Океанология, 2021, T. 61, № 2, стр. 182-197

1. ВВЕДЕНИЕ

Исследование субмезомасштабных вихрей традиционными океанографическими методами сопряжено с рядом трудностей, которые связаны с малыми пространственными и временны́ми масштабами вихрей (1–10 км, 1–10 сут) [12, 35]. Для определения особенностей структуры вихрей необходимо осуществлять измерения с высоким пространственным разрешением (около 500 м). При этом вероятность их обнаружения достаточно мала, т.к. они занимают относительно небольшую долю акватории по сравнению, например, с синоптическими вихрями (см., например, рис. 3 в [41]).

Наибольшее количество данных о динамике вихрей таких малых размеров было получено на основе спутниковых оптических и радиолокационных измерений [3, 30, 31, 37, 41]. В Черном море в ряде работ были продемонстрированы примеры таких малых вихрей, исследованы особенности их структуры, предложен ряд возможных механизмов их образования [2, 11, 18, 24, 26, 30, 41].

На основе анализа численных моделей с высоким разрешением впервые была получена информация о механизмах образования вихрей, их структуре, сезонной изменчивости (см. обзор в [13, 35]). В частности, было показано, что эти динамические образования с большими значениями числа Россби способны вызывать высокие вертикальные скорости в океане (до 100 м/день по некоторым оценкам), которые могут оказывать значительное влияние на перемешивание и стратификацию вод [34, 39], вертикальные потоки биогенных элементов [23, 38]. Результаты моделирования субмезомасштабной динамики Черного моря приводятся в ряде работ [5, 6, 8]. В работе [17] на основе моделирования приводится анализ сезонной и вертикальной изменчивости распределения энергии в Черном море на субмезомасштабах.

На основе контактных измерений определение характеристик субмезомасштабных вихрей в Черном море проводилось лишь в двух работах. В [9] на основе нескольких последовательных съемок по измерениям буксируемого акустического доплеровского профилографа течений (ADCP) была определена структура скорости субмезомасштабного антициклона на различных этапах его эволюции. Результаты показали, что в начальный период этот вихрь радиусом 3–5 км имел орбитальные скорости 40–50 см/с и высокие значения завихренности, более 1.3 f [41]. В работе [11] на основе данных ADCP определена структура скорости и обратного рассеяния в более крупном антициклоне радиусом около 10 км.

Высокие значения завихренности свидетельствуют о том, что субмезомасштабные вихри способны захватывать и транспортировать вещество в своем ядре. Так, в [20] на основе измерений глайдеров было показано, что субмезомасштабные циклоны в Средиземном море размером не более 5 км могут переносить холодные воды из областей глубокой конвекции на глубинах более 1000 м на значительные расстояния. Примеры влияния малых субмезомасштабных вихрей радиусом менее 5 км на перенос взвешенного вещества (ВВ) и азовоморского плюма в Черном море по спутниковым данным были продемонстрированы в [1, 2, 32].

Подобный перенос может оказывать значительное влияние на функционирование прибрежной экосистемы, где градиенты солености, температуры, концентрации различных веществ особенно высоки. Кроме этого, вблизи берега субмезомасштабные процессы интенсифицируются из-за неоднородностей донной топографии, трения о дно и берег, что приводит к росту градиентов скорости и завихренности течений [7, 18, 25, 41]. Тем не менее, работ, посвященных исследованию влияния субмезомасштабных вихрей на перенос примеси в прибрежной зоне, мало. В [36] по спутниковым и контактным данным изучается роль вихрей на перенос вещества вблизи Австралии. Однако в этой работе, относящейся к процессам в низких широтах, за субмезомасштабные образования принимаются достаточно крупные вихри диаметром около 40 км. Вихри подобных размеров доступны для широкого изучения по данным оптических спутников среднего разрешения и данных альтиметров и исследовались в Черном море во многих предыдущих работах [16, 24, 26, 33].

Относительно новым инструментом исследования оптических характеристик океана, активно развивающимся в последнее время, являются БПЛА. Измерения с помощью недорогих серийно производимых БПЛА позволяют осуществлять оптические измерения (видеосъемку) с высоким пространственным разрешением. Данные таких БПЛА начинают активно использоваться при изучении динамки пляжей, волновых характеристик, речных плюмов, цветений водорослей и др. [4, 19, 27, 40]. В то же время на данный момент практически отсутствуют исследования вихревой динамики по данным БПЛА.

Настоящая работа фокусируется на изучении малых вихрей радиусом 0.1–3.0 км, исследование влияния которых на транспорт вещества в прибрежной зоне практически отсутствует. В настоящей работе на основе спутниковых оптических измерений высокого разрешения, аэрофотосъемки с БПЛА и данных натурных измерений описывается исследование влияния малых субмезомасштабных вихрей (радиусом до 3 км) на перенос ВВ в прибрежной зоне Крыма. В разделах 3.1 и 3.2 настоящей работы демонстрируется ряд примеров малых субмезомасштабных вихрей, проводится анализ их оптической структуры в поле взвеси по измерениям с БПЛА и данным спутников Sentinel-2, Landsat. В разделе 3.3 на основе натурных измерений, проводившихся синхронно с аэрофотосъемкой, дана информация о вертикальной гидрологической структуре субмезомасштабного циклона у берега Крыма, приводится анализ его влияния на поле ВВ и описываются особенности характеристик фронтальной зоны. По спутниковым и контактным данным показано, что в прибрежных субмезомасштабных циклонах происходит даунвеллинг, сопровождаемый конвергенцией вод и аккумуляцией ВВ. Предполагаемой причиной даунвеллинга является взаимодействие баротропных вихрей с топографическим склоном.

