Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Структура и эволюция вихревых линз в океане

ВАК РФ 11.00.08, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Структура и эволюция вихревых линз в океане"

VI 6 им

;'<рорсацвск4я^оцдвря НАУК, ..,...■

ИНСТИТУТ ОКВАВОЯОПП ИМ. П.П.ПИИЮВА

на оравах рукописи

ШАПИРО ГЕОРПШ ИОСИФОВИЧ

СТРУКТУРА И ЭВОЛЕЦИЯ ВИХРЕВЫХ ЛИНЗ В ОКЕАНЕ

(И.ОО.Ов - океанология) УДК 551.465

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-матешатических наук

МОСКВА 1993

Работа выполнена в Институте океанологии им.П.П.Ширшова Российской Академии наук

Официальные оппоненты

Доктор физико-математических наук.

профессор В.М.Камеикович Доктор физико-математических наук,

профессор Л.Н.Карлин

Доктор физико-математических наук е.п.Анисимова

Ведущая организация- Государственные Океанографический Институт

Защита состоится " 1993 г. в

часов

на заседании специализированного'Ученого совета по присуждению ученой степени доктора наук Д 002.86.01 при Институте океанологии им.П.II.Ширшова Российской Академии наук

Адрес Института: 117218 Москва, ул. Красикова, д.23

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке, Института океанологии им.П.П.Ширшова Российской Академии Наук

Автореферат разослан " " г.

Ученый секретарь Специализированного совета

кандидат биологических, наук Т.А.Хусид

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш

вихревые движения различных масштабов играет фундаментальную роль в динамике океана и в значительной степени определяют наблюдаемые в океане мгновенные значения температуры, солености, скорости течение. Основной вклад в вихревую компоненту кинетической анергии вносят вихри синоптического (с поперечником порядка 100 км) и субсиноптического (десятки км) масштабов. Важной разновидностью океанских синоптических вихрей являются вихревые линзы (ВЛ), отличительная особенность которых - наличие обособленного ядра, которое можно выделить по аномалиям термохалинных характеристик или их вертикального распределения. В танах вихрях ядро может быть связано с линзой инородных (по своему происхождения) вод или образовано локальный отклонением изопшащчэских поверхностей от своего равновесного состояния. Следует специально откатить, что в интенсивных ВЛ наблюдаются не только высокие скорости течений, но н значительные смещения изопикнических поверхностей от равновесного положения.

Вихревые линзы наблюдаются в поверхностных и придонных слоях океана, но особенно часто в толще- вод, в термоклине, где имеются благопрятяые условия для их длительного сутцествования. По- видимому, впервые подповерхностная ВЛ была зарегистрирована П.П.Ширшовым в 1937 г. на дрейфующей ледовой станции "Северный полюс-I". К настоящему времени обнаружено более 300 подповерхностных ВЛ в Атлантическом, Тихом, Северном Лэдопетом, Индийском и Юкном океанах. Время жизни внутритермоклинннх ВЛ достигает нескольких лет, дальность распространения - тнсяч километров, поперечник составляет обычно несколько десятков километров, а аномалия солесодержания достигает миллиардов тонн. В Атлантическом океане значительная доля притока высокосоленых Средиземноморских вод происходит в форме ВЛ. Осуществляеигй линзами тепломассоперенос является неотъемлемой составной частью глобального пермешивания океана.

Обнаругэние внутритермоклинных ВЛ и осознание их роли в системе океанских вихрей ' привело к кардинальному изменению взгляда па структуру промежуточных вод океана. Уже первые

\

исследования показали, что изучение фундаментальных физических свойств ВЛ, механизмов их зарождения, закономерностей эволюции и гибели требует принципиально новых подходов как при теоретическом анализе (из-за сильной нелинейности процессов), тех и в анализе натурных наблхдений (из-за трудности обнаружения, относительно небольших размеров и длительности

-лучу птшгтоття ^.____

С теоретической точки зрения интенсивные вихревые линзы относятся к классу двиганий конечной амплитуды. Под этим термином понимаются такие движения жидкости, находящейся под действием силы тяжести, которые вызывают значительны» отклонения поверхностей раздела плотности (в слоисто- мратвфацированной среде) шш изопикнических поверхностей (в напрерывно-стратифицированной среде) от равновесного состояния. Классическая квазигеострофаческая теория, которая успешно применяется для описания многих типов океанских вихрей, не учитывает это важнейшее свойство интенсивных вихревых линз.

