Введение к работе
Работа посвящена исследованию пространственно-временной изменчивости температуры поверхности океана (ТПО) в северозападной Атлантике по данным факсимильных карт РМЦ Галифакс и крупномасштабных океанографических съемок в Ньюфаундлендском бассейне.
Исследование динамических процессов, структуры вод и изменчивости океанологических полей в западных пограничных областях океанов является одним из приоритетных направлений как в национальных ("РАЗРЕЗЫ", РОКК, SYNOP, GUEPCAST), так и в международных (woce, АССР, goos) программах исследования океана. Эти области являются "ключевыми" как в глобальном перераспределении масс и энергии в океане, так и в обмене энергией между океаном и атмосферой. Западные пограничные области средних широт характеризуются экстремально высокой пространственной и временной изменчивостью океанологических параметров в широком диапазоне масштабов. Здесь крайне обострены горизонтальные и вертикальные градиенты. Указанные особенности четко проявляются в западных пограничных течениях северного полушария и делают их важными объектами исследования. Однако, если в 50-70-х годах в основном проводились комплексные крупномасштабные эксперименты, то в настоящее время акценты сместились на детальное изучение физики отдельных процессов и локальных районов, а также на анализ массовых спутниковых наблюдений, данных дрифтеров, буев и поплавков.Возрос интерес к моделированию климата и различных типов гидродинамической неустойчивости. Расширилась методологическая и техническая база.В прошедшее десятилетие сильно прогрессировала спутниковая" альтиметрия, что позволило исследовать структуру, динамику и изменчивость уровня океана, оценить расходы течений. Однако, существуют большое число различных, иногда противоречивых, мнений об интерпретации результатов и предположений о механизмах изменчивости на разных масштабах. Так, до конца не ясна степень влияния подводных гор Новой Англии на меандрирование и крупномасштабные смещения фронтов. Нет и единого мнения о соотношении различных факторов (гидродинамическая неустойчивость, рельеф
дна, интенсивность и изменчивость касательного напряжения ветра, конфигурация и общая ориентация фронтов) в формировании меандров и вихрей. Различаются сведения разных авторов о параметрах и структуре неоднородностей. Это следует, в частности, из сводки Воттса (Watts,1983), в которой из многих публикаций собраны оценки масштабов, фазовых скоростей и других характеристик меандров Гольфстрима на различных участках течения. К существующим проблемам следует отнести и отсутствие универсальных методов выделения фронтальных зон и фронтов. Также, до сих пор, на количественном уровне не описана синоптическая изменчивость ТПО с учетом ее эволюции в пространстве и времени.
Сказанное выше определяет антисиьность выбранной тежы. и позволяет сформулировать насущные цели и задачи исследования структуры и синоптической изменчивости ТПО.
Тлавные цели работы состояли в:
количественном описании структуры и динамики неоднородностей ТПО в средних широтах северо-западной Атлантики;
изучении общих закономерностей пространственно-временной эволюции характеристик синоптической изменчивости ТПО;
исследовании процессов, формирующих синоптическую изменчивость ТПО в областях западных пограничных течений.
В соответствии с поставленными целями решались следующие эабачиг
разделение природного сигнала на компоненты, различающиеся пространственно-временными масштабами и генезисом;
определение пространственно-временных масштабов и фазовых скоростей синоптических неоднородностей, получение оценок их вклада в общую изменчивость, анализ эволюции характеристик синоптической изменчивости в пространстве и времени;
количественное описание и параметризация эффектов пространственно-временного осреднения, установление взаимосвязей мевду различными характеристиками изменчивости;
выявление связи синоптической изменчивости с динамическими процессами и взаимодействием между океаном и атмосферой;
исследование проявлений в поле ТПО фронтов и фронтальных
зон, (эта задача предполагает разработку методов выделения и анализа изменчивости фронтов и фронтальных зон).
Фактический жтериал и. методы исследования. В качестве исходной информации использовались карты ТПОі передаваемые дважды в неделю радиометеоцентром (РМЦ) Галифакс. С 1981 по 1992 г. на научных судах ГОИНа был организован их прием. Эти карты строятся на основе данных научно-исследовательских и попутных судов, службы ледового патруля, платформ, береговых станций, информации со спутников, самолетов, и других систем слежения за ТПО. Карты оцифровывались нами как в узлах регулярной 0,5x0,5, так и специальной феноменологической сетки. Для сопоставления полученных климатических полей с известными использовались атласы и массивы (Isemer,Назве, 1985,1987; Ievitua, 1982). Кроме информации о ТПО, анализировались данные регулярных океанографических съемок в Ньюфаундлендском бассейне с 1981 по 1991 г., крупномасштабных экспериментов Ньюфаэкс-88, Атлантэкс-90 и других.
