Исследование синоптических и инерционных движений в поле Основного Черноморского течения по данным дрифтерных измерений

На основе дрифтерных данных, полученных в 2001 – 2007 гг., уточнены характеристики синоптических вихревых образований, формирующихся в результате неустойчивости Основного Черноморского течения, а также параметры инерционных колебаний. Пространственные размеры вихрей синоптического масштаба лежат в д...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2013
Hauptverfasser:	Джиганшин, Г.Ф., Полонский, А.Б., Толстошеев, А.П.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Морський гідрофізичний інститут НАН України 2013
Schriftenreihe:	Морской гидрофизический журнал
Schlagworte:	Анализ результатов наблюдений и методы расчета гидрофизических полей океана
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/56605
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Исследование синоптических и инерционных движений в поле Основного Черноморского течения по данным дрифтерных измерений / Г.Ф. Джиганшин, А.Б. Полонский, А.П. Толстошеев // Морской гидрофизический журнал. — 2013. — № 2. — С. 3-25. — Бібліогр.: 22 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-56605
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-566052014-02-21T03:10:37Z Исследование синоптических и инерционных движений в поле Основного Черноморского течения по данным дрифтерных измерений Джиганшин, Г.Ф. Полонский, А.Б. Толстошеев, А.П. Анализ результатов наблюдений и методы расчета гидрофизических полей океана На основе дрифтерных данных, полученных в 2001 – 2007 гг., уточнены характеристики синоптических вихревых образований, формирующихся в результате неустойчивости Основного Черноморского течения, а также параметры инерционных колебаний. Пространственные размеры вихрей синоптического масштаба лежат в диапазонах от 30 – 40 до 80 – 100 км, а периодичность орбитального обращения вод в них варьирует от 4 – 6 до 16 – 20 сут. Показано, что общая продолжительность существования квазистационарной антициклонической циркуляции в области Батумского вихря в период с марта по октябрь 2002 г. составила 240 сут. В осенний период 2004 и 2007 гг. в западной части Черного моря над материковым склоном были зафиксированы антициклонические вихри синоптического масштаба, кинематические характеристики которых близки к характеристикам Батумского вихря. Сходство кинематических характеристик и динамических условий формирования Батумского вихря и вихрей, зафиксированных в осенний период в западной части Черного моря, дает основание классифицировать их как склоновые вихри. Коэффициенты горизонтального турбулентного обмена, обусловленного синоптическими вихрями, определяются главным образом горизонтальными размерами вихрей и изменяются в пределах (0,15 – 0,45)·10⁴ м²/c. Характерные орбитальные скорости инерционных движений составляют 0,1 м/с, а радиус окружности, описываемой векторами инерционных течений, изменяется от 1 до 1,5 км. На основі дрифтерних даних, отриманих в 2001 – 2007 рр., уточнені характеристики синоптичних вихрових утворень, які формуються внаслідок нестійкості Основної Чорноморської течії, а також параметри інерційних коливань. Просторові розміри вихорів синоптичного масштабу лежать в діапазонах від 30 – 40 до 80 – 100 км, а періодичність орбітального обертання вод у них змінюється від 4 – 6 до 16 – 20 діб. Показано, що загальна тривалість існування квазістаціонарної антициклонічної циркуляції в області Батумського вихору в період з березня по жовтень 2002 р. склала 240 діб. В осінній період 2004 і 2007 рр. в західній частині Чорного моря над материковим схилом були зафіксовані антициклонічні вихори синоптичного масштабу, кінематичні характеристики яких близькі до характеристик Батумського вихору. Подібність кінематичних характеристик і динамічних умов формування Батумського вихору і вихорів, зафіксованих в осінній період в західній частині Чорного моря, дає підставу класифікувати їх як схилові вихори. Коефіцієнти горизонтального турбулентного обміну, обумовленого синоптичними вихорами, визначаються головним чином горизонтальними розмірами вихорів і змінюються в межах (0,15 – 0,45)·10⁴ м²/c. Характерні орбітальні швидкості інерційних рухів становлять 0,1 м/с, а радіус кола, яке описується векторами інерційних течій, змінюється від 1 до 1,5 км. Characteristics of synoptic eddies genereted by the Rim current instability and also the parameters of inertial oscillations are specified based on the drifters’ data obtained in 2001 – 2007. Spatial dimensions of synoptic-scale eddies are within the range from 30 – 40 to 80 – 100 km, whereas periodicity of water orbital circulation in them varies from 4 – 6 to 16 – 20 days. It is shown that in March – October, 2002, total duration of quasi-stationary anticyclonic circulation in the Batumi eddy area constituted 240 days. In autumn, 2004 and 2007, the synoptic-scale anticyclonic eddies whose kinematic characteristics were close to those of the Batumi eddy were observed in the western Black Sea above the continental slope. Similarity between the kinematic characteristics and the dynamic conditions of formation of the Batumi eddy and those observed in autumn in the western Black Sea provides a reason to classify them as slope eddies. The coefficients of horizontal turbulent mixing conditioned by synoptic eddies are determined mainly by their horizontal dimensions and vary within the range (0.15 – 0.45)·10⁴ m²/s. The characteristic orbital velocities of the inertial motions are 0.1 m/s and the radius of the circle circumscribed by the inertial currents’ vectors vary from 1 to 1,5 km. 2013 Article Исследование синоптических и инерционных движений в поле Основного Черноморского течения по данным дрифтерных измерений / Г.Ф. Джиганшин, А.Б. Полонский, А.П. Толстошеев // Морской гидрофизический журнал. — 2013. — № 2. — С. 3-25. — Бібліогр.: 22 назв. — рос. 0233-7584 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/56605 551.465+551.46(262.5) ru Морской гидрофизический журнал Морський гідрофізичний інститут НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Анализ результатов наблюдений и методы расчета гидрофизических полей океана Анализ результатов наблюдений и методы расчета гидрофизических полей океана
spellingShingle	Анализ результатов наблюдений и методы расчета гидрофизических полей океана Анализ результатов наблюдений и методы расчета гидрофизических полей океана Джиганшин, Г.Ф. Полонский, А.Б. Толстошеев, А.П. Исследование синоптических и инерционных движений в поле Основного Черноморского течения по данным дрифтерных измерений Морской гидрофизический журнал
description	На основе дрифтерных данных, полученных в 2001 – 2007 гг., уточнены характеристики синоптических вихревых образований, формирующихся в результате неустойчивости Основного Черноморского течения, а также параметры инерционных колебаний. Пространственные размеры вихрей синоптического масштаба лежат в диапазонах от 30 – 40 до 80 – 100 км, а периодичность орбитального обращения вод в них варьирует от 4 – 6 до 16 – 20 сут. Показано, что общая продолжительность существования квазистационарной антициклонической циркуляции в области Батумского вихря в период с марта по октябрь 2002 г. составила 240 сут. В осенний период 2004 и 2007 гг. в западной части Черного моря над материковым склоном были зафиксированы антициклонические вихри синоптического масштаба, кинематические характеристики которых близки к характеристикам Батумского вихря. Сходство кинематических характеристик и динамических условий формирования Батумского вихря и вихрей, зафиксированных в осенний период в западной части Черного моря, дает основание классифицировать их как склоновые вихри. Коэффициенты горизонтального турбулентного обмена, обусловленного синоптическими вихрями, определяются главным образом горизонтальными размерами вихрей и изменяются в пределах (0,15 – 0,45)·10⁴ м²/c. Характерные орбитальные скорости инерционных движений составляют 0,1 м/с, а радиус окружности, описываемой векторами инерционных течений, изменяется от 1 до 1,5 км.
format	Article
author	Джиганшин, Г.Ф. Полонский, А.Б. Толстошеев, А.П.
author_facet	Джиганшин, Г.Ф. Полонский, А.Б. Толстошеев, А.П.
author_sort	Джиганшин, Г.Ф.