2. ДАННЫЕ

В работе использовались данные серийно производимого БПЛА DJI Mavic Pro (https:// www.dji.com/ mavic). БПЛА оснащен камерой с матрицей 1/2.3″ (CMOS) и светосилой объектива f/2.2. Максимальное разрешение при съемке фото – 4000 × 3000 пикселей, видео – 3840 × × 2160 пикселей (30 кадров в секунду). Камера располагается на трехосевом стабилизаторе с возможностью поворота в вертикальной плоскости от 0° до –90°. Угол обзора составляет 78.8°, что при максимальной высоте подъема БПЛА (500 м) и съемке в надир дает размер наблюдаемой сцены около 1 км² и размер пикселя порядка 20 см в центре кадра.

В работе также использовались оптические данные высокого разрешения спутников Landsat-8 и Sentinel-2 и данные среднего разрешения MODIS (Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer). Измерительная аппаратура Landsat-8 имеет пространственное разрешение 15–30 м для видимого и ближнего инфракрасного диапазонов, 100 м – для дальнего инфракрасного диапазона. Данные были получены с портала https://glovis.usgs.gov/. Данные Sentinel-2 в каналах B2 (490 нм), B3 (560 нм), B4 (665 нм) с разрешением 10 м использовались для построения RGB-композиций.

Ежедневные данные сканеров MODIS/Aqua Level 2 имеют пространственное разрешение 1 км. Для определения концентрации взвешенного вещества TSM (total concentration of suspended matter) применялся региональный алгоритм, основанный на комбинации спектральной яркости на различных длинах волн по данным сканеров MODIS/Aqua [14]. Данные были получены в Отделе дистанционных методов исследования Морского гидрофизического института РАН (http:// dvs.net.ru/) и из архива http://oceandata.sci.gsfc. nasa.gov/.

Контактные измерения гидростатического давления (глубины), температуры, солености, концентрации ВВ и растворенного органического вещества (РОВ) получены при помощи оптического биофизического зондирующего комплекса “Кондор” (“НПП “Аквастандарт”, ТУ 431230-006-00241904-2015; код ТН ВЭД Е-АЭС 9027 50 000 0. Декларация соответствия ЕАЭС N RU Д-RU.ЭМ03.А.00096/19. http://ecodevice.com.ru/ecodevice-catalogue/multiturbidimeter-kondor, дата обращения: 13 августа 2020 г.). Концентрация ВВ определялась пересчетом единиц калибровки (ЕМФ) в весовые единицы (мг/л) по рекомендованным соотношениям ГОСТ 3351-74, USEPA и корреляционным соотношениям с прямым (гравиметрическим) методом по району Севастопольских бухт. Калибровка измерений зонда проводилась в единицах мутности (ЕМФ) [21]. Растворенное органическое вещество оценивалось по хромофорному растворенному органическому веществу (Chromophoric dissolved organic matter – CDOM, fDOM) флюорометрическим методом (ex370/em460), калибровалось в стандартном растворе сульфата хинина и представляется в единицах QSU. Пересчет в весовые единицы – по соотношению QSU с прямым методом высокотемпературного каталитического сжигания (по банку данных – 88 проб R2 = 0.84) [22]. Точность измерений по глубине, температуре, солености, ВВ, РОВ составляет ±0.1 м; ±0.05°C; ±0.01 епс; ±0.2 мг/л; ±0.2 QSU соответственно.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ

3.1. Прибрежные вихри по спутниковым данным

Исследования субмезомасштабной вихревой динамики в районе Крымского побережья и северо-восточного побережья Черного моря по спутниковым данным показали, что выступающие мысы являются важными локальными областями генерации субмезомаштабных вихрей [1, 2, 9]. Основной причиной их генерации в таких районах является неустойчивость прибрежных дрейфовых течений при обтекании мысов; сдвиговая неустойчивость на периферии синоптических антициклонов, усиливающаяся при влиянии мысов на неустойчивость их орбитальных скоростей и трении о берег [1, 2, 9, 41]. Несколько примеров таких вихрей, наблюдающихся у наиболее выступающего на западном побережье Крыма мыса Лукулл по данным спутника Sentinel-2, представлены на рис. 1. Основным трассером субмезомасштабных процессов в южной части западного побережья Крыма является ВВ, образованное в результате эрозии берега и взмучивания донных осадков в мелководной зоне при действии штормов [1]. Обилие оптических трассеров дает возможность отчетливо наблюдать за динамическими процессами в этом районе на основе оптических данных.

Рис. 1.

