Введение к работе
Актуальность тега. Проблема изучения фронтальных зон йіро-зого океана и их изменчивости является одноЗ из важнейших в океанологии и приобретает все большее научное и практическое значение. С 70-х годов происходит постепенное переосмысление ранее практиковавшегося взгляда на фронты как на довольно статичные и практически непроницаемые границы раздела меяду водными массами. Все большее признание сре.ди исследователей завоевывает подход'к фронта:.;, как к физическому явленна со сложной внутренней .динамикой, обладающему свойством самоподдеркания и являющемуся важным звеном в цепи передачи энергии по каскаду масштабов от элементов глобальной циркуляции до мелкомасштабных явлений.
Общая физическая концепция фронтальных зон была дана К.Н.Федоровым. Термин "фронтальная зона" далее будет употребляться в смысле определения, данного К.Н.-Зедорознм (I9S3) как "зона, в которой пространственные градиенты основных термодинамических характеристик значительно обострены по сравнение со средним равномерным распределением между устойчиво существующими климатическими и иная экстремумами". "Фронтальный раздел" -это "позерхііость внутри фронтальной зоны, совпадающая с поверхностью максимального градиента одной или нескольких, характеристик (температуры, солености, плотности, скорости и т.д.".
Ранее неоднократно отмечалось (например, Федоров, 1983), їто структура климатических фронтальных зон весьма слогаа, т.к. эе элементами являются фронтальные зоны меньшего масштаба. 3 полной мере это относится и к структуре Северной Полярной фронтальной зоны (СПІ'З). Любое ЙК-изобрааенпе исследуемой акватория їли запись горизонтальных измерении температуры, полученная
с помощью непрерывного регистратора, позволяют убедиться в том, что любой участок СШЗ не есть плавная переходная зона от вод с одними характеристиками к водам с другими характерне тиками. Результаты таких измерений позволяют с уверенностью констатировать, что все рассматриваемые-фронтальные зоны икег сложную горизонтальную структуру, состоящую из элементов разных масштабов.
Тип внутренней структуры Фронтальных зон существенным об разом зависит от многих факторов: системы течений, термохалин ной структуры взаимодействующих вод, донного рельефа, атмосферных, приливных и .др. воздействий. В этом смысле, моря Севе ро-Европейского бассейна' (Норвежское, Гренландское и Баренцев являются уникальным полигоном .для исследования закономерностеї формирования структуры фронтальных зон. Для данного региона х; рактерны:
слояная система течений, в условиях замкнутой акватории;
многообразие типов тзрмохалинной структуры фронтов от преиыз щественно термических до преимущественно соленостных;'
сильная изменчивость глубин дна. от сотен до тысяч метров, не .личие ынокёства разномасштабных форм донной топографии (подвод ные желоба, пороги, плато, каньоны);
многообразие типов вертикальной стратификации вод;
наличие ледяного покрова на значительной части акватории.
Предварительно, автором, совместно с А.Г.Костяным и С.С.Макаровым, на основе архива гидрологических данных, собранного в ГМЦ СССР и данных литературных источников выполнено описание крупномасштабных характеристик системы фронтов Норвежского, Гренландского и Баренцева морей, и выделены основные участки Северной Полярной Фронтальной Зоны (СШЗ), а
также ряд других фронтальных зон на указанной акватории. В 1985-1990 г.г. был проведен ряд специализированных натурных экспериментов по исследованию ивзо- и мелкомасштабных явлений, обусловливающих внутреннюю структуру фронтальных зон. Натурные данные, послужившие основой работы, были получены при участии автора путем комплексного использования современных методов получения информации повышенного пространственного разрешения: спутниковой Ж-радиоыетрии, авиатермо-съеыки, поверхностных трассовых измерений, выполнения мезо-и микрополигонов СТД-зондаш, измерений течения с помощью акустического допплеровского профілометра.
Комплексный подход, основанный на совместном анализе натурных данных и результатов теоретических и лабораторных работ по исследованию динамики вод во фронтальных зонах позволяет выявить роль различных явлений и процессов, ответственных за формирование многофронтальной внутренней структуры фронтальных зон.
Цель работы. На примере морей Сезеро-Европеёского бассейна рассмотреть многообразие типов внутренней структуры фронтальных зон, а также физических явлений, обусловливающих эту структуру и механизмов их образования, используя при этом результаты теоретического и лабораторного моделирования. Приведенная в работе информация не имеет узкогеографического характера, ограниченного лишь некоторым регионом. Сведения о механизмах формирования внутренней структуры фронтальных зон, полученные на примере указанной акватории, могут быть использованы при анализе фронтальных явлений в .других районах Швового океана.
Основные задачи исследования заключались в следующем:
-
выделение и исследование на примере морей Северо-Европей-ского бассейна основных типов многофронтальнок структуры Фронтальных зон на основе натурных измерений дистанционными и контактными методами высокого разрешения;
-
экспериментальное изучение основных явлений, формирующих указанные тиш внутренней горизонтальной и вертикальной структуры фронтальных зон и оценка их вклада в трансфронтальннй обмен теплом и солью;
-
исследование на основе матештической модели влияшія термо-халишшх характеристик фронтальной зоны на развитие интрузион-ных процессов;
і) получение на основе сравнения натучных-данных с данныш теоретического и лабораторного моделирования сведений о механизмах формирования горизонтальной и вертикальной внутренней структуры фронтальных зон.