В геофизической гидродинамике встречается и другие типы движениий конечной амплитуды как во вразащейся так и в невращапцейся жидкостях: интрузии инородных вод в толще тераоклина, проникновение распресненныг вод в праустьевах зонах коре®, даиааика фронтальных разделов в океане н в атмосфере. Наряду с динамикой вихревых линз, эти вопросы также затронуты в диссертации, поскольку имеется определенен аналогия между различными разновидностями движений конечной аиплитуда как в Зязике происходящих процессов, так и в математическом аппарате, использующемся для их описания.

Цель работа

Основной целью диссертационной работы явилась разработка гидродинамической теории движений конечной амплитуды, описнвавдвй структуру и динамику ВЛ, сравнение выводов теории с данными натурных наблюдений и с результатами специально проведенных лабораторных экспериментов. Рассмотрены также близкие вопросы динамики плотноспшх фронтов.

Основные задачи исследования

Построить нелинейную теорию, описывающую структуру я долгопериодную изменчивость движений конечной амплитуды. Дать теоретический анализ основных уравнений, определить область их применимости, согласованность с известными ранее приСлизаншая.

На основе разработанной теории построить конкретные гидродинамические модели ВЛ и мезомасштабных фронтов. Провести анализ этих моделей при различных параметрах и начальных условиях. Выявить физические механизмы, определяйте даивизку линз и их структуру, получить оценки основных характеристик эволюции ВЛ. Выяснить общие черты и различия ВЛ и нелинейных волн Россби.

- Провести численное моделирование эволюции монопольных и дипольных вихревых линз. Оценить адекватность полученных аналитически решений путем сопоставления с численными расчетами и результатам специально проведанных лабораторных экспериментов.

- Обработать массовые данные натурных СТБ наблюдений для выяснения трехмерной структуры внутритермокдинных ВЛ, поиска автомодельных зависимостей и оценки воздействия рельефа дна на структуру и устойчивость линзы.

Основные научные результаты

1. Разработаны основы гидродинамической теории квазигеострофических движений конечной амплитуды. Получены и проанализированы уравнения, которые, в отличие от классической теории, учитывают "кинематическую" нелинейность, обусловленную существенным отклонением изошкнических поверхностей от рановесного полокения.

2. Построены конкретные физико-математические модели для описания вихревых линз и фронтов в различных физико-географических условиях. Получены аналитические решения, описывающие структуру и эволюцию ВЛ, выяснены пределы применимости этих решений. Сформулирована и доказана теорема, устанавливающая ограничения на минимальный радиус линзы в зависимости от ее структуры и стратификации фоновых вод.

3. Предложена нелинейная теория вихревых линз, учитывающая

внутреннее трение. Установлено, что вертикальное трение в линзах приводит к возникновении вторичной полоидальной циркуляции, способствуеицей перераспределению вращательного момента в горизонтальной плоскости, ивязкому выроздению вихря. В двуслойной хщдкости вязкое затухание происходит в две стадии, которые существенно отличаются по своим свойствам. При затухании црэдиышй ВЛ праиишднт генорацая прдпорорзюстного гдхря—с-направлэшем вращения, противоположным исходному.

4. На основе гидродинамических моделей движений конечной амплитуда выявлены основные черты нестационарной динамики фронтов в атмосферном циклоне (в том числе объяснено возникновение фронта окклюзии), свойства антициклональной инверсии температуры в тропосфере, динамика гидрологического фронта в мелком водоеме.

5. Изучено влияние кинематической нелинейности на эволюцию дшюльных ВЛ. Установлено, что под влиянием этой нелинейности дипольные вихри с малыми горизонтальными размерами (порядка' радиуса Россби) изменяют траекторию своего перемещения , а вихри большого размера - внутреннюю структуру течений.

