Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Разномасштабная термохалинная структура вод Критского моря

ВАК РФ 11.00.08, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Разномасштабная термохалинная структура вод Критского моря"

Государственный комитет РОДОС по делам науки и высшей школы

%

ЛЕНИНГРАДСКИЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

ЗОДИАТИС Георг Николау

УДК 651.466 РАЗНОМАСШТАБНАЯ ТЕРМОХАЛИННАЯ СТРУКТУРА ВОД КРИТСКОГО МОРЯ (II. 00.08 - океанология)

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата географических наук

Санкт-Петербург 1991

Работа выполнена в институте

- 2 -

Ленинградском гидрометеорологически

Научный руководитель - доктор физико-математических наук

Л. а Карлин

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Л А. Тимохов

кандидат географических наук Б. Ю. Клюйков

Ведущая организация: Институт океанологии им. П П. Ширшов

АН СССР

Защита состоится " 1Н " ноября 1991 г. на заседании спе циалиэированного совета Д. 063.19.01 в Ленинградском гид рометеорологическом институте по адресу:

195196, Санкт-Петербург,Малоохтинский пр. 98, ЛГМ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ленин радского гидрометеорологического института.

Автореферат разослан -¿Г- октября 1991 г.

Учёный секретарь специализированного совета доктор географических наук,

профессор

КХ Л Ляхин

Актуальность темы.

Формирование термохалинной структуры вод, в общем и Критского моря в частности, обусловлено разнообразными физическими процессами, действующими как на поверхности, так и в толще воды. Знание закономерностей ' формирования термохалинной структуры и её изменчивости необходимо для решения целого ряда фундаментальных (например, перенос гепла и соли) и практических задач, связанных с рыболовством, охраной окружающей среды, морским флотом и др.

Изучение мезомасштабной термохалинной структуры вод Критского моря было до сих пор, в основном, направлено на

1) изучение водных масс этого водного бассейна,

2) исследование процессов формирования Критских водных масс,

3) изучение степени влияния глубинных вод Критского моря на формирование глубинной водной массы восточной части Средиземного моря,

Из-8а неполноты гидрологической информации допускались ^точности при построении схем циркуляции Критского моря.

Никаких исследований тонкой термохалинной структуры Крит-зкого моря, до написания этой работы, не было произведено.

Цель и задачи работ

Цель работы заключалась в изучении закономерностей форми-ювания и изменчивости разномасштабной термохалинной структуры юд Критского моря с целью выявления неоднородностей гидроло-'ических характеристик путём обработки и анализа натурных даи-¡ых. Достижение поставленной цели ооуществлялооь путём решения

- 4 -

ряда задач: ' •

1. Проанализировать мезомасштабную термохалинную структуру Критского моря по климатическим данным и по результатам экспедиций программы РОЕМ (8ИМ0Й 1987-РОЕМ-4. летом 1987-Р0ЕМ-5).

2. Провести обработку и анализ данных наблюдений за тонкой термохалинной структурой Критского моря во время экспедиций РОЕМ- 4. РОЕМ-5.

3. На основе литературных источников выбрать критерии и Опоообы параметризации, которые позволили бы по данным натурных наблюдений дать исчерпывающую характеристику механизмов, формирующих тонкую термохалинную структуру Критского моря.

4. Дать географическую характеристику Критского моря по распространённости механизмов формирования тонкой термохалинной структуры с использованием выбранных критериев и параметризаций.

Б. Установить зависимость, характеристик тонкой термохалинной структуры Критского моря от условий меэомасштабной структуры.

6. Оценить интенсивность вертикального переноса тепла и соли в толще Критского моря эа счёт формирования тонкой структуры.

Научная новизна:

Использование уникальных для рассматриваемого района СЮ данных наблюдений позволило получить следующие новые результаты:

1. Уточнена картина меэомасштабного распределения темпе-

ратуры, солёности и плотности вод Критского моря.

' 2. Впервые подробно рассчитана геострофическая циркуляция Критского моря. На атом основании установлено, что имеется инверсия главного течения зимой по отношению к лету.

3. Впервые документально доказан факт глубоководного конвективного перемешивания, достигающего местами до 700 ш глубины, в открытых частях Критского моря.

