Океанография и состояние морской среды дальневосточного региона России

Интегрированная база информационных ресурсов FAR EAST ON-LINE

Ресурсы ТОИ
Руководитель проекта:
И.Д. Ростов
ТОИ ДВО РАН
690041, Владивосток, ул. Балтийская, 43
Телефон: (423) 2-311-420
Факс: (423) 2-312-573
English version Спонсоры и поддержка Отзывы и запросы Поиск по сайту
pacificinfo.ru/ > Климат и океанография региона > Комплексный мониторинг морских акваторий > Мониторинг течений северо-западной части Японского моря

 

  • Рельеф дна (м) Японского моря
  • Напряжение и завихренность ветра над Японским морем в апреле-октябре 1998-2000 гг
  • Возвышение свободной поверхности Японского моря в мае-октябре для расчетов под воздействием ветра за 1998-2000 гг.
  • Скорость течения в ВКС в апреле-октябре для экспериментов под воздействием ветра за 1998-2000 гг.
  • Мониторинг поверхностных течений

    северо-западной части Японского моря в теплый период года

    Трусенкова О.О. (trolia@poi.dvo.ru)

    Введение

    Циркуляция вод и термический режим северо-западной части Японского моря, прилегающей к южному Приморью и КНДР, подвержены значительным межгодовым изменениям. В этом районе встречаются два западных пограничных течения – теплое Восточно-корейское течение, следующее на север от Цусимского пролива вдоль корейского берега, и южно-направленные Приморское и его продолжение, Северо-корейское течения. После отрыва от берега и поворота на восток продолжения этих течений формируют пересекающий море субарктический фронт (Юрасов и Яричин, 1991). Межгодовая, сезонная и синоптическая изменчивость в этом районе хорошо прослеживается на спутниковых ИК-изображениях и во многом определяется адвекцией холодных вод Приморского и Северо-корейского течений на юг или субтропических вод Восточно-корейского течения на север. Первая ситуация соответствует классическим схемам циркуляции вод Японского моря (Юрасов и Яричин, 1991), тогда как вторая типична для последних 15 лет, в период климатического потепления, чему соответствуют «холодные» или «теплые» типы термической структуры вод согласно типизации А.А. Никитина (Никитин и Харченко, 2002).

    Адвекция теплых вод на север происходит преимущественно путем развития цепочек антициклонических вихрей и струй, порождаемых Восточно-корейским течением, и сопровождается развитием северо-западной ветви субарктического фронта (Никитин и др., 2002). Вместе с тем, интенсивность вихреобразования в этом районе подвержена значительной межгодовой и сезонной изменчивости, а северо-западный фронт регистрировался по судовым данным еще в 50е годы прошлого века (Danchenkov et al., 1997). Существенные межгодовые изменения циркуляции вод, в том числе и в теплый период года, вряд ли можно объяснить только долговременными климатическими тенденциями. В то же время, ветер является важнейшей движущей силой морской среды, и его воздействием на течения нельзя пренебрегать. В частности, значительное влияние на циркуляцию Японского моря могут иметь изменения завихренности ветра, характеризуемого неустойчивостью скорости и направления в период летнего муссона. В этой связи представляется актуальным исследование влияния межгодовых изменений ветра на циркуляцию вод северо-западной части Японского моря в теплый период года.

    Численная модель циркуляции Японского моря

    Для гидродинамического моделирования применялась численная модель МГИ (Михайлова и Шапиро, 1992). Эта модель, основанная на примитивных уравнениях гидродинамики в приближениях гидростатики и Буссинеска, относится к классу многослойных моделей. В подобных моделях поверхности раздела между слоями могут свободно перемещаться по вертикали, что способствует воспроизведению вертикальных движений и плотностной циркуляции в целом. В модели МГИ реализовано приближение свободной поверхности моря; она включает полный термодинамический блок: баланс тепла и влаги на поверхности моря, интегральную модель турбулизированного верхнего квазиоднородного слоя (ВКС), нелинейное уравнение для плотности морской воды и прогностические уравнения как для температуры, так и для солености. Последнее возможно за счет того, что плотность в любом слое (а не только в ВКС, как в других подобных моделях) может изменяться во времени и по горизонтальным координатам в пределах, определяемых заранее заданной, т.н. базовой плотностью. Напряжение ветра приложено как массовая сила к ВКС, порождая в нем средний, перпендикулярный ветру экмановский дрейф и вертикальную скорость экмановской подкачки, приложенную к нижней границе ВКС.

