О нелинейной динамике линз средиземноморской воды «медди»

Линзы средиземноморской воды, также известные как «медди», хорошо различимы в воде Атлантического океана. Полевые наблюдения, посвященные изучению «медди», представлены в многочисленных публикациях и предоставляют информацию об их происхождении, распределении, пространственных масштабах и динамической активности во времени. Солевые пальцы и двойная диффузия на верхних и нижних границах «медди» могут рассматриваться как единственные механизмы, вызывающие исчезновение «медди», как мезомасштабные термально-соленые неоднородности в окружающих водах Атлантического океана. Принимая во внимание реалистичные масштабы «медди», показано, что во временных масштабах около или менее года масса воды «медди» может считаться неизменной. Отсюда следует, что на временных масштабах менее или порядка года для «медди» справедлив закон сохранения их полной массы.
Анализ временной изменчивости «медди» проводится с использованием теоретического подхода для интрузионной линзы в стратифицированной жидкости, расширенного учётом силы Кориолиса. Центр тяжести рассматриваемых «медди» находится на уровне равной плотности. Временная изменчивость возникает из-за результирующего воздействия набора сил: избыточного давления, возникающего из-за разницы в плотности воды внутри линз средиземноморской воды и плотности окружающей среды; сил, возникающих как из-за вращения линзы (центробежная сила), так и вращения Земли (сила Кориолиса); сил, вызванных излучением внутренней волны и действием вязкости. Временная изменчивость линз средиземноморской воды состоит из двух основных этапов:
1) начальная, невязкая стадия («молодая линза»), когда баланс сил формируется силами инерции, избыточного давления, центробежной силы, силы Кориолиса и силы волнового сопротивления, вызванного излучением внутренней волны; сила Кориолиса является ключевым фактором, поддерживающим и сохраняющим компактность антициклонических линз средиземноморской воды, «медди»; она предотвращает разрушение линз средиземноморской воды, ограничивает их геометрические размеры, влияет на изменение угловой скорости линзы. Циклонические линзы средиземноморской воды дестабилизируются силой Кориолиса, их толщина уменьшается со временем, и при определенных условиях линзы средиземноморской воды могут исчезнуть как аномалии плотности уже на этой стадии;
2) стадия вязкости («старая линза») характеризуется медленным уменьшением толщины линз средиземноморской воды до ее предельного значения, которое определяется начальной толщиной и начальной стратификацией линз средиземноморской воды, а также стратификацией окружающей среды; в течение последнего периода вязкой стадии обмен теплом и соленостью с окружающей водной массой может, на характерных временных масштабах около года, существенно влиять на вырождение линз средиземноморской воды как аномалии плотности; на этой стадии антициклонические линзы средиземноморской воды, «медди», продолжают иметь антициклоническое вращение.

1. Yan Xiao-Hai, Young-Heon Jo, W. Timothy Liu, Ming-Xia He. A New Study of the Mediterranean Outflow, Air–Sea Interactions, and Meddies Using Multisensor Data // Journal of Physical Oceanography. 2006. V. 36, N 4. P. 691–710.

2. Bryden H.L., Candela J.C., Kinder T.H. Exchange through the Strait of Gibraltar // Progress in Oceanography. 1994. V. 33. Pergamon. P. 201–248.

3. Candela J.C. Mediterranean Water and Global Circulation. Ocean Circulation and Climate: Observing and Modelling the Global Ocean / Eds. G. Siedler, J. Church, and J. Gould, Academic Press, 2001. P. 419–429.

4. Jia Yanli, Andrew C. Coward, Beverly A. De Cuevas, David J. Webb, Sybren S. Drijfhout. A Model Analysis of the Behavior of the Mediterranean Water in the North Atlantic // Journal of Physical Oceanography. 2007. V. 37, N 3. P. 764–786.

5. Bower A.S., Serra N., Ambar I. Structure of the Mediterranean Undercurrent and Mediterranean Water spreading around the southwestern Iberian Peninsula // Journal of Geophysical Research. 2002. 107 (C10). P. 3161.

