Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Моделирование структуры антарктической полярной фронтальной зоны

ВАК РФ 11.00.08, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Моделирование структуры антарктической полярной фронтальной зоны"

- О П Т 9

МИНИСТЕРСТВО ЭКОЛОГИИ Н ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ РОССИЙСКОЙ »ЕЛЕРАЦИИ КОИНТЕТ ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ

АРКТИЧЕСКИЙ И АНТАРКТИЧЕСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ

На прлвак рукописи И*ам» Кншпр Владимирович

уда Boi.iesa

МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ АНТАРКТИЧЕСКОЙ ПОЛЯРНОЙ »РОНТАЛЬНОЯ зоны

Сгецналькость 11.00. Ов -океанология

t<

АВТОРЕФЕРАТ Д1ссертааия на соискание ученой степени кандидата фиэкко-математнчесхих наук '

Санкт-Петербург 1092

*

Работа выполнена в Ленинградском пщромвтеоролошческоц ,,; институте и Арктическом и Антарктическом научно-исследовательском'^ институте. • "

Научны* руководитель -Официальные оввонвитц -

Ведущая организация -

доктор географических наук, профессор Я. II. Смирнов доктор географических наук А. А. кочанов

кандидат физико-математических ваук Ю.Ф. Сычев Государственный океанографический институт

Защита диссертации состоится

ил« ^иа/гга-'

.1082 Г.

часов на заседании специализированного совета д;024.04.01

в Арктической и Антарктическом научно-исследовательском институте по адресу: 109228, Санкт-Петербург, ул. Беринга, д.38.

С диссертациэа можно ознакомиться в библиотеке Арктического и Антарктического научно-исследовательского института.

Автореферат разослан

.1832 Г.

Ученый секретарь Специализированного аотта, кандидат географических наук

В.П. Карклин

У жи I

■ I

I. ¡1. «№1

Отдел

с«рт«циА

ктуальность исследования

лтарктаческая Полярная фронтальная зона (АПФЗ) представляет важную особенность термохалинного состояния и динамической структуры Юшого океана и может рассматриваться как физико-географическая граница Антарктики (Буйницгага В.X..1973). Являясь уникальным природным феноменом, АГЕЗ привлекает внимание как с теоретической точки зрения (почти идеальный пример фронтальной зоны открытого океана), так и с позиций сугубо практических, как важный климатообразущий фактор Южного океана и Антарктического континента.

Из-за сложности проведения экспедиционных работ в Юкном океане интенсивный сбор информации об АПФЗ го сути начался в середина 60-х годов и продолжается по настоящее время. Накопленный фактический материал позбо.тил выявить ряд важных структурных особенностей АПФЗ (соответствие границ "ядрам" гео строфического переноса, многофронтальюсть, наличие вихревых образований и др.). Методами * многомерного статистического анализа установлено существование зависимости между средним пространственным положением АПФЗ, глобальны» рельефом и ¡ишаттоскя» ветровым полем (Сарухзнян Э.И., Смирнов Н.П.. 1У86). Предприняты оценки временной изменчивости пространственного положения фронтальной зоны и ео интенсивности, согласно которым М!КЗ является стационарным образованием в масштабе климатл, однако подпержена значительным короткоперислшм кплобппиим.

Несмотря на то, что наблюдаемая в натурных условиях структура АПФЗ имеет специфические черты в различные географических района*, оо оцинство в глобальном мчеитаба позволяет предположить дойогвив некп обших лрнчин, формир.укиш я го явление. 1 радшзюнно к таким причинэм иечл?човлтели относили конвергенцию поверхностного э юрловского дрейфа - "ттротя гипотеза" ¡июпов П.Л., Неам?н

Б.Г. ,1964) и взаимодействие глубинных и данных вод при ил разнонаправленном движении - "баршшшнан гипотеза" (Шасоп,1933). Позднее появились концепции, допускающие различную степень влияния обоих указанных факторов. Согласно оощай теории квазиста:даонарных фронтальных зон (Федоров К.Н.,1983), при обострении градиентов выше некоторого критическою значения, "включается" самоподдерживающийся механизм (локальная динамика), обеспечивающий сохранение равновесного режима. Конкретные пути реализации локальной динамики зависят от типа франта и его пространственного масштаба. Для геострофичэсис фронтальны* зон, к которым относится и АШЗ, наиболее вероятным являются конвергентные движения во внутренних зкмановсшлх сдоях. Полученные в последние годы экспериментальные данные о горизонтальной структуре течений Шнаго океана подтверждают существование поверхностных конвергенции в крупномасштабных фронтальных системах (НоГГшап I., 1985). Выяснении их взаимосвязи с полем масс и рельефом дна представляется весьма актуальной задачей, так как может дать ключ к болве глубокому пониманию природа АШЗ и уточнению концепций ее формирования.

Цель и задачи диссертации

1. В рамках линеаризованных полуаналитических моделей ошнить эффективность действия конвергентных движения во внутренних экмановских слоях для поддержания обостренного состонния квазигеострофичеокаа фрошальниа зоны ь двухслойном и непрерывно стратифицированном икоанах. Ьшсшггь характер влияния крупномасштабною Ьотроьито шля на огрукгг'ру циркуляции при наличии резкого фропгхшпли [аиьрли и пределах поверхностного зкмансшсшю слоя.