Захват взвешенного вещества от берега субмезомасштабными циклонами на RGB-композиции, построенной по измерениям Sentinel-2 за 29 октября 2018 г. (а), 27 сентября 2018 г. в районе м. Лукулл (б); карта взвешенного вещества (мг/л) по данным MODIS за 8 сентября 2018 г., на которой виден крупный синоптический антициклон к западу от Крыма (в, крупный рисунок), генерация двух субмезомаштабных вихрей на периферии антициклона по данным Sentinel-2 (в, мелкий рисунок).

В качестве примера на снимке Sentinel-2 за 29 октября 2018 г. (рис. 1а) хорошо видно образование ВВ в прибрежной части Каламитского залива после шторма. Мутные воды двигаются от берега и далее поворачивают на юг. Напротив мыса Лукулл наблюдается округлая область с высокими значениями яркости, соответствующая циклоническому вихрю диаметром около 3 км. По распределению трассеров видно, что этот вихрь вовлекает мутные воды в свои орбитальные движения на своей северной периферии. Далее эти воды двигаются в циклоническом направлении и аккумулируются в его ядре, где наблюдается максимум яркости.

На снимке за 27 сентября 2018 г. (рис. 1б) наблюдаются два схожих субмезомасштабных циклонических вихря с диметром около 2.5 км, образовавшихся за двумя соседними мысами: Лукулл и Маргопуло. Как и в предыдущем случае, отчетливо видно, что вихри захватывают от берега ВВ, которое переносится на их периферии в узком потоке и дальше аккумулируется в ядре циклона. Резкий оптический фронт отделяет вихрь от окружающих вод, свидетельствуя о наличии мощного динамического барьера, создаваемого орбитальными движениями вихря, который препятствует перемешиванию. Максимум яркости в ядре циклона и циклоническое спиральное вращение на этом примере особенно хорошо проявляются в южном вихре.

Образование таких субмезомасштабных вихрей часто наблюдается в зоне взаимодействия крупных антициклонов с особенностями топографии. В результате интенсивного циклонического сдвига на периферии антициклонов возникает баротропная неустойчивость, которая усиливается при обтекании мыса потоком, что приводит к генерации циклонов [7, 18, 41]. На снимке Sentinel-2 за 9 сентября 2017 г. (рис. 1в) хорошо видны два субмезомасштабных циклонических вихря у м. Лукулл диаметром 7 и 3 км (рис. 1в сверху, слева). Эти вихри образовались на периферии крупного антициклона диаметром около 40 км, который выделяется на карте распределения ВВ MODIS за 8 сентября 2017 г. как округлая зона с низкой концентрацией ВВ.

Субмезомасштабные циклоны вызывают поток ВВ от берега, который закручивается в их ядро по спирали в циклоническом направлении. При этом в центре вихря, как и на предыдущих примерах, наблюдается максимум концентрации ВВ. На данных MODIS эти вихри видны как округлые пятна с высокими значениями концентрации взвеси (более 0.5 мг/л), которые в 1.5–2 раза выше, чем в окружающих водах (0.2–0.3 мг/л). Таким образом, все приведенные примеры показывают, что в субмезомасштабных циклонах происходит конвергенция вод и аккумуляция прибрежных взвесей.

Отметим также, что спутниковые измерения фиксируют на субмезомасштабах намного больше циклонических вихрей, чем антициклонических. Такая асимметрия вероятно связана с тем, что антициклонические вихри разрушаются при приближении числа Россби к единице из-за центробежной неустойчивости, в то время как циклоны остаются устойчивы вплоть до значений числа Россби 4–5 [28, 42].

3.2. Прибрежные вихри по данным БПЛА

Данные БПЛА позволяют исследовать субмезомасштабные динамические процессы по распределению оптических трассеров с очень высоким разрешением, вплоть до нескольких сантиметров. Эти измерения позволяют наблюдать малые вихри диаметром от нескольких десятков метров и получать детальную информацию об особенностях их структуры.

На рис. 2а в поле взвеси хорошо виден малый субмезомасштабный циклон диаметром около 200 м, зафиксированный во время съемки 15 февраля 2020 г., выполненной в условиях достаточно сильного северного ветра со скоростью до 10 м/с. Этот циклон имел радиус около 50 м и характеризовался теми же особенностями, что и в вышеописанных случаях. Он образовался у выступающей части берега. Взвесь от берега закручивалась в центр вихря в циклоническом направлении и образовывала мутное ядро вихря. Ядро представляло собой эллипс с повышенной концентрацией взвеси размером 100 × 50 м.

Рис. 2.

Малые субмезомасштабные структуры в районе пляжа Толстяк на северной стороне Севастополя по измерениям с БПЛА: субмезомасштабный циклон диаметром около 200 м 15 февраля 2020 г. (а), субмезомасштабные динамические структуры 3 апреля 2019 г. (б). Красные эллипсы показывают положение субмезомасштабных циклонов.

