Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние исследований реакции океана на прохождение тропических циклонов 10
1.1. Общие сведения о тропических циклонах 10
1.2. Результаты исследований реакции верхнего слоя океана на прохождение тропических циклонов 17
Глава 2. Данные и методы их комплексной обработки 36
2.1. Общая характеристика района исследований 36
2.2. Характеристики тайфунов и данные гидрологических съемок 40
2.3. Методы расчета и обработки гидрологических данных 54
2.3.1. Методы обработки гидрологических данных 54
2.3.2. Расчет интегральных характеристик 60
2.3.3. Расчет динамических характеристик 61
2.3.4,Оценки коэффициентов горизонтального обмена 62
2.3.5. Методы оценки характеристик взаимодействия океана и атмосферы 68
Глава 3. Синоптическая изменчивость характеристик верхнего слоя океана, связанная с прохождением тропических циклонов 73
3.1. Термодинамическая реакция верхнего слоя океана в следе тропического циклона Норрис 73
3.2. Изменчивость интегральных характеристик верхнего слоя океана 96
3.3. Синоптическая изменчивость верхнего слоя океана и горизонтальный турбулентный обмен 102
Глава 4. Характеристики мелкомасштабного взаимодействия океана и атмосферы в тропических циклонах 123
4.1. Модель поля ветра в перемещающемся тропическом циклоне 124
4.2. Оценки характеристик мелкомасштабного взаимодействия в области медленно перемещающихся тропических циклонов. Тропический циклон Вирджиния 127
4.3. Оценки характеристик мелкомасштабного взаимодействия в области тропических циклонов, перемещающихся со средней скоростью 137
4.3.1. Тропический циклон Норрис 137
4.3.2. Тропический циклон Винни 144
4.4. Оценки характеристик мелкомасштабного взаимодействия в области быстро перемещающихся тропических циклонов 151
4.4.1. Тропические циклоны Орчид и Сперри 151
4.4.2. Тропический циклон Ким 156
4.5. Сравнительный анализ характеристик энерго-массообмена океан- атмосфера в тропических циклонах 160
Заключение 167
Литература 170
Приложение 180
- Результаты исследований реакции верхнего слоя океана на прохождение тропических циклонов
- Характеристики тайфунов и данные гидрологических съемок
- Изменчивость интегральных характеристик верхнего слоя океана
- Оценки характеристик мелкомасштабного взаимодействия в области медленно перемещающихся тропических циклонов. Тропический циклон Вирджиния
Введение к работе
Актуальность темы. Синоптическая изменчивость океана в последние десятилетия интенсивно изучается и признается одной из фундаментальных проблем современной океанологии. Она характеризуется временными масштабами от суток до десятков суток, горизонтальными масштабами от нескольких десятков до первых сотен километров и вносит основной вклад в термодинамические процессы в океанах. Важной задачей является изучение механизмов генерации и эволюции синоптических возмущений в верхнем слое океана (ВСО). Большое число работ посвящено их образованию вследствие неустойчивости крупномасштабных течений в океане. Менее изученной остается роль интенсивных атмосферных процессов — циклонов, в том числе тропических (ТЦ), антициклонов, фронтов. ТЦ- меньшие по размерам, но более интенсивные (со скоростями ветра до 80 м/с), чем обычные циклоны, могут быть важным источником возмущений верхнего слоя океана, особенно для северо-западной части Тихого океана, которая характеризуется большей их частотой, интенсивностью и размерами, чем другие районы Мирового океана. В своей эволюции ТЦ в этом регионе поднимаются до высоких широт, оказывая воздействие на Японское и Охотское моря, воды Курило-Камчатского района. В связи с этим исследования синоптической изменчивости океана, связанной с прохождением ТЦ, актуальны с научной и практической точек зрения.
Для изучения в натурных условиях реакции океана на ТЦ необходимо иметь данные гидрологических съемок на довольно большой площади до прохождения ТЦ и после. Однако такие исследования осложняются объективными причинами, связанными с большими размерами ТЦ, штормовыми условиями в них, развитием и перемещением над акваториями, слабо освещенными данными инструментальных наблюдений. Поэтому
5 накопление натурных данных о взаимодействии тропических циклонов с
океаном требует значительных материальных затрат и идет довольно
медленно. Подобных целенаправленных наблюдений единицы (экспедиции
«Тайфун-75», «Тайфун-78»). В основном, наблюдения, данные которых
используются при исследовании реакции океана на ТЦ, случайны и
фрагментарны, что часто приводит к неоднозначной их интерпретации.