2. 1'азраоотагь числиниую минмль, Ц/с. щпзначеипуш для исследианин

локальной динамики плотностной фронтальной зоны произвольной формы в широком диапазоне пространственных и временных масштабов. 3. Посредством применения разработанной численной модали к условиям АПФЗ:

- воспроизвести известные из паблкшвний особенности структуры циркуляционного и шгатностного нолей;

- изучить причины и характер трансфронтаяьных движения;

выяснить физические механизмы поддержания поперечной конвергентной циркуляции. сохраняющей М1ФЗ в обостренном состоянии;

- оцзнить роль ветра и глубинной стратификации в формировании фронтальной структуры.

Научная новизна

Анализ динамики фронтальной зоны в рамках полуаналитических моделвй, выполненный для условий двухслойного и непрерывно-стратифицированного океанов позволил установить качественное совпадение наблюдаемых циркуляционных структур. Показано, что ветровое воздействие может существенно влиять на динамический режим фронтальной зоны в пределах поверхностного зкмановского слоя, создавая предпосылки для ее обострения или релаксации. ЭМвктивность ветрового воздеястшя азчисит от интенсивности фронтального раздела я исправления ветра относительно фронта.

Построена чкслгннан модель, предназначенная для исследования эволюции плотностных фрОНТОВ ь оквзно. Модель дзот возможность воспроизвести ряд известных из наблюдений особенностей дкпачичоасоа структуры фронтов п трансфронтачыюя плоскости, а т.-лсио оценить параметры, ¡гагыеродогтеняое иэмэренио кото;«* продстяплнэт значительные трушоггл.

Применение модели для анализа динамической структуры АПФЗ позволило выявить определяющую роль внутренних зкмановских слоев в формировании конвергентной циркуляции. Выполнена оцэнка ветрового воздействия, стратификации и влияния донных вод на динамический режим АПФЗ. Предложено объяснение квазистационарного состояния АПФЗ, как результата совместного действия локальной динамики и внешнего деформационного шля.

Лра'ктнчпская ценность

Полученные методами численного дадашрования сведения о структуре АПФЗ могут оказаться полезными при планировании натурных эксгериментов. в Юкном океана, анализе гидробиологических и гидрохимических процессов, проведении поисковых работ для нувд промыслового флота. Они также могут быть использованы в качестве базовой информации при исследовании режима приводного слоя атмосферы, над АПФЗ и условий формирования особенностей распределения метеоэлэментов. Эффективность действия механизма локальной динамики, обусловленного конвергентными движениями во внутренних пограничных слоях, указывает .на необходимость его параметризации в крупномасштабных моделях климата йкного окоаиа.

Разработанная численная мидель является достаточно универсальной и при соответствующем подборе параметров мовдт быть применена для исследования структуры любых фронтальных зон (в том числе и агеострофических), при анализе которых допустим квазицвумерныг подход.

Активное внедрение в океанологию спутниковых методов требует развития матвматическоги аппарата, ориаьтирос ганого на обработку поступающей информации. Поскольку измерению поддается лишь ограниченное число харжх'вриетик, весьма актуальным яышетсп получение соотношения, связываших их с другими параметрами.

представляющими интерес. В этом аспекте разработанная модель локальной динамики мошт оказать помощь в восстановлении вертикальная динамической структуры фронтальных зон, особенно в районах, где выполнения контактных измерений затруднено.

Апробация

Результата работы докладывались на семинарах кафедры динамики океана ЛГМИ (1986 - 89), семинаре по проблемам Южного океана в ЛГУ <(987), итоговых сессиях Ученого совета ЛГМИ (1987 - 88)« конференции молодых ученых ЛГМИ (1988), Всесоюзной школа-семинаре по методам гидрофизических исследований (Севастополь -1989), семинаре отдела взаимодействия океана и атмосферы ААНИИ (1891), секции Ученого совета ААНШ (1991).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 5 работ.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения,' четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Диссертация содержит 192 страницы, включая 125 страниц машинописного текста, 29 рисунков яа 29 страницах, 2 приложения на 18 страницах и список лтг'ературы из 214 наименования, из которых 104 -иностранных авторов на 17 страницах.

Содорханмв работы

Во введении обосновывается актуальность выполненной работа» дается <зв краткое описание, определяются дали и задачи исслрдсвания.

П е рвая глава посвошеня рассмотрению пущоспвуетот

представления о физической природа фронтальных зон океана и подходов к их'исследованию методами математического моделирования.

В первом параграфе проанализированы принять© в- настоящее время терминология и варианты классификации фронтальных явлений. Указано, что отсутствие универсальной системы определений, отвечающая физической природе явления, связано с многообразием внешних признаков, пространственных и временных масштабов, характеризующих фронты в океане. С целью исключить двойственность толкования, понятия: "фронтальная зона", "фронтальный раздал" и "фронт", - используется в смысла определений К.Н. Федорова (1983).

Фронтальные зоны ' океана имеют сложную пространственную структуру и подвержены значительной изменчивости. Это приводог к необходимости применения четырехмерного подхода к их описанию. Общие принципы такого подхода излажены во втором параграфе.