6. Richardson P.L., Bower A.S., Zenk W. A census of meddies tracked by floats // Progress in Oceanography. 2000. V. 45. P. 209–250.

7. Филюшкин Б.Н., Плахин Е.А. Экспериментальные исследования начальной стадии формирования линзы средиземноморской воды // Океанология. 1995. Т. 35, № 6. С. 875–882.

8. Serra N., Ambar I., Kaase R.H. Observations and numerical modeling of the Mediterranean outflow splitting and eddy generation // Deep Sea Res. 2005. II. 52. P. 383–408.

9. McDowell S.E., Rossby H.T. Mediterranean Water: An Intense Mesoscale Eddy off the Bahamas // Science. 1978. V. 202. 4372. P. 1085–1087.

10. Dugan J.P., Mied R.P., Mignerey P.C., Schuetz A.P. Compact, Intrathermocline Eddies in the Sargasso Sea // Journal of Geophysical Research. 1982. N 1C. P. 385–393.

11. Armi L., Zenk W. Large Lenses of Highly Saline Mediterranean Water // Journal of Physical Oceanography. 1984. V. 14, № 10. P. 1560–1576.

12. Richardson P.L., Walsh D., Armi L., Schröder M., Price J.F. Tracking three Meddies with SOFAR floats // Journal of Physical Oceanography. 1989. V. 19. P. 371–383.

13. Richardson P.L., McCartney M.S., Maillard C. A search for Meddies in historical data // Dynamics of Atmospheres and Oceans. 1991. V. 15. P. 241–265.

14. Käse R.H., Zenk W. Structure of the Mediterranean Water and Meddy characteristics in the northeastern Atlantic / W. Krauss, Warmwatersphere of the North Atlantic Ocean Berlin, Gebrüder Borntraeger, 1996. P. 365–395.

15. Richardson P.L., Tychensky A. Meddy trajectories in the Canary Basin measured during the Semaphore Experiment, 1993–1995 // Journal of Geophysical Research. 1998. V. 103. P. 25029–25045.

16. Paillet Jerome, B. Le Cann, Xavier Carton, Yves Morel, Alain Serpette. Dynamics and Evolution of a Northern Meddy // Journal of Physical Oceanography. 2002. V. 32, N 1. P. 55–79.

17. Bower A.S., Armi L., Ambar I. Lagrangian Observations of Meddy Formation During a Mediterranean Undercurrent Seeding Experiment // Journal of Physical Oceanography. 1997. V. 27. P. 2545–2575.

18. Федоров К.Н. Введение. Внутритермоклинные вихри — специфический тип океанских вихрей с ядром // Внутритермоклинные вихри в океане / Под ред. К.Н. Федорова. М.: Институт Океанологии АН СССР, 1986. С. 5–7.

19. Voropayev S.I., Afanasyev Y.D. Vortex Structures in a Stratified Fluid: Order from Chaos. Chapman and Hall, 1994. 230 p.

20. Afanasyev Y.D. Formation of vortex dipoles // Physics of Fluids. 2006. V. 18, 037103. P. 1–9.

21. Benilov A., Safray A., Filyushkin B., Kojelupova N. On Meddy Nonlinear Dynamics // 37th Annual Mid-Atlantic Bight Physical Oceanography and Meteorology / Stevens Institute of Technology. Hoboken, NJ. 2010. P. 20–21.

22. Зацепин А.Г. О коллапсе стратифицированных областей // ДАН. 1982. Т. 265, № 2. С. 460–463.

23. Afanasyev Y.D., Filippov I.A. Generation of intermediate water vortices in a rotating stratified fluid: Laboratory model // Journal of Geophysical Research. 1996. V. 101, N C8. P. 18,167–18,174.

24. Hedstrom K., Armi L. An Experimental Study of Homogeneous Lenses in a stratified rotating fluid // J. Fl. Mech. 1988. V. 191. P. 535–556.

25. Chushman-Roisin B. Linear Stability of Large, Elliptical Warm-Core Rings // Journal of Physical Oceanography. 1986. V. 16. P. 1158–1164.

