Морской гидрофизический журнал. 2020; 36: 757-780
Структура и кинематика синоптических вихрей в океане: теория и современные наблюдения
https://doi.org/10.22449/0233-7584-2020-6-757-780Аннотация
Цель. Оценка общих представлений о характере синоптических процессов в океане, сформированных по итогам эксперимента на полигоне ПОЛИМОДЕ, и количественная верификация созданной ранее модели интенсивных вихрей в свете новых данных о характеристиках вихрей открытого океана, полученных на основе альтиметрических наблюдений океана с ИСЗ, – цель данной работы.
Методы и результаты. Сопоставление характерных особенностей синоптической изменчивости океана, выделенных по данным наблюдений на полигоне ПОЛИМОДЕ, с обобщенным анализом современных спутниковых альтиметрических наблюдений показало обоснованность сформированных ранее представлений о том, что вдали от струйных течений вихри относительно разреженно распределены по поверхности океана, но в них содержится значительная доля общей энергии на синоптических масштабах. Количественная верификация построенной ранее модели интенсивного синоптического вихря посредством сопоставления с выделенными на основе спутниковых альтиметрических наблюдений свойствами вихрей в океане показала в целом удовлетворительное соответствие теоретических характеристик наблюдаемым. Медианная оценка структуры вихря по данным альтиметрии подтверждает существование ядра вихря, где сосредоточена основная завихренность, и зоны захвата, в которой частицы окружающей ядро жидкости вовлечены в орбитальное движение. Циклонические вихри, согласно наблюдениям, в основном движутся на северо-запад, а антициклонические – на юго-запад, как и предписывается теоретической моделью. Показано, что аномальное смещение вихрей вдоль меридиана (циклонических на юг и антициклонических на север) объясняется влиянием средних течений. Расстояния, на которые перемещаются вихри вдоль меридиана, углы наклона траекторий вихрей относительно параллелей близки к наблюдаемым количественно.
Выводы. Результаты обработки спутниковых альтиметрических наблюдений подтверждают адекватность выработанных ранее общих представлений о характере синоптических процессов в океане и физических предпосылок, лежащих в основе теоретической модели интенсивного вихря, излучающего волны Россби. Вместе с тем необходим учет взаимодействия бароклинной и баротропной мод для более аккуратного воспроизведения времени жизни вихрей.
Список литературы
1. Некоторые результаты гидрофизического эксперимента на полигоне в Тропической Атлантике / Л. М. Бреховских [и др.] // Известия Академии наук СССР. Физика атмосферы и океана. 1971. Т. VII, № 5. С. 511-527.
2. The Mid-Ocean Dynamics Experiment / The MODE Group // Deep Sea Research. 1978. Vol. 25, iss. 10. P. 859–910. https://doi.org/10.1016/0146-6291(78)90632-X
3. Синоптические вихри в океане / Отв. ред. Б. А. Нелепо. Киев : Наукова думка, 1980. 288 с.
4. Каменкович В. М., Кошляков М. Н., Монин А. С. Синоптические вихри в океане. Ленинград : Гидрометеоиздат, 1982. 264 с.
5. Greenslade D. J. M., Chelton D. B., Schlax M. G. The Midlatitude Resolution Capability of Sea Level Fields Constructed from Single and Multiple Satellite Altimeter Datasets // Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 1997. Vol. 14. Р. 849–870. https://doi.org/10.1175/1520-0426(1997)014<0849:TMRCOS>2.0.CO;2
6. Chelton D. B., Schlax M. G., Samelson R. M. Global observations of nonlinear mesoscale eddies // Progress in Oceanography. 2011. Vol. 91. Р. 167–216. doi:10.1016/j.pocean.2011.01.002
7. Chen G., Han G., Yang X. On the intrinsic shape of ocean eddies derived from satellite altimetry // Remote Sensing of Environment. 2019. Vol. 228. Р. 75−89. https://doi.org/10.1016/j.rse.2019.04.011
8. McWilliams J. C., Robinson A. R. A wave analysis of the Polygon array in the tropical Atlantic // Deep Sea Research and Oceanographic Abstracts. 1974. Vol. 21, iss. 5. Р. 359–368. https://doi.org/10.1016/0011-7471(74)90040-0
9. Коротаев Г. К. Структура, динамика и энергетика синоптической изменчивости океана. Севастополь, 1980. 64 с. (Препринт / МГИ).