На снимке, представленном на рис. 2б, отчетливо видны сложные субмезомасштабные динамические структуры. В левой части снимка отмечается изогнутая струя ВВ, которая закручивается сначала в циклоническом, а потом в антициклоническом направлении. Диаметр зоны циклонической завихренности составляет около 250 м. В правой части снимка наблюдается грибовидное течение – структура длиной около 150 м, выносящая ВВ от берега.

Рис. 3.

Субмезомасштабные циклонические структуры по данным съемок БПЛА за 29 июня 2019 г. в районе п. Кача: циклонический вихрь в контрастированном RGB-композите (а); тот же снимок в красном канале (б); вихрь, снятый с западной стороны (в); увеличенное изображение “ножки” вихря, демонстрирующее наличие выраженных периодических динамических структур на ее периферии (г); три схожие динамические структуры, наблюдающиеся в районе съемок (д). Снимок Sentinel-2 за 29 июня 2019 г., на котором видны те же динамические образования (e), синоптический антициклон в районе Западного Крыма на снимке MODIS за 26 июня 2019 г. Красный прямоугольник показывает положение субмезомасштабных циклонов (ж).

Подробная съемка одного из субмезомасштабных циклонов диметром около 800 м была выполнена 29 июня 2019 г. в районе м. Маргопуло. Снимки БПЛА этого вихря в контрастированном RGB-композите и отдельно в красном канале с высоты 500 м даны на рис. 3а, б. Тот же вихрь на снимке, выполненном с его западной стороны (со стороны берега), представлен на рис. 3в. Как видно, эта динамическая структура состоит из “ножки”, вытянутой от берега, с высоким содержанием ВВ, и ядра вихря. Длина ножки составляет около 1 км. На рис. 3б отчетливо видно, как яркость в красном канале, определяемая прежде всего концентрацией ВВ, уменьшается в “ножке” от берега к ядру вихря. Этот градиент свидетельствует о захвате ВВ, образованного у берега, вероятно, под влиянием эрозии глинистых клифов и переноса его в открытую часть моря. Таким образом, наблюдаемая “ножка” вихря представляет собой интенсивную струю, осуществляющую кросс-шельфовый перенос вещества более чем на километр в открытую часть моря. Ширина этой струи составляет около 500 м у берега и уменьшается до 100 м в мористой части.

Поток ВВ в этом вихре закручивается в циклоническом направлении, как и в предыдущих примерах, и попадает в центр вихря. По значениям яркости в красном канале область вихря можно разделить на внутреннее ядро с более высокой концентрацией взвеси (желтый цвет) диаметром около 200 м и периферию диаметром около 500 м (зеленый цвет). В ядре яркость в красном канале хорошо согласуется с яркостью в центре “ножки”, что свидетельствует о том, что здесь осуществляется аккумуляция ВВ. На периферии значения яркости в красном канале меньше, чем в ядре вихря, но больше, чем в окружающих водах. Таким образом, здесь находится зона смешения захваченных береговых вод с высоким содержанием взвеси и вод открытой части моря.

Уменьшение концентрации ВВ в “ножке” по мере удаления от берега свидетельствует о значительном влиянии турбулентной диффузии, одной из причин которой может являться интенсивный горизонтальный сдвиг скорости на периферии этой струи. Дополнительным свидетельством этого механизма является наличие большого количества мелкомасштабных структур на периферии струи, отчетливо видных по измерениям с БПЛА на увеличенном рис. 3г (красный прямоугольник). Размер неоднородностей составляет около 50 м, и они гораздо более выражены на южной подветренной периферии струи (нижняя на рис. 3г), чем на северной.

В то же время на северной границе потока градиенты яркости менее интенсивные (рис. 3б), т.е. фронт менее четкий и перемешивание происходит быстрее. Здесь можно наблюдать наличие менее выраженных, более узких и вытянутых под углом от “ножки” к берегу полос с повышенными концентрациями взвеси (рис. 3г, фиолетовый прямоугольник, рис. 3д). Аналогичные структуры наблюдались и во время ряда других съемок при сильных ветрах. Во всех случаях эти полосы были вытянуты вдоль направления ветра и наблюдались с наветренной части динамических структур (фронтов, вихрей) с повышенными концентрациями взвеси. Подобное расположение свидетельствует о том, что при смещении динамических структур в сторону действия ветра за ними в поле ВВ остается турбулентный след. Возможной причиной такого следа являются ленгмюровские вертикальные ячейки, которые вызывают опускание ВВ в нижние слои. В результате примесь в таких ячейках движется более медленно, чем в поверхностных слоях, в которых влияние ветра более сильно, и “отстает” от структуры.

Отметим, что во время съемок этого вихря в данной акватории наблюдался не один такой вихрь, а три схожие динамические структуры, которые видны на снимке (рис. 3д). Поскольку они были удалены от места запуска БПЛА, осуществить их съемку в надир не представлялось возможным. Однако на рис. 3д видно, что все три образования имели схожие размеры и структуру: “ножку”, представляющую собой интенсивный поток ВВ от берега, и ядро.