Поскольку временная дискретность наблюдений во фронтальных зонах как правило низка,' для адекватной интерпретации натурных данных требуется знать характер влияния внешних и внутренних факторов на эволюцию фронтальных образований. В ракурсе концепции "жизненного цикла" фронтального возмущения: фронтогенез стационарное состояние - фронтолиз, прослежена взаимосвязь наблюдаемых в природе фронтов с особенностями их внутренней структуры и внешними условиями. Отаечеяа определяющая роль обобщенных деформацжншых полей, вызванных динамическими и термохалиниыми причинами на этапе первоначального обострения градиентов. Указаны известны© в настоящее- время способы осуществления локаяънол динамики. Дано краткое.описание процессов, способствующих релаксации фронтальных разделов Подчеркнуто, что в реальном океане одноЕ[юмонное проявление противоположных тенденций мошт приводить к исчезновению отдельных этапов "жизненного цикла". Т:м, дли кшзистацйонарпых климатически фронтальных зон

г

фронтогенез и фронтолиз в чистом виде отсутствуют, а га существовавда в гарвую очередь обусловлено действием локальное динамики.

Вопросам моделирования фронтальных явлений- посвещен третий параграф. Все многообразие судаствующих моделей фронтальной динамики можно условно подразделить на два обширных класса: модели с непрерывным измененном термодинамических характеристик в плоскости или пространстве (модели фронтальных зон) и двухслойные (многослойные)' модели, в которых изменение характеристик происходит в бесконечно малой области (модели фронтальных разделов). Сформулированы оснозньи принципы построения моделей, предназначенных дая исследования структуры плотностных фронтов в трансфронтальной плоскости. На конкретных примерах

продемонстрированы возможности различных систем гидродинамических уравнений для воспроизведения известных особенностей океанских фронтов. Указаны границы применимости возможных упрощений. Отмечена фундаментальная важность бароклинвого радиуса деформации и данситоматрической скорости, как характерных • масштабов квазигеострофического фронтального раздела. Приводен наиболее обций вид системы' гидродинамических уравнений, отстающих локальную динамику фронтальной зоны произвольного вида (Мооегз С., 15Т8),

В соответствии со схемой описания фронтальной пины, приведенной в п.1.2, о последнем параграфе проаналузированы известные в настоящее время сведения, о структур АПФ;з. Указаны основные положения "ветровой" и "барокхатой" гипотез пе формирования, йрложена современная точка зрения на причины судавтшвяняя АПФЛ в Юмом океана (О.эрухпняп Э.И. .г.миргов 11.11., 19Ш) и обосновала нообгодикосгь болое детального исслэдт.эпия кошюргоятной циркуляшч, ¡.\№>ктов. вогрового визпойсгпия, влиилия

в

глубинны! и донных вод. Сформулирована концептуальная база разработанное численной модели: стационарность АПФЗ в климатическом масштабе, ее квазизоиальность и соответствие границ "ядрам" геострофичаского переноса.

Во второй главе предпринято детальное исследование локальной динамики шютностной фронтальной зоны в рамках квазвдвумеряого подхода. Рассматривалась фронтальная область, образованная выходящим на поверхность пшшоклином. Исходная система линеаризованных гидродинамических уравнений упрощалась введением ограничении на пространственные масштабы двишния (г - плоскость и квазидвумерностъ), а также приближений гидростатики, Буссинеска и предположения об отсутствии горизонтального турбулентного потока импульса. Для вертикального потока импульса использовалась диффузионная параметризация с коэффициентом турбулентной вязкости 100 см2/с. Граничные условия ставились традиционно: на непроницаемой свободной поверхности - "склейка" скоростей и отсутствие массообмена, на дав - "прилипаниэ", непроницаемость и отсутствие . масообмена. Отдельно были рассмотрены случаи двухслойной (п.2.2) и непрерывно стратифицированной жидкостей (п.2.3).

С учетом принятых допущений исходная система преобразуется к задаче Экмана о дрейфовых течениях в неоднородном океане (Козлов В.Ф., 1Й69). В двухслойном случае подстановка явных соотношений для компонент горизонтальной скорости в уравнение неразрывности в интегральной форме и использование условия непроницаемости границы раздала позволяет подучить прогностическое уравнение дгш определешя конфигурации фронтального раз/'эла. Его решение определилось та^лзано. На входной граница задавалось возмущение глуашш "логкьв" адцшсчи и предполагалось либо отсутствие ее притока давно ("точечный источник"), либо неизменность в пронросе

ч

решения.Независимое от вдольфровтовой координаты ветровое поле параметризовалось постоянным градаонтом атмосферного давления, генерировавшем дрейфовое течение с составляющей, сояэправлэннсй свободному движению фронта ("попутный ветер") или направленной противоположно ему ("встречный ветер").

Вэпегага искалось в безразмерном вице, причем значения характерных масштабов аадзвались в широком диапазоне, допускающей интерпретацию для условия океана. Согласно результатам численных экспериментов, при отсутствии ветра конфигурация фронтального раздела оказывается универсальной вне зависимости от масштаба. Исключение составляют предельные случаи внутреннего фронта я Фронта, цэлигсом сосредоточенного в пределах поверхностного экмановского слоя, решения для которых являются автомодельными (Шапиро Г.И., 1985). В общем случае скорость поступательного движения Фронта в направлении "тяжелой" падкости быстро падает и при ь=0.25т (т- характерный масштаб времени) составляет около 2к от ее значения в начальный момент. Стационарное состояние в течение конечного промежутка времени не достигается, однако, по прошествии сравнительно малого временного интервала (интервала приспособления) скорость становится настолько незначительной, что имеет смысл говорить о выходе решения на квазистаципттэр.чый режим.