10. Коротаев Г. К., Коснырев В. К., Шевченко Э. А. Структура возмущений поля температуры синоптических вихревых образований // Морские гидрофизические исследования. Севастополь : МГИ, 1979. № 2. С. 167–174.
11. Ferrari R., Wunsch C. Ocean Circulation Kinetic Energy: Reservoirs, Sources, and Sinks // Annual Review of Fluid Mechanics. 2009. Vol. 41. Р. 253–282. https://doi.org/10.1146/annurev.fluid.40.111406.102139
12. Коротаев Г. К. Бароклинный слой моря: от теории Линейкина до оперативной океанографии // Современные проблемы динамики океана и атмосферы : сборник статей, посвященный 100-летию со дня рождения проф. П. С. Линейкина. М. : Триада, 2010. С. 79−97.
13. Lapeyre G., Klein P. Dynamics of the Upper Oceanic Layers in Terms of Surface Quasigeostrophy Theory // Journal of Physical Oceanography. 2006. Vol. 36. Р. 165−176. doi:10.1175/JPO2840.1
14. Ponte A. L., Klein P. Reconstruction of the upper ocean 3D dynamics from high-resolution sea surface height // Ocean Dynamics. 2013. Vol. 63. Р. 777−791. doi:10.1007/s10236-013-0611-7
15. Seasonality in submesoscale turbulence / J. Callies [et al.] // Nature Communications. 2015. Vol. 6. 6862. https://doi.org/10.1038/ncomms7862
16. Korotaev G. K. Radiating Vortices in Geophysical Fluid Dynamics // Surveys in Geophysics. 1997. Vol. 18. Р. 567–619. https://doi.org/10.1023/A:1006583017505
17. Коротаев Г. К. Теоретическое моделирование синоптической изменчивости океана. Киев : Наукова думка, 1988. 160 с.
18. Korotaev G. K., Fedotov A. B. Dynamics of an isolated barotropic eddy on a beta plane // Journal of Fluid Mechanics. 1994. Vol. 264. Р. 277–301. https://doi.org/10.1017/S0022112094000662
19. Flierl G. R. Rossby wave radiation from a strongly nonlinear warm eddy // Journal of Physical Oceanography. 1984. Vol. 14. Р. 47−58. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1984)014<0047:RWRFAS>2.0.CO;2
20. Коротаев Г. К., Дорофеев В. Л. Эволюция ансамбля геострофических вихрей на β-плоскости // Известия Академии наук. Физика атмосферы и океана. 1999. Т. 35, № 2. С. 200–206.
21. McWilliams J. C. The emergence of isolated coherent vortices in turbulent flow // Journal of Fluid Mechanics. 1984. Vol. 146. Р. 21-43. doi:https://doi.org/10.1017/S0022112084001750
22. Резник Г. М., Кравцов С. В. Сингулярные вихри бета-плоскости: краткий обзор и недавние результаты // Морской гидрофизический журнал. 2020. Т. 36, № 6. С. 720–739. doi:10.22449/0233-7584-2020-6-720-739
23. Сутырин Г. Г. Каким образом океанические вихри могут быть столь долгоживущими // Морской гидрофизический журнал. 2020. Т. 36, № 6. С. 740–756. doi:10.22449/0233-7584-2020-6-740-756
24. Rhines P. B. Geostrophic turbulence // Annual Review of Fluid Mechanics. 1979. Vol. 11. Р. 401–441. https://doi.org/10.1146/annurev.fl.11.010179.002153
Morskoy Gidrofizicheskiy Zhurnal. 2020; 36: 757-780
Structure and Kinematics of Synoptic Eddies in the Ocean: Theory and Modern Observations
https://doi.org/10.22449/0233-7584-2020-6-757-780Abstract
Purpose. Assessment of general ideas about the character of synoptic processes in the ocean which came out from the results of the experiment at the POLYMODE polygon, and quantitative verification of the previously developed model of intense eddies from the viewpoint of new data on the eddy characteristics in the open ocean obtained from the satellite altimetry observations constitute the aim of the article.
