Влияние подводного хребта на перемещение антициклонических вихрей над наклонным дном под действием топографического бета-эффекта: лабораторный эксперимент

А. Г. Зацепин1, 2, Д. Н. Елкин1, 2, ✉

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

2 Морской гидрофизический институт РАН, Севастополь, Россия

✉ e-mail: dmelkin@mail.ru

Аннотация

Цель. Исследовано влияние подводного хребта на перемещение антициклонических вихрей над наклонным дном под действием топографического бета-эффекта во вращающейся жидкости в лабораторных условиях.

Методы и результаты. Проведены эксперименты в цилиндрическом бассейне, расположенном на вращающейся платформе. В бассейн вставлен конус так, что его основание совпадает с нижним основанием цилиндра. Высота конуса меньше, чем радиус основания. Перед началом опыта бассейн заполняется пресной или соленой водой с определенной соленостью. Толщина водного слоя больше высоты конуса. Антициклонические вихри создаются с помощью локального источника постоянного расхода подкрашенной интенсивным красителем в синий цвет пресной воды. Источник расположен непосредственно под поверхностью водного слоя на расстоянии, равном половине радиуса бассейна, от его центра. Вихри, продуцируемые источником, при достижении критического диаметра уходят из-под него и под действием топографического бета-эффекта дрейфуют вдоль изобат в «западном» направлении («север» – вершина конуса в центре бассейна). Опыты проводились над конусом с гладкой поверхностью и над конусом с выступающей на боковой поверхности в виде хребта частью, высота которой значительно меньше высоты конуса, расположенного на пути дрейфа вихрей. В опытах над конусом с хребтом дрейф вихрей как баротропных (пресная вода в бассейне), так и бароклинных (соленая вода в бассейне) замедлялся по сравнению с опытами над гладким конусом. После пересечения хребта значительно уменьшалась и орбитальная скорость вихрей.

Выводы. При наблюдениях и численном моделировании Севастопольского антициклонического вихря в Черном море, перемещающегося над континентальным склоном вдоль изобат в юго-западном направлении, было обнаружено, что движение вихря замедляется в области подводного хребта, образованного локальным поднятием рельефа дна между двумя каньонами – палеоруслом Дуная и палеоруслом Западного Днепра. Результаты лабораторного эксперимента подтвердили данные наблюдений и численных расчетов о замедлении распространения Севастопольского вихря и уменьшении его орбитальной скорости при пересечении им подводного хребта.

Ключевые слова

вращающаяся жидкость, наклонное дно, лабораторное моделирование, перемещение вихрей, батиметрия

Благодарности

Работа выполнена при поддержке гранта РНФ № 21-77-10052 и в рамках темы госзадания FMWE-2024-0016 (ИО РАН). Авторы благодарны Арсению Александровичу Кубрякову за предложение выполнить лабораторный эксперимент по исследованию влияния подводного хребта на распространение мезомасштабных вихрей над наклонным дном во вращающейся жидкости.

Для цитирования

Зацепин А. Г., Елкин Д. Н. Влияние подводного хребта на перемещение антициклонических вихрей над наклонным дном под действием топографического бета-эффекта: лабораторный эксперимент // Морской гидрофизический журнал. 2024. Т. 40, № 2. С. 298–311. EDN NETNBZ.

Zatsepin, A.G. and Elkin, D.N., 2024. Underwater Ridge Impact on the Motion of Anticyclonic Eddies over a Sloping Bottom as a Result of the Topographic Beta-Effect: Laboratory Experiment. Physical Oceanography, 31(2), pp. 271-283.

