Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Основы теории движений синоптического масштаба . 9
Глава II Объективный анализ океанологических полей по данным температурно-плотностных съемок полигона ПОЛИМОДЕ в феврале-мае 1978 г. 23
I. Исходные данные и метод их обработки . 24
2. Оптимальная интерполяция и оптимальное дифференцирование скалярных полей. 40
3. Результаты объективного анализа полей синоптических возмущений плотности,
функции тока и связанных с ними характеристик. 48
Глава III. Структура и динамика синоптических вихрей полигона ПОЛИМОДЕ. 94
I. Вертикальная структура вихрей. 94
2. Взаимодействие вихрей с крупномасштабным течением. ИЗ
3. Горизонтальный перенос тепла, обусловленный вихрями. 130
Глава ІV. Синоптическая изменчивость Аравийского моря и Антарктического циркумполярного течения по результатам наблюдений на гидрофизических полигонах. 135
I. Структура и динамика синоптических вихрей на П0ЛИГ0НЕ -67. 136
2. Циклонический вихрь в Антарктическом циркумполярном течении. 148
ЗАКЛЮЧЕНИЕ? 168
ЛИТЕРАТУРА. 171
- Основы теории движений синоптического масштаба
- Исходные данные и метод их обработки
- Вертикальная структура вихрей.
- Структура и динамика синоптических вихрей на П0ЛИГ0НЕ
Введение к работе
В современной океанологической литературе под термином "синоптические океанские вихри" подразумеваются нестационарные вихревые возмущения поля океанских течений о диаметром от нескольких десятков до сотен километров и временным масштабом порядка месяца, распространяющиеся в глубину океана на сотни и тысячи метров. Скорости вращения воды в поле синоптических вихрей достигают десятков сантиметров в секунду, скорости их поступательного перемещения на порядок ниже. Вихри, как правило, имеют бароклинный характер, что делает возможным изучать их структуру на основе распределения плотности воды.
На протяжении последних пятнадцати лет изучение синоптической изменчивости является одним из ведущих направлений в океанологии. Как оказалось, именно вихри в большей степени, чем любое другое явление, формируют океанскую погоду, т.е. определяют мгновенные распределения скоростей течений, температуры, солености, скорости звука и т.д. Вихревой перенос является эффективным механизмом перераспределения по пространству гидрологических характеристик, в частности, вносит заметный вклад в общий меридиональный перенос тепла в океанах. Это особенно важно учитывать при решении задач прогноза погоды и климата. Энергообмен между климатическим и синоптическим масштабами во многом определяет динамику крупномасштабной океанской циркуляции. В областях дол-гоживущих вихревых образований, к которым, в частности, относятся ринги сильных пограничных течений (таких как Гольфстрим, Куросио, Антарктическое циркумполярное течение) и недавно обнаруженная форма проявления синоптической изменчивости - линзы инородной воды в слое главного термоклина, в силу отличия их свойств от свойств окружающей воды создаются оообые условия для развития
ЖИВЫХ организмов (например, Wiebe et.al., 1976; Franter, Parker, Creswell, 1980; Haury, 1984).
Вопросы, связанные с синоптическими вихрями, привлекают внимание ученых, работающих в самых разных областях океанологии. В последнее время активно разрабатываются и применяются новые технические средства, позволяющие получить информацию о синоптической изменчивости океанологических полей. Например, широкое развитие получили наблюдения вихрей с помощью искусственных спутников Земли (Brown, Cheney, 1983 ). Изменились средства получения традиционной гидрологической информации, В настоящее время гидрологические съемки в океане, в основном, выполняются CTD зондами (АИСТ, ИСТОК, зонд "brown" и т.д.). Использование попутных рейсов торговых судов для проведения температурных зондирований приборами типа ХВТ расширили наши представления о географии синоптической изменчивости океана (сейчас создан советский вариант этого прибора ТЗО - термозонд обрывной)» Одновременно активно развивается раздел геофизической гидродинамики, направленный на теоретическое исследование закономерностей движений синоптического масштаба»
После открытия синоптических вихрей (Бреховский и др., 1971) их присутствие обнаруживается повсеместно в мировом океане (например: Andrews, 1977; Sievers,Emery,1979)№* следует ИЗ имеющихся данных о географическом распределении синоптической энергии, ее максимальные значения приходятся на области сильных Крупномасштабных течений ( Wyrtki, Magaard, Hager, 1976; Schmitz, Holland, Price, 1983).
