Исследование Земли из Космоса, 2021, № 1, стр. 12-24

Дрейф под воздействием течений

Выпуск буев у побережья южного Приморья (на континентальном склоне к югу от залива Петра Великого; рис. 2) 4 октября 2011 г. был привязан к антициклоническому вихрю, хорошо заметному на спутниковых ИК изображениях как область теплых вод. Буй Р172 был выпущен на восточной периферии вихря, а Р174 – в его центральной части (рис. 3). Предполагалось, что буи, снабженные подводными парусами, будут дрейфовать с поверхностными течениями. Действительно, в начальный период дрейфа траектории (рис. 2) и зональные, и меридиональные компоненты скоростей буев (рис. 5) существенно различались, и это означает, что буи дрейфовали под воздействием разных факторов.

Рис. 5.

Низкочастотные скорости дрейфа буев (см/с; левая ось ординат, жирные черные линии для Р172, жирные серые линии для Р174) и ветра вблизи траектории дрейфа Р172 (м/с; правая ось ординат, тонкие линии): величины скорости – сверху, зональные компоненты – в центре, меридиональные – внизу. |U|, U, V обозначают величину и компоненты скорости дрейфа, |W|, U_W, V_W – величину и компоненты скорости ветра, по оси абсцисс показаны сутки дрейфа, начиная от 4 октября; вертикальные линии и метки на оси абсцисс соответствуют концу суток.

С 4 до 11 октября буй Р174 дрейфовал преимущественно на восток с весьма значительной для субарктической части моря средней скоростью 19.3 см/с (рис. 2, 5, табл. 1), что противоположно Приморскому течению, обычно следующему на юго-запад вдоль изобаты 100 м (Юрасов, Яричин, 1991). Восточное течение со скоростью 10–15 см/с (132°–132.5° в.д.) также зарегистрировано по данным спутниковой альтиметрии, хотя эта оценка не вполне надежна из-за возможных ошибок в этом районе вблизи побережья. К востоку от 132.5° в.д. скорость восточного течения (по альтиметрическим данным) уменьшилась до 5–7 см/с, но оно продолжалось до 43° с.ш., поворачивая на северо-восток и формируя западную периферию антициклонического вихря А2 (рис. 2).

Эта картина подтверждается ИК изображениями района. На рис. 3 видно, что холодные воды Приморского течения и прибрежного апвеллинга (Звалинский и др., 2006; Жабин, Дмитриева, 2014) блокировались теплыми водами в районе к востоку от 132.5° в.д., а между 42° и 42.5° с.ш. видна вытянутая на восток зона теплых вод. Перенос теплых вод на северо-восток осуществлялся через цепочку теплых вихрей и струй, которые сливаются в непрерывное течение на альтиметрических картах с четвертьградусным разрешением. Восточное течение между 131° и 134° в.д. к югу от залива Петра Великого в октябре–ноябре было получено при численном гидродинамическом моделировании и объяснено воздействием антициклонической завихренности ветра, которая свойственна этому району в начальный период зимнего муссона (Трусенкова, 2012).

Смена направления течений в начальный период зимнего муссона является хорошо известным фактом для более южного района (к югу от 42° с.ш.), где Северо-Корейское течение, направленное летом на юго-запад, в октябре–декабре заменяется северным потоком по западной периферии антициклонических вихрей (Danchenkov et al., 2003; Никитин и др., 2002; Никитин, Юрасов, 2008), которые развиваются под воздействием антициклонической завихренности напряжения ветра (Yoon, Kim, 2009). Вихрь А1 хорошо виден на рис. 2, однако максимальные скорости в нем едва достигают 7 см/с, что заметно ниже, чем в восточном течении к югу от залива Петра Великого, возможно за счет сглаживания при расчете сеточных полей. К юго-востоку от вихря А1 находится циклонический вихрь С1, остаточный от циклонического круговорота в этом районе, существовавшего в июле–сентябре.

