Preview

Фундаментальная и прикладная гидрофизика

Расширенный поиск

Трансформация мезомасштабных океанических вихрей в филаменты: анализ данных альтиметрии

https://doi.org/10.59887/2073-6673.2024.17(4)-1

Аннотация

Спутниковые данные дистанционного зондирования предоставляют обширный массив оптических, инфракрасных (ИК) и радиолокационных изображений поверхности океана, на которых видны многочисленные вытянутые вихревые структуры — филаменты. Их высокая контрастность на изображениях обусловлена наличием поверхностно-активных пленок и/или скоплений водорослей. Из-за вытянутой формы филаменты трудно отличить от вихрей с помощью автоматизированных методов идентификации. Однако и филаменты, и вихри характеризуются высокой относительной завихренностью и кинетической энергией. Трансформация вихрей в филаменты обусловлена взаимодействием с неоднородными фоновыми течениями. В данном исследовании применяется теоретическая модель растяжения мезомасштабных океанических вихрей к реальным данным альтиметрии. Цель исследования — оценить долю мезомасштабных вихрей, претерпевающих растяжение и трансформирующихся в филаменты, что приводит к перераспределению энергии с мезомасштаба на субмезомасштаб. Оценивается глобальное пространственное распределение областей с неограниченным и ограниченным растяжением мезомасштабных вихрей и интерпретируются полученные результаты. Уменьшение энергии вихрей за счет растяжения, вызванного фоновым потоком, рассматривается как потенциальный механизм передачи энергии от вихря к потоку, что может проявляться в виде эффекта отрицательной вязкости.

Об авторах

В. В. Жмур
Санкт-Петербургский государственный университет; Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН; Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)
Россия

199034, Университетская наб., д. 7–9, г. Санкт-Петербург

117997, Нахимовский проспект, д. 36, г. Москва

141701, Институтский пер., 9, г. Долгопрудный, Московская область



Т. В. Белоненко
Санкт-Петербургский государственный университет
Россия

199034, Университетская наб., д. 7–9, г. Санкт-Петербург



Е. В. Новоселова
Санкт-Петербургский государственный университет; Научный фонд «Международный центр по окружающей среде и дистанционному зондированию имени Нансена»
Россия

199034, Университетская наб., д. 7–9, г. Санкт-Петербург

199034, 14 линия В.О., д. 7, г. Санкт-Петербург



Б. П. Суетин
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)
Россия

141701, Институтский пер., 9, г. Долгопрудный, Московская область



Список литературы

1. Chelton D.B., Schlax M.G., Samelson R.M. Global observations of nonlinear mesoscale eddies. Progress in Oceanography. 2011;91:167–216. doi:10.1016/j.pocean.2011.01.002

2. Wood R.A. Mesoscale/Synoptic Coherent structures in Geophysical Turbulence. Editors: B.M. Jamart, J.C.J. Nihoul. 1989;50:265, 9780444874702

3. Nencioli F., Dong C., Dickey T.D., Washburn L., McWilliams J.C. A vector geometry based eddy detection algorithm and its application to a high-resolution numerical model product and high-frequency radar surface velocities in the Southern California Bight. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 2010;27(3):564–579. doi:10.1175/2009jtecho725.1

4. Gurova E.S., Ivanov A. Yu. Appearance of Sea Surface Signatures and Current Features in the South-East Baltic Sea on the MODIS and SAR images. Sovremennye Problemy Distantsionnogo Zondirovaniya Zemli iz Kosmosa. 2011;4:41–54 (In Russ.).