4. Впервые произведены наблюдения, их обработка и анализ тонкой термохалинной структуры вод Критского моря.

5. Выделены механизмы формирования тонкой структуры путём диагностической и статистической обработки профилей Т, Э вод Критского моря по данным СЮ наблюдений.

6. Установлена связь мевомасштабной и тонкой термохалинной структур вод Критского моря.

7. Произведена оценка вертикальных потоков тепла и соли в верхнем слое Критского моря, возникающих при формирования тонкой термохалинной структуры.

Практическая ценность.

Результаты исследования изменчивости термохалинной структуры Критского- моря могут применяться для решения научных и практических аадач региональной и промысловой океанологии, -охраны данного водного бассейна от загрязнения, а также для оценки дальности действия гидроакустических средств связи, телеметрии и дистанционного контроля. Кроме того, выводы, полученные в работе, позволяют уточнить представления о механизмах формирования и изменчивости разномасштабной ( мезомасштабной и тонкой ) структур вод Критского моря. Полученные результаты

- б -

обработки материалов различных масштабов термохалинной структуры Критского моря в дальнейшем могут быть использованы группой программы РОЕМ для научной работы и при составлении специальных океанографических пособий по Восточному Средиземноморью.

Апробация.

Результаты работы представлены на XXXI Congress of ICSEM, Athens, Greece в 1988 году во время дополнительной сессии для группы РОЕМ; на XIV General Assembly of European Geophyslcal Society, Barselona, 1989 год; на сессии " The Kfediterranean Basin: a case study for général circulation, mesoscale dynamics and oonveotlon на XXXII Congress of ICSEM, Perpignan, France 1Э90 - секция " Physlcal Ooeanography ".

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 6 работ, названия которых приведены в конце автореферата. ■

Структура и объём работы.

Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения, списка литературы и приложения. Содержит стр. машно пис-ного текста вместе о рисунками и таблицами.'

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследований, указана научная новизна и практическая значимость проделанной работы.

Первая глава диссертации содержит описание мезомасштабной структуры вод Критского моря. В этой главе на основе анализа литературных источников обобщены результаты предыдущих толе-

дований мезомасштабной структуры Критского моря, а такж основываясь на уншсальных CTD данных, собранных в рамках программа POEM (Physical Oceanography of Eastern Madi barrenean ) дан анализ мезомасштабной структуры полей температуры {Г), солености (S) и циркуляции Критского моря.

В первом параграфе главы приводятся: географическое описание Критского моря, основные климатологические явления, наблюдающиеся в данном районе и оказывающие существенное влияли« на формирование термохалинного рекит вод Критского моря.

Второй параграф посвящён анализу результатов, полученных предыдущими исследователями термохалинной структуры и циркуля -ции вод Критского моря в зимние и летние сезоны. До настоящего времени не имелось подробной и достоверной информации о распределении температуры, солёности, а такие циркуляции вод, что связано с не систематическим исследованием этого бассейна,

В третьем параграфе проанализированы CTD данные, полученные в рамках зимней 1987 года -Р0ЕМ-4 и летней 1987 года.-РОЕМ -5 экспедиций программы РОЕМ. Полученные результаты уточнят1 горизонтальное и вертикальное распределение, температуры, солёности и плотности исследуемого бассейна. Доказано существование глубокого конвективного перемешивания до глубин 700 ш в открытых частях Критского моря во время, интенсивного.выхолажи-зания поверхностных вод, что приводит к образованию мощных по ¡ертикали куполов в центрах циклонических круговоротов. Пока-1ано, что доминирующими водными масаами в Критском море являйся поверхностные воды Черноморского происхождения (ПВЧП), ¡еверо-Атлантическая водная масса (ОДВ), Левантийская промежу-

