Введение к работе
Введение. Проблема влияния рельефа дна на течения Мирового океана впервые была сформулирована в 1923 г. Экманом, который рассмотрел задачу об обтекании крупномасштабного возмущения рельефа дна в океане в виде кругового цилиндра и конуса. Таким образом, "возраст" этой проблемы в океанологии составляет в настоящее время 70 лет. Накопленные за этот период знания о динамике вод Мирового океана свидетельствуют о большом многообразии форм проявления рельефа дна в формировании пространственно-временной изменчивости ' течений в океане. Одним из таких проявлений рельефа дна в структуре течений является эффект изменения относительной завихренности потока при прохождении им над подводными горами. Это приводит к генерации в районах подводных гор вихревых структур, получивших название топографических вихрей. Топографическое вихреобразование
- одно из интереснейших явлений в гидродинамике Мирового океана.
Настоящая работа посвящена развитию теории топографического вихреобразования в океанах и морях, изучению особенностей пространственной структуры топографических вихрей, выявлению на основе развитой теории новых вихревых структур в динамике течений Мирового океана, обусловленных мезомасштабными возмущениями рельефа дна
- подводными горами, хребтами и островами, имеющими протяженность,
по крайней мере, по одному из направлений порядка сотни километ
ров. Теория развивается для двух предельных случаев мезомасштабных
возмущений рельефа дна - малых возмущений, когда высота возвышения
дна мала по сравнению с общей глубиной океана (первый предельный
случай) и островов, когда это отношение равно единице (второй пре
дельный случай). Теория топографического вихреобразования над го
рами конечной высоты остается пока задачей будущего.
Под процессом топографического вихреобразования в работе понимаются изменения вихревой структуры потока, которые сравнимы с вызвавшими их возмущениями рельефа дна. Многочисленные исследования мезомасштабной структуры лагранжева переноса вод Мирового океана с помощью Оуев нейтральной плавучести однозначно указывают на повсеместный процесс изменения вихревой структуры течений в океанах и морях при прохождении ими районов подводных гор и хребтов.
В целях изучения закономерностей топографического вихреобразования в различных районах Мирового океана в работе большое внимание уделено исследованию этого процесса в приливных течениях.
Актуальность выбранной темы исследования определяется боль-'
шой важностью для океанологии проблемы влияния рельефа дна на течения в океанах и морях, т.к. именно рельеф дна определяет многие особенности движения морских вод.
Открытие синоптических вихрей в океане показало важную роль в динамике вод Мирового океана синоптических масштабов движения. Топографические вихри также относятся к этим масштабам и их роль в формировании синоптической изменчивости течений Мирового океана очень существенна, т.к. подводные горы являются одним из источников появления свободных синоптических вихрей в открытом океане.
Актуальность развития теории топографического вихреобразова-ния в океанах и морях определяется помимо чисто гидродинамического интереса к этому явлению, также и практической необходимостью выявления механизма связи структуры течения над подводными горами и биопродуктивности вод. Экспериментальные исследования в океане показали, что за счет образования топографических вихрей биопродуктивность вод в районах подводных гор может на порядок и выше превышать окружающий фон. Последнее является основной причиной формирования над некоторыми горами в открытом океане локализованных ры^ бных скоплений промыслового значения.
Исследование закономерностей топографического вихреобразования над подводными возвышенностями и вокруг островов в приливных течениях - важная и актуальная задача в динамике течений северных приливных морей, особенно в наши дни в связи с активным освоением шельфових районов Ледовитого океана из-за обнаруженных там больших запасов газа.
Основная цель работы - теоретические исследования закономерностей формирования вихревых структур над подводными горами мезо-масштабной протяженности - топографических вихрей, спутных россби-евских волновых следов и т.д., и в окрестности островов - топографических и циркуляционных вихрей, вихревых структур в поле остаточных приливных течений. Основное внимание в диссертации уделяется исследованию влияния на процесс топографического вихреобразования таких факторов, как меандрирование и осцилляция фонового течения , стратификация вод, наличие свободных синоптических вихрей в фоновом течении.
Теория морских течений неизбежно опирается на схематизацию явлений, что проявляется, прежде всего, в использовании различных приближений. Такими "традиционными" приближениями в теории топографического вихреобразования в океане являются зональность и одно-
родность рассматриваемых потоков, натекающих на возмущение дна, однородная или в лучшем случае экспоненциальная стратификация вод. Однако, как показывают наблюдения, чисто зональных течений в Мировом океане практически не существует. Все известные зональные течения, включая Антарктическое циркумполярное течение, имеют меанд-рирующую структуру. Меандрирование набегающего на возвышенность фонового течения - это первый фактор, изучению влияния которого на процесс топографического вихреобразования в океане посвящена диссертация .
Второй фактор - стратификация вод. Экспоненциальная стратификация вод является далеко не лучшим приближением реальной стратификации в океане и используется, как правило, в целях упрощения задачи. Обнаруженный А.С. Мониным, В.Г. Нейманом и Б.Н. Филюшкиным (1970) гиперболический закон распределения частоты Вяйсяля-Брента по вертикали гораздо лучше соответствует ее реальному распределению в океане.