5. Zhmur V.V., Belonenko T.V., Novoselova E.V., Suetin B.P. Conditions for Transformation of a Mesoscale Vortex into a Submesoscale Vortex Filament When the Vortex Is Stretched by an Inhomogeneous Barotropic Flow. Oceanology. 2023;63(2):174–183. doi:10.1134/S0001437023020145

6. Zhmur V.V., Belonenko T.V., Travkin V.S. et al. Changes in the Available Potential and Kinetic Energy of Mesoscale Vortices When They Are Stretched into Filaments. Journal of Marine Science and Engineering. 2023;11:1131. doi:10.3390/jmse11061131

7. Belonenko T.V., Zinchenko V.A., Fedorov A.M. et al. Interaction of the Lofoten Vortex with a satellite cyclone. Pure and Applied Geophysics. 2021;178:287–300. doi:10.1007/s00024-020-02647-1

8. Batchelor G.K. An Introduction to Fluid Dynamics. Cambridge at the University Press; 1970. 778 p.

9. McDowell S.E., Rossby H.T. Mediterranean Water: An Intense Mesoscale Eddy off the Bahamas. Science. 1978;202(4372): 1085–1087. doi:10.1126/science.202.4372.1085

10. Carton X. Hydrodynamical Modeling Of Oceanic Vortices. Surveys in Geophysics. 2001;22:179–263. doi:10.1023/A:1013779219578

11. Fer I., Bosse A., Ferron B., Bouruet-Aubertot P. The dissipation of kinetic energy in the Lofoten Basin Eddy. The Journal of Physical Oceanography. 2018;48(6):1299–1316. doi:10.1175/JPO-D-17–0244.1

12. Zhmur V.V., Novoselova E.V., Belonenko T.V. Peculiarities of Formation the of Density Field in Mesoscale Eddies of the Lofoten Basin: Part 2. Oceanology. 2022;62(3):289–302. doi:10.1134/S0001437022030171

13. Chaplygin S.A. On a pulsating cylindrical vortex. Trans. Phys. Sect. Imperial Moscow Soc. Friends of Natural Sciences. 1899;10(1):13–22.

14. Chaplygin S.A. Collected Works, Vol. 2. Moscow, Leningrad: Gostekhizdat; 1948:643 p. (in Russ.).

15. Kida S. Motion of an Elliptic Vortex in a Uniform Shear Flow. Journal of the Physical Society of Japan. 1981;50(10):3517–3520. doi:10.1143/JPSJ.50.3517

16. Polvani L.M., Flierl G.R. Generalized Kirchhoff vortices. Physics Fluids. 1986;29:2376–2379. doi:10.1063/1.865530

17. McKiver W.J., Dritschel G.G. Balanced solutions for an ellipsoidal vortex in a rotating stratified flow. Journal of Fluid Mechanics. 2016;802:333–358. doi:10.1017/jfm.2016.462

18. Zhmur V.V. Mesoscale Ocean Eddies. Moscow: GEOS; 2011. 289 p. (in Russ.).

19. Zhmur V.V., Novoselova E.V., Belonenko T.V. Peculiarities of formation of the density field in mesoscale eddies of the Lofoten Basin: Part 1. Oceanology. 2021;61(6):830–838. doi:10.1134/S0001437021060333

20. Zhmur V.V., Novoselova E.V., Belonenko T.V. Potential Vorticity in the Ocean: Ertel and Rossby Approaches with Estimates for the Lofoten Vortex. Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2021;57(6):632–641. doi:10.1134/S0001433821050157

21. Meacham S.P. Quasigeostrophical ellipsoidal vortices in stratified fluid. Dynamics of Atmospheres and Oceans. 1992;16(3–4):189–223.