    На рис. 1 показана береговая линия и рельеф дна Японского моря. Численные эксперименты выполнялись с горизонтальным разрешением 1/8° градуса от начальных условий неподвижного горизонтально-однородного вертикально-стратифицированного (12 слоев) моря под воздействием атмосферных полей и расходов в проливах, характерных для последних десятилетий 20го века, когда качество данных значительно улучшилось. Коэффициент при бигармоническом операторе вязкости в уравнениях движения задан равным 2,5×108 м4/c, что для выбранного горизонтального разрешения эквивалентно коэффициенту гармонической вязкости, равному 7м2/c. Коэффициент гармонической диффузии в уравнениях для температуры и солености составлял 250 м2/c. Начальные глубины поверхностей раздела между слоями составляли 10, 25, 50, 75, 100, 150, 250, 350, 500, 700, и 900 м; в качестве начальных вертикальных профилей температуры и солености были приняты средние для моря. Базовая плотность соответствовала начальной глубине поверхностей раздела.

    Для расчета потоков тепла и влаги на поверхности Японского моря воссоздавались осредненные условия периода 1990-2000 гг.; средние месячные поля метеоэлементов брались преимущественно по данным проекта NCEP/NCAR Reanalysis Project, доступным в интернете. Среднее месячное напряжение ветра за 1998-2000 гг. рассчитывалось по исходным синоптическим (4 срока в сутки) полям, что позволило воспроизвести региональные особенности напряжения и завихренности ветра, несмотря на невысокое пространственное разрешение (2,5 градуса). Именно завихренность ветра оказывает наибольшее влияние на циркуляцию вод, создавая области их подъема (циклоническая завихренность) или опускания (антициклоническая завихренность).

    На рис. 2 приведены поля напряжения и завихренности ветра за 1998-2000 гг. для периода летнего муссона и переходного месяца (октября), когда поле ветра над Японским морем характеризуется наибольшей изменчивостью. Весной 1998 г. над морем преобладала антициклоническая завихренность ветра, тогда как летом этого года преимущественно дул высокоградиентный восточный и северо-восточный ветер, особенно сильный в июне, с мощными струями от проливов Сангарского и Лаперуза, создававший область циклонический завихренности над восточной частью Японской котловины и зону антициклонический завихренности вдоль берега Приморья, с максимумом в районе Находка – м. Поворотный. Теплый период 1999 г. характеризовался преобладанием антициклонической завихренности ветра над большей частью моря, особенно в марте, июне и октябре. Напротив, в период летнего муссона 2000 г. над Японским морем преобладала циклоническая завихренность, особенно в апреле, мае, июле и сентябре, но присутствовали также локальные области антициклонической завихренности, возможно, артефакты месячного осреднения срочных полей.

    Вток в Японское море субтропических вод через Корейский пролив учитывался годовым ходом с минимальным расходом 2 св (1 св = 10 м3/с) в марте и максимальным 3 св в октябре; принимались многолетние средние месячные температура и соленость втекающей воды. В зимне-весенний период учитывался также вток распресненной амурской воды через пролив Невельского, которая не оказывает заметного влияния на крупномасштабную циркуляцию моря ввиду малого расхода, но существенна для поля солености северной части Татарского пролива. Сток, с учетом баланса массы (влаги) на поверхности моря, происходил через проливы Лаперуза и Сангарский, с соотношением расходов 2:1, таким образом, что средний уровень не изменялся во времени.

