Анализ вентиляции вод Лофотенского вихря с применением лагранжева метода оконтуривания вихрей LEBDA на основе альтиметрических данных AVISO

В данной работе предлагается новый алгоритм определения динамических границ мезомасштабных вихрей, который мы назвали Lagrangian Eddy Boundary Delineation Algorithm (LEBDA). В отличие от традиционных методов, базирующихся на анализе геострофических скоростей в фиксированный момент времени, LEBDA использует лагранжеву концепцию и учитывает временную эволюцию вихря. Основная идея заключается в построении двухмерной (2D) границы вихря не только на основании мгновенного распределения скоростей, но и с учетом их изменения в течение определенного временного интервала до и после рассматриваемой даты. Это позволяет учесть временную согласованность границ вихря, что особенно важно для корректного описания его динамики.

Известно, что форма и границы вихрей подвержены значительным вариациям. Если определять границу вихря в каждый отдельный день, например, методом автоматической идентификации, можно заметить резкие изменения контура от суток к суткам, что затрудняет анализ долгоживущих структур. В LEBDA данная проблема решается за счет использования ретроспективного подхода, при котором контур вихря определяется на основе анализа траекторий пассивных маркеров вблизи вихря и их эволюции в течение определенного временного периода. Практическая реализация метода предполагает анализ изменения структуры вихря в течение месяца – 15 дней до и 15 дней после рассматриваемой даты. Такой временной интервал выбран с учетом мезомасштабной изменчивости течений, имеющей характерную синоптическую временную шкалу. Этот подход позволяет сгладить “прыгающие” значения границ, обеспечивая более реалистичное и согласованное описание динамики вихря. Таким образом, предложенный метод не только позволяет избежать артефактов, связанных с высокой суточной изменчивостью границ, но и обеспечивает более целостное представление об эволюции вихря в течение характерного временного периода его существования.

В настоящем исследовании показаны способы применения LEBDA для анализа вихревой динамики на примере Лофотенского вихря, расположенного в Норвежском море. Оконтуривание вихря производилось на основе спутниковых альтиметрических данных AVISO с разрешением 0,25°.

Было обнаружено, что Лофотенский вихрь может существовать в различных режимах удержания вод, переходя от стабильного состояния со слабым водообменом (март–сентябрь 2008 г.) к ослабленному удержанию частиц в ядре (сентябрь 2008 г. – март 2009 г.). Была продемонстрирована сложная эволюция пассивных маркеров внутри вихря, включая их перемещение к его периферии, что опровергает гипотезу о “шайбообразном” ядре Лофотенского вихря.

Установлены механизмы адвекции пассивных маркеров за пределы вихря. Подробно прослежены этапы эволюции пятен пассивных маркеров, покидающих вихрь: после нескольких оборотов вокруг его центра в виде компактных образований, они растягиваются, пересекают вихревой контур, выделяемый LEBDA, и перемещаются по многообразиям ближайших гиперболических точек, при этом совершая менее двух оборотов вокруг центра вихря. Было отмечено, что адвекция маркеров из фонового потока в контур вихря также происходит вдоль многообразий гиперболических точек.

Выявлено, что пассивные маркеры со схожими начальными условиями (расположенные близко друг к другу) внутри вихря могут иметь разное время выноса и совершать разное количество оборотов, и, наоборот, удаленные друг от друга в начальный момент времени могут собираться в группы и покидать одновременно. Эпизодическая динамика выброса маркеров подтверждается анализом функции и фрактала выноса: группы маркеров покидают вихрь порциями, образуя U-образные фрагменты и ступенчатые структуры.

Исследование выполнено при поддержке гранта Санкт-Петербургского университета № 129659573 (анализ данных) и грантов Российского научного фонда №25-17-00021 (концептуализация, анализ данных, написание текста, обзор литературы) и №24-77-00063 (моделирование слежения за частицами, анализ данных, подготовка рисунков). Лагранжев анализ проводился на высокопроизводительном вычислительном кластере Тихоокеанского океанологического института (государственное задание №124022100072-5).