Ветровое воздействие может либо ускорить, луйо замедлить поступательное движение фронта. О последнем случае, по мере уменьшения крутизны фронтального раздела должен наступить момент, когда действие "встречного ветра" уравновесит равнодействующую сил Корисшгса, плавучести и внутренней вязкости, что приведет к стациояировзнию. Однако, ветловой импульс для этого должен быть достаточно мощным. Так, Фронтальный раздел сродней интенсивности («=0.2 * Ю~г, ло=Ю"аг/см3 <а- уклон, др- трепал плотности) способен преодолеть тормозящее действие ветра, сслщищвпз

а

касательное напряженна на поверхности т= 1. ^ца/см2, что соответствует градиенту атмосферного давлзния др= 1 мб/100 км.

Дяя квазистационарного состояния по явным соотношениям вычислялись три составляющих скорости. Функция тока определялась из уравнения Пуассона с однородными граничными условиями первого, рода на верхней и шишей границах и и второго рода - на боковых границах.

Вне зависимости от наличия ветра ддрльфронтовое течение носит ярко-выраженный струйный характер и за пределами пограничных слоев является гэострофическим. Максимальные значения сосредоточены в локализованном "ядре", в зове наибольшего уклона фронтального раздела в "легкой" жидкости. Характерной особенностью поперечной циркуляции является наличие двух замкнутых ячеек, величины горизонтальной скорости в которых отличаются на 1-2 порядка. Главная циркуляционная ячейка имеэт ось симметрии, ориентированную вдаль фронтального раздала. Направление движения в ней соответствует подъему в "легкой" жидкости и опусканию в "тяжелой" Шапиро Г.И., 1087). Вследствие таков ориентации возникает пара сил, стремящаяся уменьшить наклон фронтального раздала. С другой стороны, при уменьшении наклона уменьшается масштаб скорости и ослабевает вращающий у.оуюнт. Естественным результатом этого будет постоянное замедленна .пвммгания фронта в направлении "тяжелой" жидкости. Вторичная ячейка циркуляции роликом расположена в тяжелой жидкости и имеет противоположное направление дьижедия. Она возникает вследствие дефицита интегрального пзревоса в верхнем слое по сравнении с нижним в области, где наклонный пограничный слой соприкасается с поверхностью. Ее отличительной особенностью являются большие значения вертикальной скорости при слабых горизонтальных движениях (Тапй С., 1933).

Вычисление скирости течения в присутствии зонального ветра

показало, что при "встрзчном" ветре в поверхностном слое наблюдается усиленно вдольфронтового потока и изменяется структура трансфронтальной циркуляции. В случае полного торможения зона конвергенции у поверхности исчезает, а главная циркуляционная ячейка распадается на две полузамкнутые с одинаковы)« направлением движения, расположенные симметрично относительно фронтального раздела в "легкой" и "тяжелой" жидкостях.

Анализ фронтальной динамики в непрерывно стратифицированной жвдкости (п.2.3) был предпринят с далью оданки адекватности двухслойной параметризации для описания фронтальных явлений. Задавалось аналитическое распределение плотности: P(x,z)=P0(l + eths*(x,z)) Ф = У(а-г0(1-вхрС>.х))).ГД9 1 - нормированный на ро перепад плотности во фронтальной зоне, th - гиперболический тангенс, za - глубина залэгания поверхности максимального горизонтального градиента плотности, 1А барокяинный радиус деформации, 1 /г - нормированная толщина пикноклина. При г -> ® второе из приведенных соотношений выровдэется' в уравнение фронтального раздела, совпадающее с результатом Г.Стоквела для двухслойной ¿ввязкой модели Гольфстрима (1Э63). Искомые составляющие горизонтальной скорости.при указанном распределении плотности, определяются из решения полной задачи Экмана и явно выписываются в квадратурах. Качественнее совпадении полученных результатов с динамической структурой фронтального раздала в двухслойной жидкости позволило сделать вычод, что и в стратифицированном океавд, при наличии ярко-выраженной фронтальной ооны определяющую роль в формировании конвергентной циркуляции играют вкугрэнние экмановские слои. Главное отлпчш - п интенсивности конвергентных движений, которая в непрерывно стратифицированном океане булрт зчвигеть ш только от перепуга

плотности , so и от ширины фронтальной зоны. Характер влияния ветра на структуру фронтальной зоны отличается от отмеченного для .двухслойной жидкости. В силу того, что фронтальная зона имеет конечную ширину, а масштабы пространственной изменчивости ветра и фронтального течения в обшрм случае несоизмеримы, действие "встречного" ветра повлечет деформацию плотностного поля увеличение градиентов на наветренной стороне фронтальной зоны и умэныпенда - на по две транша. При достаточно высокой интенсивности ветра возможно формирование ияверсш распределения плотности в "легкой" жидкости, что с необходимостью приведет к возникновению гидростатической неустойчивости и свободной конвекции.

В третьей глава разрабатывается числэнная модель, предназначенная для исследования локальной динамики плотностной фронтальной зоны произвольного вида. В первом параграфе приводится математическая формулировка задачи. Полная система гидродинамических уравнений упрощается путем введения приближения Буссшеска, f - плоскости и квазидвумерности. Далее выполняется преобразование к, переменным с,Ф (С - вдольфронтовая компонента относительного вихря, ф - функция тока ■ трансфронтальной циркуляции). В результате получается система параболического типа, включающая три эволюционных и одно стационарное уравнения (Кво Т., 1930).