title	Исследование синоптических и инерционных движений в поле Основного Черноморского течения по данным дрифтерных измерений
title_short	Исследование синоптических и инерционных движений в поле Основного Черноморского течения по данным дрифтерных измерений
title_full	Исследование синоптических и инерционных движений в поле Основного Черноморского течения по данным дрифтерных измерений
title_fullStr	Исследование синоптических и инерционных движений в поле Основного Черноморского течения по данным дрифтерных измерений
title_full_unstemmed	Исследование синоптических и инерционных движений в поле Основного Черноморского течения по данным дрифтерных измерений
title_sort	исследование синоптических и инерционных движений в поле основного черноморского течения по данным дрифтерных измерений
publisher	Морський гідрофізичний інститут НАН України
publishDate	2013
topic_facet	Анализ результатов наблюдений и методы расчета гидрофизических полей океана
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/56605
citation_txt	Исследование синоптических и инерционных движений в поле Основного Черноморского течения по данным дрифтерных измерений / Г.Ф. Джиганшин, А.Б. Полонский, А.П. Толстошеев // Морской гидрофизический журнал. — 2013. — № 2. — С. 3-25. — Бібліогр.: 22 назв. — рос.
series	Морской гидрофизический журнал
work_keys_str_mv	AT džiganšingf issledovaniesinoptičeskihiinercionnyhdviženijvpoleosnovnogočernomorskogotečeniâpodannymdrifternyhizmerenij AT polonskijab issledovaniesinoptičeskihiinercionnyhdviženijvpoleosnovnogočernomorskogotečeniâpodannymdrifternyhizmerenij AT tolstošeevap issledovaniesinoptičeskihiinercionnyhdviženijvpoleosnovnogočernomorskogotečeniâpodannymdrifternyhizmerenij
first_indexed	2025-07-05T07:53:45Z
last_indexed	2025-07-05T07:53:45Z
_version_	1836792704076349440
fulltext	ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 2 3 © , А.Б. Полонский, А.П. Толстошеев, 2013 Г.Ф. Джиганшин Анализ результатов наблюдений и методы расчета гидрофизических полей океана УДК 551.465+551.46(262.5) , А.Б. Полонский, А.П. Толстошеев Исследование синоптических и инерционных движений в поле Основного Черноморского течения по данным дрифтерных измерений На основе дрифтерных данных, полученных в 2001 – 2007 гг., уточнены характеристики синоптических вихревых образований, формирующихся в результате неустойчивости Основ- ного Черноморского течения, а также параметры инерционных колебаний. Пространственные размеры вихрей синоптического масштаба лежат в диапазонах от 30 – 40 до 80 – 100 км, а пе- риодичность орбитального обращения вод в них варьирует от 4 – 6 до 16 – 20 сут. Показано, что общая продолжительность существования квазистационарной антициклонической циркуляции в области Батумского вихря в период с марта по октябрь 2002 г. составила 240 сут. В осенний период 2004 и 2007 гг. в западной части Черного моря над матери- ковым склоном были зафиксированы антициклонические вихри синоптического мас- штаба, кинематические характеристики которых близки к характеристикам Батумско- го вихря. Сходство кинематических характеристик и динамических условий формиро- вания Батумского вихря и вихрей, зафиксированных в осенний период в западной час- ти Черного моря, дает основание классифицировать их как склоновые вихри. Коэффи- циенты горизонтального турбулентного обмена, обусловленного синоптическими вихрями, определяются главным образом горизонтальными размерами вихрей и изменяются в пределах (0,15 – 0,45)·104 м2/c. Характерные орбитальные скорости инерционных движений составляют 0,1 м/с, а радиус окружности, описываемой векторами инерционных течений, изменяется от 1 до 1,5 км. Ключевые слова: синоптические вихри, инерционные движения, дрифтерные измерения. Введение История изучения синоптической и мезомасштабной изменчивости Ос- новного Черноморского течения (ОЧТ) насчитывает более 50 лет. Первые ра- боты, касающиеся этого вопроса, появились еще в 60-х годах прошлого сто- летия [1 – 3]. Так, в работе [1] была предложена гипотеза о возбуждении инерционных движений при росте циклонической активности атмосферы над морем, вызывающей усиление ОЧТ. В статье [2] по результатам обработки гидрологических съемок была показана возможность существования вихре- вой структуры в юго-восточной части Черного моря (ЧМ). В это же время на основании обработки результатов измерения поля течений было установлено, Г.Ф. Джиганшин ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 2 4 что стрежень ОЧТ испытывает волнообразные колебания, которые при опре- деленных условиях могут трансформироваться в вихри с горизонтальными размерами до 15 миль [3]. Ряд работ, посвященных вопросам вихреобразования в прибрежной зоне ЧМ, был опубликован в следующее десятилетие [4 – 6]. Их авторы рассмат- ривали вихреобразование в шельфовой зоне ЧМ в терминах концепции гори- зонтального турбулентного обмена. К возможной причине возникновения си- ноптических вихрей они относили неустойчивость основного потока по от- ношению к внешним возмущениям. В работе [7] была сделана одна из пер- вых попыток теоретического описания механизма вихреобразования на осно- ве модели резонансного возбуждения вихрей в окрестностях вдольберегового потока. Изучение процессов вихреобразования получило дальнейшее развитие в результате реализации программы совместных комплексных океанологиче- ских исследований ЧМ (СКОИЧ), выполнявшихся силами научно-исследова- тельских институтов АН УССР, АН СССР, СО ГОИНа, АзЧерНИРО и Гидро- графической службой КЧФ [8 – 11]. Было установлено, что в поле крупно- масштабной циркуляции регулярно наблюдаются периодические течения, обусловленные воздействием на толщу вод интенсивных барических образо- ваний. Авторами упомянутых работ показано, что векторы этих течений со- вершают полный оборот по часовой стрелке за инерционный период, величи- на которого зависит от широты места и составляет в среднем 17 – 18 ч (т.е. установлен инерционный характер этих течений). На основе обработки мате- риалов, полученных по программе СКОИЧ, был проверен механизм образова- ния вихрей синоптического масштаба и показано, что в моменты усиления ци- клонической активности над всей акваторией моря на отдельных участках ОЧТ могут возникать критические вертикальные сдвиги скорости, приводящие к гидродинамической неустойчивости и возникновению меандров и вихрей с пространственными размерами до 150 км и фазовыми скоростями 10 – 15 см/с [10]. По мнению этих же авторов, синоптические вихри являются внешними источниками, которые снабжают энергией инерционные колебания [11]. Следующий этап в изучении пространственно-временной изменчивости течений ЧМ начался с внедрением в практику океанологических исследова- ний спутниковых методов. Так, в статье [12] путем ассимиляции данных аль- тиметрических измерений за 1992 – 1999 гг. было показано, что «мгновен- ные» поля течений ЧМ представляют собой суперпозицию ОЧТ, его меанд- ров и вихревых структур различного типа. Этот результат неоднократно под- тверждался данными спутниковых снимков. В работе [13] проведена систе- матизации снимков поверхности ЧМ в оптическом и инфракрасном диапазо- нах за период 2004 – 2008 гг. и предложена генетическая классификация вих- ревых образований. Внедрение дрифтерных измерений в практику океанологических исследова- ний дало возможность повысить статистическую обеспеченность оценок характе- ристик вихревых структур. Для ЧМ такие оценки (включая лагранжевы характе- ристики вихрей и коэффициенты горизонтального турбулентного обмена) по ме- тодике из работы [14] были получены в 2003 – 2005 гг. [15, 16]. Несколько позже эти оценки были подвергнуты сомнению. Так, показав, что степень достоверности ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 2 5 лагранжевых оценок сильно зависит от длины реализации, автор работ [17, 18] выполнил более обоснованные расчеты коэффициентов горизонтального турбу- лентного обмена [18]. Однако эти оценки также требуют дальнейшего уточнения, по крайней мере по следующим двум причинам. 