6. Найдены и проанализированы автомодельные режимы эволюции монопольных ВЛ и мезомасштабных фронтов. Цроведены численные и лабораторные эксперименты по динамике линз и фронтов, которые подверадают выводы гидродинамической теории движений конечной амплитуды.

7. По архивным материалам МШ измерений в Северной Атлантике выявлена автомодельность трехмерной структуры талей температуры и солености в линзах Средиземноморских промежуточных вод. Показано, что имеются два семейства этих линз. Иберийское и Канарское, которые отличаются по своим свойствам.

8. Специально проведенный натурный эксперимент в Северо-Восточной Атлантике показал, что ВЛ не разрушается полностью при столкновении с подводными горами, а сохраняет свою когерентность. При этом нарушается автомодельная структура внешних оболочек линзы.

9. По архивным данным обнаружены соленостные линзы Красноморского происхождения в Северо-западной части Индийского океана . Эти линзы сопоставимы с линзами Северной Атлантики по

размерам, но имэют меньшую интенсивность. В отличие от Атлантики, рельеф дна не оказывает влияния на условия их формирования.

Научная новизна

1. Впервые выведено и проанализировано обобщенное хвазигеостроЗическов уравнение, описывающее динамику движений конечное амплитуды, получены его аналитические и численные решения.

2. Впервые на основе единого подхода изучена динамика вихревых линз в океане, синоптических фронтов в тропосфере и мэзомасштэбных фронтов в мелком водоеме. Исследована структура в эволюция ВЛ, дано объяснение необычно длительному времени их существования. Изучены физические механизмы, приводящие к генерации вторичных течений в вихревых линзах. Дано теоретическое объяснение возникновению фронта окклюзии в атмосферном циклоне.

3. Проведено численное и лабораторное моделирование двиганий конечной амплитуды. Впервые выявлена роль кинематической нелинейности в динамике вихревых линз. Продемоне трироЕага устойчивость найденных теоретически автомодельных рвгшов.

4. Впервые изучена автомодельность трехмерной структур! внутритермоклинных вихревых линз Северо- Восточной Атлантики путем анализа натурных наблюдений. Впервые исследована структура внутритермоклинной ВЛ непосредственно после столкновения с подводными горами. Впервые доказано существование ВЛ красноморского происхождения в Индийском океане, определен ареал их распространения и установлены их основные свойства.

Обоснованность научных полеташгй п выводов

В целом работа представляет собой комплексное исследование, используюцее метода теоретической гидродинамики, элементы численного моделирования и анализ натурных наблюдений.

Обоснованность теоретической части работы основана на тщательном анализе исходных допущений, их сопоставлении с натурными данными, корректном использовании современных математикеских методов разложения по малым параметрам,

построении точных аналитических решение и оценке пределов их применимости, а также на оценивании точности решение, полученных приближенно. Теоретические результаты проверялись путем сопоставления с данными лабораторных экспериментов и результатами численного моделирования. Численные модели проверялись на тестовых задачах. Лабораторные эксперименты "ггроводйШСЬ в широким диааациш шределлдц^и параметров. Ддл-анапиза натурных наблюдений использовались данные различных авторов, собранные независимо.

Щшпжчесма цзнность работа

Црёдло$енная в работе гидродинамическая теория использована для построения конкретных гидродинамических моделей. Она позволила выяснить физические механизмы эволюции и вырождения вихревых линз и мезомасштабных фронтов, позволила оценить область применимости некоторых известных ранее приближений. Результаты моделирования мезомасштабных фронтов были использованы при анализе гидрологических реяишв в северных реках России. Результаты анализа структуры внутратермоклинных ВЛ использованы для оценки искажений, вносимых ВЛ в распространение звука в океане. Предложенная схема автомодельной параметризации ВЛ может быть использована для решения задач акустической томографии. Результаты исследований столкновения ВЛ с подводными горами могут Сыть использованы для оценки климатических эффектов. Обнаружение ВЛ в Индийском океане продемонстрировало необходимость учета нетрадиционного механизма перноса тепла и соли при климатических расчетах.