Methods and Results. Comparison of the characteristic features of synoptic variability in the ocean resulted from the observational data obtained at the POLYMODE polygon with the generalized analysis of modern satellite altimetry observations showed relevance of the previously formed notions implying that far from the jet currents, the eddies are relatively sparsely distributed over the ocean surface; at that they contain a significant portion of total energy on the synoptic scales. Quantitative verification of the previously constructed model of an intense synoptic eddy through its comparison with the eddy features revealed from the satellite altimetry observations showed, on the whole, satisfactory agreement between the theoretical characteristics and those observed. The altimetry-based median estimate of the eddy structure confirms existence of the eddy core including the main vorticity, and the trap zone in which the particles of the fluid surrounding the core are involved in the orbital motion. According to the observations, the cyclonic eddies drift mainly to the northwest, whereas the anticyclonic ones – to the southwest that is forecasted by the theoretical model. It is shown that the anomalous drift of the eddies along the meridian (the cyclonic eddies – to the south and the anticyclonic ones – to the north) is explained by the effect of mean currents. The distances, over which the eddies drift along the meridian, and the inclination angles of the eddy trajectories relative to the parallels are quantitatively close to those observed.
Conclusions. The results of processing the satellite altimetry observations confirm adequacy of the previously developed general notions about the character of the synoptic processes in the ocean and the physical prerequisites constituting a foundation for the theoretical model of an intense eddy radiating the Rossby waves. At that, interaction of the baroclinic and barotropic modes should be necessarily taken into account for more accurate reproduction of the eddy lifetime.
References
1. Nekotorye rezul'taty gidrofizicheskogo eksperimenta na poligone v Tropicheskoi Atlantike / L. M. Brekhovskikh [i dr.] // Izvestiya Akademii nauk SSSR. Fizika atmosfery i okeana. 1971. T. VII, № 5. S. 511-527.
2. The Mid-Ocean Dynamics Experiment / The MODE Group // Deep Sea Research. 1978. Vol. 25, iss. 10. P. 859–910. https://doi.org/10.1016/0146-6291(78)90632-X
3. Sinopticheskie vikhri v okeane / Otv. red. B. A. Nelepo. Kiev : Naukova dumka, 1980. 288 s.
4. Kamenkovich V. M., Koshlyakov M. N., Monin A. S. Sinopticheskie vikhri v okeane. Leningrad : Gidrometeoizdat, 1982. 264 s.
5. Greenslade D. J. M., Chelton D. B., Schlax M. G. The Midlatitude Resolution Capability of Sea Level Fields Constructed from Single and Multiple Satellite Altimeter Datasets // Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 1997. Vol. 14. R. 849–870. https://doi.org/10.1175/1520-0426(1997)014<0849:TMRCOS>2.0.CO;2
6. Chelton D. B., Schlax M. G., Samelson R. M. Global observations of nonlinear mesoscale eddies // Progress in Oceanography. 2011. Vol. 91. R. 167–216. doi:10.1016/j.pocean.2011.01.002
7. Chen G., Han G., Yang X. On the intrinsic shape of ocean eddies derived from satellite altimetry // Remote Sensing of Environment. 2019. Vol. 228. R. 75−89. https://doi.org/10.1016/j.rse.2019.04.011
8. McWilliams J. C., Robinson A. R. A wave analysis of the Polygon array in the tropical Atlantic // Deep Sea Research and Oceanographic Abstracts. 1974. Vol. 21, iss. 5. R. 359–368. https://doi.org/10.1016/0011-7471(74)90040-0
9. Korotaev G. K. Struktura, dinamika i energetika sinopticheskoi izmenchivosti okeana. Sevastopol', 1980. 64 s. (Preprint / MGI).
