SPATIAL INHOMOGENEITY OF THE TIME VARIABILITY OF THE FIELDS OF MESO-SCALE VORTEX AND THEIR PARAMETERS IN THE AREA OF THE SOUTH POLAR FRONTAL ZONE

Петкилёв П.С.

Аспирант, Балтийский федеральный университет имени И. Канта

ПРОСТРАНСТВЕННАЯ НЕОДНОРОДНОСТЬ ВРЕМЕННОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ ПОЛЕЙ МЕЗОМАСШТАБНЫХ ВИХРЕЙ И ИХ ПАРАМЕТРОВ В РАЙОНЕ ЮЖНОЙ ПОЛЯРНОЙ ФРОНТАЛЬНОЙ ЗОНЫ

Аннотация

Рассмотрена неоднородность временной изменчивости количества наблюдений мезомасштабных вихрей и их параметров в районе Южной полярной фронтальной зоны и в ее секторах – атлантическом, индоокеанском и тихоокеанском. Установлена тесная согласованность динамики количества наблюдений вихрей во всех секторах при существенно различном характере изменчивости соотношения между количеством антициклонов и циклонов. Получено, что направления трендов в динамике значений кинематических параметров вихрей в секторах изучаемого района совпадают при несогласованности автокорреляционных функций этих параметров. С учетом разнонаправленной изменчивости параметров, характеризующих пространственное перемещение вихрей, полученные результаты свидетельствуют о слабой согласованности изменчивости характеристик мезомасштабных вихрей в секторах изучаемого района. 

Ключевые слова: Мезомасштабные вихри, Южная Полярная фронтальная зона, Южный океан, анализ временных рядов, меридиональный водообмен.

Petkilev P.S.

Postgraduate Student, Immanuel Kant Baltic Federal University

SPATIAL INHOMOGENEITY OF THE TIME VARIABILITY OF THE FIELDS OF MESO-SCALE VORTEX AND THEIR PARAMETERS IN THE AREA OF THE SOUTH POLAR FRONTAL ZONE

Abstract

The inhomogeneity of the time variability in the number of observations of meso-scale vortices and their parameters in the region of the South Polar Frontal Zone and in its sectors (the Atlantic, Indian Ocean and Pacific Ocean) is considered in the article. Close consistency of the dynamics of the number of vortex observations in all sectors is established with a significantly different character of the ratio variability between the number of anticyclones and cyclones. It is found that trends in the dynamics of the values of the kinematic parameters of vortices in the sectors of the region under study coincide if the autocorrelation functions of these parameters do not match. Taking into account the multidirectional variability of the parameters characterizing spatial displacement of the vortices, the results obtained indicate that the variability of the characteristics of the meso-scale vortices in the sectors of the region under study is poorly consistent.

Keywords: meso-scale vortices, South Polar frontal zone, Southern Ocean, time series analysis, meridional water exchange.

Южная Полярная фронтальная зона (ЮПФЗ), расположенная в Южном океане и ограниченная с севера Субантарктическим фронтом (САФ), а с юга – Полярным фронтом (ПФ), является циркумполярной границей между Антарктикой и зоной умеренных широт [1, C. 251]. В результате взаимодействия водных масс различного широтного происхождения в ЮПФЗ происходит генерация Антарктической промежуточной водной массы (АПрВ), богатой биогенами и распространяющейся вплоть до тропических широт Северного полушария.

Мезомасштабные вихри – замкнутые круговороты вод с размерами порядка 100 км и временем существования от нескольких недель и более, скорость перемещения которых в пространстве меньше скорости вращения [2], [6, С. 168] – известны как один из важнейших факторов образования АПрВ [3]. Также, район ЮПФЗ характеризуется наибольшими по Мировому океану значениями меридионального водообмена, индуцируемого мезомасштабными вихрями [10, С. 324].

Тем не менее, несмотря на появление в последние годы ряда массивов данных о мезомасштабных вихрях Мирового океана, вопросы временной изменчивости пространственного распределения мезомасштабных вихрей и их параметров в районе ЮПФЗ ранее практически не рассматривались. В известных работах [5], [6], [7], распределение мезомасштабных вихрей рассматривается в статике, при этом район Южного океана рассматривается как единый и региональным особенностям динамики мезомасштабных вихрей в его секторах (атлантическом, индоокеанском, тихоокеанском) уделено недостаточное внимание.

