Морской гидрофизический журнал. 2021; 37: 318-332
Исследование вихревой изменчивости в Лофотенской котловине на основе анализа доступной потенциальной и кинетической энергии
https://doi.org/10.22449/0233-7584-2021-3-318-332Аннотация
Цель. Лофотенская котловина – одна из энергоактивных зон Мирового океана, характеризующаяся высокой активностью мезомасштабных вихрей. Целью работы является анализ различных составляющих общей энергии в этой котловине: средней кинетической и вихревой кинетической энергии, рассчитанных с использованием интеграла по объему доступной потенциальной и кинетической энергии Лофотенского вихря, – а также изменчивости этих характеристик.
Методы и результаты. Используются данные реанализа GLORYS12V1 за 2010–2018 гг. Анализируются средняя и вихревая кинетическая энергия, а для Лофотенского вихря – объемные доступная потенциальная и кинетическая энергия. Отмечается увеличение мезомасштабной активности вихрей в зимний период по сравнению с летним. Изучена эволюция доступной потенциальной и кинетической энергии Лофотенского вихря до горизонта 1000 м. Показано, что доступная потенциальная энергия вихря на порядок превышает кинетическую энергию, причем демонстрирует положительный тренд с коэффициентом 0,231015 Дж/год. Установлено, что наибольший вклад в потенциальную энергию вносит промежуточный слой от 600 до 900 м, а в кинетическую – слой от 0 до 400 м. Проанализированы скорости преобразования средней кинетической энергии в вихревую кинетическую энергию и скорости преобразования средней доступной потенциальной энергии в вихревую доступную потенциальную энергию (баротропная и бароклинная неустойчивости). Показано, что первый тип преобразования доминирует летом, в то время как для второго характерно усиление потоков в зимний период.
Выводы. В вертикальных профилях проявляется увеличение кинетической энергии вихрей в зимний период по сравнению с летним. Доступная потенциальная энергия вихря на порядок превышает кинетическую энергию. Увеличение доступной потенциальной энергии подтверждается значимым положительным трендом и уменьшением вихревого числа Бюргера. Графики скорости преобразования баротропной неустойчивости отражают в зоне вихря разнонаправленные потоки, причем в зимний период наблюдается дипольная структура, в летний – трипольная. Наибольшая интенсивность баротропной неустойчивости отмечается летом. Для бароклинной неустойчивости характерно усиление потоков в зимний период, что связано с ослаблением стратификации в этот период вследствие зимней конвекции.
Список литературы
1. Volkov D. L., Belonenko T. V., Foux V. R. Puzzling over the dynamics of the Lofoten Basin – a sub-Arctic hot spot of ocean variability // Geophysical Research Letters. 2013. Vol. 40, iss. 4. P. 738–743. http://dx.doi.org/10.1002/grl.50126
2. Volkov D. L., Kubryakov A. A., Lumpkin R. Formation and variability of the Lofoten Basin vortex in a high-resolution ocean model // Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers. 2015. Vol. 105. P. 142–157. https://doi.org/10.1016/j.dsr.2015.09.001
3. Циркуляция вод в Лофотенской котловине Норвежского моря / Т. В. Белоненко [и др.] // Вестник Санкт-Петербургского университета. Серия 7. Геология. География. 2014. № 2. С. 108–121.