К настоящему моменту сложились определенные представления о
реакции верхнего слоя океана на ТЦ. Однако большое разнообразие как
самих ТЦ, так и гидрологических условий в океане, делают актуальными
дальнейшие исследования синоптической изменчивости верхнего слоя
океана в районах развития и прохождения ТЦ. Важным, но практически
неизученным, является вопрос о роли возмущений синоптического
масштаба, вызванных ТЦ, в процессах горизонтального крупномасштабного
переноса тепла, соли, количества движения, различных примесей и
биологических объектов, а также возможность параметризации таких
процессов. Остаются недостаточно изученными и вопросы о вкладе ТЦ в
энерго-массообмен атмосферы и океана в районах их эволюции.
Цель работы - по архивным данным гидрологических съемок и метеорологических наблюдений исследовать синоптические возмущения в термодинамической структуре верхнего слоя северо-западной части Тихого океана, возникающие при прохождении тропических циклонов, и изучить вклад ТЦ в процессы горизонтального турбулентного переноса и энерго-массообмена атмосферы и океана.
При этом были выделены и решались следующие задачи: I. Обзор и анализ результатов по исследованию реакции верхнего слоя
океана на прохождение тропических циклонов по литературным
источникам;
Создание специализированного архива, содержащего гидрологические и метеорологические данные до и после прохождения отдельных тропических циклонов в северо-западной части Тихого океана;
Подготовка программно-алгоритмического обеспечения, позволяющего проводить комплексную обработку гидрологических и метеорологических данных;
Анализ синоптической изменчивости термодинамической структуры верхнего слоя океана при прохождении тропических циклонов;
Оценка характеристик горизонтального турбулентного обмена в верхнем слое океана и влияния на них тропических циклонов;
Изучение особенностей мелкомасштабного взаимодействия океана и атмосферы в области движущихся тропических циклонов.
Научная новизна. В работе получены следующие основные научные результаты:
Дано описание синоптической изменчивости верхнего слоя океана при прохождении ТЦ Норрис в районе, характеризующимся наличием зон вергенций. Показано, что в данном случае, в отличие от большинства, описанных в литературе, характерной чертой термического «следа» ТЦ было повышение средней по площади температуры воды на всех горизонтах верхнего слоя океана. Причина этого явления горизонтальная адвекция водных масс из зон конвергенции под влиянием ТЦ.
На большом фактическом материале для 12 случаев прохождения ТЦ получены оценки статистических характеристик горизонтального турбулентного обмена: средних отклонений скорости течений от фоновых значений и их пространственных масштабов, коэффициентов обмена. Показано, что их изменчивость связана с влиянием тропических циклонов, а в районах синоптических циклонических вихрей интенсивность горизонтальной турбулентности снижается.
7 3. Показано, что значительная роль ТЦ в мелкомасштабном взаимодействии атмосферы и океана проявляется, прежде всего, через потоки механической энергии ветра, которые в ТЦ могут превышать более чем в 30-40 раз их фоновые и среднемесячные значения.
Предметом защиты являются следующие основные результаты:
Описание и анализ синоптических возмущений термодинамической структуры при прохождении тропического циклона Норрис.
Оценки характеристик горизонтального турбулентного обмена в верхнем слое океана на синоптических масштабах и анализ влияния на них тропических циклонов.
Оценки вклада тропических циклонов в энерго-массобмен океан-атмосфера в районах их перемещения и в изменчивость интегральных характеристик верхнего слоя океана.