Подробно проанализированы варианты задания граничных условий в уравнении для виря. Поскольку модель в первую ' очередь ориентирована на описание фронтальных зон открытого океана, задание условий на Соковых границах не составляет труда (Роуч П., 1980). Из возможных условий для вихря на дче океана (нижней rparätp) HdüSoJBQ гцюшчтигелькым оказалось однородное условие Неймана. Для oui лас нанин с ним грш'ччных значений горизонтальной скорости дин нее задавались условии скилтшия. Остальные

граничные условия стандартны и не требуют специальных комментариев.

Во втором параграфе выполнена оцзнка характерных масштабов, позволившая провести классификацию решений дня различных режимов существования фронтальной зоны. Определяющими параматрами в кинематических уравнениях являются: число Россби (Ко), характеризующее "гвасгрофичность" околофронтового движения, горизонтальное и вертикальное числа Экмана (ёи,1^), определяющие вклада горизонтальной и вертикальной вязкости в суммарный баланс и геометрический параметр (<0, отражающий неравенство горизонтального и вертикального масштабов. 3 уравнении баланса плавучести все адвективные члены имеют одинаковый порядок, а величины турбулентных потоков регулируются отношением чисел Шмидта (Бся.^)и Рэйнольдса(йен ). Численное зн'ачение 1еометрического параметра оказывается существенным в уравнении Пуассона, которое при малых е по существу превращается в обыкновенное дифференциальное уравнение второго порядка в вертикальном направлении.

Алгоритм решения задачи строится в п.3.3. Для решения эволюционных уравнений было' использовано два варианта разностных схем: модифицированная схема с разностями против потока (схема с донорными ячейками (Роуч П., 1980)) и. неявная схема расшэпления по пространственным направлениям (Ковенл В.М.,Янненко Н.Н., 1081), в которой для аппроксимации адвэктияньог членов •гожо использовались направлошше против потока разности. Преимущества указанной явной схемы - экономичность, консервативность и грансиортивнооть, недостатки - наличие искусственной вьзности и жесткое ограничение на вршеннои шаг. Неявная мома расщепления формально лишена попла.цнего недостатка, оциано явное заданно краеьых условна на дриЗних ша! ах приводи! к тиму, чти он1',лдв.iuiiftt.it> с1 раничония па

временной шаг сохраняются и в этом случав. Для решения уравнения Пуассона строился итерационный прсцзсс по методу Гаусса-Зейделя. Определение скоростей производилось по формуле численною дифференцирования с центральными разностями. Вычисление интегралов осуществлялось по формуле трашций (Самарский A.A., Николаев Е.С., 1978). :

Описание обшей структуры модели и еа функциональных возможностей дается в четвергом параграфе. Приводится краткая характеристика основных подходов к моделированию бэроклинкого океана: диагностического, прогностического, и адаптационного. Подчеркнуто, что структура вычислительного алгоритма построена таким-образом, чтобы не меняя системных связей, а лишь манипулируя параметрами, можно было осуществить вычислвниэ любым из трех указанных методов. При этом выбор схем для численного интегрирования не является жестко заданным, то есть замена соответствующих блоков в алгоритме баз изменения обдай архитектуры модели вполне допустима. Реализация модели выполнена на ЕС-1033 с использованием языка программирования IOfffiWi-4. Контрольные расчеты длл диагностического, прогностического и адаптационного вариантов и различных комбинация определяющих параметров проводились на сеточной области 10 х 20 узлов. •

В четвертой главе численная модель локальной динамики применялась доя исследования структуры АЛФЗ. В первом параграфе дается обоснование выбора параметров задачи, проанализированы возможные варианты задания начальных и краевых условия. Базируясь на материалах натурных наблюдений, сделан вывод о геострофичноста АЛФЗ (Во * 0.01). Исходя из основной задачи исследования -выяснения условий длительного квазистационарного существования АПФЗ в Окном океане в результата взаимодействия циркуляционного поля с пплвм масс, указано нз целесообразность

использования адаптационного варианта модели, в предположении, что равновесное состояние в начальный момент неизвестно и должно быть получено в процессе решения.

Для проведения рассчетов строилась сеточная область 16 х 36 узлов, моделирующая меридиональный разрез через АПФЗ с шагами по мервдиану - 11 км, а по вертикали - 50 м. Значения определяющих параметров выбирались исходя из средних характеристик АПФЗ и требовании расчетной схемы (Но=0.04, к«=ку =10®, йен-и«^ 4.5, Зси=Бсу=10*, £=0.005). Граничные условия, сформулированные в общем виде в п.3.1 уточнялись в соответствии с решаемой задачей. На боковых границах предполагалось свободное горизонтальное протекание и отсутствие генерации вихря. На верхней границе, отождествляемой с поверхностью нулевого отклонения, задавалось дрейфово-градиэнтное течение во вдольфронтовом направлении, генерация вихря за счет ветра и отсутствие массообмена. На "приподнятой" нам дном нижней границе ставились условия непроницаемости, отсутствия генерации вихря и "Термического ветра". Условие, "¡кесткой крышки" совместно с условней непроницаемости горизонтальной нижней границы предполагает постоянство результирующей 'адвекции через расчетную область (в противном случае имело бы место постоянное однонаправленное изменение уровня у берегов Антарктиды), для функции тока на верхней и нижней границах использовалось однородное условие Дирихле.