4. Isachsen P. E., LaCasce J. H., Pedlosky J. Rossby wave instability and apparent phase speeds in large ocean basins // Journal of Physical Oceanography. 2007. Vol. 37, iss. 5. P. 1177–1191. https://doi.org/10.1175/JPO3054.1
5. Nilsen J. E., Falck E. Variations of mixed layer properties in the Norwegian Sea for the period 1948–1999 // Progress in Oceanography. 2006. Vol. 70, iss. 1. P. 58–90. https://doi.org/10.1016/j.pocean.2006.03.014
6. Федоров А. М., Башмачников И. Л., Белоненко Т. В. Зимняя конвекция в Лофотенской котловине по данным буев ARGO и гидродинамического моделирования // Вестник Санкт-Петербургского университета. Науки о Земле. 2019. Т. 64, № 3. С. 491–511. doi:10.21638/spbu07.2019.308
7. Новоселова Е. В., Белоненко Т. В. Изопикническая адвекция в Лофотенской котловине Норвежского моря // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2020. Т. 13, № 3. С. 56–67. doi:10.7868/S2073667320030041
8. Analysis of mesoscale eddies in the Lofoten Basin based on satellite altimetry / V. A. Zinchenko [et al.] // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2019. Т. 12, № 3. С. 46–54. doi:10.7868/S2073667319030067
9. Statistical analysis of long-lived mesoscale eddies in the Lofoten Basin from satellite altimetry / S. M. Gordeeva [et al.] // Advances in Space Research. 2020. (In press. https://doi.org/10.1016/j.asr.2020.05.043
10. The Dissipation of Kinetic Energy in the Lofoten Basin Eddy / I. Fer [et al.] // Journal of Physical Oceanography. 2018. Vol. 48, iss. 6. P. 1299−1316. doi:10.1175/JPO-D-17-0244.1
11. О вертикальной компоненте скорости в Лофотенском мезомасштабном вихре Норвежского моря / Т. В. Белоненко [и др.] // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2017. Т. 53, № 6. С. 728–737. doi:10.7868/S0003351517060071
12. Travkin V. S., Belonenko T. V. Seasonal variability of mesoscale eddies of the Lofoten Basin using satellite and model data // Russian Journal of Earth Sciences. 2019. Vol. 19, no. 5. ES5004. doi:10.2205/2019ES000676
13. Sandalyuk N. V., Bosse A., Belonenko T. V. The 3-D structure of Mesoscale Eddies in the Lofoten Basin of the Norwegian Sea: A composite analysis from altimetry and in situ data // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2020. Vol. 125, iss. 10. e2020JC016331. doi:10.1029/2020JC016331
14. Dynamical controls on the longevity of a non-linear vortex: The case of the Lofoten Basin Eddy / A. Bosse [et al.] // Scientific Reports. 2019. Vol. 9. 13448. https://doi.org/10.1038/s41598-019-49599-8
15. Reid R. O., Elliott B. A., Olson D. B. Available potential energy: A clarification // Journal of Physical Oceanography. 1981. Vol. 11, iss. 1. P. 15–29. https://doi.org/10.1175/15200485(1981)011<0015:APEAC>2.0.CO;2
16. White M. A., Heywood K. J. Seasonal and interannual changes in the North Atlantic subpolar gyre from Geosat and TOPEX/POSEIDON altimetry // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1995. Vol. 100, iss. C12. P. 24931–24941. doi:10.1029/95JC02123
17. Kang D., Curchitser E. N. On the evaluation of seasonal variability of the ocean kinetic energy // Journal of Physical Oceanography. 2017. Vol. 47, iss. 7. P. 1675–1683. doi:10.1175/JPO-D-17-0063.1
18. Gill A. E., Green J. S. A., Simmons A. J. Energy partition in the large-scale ocean circulation and the production of mid-ocean eddies // Deep Sea Research and Oceanographic Abstracts. 1974. Vol. 21, iss. 7. P. 499–528. https://doi.org/10.1016/0011-7471(74)90010-2
19. The influence of nonlinear mesoscale eddies on near-surface oceanic chlorophyll / D. B. Chelton [et al.] // Science. 2011. Vol. 334, iss. 6054. P. 328–332. doi:10.1126/science.1208897
20. Trodahl M., Isachsen P. E. Topographic influence on baroclinic instability and the mesoscale eddy field in the Northern North Atlantic Ocean and the Nordic Seas // Journal of Physical Oceanography. 2018. Vol. 48, iss. 11. P. 2593–2607. doi:10.1175/JPO-D-17-0220.1
21. D’Asaro E. A. Observations of small eddies in the Beaufort Sea // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1988. Vol. 93, iss. C6. P. 6669–6684. https://doi.org/10.1029/JC093iC06p06669
22. Søiland H., Chafik L., Rossby T. On the long-term stability of the Lofoten Basin Eddy // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2016. Vol. 121, iss. 7. P. 4438–4449. https://doi.org/10.1002/2016JC011726
23. Breaking of internal waves and turbulent dissipation in an anticyclonic mode water eddy / B. Fernandez-Castro [et al.] // Journal of Physical Oceanography. 2020. Vol. 50, iss. 7. P. 1893–1914. doi:10.1175/JPO-D-19-0168.1