Такие особенности являются характерными для прибрежных субмезомасштабных циклонов и свидетельствует об их значительном влиянии на перераспределение ВВ в прибрежной зоне. Синхронно с аэрофотосъемкой с БПЛА были получены данные съемки Sentinel-2 (рис. 3е). Большая часть снимка в момент съемок была закрыта облаками, тем не менее на снимке хорошо видны динамические структуры, соответствующие образованиям 1 и 2 на рис. 3д. Этот пример демонстрирует еще одно преимущество измерений с БПЛА – возможность получения информации об оптических характеристиках моря в облачную погоду.

Рис. 4.

Субмезомасштабный циклон в районе северной стороны Севастополя на карте яркости Landsat-8 в канале 3 (525–600 нм) за 22 октября 2019 г. (а), схема станций во время экспедиции 25 октября 2019 г. (б).

Как и в случае на рис. 1а, образование вихрей происходило в зоне взаимодействия крупного синоптического антициклона, отчетливо выраженного по данным MODIS (рис. 1ж), с берегом. Кроме этого, все три “ножки” вихрей были приурочены к выступающим участкам берега: первые два у мысов Лукулл и Маргопуло, третий – у выступающего мыса севернее пос. Осипенко. Это еще раз подчеркивает важную роль сдвиговых течений на периферии антициклонов и топографической неустойчивости в генерации прибрежных субмезомасштабных циклонов [41].

4. ОПТИЧЕСКАЯ И ГИДРОЛОГИЧЕСКАЯ СТРУКТУРЫ ПРИБРЕЖНОГО ЦИКЛОНА

Один из субмезомасштабных циклонов был обнаружен и исследован во время рейса 25 октября 2019 г. на маломерном судне “Доброе море” в районе пос. Орловка (координаты 44.65° N, 33.51° E). Данный вихрь радиусом около 2.0–2.5 км был хорошо выражен на спутниковом снимке Landsat-8 за 22 октября 2019 г. (риc. 4а). Как и на предыдущих примерах, он имел циклонический знак и оказывал значительное влияние на кросс-шельфовый транспорт ВВ. Концентрация взвеси была высока у берега, откуда она захватывалась в виде широкой струи и попадала на северную периферию вихря. Струя с высокими значениями ВВ простиралась на 3 км от берега, достигая середины вихря. Далее концентрация взвеси значительно снижалась, но была все еще выше, чем в окружающих водах, позволяя трассировать циклоническое вращение вихря. Этот вихрь также просматривался по данным MODIS, однако значительно менее детально из-за их низкого разрешения (рис. 5а, овал красного цвета). На этих данных также были видны характерные черты вихря: высокие значения концентрации взвеси у берега и кросс-шельфовый поток взвеси на его северной периферии. Согласно данным MODIS, вероятной причиной образования высоких концентраций ВВ в данном случае были сильные северные ветра, которые вызывают южные течения и эрозию глинистых клифов на побережье [1]. Кроме этого, по измерениям температуры за 24 октября 2019 г. к западу от Крыма наблюдалась зона антициклонической завихренности. Таким образом, как и в предыдущих случаях, сдвиг скорости на периферии южных течений послужил вероятной причиной образования этого вихря. К сожалению, из-за малого количества трассеров этот антициклон был плохо виден по оптическим данным.

Рис. 5.

Карта концентрации взвешенного вещества (мг/л) по данным MODIS за 27 октября 2019 г. (а). Красный эллипс показывает положение субмезомасштабного циклона. Карта температуры поверхности (°С) по данным MODIS (б). Черный эллипс показывает зону антициклонической завихренности.

Влияние вихревых движений на поле взвеси детально наблюдалось во время экспедиции 25 октября по данным БПЛА. Первоначально вихрь был обнаружен визуально с борта судна по наличию сликовых полос, окружающих его периферию. Далее съемка БПЛА позволила выявить резкий оптический фронт на северной периферии вихря (рис. 6а, б). На снимке отчетливо видна граница вихря с более высоким содержанием ВВ в самом вихре и менее высоким в водах к северу от него. В этом районе циклон захватывал ВВ от берега и вовлекал в циклоническое орбитальное движение. Вблизи берега полоса ярких вод была наиболее широка (рис. 6а). В этой области выделяется не один, а два фронта, что согласуется с данными Landsat (рис. 4а), т.е., по-видимому, кросс-шельфовый перенос осуществлялся последовательно несколькими потоками от различных частей берега.

Рис. 6.

Контрастированные снимки БПЛА, выполненные во время рейса 25 октября 2019 г. в районе северной стороны Севастополя, демонстрирующие: захват взвеси от берега на северной периферии циклона (а), положение судна возле оптического фронта во время начала буксировки (б), динамические особенности на периферии субмезомасштабного циклона (в), увеличенный фрагмент (красный прямоугольник на рис. 6в), на котором видно образование более мелких вихрей (красные эллипсы) на периферии субмезомасштабного циклона (г). На осях показано расстояние в метрах.

По мере продвижения от берега оптический контраст снижается (рис. 6а). При этом на фронтальной границе возникают периодические структуры (рис. 6в), те же, что отмечены в разделе 3.1. Их детальный анализ по данным БПЛА показал, что они также представляют собой вихревые структуры диаметром всего около 40 м (рис. 6г). На их периферии также наблюдаются еще более мелкие неустойчивости. Полученная структура схожа с картиной, возникающей при сдвиговой неустойчивости Кельвина–Гельмгольца в жидкости. Этот процесс иллюстрирует один из механизмов передачи энергии от крупных к наиболее мелким масштабам.