10. Korotaev G. K., Kosnyrev V. K., Shevchenko E. A. Struktura vozmushchenii polya temperatury sinopticheskikh vikhrevykh obrazovanii // Morskie gidrofizicheskie issledovaniya. Sevastopol' : MGI, 1979. № 2. S. 167–174.
11. Ferrari R., Wunsch C. Ocean Circulation Kinetic Energy: Reservoirs, Sources, and Sinks // Annual Review of Fluid Mechanics. 2009. Vol. 41. R. 253–282. https://doi.org/10.1146/annurev.fluid.40.111406.102139
12. Korotaev G. K. Baroklinnyi sloi morya: ot teorii Lineikina do operativnoi okeanografii // Sovremennye problemy dinamiki okeana i atmosfery : sbornik statei, posvyashchennyi 100-letiyu so dnya rozhdeniya prof. P. S. Lineikina. M. : Triada, 2010. S. 79−97.
13. Lapeyre G., Klein P. Dynamics of the Upper Oceanic Layers in Terms of Surface Quasigeostrophy Theory // Journal of Physical Oceanography. 2006. Vol. 36. R. 165−176. doi:10.1175/JPO2840.1
14. Ponte A. L., Klein P. Reconstruction of the upper ocean 3D dynamics from high-resolution sea surface height // Ocean Dynamics. 2013. Vol. 63. R. 777−791. doi:10.1007/s10236-013-0611-7
15. Seasonality in submesoscale turbulence / J. Callies [et al.] // Nature Communications. 2015. Vol. 6. 6862. https://doi.org/10.1038/ncomms7862
16. Korotaev G. K. Radiating Vortices in Geophysical Fluid Dynamics // Surveys in Geophysics. 1997. Vol. 18. R. 567–619. https://doi.org/10.1023/A:1006583017505
17. Korotaev G. K. Teoreticheskoe modelirovanie sinopticheskoi izmenchivosti okeana. Kiev : Naukova dumka, 1988. 160 s.
18. Korotaev G. K., Fedotov A. B. Dynamics of an isolated barotropic eddy on a beta plane // Journal of Fluid Mechanics. 1994. Vol. 264. R. 277–301. https://doi.org/10.1017/S0022112094000662
19. Flierl G. R. Rossby wave radiation from a strongly nonlinear warm eddy // Journal of Physical Oceanography. 1984. Vol. 14. R. 47−58. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1984)014<0047:RWRFAS>2.0.CO;2
20. Korotaev G. K., Dorofeev V. L. Evolyutsiya ansamblya geostroficheskikh vikhrei na β-ploskosti // Izvestiya Akademii nauk. Fizika atmosfery i okeana. 1999. T. 35, № 2. S. 200–206.
21. McWilliams J. C. The emergence of isolated coherent vortices in turbulent flow // Journal of Fluid Mechanics. 1984. Vol. 146. R. 21-43. doi:https://doi.org/10.1017/S0022112084001750
22. Reznik G. M., Kravtsov S. V. Singulyarnye vikhri beta-ploskosti: kratkii obzor i nedavnie rezul'taty // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2020. T. 36, № 6. S. 720–739. doi:10.22449/0233-7584-2020-6-720-739
23. Sutyrin G. G. Kakim obrazom okeanicheskie vikhri mogut byt' stol' dolgozhivushchimi // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2020. T. 36, № 6. S. 740–756. doi:10.22449/0233-7584-2020-6-740-756
24. Rhines P. B. Geostrophic turbulence // Annual Review of Fluid Mechanics. 1979. Vol. 11. R. 401–441. https://doi.org/10.1146/annurev.fl.11.010179.002153