Практическая значимость. Полученные результаты могут быть использованы в дальнейших исследованиях тропических циклонов; при проверке адекватности численных моделей верхнего слоя океана, предназначенных для исследования и прогноза синоптической изменчивости; в задачах параметризации влияния тропических циклонов на верхний слой океана в моделях сезонного хода, межгодовой и климатической изменчивости океана. Разработанные и использованные в диссертации методы, алгоритмы и программы обработки данных могут найти применение в задачах комплексной обработки гидрологических данных- Создана, электронная версия архива гидрометеорологических данных, привязанных к тропическим циклонам по времени и району.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на конференциях молодых ученых ТОЙ ДВО РАН (1997, 2000, 2001), региональных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых по физике (г.Владивосток, ДВГУ, 1998, 2000), «International symposium on North Pacific transitional areas» (La Paz, Mexico, 2002), научно-практической
конференции молодых ученых, аспирантов, студентов "Современные методы мониторинга морских экосистем" (г.Владивосток, МГУ им. Г.И. Невельского, 2000), на семинарах лаборатории взаимодействия океана и атмосферы ТОЙ ДВО РАН. Результаты работ вошли в материалы отчетов по темам ФЦП «Мировой океан» и были использованы в работах по ряду проектов РФФИ и «Интеграция».
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем работы составляет 198 стр., включая 58 рисунков, 16 таблиц, приложение на 17 стр. и список литературы на 10 стр., содержащий 107 наименований, из которых 48 — зарубежных авторов.
Содержание диссертации.
Первая глава носит обзорный характер. В разделе 1.1 приведены общие сведения о тропических циклонах. В разделе 1.2 дан аналитический обзор современного состояния исследований реакции океана и окраинных морей на тропические циклоны. Выделены малоизученные вопросы, исследованию которых посвящена диссертационная работа.
Вторая глава посвящена описанию исходных данных, методов обработки и расчетов. В разделе 2.1 дается общая характеристика района исследований. В разделе 2.2 описаны характеристики тайфунов и данные гидрологических и метеорологических измерений, районы их проведения. В разделе 2.3 подробно описаны методы обработки данных вертикального зондирования,, оптимальной интерполяции океанологических полей, интегральных характеристик верхнего слоя океана, динамических характеристик, методы оценок характеристик горизонтального турбулентного обмена и взаимодействия атмосферы и океана в области тропических циклонов.
В третьей главе анализируется синоптическая изменчивость верхнего слоя океана до и после прохождения отдельных тропических циклонов. В
Результаты исследований реакции верхнего слоя океана на прохождение тропических циклонов
Результаты исследований реакции верхнего слоя океана на прохождение тропических циклонов Интерес к воздействию тропических циклонов на океан возник давно. Еще в 1949 году Удой [103], а затем Фишером в 1958 году [73] показано, что после прохождения ТЦ на поверхности океана остаются области ("пятна") с температурой воды значительно ниже окружающей. По мнению Фишера, причиной охлаждения воды был апвеллинг. Джордан [79], исследуя тепловой режим до и после прохождения нескольких тропических циклонов, пришел к выводу, что понижение температуры поверхности океана происходит в основном за счет ветрового перемешивания. Однако недостаток данных, отсутствие фоновых наблюдений не позволяли дать точную картину возмущений гидрологических характеристик, вызываемых тропическим циклоном. Первым, кто представил пространственную и вертикальную структуру изменчивости температуры, солености и плотности по натурным данным на примере урагана Хильда, был Дейл Лейпер [83]. Ураган пересек Мексиканский залив с 30 сентября по 4 октября 1964 года со средней скоростью 3-4 м/с. Скорость максимального ветра достигала 70 м/с. Располагая данными по температуре, солености и плотности, полученными разными торговыми судами до прохождения ТЦ Хильда и данными четырех гидрологических разрезов, выполненных в следе ТЦ, Лейпер показал реакцию верхнего 270-метрового слоя океана. В области максимальных ветров с размерами 70X200 миль температура поверхности океана понизилась более чем на 5С вследствие апвеллинга, развившегося с глубины 60 м. На расстоянии 180 миль от траектории ТЦ, на глубинах около 80-100 м сформировались ядра более теплой, по сравнению с фоном, воды. Лейпер Д. показал, что под влиянием штормовых ветров происходит сгон теплых поверхностных вод от центра ТЦ. На некотором расстоянии они охлаждаются и опускаются, оставаясь более теплыми по сравнению с окружающими водами. На формирование слоя воды с более высокой температурой по сравнению с ее фоновыми значениями в следе нескольких тайфунов указал и Маэда [84]. Ниже 60 м возникает компенсационное течение к центру. Также Лейпер оценил потери тепла верхнего слоя океана (ВСО). За 26 часов воздействия урагана океан в области размерами 417 574 км потерял тепла около 190 МДж/м (или 1458 Вт/м ).