Список литературы

  1. Kubryakov A. A., Stanichny S. V. Seasonal and interannual variability of the Black Sea eddies and its dependence on characteristics of the large-scale circulation // Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers. 2015. Vol. 97. P. 80–91. https://doi.org/10.1016/j.dsr.2014.12.002
  2. Effect of bottom slope and wind on the near-shore current in a rotating stratified fluid: Laboratory modeling for the Black Sea / A. G. Zatsepin [et al.] // Oceanology. 2005. Vol. 45, Suppl. 1. P. S13–S26. EDN LJLSWD.
  3. Иванов В. А., Белокопытов В. Н. Океанография Черного моря. Cевастополь, 2011. 212 с. EDN XPERZR.
  4. Кубряков А. А., Станичный С. В. Синоптические вихри в Черном море по данным спутниковой альтиметрии // Океанология. 2015. Т. 55, № 1. С. 65–77. EDN TGWBIX. https://doi.org/10.7868/S0030157415010104
  5. Anticyclonic eddies over the northwestern continental slope in the Black Sea and transport of chlorophyll-rich waters into its abyssal basin / A. I. Ginzburg [et al.] // Mapping Sciences and Remote Sensing. 2001. Vol. 38, iss. 2. P. 130–143. https://doi.org/10.1080/07493878.2001.10642171
  6. Remotely sensed coastal/deep-basin water exchange processes in the Black Sea surface layer / A. I. Ginzburg [et al.] // Satellites, Oceanography and Society / Ed. by D. Halpern. Amsterdam : Elsevier, 2000. Chapter 15. P. 273–287. (Elsevier Oceanography Series ; vol. 63). https://doi.org/10.1016/S0422-9894(00)80016-1
  7. Oguz T. Role of physical processes controlling oxycline and suboxic layer structures in the Black Sea // Global Biogeochemical Cycles. 2002. Vol. 16, No. 2. 1019. https://doi.org/10.1029/2001GB001465
  8. Shapiro G. I., Stanichny S. V., Stanychna R. R. Anatomy of shelf–deep sea exchanges by a mesoscale eddy in the North West Black Sea as derived from remotely sensed data // Remote Sensing of Environment. 2010. Vol. 114, iss. 4. P. 867–875. https://doi.org/10.1016/j.rse.2009.11.020
  9. Long-term variations of the Black Sea dynamics and their impact on the marine ecosystem / A. A. Kubryakov [et al.] // Journal of Marine Systems. 2016. Vol. 163. P. 80-94. https://doi.org/10.1016/j.jmarsys.2016.06.006
  10. Anticyclonic eddies in the northwestern Black Sea / A. I. Ginzburg [et al.] // Journal of Marine Systems. 2002. Vol. 32, iss. 1–3. P. 91–106. https://doi.org/10.1016/S0924-7963(02)00035-0
  11. Rim current and coastal eddy mechanisms in an eddy-resolving Black Sea general circulation model / J. V. Staneva [et al.] / Journal of Marine Systems. 2001. Vol. 31, № 1–3. P. 137–157. https://doi.org/10.1016/S0924-7963(01)00050-1
  12. Kostianoy A. G., Zatsepin A. G. Laboratory experiments with baroclinic vortices in a rotating fluid // Mesoscale/Synoptic Coherent structures in Geophysical Turbulence / Ed. By J. C. J. Nihoul, B. M. Jamart. Amsterdam : Elsevier, 1989. P. 691–700. (Elsevier Oceanography Series ; vol. 50). https://doi.org/10.1016/S0422-9894(08)70215-0
  13. Зацепин А. Г., Дидковский В. Л. Об одном механизме формирования мезомасштабных вихревых структур в склоновой зоне океана // Доклады Академии наук. 1996. T. 347, № 1. C. 109–112.
  14. Зацепин А. Г., Дидковский В. Л., Семенов А. В. Автоколебательный механизм формирования периодической вихревой структуры от стационарного локального источника на наклонном дне во вращающейся жидкости // Океанология. 1998. Т. 38, № 1. С. 47–55.
  15. Каменкович В. М., Кошляков М. Н., Монин А. С. Синоптические вихри в океане. Л. : Гидрометеоиздат, 1987. 509 с.
  16. Шапиро Г. И. Структура мезомасштабной вихревой линзы в океанском термоклине // Доклады Академии наук СССР. 1984. Т. 276, № 6. C. 1477–1479.
  17. Зацепин А. Г., Елкин Д. Н., Шварцман Д. Р. Предварительные результаты лабораторных исследований эволюции нефронтальных вихрей в двуслойной вращающейся жидкости // Океанологические исследования. 2023. Т. 51, № 1. С. 5–35. EDN NOGTIM. https://doi.org/10.29006/1564-2291.JOR-2023.51(1).1
  18. Kubryakov A. A., Mizyuk A. I., Stanichny S. V. Stationarity and separation of the Sevastopol eddies in the Black Sea: The role of eddy-topographic interaction and submesoscale dynamics // Journal of Marine Systems. 2023. Vol. 241. 103911. https://doi.org/10.1016/j.jmarsys.2023.103911

Скачать статью в PDF-формате