В начальный момент времени поле плавучести во внутренней области полагалось невозмущенным (однородным или устойчиво стратифицированным), а на боковых границах задавался скачок плавучести, соответствующий перепаду через АПФЗ в равновесном состоянии. В зависимости от локализации граничного возмущения, моделировались различные варианты фронтальной струкгуры. В

проведенных численных экспериментах рассматривались следуюкде ситуации, представляющие интерес дая объяснения феномена АЛФЗ:

1. Приток "легкой" жидкости у поверхности (взаимодействие Субантарктических и Антарктических поверхностных вод),

2. Приток "легкой" жидкости у поверхности при наличии устойчивой стратификации.

3. Одновременный приток "легкой" жидкости у поверхности на северной граница и "тяжелой" - у дна на южной граница (взаимодействие Субантарктических поверхностных, Антарктических поверхностных и Антарктических донных вод).

4. Приток "легкой" жидкости у поверхности при наличии зонального ветрового поля,.характеристики- которого определялись на основании модели Аккерблома (Саркисян A.C. и др.,1986).

Продасс эволюции к квазистационарному состоянию контролировался величинами безразмерной кинетической энергии и пнстрофии. Время выхода решения на квазистационарный решим колебалось от 8 до 15 модельных суток. В течение этого периода уровень интегральных характеристик существенно падал, причем максимальное уменьшение отмечалось в пределах первых 3-5-ти суток. Исходя из этого есть основания утверждать, что 5-8 суток достаточно для установления полугеострофического режима движения Wooers е.,1578), после чего эволюция фронтальной структуры {х»гулируется механизмом локальной динамики, вызванным конвергентными двикеними в наклонных пограничных слоях. Поскольку время установления для различных экспериментов неодинаково, анализ квтаисгтациояарното состояния выполнялся для момента 29.7 суток. Ичтегрироьччио на более длительный период в условиях первою иксгюркмвига иочазало, что принципиальных изменений фронтальной структуры при этом не наблюдается.

Во вШ(Юм пзртграфо проанализированы резулыэть! экспериментов \

1 и 2. Характерной чертой полученной фронтальной зоны является четкость ее транш, разделяющих области постоянства плавучести. В начале координат изопшшы близки к горизонтальным, а вертикальная протяженность фронтальной зоны ( = 400 м) яьлнется модельной толщиной пикноклинэ. На участке выклинивания изодакны становятся вертикальными, вследствие принятого предположения об отсутствии мзссообмена с атмосферой. В условиях модели это означает существование однородного слоя толщиной 50 м. Ширина фронтальной зоны у поверхности составляет 35 км и испытывает незначительные изменения при возрастании глубины. Горизонтальный градиент в пределах фронтальной зоны не постоянен, а имеет максимум в цэнтральной части. Поверхность экстремальных значений горизонтального градиента может трактоваться как фронтальный раздел. "Ядро" вдольфронтовото течения, направленного на восток (аналог АЦТ), расположено у • поверхности в пределах фронтальной зоны и незначительно смогдано ( * 5-10 км) в сторону "легкой" жидкости. Максимальная скорость составляет 75 см/с. Во фронтальной зона отмечен пиклоничёскиа сдвиг скорости а максимумом на ее периферии ( « 0.4 х 10"* 1/с). Эта величина .очевидно,

характеризует -напряженность локального деформационного шля (Федоров К.И., 1983). Глубже горизонта 400 м вдольфронтовая скорость меняет знак и сохраняется неизменной по величине ( = 4-5 см/с ). Такие как и в рассматривавшихся в главе "А полуаналитических моделях , основной: особенности поперечной циркуляции является наличие двухячеяковой структуры. Направление движения в циркуляционных ячейках обусловливает конъергенцмю в щзнтрв фронтальной зоны, ее постоянное смещение к юту и сохранения градиентов плаву част и в обсстцзнним состоянии. Оршвтзция осей циркуляционных ячеек несколько итлмчается (л к.^ьиоа мест в пилуаналитических моделях. Если глашай нчейла чакла имеет ос»,

1й

практически совпадающую с фронтальным разделом, то вторичная ячейка, целиком лежащая в "тяжелой" жидкости , развернута в вертикальном напраьланки и имеет скорости, соизмеримые со скоростями в главной ячейке. Последнее можно объяснить тем, что в этом случае в формирование наклонных пограничных слоев вносит вклад не только вертикальная но и горизонтальная вязкость.

Наличие устойчивой стратификации вод, задававшееся в оксшримрнтэ 2. , уменьшило максимальную скорость восточного переноса до £53 см/с. Соответственно уменьшилась и скорость конвергентных движения (1.2 см/с,). Деформационное поле, вызванное разнонаправленными вертикальными движениями, привело к формированию в первоначально устойчиво стратифицированных антарктических водах вторичного фронтального раздала, который может интерпретироваться, как аналог Полярного фронта.

Сопоставление модельных характеристик АШЗ, рассчитанных в указанных экспериментах (нлклоя фронтального раздела, максимальные скорости), с фактическими, известными из прямых наблюдений, диагностических расчетов и косвенных оценок, свидетельствует об удовлетворительном количественном совпадении.