Апробация результатов н научные пуДликяща

Результаты работы докладывались и обсуждались на 2-м и 3-м Съездах советских океанологов (Ялта, 1982, Ленинград, 1987), на 2-м и 3-м Всесоюзных симпозиумах "Тонкая структура и синоптическая изменчивость морей и океанов" (Таллинн, 1984, 1990), на 22-м и 23-м Международных коллоквиумах по гидродинамике океана (Льеж, 1990, 1991), на 5-м Международном коллоквиуме по моделированию океанских вихрей (Гановер, США, 1990), на 20-й сессии Генеральной Ассамблеи Международного

геофизического общества (Вена, 1391), на 17 сессия Генеральной ассамблеи Европейского геофизического общества (Эдинбург, 1992), на некоторых других научных конференциях, а также на научных семинарах в Институте океанологии РАН (Москва, Ленинград, 1983-1993), Морском гидрофизическом институте АН УССР (Севастополь, 1989), Вудс-хаяльском океанографическом институте (Еудс-Холл, 1990), Университете штата Флорида (Талахасси, 1990), Нильском Институте мореведеЕия (Киль,Германия, 1991, 1992), Отделе физической океанограйии ИФРШЕР (Брест, Франция, 1992).

По теме ■ диссертации опубликовано 36 научных статей в отечественных и зарубежных журналах и монографиях, из них 18 -без соавторов. В работах, написанных в соавторстве, диссертанту принадлежат основные идеи и постановки задач; его участие в их решения было существенным на всех этапах.

Объеа а структура дассарТЕ^я

Диссертация состоят из введения, четырех глав, заключения и списка цитаруемоЗ лгтература. Работа содержит 3^£Ьтраниц, в ней £2 рисунков и графиков, список цитированной литература содержит У5"£ наименований.

Во введении обосновывается актуальность теш, формулируется цель и конкретизируются задачи исследования, кратко излагается структура диссертации. В первой главе изложены основы гидродинамической теории квазигеострофиччских движений конечной амшштуда, выведены и проанализированы необходимые уравнения. Во второй главе представлены конкретные гидродинамические модели ВЛ, а также других объектов сходной фезической природа: теплых и холодных фронтов в атмосферном циклоне и мезомасштабных фронтов в мелком водоеме. Третья глава посвящена численному и лабораторному моделировании вихревых линз и плотностнкх фронтов. В четвертой главе дан анализ наблюдений ВЛ в. океане и проанализировано соответствие модельных представлений натурным данным.

СОДЕРЖАНИЙ РАБОТЫ

Глава I; квааигеострафинеская теория двияений конечной ахпмщды.

Большинство теоретических исследований вихревых движений синоптического масштаба основано на использовании уравнения квазигеострофгческого потенциального вихря (КПВ), которое было дтттупаттл ттгудтд шмтайуп ряпщп у, ряЛпТЙТ ЧТОНИ (ОЬагПвУ, 1947), Обухова (1949) и ряда других авторов. Уравнение КПВ обладает замечательным свойством: оно отфильтровывает высокочастотные колебания (гравитационные волны), что позволяет анализировать относительно долгопериодную изменчивость течений . Тем не менее известны классы "почти геострофических" движений в океане, котороые не могут быть описаны уравнением КПВ (Burgsr, 1958; Oharney and Plierl, 1981).

Анализ показывает, что для описания шсокоэнергичных ВЛ традиционное квазигеострафическое приближение не всегда оказывается адекватным. Причина состоит в том, что возмущение плотности в интенсивных вихревых линзах обычно нельзя считать калым, при этом расстояние между фиксированными нзопикническими поверхностями может изменятся 1.5 - 2 раза по сравнению с фоновым значением (Белкин и др., IS86). Такие движения естественно называть движениями конечной амплитуды, а для их описания требуется более общая теория, учитывыапдая влияние дополнительной (кинематической) нелинейности.

В этой главе для описания движений конечной амплитуды выводится и анализируется обобщенное квазигеострофнческое уравнение (ОКУ), которое аналогично традиционному уравнению КПВ учитывает существенную роль силы Кориолиса, отфильтровывает высокочастотные колебания, но не предполагает малости возмущений поля плотности и учитывает агеострофические компоненты скорости.

