Статья: Зимняя конвекция в Лофотенской котловине по данным буев Argo и гидродинамического моделирования

Зимняя конвекция в Лофотенской котловине по данным буев Argo и гидродинамического моделирования

A.М. Федоров

И.Л. Башмачников

Т.В. Белоненко

Аннотация

В центре Лофотенской котловины Норвежского моря находится уникальный природный феномен - квазипостоянный антициклонический Лофотенский вихрь. Зимняя глубокая конвекция является необходимым условием его стабильности и одним из механизмов его существования, так как она создает благоприятные условия его ежегодной регенерации. Другим механизмом, позволяющим поддерживать в центре котловины высокую антициклоническую завихренность, является захват мезомасштабных вихрей, отрывающихся от Норвежского течения. Несмотря на то что важная роль глубокой конвекции в механизмах ежегодной регенерации Лофотенского вихря является общепризнанной, сегодня в научном сообществе отсутствует единое мнение об интенсивности зимней конвекции в данном регионе. В работе оценивалась глубина верхнего квазиоднородного слоя в Лофотенской котловине Норвежского моря. Для этого применялся метод Духовского, в котором в отличие от других известных методов нет заранее заданного критерия разности плотностей, а необходимый критерий определяется особенностями самого профиля. Сравнивались глубины верхнего квазиоднородного слоя в Лофотенской котловине по данным гидродинамического моделирования и буев Argo. Получены оценки глубин верхнего квазиоднородного слоя и пространственное распределение их максимальных значений. Рассмотрено пространственное распределение профилей Argo. Показано, что для T-S-диаграмм, построенных по этим профилям, характерна выраженная однородность и незначительное изменение плотности внутри Лофотенского вихря в отличие от T-S-диаграмм для профилей, расположенных вне вихря. Его область полностью совпадает с областью наибольших значений глубин верхнего квазиоднородного слоя, и это доказывает ключевую роль глубокой конвекции в существовании в центре котловины антициклонического вихря, как и необходимость ее исследования. Построены графики пространственного распределения глубин верхнего квазиоднородного слоя, превышающих 300 и 500 м.

Ключевые слова: Норвежское море, Лофотенский вихрь, Лофотенская котловина, глубокая конвекция, глубина верхнего квазиоднородного слоя, Argo.

Введение

В работе представлены результаты исследования зимней конвекции в Лофотенской котловине Норвежского моря. Рассматриваемая область, являясь самым динамически активным регионом Северной Атлантики, характеризуется локальными максимумами дисперсии уровня океана и высокой кинетической энергии синоптических вихрей. Лофотенская котловина является достаточно обособленным топографическим образованием: с севера она ограничена хребтом Мона, плато Воринг с юга и евразийским континентальным шельфом с востока (рис. 1). Лофотенская котловина является основным резервуаром тепла северных морей, где интенсивно происходят процессы обмена между океаном и атмосферой. Будучи транзитной зоной для теплых и соленых атлантических водных масс на их пути в Северный Ледовитый океан, котловина играет важную роль в поддержании глобальной Меридиональной термохалинной циркуляции в области, где атлантические водные массы отдают тепло в атмосферу, перемешиваются с окружающими водами и претерпевают трансформацию, необходимую для образования глубинных и промежуточных вод. В Лофотенской котловине, как и в Гренландском море, теплые и соленые воды атлантического происхождения смешиваются с более холодными и распресненными окружающими водами, участвуя в формировании североатлантической глубинной и придонной водной массы (Marshall and Schott, 1999). Атлантическая водная масса занимает в Норвежском море верхний слой толщиной около 500 м, что определяется глубиной порогов, через которые вода поступает в море (Суховей, 1986). Под Атлантической водной массой залегает глубинная водная масса, имеющая отрицательную температуру и высокую соленость (Korablev et al., 2012). Относительно теплые воды привносятся в котловину ветвями Северо-Атлантического течения: Норвежским склоновым течением (NASC), Норвежским прибрежным течением (NCC) и Норвежским фронтальным течением (NAFC). Отсутствие поступления арктических вод с поверхностными течениями отмечается как одна из характерных особенностей Норвежского моря (Blindheim and 0sterhus, 2013).