В третьем параграфе в рамках юдоли-локальной динамики была выполнена оцэякз влияния глубюшоа циркуляции и ветрового шля на структуру АПФЗ. Согласно утверждениям "бароклинноа" гипотезы 'формирования АПФЗ, воздействие, оказываемое глубинной циркуляцией, пзключэется в обострении градавнгов гидрологических характеристик ниж» главного пичноклина, что приводит к усилению восточною ш|Ю1:оса во всея мдалежэвдй тилша вод. Другими словами это означает, что на границе, глубинных и доншх вод существует еще чпна фронтальная здьа, интспсиечость которой мэньше, чем пнюрхиоспюа, №) достаточна ,-«ч игнрчгчтя структуры гмркуляцимшою гнля. Р эксперт**! п* л . плот мастной

неоднородности в глубинных и донных слоях учитывалось в обобщенном виде. Реально существующий размытый градиент между антгрктичесхчми глубинными и донными водами моделировался более интенсивным в глубинном слое. В другом варианта этою эксперимента (3-1> дополнительно фиксировалось плотностноо различие между поверхностными и глубинными водами путем задания в начальный момент слабой устойчивой стратификации на ш границе. Еще одним отличием модельной. постановки задачи о глубинной и придонной циркуляции является "приподнятость" донных вод до глубины 1500 -1800 м, по сравнению с 2500- 3000 м в йяном океане. При этом, очевидно, влияние процессов в глубинном и придонном слоях на структуру АГОЗ должно оказаться более значимым, чем на самом деле.

Анализ результатов экспериментов 3 и 3-1 показал, что наличие глубинной фронтальной зоны в целом усложняет характер циркуляции. Имевшая место двухячейковая структура , трансформируется в конфигурацию, состоящую из четырех вихрей с горизонтальными осями. Интенсивные разнонаправленные вертикальные движения, максимальная скорость которых составляет значительную величину ( ~ 0.1 см/с), усиливают действие механизма локальной динамики, что должно приводить к большей устойчивости сформировавшейся Фронтальной системы. Задание устойчивой стратификации на границе между поверхностными и глубинными водами приводит к ослаблении циркуляционных ячеек в верхнем и нижнем слоях и делает их практически независимыми друг ст друга.

Учитывая принятые в модели допущения о степени плотносткоя неоднородности в абиссали и перепало пцбин между поверхностной и глубинной структурными ионами, можно заключить, что полученные в данном эксперименте результаты следует расценить, как некоторый верхний предел влияния глубинной циркуляции на А1Ш. Хля учет бчроклинности глубинных И ДОШ1ЫХ вО.Ц позволяет в р.шк;а МоЦМИ

воспроизвести особенности циркуляции, предсказанные в "бароклинной" гипотезе, сам го себе фронтогенетическш эффект, формирующегося у дна деформационного поля мал и не в состоянии инициировать фронтогвнез в верхнем 10ОО-метровом слое.

Зонально ориентированное поле давления над Шным океаном порождает дрейфовое течение, меридиональная составляющая которого направлена ня север, а максимальная скорость составляет = 10 см/с. Применительно к условиям АШЗ. результатом этого должно стать торможение поступательного перемещения фронта у поверхности. Такая ситуация была исследована в эксперименте 4. В "тылоиой" части фронтальной зоны, где горизонтальные градиенты плавучести ослаблены, трансфронтальная скорость меняет знак, формируя область дивергенции, наличие которой дополнительно размывает, градиенты. Вследствие этого, фронтальная зона приобретает существенно асимметричную форму. Механизм конвективного перемешивания, приводимые в действие при неустойчивой стратификации, обусловливает возрастание глубины однородного слоя по мере удаления от фронтального раздела. Восточное направление скорости , вдольфронтового течения сохраняется . в пределах, всей толю вод (максимальная скорость в стрежне составляет 94 см/с). Направленное па север дрейфовое течение приводит к возрастанию интенсивности циркуляционной ячейки, лшавдэй в антарктической водной массе. Максимумы горизонтальной поперечной и вертикальной скоростей здесь превышает значения, подданные в предыдущих экспериментах соответственно 4.2 см/с и 0.1! см/с,' В силу существенной синоптической изменчивости ветрового поля, его роль монет кчрлинз-!ьно меняться в одном и том не районе от фронтогенетической до фронташпичоскоя. В гпяпятом в эксперименте 4 распределении пгмосфорпого давления, характерном для Шчого окоона, ветровое п-'\^1Пйствио призодиг к гарветрейко структуры АПФЗ в сторону

возрастания асимметрии.

Обобщая результата проведенных численных экспериментов, представляется правдоподобной следующая схема существования АГШ:

1. Под действием фонового планетарного деформационного поля, обусловленного глобальным распределением давления над Окяым океаном, формируется зона повышенных градиентов гидрологических характеристик в района максимального циклонического . сдвига западных ветров.

2. При достижении некоторого критического значения градиента плотности "включается" механизм локальной динамики, поддерживающий сформировавшуюся на начальном этапа фронтальную зону в квазистационаряом состоянии.

3. Осуществляется "коррекция" структуры А11ФЗ под действием дополнительных факторов (глубинная циркуляция,' дрейфовые течения, особенности рельефа дна и др.).

4. Вследствие возникновения различных типов неустойчивости инициируется мезомасштабное меандрирование и вихреобразование, в результате чего возможно кратковременное локальное разрушение наблюдаемой фронтальной структуры.

