Введение к работе
Актуальность исследования. Задача исследования закономерностей проявления процессов, происходящих в толще океана, на его поверхности стала особенно актуальной в последние годы в связи с быстрым прогрессом методов дистанционного зондирования. Одним из важных результатов экспериментальной океанологии последнего времени стало открытие проявлений особенностей рельефа дна масштабов 10-1000 км в поверхностных и приповерхностных полях океанологических характеристик (отметим "пряные визуальные наблюдения рельефа" из космоса (Соломаха, Федоров, 1983) и высокие корреляции топографии и приповерхностной температуры (Ильин, Мельников, 1988),). Тем не менее, до сих пор не существовало сколько-нибудь убедительного теоретического (даже качественного) объяснения этих наблюдений.
Проблема поиска такого объяснения включает, во-первых, построение гидродинамической теории, обеспечивавшей при реалистических значениях параметров формирование возмущений полей плотности и течений в приповерхностных слоях, связанных с топографией, и, во-вторых, изучение трансформации гидродинамического возмущения в наблюдаемые характеристики поверхности. Существующие теории обтекания рельефа стратифицированным потоком (Hogg 1Э80,- Зырянов 1985) демонстрируют, что океаническая стратификация эффективно препятствует проникновению возмущений, порождаемых топографией, от дна к поверхности. Однако, отмеченные наблюдения свидетельствуют, что долїєн существовать некоторый механизм, обеспечивающий воздействие возмущений, генерируемых особенностями рельефа дна, на характеристики поверхности, и связанный с реальной вертикальной структурой крупномасштабных течений. Поиск и анализ этого механизма, наряду с исследованием фоновой изменчивости океана указанных масштабов, составляет предмет настоящей работы.
В то же время, существование такого механизма естественно приводит к постановке весьма важного вопроса о' возможности получать информацию о глубинных и придонных процессах исключи-
тельно по наблюдениям на поверхности и известному рельефу дна.
Основной целью работы является построение гидродинамической теории, учитывающей реальную вертикальную структуру крупномасштабных течений и позволяющей выявить механизм отображения особенностей топографии в характеристиках поверхностных или приповерхностных полей плотности и течений. Основные задачи.
1). Исследовать задачу о стационарном обтекании рельефа дна зональным непрерывно-стратифицированным потоком с вертикальной структурой, близкой к реально наблюдаемой в океане, с целью найти эффективный механизм проникновения возмущений от дна в верхние слоя океана.
2). Сформулировать и рассмотреть обратную задачу о восстановлении вертикального профиля течения по поверхностным наблюдениям и известному рельефу дна; получить решение обратной задачи для многослойной модели.
3). Рассмотреть влияние средней циркуляции на распространение волн Россби в океане,' с целью установить закономерности формирования фоногой изменчивости приповерхностных полей синоптического масштаба.
Научная новизна. Задача о формировании связанных с топографией возмущений синоптгчесаого масштаба в приповерхностных слоях океана впервые поставлена как гидродинамическая задача об обтекании рельефа два зональным стратифицированным потоком на /з-плоскости. В то їє время, в рамках теории стационарного обтекания впервые построено решение задачи с учетом вертикального сдвига течения и рассмотрен поток с вертикальной структурой, моделирующей реажьнуп вертикальную структуру течений Мирового океана. При этом получены следующие основные результаты:
1). Получено асимптотическое решение уравнения потенциального вихря при навичии приповерхностных и придонных сдвиговых слоев. Показано, что присутствие таких слоев существенно трансформирует вертикальную структуру собственных функций вблизи границ.
2). Показано, что при учете специфической вертикальной структуры течения, близкой к реально наблюдаемой в океане, на-
личие даже сравнительно небольших неровностей дна существенно трансформирует характеристики верхнего слоя океана, что приводит в типичных ситуациях к возникновешш возмущений полей скорости приповерхостных течений и глубины залегания пикноклина со значительными амплитудами, сравнимыми со средними значениями этих величин. Величина амплитуд возиущеїшй достаточна для их регистрации с помощьп спутниковой альтиметрии, а при определенных условиях возмущения могут фиксироваться визуально.
3). В результате анализа функции Грина неоднородной задачи показано, что возмущение функции тока с большой точностью воспроизводит форму топографии и фактически представляет собой "гидродинамическое изображение" особенностей рельефа дна на поверхности.
4). Получено решение задачи о стационарном обтекании изо
лированного возмущения рельефа дна в рамках многослойной моде
ли с произвольным числом слоев, позволяющей проанализировать
зависимость характеристик возмущения от различных параметров.
Выделены области в пространстве параметров подели, соответ
ствующие амплитуде приповерхностного возмещения порядка изме
нений средних.характеристик верхнего слоя океана на рассматри
ваемых масштабах. .
5). Впервые сформулирована и проанализирована задача о восстановлении вертикальной структуры течения по наблюдениям на поверхности океана и известному рельефу дна. Показано, что при априорном задании параметров стратификация задача корректна; в многослойной модели ее решение приводит к выявлению связей между распределениями плотности и скорости. Для трехслойной модели с характерным для океана "погранслойным" типом вертикальной структуры получено единственное решение.
6). В рамках'квазлгеострофического приблигения исследована связь между асимптотиками непрерывной и двухслойной моделей вертикальной структуры. Показано, что двухслойная модель не вполне применима для описания коротковолновой трансформации волн Россби в окрестности критического слоя; коротковолновой асимптотике двухслойной модели соответствует промежуточная асимптотика в случае непрерывной стратификации.
- б -
7). Показано, что фоновая изменчивость поля волн Россби рассматриваемых иасштабов в значительной мере определяется существованием зональных волноводов, захватывавших заметную часть спектра бароклинных и баротропных волн. Впервые найденные волноводы подробно исследованы для Северного полушария в рамках двухслойной модели и ВКБ-приближения. Практическая ценность. Результаты работы могут быть использованы для интерпретации данных натурных наблюдений в океане. Наиболее важныепотенциальные прилохения результатов связаны с обратной задачей о восстановлении вертикальной структуры течения по поверхностным наблюдениям. В настоящее время не существует никаких способов оценки глубинных океанических течений, кроме чрезвычайно дорогостоящих прямых измерений. Кроме того, весьма важные приненения результатов анализа обратной задачи возможны в схемах усвоения данных при крупномасштабном моделировании Мирового океана.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на xvn, xviii и XIX Генеральных Ассамблеях Европейского геофизического общества (Эдинбург, 1992 г., Висбаден, 1993 г., Гренобль, 1994 г. ), на IV Международном симпозиуме по стратифицированным течениям (Гренобль, 1994 г. ), а также на семинарах Лаборатории нелинейных волизвых процессов и Лаборатории геофизической гидродинамики Института океанологии' РАН.
Публикации. Основные результаты работы опубликованы в трех статьях в журналах Доклады РАН и Океанология, а также в четырех тезисах в трудах вышеперечисленных конференций. Всего опубликовано 7 работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, двух частей, закінчення и приложения; первая часть включает три главы. Объем диссертации 105 страниц основного текста, 17 рисунков. Список литературы содержит 108 наименований.