    Модель МГИ интегрировалась на срок 10 лет с шагом по времени 7,5 мин. до установления квазистационарного состояния (годового хода) циркуляции вод и гидрофизических полей, после чего выполнялись три численных эксперимента под воздействием ветра за 1998, 1999 и 2000 гг. соответственно, причем внешние термодинамические условия на поверхности моря и в проливах сохранялись неизменными. Такая постановка экспериментов позволила связать полученные различия в циркуляции исключительно с изменениями ветра.

    Мониторинг течений северо-западной части Японского моря

    Рассчитанные с помощью модели МГИ крупномасштабные течения Японского моря, представленные распределениями уровня моря (рис. 3) и скоростями течения в ВКС (рис. 4) в теплый период года, в целом соответствуют сложившимся представлениям (Юрасов и Яричин, 1991) и сохраняют свой характер при различных ветровых условиях. Получены все основные системы течений Японского моря - теплые течения, характеризуемые повышением уровня моря: восточные ветви Цусимского течения, его западная ветвь – Восточно-корейское течение, а также их продолжения в северо-восточной части моря и Татарском проливе и западные ветви от о-ва Хоккайдо. Над Японской котловиной и глубоководным желобом Татарского пролива получена система циклонических круговоротов, характеризуемых депрессиями свободной поверхности моря. Особенно мощная циклоническая ячейка развивается над наиболее глубоководной восточной частью Японской котловины, на которой преобладает циклоническая завихренность ветра (рис. 3). Результаты расчетов показывают, что субарктический фронт, проявляющийся зоной сгущения изолиний уровня моря на рис. 3 и струйными течениями на рис. 4, размыт, а его положение подвержено существенным внутри- и межгодовым изменениям в западной части моря. Восточнее 134° в.д. субарктический фронт захватывается северным склоном поднятия Ямато и обостряется, не претерпевая заметных сезонных изменений, что соответствует результатам анализа многолетнего архива спутниковых ИК-изображений (Никитин и Харченко, 2002) и дрейфующих буев ARGOS (Lee and Niiler, 2005).

    Вместе с тем, получены существенные межгодовые изменения течений в северо-западной части Японского моря, причем благодаря условиям проведенных экспериментов, их можно связать исключительно с изменчивостью ветра. Получена также заметная сезонная изменчивость течений в этом районе, но она определяется не только ветром, но и сезонными изменениями потока плотности на поверхности моря, учитываемыми в численных экспериментах. В данной работе основное внимание уделено межгодовой изменчивости, связанной с изменениями ветра.

    В численных экспериментах получено, что весной адвекция субтропических вод на север в северо-западной части моря наиболее выражена для 1998 г.: Северо-корейское течение практически отсутствует, северные струи проникают вдоль западного берега моря до 134° в.д., у м. Поворотного развивается антициклонический вихрь, а Приморское течение отклоняется мористее и пересекает Японскую котловину в виде нескольких слабых струй, следующих на юг и юго-запад; лишь в заливе Петра Великого получен слабо выраженный циклонический вихрь (рис. 3, рис. 4). Такой характер циркуляции вод можно связать с антициклонической завихренностью ветра весной этого года. Напротив, весной 2000 г., несмотря на наличие антициклонического вихря в апреле, разделяющего Приморское и Северо-корейское течения, адвекция холодных вод на юг интенсивна в рассматриваемом районе, а в излучине субарктического фронта между 131° и 133° в.д. развивается интенсивный циклонический вихрь (рис. 3, рис. 4). Это может быть объяснено преобладанием циклонической завихренности ветра над этим районом весной 2000 г. (рис. 2); северо-западная ветвь субарктического фронта, проходящая по периферии теплого вихря, пересекает локальный район, над которым завихренность ветра является антициклонической в апреле, что может быть артефактом месячного осреднения срочных полей ветра. Для мая 2000 г. получена непрерывная струя южно-направленного течения вдоль побережья южного Приморья. Ситуацию весны 1999 г. можно охарактеризовать как промежуточную, с интенсивной адвекцией холодных вод на юг к востоку от 132° в.д. и мощным антициклоническим вихрем к западу (рис. 3) в районе антициклонической завихренности ветра (рис. 2). Восточная периферия этого вихря образует северо-западную ветвь субарктического фронта.