В последнем параграфа модель локальной динамики применялась для диагностического анализа структуры АЛФЗ п проливе Дрейка но данным натурных наблюдении. В качестве исходной информации были использованы материалы экспедиции на судне "Пюшрзоп" по программе 15С& в ранках эксперимента ГБЙАКЕ-76. Рассчитанные па модели величины вдольфронтовой скорости хорошо согласуются с инструментальными данными и рассчетали по динамическому методу относительно- 15Ш м в верхнем 1 (ХХЬштровоч слое. Ь грансфронталыгоп плоскости достаточно надежно выделят,тся предсказанная двух ячейковая циркуляции с очагсм опускания в цин^в фронтальной зоны и областями ьпвеллиига вд ее пврн^зрии.

Максимальные значения компонент скорости соответственно равны t ,7 г м/с и П.7 10' *см/о.

Ti приложении приводягсп расчетные формул!,!, ггрименявшиеся для вычисления динамических характеристик в полуанчлигичвских моделях и чпигянив пакета пргарамм численной модели.

Выводи

1. Анализ подуанаиггических квазигеострофических моделей позволил установить, что и в двухслойном, и в непрерывно стратифицировг ihom пкозпах наличие ярко-вырандакной нлотноствой фронтальной зоны приводит к формированию специфической структуры шля движения. Его отличительными чертами шляются: существование мощного вдольфронтово! о струйного течения с ядром в более леЛой жидкости, развитие поперечной циркуляции, реализуемой в виде замкнутых ячеек, чередование областей подтема и опускания вод с . преобладанием опускания в центре фронтальной зоны и анвелшнга на ее периферии.

2. Постоянное ветровое воздействие способно привести к перестройке динамической структуры во фронтальной области. .Характер) и эффективность веяния ветра определяются его направлением относительно фронта и интенсивностью фронтального раздела. "Конечность" ширины Фронтальной зоны в непрерывно стратифицированном океане обусловливает дополнительный эффект ветрового воздействия - деформацию плотностиого поля в сторону возрастания асимметрии.

3. На основе по.шоа системы уравнении разработана нестационарная численная модель, предназначенная для исследования структуры плэтиссгтас фронтальных зон в трансфронтзльнся пвдскости.

Прдаштш численной модели для анализа структуры А1ггэр1сги^оско» ' Шлярноп фронталт ноя зоны позволяло установить

аз

перечисленные ниже факты:

4. Взаимодействие Субантарктических и Антарктических поверхностных вод приводит к формированию в верхнем ШШ-метровом слое квазистационарной фронтальной структуры, динамические характеристики которой блшки к соответствующим характеристикам АПФЗ, известным из прямых наблюдений, диагноспических расчетов и косвенных оценок.

5. Наиболее вероятной причиной сохранения равновесного режима АШЭ является механизм локальной динамики, обусловленный конвергентными движениями в наклонных зкманонских пограничны* слоях. В поле функции тока он проявляется в виде двух замкнутых циркуляционных ячеек, создающих очаг опускания и и/этрв фронтальной зоны и "пятен" апвеллинта на ее периферии.

6. Наличие устойчивой стратификации в ' ангары ических водах приводит к ослаблению градиентов и уменьшиниц масштаба скорости. С другой стороны, вследствие фронтшенвшчекжого аффекта разнонаправленных вертикальных движении формируется вторичная глубинная фронтальная'зона, присутствие но юрой отмечено в ряде натурных экспериментов.

7. Бароклинность глубинных и прадшшх ил| сшооЗча оказать влияние на структуру меридиональной циркуляции в нижних слоях и усилить генеральный восточный перенос, однако, пи сооа аффект придонного деформационно! о пили (виаьикаищно и зона контакт антарктических глубинных' и динннх вод) невелик л ш в состоянии инициировать процесс фронтигеюза верхним КИЮ метровом слое.

8. Анемойарическсе ноль над Кишим окоапом ыдимсгауот на А11ФЗ двояким образом: и одноа стороны, ьизьаннии погром дрейфовое точенш создает предпосылки д>я юрможонин поступательною .движения фронта и дате ого ршкжоации в циделтх поверхностно окмановского слан (фронт ади нпуеки») ;ф(»>1и), с друюи

крупномасштабное распродаланиз давления порождает постоянно действующая фоновое деформационное поле, восстанавливающее градиенты в АПФЗ в случае их ослабления из-за каких-либо иных причин (Фронтогенетический эффект).

Список публикация

1. Иванов В.В., Кузнецова Л.И. Моделирование динамических характеристик Антарктической Полярной фронтальной зоны / Тезисы докладов Ьсесоюзнои конференции "Океанотехника-85".Л.-1В85.~ С.126

2. Иванов В.В. О возможности выделения окееанических фронтов по распределению . вертикальной скорости / Исследование крупномасштабного взаимодействия океана и атмосфера! в Северной Атлантике. Л.- 1986.- С.165-158

3. Иванов В.В., Кузнецова Л.Н. Интегральная модель Антарктической Полярной фронтальной зоны / Гидрология Юшого океана и Северной Атлантики. Л,- 1990.- С.55-62

4. Иванов В.Е. Числвппоз моделирование эволюции плотностного фронта ь океана / Гидрология КЖного океана и Северной Атлантики. Л,- 1990.- С.152-154

5. Иванов В.В. Динамика квазигеострофического фронтального раздела в двухслойной жидкости / Тезисы докладов Всесоюзной конференции "Проблемы стратифицированных течений" Г Л. Канев - 1091.-С.104-105

Роте .ДАНИИ 3«ii.07-l00 »кэ.

jo.oi.ea 1.1