1. Дрифтерные данные содержат две погрешности. Одна – обусловлена не- равномерностью интервалов времени между обсервациями, другая – является собственно погрешностью метода измерения координат. Рассматриваемые ниже траектории дрифтеров воспроизведены главным образом по результа- там измерений координат доплеровским методом с использованием спутни- ковой системы определения координат Argos. Поскольку погрешности обсер- ваций, полученные этим методом, зависят от условий измерения, каждый принятый отсчет координат дрифтера сопровождается информацией о воз- можном диапазоне неопределенности измерений – классе обсервации. Пер- вому классу соответствует погрешность ±1000 м, второму – ±350 м, третьему – ±150 м. Указанные факторы являются причиной того, что траектории дриф- теров, построенные по линейно интерполированным данным (что было сде- лано в работах [15 – 18]), не вполне адекватно отражают реальный дрейф. Вместе с тем в настоящее время уже разработана методика, позволяющая по- лучить траекторию дрифтера, достаточно близкую к реальной, а следователь- но, и существенно повышающая достоверность лагранжевых оценок [19]. 2. Визуальный анализ траекторий запущенных дрифтеров показывает, что да- леко не все они фиксировали вихри синоптических масштабов. Большая их часть перемещалась в поле ОЧТ без видимых синоптических флуктуаций. В упомяну- тых же выше работах статистические оценки параметров вихрей были получены на основе треков, включающих в том числе и участки с явным отсутствием синоп- тических вихревых структур. В настоящей работе делается попытка получить репрезентативные статисти- чески обеспеченные оценки параметров синоптических вихревых структур, а так- же инерционных движений, наблюдаемых в поле ОЧТ. Использованные материалы, методика исследования и результаты Общая характеристика использованных данных и методика разделения средней и флуктуационной компонент вектора. В работе использованы дан- ные лишь тех дрифтеров, которые зарегистрировали вихри синоптических мас- штабов. Это имело место главным образом в западной и восточной частях моря в областях свала глубин, а также материкового слона, заключенного между изоба- тами 1000 и 2000 м, с уклонами дна порядка 0,5°. Из 88 пусков дрифтеров за пе- риод с 2001 по 2007 гг. было отслежено 16 таких траекторий (рис. 1). В соответствии с паспортными данными погрешность обсерваций дрифте- ров, рассматриваемых в настоящей работе (за исключением дрифтера № 13480), в среднем относится ко второму классу и составляет 150 – 350 м. Погрешность обсерваций дрифтера № 13480 – ≤ 50 м. Обработка данных заключалась в следующем. Вначале восстанавлива- лись траектории дрейфующих буев по координатам, полученным допле- ровским методом с помощью системы спутниковой связи Argos. Затем производилось их разделение на компоненты, отражающие средний пере- нос и флуктуационную составляющую. Наконец, последняя, в свою оче- ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 2 6 редь, разделялась на составляющие, описывающие синоптическую и инер- ционную компоненты. Р и с. 1. Траектории дрифтеров, зафиксировавших вихри синоптического масштаба Первая задача решалась на основе методики, изложенной в работе [19]. В соответствии с этой методикой интерполяция временных рядов ко- ординат автономных лагранжевых дрейфующих буев осуществлялась с применением функции, включающей в себя две составляющие: полиноми- альную – для описания среднего переноса дрифтера (тренд траектории) и синусоидальную – для восстановления участков траектории, обусловлен- ных относительно высокочастотными колебаниями. Полученные таким образом временные ряды координат подвергались последующему сглажи- ванию по методу взвешенной локальной регрессии. В результате интерпо- ляции и сглаживания были получены массивы координат дрейфа { ii λϕ , } с разрешением в 1 ч и среднеквадратическим отклонением на 25% меньше, чем при линейной интерполяции данных. Таким образом, ежечасная по- грешность позиционирования дрифтера не превышала 250 м. ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 2 7 Для определения среднего переноса использовался комбинированный подход, который заключался в следующем. На тех участках треков, где не наблюдалось очевидного присутствия вихревой компоненты синоптиче- ского масштаба, средний перенос определялся путем полиномиальной ап- проксимации массивов { ii λϕ , }, где i = 1, 2, … – порядковый номер часа дрейфа. Формальным критерием при выборе степени аппроксимирующего полинома служило его значение, при котором имела место «стабилизация» величины остаточной дисперсии. На участках же треков, где доминирова- ла вихревая компонента синоптического масштаба, для определения сред- него переноса соответствующие отрезки рядов { ii λϕ , } подвергались те- кущему осреднению. Причем для каждого такого отрезка параметр осред- нения подбирался индивидуально. В результате таких операций получа- лись массивы { ii λϕ , }, отражающие перемещение буя в направлении его генерального дрейфа на каждом из обработанных отрезков. Затем эти от- резки «сшивались» с соблюдением требований непрерывности ряда, отра- жающего генеральный дрейф буя на всем протяжении его перемещения. Типичный пример построения осредненного трека показан на рис. 2. 29° 30° 31° 42° 43° 44° 29° 30° 31° 42° 43° 44° с.ш. с.ш. в.д. в.д. №14169, 2004 №13480, 2007 Р и с. 2. Реальные траектории дрифтеров (тонкие линии) и осредненные треки (утолщен- ные линии) Далее на основе рядов { ii λϕ , } и { ii λϕ , } рассматривались ряды состав- ляющих скорости течения { ii VU , } и { ii VU , }, отражающие лагранжево распределение реально зарегистрированного переноса и переноса в на- правлении общего смещения буя соответственно. Затем, вычислив { iiiiii VVVUUU −=′−=′ , }, получали распределение флуктуационных компонент скорости переноса на каждый i-й час дрейфа. ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 2 8 0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 Частота, цикл/ч 0 5 10 15 20 С п е к т р а л ь н а я п л о т н о с т ь , (м /c )2 ч U's , V's №16331 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 U'in , V'in 0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 Частота, цикл/ч 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 С п е к т р а л ь н а я п л о т н о с т ь , (м /с )2 ч U's, V's №16337 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,0 0,5 1,0 U'in ,V'in Р и с. 3. Спектральный состав флуктуаций разделенных рядов { ss VU ′′, } и { inin VU ′′ , } по данным дрифтеров № 16331 и 16337 (сплошная кривая – зональная компонента скорости, штриховая – меридиональная компонента) Спектральный состав флуктуационных компонент ii VU ′′, для назван- ных дрифтеров (рисунки не приводятся) характеризуется всплесками в ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 2 9 области низких частот от 0,01 до 0,02 цикл/ч и вблизи инерционной час- тоты 0,06 цикл/ч. Следовательно, для того чтобы получить достоверные оценки синоптической компоненты изменчивости, их надо выделить из рядов { ii VU ′′, }, что и было сделано. Эта операция выполнялась следую- щим образом. Вначале путем текущего сглаживания рядов { ii VU ′′, } полу- чали ряды { ss VU ′′, }, описывающие более низкочастотную (синоптиче- скую) компоненту изменчивости, а затем вычислялись ряды инерцион- ных компонент скорости { isinisin VVVUUU ′−′=′′−′=′ , }. Спектры, приведенные на рис. 3, убедительно показывают, что, ис- пользуя описанную выше процедуру, удается получить ежечасные ряды { ss VU ′′, } и { inin VU ′′ , }, позволяющие анализировать каждую компоненту отдельно. Причем важно отметить, что аналогичный результат получен для всех обработанных траекторий дрифтеров. Характеристики синоптических вихрей и оценка коэффициентов го- ризонтального турбулентного обмена. Для дальнейших вычислений ис- пользовались лишь фрагменты рядов, на которых явно выделялись синопти- ческие флуктуации (см. рис. 1). Так, например, из траектории дрифтера № 16331 было выделено два фрагмента: один – отражающий дрейф в районе, прилегающем к северному побережью Турции (68 – 88-е сут дрейфа), другой – отражающий антициклоническое обращение буя в юго-восточном секторе моря (последние 60 сут). Для каждого такого фрагмента последовательно со сдвигом в 1 ч формировались ряды { ss VU ′′, } длительностью 200 ч, для кото- рых вычислялись лагранжевы характеристики вихревых структур синоптиче- ского масштаба изменчивости, а именно, лагранжевы масштабы времени, длины и скорости, а также коэффициенты горизонтального турбулентного обмена. По аналогии с работами [15 – 18], расчет производился в соответст- вии с соотношениями теории Тэйлора [14], согласно которой коэффициент горизонтального турбулентного обмена выражается формулой ss UsU TUK ′′ ′= 2 , где 2 sU ′ – дисперсия пульсаций лагранжевой скорости, описываемая си- ноптической компонентой изменчивости, а sUT ′ – интегральный лагранжев масштаб времени, вычисляемый по формуле ττ τ dRT ss UU )( 0 0 ∫ ′′ = . Здесь )(τ sUR ′ – нормированная автокорреляционная функция 2/)()()( sssU UtUtUR s ′+′′=′ ττ при сдвиге τ , а 0τ – значение сдвига, при котором функция )(τ sUR ′ впервые переходит через нуль. Интегральные лагранжевы масштабы скорости и длины рассчитываются по формулам 21 2      ′=′ sU U s σ , sss UUU TL ′′′ = σ соответст- венно. ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 2 10 Для компоненты скорости sV ′ формулы расчета аналогичны. Реаль- ные пространственно-временные характеристики вихрей (горизонталь- ные размеры и периоды полного орбитального обращения) оценивались путем анализа годографов, описываемых синоптической компонентой скорости течений, и соответствующих спектров. Лагранжевы характеристики, вычисленные для каждого конкретного трека по текущим 200-часовым отрезкам { ss VU ′′, }, подвержены сущест- венным вариациям. Причем даже при их осреднении (см. табл.1) средне- квадратические отклонения флуктуаций зачастую превышают половину значения осредненной величины. Поэтому в случаях, когда один и тот же вихрь описывался более чем двумя дрифтерами, лагранжевы характери- стики подвергались общему статистическому осреднению (табл. 2). Не- обходимо отметить также, что факт значительной изменчивости лагран- жевых оценок, получаемых по 200-часовым отрезкам { ss VU ′′, }, следует особенно учитывать при расчете коэффициентов горизонтального обмена. Поэтому для ответа на вопрос, какая же из лагранжевых характеристик наиболее значимо обусловливает величину коэффициента горизонтально- го обмена, обратимся к корреляционной матрице (табл. 3), вычисленной по данным табл. 1. Высокие значения взаимной корреляции лагранжевых масштабов длины и коэффициентов горизонтального обмена (0,97 и 0,93 для зональной и меридиональной компонент скорости течения соответст- венно) убедительно показывают, что наиболее значимым фактором, опре- деляющим характер горизонтального обмена, является горизонтальный размер вихря. Регрессионные соотношения, отражающие степень обуслов- ленности коэффициентов бокового обмена горизонтальными размерами вихря, приведены на рис. 4. 0 5 10 15 20 25 Размер вихря, км 0 0.2 0.4 0.6 0.8 К о э ф ф и ц и е н т б о ко в о го о б м е н а , ( м 2 / с )Х 10 4 KU'=0.029LU'-0.108 KV'=0.025LV'-0.074 Р и с. 4. Зависимость коэффициентов бокового обмена от горизонтальных размеров вихря для зональной (жирные точки и сплошная линия) и меридиональной (крестики и штрихо- вая линия) компонент скорости течения В дальнейшем изложении под словосочетанием «лагранжев масштаб времени / длины / и т.д.» следует понимать статистически осредненную величину. ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 2 11 Т а б л и ц а 1 Статистически осредненные лагранжевы характеристики синоптических вихревых структур по данным различных дрифтеров Номер дрифтера, вихрь Масштабы Коэффициенты го- ризонтального тур- булентного обмена, (м2/c)·104 времени, ч длины, км скорости, м/с 〉〈 ' sU T 〉〈 ' sV T 〉〈 ' sU L 〉〈 ' sV L 〉σ〈 ' sU 〉σ〈 ' sV 〉〈 ' sU K 〉〈 ' sV K 16331, А 10,2± 2,0 14,2± 2,3 7,7± 2,9 14,4± 2,7 0,20± 0,04 0,28± 0,02 0,17± 0,10 0,41± 0,09 16331, Б 23,0± 5,1 22,1± 5,1 22,6± 6,7 19,1± 6,9 0,27± 0,06 0,24± 0,08 0,64± 0,27 0,51± 0,34 16336, Б 26,4± 4,2 26,4± 3,1 20,3± 2,5 17,4± 2,6 0,22± 0,01 0,19± 0,01 0,44± 0,04 0,32± 0,06 34834, Б 24,1± 6,7 24,1± 6,5 13,5± 5,9 17,7± 6,6 0,15± 0,05 0,17± 0,06 0,23± 0,15 0,28± 0,19 35499, Са 19,4± 5,3 18,3± 3,6 14,5± 7,4 14,4± 4,5 0,20± 0,05 0,21± 0,04 0,32± 0,24 0,32± 0,14 40420, Сц 21,9± 1,4 23,4± 5,0 12,0± 0,3 14,9± 2,1 0,15± 0,01 0,18± 0,01 0,19± 0,01 0,27± 0,02 40421, Са 20,4± 4,9 19,0± 4,6 19,3± 5,8 13,7± 2,9 0,26± 0,04 0,21± 0,07 0,52± 0,22 0,31± 0,15 40422, Сц 14,2± 0,8 13,6± 0,8 4,8± 0,4 4,5± 0,2 0,09± 0,01 0,09± 0,004 0,04± 0,006 0,04± 0,003 40422, Са q8,3± q1,4 9,2± 0,7 2,5± 1,2 1,8± 0,3 0,08± 0,03 0,05± 0,005 0,02± 0,01 0,01± 0,002 40426, Сц 16,6± q5,1 16,9± 5,4 7,3± 4,7 8,2± 4,0 0,11± 0,04 0,14± 0,04 0,10± 0,11 0,12± 0,10 40428, Сц q5,1± q0,6 6,7± 0,9 0,4± 0,1 0,6± 0,2 0,02± 0,002 0,02± 0,005 0,001± 0,001 0,001± 0,001 40428, Ca q7,2± q0,6 6,0± 1,1 1,8± 0,3 1,5± 0,2 0,07± 0,01 0,07± 0,003 0,01± 0,003 0,01± 0,001 47603, УС 13,2± q2,9 12,5± 3,5 7,9± 2,5 5,5± 1,9 0,16± 0,03 0,12± 0,03 0,13± 0,06 0,07± 0,03 47604, УС 13,3± 1,1 12,6± 1,1 9,8± 0,9 7,0± 0,8 0,20± 0,01 0,15± 0,01 0,20± 0,03 0,11± 0,01 47605, УС 19,0± q7,2 19,0± 6,8 7,4± 3,8 6,7± 2,7 0,11± 0,08 0,10± 0,04 0,10± 0,09 0,07± 0,04 47607, УС 15,2± q2,6 14,2± 2,7 11,3± 1,7 7,2± 1,1 0,21± 0,02 0,14± 0,03 0,24± 0,04 0,11± 0,03 47608, УС 20,1± q5,5 16,4± 4,5 15,9± 5,3 7,9± 2,0 0,22± 0,04 0,14± 0,03 0,36± 0,16 0,11± 0,04 49169, Ск 26,9± q6,8 28,4± 5,7 14,2± 7,4 16,2± 6,6 0,14± 0,05 0,15± 0,04 0,23± 0,18 0,27± 0,17 13480, Ск 24,2± q6,7 25,1± 6,3 15,2± 6,0 16,6± 4,9 0,17± 0,06 0,18± 0,04 0,29± 0,16 0,32± 0,14 П р и м е ч а н и е . Обозначения вихрей: А – Анатолийский, Б – Батумский, Са – Севастопольский ан- тициклонический, Сц – Севастопольский циклонический, УС – условно Севастопольский, Ск – склоновый. ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 2 12 Т а б л и ц а 2 Статистически осредненные лагранжевы характеристики вихрей В и х р ь Масштабы Коэффициенты горизонтального турбулентного обмена, (м2/c)·104 Количество 200-часовых отрезков времени, ч длины, км скорости, м/с 〉〈 ' sU T 〉〈 ' sV T 〉〈 ' sU L 〉〈 ' sV L 〉σ〈 ' sU 〉σ〈 ' sV 〉〈 ' sU K 〉〈 ' sV K Б 23,6 23,2 18,3 17,0 0,21 0,20 0,44 0,39 2469 С 19,4 18,3 14,5 14,4 0,20 0,21 0,32 0,32 281 УС 17,0 16,1 9,6 6,8 0,16 0,12 0,18 0,09 3909 Ск 26,4 27,8 14,4 16,2 0,14 0,16 0,24 0,28 2723 А 13,1 16,1 7,8 12,7 0,18 0,24 0,15 0,33 356 П р и м е ч а н и е . Обозначения вихрей: Б – Батумский, С – Севастопольский, УС – условно Сева- стопольский, Ск – склоновый, А – Анатолийский. Т а б л и ц а 3 Корреляционные матрицы для зональной и меридиональной компонент скорости, вычисленные по данным табл. 1 Параметр 〉〈 ' sU T 〉〈 ' sU L 〉〈 ' sU σ 〉〈 ' sU K 〉〈 ' sU T 1,00 0, 67 0,16 0,49 〉〈 ' sU L 0,67 1,00 0,82 0,97 〉〈 ' sU σ 0,16 0,82 1,00 0,89 〉〈 ' sU K 0,49 0,97 0,89 1,00 Параметр 〉〈 ' sV T 〉〈 ' sV L 〉〈 ' sV σ 〉〈 ' sV K 〉〈 ' sV T 1,00 0,73 0,22 0,49 〉〈 ' sV L 0,73 1,00 0,79 0,93 〉〈 ' sV σ 0,22 0,79 1,00 0,91 〉〈 ' sV K 0,49 0,93 0,91 1,00 Наибольшие значения лагранжевых характеристик получены в юго- восточной части ЧМ в области Батумского антициклона (табл. 2, рис. 5, а). Антициклонические вихри синоптического масштаба здесь были зарегист- рированы дрифтерами № 16336 (в марте 2002 г.), № 16331 (в апреле – мае 2002 г.) и № 34834 (в сентябре – октябре 2002 г.). Согласно работам [20, 21], в этот период года ОЧТ отворачивает от побережья в открытое мо- ре по направлению к м. Пицунда. Имеются основания полагать, что все указанные дрифтеры зафиксировали проявление одного и того же антици- клонического вихря (Батумского), действующего здесь обычно в теплый период года и перемещавшегося во время наблюдений от юго-западного сектора региона к северо-восточному. Заметим, что, согласно результатам обработки альтиметрических данных за период 1992 – 1999 гг. [12], общая ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 2 13 продолжительность существования антициклонической циркуляции в об- ласти этого вихря составляет ≈ 210 сут. Судя же по нашим результатам (рис. 5, а), время жизни этой динамической структуры составляет не менее 240 сут. Лагранжевы масштабы времени ≈ 1сут, длины – от 17 до 18 км. Значения коэффициентов горизонтального обмена, вычисленные для этого периода наблюдений, составляли 0,44·104 м2/c для компоненты sU ′ и 0,39·104 м2/c для компоненты sV ′ (табл. 2). Представление о периодах пол- ного орбитального обращения вод, а также о реальных пространственных размерах вихря дают рис. 6 – 10. Судя по приведенным на рис. 6 спектрам, время полного орбитального обращения вод в Батумском вихре менялось от ≈ 6 до 16 – 20 сут в начальный и конечный периоды его существования соответственно. Пространственные масштабы круговых петель, описы- ваемых дрифтерами, менялись от ≈ 50 до 80 – 100 км. Это, по всей види- мости, зависело от того, на каком радиальном расстоянии от центральной части вихря оказывался дрифтер в тот или иной момент дрейфа. Поэтому истинные размеры вихря следует оценивать, очевидно, по максимальным размерам круговых петель. 0 2 4 6 8 10 12 Период наблюдения, мес 0 5 10 15 20 25 М а с ш т а б д л и н ы , к м 0 2 4 6 8 10 12 Период наблюдения, мес 0 10 20 30 М а с ш т а б в р е м е н и , ч 0 2 4 6 8 10 12 Период наблюдения, мес 0 0.2 0.4 0.6 0.8 К о э ф ф и ц и е н т г о р и з о н т а л ь н о го о б м е н а , ( м 2 / c) х 10 4 0 2 4 6 8 10 12 Период наблюдения, мес 0 10 20 30 М а с ш т а б в р е м е н и , ч 0 2 4 6 8 10 12 Период наблюдения, мес 0 5 10 15 20 25 М а с ш т а б д л и н ы , к м 0 2 4 6 8 10 12 Период наблюдения, мес 0 0.2 0.4 0.6 0.8 К о э ф ф и ц и е н т го р и зо н т а л ь н о го о б м е н а , ( м 2 / c) х 10 4 16331 16336 34834 40422 49169 зональная компонента U меридиональная компонента V a б 47605 40426 40421 3549947603-47608 40421 40422 40426 35499 47603-47608 47605 13480 1348049169 13480 13480 35499 47605 47603-47608 40422 40426 40421 16336 16331 34834 34834 16331 16336 Р и с. 5. Лагранжевы характеристики вихрей в юго-восточном (а) и западном (б) секторах Черного моря (цифры – номера дрифтеров) ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 2 14 Р и с. 6. Спектры флуктуаций и годографы синоптической компоненты скорости течения в области Батумского вихря (сплошная кривая – зональная компонента; штриховая – меридио- нальная компонента; в целях разгрузки рисунка годографы разделены; черные точки соответ- ствуют началу очередных суток дрейфа, цифры – их порядковый номер, знак «плюс» – начало годографа) ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 2 15 В отличие от восточной части моря, вихревые структуры в западной части характеризовались заметным разнообразием. В осенний период 2004 и 2007 гг. в западной части ЧМ дрифтерами № 49169 и 13480 были зафиксированы антициклонические вихри синоптического масштаба, наблюдавшиеся в мористой части материкового склона с глубинами 1000 – 2000 м. Лагранжевы характеристики этих вихрей были близки к характеристикам Батумского вихря (табл. 2, рис. 5, б). Зональный и ме- ридиональный лагранжевы масштабы длины составляли 14,4 и 16,2 км, а временной масштаб – 26,4 и 27,8 ч соответственно. Заметим, что ОЧТ в этот период года ослаблено (по сравнению с весной), а его ось сдви- нута в сторону открытой части моря [20, 21], что приводит к возникно- вению антициклонических вихрей значительного пространственного мас- штаба. В частности, осенью 2004 г. над материковым склоном такой вихрь рельефно выделяется на картах динамической топографии, построен- ных по данным спутниковой альтиметрии в работе [22]. Судя же по го- дографам, построенным по данным дрифтера № 49169, а также по соот- ветствующему спектру (рис. 7), горизонтальные размеры вихря варьи- ровали от 40 – 50 до 100 км, а время полного орбитального обращения вод составляло ≈ 15 сут. Близкие характеристики получены и для вих- ревой структуры, перемещавшейся над материковым склоном осенью 2007 г. в юго-западном секторе ЧМ (дрифтер № 13480). Горизонталь- ный размер вихря колебался от 60 до 80 км, а время полного орбиталь- ного обращения вод составляло 10 – 12 сут. Следует обратить внимание на генетическое сходство динамичес- ких условий формирования и близость кинематических характеристик Батумского вихря и вихрей, зарегистрированных дрифтерами № 49169 и 13480. Во всех случаях имеют место отход основной струи ОЧТ в сторону открытого моря [20 – 22] и расширение пространства между ОЧТ и свалом глубин, что сопровождается возникновением антициклониче- ской циркуляции над материковым склоном. На наш взгляд, это дает основание классифицировать упоминаемые образования как склоновые вихри. В области так называемого Севастопольского вихря (С) весной 2003 г. практически одновременно была запущена серия дрифтеров (дрифтеры № 40420 – 40428). Известно, что эта область характеризуется спорадической гидродинамической неустойчивостью [12], которая проявляется в генерации вихревых структур разного типа (грибовидные течения, вихревые диполи, антициклонические образования синоптического масштаба [13]). В период перемещения дрифтеров на широте юго-западной оконечности Крымского п-ова их траектории характеризовались сильной зашумленностью. Годо- графы, описываемые синоптической компонентой вектора скорости, ука- зывают на то, что весной 2003 г. циркуляция в рассматриваемом районе моря характеризовалась действием зонально ориентированного вихревого диполя (рис. 8). ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 2 16 Р и с. 7. Спектры флуктуаций и годографы синоптической компоненты скорости течения для вихрей, наблюдавшихся над материковым склоном в западной части Черного моря (пояснения те же, что для рис. 6) 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 Период, ч 0 5 10 15 20 С п е к тр а л ь н а я п л о тн о с ть , ( м /c )2 ч № 49169 -40 -20 0 20 40 -40 0 40 80 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 2224 26 28 30 -80 -40 0 40 -20 0 20 40 60 80 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61 -80 -40 0 40 80 -40 0 40 80 120 62 64 66 68 70 72 74 76 78 80 82 84 86 88 90 92 94 96 98 км к м к м к м км к м 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Период, ч 0 1 2 3 4 5 6 7 С п е к тр а л ь н а я п л о тн о с ть , ( м /с )2 ч № 13480 -80 -40 0 40 80 -80 -60 -40 -20 0 20 40 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 км км ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 2 17 Р и с. 8. Спектры флуктуаций и годографы синоптической компоненты скорости течения, полученные для циклонической и антициклонической частей вихревого диполя вблизи юго- западной оконечности Крымского п-ова (пояснения те же, что для рис. 6) Период, ч 0 100 200 300 400 500 600 700 800 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 С п ек тр ал ь н ая п л о тн о ст ь , ( м /c )2 ч № 40426 Вращение вектора скорости - циклоническое -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 -48 -44 -40 -36 -32 -28 -24 0 10 20 30 40 37 39 41 43 45 47 км км км км а 0 40 80 120 160 200 240 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 С п ек тр ал ь н ая п л о тн о ст ь , ( м /с )2 ч № 40426 Вращение вектора скорости - антициклоническое -48 -44 -40 -36 -32 -28 16 18 20 22 24 26 28 72 74 76 78 80 км км б 0 100 200 300 400 500 600 0 2 4 6 8 10 С п ек тр ал ь н ая п л о тн о ст ь , ( м /c )2 ч № 40421 -120 -80 -40 0 40 -40 -20 0 20 40 60 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 км км Вращение вектора скорости - антициклоническое в ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 2 18 Так, в начале дрейфа некоторыми дрифтерами в течение нескольких первых суток (от 3 до 10) была зафиксирована лишь восточная (циклони- ческая) часть диполя. Некоторые же дрифтеры попеременно захватыва- лись противоположными частями диполя, описывая при этом сложное че- редование фаз циклонического и антициклонического обращения вод. На- пример, на начальных участках дрейфа дрифтер № 40426 приблизительно в течение 30 сут фиксировал циклоническую циркуляцию с ≈ 5-суточным орбитальным обращением вод в восточной части диполя (рис. 8, а). Затем он был захвачен противоположной (западной) частью диполя, где фикси- ровалось уже антициклоническое обращение вод с периодом от 3 до 6 сут (рис. 8, б). Вместе с тем один из дрифтеров (№ 40421) практически сразу же после запуска был вовлечен в антициклоническую циркуляцию запад- ного сектора диполя (рис. 8, в), в котором находился в течение первых 24 сут дрейфа. Пространственные размеры вихрей, образующих диполь, варьировали от 20 до 40 км. Летом этого же 2003 г. в рассматриваемой облас- ти дрифтером № 35499 был зарегистрирован антициклонический вихрь с про- странственными размерами 90 – 100 км и с периодом орбитального обращения вод около 15 сут (рисунок не приводится). В начале лета 2004 г. серией дрифтеров (№ 47603 – 47608) был зафик- сирован вихрь, смещавшийся в поле ОЧТ в юго-западном направлении вдоль свала глубин. Сообразуясь с местом проявления, мы называем его «условно Севастопольским» (УС). Вихрь характеризовался меньшими размерами по сравнению с размерами вихрей, классифицируемых нами как склоновые. Его лагранжевы характеристики составили 7 – 10 км (для масштаба длины) и 16 – 17 ч (для масштаба времени), а коэффициенты бокового обмена – (0,09 – 0,18) ·104 м2/c (табл. 2). Пространственные размеры вихря составляли 30 – 40 км, а периоды полного орбитального обращения вод – около 4 сут (рис. 9). Анализ карт динамической топо- графии, построенных для рассматриваемого периода по данным спутнико- вой альтимертии [22], показывает, что своим формированием описывае- мый вихрь обязан поперечному сдвигу скорости в области стыка основной струи ОЧТ и южной периферии динамической ложбины, наблюдавшейся в юго-восточной части северо-западного шельфа. Наряду с рассмотренными синоптическими образованиями, номенкла- тура вихрей ЧМ, принятая на основе спутниковых данных [12, 13], вклю- чает антициклонические вихри Анатолийского побережья, возникающие из-за неустойчивости ОЧТ при обтекании им особенностей рельефа со сложной конфигурацией. Цепь таких вихрей была зафиксирована дрифте- рами № 16331 (рис. 10) и № 16336 в марте 2001 г. на участке дрейфа от 34 до 36,5° в.д. (см. рис.1). Лагранжевы характеристики вихрей составили 7,8 – 12,7 км для масштаба длины и 13,6 – 16,1 ч для временного мас- штаба. Пространственные масштабы вихрей менялись от ≈ 60 км в районе Синопского побережья до 10 – 20 км восточнее Синопа. Период орбиталь- ного обращения вод составлял 3 – 4 сут. Коэффициент горизонтального турбулентного обмена оценивается в (0,15 – 0,33)·104 м2/c. ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 2 19 Р и с. 9. Спектры флуктуаций и годографы синоптической компоненты скорости течения для вихрей, наблюдавшихся в западном секторе моря над свалом глубин (пояснения те же, что для рис. 6) 0 200 400 600 0 1 2 3 4 5 6 7 8 С п ек тр ал ь н ая п л о тн о ст ь , (м /с )2 ч № 47604 -1 0 0 10 20 3 0 -1 0 0 1 0 2 0 3 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 -4 0 -2 0 0 2 0 4 0 -1 0 0 1 0 2 0 3 0 8 1 0 12 14 16 1 8 20 22 24 км км км км б 0 200 400 600 0 1 2 3 4 5 С п ек тр ал ь н ая п л о тн о ст ь , (м /с )2 ч № 47603 - 2 0 -1 0 0 10 2 0 3 0 -10 0 10 20 30 0 2 4 6 8 1 0 - 20 -10 0 10 20 - 5 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 8 10 1 2 14 16 4 8 1 2 1 6 20 2 4 2 8 4 8 12 16 20 24 16 18 20 22 - 20 - 10 0 1 0 2 0 30 -2 0 -1 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 22 2 4 2 6 28 30 32 34 36 38 40 4 2 км км км км км км км к м а 0 200 400 600 0 1 2 3 4 5 6 С п ек тр ал ь н ая п л о тн о ст ь , (м /c )2 ч № 47605 -10 0 10 20 30 40 -20 0 20 40 0 2 4 6 8 -10 0 10 20 30 40 -20 0 20 40 1 2 14 16 18 2 0 2 2 24 -20 0 20 40 -20 -10 0 10 20 30 40 4 3 4 5 47 4 9 5 1 5 3 55 57 5 9 61 6 3 65 6 7 км к м км к м к м км в 0 200 400 600 0 1 2 3 4 5 6 7 8 С п ек тр ал ь н ая п л о тн о ст ь , (м /с )2 ч № 47607 - 4 0 -20 0 20 4 0 -10 0 10 20 30 0 2 4 6 8 1 0 -4 0 -20 0 20 4 0 -10 0 10 20 30 8 1 0 12 14 16 1 8 20 2 2 2 4 км к м кмкм г Период, ч ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 2 20 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 Период, ч 0 1 2 3 4 5 6 С