Вихри течения Ойясио
Как известно, погода зависит от проходящих атмосферных вихрей - циклонов и антициклонов. Так, тайфуны - тропические циклоны в Тихом океане со скоростью ветра до 250 км/ч - приносят на побережье ливневые осадки, приводящие к катастрофическим наводнениям. В океане также есть синоптические вихри, их называют циклонами и антициклонами, если вода в них вращается соответственно против или по часовой стрелке [1]. Однако эти вихри сильно отличаются от тех, которые непосредственно формируют погоду. Океанические антициклоны живут довольно долго, охватывая всю толщу вод от поверхности до дна и перемещаясь вместе с течениями или против них.
В Тихоокеанском океанологическом институте РАН уже около 20 лет ведутся наблюдения за большими антициклоническими вихрями, формирующимися на западе Тихого океана, в зоне слияния двух главных течений этого региона: Ойясио и Куросио [2-4]. Растянутые вдоль всей длины Курило-Камчатского желоба, эти вихри медленно движутся на северо-восток, против основного потока Ойясио, в субарктические воды. Свойства вихрей (их размеры, температура и соленость в ядре) не постоянны. Изменчивость такого масштаба оказалась самой большой из наблюдавшейся где-либо еще в океане. Кроме того, вихри стали новым индикатором вариаций климата океана.
Один из них, названный WCR86B (вихрь Куросио 1986 г. с теплым ядром), отделился от течения Куросио примерно у 37°с.ш. и двигался вдоль желоба против течения на северо-восток со скоростью около 1-2 см·с–1. В сентябре 1990 г. он достиг широты пролива Буссоль (46.5°с.ш.), отделяющего южную группу Курильских о-вов от средней. Даже так далеко от места своего появления он содержал теплое и соленое ядро в верхнем слое воды (что обычно для вихрей Куросио у побережья Японии) и ядро низкой солености в промежуточных слоях (250-600 м). (Из-за этого вихри Ойясио называют вихрями с пресным ядром.) Слежение за вихрем проводилось с помощью последовательных съемок [2-6] на судах Тихоокеанского океанологического института (ТОИ) и непрерывных спутниковых изображений, принятых и обработанных в Институте автоматики и процессов управления ДВО РАН.
Подобные вихри (а каждый год у пролива Буссоль находится новый антициклон) - индикатор быстрых изменений, происходящих в холодных водах Тихого океана в последнее десятилетие и названных климатическим сдвигом [3-5]. Каким же образом вихри связаны с процессами, определяющими климат?
Вихри и вариации климата океана
Накопленное верхними слоями океана в низких широтах солнечное тепло переносится летом теплыми течениями (такими, как Куросио) в умеренные. В холодный период года океан в высоких широтах отдает его в атмосферу. Это один из основных механизмов воздействия океана на климат. Самый длинный ряд инструментальных наблюдений за температурой и осадками относится к континентам, и только в последние годы благодаря специальному проекту Всемирной метеорологической организации появились первые данные об осадках над океаном.
Количество осадков прямо зависит от температуры поверхности океана и тепла, переносимого главными океанскими течениями. Однако во фронтальной зоне (т.е. в области больших градиентов температуры и солености) тепло и соль переносят не только течения, но и синоптические вихри океана, характеристики которых свидетельствуют помимо прочего об изменениях в системе течений (циркуляции вод в океане).
Считается, что в 1976 г. в Тихом океане произошла смена режима океана [3]. Но, несмотря на более чем десятилетние исследования, ее механизмы до сих пор не ясны. В Приморском крае в 1976-1977 гг. разразилась драматическая засуха, а зимы были самыми продолжительными. Похожая ситуация сложилась в 1996-1997 гг. В период с 1988 по 1992 г. количество осадков превышало их сумму за 1976 г. в четыре раза. Эти наблюдения свидетельствуют о сильной декадной (10-летней) изменчивости осадков, и именно она “ответственна” за рост суммы осадков в 1989-1991 гг. и в 2000-м. Нужно отметить, что стратификация и циркуляция субарктических вод в значительной степени определяются соленостью, и поэтому они должны сильно зависеть от притока пресной воды в океан, а его изменчивость в Субарктике Тихого океана до сих пор не изучалась.
В 2000 г. проливные дожди и наводнения начались для Приморья довольно рано, в конце июля, с выходом в Японское море тайфуна Болавин. Не только в Приморье, но и в Японии и Корее сумма осадков в том году оказалась рекордной за всю историю наблюдений, что связано со стационарным сезонным фронтом и тайфуном Саомай. В центральных районах Японии в течение двух дней выпало более 80 см осадков. Примерно столько же Владивосток обычно получает в течение всего года. Кроме того, поздней осенью 2000 г. на северо-западе Тихого океана сформировался очень глубокий циклон с давлением в центре около 950 мб. Его последствием стала гибель теплохода “Рязань” - он затонул в Беринговом море 6 ноября.