Результаты наблюдений в океане обнаруживают большое разнообразие проявлений синоптической изменчивости. По механизмам генерации вихри обычно подразделяют на фронтальные - меандры и ринги струйных течений и вихри открытого океана, порожденные внутренней неустойчивостью крупномасштабной циркуляции, топографическими эффектами и прямым атмосферным воздействием (Каменко-вич, Кошляков, Монин, 1982), Кроме того, различают вихри, перемещающиеся вместе с содержащейся в них водой, и вихри, порожденные волновыми движениями соответствующих масштабов. Вопрос об энергетических источниках синоптических возмущений является одним из самых интересных, так как ответ на него проясняет роль вихрей в общей картине океанских движений.
В связи со сложностью постановки хорошего натурного экспе-позволяющего римента в океане, надежно проследить статистические закономерности пространственно-временной эволюции поля синоптических вихрей и их взаимодействия с движениями других масштабов, большое значение приобретает теоретический подход к изучению этих закономерностей, в частности, численные эксперименты с вихреразреша-ющими моделями. В соответствии с имеющимися теоретическими оценками (Gill, Green, Simmons, 1974; Каменкович, Резник, 1978) И результатами численных экспериментов (Holland, Lin,1975; Semtner, Mintz, 1977; Сеидов, 1980) к настоящему моменту сложилось мнение, что основным источником синоптической энергии является неустойчивость крупномасштабной циркуляции. При этом взаимодействие в системе среднее течение - вихри имеет циклический характер: на протяжении цикла сменяют друг друга процессы накопления энергии среднего течения и расхода ее на генерацию вихрей (Саркисян и др., 1981). Даже сравнительно медленные и широкие течения, обладающие вертикальным сдвигом скорости, могут порождать значительную вихревую активнооть за счет своего большого запаса доступной потенциальной энергии. В областях узких струйных течений важную роль играет механизм так называемой "отрицательной вязкости", посредством которого синоптические вихри участвуют в формировании крупномасштабного течения, переда- вая ему свою энергию (Монин, Сеидов, 1983). Энергия крупномасштабной циркуляции, расходуемая на генерацию синоптических колебаний, постоянно восстанавливается за счет взаимодействия океан-атмосфера (действие ветра и широтная изменчивость потоков тепла через поверхность океана). Кроме того, часть энергии синоптических возмущений возвращается крупномасштабной циркуляции в тех частях круговорота, где работает механизмиотрицательной вязкости" .
Проведение натурных наблюдений над синоптическими вихрями открытого океана требует наличия высокого уровня технической оснащенности и больших материальных затрат. Главный вклад в этом направлении принадлежит СССР и США. К концу 60-х годов в результате ряда экспериментов в различных районах Мирового океана были получены данные о долгопериодных возмущениях океанской циркуляции синоптических масштабов, которые трактовали как результат прохождения планетарных квазигеоотрофических бароклин-НЫХ ВОЛН ( Swallow,Hamon, 1960; Yasui, 1961; Lonquet-Higgins,1965; Phillips, l966;Swallow,1971)»B03HHKna необходимость организации наблюдений, которые позволили бы вскрыть истинное пространственное отроение и характер временной эволюции этих возмущений.
Основным методом, принятым советскими исследователями для экспериментального изучения синоптической изменчивости океана, явились долговременные гидрофизические полигоны. К настоящему времени накоплен большой опыт проведения такого рода работ. Первый океанический синоптический полигон был выполнен в 1967 году в южной части Аравийского моря (П0ЛИГ0Н-67) Институтом океанологии АН СССР по инициативе В.Б.Штокмана (Штокман и др., 1969). Гидрологические съемки и результаты измерений скорости продемонстрировали ярко выраженную синоптическую изменчивость гидрофи- зических полей в исследуемой области. Детальная съемка нескольких вихрей посредством прямых измерений течений на 10 горизонтах была впервые выполнена в советском эксперименте ІЮЛИГ0Н-70. Эксперимент проводился в тропической части Северной Атлантики на южной периферии Северного пассатного течения в феврале-сентябре І970 г. Долгопериодные колебания океанологических характеристик были обусловлены прохождением через полигон в западном направлении эллипсообразных синоптических вихрей (длины большой и малой полуосей составляли около 200 и 100 км соответственно). Было отмечено, что вертикальные оси вихрей наклонены в сторону, обратную их поступательному движению (Кошляков, Грачев, 1974). Из теории синоптических движений известно (Каменкович, Резник, 1978), что такой наклон вертикальной оси свойствен возмущениям, усиливающимся за счет энергообмена с крупномасштабным течением* Последующий анализ данных П0ЛИГ0НА-70 подтвердил наличие притока энергии к вихрям за счет бароклинной неустойчивости крупномасштабного течения в районе проведения эксперимента (Котляков, Яремчук, 1984). Вихри ПШШГ0НА-70 были интерпретированы как суперпозиция бароклинных волн Россби (Кошляков, 1973; Кошляков, Грачев, 1974; Mc'Williams, Robinson, 1974-).