точная водная маооа (ЛПВ) и Критская глубинная водная масса. Причём во время зимнего периода САВ масса полностью исчезает из бассейна ва счёт конвективного перемешивания, а ЛПВ, как подповерхностная масса с максимумом солёности, почти не проявляется ив-ва большой степени гомогенизации поверхностных и подповерхностных водных масс. Благодаря выполненным подробным гидрологическим сйёмкам на акватории исследуемого бассейна, рассчитана геострофическая циркуляция вод. которая оставалась до настоящего момента не совсем ясной. При этом показано, что в рассматриваемом районе наблюдается инверсия главного течения зимой по сравнению о летом. Зимой геострофическая циркуляция определяется, главным обраэом, небольшими (с горизонтальным диаметром 8-10 кт ) чередующимися циклоническими и антициклоническими круговоротами, формирующими результирующее западно-северо-западное течение. Летом, наоборот, циркуляция определяется тремя антициклоническйми и двумя циклоническими вихрями с большими горизонтальными размерами ( 20-22 кт ), формируя при ■ этом восточно-юго-восточно-направленное течение. Инверсия главного течения в Критском море, кроме прочих причин, объясняется влиянием сезонной миграции Родосского циклонического круговорота и антициклонического круговорота юго-восточнее острова Брит в Левантийском море . Также немаловажное влияние имеют потоки водных масс через, проливы Критской островной дуги. Именно такая циркуляция вод и определяет географическое распределение той или иной водной массы в Критском море и непосредственно оказывает влияние на формирование и трансформацию термохалинной структуры Критского бассейна.

Во второй главе объясняются механизмы формирования различных элементов тонкой термохалинной структуры. Рассмотрены вопросы методики исследований тонкой структуры, дана общая характеристика! CTD зонда ( SBE-9 ), использованного во время экспедиций РОЕМ-4 и РОЕМ-5. Приведено описание методов обработки Г, S для выявления тонкой термохалинной структуры и, наконец, выбраны критерии для выявления механизмов формиров :(ия тонкой термохалинной структуры и способы параметризации её элементов. Здесь же указано, что весь материал, обработка массивов Т, S и построение графиков как для мезомасштабной так и для тонкой структуры выполнены на персональном компьютере PC типа АТ-286 IBM Compatible, с использованием программ, написанных автором в процессе выполнения диссертации.

Первый параграф главы являетоя обзорны* В нём объясняются понятия тонкой структура Выделяются механизмы формирования тонкой термохалинной структуры: а) при увеличении потенциальной энергии водной среды - внутренние волны и неустойчивое течение, б) при уменьшении потенциальной энергии водной среды за счёт неравенства коэффициентов молекулярного обмена-двойная диффузионная неустойчивость. Также обобщены условия возникновения тонкой структуры на границах раздела интрузионных прослоек и условия развития ступенчатой структуры в распределении температуры и оолёнооти по вертикали, то есть условия чередования однородных слоёв и высокоградиентных прослоек.

Во втором параграфе рассмотрены методы измерения и обработки материалов экспедиций РОЕМ-4,Б 1987 года. Все натурные измерения температуры, электропроводности и давления проведи-

лись СТО зондом типа SBE-9 фирмы Sea Bird Electr.on i es с борта греческого R/V "AEGAI0". Параметры, измеренные с частотой 33 Hz, после их осреднения через каадую секунду, записывались на магнитные дискетты. Сниженное до минимума различие характеристик датчиков температуры и электропроводности при применении насоса на датчике электропроводностии и калибровки датчиков перед рейсами, а также метрологический контроль измеряемых величин, даёт основание считать полученные данные высокой степе-• ни достоверными и уникальными. Далее, в этом разделе произведена обработка первоначального материала, с использованием алгоритмов, рекомендованных в работах UNESCO по морским наукам.

В заключительной части этой главы приведены алгоритмы для расчёта использованных критериев и параметризаций тонкой тер-мохалинной структуры Критского моря.

Для выявления различных форм структурообразующих процессов и вероятных механизмов генерации тонкой термохалинной структуры в .столбе воды, проанализированы отдельные участки вертикальных профилей Г(z) и S( z). Этот этап' • в работе назван "Диагностика". В качестве показателей возможности и интенсивности процессов двойной диффузионной неустойчивости . использованы величины Rp ~ плотнастное отношение и Ги -угол Тернера. Обе эти величины характеризуют соотношение вкладов температуры и солёности в фоновую гидростатическую устойчивость слоя воды. Вторым этапом обработки явилось выделение тонкой структуры от фоновой. Этот процесс назван "Статистика". Для этого, применяя методы статистического анализа, в профилях Т(г) и Sí г) были выделены "средние" 74 z), S-{z) и "пульсационные" T'(z), 5'(г)

- и -

доставляющие с использованием Косинус фильтра. Анализ мелкомасштабных возмущений температуры и солёности дал возможность определить каким явлением сформирована тонкая термохалинная зтруктура вод в каждом конкретном районе моря.