В результате, в настоящей работе рассматривается открытый вопрос о временной изменчивости пространственного распределения мезомасштабных вихрей и их параметров в районе ЮПФЗ в целом и в отдельных ее секторах как ключевой фактор уточнения существующих оценок меридионального водообмена в этом регионе Мирового океана, расчета объемов генерации АПрВ и изучения временной изменчивости этих процессов.

Исходным материалом для настоящего исследования стали данные о пространственно-временной изменчивости мезомасштабных вихрей и их параметров, содержащиеся в массиве Mesoscale eddies in Altimeter Observations of SSH за период 14.10.1992 — 04.04.2012, созданном под руководством Д. Челтона (массив Челтона) [6]. Этот массив основан на автоматическом обнаружении и отслеживании вихрей в сглаженных альтиметрических данных по аномалиям уровня океана на регулярной сетке с шагом 0.25^о с недельной временной дискретностью.

В рамках настоящей работы использовались циркумполярные данные массива Челтона, ограниченные 41^о ю.ш. с севера и 63^о ю.ш. с юга. Выбор границ обусловлен необходимостью включения ЮПФЗ на всем ее циркумполярном протяжении (рис. 1).

Рис. 1 – Пространственное положение САФ и ПФ по данным [8]

 

В массиве Челтона, каждый вихрь характеризуется не менее четырьмя наблюдениями – фиксациями в полях аномалий уровня за соседние даты (вихри с временем существования менее четырех недель в массиве не содержатся) и описывается целым рядом параметров: датой наблюдения, координатами центра вихря (широта и долгота); типом вращения (циклонический или антициклонический); амплитудой (см) – значением экстремума аномалии уровня внутри контура вихря; радиусом (км) – величиной, равной радиусу окружности, площадь которой совпадает с площадью вихря в его границах; скоростью вращения (см/с) – значением средней геострофической скорости, приуроченным к наиболее удаленному контору от центра вихря; временем существования вихря (количеством недель, в течение которых данный вихрь фиксировался в поле аномалий уровня); маркером вихря («-» – наблюдение не является конечным, «+» – наблюдение является конечным).

В дальнейшем на основе этих данных были рассчитаны дополнительные параметры, характеризующие пространственное перемещение мезомасштабных вихрей (для каждого наблюдения вихря): зональное и меридиональное смещения (градусы) – отражают величину смещения вихря по параллели и меридиану соответственно относительно предыдущей точки его фиксации; результирующие зональное и меридиональное смещения (градусы) – характеризуют перемещение вихря по параллели и меридиану соответственно относительно первой точки фиксации с накоплением (сумма зональных/меридиональных смещений вихря за все время его наблюдения); пройденная дистанция (км) – расстояние между двумя последовательными во времени наблюдениями одного вихря; результирующая пройденная дистанция (км) – сумма пройденных вихрем дистанций за каждый шаг наблюдения с момента его первой фиксации; нелинейность (безразмерная) – отношение скорости вращения к скорости перемещения вихря.

Для оценки временной изменчивости полей мезомасштабных вихрей в изучаемом районе были сформированы временные ряды месячной дискретности по количеству наблюдений мезомасштабных вихрей, соотношения (разности) между количеством наблюдений антициклонов и циклонов, а также временные ряды среднемесячных значений параметров мезомасштабных вихрей для изучаемого района в целом, атлантического (в границах 70 з.д. – 20 в.д.), индоокеанского (20 в.д. – 147 в.д.) и тихоокеанского (147 в.д. – 70 з.д.) секторов.

Главными инструментами анализа в настоящей работе стали такие статистические методы, как корреляционный анализ на основе непараметрического коэффициента корреляции Спирмена [4, С. 141], автокорреляционный анализ [4, C. 277], а также анализ периодограмм методом Lomb-Scargle [9, С. 576-577].