24. Kinetic energy of eddy-like features from sea surface altimetry / J. Martínez-Moreno [et al.] // Journal of Advances in Modeling Earth Systems. 2019. Vol. 11, iss. 10. P. 3090–3105. https://doi.org/10.1029/2019MS001769
25. Hebert D. The available potential energy of an isolated feature // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1988. Vol. 93, iss. C1. P. 556–564. https://doi.org/10.1029/JC093iC01p00556
26. Pedlosky J. Geophysical Fluid Dynamics. New York : Springer, 1987. 710 p. doi:10.1007/9781-4612-4650-3
27. Characteristics of subsurface mesoscale eddies in the northwestern tropical Pacific Ocean from an eddy-resolving model / A. Xu [et al.] // Journal of Oceanology and Limnology. 2020. Vol. 38, no. 5. P. 1421–1434. https://doi.org/10.1007/s00343-020-9313-4
28. Eden C., Böning C. Sources of Eddy Kinetic Energy in the Labrador Sea // Journal of Physical Oceanography. 2002. Vol. 32, iss. 12. P. 3346–3363. doi:10.1175/15200485(2002)032<3346:SOEKEI>2.0.CO;2
29. The eddy kinetic energy budget in the Red Sea / P. Zhan [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2016. Vol. 121, iss. 7. P. 4732–4747. doi:10.1002/2015JC011589
30. Fedorov A. M., Belonenko T. V. Interaction of mesoscale vortices in the Lofoten Basin based on the GLORYS database // Russian Journal of Earth Sciences. 2020. Vol 20, no. 2. ES2002. doi:10.2205/2020ES000694
31. Koldunov A. V., Belonenko T. V. Hydrodynamic Modeling of Vertical Velocities in the Lofoten Vortex // Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2020. Vol. 56, no. 5. P. 502–511. https://doi.org/10.1134/S0001433820040040
32. Interaction between mesoscale eddies and the gyre circulation in the Lofoten Basin / R. P. Raj [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2020. Vol. 125, iss. 7. e2020JC016102. https://doi.org/10.1029/2020JC016102
Morskoy Gidrofizicheskiy Zhurnal. 2021; 37: 318-332
Study of the Mechanisms of Vortex Variability in the Lofoten Basin Based on Energy Analysis
https://doi.org/10.22449/0233-7584-2021-3-318-332Abstract
Purpose. The Lofoten Basin is one of the most energetic zones of the World Ocean characterized by high activity of mesoscale eddies. The study is aimed at analyzing different components of general energy in the basin, namely the mean kinetic and vortex kinetic energy calculated using the integral of the volume of available potential and kinetic energy of the Lofoten Vortex, as well as variability of these characteristics.
Methods and Results. GLORYS12V1 reanalysis data for the period 2010–2018 were used. The mean kinetic energy and the eddy kinetic one were analyzed; and as for the Lofoten Vortex, its volume available potential and kinetic energy was studied. Mesoscale activity of eddies in winter is higher than in summer. Evolution of the available potential energy and kinetic energy of the Lofoten Vortex up to the 1000 m horizon was studied. It is shown that the vortex available potential energy exceeds the kinetic one by an order of magnitude, and there is a positive trend with the coefficient 0,23-1015 J/year. It was found that in the Lofoten Basin, the intermediate layer from 600 to 900 m made the largest contribution to the potential energy, whereas the 0–400 m layer – to kinetic energy. The conversion rates of the mean kinetic energy into the vortex kinetic one, and the mean available potential energy into the vortex available potential one (baroclinic and barotropic instability) were analyzed. It is shown that the first type of transformation dominates in summer, while the second one is characterized by its increase in winter. Conclusions. The vertical profile shows that kinetic energy of eddies in winter is higher than in summer. The available potential energy of a vortex is by an order of magnitude greater than the kinetic energy. Increase in the available potential energy is confirmed by a significant positive trend and by decrease of the vortex Burger number. The graphs of the barotropic instability conversion rate demonstrate the multidirectional flows in the vortex zone with the dipole structure observed in a winter period, and the tripole one – in summer. The barotropic instability highest intensity is observed in summer. The baroclinic instability is characterized by intensification of the regime in winter that is associated with weakening of stratification in this period owing to winter convection.
