. 125, iss. 10. e2020JC016331. doi:10.1029/2020JC016331
  14. Dynamical controls on the longevity of a non-linear vortex: The case of the Lofoten Basin Eddy / A. Bosse [et al.] // Scientific Reports. 2019. Vol. 9. 13448. https://doi.org/10.1038/s41598-019-49599-8
  15. Reid R. O., Elliott B. A., Olson D. B. Available potential energy: A clarification // Journal of Physical Oceanography. 1981. Vol. 11, iss. 1. P. 15–29. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1981)0110015:APEAC2.0.CO;2
  16. White M. A., Heywood K. J. Seasonal and interannual changes in the North Atlantic subpolar gyre from Geosat and TOPEX/POSEIDON altimetry // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1995. Vol. 100, iss. C12. P. 24931–24941. doi:10.1029/95JC02123
  17. Kang D., Curchitser E. N. On the evaluation of seasonal variability of the ocean kinetic energy // Journal of Physical Oceanography. 2017. Vol. 47, iss. 7. P. 1675–1683. doi:10.1175/JPO-D-17-0063.1
  18. 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
  19. The influence of nonlinear mesoscale eddies on near-surface oceanic chlorophyll / D. B. Chelton [et al.] // Science. 2011. Vol. 334, iss. 6054. P. 328–332. doi:10.1126/science.1208897
  20. Trodahl M., Isachsen P. E. Topographic influence on baroclinic instability and the mesoscale eddy field in the Northern North Atlantic Ocean and the Nordic Seas // Journal of Physical Oceanography. 2018. Vol. 48, iss. 11. P. 2593–2607. doi:10.1175/JPO-D-17-0220.1
  21. D’Asaro E. A. Observations of small eddies in the Beaufort Sea // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1988. Vol. 93, iss. C6. P. 6669–6684. https://doi.org/10.1029/JC093iC06p06669
  22. Søiland H., Chafik L., Rossby T. On the long-term stability of the Lofoten Basin Eddy // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2016. Vol. 121, iss. 7. P. 4438–4449. https://doi.org/10.1002/2016JC011726
  23. Breaking of internal waves and turbulent dissipation in an anticyclonic mode water eddy / B. Fernandez-Castro [et al.] // Journal of Physical Oceanography. 2020. Vol. 50, iss. 7. P. 1893–1914. doi:10.1175/JPO-D-19-0168.1
  24. Kinetic energy of eddy-like features from sea surface altimetry / J. Martínez-Moreno [et al.] // Journal of Advances in Modeling Earth Systems. 2019. Vol. 11, iss. 10. P. 3090–3105. https://doi.org/10.1029/2019MS001769
  25. Hebert D. The available potential energy of an isolated feature // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1988. Vol. 93, iss. C1. P. 556–564. https://doi.org/10.1029/JC093iC01p00556
  26. Pedlosky J. Geophysical Fluid Dynamics. New York : Springer, 1987. 710 p. doi:10.1007/978-1-4612-4650-3
  27. Characteristics of subsurface mesoscale eddies in the northwestern tropical Pacific Ocean from an eddy-resolving model / A. Xu [et al.] // Journal of Oceanology and Limnology. 2020. Vol. 38, no. 5. P. 1421–1434. https://doi.org/10.1007/s00343-020-9313-4
  28. Eden C., Böning C. Sources of Eddy Kinetic Energy in the Labrador Sea // Journal of Physical Oceanography. 2002. Vol. 32, iss. 12. P. 3346–3363. doi:10.1175/1520-0485(2002)0323346:SOEKEI2.0.CO;2
  29. The eddy kinetic energy budget in the Red Sea / P. Zhan [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2016. Vol. 121, iss. 7. P. 4732–4747. doi:10.1002/2015JC011589
  30. Fedorov A. M., Belonenko T. V. Interaction of mesoscale vortices in the Lofoten Basin based on the GLORYS database // Russian Journal of Earth Sciences. 2020. Vol. 20, no. 2. ES2002. doi:10.2205/2020ES000694
  31. Koldunov A. V., Belonenko T. V. Hydrodynamic Modeling of Vertical Velocities in the Lofoten Vortex // Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2020. Vol. 56, no. 5. P. 502–511. https://doi.org/10.1134/S0001433820040040
  32. Interaction between mesoscale eddies and the gyre circulation in the Lofoten Basin / R. P. Raj [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2020. Vol. 125, iss. 7. e2020JC016102. https://doi.org/10.1029/2020JC016102

Скачать статью в PDF-формате