Для оценки пространственной неоднородности количества наблюдений мезомасштабных вихрей была рассчитана корреляционная матрица по временным рядам для каждого из секторов и для изучаемого района в целом. Результаты расчетов представлены в Таблице 1 и указывают на тесную прямую линейную взаимосвязь между всеми анализируемыми парами. Данный вывод подтверждается также тесной согласованностью периодограмм и автокорреляционных функций, рассчитанных для каждого из временных рядов.

 

Таблица 1 – Корреляционная матрица (Спирмена) для временных рядов (дискретность – 1 месяц) количества наблюдений мезомасштабных вихрей в изучаемом районе в целом и в отдельных его секторах

Из идентичности периодограмм и автокорреляционных функций, демонстрирующих господство трехмесячной цикличности в изменчивости рассматриваемых временных рядов, очевидна тождественность изменчивости во всех секторах, что говорит о наличии единых крупномасштабных механизмов, определяющих временную изменчивость вихреобразования в изучаемом районе.

Таким образом, несмотря на различия в географическом положении секторов и их площади, имеет место тесная согласованность временной изменчивости количества наблюдений мезомасштабных вихрей в них (в целом, в анализируемый период времени наблюдался отрицательный тренд в изменчивости рассматриваемого параметра).

На основе анализа временных рядов разности между количеством наблюдений антициклонов и циклонов было установлено, что изменчивость данного параметра не согласована по секторам и носит стохастический характер в атлантическом и индоокеанском секторах, а в тихоокеанском секторе, напротив, более упорядочена и характеризуется наличием значимой годовой гармоники, которая проявляется и при анализе временного ряда по изучаемому району в целом (рис. 2). Во всех секторах количественно преобладают циклонические вихри.

Рис. 2 – Автокорреляционная функция для временных рядов по соотношению между количеством наблюдений антициклонов и циклонов (дискретность – 1 месяц) по атлантическому (черная), индоокеанскому (красная) и тихоокеанскому (синяя) секторам. Зелеными линиями выделен 95% доверительный интервал

 

Полученные результаты по анализу параметров мезомасштабных вихрей продемонстрировали весьма слабую согласованность в изменчивости их среднемесячных значений в различных секторах изучаемого района. Несмотря на то, что для ряда кинематических параметров (к которым относятся: время существования вихря, амплитуда, радиус, скорость вращения, скорость перемещения, нелинейность и др.) направления трендов одинаковы во всех секторах (положительный тренд), наблюдаются значительные отличия в их автокорреляционных функциях, что указывает на существенные различия в их изменчивости в зависимости от сектора.

В то же время, параметры, описывающие перемещение вихрей, характеризуются зачастую противоположными долгосрочными тенденциями в изменчивости в различных секторах. К таким параметрам относятся, в частности, результирующее меридиональное и результирующее зональное смещения, для которых характерны несовпадения тенденций по секторам.

В результате, в настоящей работе установлена тождественность изменчивости количества наблюдений вихрей во всех секторах, что свидетельствует о наличии общего механизма вихреобразования, действующего синхронно в масштабах всего изучаемого района. При этом, имеет место несогласованность в изменчивости соотношения между антициклонами и циклонами в секторах изучаемого района, которая свидетельствует о независимости определяющих это соотношение процессов, протекающих в различных секторах изучаемого района. Тихоокеанский сектор, как наименее стохастичный, фактически отражает динамику вихрей в изучаемом районе в целом, что открывает широкие возможность для мониторинга рассматриваемого параметра в масштабах всего района ЮПФЗ на основе лишь одного сектора. Помимо этого, выявлена общая несогласованность изменчивости среднемесячных значений широкого ряда параметров вихрей в секторах изучаемого района.

Таким образом, в районе ЮПФЗ имеет место единство процессов вихреобразования (а именно, его количественного аспекта) по секторам при слабой согласованности изменчивости параметров самих вихрей.