    Полученные в численных экспериментах градиентные течения Японского моря, в том числе его северо-западной части, усиливаются к концу лета (август – сентябрь), что иллюстрируется углублением депрессий уровня моря внутри циклонических круговоротов и его повышением в теплых течениях, а также соответствием течений в ВКС распределению уровня (рис. 3, рис. 4), тогда как в начале лета в ВКС преобладает экмановский дрейф. Высокоградиентный ветер лета 1998 г. порождает систему теплых океанических вихрей в районах своей антициклонической завихренности: от 45° с.ш. между берегом Приморья и потоком Приморского течения, в заливе Петра Великого и между берегом КНДР и струей Северо-корейского течения, хотя последние весьма слабы (рис. 4). Холодные течения северо-запада следуют на юго-запад по юго-восточной периферии этих вихрей, формируя западную периферию системы циклонических круговоротов, самый южный из которых доходит до 37°30¢ с.ш. Адвекция теплых вод на север происходит по восточной периферии циклонических круговоротов вдоль 130° в.д. между 39° и 41° с.ш. и вдоль 131°30¢ в.д. между 40° и 42°30¢ с.ш., а северо-западная ветвь субарктического фронта проходит по юго-западной периферии круговорота с центром на 41° с.ш., 131° в.д.

    Для лета, как и для весны 1999 г. в рассматриваемом районе была получена преимущественно антициклоническая циркуляция вод и квазистационарный северо-западный фронт (рис. 3, рис. 4) под воздействием ветра с антициклонической завихренностью (рис. 2). Адвекция теплых вод на север происходит по западной периферии теплых вихрей вдоль 129° в.д. в Восточно-корейском заливе, вдоль берега моря между 40° и 42° с.ш. и, севернее 40°30¢ с.ш., вдоль 132°20¢ в.д. со струей, отрывающейся от фронтального течения и формирующей западную периферию обширного, хотя и слабого, антициклонического вихря в районе м. Поворотного; Приморское течение отрывается от берега к востоку от этого вихря, как это получено для весны 1998 и 1999 гг. Единственная циклоническая циркуляционная ячейка, полученная для лета 1999 г. в этом районе, малоинтенсивна, зажата между крупными антициклоническими вихрями с запада и востока и вытянута в меридиональном направлении вдоль 132° в.д., с западным течением по ее северной периферии вдоль континентального склона залива Петра Великого. Северо-корейское течение, хотя и слабое, следует у берега КНДР к юго-западу от северного потока от 40° с.ш. до 37°30¢ с.ш. (рис. 4). Таким образом, северо-западная ветвь субарктического фронта развита в течение всего теплого периода 1999 г., что подтверждается пространственным распределением ТПО (температуры поверхности) Японского моря по данным высокого разрешения, доступным в рамках международного проекта A-HIGHERS SST (Sakaida et al., 2000): изолинии ТПО ориентированы с северо-запада (от района вблизи устья р. Туманная) на юго-восток в течение большей части года.

    Циклоническая циркуляция преобладает в северо-западной части Японского моря в июне – августе 2000 г., но ослабляется в районе к югу от залива Петра Великого, над которым развивается локальная антициклоническая завихренность ветра, что проявляется в обособлении восточной и западной депрессий уровня моря, а заливе Петра Великого развивается антициклонический вихрь, с западным течением над континентальным склоном, где располагается его южная периферия (рис. 3). К сентябрю Приморское течение усиливается и следует вдоль всего побережья южного Приморья на юго-запад, не испытывая разрыва со своим продолжением, Северо-корейским течением (рис. 4). В целом, циклоническая циркуляция вод в рассматриваемом районе более интенсивна в теплый период 2000 г., в сравнении с 1998 и 1999 гг., что проявляется большим понижением уровня моря и наличием циклонического вихря в излучине субарктического фронта между 131° и 133° в.д. в течение всего года (рис. 3, рис. 4).