Раздел I.I посвящен выводу обойденного квази-геострофического уравнения для однородной невязкой жидкости на бета-плоскости и на сфере. Простейшим классом движений, на котором уже можно проследить основные особенности, обусловленные кинематической нелинейностью, является движение слоя однородной

невязкой жидкости со свободной поверхностью на бета- плоскости (Шапиро, 19846, 19в6а,в), когда какие-либо ограничения на амплитуду возвышения свободной поверхности не налагаются. Эта задача имеет самостоятельный интерес и, кроме того, к ней сводятся более реалистические (в приложении к океану) задачи о движениях конечной амплитуды в двух- и трехслойной жидкостях в приближении редуцированной силы тяжести.

В качестве исходных используются уравнения движения в приближении квазистатики (уравнения мелкой вода)

(1) + f[k*u] = -gtfi Dt

(2) —- + /той = О Dt

где и - двумерный вектор горизонтальной компоненты скорости течений, к - единичный вертикальный вектор, h(x,y,t) - толщина слоя жидкости, V - оператор Гшгильтона в горизонтальшЗ плоскости, D/Dt - субстанциональная производная, f=fQ + ßy -параметр Кориолиса.

Анализ масштабов показал, что в этой задаче имеются два независимых безразмерных параметра нелинейности: число Кибеля-Россби е и параметр кинематической нелинейности

a=(hB-h0)/hQ, где uv L$. hg - масштабы скорости, длнны к

толщины возмущенной области соответственно, a hQ - толщина невозмущенной жидкости (Шапиро, IS346,IS8Gs). В нихрзшх лзнзах параметр о достигает величин порядка единица, поэтому при выводе ОКУ он не предполагается иалым. Рассматриваются движения, близкие к геострсфачоскЕм, для которых выполняются условия е«1

и Ej, = (70VJ « 1, где Тя - масштаб времени эволюции. Используя асимптотические разложения динамических переменных в асимптотические ряды по этим двум малым параметрам, получаем из системы (I), (2) простейшую форту обобщенного квазигеострофпеского уравнения в приближении бета- плоскости (Шапиро, 1986а,в; Shapiro,1989):

к

вПдП a &n

(3)--Whv—; - BJih.MhH^x) /2) - Gh— = 0

at 8t dx

где A = g/f0, В = 8?//%, С = J - опрератор Якоби в горизонтальной плоскости. По сравнению с уравнением кзазигеострофгческого потенциального вихря уравнение (3) содержит дополнительные нелинейные члены в последних трех -слагаема*------

Горизонтальная скорость и определяется через значения толщины слоя h и ее производные по формуле

dh

(4) и = A(f0-py)[b'Vh] - Av--BJ(h,vh).

8t

Приведенная выше процедура оказывается аффективной и для описания двиганий в сферическом слое вне экваториальной гоны (Шапиро, 1967а; Shapiro,1989). В этом случав в уравнениях (I) и (2) Т=гааЩ , где ф - широта, а под символом v понимается оператор Гамильтона на сфере

1 ё, 0 8 а соэср ax 47 бф

где Я - долгота, ё^ , ё^ - орты сферической система координат, a - радиус сферы .

О точностью до малых членов порядка 0(s3,s2sx,esp , обобщенное квааигеострофачэское уравненш на сфере (в размерных переменных) имеет вид:

дН о г И г vffln г И дчЕл f В\

(6) -- ^[^j^J-^-J.ej^j.o

В приведенном выводе не требуется малости амплитуда о и на используются какие-либо конкретные соотношения шзду малыми параметрами е и sT , что делает ОКУ (6) единым и удобным средством для анализа движений различных масштабов и амплитуд. В частности, ураваеяжя (3),(6) описывают так называемые компактные вихревые линзы, т.е. такие ВЛ, в которых толщина слоя жидкости

обращается в нуль на краях ( Шапиро, 19846, 1986а,в; 1991, Shapiro, 1989).