Осенью и зимой сильная теплоотдача в атмосферу охлаждает поверхностные слои в Лофотенской котловине и значительно повышает ее плотность, в результате чего тяжелые поверхностные воды опускаются зимой до глубин более 1000 м. Так как условия охлаждения год от года отличаются, плотность опускающейся воды также варьирует. Распространение отдающей тепло воды по всему пространству Лофотенской котловины приводит к значительно большей чистой потере тепла в атмосферу, чем если бы эта вода оставалась более локализована, как, например, в Лабрадорском море (Nilsen and Falck, 2006; Spall, 2010).

В центре Лофотенской котловины находится уникальный природный феномен - квазипостоянный антициклонический Лофотенский вихрь (ЛВ). Зимняя глубокая конвекция является необходимым условием его стабильности и одним из механизмов его существования, так как она создает благоприятные условия его ежегодной регенерации (Kцhl, 2007; Блошкина и Иванов, 2016; Bashmachnikov et al., 2017). Другим механизмом, позволяющим поддерживать в центре котловины высокую антициклоническую завихренность, является захват мезомасштабных вихрей, отрывающихся от Норвежского течения (Kцhl, 2007; Volkov et al., 2015). Не имеющий аналогов ЛВ буквально с момента его открытия советскими океанологами привлекает внимание ученых различных стран, являясь по сути уникальной природной лабораторией по изучению вихрей в океане

Рис. 1. Район исследования. Положение антициклонического ЛВ выделено пунктиром. Цветом показана топография дна (м), стрелками - основные течения: ЫЛ 8С - Норвежское склоновое течение, N00 - Норвежское прибрежное течение, МЛБС - Норвежское фронтальное течение

Однако, несмотря на то что важная роль глубокой конвекции в механизмах ежегодной регенерации ЛВ является общепризнанной, сегодня в научном сообществе отсутствует единое мнение об интенсивности зимней конвекции в данном регионе. Более того, признавая, что глубокая конвекция существенно влияет на стабильность ЛВ, по сути ее роль определяют как второстепенную по сравнению с вихревым переносом. Действительно, на фоне высоких значений глубин верхнего квазиоднородного слоя (ВКС) в известных очагах глубокой конвекции, расположенных в морях Лабрадор, Ир- мингера и Гренландском (Федоров и др., 2018; Belonenko et al., 2018; Belonenko and Fedorov, 2018), величины ВКС в Лофотенской котловине не столь велики. Наличие глубин конвекции более 600 м, что значительно превышает средние значения ВКС в данном бассейне (200 м), редко являлось предметом исследования в работах, посвященных динамическим процессам в Лофотенской котловине. Однако стоит подчеркнуть, что в акватории область ЛВ полностью совпадает с областью наибольших значений глубин ВКС, и это доказывает ключевую роль глубокой конвекции в существовании в центре котловины антициклонического вихря, как и необходимость ее исследования.

Квазипостоянный антициклонический ЛВ, расположенный в Лофотенской котловине (68-72° с. ш. и 3° з. д. - 16° в. д.) и распространяющийся до глубины 3250 м, был обнаружен в ходе гидрографических исследований Арктического и антарктического научно-исследовательского института 1970-1980-х гг. и в настоящее время является одним из самых изученных. ЛВ представлен линзой теплой соленой воды на интервале глубин 300-1000 м с горизонтальным масштабом около 100 км. Считается, что зимняя конвекция в среднем составляет около 600 м (Even and Nilsen, 2006; Volkov et al., 2015; Bashmachnikov и др., 2017) и может достигать даже границы атлантических вод, расположенных ниже 800 м (Kцhl, 2007). Используя гидродинамическое моделирование (MITgcm - Massachusetts Institute of Technology General Circulation Model), Kцhl (2007) показал, что зимняя конвекция в Лофотенском вихре в период 1997-2004 гг. могла даже превышать 1000 м; применялся метод расчета, представленный в работе (Kara et al., 2003). Подобный диапазон заглубления ВКС указан также В.А. Алексеевым с соавторами, которые рассмотрели по натурным данным положение линзы вихря для зимы 1987 г. и отметили первенствующий вклад глубокой конвекции в процессы ежегодной регенерации Лофотенского вихря (Alexeev et al., 2016). С другой стороны, существует мнение, что в ЛВ происходит не регенерация, а замещение старого ядра новыми водами, образованными вследствие зимней конвекции (Yu et al., 2017), при этом акцентируется внимание на отсутствии обновления нижнего конуса ядра вихря, расположенного на глубинах 700-1200 м (см. также (Soiland et al., 2016)). В то же время по данным глайдеров оценки глубины ВКС по методике, изложенной в работе (Montegut et al., 2004), для периода 2012-2015 гг. составляют 600 м (Yu et al., 2017).