22. Meacham S.P., Pankratov K.K., Shchepetkin A.F., Zhmur V.V. The interaction of ellipsoidal vortices with background shear flows in a stratified fluid. Dynamics of Atmospheres and Oceans. 1994;21(2–3):167–212. doi:10.1016/0377-0265(94)90008-6

23. Zhmur V.V., Harutyunyan D.A. Redistribution of Energy during Horizontal Stretching of Ocean Vortices by Barotropic Currents. Oceanology. 2023;63:1–16. doi: P10.1134/S0001437023010186

24. Zhmur V.V., Travkin V.S., Belonenko T.V., Arutyunyan D.A. Transformation of Kinetic and Potential Energy during Elongation of a Mesoscale Vortex. Physical Oceanography. 2022;29(5):449–462. doi:10.22449/1573-160X-2022-5-449-462

25. McKiver W.J., Dritschel D.G. The motion of a fluid ellipsoid in a general linear background flow. Journal of Fluid Mechanics. 2003;474:147–173. doi:10.1017/S0022112002002859

26. McKiver W.J., Dritschel D.G. The stability of a quasi-geostrophic ellipsoidal vortex in a background shear flow. Journal of Fluid Mechanics. 2006;560:1–17. doi:10.1017/S0022112006000462

27. Dritschel D.G., Reinaud J.N., McKiver W.J. The quasi-geostrophic ellipsoidal vortex model. Journal of Fluid Mechanics. 2004;505:201–223. doi:10.1017/s0022112004008377

28. Reinaud J.N., Dritschel D.G. The merger of vertically offset quasi-geostrophic vortices, Journal of Fluid Mechanics. 2002;469:287–315. doi:10.1017/s0022112002001854

29. Starr V.P. Physics of Negative Viscosity Phenomena. McGraw-Hill. 1968; 256 p.

30. Volkov D.L., Belonenko T.V., Foux V.R. Puzzling over the dynamics of the Lofoten Basin — a sub-Arctic hot spot of ocean variability. Geophysical Research Letters. 2013; 40(4):738–743. doi:10.1002/grl.50126

31. Zhmur V.V., Belonenko T.V., Novoselova E.V., Suetin B.P. Direct and Inverse Energy Cascades in the Ocean during Vortex Elongation. Doklady Earth Sciences. 2023;508(2): 233–236. doi:10.1134/S1028334X22601675

32. Zhmur V.V., Belonenko T.V., Novoselova E.V., Suetin B.P. Application to the World Ocean of the Theory of Transformation of a Mesoscale Vortex into a Submesoscale Vortex Filament When the Vortex Is Elongated by an Inhomogeneous Barotropic Flow. Oceanology. 2023;63(2):184–194. doi:10.1134/S0001437023020157

33. Zinchenko V.A., Gordeeva S.M., Sobko Yu.V., Belonenko T.V. Analysis of Mesoscale eddies in the Lofoten Basin based on satellite altimetry. Fundamental and Applied Hydrophysics. 2019;12(3):46–54. doi:10.7868/S2073667319030067

34. Fedorov A.M., Belonenko T.V. Interaction of mesoscale vortices in the Lofoten Basin based on the GLORYS database. Russian Journal of Earth Sciences. 2020;20: ES2002. doi:10.2205/2020ES000694

35. Raj R.P., Halo I., Chatterjee S., Belonenko T., Bakhoday-Paskyabi M., Bashmachnikov I., Fedorov A., Xie J. Interaction between mesoscale eddies and the gyre circulation in the Lofoten Basin. Journal of Geophysical Research: Oceans. 2020;125(7): e2020JC016102. doi:10.1029/2020JC016102

36. Le Traon P.Y., Reppucci A., Alvarez Fanjul E., et al. From observation to information and users: The Copernicus Marine Service perspective. Frontiers in Marine Science. 2019;6: 234. doi:10.3389/fmars.2019.00234

37. Pujol M.-I., Faugère Y., Taburet G., Dupuy S., Pelloquin C., Ablain M., Picot N. DUACS DT2014: the new multi-mission altimeter data set reprocessed over 20years. Ocean Science. 2016;12(5):1067–1090. doi:10.5194/os-12-1067-2016

38. Volkov D.L., Kubryakov A., Lumpkin R. Formation and variability of the Lofoten Basin vortex in a high-resolution ocean model. Deep Sea Research. Part I. 2015;105:142–157. doi:10.1016/j.dsr.2015.09.001