И, наконец, третий фактор - совершенно не изучены закономерности формирования топографических и островных вихрей в поле остаточной скорости в приливных течениях. Наличие приливной составляющей в поле скорости фонового течения приводит либо к пульсирующему, либо осциллирущему типу фонового течения. В открытых районах Мирового океана, как правило, встречается первый тип фонового течения. Изучению второго, осциллирующего, типа фонового течения в океанологии уделялось мало внимания. Однако наши северные окраинные моря имеют именно осциллирующий характер течений из-за наличия сильных приливных течений. В диссертации, с ориентацией на практическое приложения полученных теоретических результатов к северным морям, рассматривается второй, осциллирующий тип фонового течения.
Сильные приливные движения, приводящие к рассмотрению осциллирующего типа фонового течения, имеют место в мелководных шельфових районах океана и в окраинных морях. Турбулентное трение в таких районах становится существенным, а в более мелководных районах и доминирующим фактором, в связи с чем рассмотрение невязких моделей формирования топографических и островных вихрей в таких районах становится малоперспективным.
В соответствии с поставленными целями, основными задачами исследования в диссертации являлись:
I. Изучение влияния меандрирования набегающего потока на про-
- б -
цесс топографического вихреоОразования в районах подводных гор и хребтов в океане.
-
Исследование взаимодействия топографических вихрей со свободными вихрями открытого океана при прохождении последними районов подводных гор.
-
Изучение вихревой структуры течений вокруг островов с островным склоном малой высоты, когда в задаче присутствуют оба предельных случая возмущения рельефа дна.
-
Исследование пространственной структуры топографических вихрей в стратифицированном океане с гиперболическим законом распределения частоты Вяйсяля-Брента с целью разработки методики расчета параметров топографических вихрей в реальном океане.
-
Изучение закономерностей формирования топографических и островных вихрей в осциллирующем приливном течении.
6. Исследование эволюции приливных волн и закономерностей фо
рмирования остаточного переноса вод в мелководных зонах, непосред
ственно примыкающих к береговой черте.
В результате проведенных исследований получены следующие основные результаты, носящие приоритетный характер:
впервые исследована вихревая струкрура течений в однородном и стратифицированном океане при обтекании подводных гор, хребтов и кратеров меандрирующим потоком, найдены новые типы вихревых образований;
при обтекании зональных хребтов восточными меандрирующими потоками обнаружено явление генерации новых вихревых структур типа парных вихрей циклон-антициклон над склонами хребтов;
показано, что два меридиональных хребта могут играть либо роль волновода для "Подветренных" волн Россби в восточном потоке, либо двухступенчатого усилителя их амплитуды;
на основе доказанной в диссертации циркуляционной теоремы указан способ определения циркуляционной константы на контуре мезомаст-табного острова через зкмановскую скорость, что позволило замкнуть задачу определения структуры топографических вихрей в окрестности острова с островным склоном; показано, что в западном зональном течении на /-плоскости в окрестности острова может сформироваться не более двух вихрей - топографический и циркуляционный - вокруг острова; в восточном течении количество вихрей может доходить до четырех; воздействие атмосферы более предрасположено к стимулированию антициклонической циркуляции вокруг
островов;
- методом контурной динамики (МКД) исследована эволюция вихрей от
крытого океана при прохождении ими районов подводных гор; глав
ный результат - подводные горы в океане играют избирательную
роль по отношению к циклональности вихрей - они являются своего
рода стоками антициклонической свободной завихренности в океане
и источниками циклонической - с возвышенностей срываются преиму
щественно циклонические вихри , а из фонового течения возвышен
ностями захватываются антициклонические вихри;
-. впервые обнаружены явления инверсии топографической завихренности по вертикали и накрытия топографического конуса Тейлора-Хогга вихрем-сателлитом в стратифицированном океане;
впервые получено аналитическое решение на р-плоскости задачи формирования топографического вихря в стратифицированном океане с использованием гиперболического закона Монина-Неймана-Филюшки-на для частоты Вяйсяля-Брента, что позволило развить теорию, более адекватную реальным процессам в океане; следствием этой теории стала представленная в диссертации диаграмма определения высот проникновения конических вихрей в океане, дающая возможность практического использования теоретических результатов;
показано, что меандрирование набегающего потока приводит либо к усилению, либо к ослаблению процесса топографического вихреобра-зования в зависимости от фазы волн Россби в набегающем потоке; интерференция спутного волнового следа за возвышенностью с волной Россби в набегающем потоке порождает слошую вихревую структуру, содержащую иногда несколько конических вихрей-сателлитов; важным следствием меандрирования фонового течения является.появление вихрей-сателлитов не только после, но и до препятствия;
впервые теоретически предсказана возможность генерации псевдо-россбиевских волновых следов в стратифицированном океане на /-плоскости потоками со сдвигом скорости; получены необходимые и достаточные условия на вертикальное распределение плотности в океане для возникновения этого явления; обработка данных наблюдений по полю плотности в различных районах Мирового океана показала, что распределение плотности вода, особенно в верхних слоях океана, довольно часто удовлетворяет полученным условиям;
впервые изучена вихревая структура вторичных течений и пограничных слоев в окрестности небольшого острова в приливном море; показано, что помимо вязкого слоя Шлихтинга в окрестности острова
формируется инерционно-вязкий слой, имеющий несвязную структуру; найдены сектора, в которых инерционно-вязкий пограничный слой не существует;
показано, что в поле остаточной циркуляции в осциллирующем приливном течении в окрестности острова формируются четыре вихря, образующие квадрупольную структуру;
численное решение с помощью метода контурной динамики начальной задачи о формировании вихревой структуры в окрестности подводной возвышенности в приливном осциллирующем течении показало, что начально снесенный с возвышенности вихрь необратимо разрушается и в периодической вихревой структуре присутствовать не может;
исследованы закономерности вязкой эволюции приливной волны при ее выходе на мелководье; впервые обнаружено явление нелинейной накачки уровня приливами на мелководье; вычислен остаточный перенос в области так называемых "закритических глубин" (слой Сто-кса).