М.А. Спол (Spall, 2010) разработал идеализированную гидродинамическую модель Северных морей (включая Лофотенскую котловину), исследовал влияние топографии на глубокую конвекцию и получил значения ВКС для Норвежского моря, не превышающие 1000 м. Он указывает, что в отличие от Гренландского моря, где конвекция проникает на значительно большие глубины, в Лофотенской котловине глубокая конвекция затрагивает только промежуточные глубины, хотя в целом в бассейне Лофотенской котловины потери тепла значительно больше. Подобные оценки глубины ВКС до 800 м получены также в работах (Soiland and Rossby, 2013; Soiland et al., 2016), где анализировались профили температуры по данным дрифтеров, циркулировавших в Лофотенской котловине в течение 2010-2011 гг. Авторы статьи, в частности, указывают, что зимой 2010-2011 гг. наблюдались весьма незначительные градиенты температуры в слое до 800 м. В то же время в работе (Richards and Straneo, 2015), где анализируются данные автономных буйковых станций для периода с июля 2010 по сентябрь 2012 г., авторы утверждают, что зимняя конвекция в Лофотенской котловине не превышает 400 м, при этом максимум ВКС отмечается в марте 2010 г., а увеличение глубины ВКС начинается в ноябре-декабре.

Анализируя климатические данные за последние 60 лет, А.А. Кораблев с соавторами указывает, что максимальные градиенты температуры и максимальные среднеквадратические отклонения по климатическим данным фиксируются в центре Лофотенской котловины для глубины 800 м (Korablev et al., 2014). Важно отметить, что в проведенном этой группой ученых исследовании, как и во всех перечисленных выше, положение максимальных значений глубины ВКС в Лофотенской котловине так или иначе приурочено непосредственно к области Лофотенского вихря. Он находится в непрерывном движении, преимущественно вдоль изобат в циклоническом направлении, сохраняя свое положение вблизи центра котловины, а его акватория с центром, расположенным на 70° с. ш. 3,5° з. д. (Soiland et al., 2016), является областью наиболее интенсивной зимней конвекции в Лофотенской котловине. В работе (Белоненко и др., 2014) указывается положение ЛВ по данным гидродинамического моделирования в районе, ограниченном 69-70° с. ш. и 3°в. д. - 5°в. д.

Целью нашей статьи является изучение глубокой конвекции в Лофотенской котловине и оценка ВКС с использованием данных контактных измерений, данных моделирования, а также дистанционного зондирования Земли для района, ограниченного 68-72° с. ш., 4° з. д. - 15° в. д. Мы также рассматриваем особенности временной и пространственной изменчивости глубокой конвекции в Лофотенской котловине.

1. Используемые данные

Данные буев Argo. Профили температуры (Г) и солености (S) автоматически обрабатываются, и их качество контролируется центрами обработки данных ArgoNOAA. National Centers for Environmental Information. URL: https://www.nodc.noaa.gov/argo (дата обращения: 17.05.2018).. Данные были скорректированы системой обработки и хранения GADR (Global Argo Data Repository). Нами использовались данные, имеющие атрибуты "хороший" (флаг контроля качества = 1), "вероятно, хороший" (флаг контроля качества = 2) и "использовать с осторожностью" (флаг контроля качества = 3). Значения температуры и солености с атрибутом "false" (флаг контроля качества=4) были исключены из анализа. За период 2001-2017 гг. для рассматриваемой области получено более 5000 профилей температуры и солености, в том числе за зимний период (январь - апрель) около 1500 профилей.