Что происходило во время этих погодных вариаций в океане? Регулярные наблюдения за течениями и вихрями начались в 90-е годы в рамках программы (совместной с Канадским тихоокеанским океанологическим институтом) по изучению климата северной части Тихого океана. Детальными съемками была охвачена обширная область субарктических вод у Курильских о-вов и Камчатки - так называемых западных пограничных течений: Камчатского и Ойясио. Одной из задач был поиск океанографических индикаторов, способных дать достаточно полное представление о происходящих изменениях климата и одновременно не требующих больших затрат судового времени. Исследования позволили выделить все детали основных течений, включая протяженную цепь больших антициклонических вихрей Ойясио, растянутых вдоль глубоких желобов у Японии, Курил и Камчатки. После длительного перерыва наблюдения были продолжены в 2000 г. в экспедиции Японского центра морских наук и технологий с участием сотрудников ТОИ на судне “Мирай”.
В целом с 1990 по 2000 г. были изучены характеристики около двух десятков вихрей пограничных течений и семь различных антициклонических вихрей Ойясио у пролива Буссоль. В 1990 г. у пролива находился уже упомянутый самый большой вихрь WCR86B с теплым соленым ядром.
В серии следующих друг за другом вихрей Ойясио с 1990 по 1996 г. их ядра, расположенные на глубине 100-400 м, постепенно становились холодней, а соленость в них уменьшалась. Если в 1994-1996 гг. горизонтальные и вертикальные размеры вихрей значительно сократились, а их динамический уровень (возвышение поверхности океана из-за вариаций плотности) упал, то, по наблюдениям 2000 г., эти характеристики в последние четыре года выросли. За истекшее время произошло возвращение пограничных течений в прежнее состояние, а вихри Ойясио стали большими и глубокими, при этом выросла их динамическая высота. Вместе с переменами на континенте смены в океане указывали на существование быстрой изменчивости климата в регионе.
Другими словами, размеры, глубины и структура вихрей могут служить новым климатическим индексом, способным дать представление о процессах, происходящих в океане. Первоначально именно наблюдения за вихрями позволили сделать вывод о быстром изменении климата в Субарктике Тихого океана, которое было названо термохалинным переходом. Главным его последствием стала смена циркуляции в океане [4-5]. Она согласуется с похожими процессами на северной границе субарктического круговорота [5]. Стало ясно, что субполярный круговорот в океане с горизонтальным масштабом около 4000 км может характеризовать вихри диаметром около 200 км. На спутниковых снимках к востоку от Курильских о-вов всегда можно увидеть несколько таких больших антициклонических вихрей.
Ловушка длинных волн
Данные дрейфующих буев и акустические наблюдения за глубиной звукорассеивающих слоев показывают, что у антициклонических вихрей сложная внутренняя структура: они способны захватить и держать в своем ядре длинные волны большой амплитуды, которые называют инерционными. Течения, вызываемые такими волнами, вместе с приливными движениями вносят значительный вклад в перемешивание верхнего слоя океана [7].
Самые интересные наблюдения дали три буя (дрифтера), установленные осенью 1990 г. на участке, проходящем у пролива Буссоль через центр антициклонического вихря (эти приборы были предоставлены нам канадским океанологом П.Леблоном). Они не только вращались в вихре, но и совершали большие регулярные петли. Один из этих буев показал инерционные движения очень большой амплитуды. В ядре вихря он дрейфовал со средней скоростью около 40-45 см·с–1 и радиусом вращения 15-20 км. На это среднее вращение накладывались инерционные петли с периодом, близким к суткам, и радиусом 7-8 км. Скорости течений достигали 140 см·с–1 в центре вихря и заметно уменьшались на его границах. Вместе с изменением амплитуды этих возмущений менялся инерционный период.
Принято считать, что инерционные возмущения возникают при резкой смене ветра. В Северном полушарии вектор скорости таких течений вращается так же, как в приливной волне - по часовой стрелке. Инерционные силы в таких движениях - сила Кориолиса и центробежная, связанная с траекторией частиц воды, поэтому инерционный период определяется широтой места. Например, на широте пролива Буссоль он должен составлять около 17 ч. Однако в вихре инерционный период был гораздо больше.
Дело в том, что в антициклоническом вихре вращение противоположно направлению вращения Земли. Тем самым создаются особые условия для инерционных волн - вихрь меняет относительную завихренность (из-за собственного вращения). В результате понижается локальная инерционная частота волн внутри вихря. По сути волны чувствуют не только вращение Земли, но и его вращение. Кроме того, свободно распространяться могут только волны, частота которых больше локальной инерционной. Ее понижение в центре вихря и обеспечивает захват волн внутрь него, они уже не могут покинуть созданную им ловушку.