Картина реакции океана на прохождение тропического циклона, представленная Лейпером [83], впоследствии уточнялась и дополнялась. Федоров К.Н. [54], проанализировав 14 случаев прохождения тропических циклонов вблизи корабля погоды "Танго" югу от Куросио (29 с.ш. и 135 в.д.), выделил три типа изменения с глубиной аномалий температуры (ее разности после и до прохождения ТЦ). На основании полученных профилей Федоров построил идеализированную схему циркуляции ВСО, возникающую в следе тропического циклона. Согласно этой схеме, по обе стороны от центра тайфуна возникают по две ячейки циркуляции. Под "глазом" ТЦ развивается апвеллинг с глубин не менее 60 метров, в результате которого холодные воды термоклина либо выходят на поверхность, уничтожая верхний квазиоднородный слой (ВКС), либо, не достигнув поверхности, они значительно уменьшают толщину ВСО. По обе стороны от зоны подъема вод под центром ТЦ расположены зоны опускания вод, которые формируются в результате опускания уплотнившихся при охлаждении и осолонении поверхностных вод и их перемешивания с более холодными водами термоклина. Это приводит к повышению температуры на промежуточных горизонтах и увеличению толщины ВКС. За зоной опускания, на расстоянии больше 250 км, расположена еще одна зона подъема вод, относящаяся ко второй ячейке циркуляции. По расчетам Федорова К.Н. [54] суточные потери тепла верхнего 30-метрового слоя составили 20.9-293.3 МДж/м (242.4-3402.3 Вт/м ), но по мнению автора, самые высокие из полученных оценок завышены из — за влияния апвеллинга.
Работа Тунеголовца В.П. [52] подтвердила, что схема Федоровареально отражает картину вертикальных движений в следе тропических циклонов. Располагая данными гидрологической структуры, полученными в экспедиции иТайфун-75" после прохождения ТЦ Тэсс, Тунеголовец В.П. показал, что тропический циклон диаметром 700 км и скоростью ветра 41 м/с может вызвать возмущение гидрологической структуры по меньшей мере до глубин 500 метров. По изменению теплосодержания и толщины ВКС сделан вывод, что в следе Тэсс возникли чередующиеся области подъема и опускания вод. Толщина ВКС под центром ТЦ уменьшилась, но выхода термоклина на поверхность не наблюдалось. В районе, где ТЦ прошел своим правым верхним квадрантом с максимальными ветрами, наблюдались наибольшие аномалии толщины ВКС и теплосодержания. В окрестностях центра ТЦ возникли разнонаправленные потоки. Скорость течений в среднем достигала 40 см/с на поверхности океана и 30 см/с на 100 м. По обе стороны от этих потоков возникли течения обратных направлений, имеющие вихревой антициклональный характер. Далее возникла зона циклонических вихревых течений. Температура на поверхности уменьшилась на 5С, время жизни следа составило 20 дней. Оценки суммарной теплоотдачи ВКС составили 121.5 МДж/(м2 сут) (1409 Вт/м2). В работе Пудова В.Д., Варфоломеева А.А., Федорова К.Н. [30], в которой также исследовалось воздействие Тэсс на ВСО, оценки суммарной потери тепла океаном, рассчитанные по полному изменению теплосодержания, составили 209.5 МДж/(м сут) (2430.2 Вт/м). Вычисленные оценки коэффициента теплообмена (число Стентона) составили (1.7-1.1) 10"\ Отмечено также, что на расстоянии 260 км по обе стороны от центра ТЦ охлаждение произошло во всем 40-метровом слое воды. Максимальное понижение температуры наблюдалось справа от траектории ТЦ и достигало 4 С. Ниже, до глубин 200 м слева от траектории ТЦ и до 240 м справа, располагался слой незначительного потепления вод. Полученная вертикальная структура
Характеристики тайфунов и данные гидрологических съемок
В качестве основного материала использованы судовые гидрометеорологические данные на станциях, выполненных в экспедициях «Тайфун-78», ДВНИИ «КИСЗ-80» [38, 39] и «КЭТИ-82» [40] НИСП "Волна", "Прилив", "Прибой", "Океан", "Академик Королев", "Академик Ширшов". Данные по одному тайфуну сезона 1981 года получены из интегрированной базы океанографических данных для северной части Тихого океана [11]. Так как районы гидрологических измерений могут подвергаться воздействию нескольких ТЦ, было проведено разделение данных на "фон" и "след" для каждого тропического циклона. В результате работы был сформирован архив, содержащий сведения по районам прохождения 14 ТЦ в северо-западной части Тихого океана и 5 ТЦ в Японском море за период 1969-1986 г.г. В таблице 2.1 приведена информация об обеспеченности данными в районе прохождения каждого ТЦ, рассмотренного в работе - числе выполненных гидрологических станций до (фон) и после (след) его прохождения, времени выполнения гидрологических съемок и о районе, где они выполнялись.