Научная новизна диссертации состоит в следующем:
-
Установлено наличие слоеной шогойронтальнок структуры фронтальных зон Норвежского, Гренландского и Баренцева морей. Выделены основные тиш их внутренней структура: "ступенчатый", для которого характерно наличие-высокоградиентных "основных" фронтальных разделов, непрерывных по всей .длине фронтальной зоны, "переменащийся", .для которого характерно чередование локальных фронтов разного знака и отсутствие ."основного" раздела, а также "промежуточный" тип.
-
Да основе анализа данных дистанционного зондирования, а такие данных 15 ыезо- и микрополигонных гидрологических съемок, выполнено описание основных явлений, обусловливавших внутреннюю структуру фронтальных зон (меандров, затяжек, поверхностных и - внутритермок. лнных вихрей, вихревых .диполей
и т.д.).
3. Путем сравнения натурных данных с результатами теоретичес
кого и лаборзторяого моделирования, показано, что основной
причиной формирования .мезоиасштабной внутренней структуры
фронтальных зон является бароклинио-баротропная неустойчи
вость фронтальных разделов, /становлены существенные разли
чия в характере реализации неустойчивости в случае широких
и узких вдольфроктальных течений. Показано, что неустойчивость "широких" течений, обусловливает "ступенчатый" тип структуры'фронтальных зон, неустойчивость "узких" течений -"переменающийся". Дополнительным фактором формирования перемежаемости является ззаиыодействие ыезомасштабных структур ыезду собой. Выполнена оценка трансфронтального "вихревого" тепло- и солеобыена.
4. Рассмотрена физическая модель роста тэрмохалшных интру
зий в зависимости от степени тершгллнности и бароклинности
фронтальных зон. На основе сраваешгя результатов моделирова
ния с даншши наблюдений вертикального пнтрузионного расслое
ния во фронтальных зонах показана возможная роль в формиро
вании внутренней структуры фронтальных зон процессов .двой
ной диффузии и факторов, связанных с бароклинкостью.
На защиту выносятся следующие положения: I) фронтальные зоны морей. Сезеро-Европейского бассейна обладают слокной шогофронтальной структурой; выделяется два основных типа горизонтальной структуры: "ступенчатый", .для которого характерно наличие одного ила нескольких высокоградиентных "основных" фронтальных разделов, непрерывных по всей длине фронтальной зоны, и "перешгьэюидйся", для которого ха-
рактерно чередование высокоградиентных участков разного знака и отсутствие "основных" разделов; существует такке "промежуточный" тип структуры;
-
основным механизмом образования ыезомасштабных структур (мечндров, затяжек, поверхностных и внутритермоклинных вихрей, вихревых .диполей и .др.), характерных .для внутренней структуры исследуемых фронтальных зон, является бароклинно-баротропная неустойчивость; величины трансфронтальных "вихревых" потоков тепла и соли имеют порядок, соответственно, I05 - I06 да.ы"2с-1 и 2-Ю"3 - 4-Ю"2 %о м.с;-
-
существование различных типов внутренней структуры фронтальных зон обусловлено различием.в механизмах реализации неустойчивости в условиях "широких" и "узких" по отношению к'локальному радиусу'деформации Россби вдольфронт^льных течений; неустойчивость "широких" течений приводит к "ступенчатому" характеру внутренней структуры фронтальных зон, неустойчивость "узких" течений - к "перемещающемуся"; важным фактором формирования структуры фронтальных зон является взаимодействие фронтальных .динамических структур мезду собой;
-
одним из механизмов, формирующих внутреннюю структуру' фронтальных зон, является вертикальное интрузионное.расслоение вод, которое, согласно предсказаниям рассмотренной математической модели, может быть обусловлено.крч тормохаликныш механизмами,двойной .диффузии, так и бароклинными факторами.
Практическая ценность работы. Полученные в работе результаты являются основой для создания физических и математических моделей эволюции фронтальных -он и-методов прогнозі
гидрофизического и гидрохимического режимов вод северных морей. Зто дает базу .для развития моделей биоценозов, совершенствования методов прогноза погода, создания болев совершенных методик увеличения эффективности промысла. Часть результатов работы нашла внедрение при разработке модели изменчивости гидрологической структуры вод Баренцева моря в Мурманском филиале ААНШ, а такие при разработке прикладных гидроакустических моделей.
Апробация результатов .диссертационной работы проводилась на всесоюзной конференции "Проблемы стратифицированных течений" (Юрмала, 1988), на Межведомственном океанографическом семинаре (Мурманск, 1988), на Конференции молодых ученых в ИОАН СССР (1988), на I Всесоюзном Семинаре "Океанологические фронты северных морей: характеристики, методы исследований, модели" (Москва, 1989), на Коллоквиуме Отдела морских прогнозов ГМЦ СССР (1989), на Коллоквиумах Отдела экспериментальной и космической океанологии (1989, 1991), на Международной конференции "Океанология-90" (Брайтон, Великобритания, 1990).
Публикации. Из теме .диссертации опубликовано 12 работ.
Объем и структура диссертации.. Диссертация объемом №3 страниц состоит из введения, четырех глаз, заключения, списка цитированной литературы ( 177 наименований), содержит 4^ рисунков, У2. таблиц.