После обнаружения вихря в зоне его действия было выполнено около 70 станций, в том числе с помощью непрерывной буксировки. Положения станций показаны на рис. 4б. Разрез 1, выполненный через оптический фронт в области, представленной на рис. 6б, показал, что на северной периферии вихря происходит увеличение концентрации ВВ в 1.5–2 раза от 0.9 до 1.7 мг/л (рис. 7д). Кроме этого, на этой границе отмечаются повышение температуры на 0.1°C и уменьшение солености на 0.04 епс (рис. 7а, в). При этом ширина зоны резких градиентов оптических и гидрологических характеристик не превышает нескольких метров.

Рис. 7.

Слева: горизонтальный разрез 1 температуры, °С (а), солености, епс (в), концентрации взвешенного вещества, мг/л (д) буксируемым зондом. Фиолетовая линия показывает положение фронта. Справа: вертикальный разрез 2 температуры, °С (б), солености, епс (г), концентрации взвешенного вещества, мг/л (е) с пространственным разрешением около 10 м в слое 0–5 м.

Отметим, что, по данным MODIS за 27 октября 2019 г. (рис. 5а), значения концентрации ВВ на периферии вихря были около 0.5 мг/л, а мористее – около 0.2 мг/л, что примерно в 2 раза ниже, чем по данным измерений. Это различие, по-видимому, связано с быстрыми процессами оседания ВВ, которые приводят к быстрому выводу взвеси из верхних слоев.

Рис. 8.

Пространственное распределение температуры, °C (а), солености, епс (б), концентрации взвешенного вещества, мг/л (в) в верхнем однометровом слое в районе полигона 25 октября 2019 г.

На разрезе 2 от периферии к центру вихря (рис. 4б) было выполнено непрерывное вертикальное зондирование до глубин 5 м от периферии через центр вихря (рис. 7б, г, е). Такой метод позволил определить особенности вертикальной структуры вихря с пространственным разрешением около 10 м. Как видно на рис.7а, по мере приближения к центру вихря теплые воды заглублялись. Наиболее теплые воды зафиксированы в ядре вихря на долготе 35.529°–35.531° E. Особенно отчетливо ядро выделяется по измерениям солености (рис. 7г) и концентрации ВВ (рис. 7е). В ядре значение солености резко падает на 0.05–0.1 до 18.29 епс в верхнем 5-метровом слое. В этом же районе отмечается и максимальное увеличение концентрации ВВ до 1.5 мг/л. Максимальное уменьшение значений солености и рост концентрации ВВ происходит не на поверхности, а на 2 м ниже (см. также рис. 9в).

Рис. 9.

Вертикальный разрез 3 через центр вихря: температура, °С (а), соленость, епс (б), концентрация взвешенного вещества, мг/л (в), частота Вяйсяля–Брента, цикл/час (г).

Пространственные распределения температуры и солености (рис. 8а, б) показывают, что в поверхностном слое вихрь представлял собой округлую зону с повышенным значением температуры и пониженным значением солености. При этом соленость в центре вихря соответствовала солености прибрежных вод и была на 0.1 епс ниже, чем в открытых водах. Такое распределение солености свидетельствует о захвате вихрем опресненных прибрежных вод. Температура в вихре была на 0.6°С выше, чем в окружающих водах. В то же время в районе интенсивного фронта на северной периферии (широта 44.663° N) была зафиксирована наиболее холодная зона с повышенной соленостью. Такое распределение, по-видимому, свидетельствовало о процессах интенсивного вертикального перемешивания в районе фронта вихря, связанного со структурами, показанными на рис. 5в.

Пространственное распределение концентрации взвеси на верхнем горизонте по данным in situ имеет более сложный вид (рис. 8в), который, однако, хорошо совпадает с данными спутниковых измерений (рис. 4а). Наиболее высокие концентрации ВВ (1.5–1.7 мг/л) отмечены на северной периферии вихря, в зоне направленных от берега течений с высоким содержанием терригенных веществ. Эти значения приблизительно в 3 раза выше, чем в мористой части съемки (0.5–0.7 мг/л). По измерениям солености и концентрации взвеси достаточно отчетливо выделяется опресненное ядро вихря с координатами 44.655°–44.66° N, 33.525°–33.53° E диаметром около 100 м. Это ядро характеризуется пониженными значениями солености и повышенными концентрациями ВВ (около 1.3 мг/л).