26. Bashmachnikov I., Machin F., Mendonca A., Martins A. In situ and remote sensing signature of meddies east of the midAtlantic ridge // Journal of Geophysical Research. 2009. V. 114. P. C05018. doi: 10.1029/2008JC005032

27. Armi L., Hebert D., Oakey N., Price J., Richardson P., Rossby H., Ruddick B. Two years in the life of a Mediterranean salt lens // Journal of Physical Oceanography. 1989. V. 19. N 3. P. 354–370.

28. Schultz Tokos K., Rossby H.T. Kinematics and dynamics of a Mediterranean salt lens // Journal of Physical Oceanography. 1991. V. 21. P. 879–892.

29. Pingree R.D., LeCann B. A shallow Meddy (a Smeddy) from the secondary Mediterranean salinity maximum // Journal of Geophysical Research. 1993. V. 98. P. 20169–20185.

30. Pingree R.D., LeCann B. Structure of a Meddy (Bobby 92) southeast of the Azores // Deep-Sea Research I. 1993. V. 40. P. 2077–2103.

31. Prater M.D., Sanford T.B. A Meddy off Cape St. Vincent. Part I: description // Journal of Physical Oceanography. 1994. V. 24. P. 1572–1586.

32. Tychensky A., Carton X. Hydrological and dynamical characterization of Meddies in the Azores region: a paradigm for baroclinic vortex dynamics // Journal of Geophysical Research. 1998. V. 103. P. 25061–25079.

33. Stammer D., Hinrichsen H.-H., Käse R.H. Can Meddies be detected by satellite altimetry? // Journal of Geophysical Research. 1991. V. 96. P. 7005–7014.

34. Ruddick B. Intrusive mixing in a Mediterranean salt lens — intrusion slopes and dynamical mechanisms // Journal of Physical Oceanography. 1992. V. 22. P. 1274–1285.

35. Nandi P., Holbrook S., Pearse S., Paramo P., Schmitt R. Seismic reflection imaging of water mass boundaries in the Norwegian Sea // Geophys. Res. Lett. 2004. V. 31, L23311. doi: 10.1029/2004GL021325

36. Nakamura Y., Noguchi T., Tsuji T., Itoh S., Niino H., Matsuoka T. Simultaneous seismic reflection and physical oceanographic observations of oceanic fine structure in the Kuroshio extension front // Geophys. Res. Lett. 2006. V. 33, L23605. doi: 10.1029/2006GL027437

37. Biescas B., Sallarès V., Pelegrì J.L., Machín F., Carbonell R., Buffett G., Dañobeitia J.J., Calahorrano A. Imaging meddy fine structure using multichannel seismic data // Geophys. Res. Lett. 2008. V. 35, L11609. doi: 10.1029/2008GL033971

38. Ruddick B., Song H., Dong C., Pinheiro L. Water column seismic images as maps of temperature gradient // Oceanography. 2009. V. 22. P. 192–205.

39. Buffett G.G., Biescas B., Pelegri J.L., Machin F., Sallares V., Carbonell R., Klaeschen D., Hobbs R.W. Seismic reflection along the path of the Mediterranean Undercurrent // Cont. Shelf Res. 2009. V. 29. P. 1848–1860.

40. Buffett G.G., Hurich C.A., Vsemirnova E.A., Hobbs R.W., Sallares V., Carbonell R., Klaeschen D., Biescas B. Stochastic Heterogeneity Mapping Around а Mediterranean Salt Lens // Ocean Sci. 2010. V. 6. P. 423–429.

41. Филюшкин Б.Н. Исследование внутритермоклинных линз средиземноморского происхождения (16 рейс нис «Витязь». 3 июня — 16 сентября 1988 г.) // Океанология. 1989. Т. 29, № 4. С. 296–298.

42. Максименко Н.А. Сравнительный анализ течений и полей плотности морской воды в средиземноморских линзах по данным «Мезополигона» // Гидрофизические исследования по программе «Мезополигон». М.: Наука, 1988. С. 69–76.

43. Филюшкин Б.Н., Демидов Д.Л., Сарафанов А.А., Кожелупова Н.Г. Особенности формирования и распространения средиземноморской водной массы на промежуточных глубинах Атлантического океана // Водные массы океанов и морей. М.: Макс пресс, 2007. С. 92–129.