References
1. Volkov D. L., Belonenko T. V., Foux V. R. Puzzling over the dynamics of the Lofoten Basin – a sub-Arctic hot spot of ocean variability // Geophysical Research Letters. 2013. Vol. 40, iss. 4. P. 738–743. http://dx.doi.org/10.1002/grl.50126
2. Volkov D. L., Kubryakov A. A., Lumpkin R. Formation and variability of the Lofoten Basin vortex in a high-resolution ocean model // Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers. 2015. Vol. 105. P. 142–157. https://doi.org/10.1016/j.dsr.2015.09.001
3. Tsirkulyatsiya vod v Lofotenskoi kotlovine Norvezhskogo morya / T. V. Belonenko [i dr.] // Vestnik Sankt-Peterburgskogo universiteta. Seriya 7. Geologiya. Geografiya. 2014. № 2. S. 108–121.
4. Isachsen P. E., LaCasce J. H., Pedlosky J. Rossby wave instability and apparent phase speeds in large ocean basins // Journal of Physical Oceanography. 2007. Vol. 37, iss. 5. P. 1177–1191. https://doi.org/10.1175/JPO3054.1
5. Nilsen J. E., Falck E. Variations of mixed layer properties in the Norwegian Sea for the period 1948–1999 // Progress in Oceanography. 2006. Vol. 70, iss. 1. P. 58–90. https://doi.org/10.1016/j.pocean.2006.03.014
6. Fedorov A. M., Bashmachnikov I. L., Belonenko T. V. Zimnyaya konvektsiya v Lofotenskoi kotlovine po dannym buev ARGO i gidrodinamicheskogo modelirovaniya // Vestnik Sankt-Peterburgskogo universiteta. Nauki o Zemle. 2019. T. 64, № 3. S. 491–511. doi:10.21638/spbu07.2019.308
7. Novoselova E. V., Belonenko T. V. Izopiknicheskaya advektsiya v Lofotenskoi kotlovine Norvezhskogo morya // Fundamental'naya i prikladnaya gidrofizika. 2020. T. 13, № 3. S. 56–67. doi:10.7868/S2073667320030041
8. Analysis of mesoscale eddies in the Lofoten Basin based on satellite altimetry / V. A. Zinchenko [et al.] // Fundamental'naya i prikladnaya gidrofizika. 2019. T. 12, № 3. S. 46–54. doi:10.7868/S2073667319030067
9. Statistical analysis of long-lived mesoscale eddies in the Lofoten Basin from satellite altimetry / S. M. Gordeeva [et al.] // Advances in Space Research. 2020. (In press. https://doi.org/10.1016/j.asr.2020.05.043
10. The Dissipation of Kinetic Energy in the Lofoten Basin Eddy / I. Fer [et al.] // Journal of Physical Oceanography. 2018. Vol. 48, iss. 6. P. 1299−1316. doi:10.1175/JPO-D-17-0244.1
11. O vertikal'noi komponente skorosti v Lofotenskom mezomasshtabnom vikhre Norvezhskogo morya / T. V. Belonenko [i dr.] // Izvestiya RAN. Fizika atmosfery i okeana. 2017. T. 53, № 6. S. 728–737. doi:10.7868/S0003351517060071
12. Travkin V. S., Belonenko T. V. Seasonal variability of mesoscale eddies of the Lofoten Basin using satellite and model data // Russian Journal of Earth Sciences. 2019. Vol. 19, no. 5. ES5004. doi:10.2205/2019ES000676
13. Sandalyuk N. V., Bosse A., Belonenko T. V. The 3-D structure of Mesoscale Eddies in the Lofoten Basin of the Norwegian Sea: A composite analysis from altimetry and in situ data // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2020. Vol. 125, iss. 10. e2020JC016331. doi:10.1029/2020JC016331
14. Dynamical controls on the longevity of a non-linear vortex: The case of the Lofoten Basin Eddy / A. Bosse [et al.] // Scientific Reports. 2019. Vol. 9. 13448. https://doi.org/10.1038/s41598-019-49599-8
15. Reid R. O., Elliott B. A., Olson D. B. Available potential energy: A clarification // Journal of Physical Oceanography. 1981. Vol. 11, iss. 1. P. 15–29. https://doi.org/10.1175/15200485(1981)011<0015:APEAC>2.0.CO;2