Вертикальные особенности гидрологической структуры вихря представлены по данным разреза 3 через центр вихря на рис. 9. В центре вихря все изоповерхности были опущены, а на периферии приподняты. Например, изотерма 17.35°C поднималась с 12 до 4 м на протяжении 500-метрового разреза от станции № 40, где по оптическим данным наблюдалось ядро вихря, до станции № 44 на периферии циклона (рис. 8а). Аналогичный подъем виден и по распределению плотности (рис. 9б), но наиболее отчетливо такая структура вихря проявлялась по вертикальным градиентам плотности на разрезе частоты Вяйсяля–Брента (рис. 9г). По этим данным, ядро вихря располагалось у склона (станции №№ 39, 40) и характеризовалось пониженными значениями устойчивости, т.е. воды в нем были значительно перемешаны. Аналогичное понижение градиентов плотности фиксировалось в центре синоптических антициклонов Черного моря в работе [10]. Это ядро было окружено плотностными фронтами. В верхней части на глубинах 2–5 м располагался дневной термоклин. На мористой периферии ядро ограничивал фронт, который выделяется как зона повышенных градиентов плотности, вытянутая от дна (15 м) у резкого склона (44.656° N) до глубины 5 м на периферии вихря. Таким образом, нижняя граница вихря была заглублена в ядре вихря и поднималась к его периферии.

Разрез 3 концентрации ВВ через центр вихря (рис. 9в) демонстрирует наличие ярко выраженной асимметрии в распределении ВВ в вихре, вызванной влиянием горизонтальной адвекции. На северной периферии, где происходит захват прибрежных вод, концентрация взвеси максимальна и достигает 2 мг/л, что согласуется с данными спутника MODIS (рис. 4б). Высокие значения концентрации ВВ наблюдаются в слое 0–25 м, т.е. поток взвеси занимает всю толщу. Максимальные концентрации (>9 мг/л) наблюдаются у дна (в нефелоидном слое) и связаны со взмучиванием донных осадков. На своей южной периферии вихрь захватывает воды открытой части моря с низкими концентрациями взвеси. Эти воды занимают верхний 15-метровый слой, что дает оценку вертикального размера наблюдаемого циклона. Взвесь, поступая по периферии циклона, в дальнейшем аккумулируется в его центре. Мутное ядро вихря хорошо видно на рис. 8в по измерениям на станциях №№ 40, 41. Область с повышенным содержанием взвеси (около 1.4 мг/л) занимает слой 2–6 м и имеет горизонтальные размеры около 40 м. На этом разрезе также видно, что вихрь располагается у склона шельфа, где глубины достаточно резко меняются от 7 до 18 м.

5. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Распределение изоповерхностей, градиентов плотности и аккумуляция взвеси в циклоне свидетельствуют о нисходящих движениях и конвергенции в его ядре, что противоречит традиционным представлениями об интенсивном подъеме и дивергенции в субмезомасштабных циклонических вихрях.

В рассмотренном случае вихрь наблюдался на мелководье в районе топографического склона и занимал практически всю толщу вод. Градиенты плотности в вихре были невелики, что свидетельствует о его значительной баротропности. На малых пространственных масштабах на радиальные движения в вихрях основное влияние оказывают сила Кориолиса, центробежная сила, градиенты давления и трение о берег (см. [7]). В циклоническом вихре сила Кориолиса и центробежная сила направлены из центра вихря (см. схему на рис. 10). Эти движения в его мористой части способствуют дивергенции вод и опусканию уровня моря. Однако в прибрежной части циклона обе эти силы были направлены в сторону берега, вызывая таким образом нагон у берега (зона А на рис. 10а).

Рис. 10.

Схематическое изображение течений в субмезомасштабном баротропном циклоническом вихре у топографического склона: трехмерная схема течений (а), вид сверху (б). Оранжевые и синие овалы изображают зоны подъема и опускания уровня. Буквами обозначены зоны: A – взаимодействия течений со склоном, B – даунвеллинга и подъема уровня, C – вовлечения прибрежных вод, D – апвеллинга и опускания уровня; Е – течение к центру вихря, вызванное градиентами уровня. W – вертикальная скорость.

Взаимодействие течений, направленных к берегу, со склоном, вследствие уравнения неразрывности, будет приводить к возникновению нисходящих движений у склона. В результате в этой части баротропного субмезомасштабного циклона будет наблюдаться опускание изопикн и конвергенция вод, что согласуется с данными измерений (рис. 9г). В то же время в мористой части циклона вследствие оттока вод и дивергенции будет наблюдаться подъем вод (зона D). Таким образом, из-за интенсивного влияния центробежных сил в прибрежном циклоне возникает вторичная вертикальная ячейка циркуляции с опусканием у берега и подъемом в мористой части.

Это приводит к росту уровня моря у берега (в зоне B на рис. 10б) и падению в мористой части (D). Такой перепад давления будет способствовать генерации циклонических (направленных на север в данном случае) течений в зоне E смены знака вертикальной скорости W. В результате воды с южной периферии вихря будут попадать в его центр на некотором расстоянии от берега. Такой поток будет в итоге образовывать спиральное вращение, которое наблюдается по измерениям с БПЛА (рис. 3, 4) и спутников (рис. 2) [37].

Нисходящие движения у склона из-за уравнения неразрывности будут вызывать конвергенцию и дополнительное вовлечение вод в той части вихря, где течение направлено от берега (северная периферия в рассмотренном случае). Этот эффект будет усиливать вовлечение прибрежных вод в зоне С, которые, закручиваясь в спираль, будут опускаться к центру вихря, формируя подповерхностный максимум взвеси и минимум солености в ядре, наблюдаемый на рис. 7–9.