В работе рассматривалась реакция на прохождение ТЦ за 1980 год- в слое от поверхности до 1000 м, за остальные годы в слое 0-500 метров. Для каждой станции значения температуры и солености воды приведены к стандартным горизонтам. Стандартные судовые метеонаблюдения включают измерения скорости и направления ветра, относительной влажности, приземного давления, температуры воздуха. Все они приведены к уровню 10 м над поверхностью океана. Дополнительно для сравнения и интерпретации результатов привлекались среднемесячные значения характеристик турбулентного обмена между океаном и атмосферой (потоков импульса, явного тепла и влаги) в узлах сетки 1 X 1 из атласа морской метеорологии [62, 63, 72]. В таблице 2.2 приведены основные характеристики тропических циклонов, рассмотренных в работе, в районах их исследования.
ТЦ Вирджиния. В 1978 году в северо-западной части Тихого океана была проведена экспедиция "Тайфун-78". С 24 по 30 июня было выполнено 55 гидрологических станций (табл.2.1), из них — НИСП "Прилив" на двух разрезах по 2030 с.ш (144-151 в.д.) и 25 с.ш (143 50-14820 в.д.), и НИСП "Прибой" на одном разрезе по 22 с.ш (143-149 30). С 26 по 30 июля этот район пересек тропический циклон Вирджиния (рис.2.2,а). При подходе к полигону ТЦ достиг стадии сильного тропического шторма - максимальная скорость ветра была 28 м/с, давление в центре ТЦ понизилось до 980 мб. Тайфун медленно передвигался в северо-западном направлении со скоростью 3 м/с. Радиус ветра со скоростью 15 м/с (г м/с) составлял 222 км, радиус ветра 25 м/с (г25 м/с) 74 км. 26 июля ТЦ достиг стадии тайфуна: Vm = 33 м/с, Pmin = 975 мб. С 26 по 28 июля, в районе с координатами 22 с.ш., 147 в.д., тайфун описал сложную петлеобразную траекторию. Максимальная скорость ветра уменьшилась до 30 м/с, давление в центре ТЦ повысилось до 990 мб. Радиус штормовой зоны 15 м/с составлял 278 км, а Г25м/с - Ш км. Скорость перемещения упала до 1.3 м/с. Тайфун проследовал на северо-запад со скоростью 4 м/с, 29 июля давление в центре понизилось до 980 мб, максимальная скорость ветра увеличилась до 36 м/с. Радиус штормового ветра 15 м/с достиг 333 км. 30 июля тайфун вышел из района океанографической съемки, а уже через день, с 1 по 16 августа стали выполняться гидрологические станции в его следе. В итоге было получено 63 гидрологические станции. Большой интерес представляют разрезы по 22 и 25 с.ш., так как для них есть и "фон", и "след". Измерения температуры и солености проводились до глубины 500 м.
ТЦ Джой. В рамках экспедиции ДВНИИ «КИСЗ-80», основной целью которой являлось изучение циркуляции вод северо-западной части Тихого океана, с 15 по 17 июля 1980 г. НИСП "Прибой" выполнил гидрологический разрез вдоль 135 в.д., с 11 30 по 19 00 с.ш., то есть к югу от зоны северной субтропической конвергенции (ССТК) [59]. июля его пересек ТЦ Джой на стадии тропического шторма с давлением в центре 983 мб и максимальной скоростью ветра 23 м/с. Радиус штормовых ветров 15 м/с составлял 185 км на юге и 280 км на севере, а радиус максимальных ветров 55-80 км (рис.2.2,б). Циклон перемещался в западном, северо-западном направлении со скоростью 8.8 м/с. 19 июля к 00 ч, в точке с координатами 14 36 с.ш. и 132 12 в.д., Джой развился в сильный тропический шторм: давление в центре упало до 980 мб, а максимальная скорость ветра достигла 28 м/с. В качестве его "следа" были использованы данные гидрологического разреза вдоль 133 в.д., выполненного НИС "Академик Королев" в течение двух дней после прохождения ТЦ, с 20 по 22 июля.