16. White M. A., Heywood K. J. Seasonal and interannual changes in the North Atlantic subpolar gyre from Geosat and TOPEX/POSEIDON altimetry // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1995. Vol. 100, iss. C12. P. 24931–24941. doi:10.1029/95JC02123
17. Kang D., Curchitser E. N. On the evaluation of seasonal variability of the ocean kinetic energy // Journal of Physical Oceanography. 2017. Vol. 47, iss. 7. P. 1675–1683. doi:10.1175/JPO-D-17-0063.1
18. Gill A. E., Green J. S. A., Simmons A. J. Energy partition in the large-scale ocean circulation and the production of mid-ocean eddies // Deep Sea Research and Oceanographic Abstracts. 1974. Vol. 21, iss. 7. P. 499–528. https://doi.org/10.1016/0011-7471(74)90010-2
19. The influence of nonlinear mesoscale eddies on near-surface oceanic chlorophyll / D. B. Chelton [et al.] // Science. 2011. Vol. 334, iss. 6054. P. 328–332. doi:10.1126/science.1208897
20. Trodahl M., Isachsen P. E. Topographic influence on baroclinic instability and the mesoscale eddy field in the Northern North Atlantic Ocean and the Nordic Seas // Journal of Physical Oceanography. 2018. Vol. 48, iss. 11. P. 2593–2607. doi:10.1175/JPO-D-17-0220.1
21. D’Asaro E. A. Observations of small eddies in the Beaufort Sea // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1988. Vol. 93, iss. C6. P. 6669–6684. https://doi.org/10.1029/JC093iC06p06669
22. Søiland H., Chafik L., Rossby T. On the long-term stability of the Lofoten Basin Eddy // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2016. Vol. 121, iss. 7. P. 4438–4449. https://doi.org/10.1002/2016JC011726
23. Breaking of internal waves and turbulent dissipation in an anticyclonic mode water eddy / B. Fernandez-Castro [et al.] // Journal of Physical Oceanography. 2020. Vol. 50, iss. 7. P. 1893–1914. doi:10.1175/JPO-D-19-0168.1
24. Kinetic energy of eddy-like features from sea surface altimetry / J. Martínez-Moreno [et al.] // Journal of Advances in Modeling Earth Systems. 2019. Vol. 11, iss. 10. P. 3090–3105. https://doi.org/10.1029/2019MS001769
25. Hebert D. The available potential energy of an isolated feature // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1988. Vol. 93, iss. C1. P. 556–564. https://doi.org/10.1029/JC093iC01p00556
26. Pedlosky J. Geophysical Fluid Dynamics. New York : Springer, 1987. 710 p. doi:10.1007/9781-4612-4650-3
27. Characteristics of subsurface mesoscale eddies in the northwestern tropical Pacific Ocean from an eddy-resolving model / A. Xu [et al.] // Journal of Oceanology and Limnology. 2020. Vol. 38, no. 5. P. 1421–1434. https://doi.org/10.1007/s00343-020-9313-4
28. Eden C., Böning C. Sources of Eddy Kinetic Energy in the Labrador Sea // Journal of Physical Oceanography. 2002. Vol. 32, iss. 12. P. 3346–3363. doi:10.1175/15200485(2002)032<3346:SOEKEI>2.0.CO;2
29. The eddy kinetic energy budget in the Red Sea / P. Zhan [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2016. Vol. 121, iss. 7. P. 4732–4747. doi:10.1002/2015JC011589
30. Fedorov A. M., Belonenko T. V. Interaction of mesoscale vortices in the Lofoten Basin based on the GLORYS database // Russian Journal of Earth Sciences. 2020. Vol 20, no. 2. ES2002. doi:10.2205/2020ES000694
31. Koldunov A. V., Belonenko T. V. Hydrodynamic Modeling of Vertical Velocities in the Lofoten Vortex // Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2020. Vol. 56, no. 5. P. 502–511. https://doi.org/10.1134/S0001433820040040
32. Interaction between mesoscale eddies and the gyre circulation in the Lofoten Basin / R. P. Raj [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2020. Vol. 125, iss. 7. e2020JC016102. https://doi.org/10.1029/2020JC016102
