Использование гидродинамического и лагранжева моделирования для исследования динамики вод Лофотенского вихря

Лофотенский вихрь – это антициклонический квазипостоянный вихрь, который расположен в центре одноимённой котловины. Он представляет собой линзу теплой соленой воды на глубинах от 300 до 1000 м с горизонтальным масштабом до 100 км. Устойчивость Лофотенского вихря обеспечивается двумя факторами. Во-первых, это происходит за счёт слияния с другими антициклонами, которые образуются в результате бароклинной неустойчивости Норвежского течения. Во-вторых, этому может способствовать осенне-зимняя конвекция.

Мы использовали гидродинамичесую модель ROMS высокого пространственного разрешения для моделирования циркуляции Лофотенской котловины. Моделирование выполнялось за период с января по октябрь 2008 г. Первые полгода являются периодом разгона и адаптации начальных условий модели. В качестве основного рабочего периода использовался временной промежуток с середины сентября до середины октября 2008 г., когда наблюдался явно выраженный антициклонический вихрь в области исследования.

Была проведена верификация полученных результатов. Мы сравнили наши результаты с результатами натурных экспедиционных измерений, с реанализом GLORYS, который основан на модели NEMO, а также со спутниковыми данными AVISO. Было выявлено, что значения хорошо согласуются между собой.

Далее для исследования динамики вод Лофотенского вихря мы воспользовались лагранжевыми методами и рассчитали траектории пассивных маркеров, адвектируемых смоделированным в ROMS полем скорости. Мы рассмотрели два горизонта 50 и 400 м. Первый горизонт – это верхний квазиоднородный слой, а второй – это середина ядра Лофотенского вихря. В каждый момент времени мы окружали центр вихря окружностями с различными радиусами.

Мы проследили за эволюцией отрезка, который состоит из набора лагранжевых маркеров и пересекает Лофотенский вихрь через его центр в начальный момент времени. Было отмечено, что маркеры, которые первоначально находились в ядре вихря, и маркеры на его периферии ведут себя по-разному. Расположенные в ядре маркеры перемещаются по замкнутым траекториям с угловой скоростью, зависящей от расстояния до центра вихря. Маркеры, которые изначально находятся на периферии, образуют множество складок и завитушек причудливой формы, входя и выходя из вихря. Мы называем этот процесс «вентиляцией вихря».

Далее мы определили время, в течение которого каждая из частиц впервые пересекает окружность и покидает пределы Лофотенского вихря. Выявлено, что вынесение маркеров за пределы окружности происходит не равномерно во времени, а порционно. С течением времени число маркеров, имитирующих ядро вихря в начальный момент времени, постепенно становится все меньше, и внутри окружности они замещаются маркерами из внешней среды. В процессе эволюции вихря существуют промежутки времени, во время которых практически все маркеры остаются внутри окружности. Эти промежутки могут составлять до нескольких суток.

Ещё один интересный вывод касается характера движения центра Лофотенского вихря. Известно, что вихрь вращается антициклонически, однако он также совершает пилообразные горизонтальные движения. При этом общая траектория перемещения ядра вихря происходит также по окружности и имеет циклоническое направление. Амплитуда горизонтальных перемещений центра Лофотенского вихря минимальна в западной части и постепенно увеличивается к востоку.

Исследование выполнено при поддержке гранта РНФ № 24-77-00063.