В редела 1.2 рассмотрены движения конечное амплитуды в слоистой вязкой жидкости на вращающейся сфере (Шапиро, 1987а). Предполагается, что жидкость состоит из произвольного количества различающихся по плотности однородных тонких слоев. В приближении квазистатшш уравнения движения, учитыващие вызванные внутренним трением вертикальные потоки импульса, в каждом из слоев имерт вид

ди ви 1 д?и

(7) — + (U7) и — + f[k*ul ---vp + v—

et дш вг 1 dp Р 9

(8) vu + — =0 , ---- в.

dz р вг

где v> - вертикальная скорость, v- коэффициент эффективной вертикальной вязкости. На границах между слоями выполняется условия непрерывности горизонтальных и вертикальной компонент скорости, кинематическое и динамическое граничные условия.

Действуя по аналогии с предыдущей разделом, разрежаем уравнения (7) относительно и, а> методом разложения в двойшю асимптотические ряды по двум малым параметрам а и е^, выракаеи давление через толщины слоев с помощью граничных условий и полученные выражения подставляем в проинтегрированное по вертикали уравнение неразрывности. Получаем систему связанных между собой нелинейных уравнений.

В диссертации более подробно рассмотрен важный частный случай трехслойной жидкости, когда толщины верхнего и нижнего слоев намного больше, чем толщина среднего, динамически активного слоя. Эта ситуация моделирует ВЛ в толще главного океанского термоклина. При равных перепадах плотности на верхней

и нижней границах раздела и малых числах Экмана E=(h^7i:t)2 ОКУ

для динамически активного слоя имеет тот же вид, что и (6), но с заменой значения g на g1 (редуцированоое ускорение силы тяжести) и добавлением в правую часть члена

1 vh

(9) jB'^yi.

1 /8

описывающего влияние вязкости, где hg = (2v/f) ' экмавовский масштаб.

В разделе 1.3 проведен параметрический анализ обобщенного

'кь&ш'бострйфачвскиго-уршавная;-оцанаяы-продола-ете-

щнменимости и связь с другими приблиаэниями (Шапиро,19866,в; 1987а). Показано, что уравнение (6) (и его вязкий аналог) описывает широкий класс квазигеострофпеских движений конечной еавиштуда. При определенных комбинациях безразмерных параметров из уравнения (6) в качестве предельных случаев моено получить упрощенные частные'формы, которые совпадают с известными ранее уравнениями. Так , например, пра о - 1 и - о получаем

уравнение Бургера, при « = (g'h!/§f)1/3, а « 1 и Lt «

ip = (fV/p*)i/9 - традиционное уравнение квазигеострофического

потенциального вихря, а при Lj, уя <* qlsr , Tt «

СрХдГ1 - уравнение Ыатсууры и Ямагаты (1982).

Режимы течений, описываемых обобщенным квазигеострофическим уравнением, существенно зависят от соотношения параметров нелинейности в/о, которое оказывается в точности равным числу

Бургера Bu = где 1ц= (&.t)U2/f - внутренний радиус

деформации Россби, и совпадает по порядку величины с отношением кинетической и доступной потенциальной энергий. При больших числах Бургера (малый изгиб нзопикн, малая кинематическая нелинейность, малая потенциальная энергия) ОКУ описывает бездивергентные нелинейные волны Россби. При малых числах Бургера движение имеет "линзоподобный" характер, когда локальные изменения потенциальной завихренности обеспечиваются, главным образом, за счет растяжения вихревых нитей.

В разделе 1.4 проведен качественный анализ еволюции локализованных вихрей конечной амплитуды с использованием обобщенного квазигеострофического уравнения (Шапиро,1987в).

Натурные наблюдения, численные модели и лабораторные опыты показывают, что существуют одиночные когерентные вихри как циклонического, так и антициклонического типов, которые имеют время жизни, существенно превышающее синоптический период

Г0-(?1яГ1- В ряде работ аномально длительное время жизни

антициклонов объяснялось в рамках солитонной теории. В диссертации применен другой подход, который состоит в том, что вместо поиска приближенных стационарных решений проводится оценка времени эволюции нестационарных решений в зависимости от параметров вихря (размер, интенсивность, структура).

Анализ показал, что существует, в частности, два класса долгоживущих вихрей как циклонического, так и антициклонического

типов: (I) вихри с малой амплитудой 7 < рь| и горизонтальным

размером < « а и (2) интенсивные почти осесимметричннв

вихри с амплитудой 7> и радиусом Ьд < Здесь 7 -

характерная орбитальная скорость вихря. Полученные результаты объясняют, например, длительное время жизни интенсивных циклонических рингов. Для типичного ринга Гольфстрима характерное время эволюции составляет, согласно этой теории, примерно 1.5 года, что согласуется с наблюдениями.