В третьей главе настоящей работы , на основе обработанных материалов, исследовались региональные особенности распределе-гия диагностических и статистических характеристик тонкой ¡труктуры. Установлена зависимость распределения характеристик онкой термохалинной структуры моря от фонового распределения емпературы и солёности на станциях полигона. Рассмотрена роль онкой термохалинной структуры в вертикальном переносе тепла и олей вглубь Критского моря.

В первом параграфе главы проведена оценка использованных анных. В некоторых случаях, в летний период, когда наблюдаясь пики солёности в рассматриваемом слое воды, произведена роцедура сглаживания значений Т(г), Б{г) с учётом постоянных ремени датчиков температуры и электропроводности или же сгла-таание значений Т{ г), 5(г) с помощью функции Хэминга. Определив Ти- угла Тернера и плотностного отношения- /?р выполнясь градиентным и интегральным методами. Для изучения э'аконо-фностей изменчивости термохалинной структуры был произведён •атистический анализ в объёме корелляционно-спектральной обмотки Г(г), 5[г) на отдельных участках (20-680 ш ) с хорошо ¡раженными тонкоструктурными образованиями.

Во втором параграфе главы кратко обоснован выбор исполь-ванных критериев и способов параметризаций механизмов диффе-нциально-диффузионной неустойчивости в процессе формирования

тонкой гермохалинной структуры. Рассмотрено в каких районах и участках водной толщи Критского моря соотношение вертикальных градиентов температуры и солёности благоприятствует развитию процессов образования солевых пальцев и послойной конвекции. При этом, в качестве показателя возможной интенсивности процессов двойной диффузии использовались критерии Ти и Яр, характеризующие соотношение вкладов температуры и солёности в гидростатическую устойчивость слоя. Величины Ти a Rp рассчитываются по интегральному методу.

Анализ вертикальных профилей Ти, Rp, а также вертикальных разрезов Ти как для летнего, так и для зимнего периодов показал, что оба процесса двойной диффузии для развития тонкой структуры имеют место в Критском море, но при этом доминирующими являются условия, благоприятствующие для формирования солевых пальцев. Гистограммы Ти для слоя воды 50-650 т, как для зимнего так и для летнего сезонов, показывают, что возможность развития двойной диффузионной неустойчивости в режиме солевых пальцев варирует в пределах 62-67%. Условия для развития послойной конвекции наблюдаются в 17-20% рассматриваемого объёма для зимнего период.., а летом лишь в 10-12Х. При рассмотрении гистограммы повторяемости Ги, отмечено, что летом значения повторяемости режима гидростатически устойчивого состояния воды составляют около 25%, что обусловлено, главным образом, летней фоновой термохалинной стратификацией, а зимой эти значения составляют всего лишь около 5Х. . Анализ карт географического распределения условий развития процессов солевых пальце! и поолойной конвекциии в выше указанной толще воды показал,

гго в зимний период преобладают условия развития конвективных зроцессов в виде солевых пальцев в восточных и центральных раинах Критского моря. Условия развития процессов послойной сонвекции наблюдались в северо-западном районе моря, севернее тролива Аятикифира, а также северо-западнее пролива Касос. Ле-[•ом, в верхних слоях ( 150-250 ш ) рассматриваемой толщи воды }аблюдалоеь полное гидростатически устойчивое состояние воды ю всей акватории моря. С увеличением глубины в большей степе-1и проявлялись условия развития конвективных процессов в режиме солевых пальцев.

