Исследование вихревой динамики и течений в районе Большой Ньюфаундлендской банки на основе лагранжева моделирования

Районом исследования является Ньюфаундлендская котловина в районе склона Большой Ньюфаундлендской банки. В данном районе происходит активное взаимодействие теплых вод Гольфстрима, его продолжения – Северо-Атлантического течения (САТ), распространяющихся на северо-восток, и холодных вод Лабрадорского течения, текущих на юг. Интенсивные разнонаправленные потоки течений в регионе, скорости которых составляют от десятков до ста см/с в САТ, выраженность фронтальных разделов и сложный характер топографии формируют условия для повышенной вихревой активности (Reverdin et al., 2003, Volkov, 2005). Взаимодействие вихрей и течений в регионе является одним из важных механизмов модулирования меридионального потока тепла в Атлантическом океане. Мезомасштабные вихри вносят вклад в средний по времени перенос тепла, за счёт чего влияют на глобальный климат. Они также способны ослаблять или усиливать расход западных пограничных течений и обмениваться кинетической энергией со средним потоком. Однако для корректной оценки количественного вклада вихрей в изменчивость океанической циркуляции необходимо уметь разделять мезомасштабные вихри и среднее течение, что пока является нерешённой задачей в океанологии.
В настоящей работе предлагается методика разделения среднего течения и вихрей, базирующаяся на совместном анализе карт двух лагранжевых индикаторов: Angle (угол поворота вектора скорости пассивных маркеров, накопленный за время моделирования) и D (расстояние между начальным и конечным положением маркеров, т.е. их смещение): Lagrangian Angle-D-map Algorithm (LADA). Для проведения лагранжева анализа исследуемая область 42°–52° с.ш., 33°–46° в.д. ежесуточно засеивалась на равномерной сетке 401×401 узлов пятном пассивных маркеров в эйлеровом поле скорости, перемещение маркеров отслеживалось путем решения уравнений адвекции. Движение маркеров отслеживалось вперед и назад во времени, что позволило учесть характеристики их перемещения как до, так и после исследуемого момента времени. Таким образом, лагранжевы индикаторы Angle и D представляют собой накопленные значения характеристик траекторий маркеров за 30-суточный период (15 дней от центральной даты вперед и назад во времени).
Для анализа океанической циркуляции в работе используются геострофические скорости по данным спутниковой альтиметрии AVISO, предоставляемые Copernicus Marine Environment Monitoring Service (CMEMS, http://marine.copernicus.eu), с пространственным разрешением 1/8° по широте и по долготе. В работе анализируются данные с 2010 по 2024 гг. В качестве вспомогательного использовался разработанный в ТОИ ДВО РАН алгоритм автоматической идентификации вихрей HEPTA (Hyperbolic and Elliptic Points Tracking Algorithm) (Udalov & Uleysky, 2025), который позволяет отслеживать эллиптические и гиперболические стационарные точки в двумерных нестационарных полях скорости, заданных на дискретной сетке.
При помощи пороговых значений для лагранжевых индикаторов Angle и D площадь района исследования была разбита на 3 области: воды, вовлеченные преимущественно в вихревое движение, воды, вовлеченные преимущественно в струйные течения; и область фоновой турбулентности. Для 30-суточого периода интегрирования был выбран критерий |Angle|≥3, что соответствует минимальной угловой скорости маркеров 4·10^(-4) °/с. При таком пороге частицы должны сделать не менее 1 оборота за 10 суток, что согласуется с предполагаемой скоростью вращения жидких частиц внутри ядер мезомасштабных вихрей в 1 оборот за 3–7 суток (Bower et al., 2002). Критерием служила величина D-смещения в 700 км, что за 30 суток соответствует минимальной скорости направленного смещения частицы в 27 см/с.
Метод разделения типов движений представляется универсальным несмотря на то, что пороговые критерии разделения структур, полученные на примере Ньюфаундлендской котловины, региональны. Преимуществом разработанной методики является возможность оценки связи характера изменчивости струйных потоков и мезомасштабных вихревых движений на объективной основе. Разработанная методика позволила оценить связь характера изменчивости струйных потоков и мезомасштабных вихревых движений в регионе.