ТЦ Ким. Выполненные НИС "Академик Королев" три разреза - вдоль 137, 135 в.д. (с 17 по 19 июля) и вдоль 133 в.д. (с 20 по 22 июля),-использовались в качестве фоновых для ТЦ Ким, который пересек их 22 июля (рис.2.3,а). В 00 ч, в точке с координатами 1036 с.ш. и 136 42 в.д., максимальная скорость ветра составляла 10 м/с, а давление в центре -1000 мб. ТЦ перемещался в западном, северо-западном направлении со скоростью 5.6 м/с. Через 6 часов, в точке с координатами 1130 с.ш. и 135 18 в.д. Ким достиг стадии сильного тропического шторма: давление в центре упало на 2 мб, а скорость максимального ветра возросла до 20 м/с. Радиус ветра 15 м/с составлял 170-240 км. Скорость перемещения достигла 8.2 м/с. В 18 ч 22 июля пересекая 133 в.д. Ким развился в сильный тропический шторм с давлением в центре 990 мб и скоростью максимального ветра 26 м/с. Радиус штормового ветра 15 м/с составлял 278 км. Перемещаясь на северо-запад Ким продолжал заглубляться. 23 июля скорость перемещения ТЦ увеличилась до 9.3 м/с, максимальная скорость ветра достигла 31 м/с, давление в центре упало до 980 мб.
В следе циклона были выполнены гидрологические разрезы: НИСП "Прибой" — вдоль 133 в.д. с 29 июля по 1 августа, вдоль 135 в.д. 7 сентября, НИСП "Волна" - вдоль 137 в.д. с 29 по 30 августа.
Изменчивость интегральных характеристик верхнего слоя океана
В настоящем разделе приведены оценки изменчивости интегральных характеристик (теплосодержания, потенциальной энергии, солесодержания и массы соли столба воды) в следе шести тропических циклонов - Вирджинии (7807), Ким (8009), Норрис (8012), Винни (8019), Орчида (8013) и Сперри (8016). Результаты расчетов сведены в таблицы 3.1 и 3.2 и показаны на рисунках.
В следе ТЦ были рассчитаны средние по площади в 10-метровых слоях от поверхности до дна аномалии теплосодержания (рис.3.14) и потенциальной энергии (рис.3.15). Максимальное понижение теплосодержания из всех ТЦ вызвал тайфун Вирджиния. В результате воздействия этого ТЦ на ВСО сформировался циклонический вихрь синоптического масштаба (Приложение, рис.10). Интенсивный апвеллинг привел к понижению теплосодержания на всех горизонтах. Максимальные значения 80 МДж/м получены в слое 90-100 м. Соответственно, в верхнем слое океана увеличилась потенциальная энергия. Максимальное изменение Д РЕ составило 5 КДж/м2.
Как показано в предыдущем разделе, после прохождения ТЦ Норрис практически по всему району наблюдалось увеличение температуры воды в результате выноса теплых вод из зон конвергенции Куросио, северной субтропической и северофилиппинской конвергенции. Соответственно, это проявилось и в изменении теплосодержания, которое увеличилось в верхнем 400 метровом слое.. Максимальные значения AQ=40 МДж/м получены на глубине около 50 м. Потенциальная энергия верхнего 400 метрового слоя понизилась на 2 КДж/м .
Несмотря на то, что ТЦ Винни был гораздо интенсивнее ТЦ Вирджинии (максимальная скорость ветра превышала 60 м/с), аномалии д Q в его следе в два раза меньше. Теплосодержание верхнего слоя океана в целом понизилось (мах AQ=30 МДж/м на поверхности и на глубине 500 м), за исключением слоя 50-150 м, где оно увеличилось на 10 МДж/м2.
