Анализ Лофотенского вихря с применением лагранжева метода оконтуривания вихрей LEBDA на основе спутниковых 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 финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (Соглашение № 075-03-2026-218, проект FSEG-2026-0020) (анализ данных) и при поддержке грантов Российского научного фонда №24-77-00063 (моделирование слежения за частицами, анализ данных, подготовка рисунков) и №25-17-00021 (концептуализация, анализ данных, написание текста, обзор литературы). Лагранжев анализ проводился на высокопроизводительном вычислительном кластере Тихоокеанского океанологического института (государственное задание №124022100072-5).
КМУ 2026
Докладчик
Novoselova Elena
Peter the Great St.Petersburg Polytechnic University, St. Petersburg State University, Nansen International Environmental and Remote Sensing Centre, V.I. Il'ichev Pacific Oceanological Institute
Секция
Earth Remote Sensing
Научный руководитель
Белоненко Т. В., СПбГУ
Соавторы
Файман П. А., ТОИ ДВО РАН
Будянский М. В., ТОИ ДВО РАН, СПбГУ
Улейский М. Ю., ТОИ ДВО РАН
Дидов А. А., ТОИ ДВО РАН, СПбГУ
Удалов А. А., ТОИ ДВО РАН