Построенные разрезы и карты зимнего распределения кинима-'ических критериев структурообразующих процессов, характеризует« бассейн Критского моря, показали, что зимой, в слоях 150-¡50 т и 350-450 т, распределение критерия иэопикничности сов-1адает с распределением геострофической циркуляции. Средние (начения критериев статистической обработки показали, что ос-говной вклад в дисперсию тонкоструктурных флуктуаций темпера-■уры и солёности (в слое 300-650 т)вносят диапикнические провесы при средних значениях фоновых градиентов г)-!. 90 и при отношении коэффициентов термического расширения и олёпостного сжатия,равным Ь/а-3. 31. В верхних слоях 100-300 т I основной вклад в дисперсию тонко-термохалинных флуктуаций носят изопикнические процессы при ггг&Т' (¿)/гпв5(г )-4.80 и >/а- 3.39, а с1Т-{г)/с13-(.г)-7. 39.

Разрезы и карты распределения критериев иэопикничности и иапикничности, построенные для летнего периода показали, что онкая термохалинная структура исследуемой толщи воды предоп-

- и-

ределяется, в основном, изопикничносгью. Особенно это характерно для западных и западно-центральных районов бассейна, характеризующихся интенсивными изопикническими процессами. В восточной части моря, где сильно развит антициклонический вихрь, наблюдаются незначительные диапикнические процессы. Средние значения отношений термохалинных флуктуаций -rmsT'(z)/ rmsS' (г)-4.6, коэффициентов Ь/а-3.3, когда отношение фоновых градиентов равно dT-iz)/dS-(.z)-6.99.

В третьем параграфе главы установлена зависимость характеристик тонкой структуры Критского моря от фоновых условий. Выяснено, что преобладание режима послойной диффузии в северозападном районе Критского моря обьясняется поступлением поверхностных вод Черноморского происхождения, являющихся более холодными и менее солёными. Можно отметить, что летнее распределение гидрологических характеристик способствовало преобладанию режима гидростатической устойчивости вод в слоях между нишей границей подповерхностных Северо-Атлантических вод (CAB) с меньшей солёностью и верхней границей Левантийских промежуточных вод (ЛПВ) с повышенной солёностью. Ниже верхней границы ЛПВ, почти по всей акватории Критского моря, преобладал режим солевых пальцев, за исключением района пролива Анти-кифира, где преобладало устойчивое состояние воды из-за притока подповерхностных вод меньшей солёностью 'южной части Ионического моря,, по сравнению с более глубокими (ЛПВ) водами Критского моря. Геострофическая циркуляция вод связана с горизонтальным распределением критериев изопикничности и диапик-ничности. Распределение критериев изопикничности зимой 1987

года имело почти такое же направление как и главное течение. Критерии диапикничности. лучше выражен в районах опускания вод вдоль изопикн - в области между главным антициклоническим круговоротом и центрально-вооточным циклоническим районом.

В последнем параграфе главы оценена роль тонкой термоха-линной структуры в вертикальном переносе тепла и солей в глубь Критского моря. Рассчитаны потоки тепла и солей, по модели KUNZE (1987) для ступенчатой структуры Т. S. При сравнении результатов расчёта потоков тепла и соли по экспедициям РОЕМ-4,5 с результатами, полученными по модели KUNZE С1987) на интерфейсах под Средиземноморской линзой в Атлантическом океане, отмечено, что Критский перенос тепла и соли почти в два раза меньше.

В заключении сформулированы основные результаты исследований:

1. Проанализирована разномасштабная термохалинная структура Критского моря по известным обобщениям натурных данных. Показано, что несмотря на довольно длительную историю её изучения остались слабо освещёнными вопросы формирования вод Критского моря, структуры геострофической циркуляции. Практически отсутствуют данные о тонкой термохалинной структуре моря. Не имеется ни одного обобщения для Критского моря механизме формирования его тонкой структуры и её характеристик.

2. На основе обработки данных наблюдений за термохалинной структурой, полученных CTD зондом SBE-9, произведено уточнение. зхем зимней и летней геострофической циркуляции Критского мо-

ря, географическое распределение водных масс. Критского моря и их гидрологических характеристик, а также впервые документально установлен факт глубоководного конвективного перемешивания в открытых частях Критского моря. Установлен реверсивный характер течений в зимний сезон по отношению к летнему.