    Октябрь является переходным месяцем от летнего к зимнему муссону, поэтому средние месячные поля не всегда дают достаточное представление о ветровом режиме в этот месяц, характеризуемом резкой сменой направления и силы ветра, в том числе за счет усиления циклонической активности. Помимо ветрового воздействия, на циркуляцию вод значительное влияние оказывает выхолаживание поверхности моря и углубление ВКС. По этой причине детальный анализ циркуляции вод в октябре выходит за рамки данной статьи, где основное внимание уделяется воздействию ветра на течения.

    Тем не менее, следует отметить, что с установлением зимнего муссона, с преобладающим северо-западным ветром над Японским морем, над заливом Петра Великого и прилегающей акваторией развивается мощная ветровая струя, приходящая с Приханкайской низменности, окруженной с запада и востока гористыми районами (Дашко и Варламов, 2002). Ей сопутствует диполь завихренности ветра, которая является циклонической на восточной и антициклонической на западной сторонах струи. Последнее вызывает интенсивное формирование теплых вихрей и северных струй течений в самой западной части моря у берегов КНДР и юго-западного Приморья, что иллюстрируется рис. 4, где показаны течения в ВКС для октября 2000 г. Подобный характер течений получен для октября и ноября 1998 и 1999 гг. Восточная периферия этих вихрей формирует северо-западную ветвь субарктического фронта, что является характерной особенностью гидрологического режима в октябре и ноябре (Danchenkov et al., 1997; Lobanov, 2001; Никитин и Харченко, 2002).

    Таким образом, от сентября к октябрю направление течений вдоль северокорейского берега изменяется на противоположное, что подтверждается данными дрейфа поверхностных буев ARGOS в сентябре – декабре 1993 и 1994 гг., когда буи перемещались на юг в период от конца августа до начала октября и, описывая антициклонические петли, обратно на север в октябре - декабре (Danchenkov et al., 2003). Южно-направленное Северо-корейское течение характерно для летнего периода, как показал анализ многолетнего массива данных буев ARGOS (Lee and Niiler, 2005). Развитие антициклонических вихрей в северо-западной части Японского моря под воздействием струйного ветра над заливом Петра Великого уже было ранее получено в численных экспериментах с помощью модели МГИ (Trusenkova and Ishida, 2005) и с помощью двухслойной чисто динамической модели (Yoon et al., 2005). Как показывают результаты анализа судовых и спутниковых данных (Danchenkov et al., 1997; Lobanov, 2001; Никитин и Харченко, 2002) и численных экспериментов с моделью МГИ (Trusenkova and Ishida, 2005), цепочка теплых вихрей и порожденный ею северо-западный фронт могут сохраняться и зимой.

    Выводы

    1. Мониторинг течений северо-западной части Японского моря (района, прилегающего к южному Приморью и КНДР) на основе гидродинамической модели МГИ показывает, что изменения ветра и, в первую очередь, его завихренности в теплый период года оказывают существенное влияние на циркуляцию вод. Под воздействием ветра с антициклонической завихренностью в этом районе, традиционно относимом к субарктической области, где вдоль западной периферии циклонических круговоротов следуют на юг холодные течения, могут развиваться антициклонические вихри и северные струи теплых течений, что подтверждается многочисленными данными спутниковых и судовых наблюдений за последние 15-20 лет.

    2. Показано, что циклоническая циркуляция более интенсивна в теплый период 2000 г., в сравнении с 1998 и 1999 гг., что может быть объяснено преобладанием циклонической завихренности ветра над морем в этот год и соответствует периодизации термической структуры Японского моря, разработанной А.А. Никитиным, в которой весна и осень 1998 и 1999 гг. относятся к теплым, а весна и осень 2000 г. - к умеренно-теплому типам; лето всех трех лет отнесено к умеренно-теплому типу (Никитин и Харченко, 2002).

    3. Получено, что северо-западная ветвь субарктического фронта развита в течение всего теплого периода 1999 г. Это подтверждается пространственным распределением ТПО по данным высокого разрешения (A-HIGHERS SST) и может быть объяснено преобладанием антициклонической завихренности ветра в этом году.

