Введение к работе
' і Актуальность тепы. В рвмках исследования взаимодействия ^срдетиомаситабных процессов в океане особый интероо представляют интегральные характеристики водообмена, позволяющие судить о направлениях и темпах переноса присущих морской воде характеристик: температури, солености, биогенных элементов и др., чорез границы отделышх частей или районов Мирового океана. По сей день повышенное внимание вызывает проблема исследования происхождения и состава основьых типов вод океана, количественного описания процессов их формирования, вопрос определения возроса вод, или периода их полного обновления. Ежегодное накопление большого количества информации о распределении различных характеристик з океане дает во~мокность осуществлять мониторинг океана, облегчает задачу моделирования глобальной океанической циркуляции и потоков трассеров. В качеотве возмокного варианта восотановлоние картины динамики вод предполагается осуществлять на основе имеющихся данных о распределении совокупности физических и биогеохимических трассеров, используя обратные методы расчета.
Разрабатываемые о GO-x годов модели резервуаров, основу которых составляли уравнения баланса физических и химических трассеров, позволяли судить лияь об интенсивности и направлении обмена субстанцией, не раскрывая механизмов этого обмена. Уменьшение размеров исследуемых объектов, учет особенностей вертикальной структуры вод и горизонтальных непднородностей требует более точного определения фигичоского смысла составлягсзіх обмэнэ в урагнелии .баланса трассеров, обоснования методов аппроксимации непрерывного распределения трассеров дискретной моделью, оптимального выбора колото гва и размэров выделясгетх замкнутых ооьемоз. введаннил по возможности Хлев їочішх граничных условий. Практически не ксила-дованшмл при разработке балансовых моделей остались вопросы анализа зависимости получаемого реіаешія от неопределенностей п
задании граничних условий и реакции решения на различного рода возмущения в данных. Решение втих вопросов позволит количественно оценить степень надежности и достоверность получаемой на осново балансових уравнений картины крупномасштабной циркуляции, водообмена и потоков трассеров в зависимости от уровня наших знаний о распределении характеристик вод океана на современном этапе.
Цель работы состоит в определении характерных особенностей образования и взаимодействия вод в Северной Атлантико, выяснении механизмов этого взаимодействия на основе модели резервуаров о использованием уравнений баленса трассеров в стационарном случае, а также в анализе зр.кономорностой полученных характеристик водообмена и исследовании их возможных вариаций.
Для этого были поставлены следующие задачи:
1. В рчмквх выбранного подхода к построению модоли разрабо
тать критерии выделения оптимального количества резервуаров, с
- помощью которых стало би возможным подробное описание многообра-разия и особенностей пространственной структуры вод океана и физических процессор их взаимодействия.
-
Количественно охарактеризовать процоссы образования, взаимодействия и обмена вод в Северной Атлантике и на граіащаі с другими бассейнами, получить интегральные величины моридионалъных потоков мессыг тепла, солей, а также оценку вклада адвективных и турбулентных потоков в суммарный перенос тепла в океане, оценить характеристики периода обновления вод.
-
Определить и количественно охарактеризовать роль процессої обмена теплом, массой и импульсом на границе океана с атмосферой і другими бассейнами в поддержании стационарной картины водообмена і океане.
-
В рамках выбранного математического аппарата обосновать процедуру получения оптимального решения задачи модели резервуаро: определить его достоверность, разработать способ оценки диапазона
возможных изменений решения в зависимости от ошибок в задании граничных условий и начальных данных.
Научная новизна работы определяется следующим:
На основе предложенного варианта розервуарной модели, с использованном балансовых соотношений для физических трассеров, получена пространственная картина крупномасштабной циркуляции и водообмена, позволяющая судить о взаимодействии и обмене свойствами между водными массами, регионами и отдельными частями Атлантики.
Определены основные закономерности и получены количественные характеристики водообмена в проливах между Гренландией и Исландией, составляющие потоков тепла и солей для всех типов вод, участвующих в обмене. Исследованы процессы зимнего образования глубинных вод Норвежского и Гренландского морей, определено количество образующихся за год етих вод.
Исследован вопрос о соотношении термических, соленостных факторов и ветра в процессе поддержания стационарной картины циркуляции. Показано, что среди всех источников вещества и энергии для Северной Атлантики обмен с Североевропейским бассейном и теплообмен с атмосферой имеют первостепенное значение и определяет характер переноса свойств внутри океана.
Установлены пределы изменчивости полученной картины водообмена в зависимости от вариаций задаваемых величин потоков на границе с атмосферой и в проливах, в том числе в пределах сезонного хода, а тагаиз в зависимости от характерных ошибок, содержащееся в исходных полях температуры и солености, вследствие их пространственно-временной изменчивости. Установлено, насколько ощутимо сказы:лютея оиибки, содержащиеся в граничных условиях и начальных данных, на '„^чае(/ые обратным методом характеристику, океаническс'' циркуляции и обмена вод, определен механизм этого &"кяния.
Практическая ценность. Полученная па основе модели резервуаров "тема циркуляции и водоос./ена позволяет судить о хірактєро и
интенсивности процессов образования, взаимодействия различных типов вод, определить источники формирований водних масс Северной Атлантики, их динамические хпрактьристтси: средние скорости движения
СКОРОСТИ ЗффіЖТИВНОГО ТУрОуЛеНТНОГО ООМОНО, П ТаКІМ ЙДВЙКТИВКЫв
и турбулентные потоки тепла и соли, периоды оОновлония вод. Основанный на уравнениях баланса физических трассеров подход позволил определить, кгкое значение имеют процоссы водооомена в проливах в взаимодействие с атмосферой для поддержания крупномасштабных движений в океане, и количественно выразить, используя величину энтропии, меру значимости различных факторов. Исходя из погрешностей в начальных данных и граничных условиях'разработан способ оценки достоверности и надежности получаемой картины циркуляции. Проведенный анализ позволяет предложить выбор оптимального пространственного к временного масштабов осреднения данных в целях дальнейшего эффективного исслрдования процессов взаимодействия вод в океане.
Фактический материал. Для определения средних значений температуры и солености объемов ьод в предолах выбрашшх границ использовались данныэ климатического массива Левитуса, а также схемы и таблицы, содержащиеся в атласе (Levitue 1962) и на микрофишах к нему. Абсолютное большинство данных, составляющих исходный массив относится к периоду с начала 60-х до начала 70-х годов. Для расчете потоков массы, тепла и солей во.;;, участвующих в обмене в проливах между Гренландией и Шотландией, входящих в задаваемые гранич-нио условия, использовались данные глубоководных гидрологических измерений последовательных сезонных съемок, выполненных в пределах одного календарного года, а также инструментальные измерения течений и температуры в проливах. Для задания потоков тепла и пресной воды на поверхности океана использовались среднемноголчт-ние величины теплообмена с атмосферой и бюджета илаги в 5-градусном осреднении.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на сомина-
- 5 -pax кафедры океанологии МГУ (1980 и 1990 гг.), на конференции молодых ученых ИОАН СССР (1988 г.), семинаре лаборатории физики океана ГОКНа (1990 г.), семинаре отдела крупномасштабного взаимодействия океана и атмосфери ITOAH СССР (1990 г.), семинаре отдела океанографии и отдела взаимодействия океана и атмосферы МГИ АН УССР (1990 г.), на ХХУШ конференции молодых ученых Госконпідромвта СССР (1990 г.).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений и списка литературы. Объем работы составляет Зо о страниц, включая список литературы из 151 названия, Є таблиц, ^-? рисунков.