Данные гидродинамического моделирования - MITgcm. Пространственное горизонтальное разрешение модели составляет около 4 км. В модели используются геопотенциальные вертикальные координаты: 50 слоев толщиной от 10 (верхние слои) до 456 м (нижние слои). Граничные условия взяты из более грубой реализации модели MITgcm для всего Мирового океана - ECCO2, начальные условия - из базы World Ocean Atlas-2009. В качестве форсинга в модели использовались данные эксперимента JRA25 (Japanese 25-year Re-Analysis) на период 1992-2012 гг. Известно, что модель MITgcm хорошо описывает структуру динамики вод в Лофотенской котловине, что отмечалось рядом авторов (Kцhl, 2007; Nguyen et al., 2011; Raj et al., 2015; Volkov et al., 2015; Bashmachnikov et al., 2017; Белоненко и др., 2018). Более подробное описание модели можно найти в работе (Колдунов и др., 2015). Данные реализации модели MITgcm для периода 1992-2012 гг. предоставлены Д.Л. Волковым (Cooperative Institute for Marine and Atmospheric Studies University of Miami NOAA/AOML/PHOD).

Спутниковая альтиметрия AVISO. Данные спутниковой альтиметрии архива AVISO (Archiving, Validation, and Interpretation of Satellite Oceanographic data)AVISO+. URL: http://www.aviso.altimetry.fr/en/data.html (дата обращения: 17.05.2018). - абсолютная динамическая топография с пространственным разрешением 0,25° и временной дискретностью 7 суток. Массив составлен на основе комбинированных данных нескольких спутников. Альтиметрические данные использовались для пространственной идентификации ЛВ по полям относительной завихренности. Центр ЛВ определялся с использованием автоматической идентификации вихрей по альтиметрическим картам и методике определения характеристик вихрей (Bashmachnikov et al., 2017). На первой карте пространственного распределения относительной завихренности (в январе 1993 г.) центр ЛВ выявлялся по наименьшим значениям отрицательных величин аномалий относительной завихренности в центре Лофотенского бассейна. На каждом последующем распределении от ранее найденного центра проводились лучи, заполняющие область с инкрементом 30о, вдоль которых строились профили относительной завихренности. Вдоль каждого луча определялось минимальное расстояние до начала луча, на котором относительная завихренность либо переходит через ноль, либо имеет максимум, либо изменение относительной завихренности с расстоянием от центра составляет не более 25 % от подобной величины у начала луча. Полученные точки формировали границу аномалии, связанной с вихрем. Последние два критерия дают возможность определить границу вихря, даже если он находится в процессе слияния с другим антициклоническим вихрем или если у его периферии наблюдается "филамент" с отрицательной завихренностью. Новый центр вихря вычислялся как центр масс области, ограниченной полученным контуром границы вихря, а среднее расстояние от нового центра до этой границы принималось за радиус вихря. Результаты показали, что используемая методика позволила надежно отслеживать вихрь, избегая скачков в центры близлежащих антициклонов, даже если они были более интенсивными (Bashmachnikov et al., 2017).

2. Результаты

Настоящая статья является продолжением цикла работ по исследованию интенсивности глубокой конвекции в субарктических морях (Башмачников и др., 2018; Федоров и др., 2018; Belonenko et al., 2018; Belonenko and Fedorov, 2018). Глубина ВКС является основной характеристикой зимней конвекции (Kantha and Clayson, 2000; Федоров и др., 2018). Максимальная глубина ВКС позволяет оценить интенсивность конвективных процессов. Для ее оценки применяются различные методы определения ВКС, среди которых наиболее популярным является метод, представленный в работе (Kara et al., 2003), в соответствии с которым глубина ВКС определяется по профилям потенциальной плотности. Однако проведенное нами сравнение данного метода с методом Д.С. Духовского (Dukhovskoy et al., 2016) показало, что последний более точно определяет глубину ВКС (Федоров и др., 2018). Пример, демонстрирующий сравнение этих методов, приведен на рис. 2 а. Метод Духовского сравнивается также с другим популярным методом оценки ВКС, предложенным в статье (de Boyer Montegut et al., 2004), и показывается, что метод Духовского также является более точным (Башмачников и др., 2018).