В начальный период буй Р172 также дрейфовал на восток (до полудня 5 октября) со средней скоростью 18.7 см/с, а затем повернул на юг (до 23 ч 6 октября), причем скорость увеличилась до 29.8 см/с (рис. 2, 5), что соответствует потоку вдоль восточной периферии антициклонического вихря, идентифицированного на ИК-изображении (рис. 3). Средние альтиметрические течения в зоне дрейфа Р172 направлены на восток, однако в первой декаде октября это течение еще не полностью сформировалось и, по-видимому, альтиметрические данные отражали течения неточно в силу невысокого пространственного разрешения.

Дрейф под воздействием ветра

В последующий период времени, с 12 октября до 5 ноября (рис. 2, табл. 1), скорости дрейфа обоих буев были весьма близки (рис. 5); коэффициент корреляции составил 0.88. 11 октября существенно усилился ветер (от 5–7 м/с в начале до 12.5 м/с к концу суток), т.е. можно предположить, что именно тогда паруса были потеряны или повреждены так, что уже не могли противостоять прямому воздействию даже слабого ветра. В это время дрейф обоих буев ускорялся при усилении ветра и замедлялся при его ослаблении (рис. 5), что подтверждается значительными коэффициентами корреляции между скоростями дрейфа и ветра (табл. 2).

Для периода 12 октября–5 ноября рассчитаны регрессионные зависимости между скоростями ветра и дрейфа (рис. 6). В результате получены следующие соотношения: |U| = 2.417|W| + 6.953 для Р172 и |U| = 2.357|W| + 6.769 для Р174, где |U| и |W| – абсолютные величины скорости дрейфа и ветра, взятые в см/с и м/с соответственно. Коэффициенты детерминации R², соответствующие доле учитываемой дисперсии и равные 0.56 для Р172 и 0.63 для Р174, являются статистически значимыми на 95%-м уровне. Отсюда следует, что ветровой дрейф Р172 и Р174 составляет 24.2 и 23.6 см/с при ветре 10 м/с. В среднем по Мировому океану ветровой дрейф был оценен как 8–9 см/с при ветре 10 м/с (Lumpkin, Pazos, 2007), однако буи того же типа, что использовались в данной работе, могут дрейфовать гораздо быстрее (Лунев и др., 2010; Мотыжев, 2016). При низкой скорости ветра имеет место значительное рассеяние относительно тренда, поскольку тогда усиливалось влияние на дрейф буев фоновых течений и, возможно, зыби, обусловленной сильным СЗ ветром (рис. 6).

Рис. 6.

Диаграммы рассеяния между скоростями ветра (м/с) и дрейфа (см/с) буев Р172 (слева) и Р174 (справа) в период с 12 октября по 5 ноября; показаны линейные тренды; U и W обозначают скорости дрейфа и ветра.

В период дрейфа под воздействием ветра поступательное движение буев чередовалось с петлеобразными траекториями (рис. 2). Первый эпизод произошел еще до того, как установился ЮВ дрейф. 12–14 октября в зоне дрейфа дул относительно слабый (3–7 м/с), неустойчивый по направлению ветер южных румбов, свойственный передней части проходящего над морем циклона; в это время оба буя описали по “петле” (табл. 1, рис. 2). 15 октября ветер переменился, 16–17 октября дул сильный (до 15 м/с и более) западный и СЗ ветер, характерный для тыловой части циклона, а дрейф обоих буев снова стал поступательным со скоростью 40–50 см/с, более чем вдвое выше средней (рис. 2, 5). Вихрь А3, по северо-восточной периферии которого прошел Р172, заметного влияния на дрейф не оказал, возможно потому, что ветер был сильный, а орбитальная скорость вихря в зоне дрейфа составляла всего 5–7 см/с (по альтиметрическим данным). Петлеобразные участки траекторий также отмечались 19–24 октября, когда ветер был весьма изменчив: 19 и 20 октября дул слабый (до 2 м/с) ветер южных румбов, 21 октября – слабый северных румбов, 22 октября ветер, сохраняя направление, усилился до 12 м/с, 23 и 24 октября ветер снова был весьма изменчив, а 25 октября задул сильный (до 17–18 м/с) СЗ ветер. В результате, в период с 19 по 24 октября буи описали по “петле” (табл. 1, рис. 2), а 25 октября возобновили дрейф на юго-восток со скоростью больше 60 см/с. 27 октября–6 ноября ветер был умеренный (менее 10 м/с), но весьма изменчивый по направлению: южных румбов 27–28 октября, 1 и 4 ноября, северных румбов 29–31 октября, 2, 3, 5 и 6 ноября. В этот период оба буя описали по две “петли” (табл. 1, рис. 2).