Глава 2. ГиОроОитжаческав лоОели вихревых линз и лезожасжюбкых фронтов

В разделе 2.1 Рассмотрена структура стационарной одиночной вихревой линзы в приближении редуцированной силы тяжести (Шапиро, 19846,1986а). Предполагается, что линза представляет собой однородный по плотности объем жидкости, толщина которого обращается на.краях в нуль. Линза расположена на поверхности, на дне или на границе раздела в двуслойно- стратифицированной жидкости. Вязкость не учитывается, используется обобщенное квазигеострофическое уравнение в приближении бета- плоскости. Рассмотрена сильно - нелинейная ситуация, когда орбитальные скорости жидких частиц существенно больше вызванного бета-эффектом дрейфа линзы.

Выведены приближенные уравнения нулевого и первого порядков, описыващие почти осеснэдетричные ВЛ и получены их точные аналитические решения в виде квадратур. Получено выражение для скорости бета-дрейфа как собственного числа краевой задачи. Детально проанализированы некоторые частные случаи для различных распределений орбитальной скорости по радиусу. Рассчитаны конкретные примера циркуляции жидкости в линзе с учетом возникновения вторичных течений. Показано, что стационарная компактная ВЛ может двигаться только на запад, причем ее амплитуда, горизонтальный размер и скорость передвижения не подчиняются нелинейному дисперсионному соотношению.

В раздаю 2.2 рассмотрены осесиыметричные солитоны Россби и продемонстрирована неоднозначность нелинейного дисперсионного соотношения для таких вихрей (Шапиро,1988).

Хорошо известно, что классические солитонные решения, например, солитоны Кортевега-де Вриза, подчиняются нелинейному дисперсионному соотношению - скорость перемещения солитона и его размер однозначно определяются его амплитудой. В диссертации получены оценки скорости эволюции известных из литературы осесвмметричных солитонов Россби под действием дополнительных эффектов, которые обычно не учитиваются в солитонной теории. Найдено однопараметрическое семейство решений, имеющих ту сэ структуру и время жизни, что и известные ранее солитоны, но отличающиеся от них горизонтальным размером (диаметром).

В разделе 2.3 предложен интегральный подход к изучению адиабатической (невязкой) эволюции вихревых линз (8Ьар1го,1989; Шапиро, 1991). В качестве интегральной характеристики была взята площадь Б проекции на горизонтальную плоскость лагранжева жидкого объема вихря. В отсутствие диссипативных эффектов скорость изменения 5 характеризует быстроту вырождения вихря из-за излучения волн.

В диссертации получены оценки для скорости эволюции интегральных характеристик ВЛ с использованием как Лагранжевого, так и Эйлеровою подходов. Показано, что для слабо

асимттрячного вихря яря > получается следующее шражэяиэ для времени адиабатического вырождения

(Ю) - Г-1 = -=- о[ - |

Для квазистационарной вихревой линзы параметр асимметрии

оказывается равным , т.е. обратно пропорционален

скорости течений в линзе. Согласно (10) это означает, что

и^Х^/Ср2!*), т.е. более интенсивные линзы вырождаются при прочих

равных условиях медленнее. Полученное соотношение дает физическое объяснение известной из наблюдений высокой концентрации вихревых линз в Северном Ледовитом океане (высокие значения и^ и малые значения р, соответствуют больлшм значениям времени жизни ts).

В раэ&зхз 2.4 рассматриваются некоторые общие свойства квазистационарных ЕЛ в непрерывно стратифицированном океане и устанавливаются ограничения, которым подчиняются основные параметры таких вихрей (Шапиро,1986т,19876). Доказана теорема о продельном размере уединенных вихревых линз в стратифицированном океане. Распределение плотности в ВЛ предполагается автомодельным. Проверке этой гипотезы на материале натурвых наблюдений в Северной Атлантике посвящен раздел 4.1.