Потенциальная энергия ВСО повысилась, максимум АРЕ = 5 КДж/м2 на горизонте 500 м.После прохождения с интервалом в неделю двух ТЦ Орчид и Сперри распределение аномалий имело тот же характер, что и в случае прохождения тайфуна Винни. За исключением слоя 50-75 м, где теплосодержание увеличилось на 23 МДж/м , для всего ВСО получены отрицательные аномалии AQ порядка 30 МДж/м . Потенциальная энергия ВСО повысились, за исключением слоя 50-75 м, где АРЕ =-1 КДж/м .
Сильный тропический шторм Ким, перемещаясь с высокой скоростью (8.3-9.2 м/с), вызвал потепление в верхнем 100-метровом слое океана, что привело к повышению теплосодержания на 18 МДж/м . В слое 100-150 м AQ =-10 МДж/м . Максимальное увеличение теплосодержания на глубине 200 м, где AQ 20 МДЖ/М . Потенциальная энергия уменьшилась практически во всем верхнем 1000-метровом слое океана, за исключением слоя 250-300 м, где А РЕ =0.7 КДж/м2 (табл.3.2).
Представленные в настоящем разделе оценки интегральных характеристик используются для интерпретации результатов в главе 4. Синоптическая изменчивость верхнего слоя океана и горизонтальный турбулентный обмен
Тропические циклоны возбуждают в верхнем слое океана широкий спектр возмущений синоптического и меньшего масштабов, которые, сохраняясь длительное время, могут переносить в горизонтальном направлении количество движения, тепло, примеси в океане, определять распределение биологических объектов. На масштабах области воздействия тропического циклона на океан возмущения можно отделить от сглаженных фоновых полей океанологических характеристик и рассматривать их как проявление горизонтальной турбулентности, характеристики которой определяют потоки количества движения, тепла, солей. Обычно процессы горизонтального переноса параметризуются через введение турбулентных потоков, пропорциональных градиентам крупномасштабных полей переносимой субстанции, и некого эффективного коэффициента турбулентного обмена (коэффициента турбулентной вязкости, температуропроводности, диффузии). Этот коэффициент может, в свою очередь, определяться характеристиками крупномасштабных полей. В настоящем разделе представлены результаты оценок статистических характеристик горизонтального турбулентного обмена, полученных по данным гидрологических разрезов и полигонов для 12 случаев прохождения тропических циклонов в северо-западной части Тихого океана по методу, описанному в разделе 2.3.4. В пространственных спектрах возмущений океанологических полей обычно наиболее четко проявляется масштаб, равный бароклинному радиусу Россби, определяемому стратификацией и широтой. Этот масштаб связан с наиболее неустойчивыми возмущениями крупномасштабных океанических течений [15, 21]. Для наших оценок на рис.3.16 показана диаграмма рассеяния оцененных для всех разрезов и полигонов среднего пространственного масштаба пульсаций скорости в BKCZ/ и внутреннего бароклинного радиуса Россби R j. Линия на рисунке соответствует равенству
Оценки характеристик мелкомасштабного взаимодействия в области медленно перемещающихся тропических циклонов. Тропический циклон Вирджиния
Тайфун Вирджиния относится к медленно перемещающимся тропическим циклонам. Скорость перемещения ТЦ в районе гидрологической съемки составляла 3-4 м/с, в районе "петли" снизилась до 1.3 м/с. В таблице 4.1 представлены характеристики тайфуна и соответствующие им параметры модели скорости ветра - гт, а и Р, а на рис.4.2 показаны восстановленные по этим параметрам профили скорости ветра.
В расчетах характеристик энерго-массообмена использовались средние значения перепадов температуры и удельной влажности, полученных по всем судовым данным до и после прохождения тайфуна Вирджиния: Д Т=0.76С и Aq=0.0043 кг/кг. Они незначительно отличаются от средних значений для ТЦ Норрис (рис.4.7).
На рис.4.3 и 4.4 показано пространственное распределение суммарной теплоотдачи поверхности океана H+LE до и после прохождения ТЦ Вирджиния по судовым данным и по ASMD за июнь и август 1978 г. в данном районе. По ASMD в районе действия ТЦ Вирджиния в июне 1978 г. значения потоков тепла колебались в пределах 80-130 Вт/м , что в среднем по площади в 1.4 раза меньше потоков, полученных по судовым данным, которые варьировали в пределах 100-240 Вт/м (табл.4.2).