Для анализа взаимосвязей направления дрейфа и ветра построены гистограммы за весь период дрейфа. Для удобства направления дрейфа и ветра взяты в математической нотации в диапазоне (–180°, 180°), т.е. 0° соответствует западному направлению (дрейф на запад, ветер с запада), 90° – южному, –90° – северному, 180° и –180° – восточному (рис. 7). Для обоих буев интенсивные максимумы повторяемости приходятся на юго-восточный (ЮВ) дрейф и СЗ ветер, чему для Р172 соответствуют углы –5° и –40° (рис. 7, слева), а для Р174 – углы –45° и –30°; последнее ближе к зональным (западным) направлениям (рис. 7, в центре). Для определения отклонения дрейфа от ветра построены гистограммы разности направлений ветра и дрейфа, положительной при отклонении вправо и отрицательной при отклонении влево. Наиболее повторяемые отклонения дрейфа буев Р172 и Р174 составляют 5°–15° и 10°–20° соответственно (рис. 7, справа). Экмановский дрейф приводит к отклонению буев от ветра на 60°–100° (Lumpkin, Pazos, 2007), а в нашем случае преобладает снос с небольшим отклонением вправо, определяемый как ветром, так и волнением; большие углы означают, что на дрейф в большей степени влияют другие факторы, а не ветер. Отметим, что ветер по данным реанализа относится к узлам сетки, расстояние между которыми и местом нахождения буя составляло в среднем 8.3 км, что объясняет малые по абсолютной величине отклонения влево.

Рис. 7.

Повторяемость направлений дрейфа буев (сплошные линии) и ветра в зоне дрейфа (пунктирные линии) для буев Р172 (слева) и Р174 (в центре), а также повторяемость угла (α) между направлениями ветра и дрейфа (черной линией для Р172, серой – для Р174; положительные значения соответствуют отклонению дрейфа направо от ветра; справа) на основе гистограмм по 5-градусным градациям (за весь период дрейфа); используется математическая нотация.

Локальный максимум повторяемости ветра в зоне дрейфа Р174, почти столь же интенсивный, как максимум СЗ ветра, приходится на –15°, т.е. близок к западному ветру, но ему не соответствует максимум направлений дрейфа, который должен был бы приходиться на –30° (рис. 7, в центре). Дрейф Р174 в восточном направлении, которому отвечает двойной максимум на –5° и 5°, связан с течениями, в первую очередь с восточным течением 4–17 октября, что обсуждалось выше, и с дрейфом по северной периферии вихря А4, что обсуждается ниже. Локальные максимумы южных румбов на гистограммах повторяемости (85° и 100° для ветра в зоне Р172 и 55° и 75° для ветра в зоне Р174; рис. 7, слева и в центре) отвечают изменениям ветра при прохождении над морем циклонов и других атмосферных возмущений синоптического масштаба, с чем связаны петлеобразные участки на траекториях дрейфа, как обсуждалось выше.

В период зимнего муссона над Японским морем доминирует СЗ ветер, как это известно по судовым измерениям (Дашко, Варламов, 2003) и подтверждено статистическим анализом данных спутниковой скаттерометрии (Трусенкова, 2011). Октябрь и первая половина ноября относятся к начальному периоду зимнего муссона, когда над морем часто проходят циклоны, а направление ветра существенно изменяется (Дашко, Варламов, 2003; Трусенкова, 2011). Тем не менее, в среднемноголетнем поле напряжения ветра в октябре–ноябре доминирует СЗ ветер как наиболее повторяющийся и сильный (рис. 8), что и объясняет результирующее поступательное движение буев на юго-восток. Буй Р174 дрейфовал северо-восточнее Р172, и в этой зоне, как видно из среднего поля, ветер, пересекая море, поворачивал против часовой стрелки, что и приводило к увеличению его западной (зональной) составляющей, появлению максимума повторяемости на –15°, увеличению восточной (зональной) составляющей дрейфа и расхождению буев (рис. 2).