3. Произведена обработка данных наблюдений за тонкой тер-мохалинной структурой Критского моря во время РОЕМ-4 и РОЕМ -5, выполнявшихся эимой 1987 года и летом 1987 года Выделены тонкоструктурные флуктуации полей температуры и солёности воды.

Выбраны критерии и методы параметризации, позволяющие диагностировать механизмы, формирующие тонкую термохалинную структуру Критского моря.

4. Путём анализа рассчитанных вначений угла Тернера и плотностного соотношения произведена оценка распространённости условий дифференциально-диффузионной неустойчивости в Критском море отдельно для зимнего и летнего сезонов. Показано, что эимой в Критском море преобладает стратификация благоприятная для развития неустойчивости в виде солевых пальцев. Она имеет место в 63-67% объёма вод . Условия • для неустойчивости в диффузионном режиме наблюдаются в 17-20 X объёма вод. Имеют место также тонкие интрузии с гидростатически неустойчивой стратификацией, то есть плотностной инверсией ( 7% объёма вод ). Эгии условия выявлены в северо-западном районе Критского моря и северо-западнее острова Касос. Лишь 5% объёма вод ймеют гидростатически устойчивую стратификацию.

Иная картина наблюдается летом. В этом сезоне существенно

больший, чем зимой, объем вод имеет гидростатически устойчивую стратификацию ( 25%.). Значительно реже встречается гидростатически неустойчивая стратификация. Её происхождение связано в большей степени с существованием тонких интрузионных прослоек. Стратификацию для развития неустойчивости в виде солевых паль-• цев имеет 62% объёма вод, для неустойчивости в режиме диффузионной неустойчивости 11 %..

5. Произведено районирование Критского моря по распространённости диапикнического и изопикнического перемешивания от--дельно для зимы и лета путём статистической обработки массивов Г, 5. Показано, что зимой имеют место как изопикничеокие так и циапикнические процессы перемешивания. Распределение критериев иэопикнических'процессов повторяет в некоторой степени характер распределения геострофической циркуляции. Диапикнические процессы проявились более интенсивно вследствие сильно развитых термохалинных куполов и процессов интенсивных конвективных перемешиваний. Иная картина наблюдалась летом, когда преобла-цают изопикнические процессы перемешивания, в основном, в западных и западно-центральных районах моря. В восточной части, в районе сильно развитого антициклонического круговорота, наблюдаются также и очень слабые диапикнические процессы переме-ливания. Показано, что летом основной вклад в дисперсию тонко-зтруктурных флуктуаций Г, 5 вносят изопикнические интрузионные процессы.

6. Произведена оценка интенсивности вертикальных потоков гепла и соли в верхнем слое Критского моря при формировании зтуленчатой структуры. Показано, что вертикальный обмен за счёт

этих факторов в Критском море достаточно интенсивен. Рассчитанные потоки тепла и соли в Критском море почти в два раза меньше аналогичных оценок под Средиземноморской линзой в Северном Атлантическом океане.

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах:

1. Zodlatis G. Meandering Distribution of the Hydrodyna-mical Parameters in the Cretan Sea - Summer 1987. Annales Geophysioae, XIV General Assembly of EGS, Barselona, 1989.

2. Zodlatis G. Double diffusive activities in the Cretan Sea during late Summer 1987. Rapp. Comm. int. Мег Medit. , 32,1, 1990.

3. Zodiatls G. The hydrological conditions and the circulation in the Cretan Sea during late Summer 1987. (parer N 89055 accepted for publication in Jurnal Annales Geophysioae, Physics of Hydrosphere N. 2, 1991 ).

4. Zodiatls G. The water masses and deep convection in the Cretan Sea during late winter 1987 (paper N 90111 in press, Journal Annales Geophysioae, Physics of Hydrosphere, 1990 ).

5. Zodiatls G. The hydrological conditions and the ctrcu-_ lation in the Cretan Sea during late Summer 1987. Ann. Geophysioae, 1991,"N 9, p. 233-238.

6. Zodiatls G. Water masses and deep convection in the

i

Creat Sea during late winter 1987. Ann. Geophysioae, 1991, N 9.