На защиту выносится:
теория топографического вихреобразования в однородном и стратифицированном океане;
обнаруженные в результате теоретических исследований новые физические явления в динамике морских течений - образование инверсных конических вихрей, накрытие топографических вихрей вихрем-сателлитом, формирование парных вихрей над зональными хребтами, генерация псевдороссбиевских спутных волновых следов, квадру-польная вихревая структура остаточных приливных течений вокруг островов, нелинейная накачка уровня приливами на мелководье.
Достоверность теоретических положений и полученных в диссертации результатов обосновывается их согласием с имеющимися наблюдениями в океанах и морях, а также данными лабораторных экспериментов других авторов.
Практическая значимость работы состоит в том, что она дает теоретическую основу для интерпретации наблюдаемых в Мировом океане вихревых структурных образований в районах подводных гор, хребтов и островов. Для непосредственного практического приложения теоретических результатов в работе представлена номограмма для расчета высот проникновения конических вихрей Тейлора-Хогга, которая была апробирована применительно к Тихому океану и к результатам лабораторного моделирования Дейвиса (Davies Р.А., 1972).
Важными с практической точки зрения представляются также исследования особенностей вихревой структуры остаточных течений вокруг островов и в районах подводных возвышенностей в приливном море, т.к. именно этими вихревыми структурами определяются, в основном, закономерности переноса примесей и загрязнений в приливных морях в окрестностях подводных возвышенностей и островов. Решение последней задачи было бы неполным без изучения особенностей остаточного приливного переноса вод в непосредственной мелководной вдольбереговой зоне, в которую загрязнения с континентальным стоком попадают в первую очередь.
Все теоретические результаты в диссертации получены лично автором. В совместных публикациях автору принадлежат постановки задач, выбор метода их решений, интерпретация результатов.
Экспериментальные исследования в Белом море, результаты которых были использованы в диссертации, производились под руководством автора и с его участием.
В предлагаемой диссертации представлены результаты исследований автора, выполненных им в период I976-I99I гг.
Основные материалы представленных исследований опубликованы в работах [1-Ю, 12-201 и монографии [III, причем наиболее значимые из них в журналах "Океанология", "Доклады АН СССР", "Физика атмосферы и океана". Отдельные результаты работы докладывались на V-ой Всесоюзной конференции по промысловой океанологии в 1979 г. в г. Калининграде [3], на 2-ом съезде океанологов в 1982 г. в г.Ялте [9], на 1-ой Всесоюзной конференции "Гидрофизические процессы в реках и водохранилищах" в 1985 г. в г.Москве, на 3-ем съезде океанологов в 1987 г. в г.Ленинграде [15], , на 2-ой Всесоюзной конференции "Гидрофизические процессы в реках, водохранилищах и окраинных морях" в 1989 г. в г.Москве, на З-ей Всесоюзной конференции "Динамика течений и литодинамические процессы в реках, водохранилищах и окраинных морях" в 1991 г. в г.Москве, на семинарах и секциях Ученого совета Института водных проблем РАН, на семинарах лаборатории промысловой океанографии ВНИРО, на семинарах отдела динамики моря Института океанологии Польской Академии наук в 1988, 1989 гг. (г.Сопот), на семинаре в Институте геофизики Польской Академии наук в 1991 г. в г.Варшаве, неоднократно докладывались на семинарах лаборатории геофизической гидродинамики Института океанологии РАН (г.Москва).
Целиком диссертация докладывалась на секции Ученого совета
ИВП РАН "Гидрофизика и экология" (1992 г.), семинаре лаборатории геофизической гидродинамики ИО РАН (1993 г.), на Ученом совете в Государственном океанографическом институте (ГОИН, 1993 г.). на объединенном семинаре лаборатории геофизической гидродинамики и отдела крупномасштабного взаимодействия океана и атмосферы Института океанологии РАН (1993 г.).