Измерения, проведенные в американских экспериментах серии МОДЕ (Mid Ocean Dynamics Experiment ) в другой части Северной Атлантики были во многом сходны с измерениями на ПШШГОНЕ-70 и дали аналогичные результаты. Существенно новыми в смысле методики и полученных результатов явились наблюдения за траекториями поплавков нейтральной плавучести, которые, в частности, обнаружили заметную роль перенооной, турбулентной формы движения в поле вихрей ( Rossby, Freeland, 1977).
До сих пор самым значительным экспериментом такого рода остается советский полигон, выполненный в рамках международ- ной программы ПОЛИМОДЕ, Площадь акватории, охваченной измерениями (примерно 300x300 км) и протяженность наблвдений во времени (более 13 месяцев) позволили получить уникальный исходный материал для изучения, физических свойств синоптических вихрей открытого океана. Напомним, что основой эксперимента являлась система из 19 буйковых станций, оснащенных измерителями скоростей течений и температуры на горизонтах 100, 400, 700 и 1400 м. Станции располагались с таким расчетом, чтобы обеспечить минимальную ошибку восстановления поля скорости по данным наблвдений. Кроме того была выполнена серия гидрологических съемок района буйкового полигона. Помимо советского полигона, программа ПОЛИМОДЕ включала в себя ряд более мелких локально-динамических экспериментов и обширную статистико-географическую часть.
Те трудности, с которыми связано проведение наблюдений в открытом океане, заставляют очень бережно относиться к добытым экспериментальным данным, снова и снова обращаясь к материалам давно проведенных измерений с тем, чтобы заново переосмыслить их в соответствии с современными теоретическими представлениями. Каждое измерение, выполненное в океане, представляет собой как бы "фотографию" состояния в момент и в месте проведения измерений. Как именно трактовать картину, которую мы видим на "фотог** рафии", не всегда возможно до конца понять сразу после выполнен ния эксперимента.
В предлагаемой работе рассматривается структура синоптичес- яих взмущений в океане и их динамические характеристики, в частности, разбирается вопрос о механизмах генерации вихрей. Материалом послужили данные температурно-ллотностных съемок на трех гидрофизических полигонах в разных частях мирового океана: ШЛИГ0НА-67 в Аравийском море, полигона ПОЛИМОДЕ в Саргассовом море и полигона 1983 года в африканском секторе Антарктического циркумполярного течения. Дисоертация состоит из введения, четырех глав и заключения»
В первой главе коротко излагаются те выводы современной теории синоптических течений, которые использованы в работе для трактовки результатов наблюдений* Вторая и третья главы посвящены анализу данных полигона ПОЛИМОДЕ.
Во второй главе излагается методика обработки данных тем-пературно-плотностных съемок и результаты объективного анализа полей возмущения плотности, функции тока, доступной потенциальной, кинетической и суммарной энергии и потенциальной завихренности, связанных с синоптическими течениями на полигоне*
В третьей главе анализируется вертикальная структура от«-дельных вихревых образований синоптического масштаба по результатам объективного анализа полей, описанного во второй главе; рассматривается вопрос о возможных источниках энергии вихрей; оценивается вклад вихрей в меридиональный перенос тепла.
В четвертой главе рассматриваются некоторые свойства синоптических возмущений на П0ЛИГ0НЕ-67 и полигоне 1983г.в Антарктическом циркумполярном течении по данным гидрологических съемок, выполнявшихся в этих экспериментах.
В заключении суммируются основные результаты работы в виде кратких выводов.