39. Gaube P., McGillicuddy Jr.D.J., Moulin A.J. Mesoscale eddies modulate mixed layer depth globally. Geophysical Research Letters. 2019;46:1505–1512. doi: 10.1029/2018GL080006

40. Gordeeva S., Zinchenko V., Koldunov A., Raj R.P., Belonenko T. Statistical analysis of long-lived mesoscale eddies in the Lofoten Basin from satellite altimetry. Advances in Space Research. 2021;68(2):364–377. doi:10.1016/j.asr.2020.05.043

41. Sandalyuk N.V., Belonenko T.V. Three-Dimensional Structure of the mesoscale eddies in the Agulhas Current region from hydrological and altimetry data. Russian Journal of Earth Sciences. 2021;21: ES4005. doi:10.2205/2021ES000764

42. Sandalyuk N.V., Bosse A., Belonenko T.V. The 3-D structure of mesoscale eddies in the Lofoten Basin of the Norwegian Sea: A composite analysis from altimetry and in situ data. Journal of Geophysical Research: Oceans. 2020;125: e2020JC016331

43. Yu L.-S., Bosse A., Fer I., Orvik K.A., Bruvik E.M., Hessevik I., Kvalsund K. The Lofoten Basin eddy: Three years of evolution as observed by Seagliders. Journal of Geophysical Research: Oceans. 2017;122:6814–6834. doi:10.1002/2017JC012982

44. Rossby T., Ozhigin V., Ivshin V., Bacon S. An isopycnal view of the Nordic seas hydrography with focus on properties of the Lofoten Basin. Deep Sea Research. Part I. 2009;56(11):1955–1971. doi:10.1016/j.dsr.2009.07.005

45. Andersson M., LaCasce J.H., Koszalka I., Orvik K.A., Mauritzen C. Variability of the Norwegian Atlantic Current and associated eddy field from surface drifters. Journal of Geophysical Research: Oceans. 2011;116: C08032. doi:10.1029/2011JC007078

46. Koszalka I., LaCasce J.H., Andersson M.K., Orvik A., Mauritzen C. Surface circulation in the Nordic seas from clustered drifters. Deep Sea Research. Part I. 2011;58:468–485. doi:10.1016/j.dsr.2011.01.007

47. Søiland H., Rossby T. On the structure of the Lofoten Basin Eddy. Journal of Geophysical Research: Oceans. 2013;118:4201–4212. doi:10.1002/jgrc.20301

48. Belonenko T.V., Koldunov A.V., Sentyabov E.V., Karsakov A.L. Thermohaline structure of the Lofoten vortex in the Norwegian Sea based on in-situ and model data. Vestn. S.-Peterb. Univ., Nauki Zemle. 2018; 63(4): 502–519. doi:10.21638/spbu07.2018.406

49. Bosse A., Fer I., Søiland H., Rossby T. Atlantic water transformation along its poleward pathway across the Nordic Seas. Journal of Geophysical Research: Oceans. 2018;123: 6428–6448. doi:10.1029/2018JC014147

50. Travkin V.S., Belonenko T.V. Seasonal variability of mesoscale eddies of the Lofoten Basin using satellite and model data. Russian Journal of Earth Sciences. 2019;19: ES5004. doi:10.2205/2019ES000676

51. Raj R.P., Chafik L., Even J., Nilsen O., Eldevik T., Halo I. The Lofoten vortex of the Nordic seas. Deep Sea Research. Part I. 2015;96:1–14. doi:10.1016/j.dsr.2014.10.011

52. Raj R.P., Johannessen J.A., Eldevik T., Nilsen J.E.O., Halo I. Quantifying mesoscale eddies in the Lofoten Basin. Journal of Geophysical Research. 2016;121:4503–4521. doi:10.1002/2016JC01163.7

53. Köhl A. Generation and stability of a quasi-permanent vortex in the Lofoten Basin. Journal of Physical Oceanography. 2007;37(11):2637–2651. doi:10.1175/2007jpo3694.1

54. Belonenko T.V., Volkov D.L., Ozhigin V.K., Norden Yu.E. Water circulation in the Lofoten Basin of the Norwegian Sea. Vestn. S.-Peterb. Univ., Ser. 7: Geol., Geogr. 2014;2:108–121 (In Russ.).