Отметим, что схожий процесс должен наблюдаться для циклонических вихрей любых масштабов. Так, в Черном море с преобладающей циклонической циркуляцией замыкание течений у берега приводит к интенсивному даунвеллингу и опусканию изопикн в районе континентального склона, которое во-многом и формирует Основное черноморское течение [29]. Однако этот эффект будет возрастать для малых вихрей из-за усиления центробежного ускорения. Радиальное ускорение, направленное от центра циклона, можно оценить как $a = f{v} + \frac{{{{{v}}^{2}}}}{R}$, где f – параметр Кориолиса, v – скорость вихря, R – радиус. При типичных скоростях течений 0.1–0.2 м/с [9, 15, 16] и радиусе 2 и 20 км для субмезомасштабных и синоптических вихрей Черного моря соответственно a для субмезомасштабных вихрей будет в 2 раза выше, чем для синоптических. Кроме этого, в отличие от циклонической циркуляции в замкнутых бассейнах, в случае прибрежного циклона нагон и даунвеллинг будут формироваться только с одной стороны вихря, что будет приводить к его выраженной асимметрии. Это асимметрия может значительно влиять на вертикальную циркуляцию в вихрях и, в частности, на связанные с ней биологические процессы (подъем биогенных элементов и т.д.). Детальное исследование этого процесса требует дальнейшей теоретической проработки и специализированных численных экспериментов.

6. ВЫВОДЫ

В настоящей работе на основе данных спутников, беспилотных летательных аппаратов и экспедиционных измерений проведено исследование влияния малых прибрежных субмезомасштабных циклонов на перераспределение ВВ в прибрежной зоне.

Впервые продемонстрированы возможности коммерческих БПЛА для определения оптической структуры и геометрических характеристик этих вихрей радиусом от 0.1 до 1 км со сверхвысоким пространственным разрешением. Спутниковые данные и аэрофотосъемка БПЛА позволили выявить ряд особенностей влияния прибрежных субмезомасштабных циклонов на перенос взвеси. В циклонических вихрях наблюдается захват прибрежных вод с высоким содержанием взвеси в узкий кросс-шельфовый поток, который может переносить ее на большое расстояние от берега. Далее эти воды захватываются в циклоническое спиральное движение, направленное в ядро вихря, где происходит аккумуляция прибрежного ВВ. На периферии такого кросс-шельфового потока и границы вихря наблюдается интенсивное образование малых периодических вихревых структур диметром менее 100 м, вызванное, вероятно, сдвиговой неустойчивостью, которая способствует горизонтальному перемешиванию на границе вихрей.

Использование данных БПЛА для контроля и наведения судна позволило осуществить детальные гидрологическую и гидрооптическую съемки прибрежного субмезомасштабного циклона диаметром около 3 км. Этот вихрь находился на мелководном шельфе вблизи склона глубин от 5 до 15 м. Он значительно влиял на кросс-шельфовый перенос ВВ на своей северной периферии, откуда прибрежные воды, богатые взвесью, попадали в его ядро. Буксируемые измерения через фронт вихря показали, что его граница имела ширину не более нескольких метров и характеризовалась резким увеличением концентрации ВВ в 1.5 раза по сравнению с окружающими водами. Ядро вихря находилось на глубинах 2–10 м, имело повышенные значения температуры и пониженные значения солености, а также выделялось по высоким значениям концентрации ВВ, что свидетельствовало об аккумуляции прибрежных вод и конвергенции в ядре циклона. Вертикальные градиенты в циклоне были невелики, что указывает на его баротропность. В то же время данные о вертикальных градиентах плотности позволили достаточно четко идентифицировать границу вихря. Анализ показал, что изоповерхности и зоны максимальных градиентов плотности заглублялись в центре вихря и поднимались к периферии, свидетельствуя о нисходящих движениях в его ядре и подъеме на его мористой периферии. Такое направление скорости противоречит традиционным представлением о подъеме и дивергенции в ядре циклонов.

В статье предложена гипотеза: наблюдающиеся нисходящие движения связаны со взаимодействием интенсивных центробежных скоростей в баротропных субмезомасштабных циклонах с топографическим склоном. Это взаимодействие вследствие неразрывности жидкости вызывает опускание вод в прибрежной части вихря и формирует перепад уровня, способствующий спиральной структуре орбитальной скорости в циклоне. Такой механизм позволяет объяснить причины конвергенции вод в субмезомасштабных циклонах, которая отмечается повсеместно по измерениям спутников, БПЛА и контактным данным и вызывает захват и аккумуляцию ВВ в прибрежных циклонах.

Источник финансирования. Исследование структуры субмезомасштабных вихрей по контактным измерениям и данным БПЛА выполнено при поддержке гранта РФФИ № 19-05-00479, обработка спутниковых данных выполнена в рамках гос. задания № 0555-2019-0001, обработка измерений БПЛА выполнена при поддержке гранта РФФИ № 19-05-00752.