Рис. 8.

Среднемноголетнее напряжение ветра (τ, дин/см²) в октябре–ноябре по данным реанализа NCEP-CSFR и рельеф суши (м) (стрелкой показано τ = 1 дин/см²).

Влияние синоптических вихрей на дрейф

Дрейф на юго-восток возобновился с 7 ноября, причем 10–14 ноября буи огибали антициклонический вихрь А4: Р172 – с юго-запада, Р174 – с севера (рис. 2, табл. 1). Ветер был слабым, особенно 7–12 ноября (не более 5 м/с), поэтому вихрь оказал заметное влияние на дрейф буев. В это время Р172 тормозился встречным течением на ЮЗ периферии вихря и двигался заметно медленнее, чем Р174, который дрейфовал почти зонально, ускоряясь попутным течением на северной периферии, причем разница скоростей доходила до 20–25 см/с, в основном за счет зональной компоненты (рис. 5). В частности, 14 ноября около 22–23 ч скорость Р172 была меньше 2 см/с, а скорость Р174 в это время составляла 20.1 см/с. В среднем за период 10–14 ноября разница скоростей дрейфа двух буев составляла 14 см/с, что дает 7 см/с как оценку средней в зоне дрейфа орбитальной скорости вихря. Орбитальная скорость по альтиметрическим данным в это время составляет 10–15 см/с на ЮЗ периферии и 5–8 см/с на северной периферии вихря А4, что дает среднюю скорость 9.5 см/с, т.е. довольно близкую оценку. 16 ноября Р172 пересек циклонический вихрь С2, что несколько притормозило дрейф (рис. 2, 5, табл. 1).

Утром 17 ноября буи Р172 и Р174 подошли к западной периферии антициклонических вихрей А5 и А6 (табл. 1), что неочевидно в средних за период дрейфа фоновых течениях, но ясно видно в полях за 17 ноября (рис. 4, справа). Вихри А5 и А6 относятся к системе Цусимского течения и характеризуются высокими орбитальными скоростями: 20–30 и до 40 см/с на границе между вихрями С2 и А5 (по альтиметрическим данным). Оба буя были захвачены вихрями и повернули на юго-восток, причем скорость дрейфа Р172 возросла от 12 см/с в точке поворота до 45 см/с к полуночи 17 ноября, а скорость дрейфа Р174 за это время возросла от 5  до 60 см/с, в основном за счет меридиональной компоненты (рис. 5). 17 ноября ветер был слабый (не более 5 м/с), а 18 ноября сменился на сильный южных румбов (до 13–14 м/с), скорость дрейфа увеличилась и достигла максимума за все время наблюдений (87 и 92 см/с для Р172 и Р174 соответственно; рис. 5). 19 ноября буи достигли северной периферии вихрей А5 и А6, повернули на восток, ветер ослаб и сменился на северный, а скорость дрейфа уменьшилась до 15–20 см/с. К сожалению, данные в цифре недоступны за последний период дрейфа (20–24 ноября), но, судя по схеме дрейфа из системы Argos, буи продолжали дрейфовать по периферии вихрей, а затем, видимо, под воздействием ветра, пересекли зону Цусимского течения и были выброшены на берег (рис. 4, слева).

Вейвлет-спектры скорости дрейфа

Для оценки инерционных колебаний были рассчитаны вейвлет ротари-спектры векторов скорости дрейфа. В антициклонической компоненте спектра имеются максимумы на масштабах меньше суток (в среднем 17.9 ч), которые являются статистически значимыми большую часть времени и соответствуют инерционным колебаниям, тогда как в циклонической компоненте на инерционном периоде мощность низкая (рис. 9).