Список литературы / References

1. Грузинов В. М. Гидрология фронтальных зон Мирового океана / В. М. Грузинов. – Л.: Гидрометеоиздат, 1986. – 272 c.
2. Жмур В. В. Мезомасштабные вихри океана / В. В. Жмур. – М.: ГЕОС, 2011. – 190 с.
3. Кошляков М. Н. Перенос воды через Субантарктический фронт и Глобальный океанский конвейер / М. Н. Кошляков, Р.Ю. Тараканов // Океанология. – 2011. – Т. 51. – Вып. 5. – С. 773-787.
4. Малинин В.Н. Статистические методы анализа гидрометеорологической информации / В. Н. Малинин. – СПб.: изд. РГГМУ, 2008. – 408 с.
5. Chelton D. B. Global observations of large oceanic eddies / D. B. Chelton, M. G. Schlax, R. M. Samelson and others // Geophysical Research Letters. – 2007. – Vol. 34(15). – doi:10.1029/2007GL030812.
6. Chelton D. B. Global observations of nonlinear mesoscale eddies / D. B. Chelton, M. G. Schlax, R. M. Samelson // Prog. Oceanogr. – 2011. – Vol. 91. – P. 167–216.
7. Fu L-L. Pattern and velocity of propagation of the global ocean eddy variability / L.-L. Fu // J. Geophys. Res. – 1999. – Vol. 114. – C11017. – doi:10.1029/2009JC005349.
8. Orsi A. H. On the meridional extent and fronts of the Antarctic Circumpolar Current / A. H. Orsi, T. Whitworth III, W. D. Nowlin Jr. // Deep-Sea Research I. – 1995. – Vol. 42. – Р. 641-673.
9. Press W. H. Numerical Recipes in C: The Art of Scientific Computing, Second Edition / W. H. Press, S. A. Teukolsky, W.T. Vetterling, and others// New York: Cambridge University Press, 1992. – 1097 p.
10. Zhang Z. Oceanic mass transport by mesoscale eddies / Z. Zhang, W. Wang, B. Qiu // Science. – 2014. – Vol. 345. – P. 322-324.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Gruzinov V. M. Gidrologiya frontal'nykh zon Mirovogo okeana [Hydrology of frontal zones of the World Ocean] / V. M. Gruzinov // L.: Gidrometeoizdat. – 1986. – 272 p. [in Russian]
2. Zhmur V. V. Mezomasshtabnye vikhri okeana [Mesoscale eddies of the ocean] / V. V. Zhmur // M.: GEOS. – 2011. – 190 p. [in Russian]
3. Koshlyakov M. N. Perenos vody cherez Subantarkticheskij front i Global'nyj okeanskij konvejer [Water transport across Subantarctic front and Global Ocean Conveyer Belt] / M.N. Koshlyakov, R. Yu. Tarakanov // Okeanologiya. – 2011. – Vol. 51(5). – P. 773-787. [in Russian]
4. Malinin V.N. Statisticheskie metody analiza gidrometeorologicheskoj informacii [Statistical methods of hydrometeorological information analysis] / V. N. Malinin. – SPb.: RGGMU. – 2008. – 408 p. [in Russian]
5. Chelton D. B. Global observations of large oceanic eddies / D. B. Chelton, M. G. Schlax, R. M. Samelson and others // Geophysical Research Letters. – 2007. – Vol. 34(15). – doi:10.1029/2007GL030812.
6. Chelton D. B. Global observations of nonlinear mesoscale eddies / D. B. Chelton, M. G. Schlax, R. M. Samelson // Prog. Oceanogr. – 2011. – Vol. 91. – P. 167–216.
7. Fu L-L. Pattern and velocity of propagation of the global ocean eddy variability / L.-L. Fu // J. Geophys. Res. – 1999. – Vol. 114. – C11017. – doi:10.1029/2009JC005349.
8. Orsi A. H. On the meridional extent and fronts of the Antarctic Circumpolar Current / A. H. Orsi, T. Whitworth III, W. D. Nowlin Jr. // Deep-Sea Research I. – 1995. – Vol. 42. – Р. 641-673.
9. Press W. H. Numerical Recipes in C: The Art of Scientific Computing, Second Edition / W. H. Press, S. A. Teukolsky, W.T. Vetterling, and others// New York: Cambridge University Press, 1992. – 1097 p.
10. Zhang Z. Oceanic mass transport by mesoscale eddies / Z. Zhang, W. Wang, B. Qiu // Science. – 2014. – Vol. 345. – P. 322-324.