Для решения поставленных задач использовались различные традиционные и оригинальные метода обработки и анализа данных наблюдений. К последним, например, относятся методики оценки эффектов пространственно-временного осреднения, подход к анализу ТПО "вдоль климатических изотерм", ряд технологий проведения и анализа фронтов и фронтальных зон, методики морфометрии и трассировки меандров и другие.
Научная новизна. В работе на основе анализа данных, покрывающих обширный район (35-570с.ш.,750-27з.д.) и имеицих высокое разрешение, с помощью различных методов исследования океанологических полей впервые построено целостное количественное и качественное описание структуры и режима синоптической изменчивости ТПО в северо-западной Атлантике. Впервые
на количественном уровне и с известной точностью получены зависимости градиентов, дисперсий, длин фронтальных разделов и других характеристик поля ТПО от масштабов пространственно-временного осреднения исходных данных. Установлены взаимосвязи между различными характеристиками изменчивости.
- б -
Проанализированы спектральный состав и волновая структура неоднородностей ТПО, эволюция их параметров во времени.вдоль и поперек фронта. Установлены закономерности чередования интенсивного и ослабленного меандрирования.
Разработана система морфометрии и трассировки меандров, позволившая получить новые сведения о параметрах и ареалах распространения циклонических и антициклонических меандров.
Предложены и реализованы универсальные методики поиска, проведения и анализа фронтальных зон и фронтов. Выявлен ряд важных закономерностей их структуры и динамики. Введены меры интегрального или среднего положения системы фронтальных зон и показано, что межгодовая изменчивость широтного положения такой системы может быть следствием несинхронности колебаний интенсивностей формирующих ее фронтов. Установлена связь трехмерной структуры фронтального раздела с динамикой вод^ и топографией 'дна;" Впервые-' проанализирована изменчивость температуры и солености фронта и стрежня Гольфстрима вдоль потока и с глубиной на участке протяженностью более 1400 км. Показано, что характер таких распределений эволюционирует от сезона к сезону и обусловлен трансфронтальными процессами и потоками тепла и масс на границе океан-атмосфера.
Практическая ценность. Результаты работы могут найти применение при организации мониторинга в областях западных пограничных течений, в частности, при планировании районов, сроков и сети наблюдений, при выборе оптимальных предикторов в различного рода прогностических задачах, в числе которых, прогноз положения фронта Гольфстрима, эволюции аномалий ТПО, прогноз промысловых скоплений и многие другие.
Ряд разработок.может быть использован при построении и тестировании моделей динамики океана и взаимодействия океана и атмосферы в областях западных пограничных течений, а установленные взаимосвязи различных характеристик и интегральных параметров целесообразно учитывать в малопараметрических и интегральных моделях.
Созданные технологии проведения и анализа фронтальных зон и фронтов имеют широкий спектр применения как в научных, так в прикладных и практических задачах. Актуальность разра-
Оотки подобных технологий также продиктована проблемами оперативного усвоения, обработки и интерпретации возрастающего объема спутниковой информации о высокоградиентных областях океана.
Апробация роботі. Основные результаты диссертационной работы докладывались на советско-канадской конференции по исследованию Ньюфаундлендского бассейна (Галифакс, 1990), на Х7 (Копенгаген,1990), ШІ (Эдинбург, 1992), ШІІ (Визбаден, 1993) Генеральных ассамблеях европейского геофизического сообщества, на международном совещании по исследованию взаимодействия океана и атмосферы (Москва,1992), на Всесоюзном семинаре "Океанологические фронты северных морей: характеристики, методы исследований, модели" (Москва,1989), на 17 Всесоюзной конференции по программе "Разрезы" (Одесса,1990), на 6-й и 7-й конференциях "Комплексное изучение природы Атлантического океана (Калининград,1991,1993), на семинарах Государственного океанографического института (Москва, Одесса, 1988-1993), отдела физики и химии Бедфордского института океанографии (Галифакс,1992), кафедры океанологии Московского Государственного Университета им. М.В.Ломоносова (1994), отдела крупномасштабного взаимодействия океана и атмосферы института океанологии РАН (1994), Росгидрометцентра (1994).
Пибликации. По теме диссертационной работы опубликовано 15 работ.
Стрцктцра и объел диссертации, диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы (166 наименований, из них 116 работ зарубежных авторов). Общий объем работы составляет 206 страниц, в том числе 53 страницы с иллюстрациями и 4 - с таблицами.