п ек т р а л ь н ая п л о т н о с т ь , (м /с )2 ч № 16331 -40 -20 0 20 40 60 -60 -40 -20 0 20 40 60 67 69 71 73 75 77 79 81 83 85 87 8991 км км Р и с. 10. Спектры флуктуаций и годографы синоптической компоненты скорости течения для вихрей, наблюдавшихся в районе Анатолийского побережья(пояснения те же, что для рис. 6) Имеющаяся обеспеченность данными дрифтерных наблюдений не позволяет, к сожалению, надежно оценить сезонную изменчивость вих- ревых характеристик. Вместе с тем полученные данные не противоре- чат выводам работы [17], указывающим на активизацию обменных про- цессов весной и осенью (рис. 5). Отметим, что величины коэффициен- тов горизонтального турбулентного обмена, рассчитанные нами для ве- сенних месяцев, вдвое выше, чем приведенные в работе [17]. Это объ- ясняется исключением из наших расчетов участков дрейфа, на которых структуры синоптического масштаба не фиксировались. Статистические характеристики инерционных течений. К одно- му из постоянно действующих факторов, которые необходимо учитывать при изучении динамики течений (и в частности ОЧТ), следует отнести инерцион- ные колебания скорости. Анализ полученных в настоящей работе результатов показывает, что почти из любого фрагмента траектории дрейфа каждого их рассмотренных дрифтеров можно выделить ряды { inin VU ′′ , }, отражающие флуктуации компонент скорости инерционного масштаба. Это хорошо видно на рис. 11, на котором приведены произвольно выбранные фрагменты анали- зируемых рядов. ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 2 21 1700 1750 1800 1850 1900 1950 100 200 300 400 Текущее время от начала наблюдений, ч 50 100 150 200 250 300 2100 2150 2200 2250 2300 2350 2400 № 16331 № 16336 № 13480 Р и с. 11. Текущие ежечасные векторы инерционной компоненты скорости, вычисленные по данным рядов { inin VU ′′ , } Оценку радиусов окружностей, описываемых векторами инерционных течений, можно получить исходя из того, что теоретический период инерци- онных колебаний составляет приблизительно 17 ч. Как видно из табл. 4, ха- рактерные орбитальные скорости и радиусы окружностей составляют 0,1 м/с и 1 – 1,5 км соответственно. Т а б л и ц а 4 Характерные оценки параметров инерционных движений Номер дрифтера Орбитальные скорости, м/с Радиусы орбит, км Номер дрифтера Орбитальные скорости, м/с Радиусы орбит, км 13480 0,10±0,08 0,96±0,40 47604 0,15±0,09 1,45±0,64 16331 0,09±0,06 0,91±0,40 47605 0,13±0,08 1,25±0,55 16336 0,10±0,06 0,95±0,36 47606 0,13±0,08 1,26±0,62 16337 0,12±0,08 1,11±0,49 47607 0,12±0,06 1,13±0,49 34833 0,10±0,07 1,0±0,45 47608 0,14±0,09 1,43±0,52 34834 0,12±0,09 1,13±0,68 49169 0,12±0,09 0,94±0,50 47603 0,13±0,06 1,22±0,40 – – – ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 2 22 Заключение На основе дрифтерных данных, полученных в 2001 – 2007 гг., в работе уточнены характеристики синоптических вихревых образований, форми- рующихся в результате неустойчивости ОЧТ, и параметры инерционных ко- лебаний. Синоптические вихри регистрировались по траекториям дрейфа только 16 из 88 запущенных дрифтеров и, главным образом, в юго-вос- точной, западной и южной частях ЧМ. Наибольшие значения осредненных лагранжевых характеристик получены для вихрей синоптического мас- штаба, наблюдаемых над материковым склоном юго-восточной части ЧМ (в области Батумского антициклона) и в западной части моря. Для них ла- гранжевы масштабы времени составляли ≈ 1 сут, длины – от 17 до 23 км, типичные величины коэффициентов горизонтального турбулентного об- мена для компоненты sU ′ – 0,4·104 м2/c, а для компоненты sV ′ – 0,32·104 м 2/c. Общая продолжительность существования квазистационар- ной антициклонической циркуляции в области Батумского вихря в период с марта по октябрь 2002 г. достигала 240 сут. Время полного орбитального обращения вод в области Батумского вихря по данным 2004 г. менялось от ≈ 6 до 16 – 20 сут в начальный и конечный периоды его существования соответственно. Пространственные масштабы круговых петель, описы- ваемых дрифтерами, варьировали от ≈ 50 до 80 – 100 км. Антициклонический вихрь, наблюдавшийся в западной части ЧМ над кромкой шельфа, а также цепь вихрей у Анатолийского побережья харак- теризовались меньшими размерами и периодом орбитального обращения вод по сравнению с вихрями склонового происхождения. Пространствен- ные размеры первого составляли 30 – 40 км, а периоды полного орби- тального обращения – около 4 сут. Пространственные масштабы вихрей Анатолийского побережья менялись от ≈ 60 км в районе Синопского по- бережья до 10 – 20 км восточнее Синопа. Период орбитального обращения вод составлял 3 – 4 сут. В отличие от синоптических вихревых структур, возникающих при опре- деленных гидрофизических условиях в областях моря со специфическим рельефом дна, инерционные колебания в поле ОЧТ наблюдаются практиче- ски повсеместно. Характерные скорости орбитального переноса вод состав- ляют 0,1 м/с, а радиус окружности, описываемой векторами инерционных течений, 1 – 1,5 км. Приложение, добавленное при подготовке верстки К огромному сожалению, для первого автора настоящей статьи Гафура Файзрахмановича Джиганшина эта публикация стала последней в его жизни. Он не дожил несколько месяцев до выхода ее в свет. Однако, несмотря на тяжелое заболевание, он продолжал работать по теме этой статьи до послед- них дней своей жизни. Главная цель, к достижению которой стремился Г.Ф. Джиганшин, состояла в выделении типичных сезонных и межгодовых вариаций ОЧТ по данным дрифтерных измерений за период с 2000 по 2010 гг. На основе этих данных Г.Ф. Джиганшиным проведен анализ кинема- тической структуры ОЧТ для различных сезонов. Ему удалось подтвердить сложившееся представление об интенсификации ОЧТ в зимний период и его ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 2 23 41 43 45 с.ш. 41 43 45 с.ш. 28 30 32 34 36 38 40 в.д. 41 43 45 с.ш. май Vср = 0,23 м/с Vмакс = 0,80 м/с август Vср = 0,25 м/с Vмакс = 0,60 м/с февраль Vср = 0,32 м/с Vмакс = 0,92 м/с ослаблении в летний (рисунок). Кинетическая энергия ОЧТ в приповерхност- ном слое изменяется в течение года больше чем на полпорядка. Вместе с тем из рисунка видно, что данных дрифтерных наблюдений явно недостаточно для характеристики осредненного сезонного хода (а тем более межгодовой изменчивости) поля течений на всей акватории Черного моря. Поэтому Г.Ф. Джиганшин выделил два небольших района в окрестности ОЧТ с мак- симальным количеством данных наблюдений и сконцентрировал свои усилия на изучении изменчивости ОЧТ в этих районах, но не успел завершить анализ полученных результатов. Среднемесячные поля течений по данным всех дрифтеров за 2000 – 2010 гг. (в правом верхнем углу представлены осредненные и максимальные величины скоростей течений по всему полю) ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 2 24 В заключение хотелось бы отметить, что на протяжении почти всей своей научной деятельности Г.Ф. Джиганшин занимался исследованием поля тече- ний в различных районах Мирового океана на основе данных прямых изме- рений с помощью различных технических средств. Он сам неоднократно принимал участие в экспериментальных работах на научно-исследователь- ских судах, много раз был начальником отряда течений, заместителем на- чальника и начальником экспедиций. Последняя статья ярко иллюстрирует высокую требовательность Г.