    4. Для 1998 г. характерны наиболее интенсивное вихреобразование летом под воздействием высокоградиентного ветра с антициклонической завихренностью у берегов южного Приморья.

    5. Перенос субтропических вод на север в западной части Японского моря происходит по западной периферии цепочек антициклонических вихрей и струй, соединяющих их друг с другом в прибрежной полосе вдоль северо-корейского берега, а также вдоль 131°-133° и 134° в.д., что соответствует путям переноса, выявленным в результате анализа спутниковых ИК-изображений (Никитин и др., 2002).

    6. Развитие антициклонических вихрей и струй Восточно-корейского течения является характерной особенностью гидрологического режима северо-западной части Японского моря в октябре и ноябре, как получено в численных экспериментах и известно по данным наблюдений (Danchenkov et al., 1997; Lobanov, 2001; Никитин и Харченко, 2002). Это можно связать с антициклонической завихренностью ветра на западной стороне ветровой струи, дующей от залива Петра Великого в период установления зимнего муссона (Дашко и Варламов, 2002), как уже было ранее показано с помощью гидродинамических моделей (Trusenkova and Ishida, 2005; Yoon et al., 2005).

    Литература

    1.      Дашко Н.А., Варламов С.М. Оценка составляющих суммарного теплообмена поверхности Японского моря по данным судовых гидрометеорологических наблюдений // Труды ДВНИИГМИ. Вып. 150 / ред. Т.М. Журавлева, О.В. Соколов. С.-П.: Гидрометеоиздат. 2002. С. 28-47.

    2.      Михайлова Э.Н., Шапиро Н.Б. Квазиизопикническая слоистая модель крупномасштабной океанической циркуляции // Морской гидрофизический журнал. 1992. № 4. С. 3-12.

    3.      Никитин А.А., Лобанов В.Б., Данченков М.А. Возможные пути переноса теплых субтропических вод в район Дальневосточного морского заповедника // Известия ТИНРО. Т. 131: Условия обитания и биология гидробионтов северо-западной части Японского моря. Владивосток : ТИНРО-центр, 2002. С. 41-53.

    4.      Никитин А.А., Харченко А.М. Типизация и изменчивость термической структуры Японского моря // Известия ТИНРО. Т. 131: Условия обитания и биология гидробионтов северо-западной части Японского моря. Владивосток: ТИНРО-центр, 2002. С. 22-40.

    5.      Юрасов Г.И., Яричин В.Г. Течения Японского моря. Владивосток: ДВО РАН, 1991. 176 с.

    6.      Danchenkov, M.A., Aubrey, D.G. Feldman, K.L. Oceanography of area close to the Tumannaya River mouth (the Sea of Japan) // Pacific Oceanography. 2003. V. 1, No. 1. P. 61-69.

    7.      Danchenkov M.A., Nikitin A.A., Volkov Y.N., Goncharenko I.A. Surface thermal fronts of the Japan Sea // Proc. CREAMS’97 Int. Symp., Fukuoka, Japan, 1997. P. 75-80.

    8.      Lee D.-K., Niiler P.P. The energetic surface circulation patterns of the Japan/East Sea // Deep Sea Research, Part II. 2005. V. 52. P. 1547-1563.

    9.      Lobanov V.B. PICES-IX Japan/East Sea Cruise // PICES Press, 2001. Vol. 9, № 1. Р.31-34.

    10.  Sakaida, F., Kudoh, J., and Kawamura, H. A-HIGHERS - The system to produce the high spatial resolution sea surface temperature maps of the western North Pacific using AVHRR/NOAA // J. Oceanogr. 2000. V. 56. P. 707-716.

    11.  Trusenkova O. Ishida H. Seasonal variation of surface and deep currents in the Japan Sea // J. Hydraulic, Coastal and Environmental Engineering, JSCE. 2005. No. 796/II-72, August. P. 93-111.

    12.  Yoon J.-H., Abe K., Ogata T., Wakamatsu Y. The effects of wind-stress curl on the Japan/East Sea circulation // Deep Sea Research, Part II. 2005. V. 52. P. 1827-1844.