44. Иванов Ю.А., Корт В.Г., Шаповалов С.М., Щербинин А.Д. Мезомасштабные интрузионные линзы // Гидрофизические исследования по программе «Мезополигон». М.: Наука, 1988. С. 41–46.

45. Kostianoy A.G., Belkin G.M. A survey of observations on intrathermocline eddies in the world ocean. // Mesoscale/synoptic coherent structure in geophysical turbulence. Proc. of the 20-th Int. Liege Colloq. on ocean hydrodynamic. / Ed. J.C.J. Nihoul, B.M. Jamaat. Elsevier. 1989. P. 821–841.

46. Richardson P.L., Bower A.S., Zenk W. Summary of Meddies Tracked by Floats // International WOCE Newsletter. 1999. N 34. P. 18–20.

47. Алейник Д.А., Плахин Е.А., Филюшкин Б.Н. К механизму формирования внутритермоклинных линз в районе каньонов континентального склона Кадисского залива // Океанология. 1998. Т. 38. № 5. С. 645–653.

48. Дыхно Л.А., Морозов Е.Г., Никитин С.В. и др. О разрушении линзы средиземноморской воды при взаимодействии с рельефом дна // Океанология. 1991. Т. 31, № 1. С. 55–61.

49. Шапиро Г.И., Мещанов С.Л., Емельянов М.В. Линза средиземноморских вод после столкновения с подводными горами // Океанология. 1992. Т. 32, № 3. С. 420–427.

50. Алейник Д.Л. Структура и динамика средиземноморской линзы и Азорской фронтальной зоны осенью 1993 г. // Океанология 1998. Т. 38, № 3. С. 349–360.

51. Филюшкин Б.Н., Алейник Д.Л., Грузинов В.И., Кожелупова Н.Г. Динамическое разрушение средиземноморских линз в Атлантическом океане // ДАН. 2002. Т. 387, № 4. С. 545–548.

52. Шапиро Г.И. Динамика изолированного внутритермоклинного вихря // Океанология. 1986. Т. 26, № 1. С. 21–27.

53. Ruddick B.R. Anticyclonic lenses in large scale strain and shear // Journal of Physical Oceanography. 1987. V. 17. P. 741–749.

54. Бенилов А.Ю., Гаврилин В.Л. Островки турбулентности в океанском пикноклине // Океанология. 1988. Т. 28, № 6. С. 700–705.

55. Бенилов А.Ю. О разрушении перемешанных областей в океанском пикноклине // Океанология. 1989. Т. 29, № 1. С. 33–39.

56. Benilov A.Y. Some Problems of Nonequilibrium Turbulence in the Nonsteady Turbulent Boundary Layers of the Ocean and Atmosphere // The Office of Naval Research, State-of-the-Art Workshop on Nonequilibrium Turbulence, March 10–12, 1993. Arizona State University, Tempe, Arizona. 1993. 85287–6106. P. 92–93.

57. Лавровский Э.К., Семенова И.П., Слезкин Л.Н., Фомин В.В. Средиземноморские линзы — жидкие гироскопы в океане // ДАН. 2000. Т. 375, № 1. С. 42–45.

58. Sokolovskiy M.A., Filyushkin B.N., Xavier J. Carton. Dynamics of intrathermocline vortices in a gyre flow over a seamount chain // Ocean Dynamics. Springer, 2013. P. 3–22. doi: 10.1007/s10236–013–0628-y

59. Островский А.Г., Питербарг Л.И. Авторегрессионная модель поля аномалий температуры на поверхности моря // Океанология. 1985. Т. 25, № 3. С. 333–334.

60. Maas L.R.M., Zahariev K. An exact, stratified model of a meddy // Dyn. Atm. and Oceans. 1996. V. 24. Iss. 1–4. P. 215–225.

61. Monin A.S., Ozmidov R.V. Turbulence in the Ocean // D. Reidel Publishing Company. 1985, 250 p.

62. Barenblatt G.I. Scaling, Self-similarity, and Intermediate Asymptotics // Cambridge University Press, 1996, 386 p.