Ф. Джиганшина к качеству получаемых данных и скрупулезность в процессе их обработки и анализа. Таким, по-настоящему преданным своему делу ученым-океанологом, мы и запомним Гафура Файз- рахмановича Джиганшина. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Ямпольский А.Д. О внутренних волнах в Черном море по наблюдениям на многосуточ- ной якорной станции // Тр. ИО АН СССР. – 1960. – 39. – С. 111 – 126. 2. Бибик В.А. Особенности динамики вод юго-восточной части Черного моря и распреде- ление океанографических элементов // Тр. АзЧерНИРО. – 1964. – Вып. 23. – С. 23 – 31. 3. Зац В.И. Динамика вод и процессы горизонтальной турбулентной диффузии в при- брежной зоне Черного моря // Дис. … канд. геогр. наук. – М.: Изд-во МГУ, 1964. – 96 с. 4. Коновалова И.З. Прибрежные течения поверхностного слоя в морях без приливов //Автореф. дис. … канд. геогр. наук. – М.: Изд-во МГУ, 1970. – 15 с. 5. Большаков В.С. Гидрология материкового склона Черного моря // Материалы Всесоюз. симпоз. по изучению Черного и Средиземного морей, использованию и охране их ре- сурсов. – Киев: Наукова думка, 1973. – С. 70 – 73. 6. Зац В.И. Влияние физико-океанологических факторов на поле примеси в шельфовой зоне моря // Автореф. дис. … д-ра геогр. наук. – М.: Изд-во МГУ, 1975. – 31 с. 7. Иваненков Г.В. Вопросы динамики инерционных течений вблизи берега моря // Тр. ГОИН. – 1977. – Вып. 141. – С. 46 – 65. 8. Беляков Ю.М. Особенности нестационарных течений в открытой части Черного моря // Комплексные исследования Черного моря. – Севастополь: МГИ АН УССР, 1979. – С. 34 – 42. 9. Богатко О.Н., Богуславский С.Г., Беляков Ю.М. и др. Поверхностные течения Черного моря // Там же. – С. 26 – 33. 10. Блатов А.С., Иванов В.А. О вихреобразовании в Черном море // Там же. – С. 43 – 51. 11. Блатов А.С., Иванов В.А. К вопросу о мезомасштабной изменчивости океанологиче- ских характеристик в Черном море // Там же. – С. 52 – 58. 12. Korotaev G., Oguz T., Nikiforov A. et al. Seasonal, interannual, and mesoscale variability of the Black Sea upper layer circulation derived from altimeter data // J. Geophys. Res. – 2003. – 108, № C4. – 3122, doi:10.1029/2002JC001508. – P. 19-1 – 19-15. 13. Karimova S. Eddy Statistics for the Black Sea by Visible and Infrared Remote Sensing // Re- mote Sensing of the Changing Oceans / Ed. D. Tang. – Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 2011. – P. 61 – 76. 14. Taylor G.L. Diffusion by continuous movements // Proc. London Math. Soc. – 1921. – 20. – P. 196 – 212. 15. Журбас В.М., Зацепин А.Г., Григорьева Ю.В. и др. Циркуляция вод и характеристики разномасштабных течений в верхнем слое Черного моря по дрифтерным данным // Океанология. – 2003. – 43, № 6. – С. 1 – 15. ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 2 25 16. Poulain P.-M., Barbanti R., Motyzhev S. et al. Statistical description of the Black Sea near- surface circulation using drifters in 1999 – 2003 // Deep-Sea Res. Part I: Оceanographic re- search paper. – 2005. – 52, № 12. – P. 2250 – 2274. 17. Погребной А.Е. Модификация методики Тэйлора для оценки горизонтального обмена в Черном море по данным дрифтерного эксперимента // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. – Сева- стополь: МГИ НАН Украины. – 2008. – Вып. 16. – С. 136 – 144. 18. Погребной А.Е. Анализ пространственно-временных свойств обменных процессов в Черном море по данным дрифтерного эксперимента // Там же. – 2011. – Вып. 24. – С. 279 – 287. 19. Толстошеев А.П. Метод восстановления траекторий автономных дрейфующих буев // Там же. – 2007. – Вып. 15. – С. 392 – 396. 20. Полонский А.Б., Шокурова И.Г. Изменения сезонного хода геострофической циркуля- ции в Черном море // Морской гидрофизический журнал. – 2010. – № 1. – С. 16 – 31. 21. Иванов В.А., Белокопытов В.Н. Океанография Черного моря. – Севастополь: НПЦ «ЭКОСИ-Гидрофизика», 2011. – 212 с. 22. Kubryakov A.A., Stanichny S.V. Mean dynamic topography of the Black Sea computed from altimetry, drifters measurements and hydrology data // Ocean Science. – 2011. – № 7. – P. 745 – 753. Морской гидрофизический институт НАН Украины, Материал поступил Севастополь в редакцию 12.12.11 E-mail: apolonsky5@mail.ru После доработки 24.02.12 АНОТАЦІЯ На основі дрифтерних даних, отриманих в 2001 – 2007 рр., уточнені характерис- тики синоптичних вихрових утворень, які формуються внаслідок нестійкості Основної Чорно- морської течії, а також параметри інерційних коливань. Просторові розміри вихорів синоптич- ного масштабу лежать в діапазонах від 30 – 40 до 80 – 100 км, а періодичність орбітального обертання вод у них змінюється від 4 – 6 до 16 – 20 діб. Показано, що загальна тривалість іс- нування квазістаціонарної антициклонічної циркуляції в області Батумського вихору в період з березня по жовтень 2002 р. склала 240 діб. В осінній період 2004 і 2007 рр. в західній частині Чорного моря над материковим схилом були зафіксовані антициклонічні вихори синоптичного масштабу, кінематичні характеристики яких близькі до характеристик Батумського вихо- ру. Подібність кінематичних характеристик і динамічних умов формування Батумського вихо- ру і вихорів, зафіксованих в осінній період в західній частині Чорного моря, дає підставу кла- сифікувати їх як схилові вихори. Коефіцієнти горизонтального турбулентного обміну, обумов- леного синоптичними вихорами, визначаються головним чином горизонтальними розмірами вихорів і змінюються в межах (0,15 – 0,45)·104 м2/c. Характерні орбітальні швидкості інерцій- них рухів становлять 0,1 м/с, а радіус кола, яке описується векторами інерційних течій, зміню- ється від 1 до 1,5 км. Ключові слова: синоптичні вихори, інерційні рухи, дрифтерні вимірювання. ABSTRACT Characteristics of synoptic eddies genereted by the Rim current instability and also the parameters of inertial oscillations are specified based on the drifters’ data obtained in 2001 – 2007. Spatial dimensions of synoptic-scale eddies are within the range from 30 – 40 to 80 – 100 km, whe- reas periodicity of water orbital circulation in them varies from 4 – 6 to 16 – 20 days. It is shown that in March – October, 2002, total duration of quasi-stationary anticyclonic circulation in the Batumi eddy area constituted 240 days. In autumn, 2004 and 2007, the synoptic-scale anticyclonic eddies whose kinematic characteristics were close to those of the Batumi eddy were observed in the western Black Sea above the continental slope. Similarity between the kinematic characteristics and the dy- namic conditions of formation of the Batumi eddy and those observed in autumn in the western Black Sea provides a reason to classify them as slope eddies. The coefficients of horizontal turbulent mixing conditioned by synoptic eddies are determined mainly by their horizontal dimensions and vary within the range (0.15 – 0.45)·104 m2/s. The characteristic orbital velocities of the inertial motions are 0.1 m/s and the radius of the circle circumscribed by the inertial currents’ vectors vary from 1 to 1,5 km. Keywords: synoptic eddies, inertial motions, drifter measurements.

Исследование синоптических и инерционных движений в поле Основного Черноморского течения по данным дрифтерных измерений

Institution

Ähnliche Einträge