55. Bashmachnikov I.L., Belonenko T.V., Kuibin P.A. Application of the theory of columnar Q-vortices with helical structure for the Lofoten vortex in the Norwegian Sea. Vestn. S.-Peterb. Univ., Nauki Zemle. 2017;62(3):221–336. doi:10.21638/11701/spbu07.2017.301

56. Bashmachnikov I.L., Fedorov A.M., Vesman A.V., Belonenko T.V., Dukhovskoy D.S.. Thermohaline convection in the subpolar seas of the North Atlantic from satellite and in situ observations. Part 2: Indices of intensity of deep convection. Sovremennye Problemy Distantsionnogo Zondirovaniya Zemli iz Kosmosa. 2019;16(1):191–201. doi:10.21046/2070-7401-2019-16-1-191-201

57. Bashmachnikov I.L., Fedorov A.M., Vesman A.V., Belonenko T.V., D.S. Dukhovskoy. Thermohaline convection in the subpolar seas of the North Atlantic from satellite and in situ observations. Part 1: Localization of the deep convection sites. Sovremennye Problemy Distantsionnogo Zondirovaniya Zemli iz Kosmosa. 2018;15(7):184–194. doi:10.21046/2070-7401-2018-15-7-184-194

58. Bashmachnikov I.L., Sokolovskiy M.A., Belonenko T.V., Volkov D.L., Isachsen P.E., Carton X. On the vertical structure and stability of the Lofoten Vortex in the Norwegian Sea. Deep Sea Research. Part I. 2017;128;1–27. doi:10.1016/j.dsr.2017.08.001

59. Okubo A. Horizontal dispersion of floatable particles in the vicinity of velocity singularities such as convergences. Deep Sea Research and Oceanographic Abstracts 1970;17:445–454. doi:10.1016/0011-7471(70)90059-8

60. Weiss J. The dynamics of enstrophy transfer in two dimensional hydrodynamics. Physica D. 1991;48(2–3):273–294. doi:10.1016/0167-2789(91)90088-q

61. Travkin V.S., Belonenko T.V., Budyansky M.V., Prants S.V., Uleysky M.Y., Gnevyshev V.G., et al. Quasi-Permanent Mushroom-like Dipole in the Lofoten Basin. Pure and Applied Geophysics. 2022;179(1):465–482. doi:10.1007/s00024-021-02922-9

62. Griffiths R.W., Hopfinger E.J. Coalescing of geostrophic vortices. Journal of Fluid Mechanics. 1987;178:73–97. doi:10.1017/S0022112087001125

63. Kirchhoff G. Vorlesungen über matematische Physic: Mechanik. Leipzig: Teubner; 1876. 489 p.


Рецензия

Для цитирования:


Жмур В.В., Белоненко Т.В., Новоселова Е.В., Суетин Б.П. Трансформация мезомасштабных океанических вихрей в филаменты: анализ данных альтиметрии. Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2024;17(4):8-31. https://doi.org/10.59887/2073-6673.2024.17(4)-1

For citation:


Zhmur V.V., Belonenko T.V., Novoselova E.V., Suetin B.P. Evolution of mesoscale vortices in the ocean into filaments inferred from altimeter data. Fundamental and Applied Hydrophysics. 2024;17(4):8-31. https://doi.org/10.59887/2073-6673.2024.17(4)-1

Просмотров: 188


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2073-6673 (Print)
ISSN 2782-5221 (Online)