Рис. 9.

Антициклоническая (вверху) и циклоническая (внизу) компоненты вейвлет ротари-спектров (см²/с²) векторов скорости дрейфа буев Р172 (слева) и Р174 (справа). Здесь и на рис. 10 показаны конус влияния краевых эффектов и 90%-й уровень статистической значимости по отношению к красному шуму.

Наиболее интенсивные инерционные колебания (с энергией, превышающей 10⁵ см²/с², т.е. на два порядка выше медианного значения, равного 4 × 10³ см²/с²) происходили 17–19 и 23–26 октября (14–16 и 20–23 сут дрейфа), через несколько часов после усиления ветра (и зональной, и меридиональной компонент) до 17–18 м/с (рис. 5). 25–26 октября в траектории дрейфа Р172 отчетливо видны три циклоиды, а в траектории дрейфа Р174 – две (рис. 2, табл. 1). В период с 28 октября по 7 ноября (25–35 сут дрейфа) мощность инерционных колебаний Р174 оставалась высокой, тогда как у Р172 она существенно уменьшилась, зачастую не достигая статистически значимого уровня (рис. 9). В это время скорости и направления дрейфа и ветра были, в целом, близки для обоих буев, которые описывали петли под воздействием изменяющегося ветра, что обсуждалось выше. Возможной причиной различия может быть то, что в это время буй Р172 двигался по северной периферии циклонического вихря С3, т.е. фоновое течение было противоположно дрейфу, тогда как Р174 дрейфовал северо-восточнее в зоне направленного на север течения на восточной периферии вихря С3, т.е. фоновое течение было перпендикулярно дрейфу (рис. 2).

В обоих компонентах ротари-спектров имеются значимые максимумы на масштабах 7–11 сут, что говорит о поступательных, а не вращательных движениях и побуждает оценить вейвлет-спектры величин скоростей дрейфа. Для лучшего разрешения по шкале времени использован вещественный вейвлет DOG-9, у которого конус влияния краевых эффектов уже, чем у вейвлета Морле (рис. 10).

Рис. 10.

Вейвлет спектры (см²/с²) величины скорости дрейфа буев Р172 (слева) и Р174 (справа) на основе материнского вейвлета DOG-9.

Наиболее долгопериодные колебания на масштабах более 20 сут, которые присутствуют в спектре Р172 и, в короткий временной промежуток, в спектре Р174, почти полностью находятся в конусе влияния, что делает их анализ ненадежным. На масштабах меньше 7 сут оба спектра бедны, и лишь в периоды интенсивных инерционных колебаний имеются соответствующие значимые максимумы. В обоих спектрах имеются колебания на масштабах 7–9 сут, которые являются значимыми в период от 10 октября до 7 ноября для Р172 (к концу периода масштаб увеличивается до 10–11 сут) и от 8 до 25 октября для Р174 (рис. 10). Подобные максимумы имеются также в спектрах скорости ветра, что неудивительно при тесной статистической взаимосвязи скоростей дрейфа и ветра.

Были рассчитаны совместные вейвлет-спектры скоростей ветра и дрейфа (на основе комплексного вейвлета Морле, позволяющего оценить фазовый сдвиг и когерентность). Для них также характерна изменчивость на масштабах 7–9 сут: статистически значимые на 95%-м уровне максимумы совместных спектров находятся на 7.5–7.7 сут в обоих случаях, на этом масштабе средняя когерентность составляет 0.75 для Р172 и 0.66 для Р174, средний фазовый сдвиг – 16 и 9 ч соответственно. Эти максимумы можно объяснить синоптической изменчивостью ветра в период смены муссона: сильные ветры северных румбов сменялись слабыми ветрами южных румбов, что приводило к колебаниям скорости дрейфа буев. Как обсуждалось выше, подобные изменения ветра, сопровождаемые “петлями” траекторий и уменьшением скорости дрейфа, происходили 12–14, 19–24 и 29–31 октября, а также 3–6 ноября, т.е. через 7–9 сут.