Основы теории движений синоптического масштаба
В этой главе приводится, обзор состояния современной теории синоптических вихрей в той мере, в которой это необходимо для интерпретации данных темлературно-плотностных съемок Как крупномасштабные течения, так и синоптические вихри принадлежат к обширному классу сравнительно медленных (временной масштаб "С порядка десяти суток и более) океанских течений, для которых отношение вертикальных масштабов к горизонтальным мало (И /и I) Такие движения в области средних широт локально описываются с помощью гидростатических уравнений а - плоскости (Каменкович, Резник, 1978; Ле Елон, майсек, 1981):
Исходные данные и метод их обработки
Международная программа ПОЛИМОДЕ (с участием СССР, США, Канады и ряда стран Западной Европы) была нацелена на изучение синоптической изменчивости мирового океана и включала в себя ряд локальных динамических экспериментов (полигонов) и обширную географическую часть. Участие советской стороны в основном заключалось в проведении долговременного синоптического гидрофизического полигона, данные этого эксперимента существенно обогатили знания, океанологов о природе и характере синоптических вихрей открытого океана. Благодаря продолжительности наблюдений и сравнительно большой площади полигона впервые появилась возможность проследить закономерности изменения во времени различных статистических характеристик поля вихрей - например, средней кинетической энергии. Временные ряды компонент скорости, полученные в результате обработки показаний датчиков скорости на автономных буйковых станциях (АБС), выявили сложную картину эволюции синоптических течений в районе полигона. На картах течений, построенных по данным прямых измерений скорости, четко прослеживаются процессы возникновения, взаимодействия, ослабления отдельных вихрей, перераспределения энергии вихрей по глубине (Грачев и др., 1978; Грачев, Еникеев, Кошляков, 1982; Котляков и др., 1978; Koshiyakov et.aij[979; Котляков, Грачев, Еникеев, 1980; Кошляков и др., 1981). СТОЛЬ полную картину синоптической изменчивости на довольно большой акватории в верхнем полуторакилометро-вом слое океана океанологи имеют впервые в результате этого эксперимента. Обширная серия гидрологических съемок района буйкового полигона (всего за годовой период было выполнено 25 таких съемок) позволяет более детально рассмотреть вертикальную структуру синоптических возмущений.
Вертикальная структура вихрей
Хорошее разрешение по глубине, обеспечиваемое температур-но-плотностными свемками, позволяет подробно рассмотреть вертикальную структуру отдельных вихревых образований. Провести такой анализ по материалам эксперимента ПОЛИМОДЕ представляет особый интерес, так как в данном случае имеется возможность опираться на результаты долговременных наблюдений за скоростью течений на четырех горизонтах. Обычно при анализе данных съемок имеют дело с одной или несколькими случайными реализациями распределения в пространстве полей гидрологических характеристик, и по самим данным невозможно судить, насколько характерна для исследуемого района рассматриваемая, ситуация. В данном случае, благодаря предварительному анализу результатов инструментальных измерений скоростей течений на АБС, мы имеем представление об изменении характера течений на полигоне во времени (Грачев и др., 1978; Кошляков и др., 1978; Грачев и др., 1982; Грачев, Еникеёв, Кошляков, 1982; Козубская, Кошляков, Яремчук, 1982), и гидрологические съемки можно с известными приближениями рассматривать как вертикальные сечения (при фиксированном времени) в общем известной синоптической ситуации на полигоне. Шесть съемок, результаты которых анализируются в диссертации, приходились на период, отмеченный постоянным присутствием на полигоне от одного до трех ярко выраженных, резко бароклинных вихрей с радиусами около 50 км. Этот период продолжался с конца января до конца мая 1978 года и сменился в июне другим периодом, характеризовавшимся резкой баротропизацией течений и увеличением размеров вихрей (Грачев и др., 1982).
Структура и динамика синоптических вихрей на П0ЛИГ0НЕ
В настоящей главе изложены результаты обработки данных ме-зомасштабных гидрологических съемок в двух районах Мирового океана, сильно различающихся по своим свойствам. Эти наблюдения могут служить иллюстрацией многообразия проявлений синоптической изменчивости океана. Вихри в двух экспериментах характеризовались общими пространственно-временными масштабами, но имели совершенно различную природу. Возмущения, наблюдавшиеся в Аравийском море, во многом напоминают вихри полигона ПОЛИМОДЕ. Проведенный анализ результатов измерений позволяет предположить, что в данном случае, так же как и на полигоне ПОЛИМОДЕ, бароклинная неустойчивость крупномасштабного течения являлась основным источником синоптической энергии. Что касается циклонического вихря, наблюдавшегося в 1983 году в Антарктическом циркумполярном течении к югу от Африки, то он являлся существенно баротропным квазистационарным вихрем-меандром, местоположение которого, по-видимому, объясняется особенностями рельефа дна в этом районе.
Похожие диссертации на Структура и динамика синоптических океанских вихрей по данным температурно-плотностных съемок на гидрофизических полигонах