Анализ показал, что на среднесезонных интервалах изменчивости струйные течения в районе Ньюфаундлендской банки наблюдаются весной. Вслед за их ослаблением наблюдался рост кинетической энергии и количества крупных антициклонов, а также увеличение интенсивности субмезомасштабной турбулентности. Затем начинается рост циклонической активности, которая также растет осенью одновременно с ростом энергии струйных течений. Эти результаты позволяют предположить, что сезонное усиление струйных течений приводит к интенсификации циклонов, генерируемых разнонаправленными потоками у восточного склона банки Флемиш Кап, сконцентрированных в области между Северо-Атлантическим и Глубинным западным пограничным течением. Ослабление САТ приводит к преимущественной передаче энергии антициклонам и субмезомасштабной турбулентности, а дальнейший распад антициклонов ведет к росту циклонической активности. Аналогичная последовательность, в частности, наблюдалась и на примере внутрисезонной изменчивости (апрель – май 2017 г.). На межгодовых временных масштабах интенсивность струйных потоков и вихревых движений менялась синфазно. Одна из основных долгопериодных мод изменчивости всех рассматриваемых типов движений связана с изменчивостью Атлантической меридиональной опрокидывающейся циркуляции.
Для подробного анализа вихревой динамики региона был выбран один из долгоживущих циклонов, который существовал с 16 марта по 3 сентября 2017 года и активно взаимодействовал с другими вихрями и течением. Для выявления характера и условий возникновения эпизодов интенсивного обмена массой и энергией между рассматриваемым циклоном (Ц) и струйным течением, а также между Ц и другими вихрями, были рассмотрены эпизоды активного взаимодействия со струей, включая эпизоды пересечения вихрем струи, а также эпизоды свободного дрейфа вихря, когда он взаимодействует не со струей, а с другими вихрями. Были рассчитаны следующие характеристики: относительная завихренность, поток энергии через контур вихря, площадь вихря и его кинетическая энергия.
В период формирования Ц с марта по апрель его площадь увеличилась с 3 до 25 тыс., кв. километров, при этом в период активного взаимодействия вихря со струйным течением его площадь снижалась. Кинетическая энергия внутри рассматриваемого циклона также росла с момента его зарождения и до первой декады мая, до момента, когда он начал активно взаимодействовать с САТ, а затем постепенно снижалась. Аналогичный ход кинетической энергии наблюдается для циклонов и антициклонов в области рядом с Ц. Отмечается, что снижение кинетической энергии вихревых структур сопровождается увеличением энергии струйного течения. Пиковое значение относительной завихренности внутри вихря было выявлено в начале апреля и составило 5×10-5 с^(-1), в период обмена вод с течением значение данной характеристики было существенно ниже.
Выявлено, что до середины мая поток энергии через границу изучаемого циклона был отрицательным, что свидетельствует о накоплении им энергии, при этом максимальное значение достигает -3×10^4 Вт. В период активного взаимодействия Ц с течением с конца мая до середины июля энергия преимущественно покидает область вихря и становится равна 2×10^4 Вт, что говорит о передаче энергии от вихря к струйному потоку.
Для оценки динамики вод рассматриваемого вихря было выполнено моделирование адвекции лагранжевых маркеров, для чего область расположения Ц на 24 апреля 2017 была равномерно заполнена лагранжевыми маркерами, и движение частиц моделировалось вперед и назад во времени на 60 суток. Таким образом фиксировалось количество маркеров, которое входило в контур вихря ежедневно в течение 60 суток до 24 апреля, и выходило в течение такого же количества времени после этой даты. Благодаря такому подходу удалось получить картину пространственного распределения вод, которые входили в вихрь и выходили из него в период его существования. Полученные результаты показали, что вихрь набирал, а затем сбрасывал воды, причем внос и вынос большого количества лагранжевых частиц являлся порционным, а не постепенным. Похожая динамика была выявлена Novoselova et al., 2026 у Лофотенского вихря. Наибольшее количество лагранжевых маркеров вошло в контур Ц в марте, причем это были как воды САТ, так и других вихрей, с которыми циклон взаимодействовал. В мае же вихрь активно сбрасывал воды, которые далее вошли в другие вихревые образования.
Авторы выражают благодарность за финансовую поддержку Российскому научному фонду (проект № 25-17-00021) и Санкт-Петербургскому государственному университету (грант № 129659573). Поля скорости обработаны на вычислительном кластере в рамках государственного задания ТОИ ДВО РАН № 124022100072–5.