На рис.4.5,а показано пространственное распределение суммарного потока H+LE, осредненного по времени прохождения ТЦ Вирджиния. Сложная петлеобразная траектория, которую тропический циклон описал около точки с координатами 22 с.ш. и 147 в.д. в течение трех дней так же показана на рисунке. Это привело к тому, что пространственное распределение осредненного по времени полного суммарного потока H+LE имеет форму, близкую к эллипсоиду с максимумом 400 Вт/м (220 МДж/м ), расположенным в районе, где тропический циклон «петлял», и минимальными значениями 200 Вт/м (110 МДж/м ) на периферии. При этом скорость максимального ветра составляла 30-33 м/с, давление в центре было
Анализ результатов показал, что суммарная теплоотдача H+LE во время действия тайфуна, Вирджиния в среднем по району возросла в 1.7-2 раза по сравнению с фоновыми значениями, полученными по судовым данным и в 2.6 раза по сравнению со средними из ASMD за июнь 1978 г. (табл.4.2). Потери тепла океаном через турбулентный поток явного тепла и затрат тепла на испарение должны прослеживаться до глубины ветрового перемешивания, которую можно оценить в первом приближении как 0.3 u /f [7, 10, 21, 25]. В данном случае она равна примерно 20 метрам и для слоя такой глубины на рис. 4.5, б показано пространственное распределение аномалий теплосодержания в следе Вирджинии. Оно имеет тот же характер, что и распределение суммарной теплоотдачи H+LE во время прохождения ТЦ. Теплосодержание верхнего 20-метрового слоя понизилось по всему району. После прохождения ТЦ Вирджиния сформировался циклонический вихрь синоптического масштаба [32] (Приложение, рис.10). Максимальное охлаждение слоя наблюдалось в районе «петли» траектории ТЦ и достигало -340 МДж/м . Область с AQ= -200 МДж/м локализована в районе «петли» траектории ТЦ и совпадает с областью полного потока H+LE за время действия ТЦ равного примерно 200 МДж/м или 360-380 Вт/м .
Охлаждение верхнего слоя океана при прохождении тайфуна Вирджиния привело к уменьшению потоков H+LE в августе по сравнению с июнем почти в два раза и в четыре раза по сравнению с потоками во время действия ТЦ (табл.4.2). На рис.4.4, б область петлеобразной траектории ТЦ Вирджиния четко выделяется по наименьшими значениями потока H+LE=20 Вт/м2. В среднем по площади потоки импульса т в движущемся тайфуне возросли в 6-7 раз по сравнению с фоновыми значениями, полученными по судовым данным и в 15 раз по сравнению с оценками из ASMD за июнь 1978 г. Потоки импульса в движущемся тропическом циклоне более чем в 10 раз превышают значения, полученные по судовым данным после прохождения ТЦ и оценкам из ASMD для августа.
На рис.4.6,а представлено пространственное распределение потока механической энергии на поверхности океана в районе действия ТЦ Вирджиния. Как видно из рисунка, распределение потока имеет тот же характер, что и суммарный поток тепла H+LE. Максимум, равный 0.08 Вт/м (45 КДж/м ) расположен в районе описанной циклоном «петли». Для этой области Пудовым В.Д. была получена оценка полного потока механической энергии по изменению плотности верхнего 1000-го слоя, равная 90 КДж/м [32, 31], что в два раза больше оценок, полученных в настоящей работе. Скорее всего, такое расхождение в оценках связано с влиянием адвективных факторов на изменение распределения плотности в [31,32].
Величины потоков механической энергии ветра согласуются с изменениями потенциальной энергии в слое 0-75 м, где ее положительное изменение АРЕ достигает 25 КДж/м (рис. 4.6,6) Эта область совпадает с областью потоков механической энергии ветра со значениями 25 КДж/м (или 0.05 Вт/м ). В среднем по площади потоки механической энергии в движущемся ТЦ увеличились в 19-25 раз по сравнению с фоновыми потоками, рассчитанными по судовым данным и в-37 раз по сравнению со среднемесячными значениями за тот же период. Сравнение оценок W в движущемся тропическом циклоне с величинами, полученными по данным после прохождения тайфуна показало, что они в 41-47 раз больше потоков, рассчитанных по судовым данным за август и в 30 раз потоков из ASMD.