Аномалии плотности в линзе зашатаются в фореге

р'=о^В(2/1\), где а,7 - константы, 3(() - автомодельяй вертикальный профиль, Л - зависящая от радиуса полукыщгаа линзы. На основе уравнений циклострофического баланса, гидростатики и приближения Буссинеска доказана теорема о том, что полный радиус антициклонической линзы не может быть меньше, чем

(П) Чвт = т (1+1 )Ро?

где 0 - максимальное (по () значение выражения -00

?0- толщина линзы в центре. Напирамер, для линейно стратифицированной линзы (с частотой Вяйсаля Я^) в линейно

стратифицированном окружении (ЯГ

Я./Р- йГ

п _ и_I

"пт--^-

В раздела 2.5 рассмотрена структура полоидальной циркуляции и вязкое вырождение вихревой линзы (Шапиро,1967а. Костяной, Шапиро, 1986а,б).

Из анализа полной (с учетом вязкости) форш уравнения (6) получены оценки времени вязкого затухания Гв для различных типов движений. Представляет интерес частный случай осесисметричного течения при условии о » е , который реализуется, например, во внутритермоклинных вихревых линзах Северной Атлантики. При малых числах Экмана {Б « 1. тонкие погранслои) имеем

(12) Тв= 2-%Гс

где - классическое время вязкой релаксации

(спицдауна). На етой стадии замедление вязкой релаксации линзоподобного вихря пропорционально отношению его доступной потенциальной и кинетической энергий. Для заключительной стадии вязкой релаксации получена оценка времени, за которое толщина линзы уменьшится до масштаба 1%Е

(13) ,

где 7Я - полный объем линзы.

В диссертации проведен детальный анализ структуры полоидальной циркуляции и процесса вязкого затухания для

внутритермоклинной ВЛ на основе уравнений низшего по е, ет приближения в модели бесконечно глубокой трехслойной жидкости. В приближении /-плоскости уравнение эволюции осесишетричной ВЛ имеет вид

где Ыг,1)~ толщина линзы, (р№) =-1+етр(-х)(ви>х*-ооех). Поиэ нахождения функции Ь.(г,Х) из уравнения (14) величина орСзталыюЗ скорости и функция тока полоидальной (в пяоскостдСг.гЛ циркуляции определяются по формулам нулевого пряблагения. Цря В » 1 уравнение (14) редуцирется к уравнению нелинейной теплопроводности со степенной нелинейностью и имеет автомодельные решения (Баренблатт,1952).

В рзз&элэ 2.6 рассмотрены структура, эволюция и шроздэнгэ интенсивных мезомасштабных вихревых движений в двуслойной вязкой вращающейся падкости в приближении /-шюспостя (Шашро, Шеремет,1991). Никаких ограничений на невозмуцепные толцееы верхнего и нижнего слоев, а такт» на амплитуду сзгещеняя поверхности раздела не налагается. Используется система из двух обобщенных квазнгеострофических уравнений, полученная в соответствие с процедурой раздела 1.2 путем разложения уравнений движения по малым параметрам е^ , е и £ . Система записывается для аномалий давления в каждом из слоев.

Для реальных ВЛ обычно выполняются условия « I «

где 1ас- бароклинный, - баротропный радиусы деформации. В этом случае система уравнений упрощается, что позволило эффективно решить ее численно, а для осесииметричных визрей -найти аналитическое решение. Показано, что в эволюции вихрей имеется два характерных временных масштаба: "быстрое" время

Г?=Я//?1Е и "медленное" время Г5=Г?/Ви, где

Перестройка поля горизонтальной скорости обусловлена возникновением придонного и внутреннего зкмановскнх слоев, которые возбуздают ячейки вертикально-радиальноЗ (полой-

дальной) циркуляцшш. Перемещения жидких частиц вне экмановских слоев в радиальном направлении приводят к изменению азимутальных скоростей вследствие сохранения кинетического момента.

За "быстрое" время t » Tf происходит перестройка поля течений от произвольного начального к квазистационарному состоянию, которое определяется формой границы раздела. Затем за время t " происходит одновременное и самосогласованное вырождение течении 5—обоих—илиш..—Полученное—опалитичоскоа-решение и результаты численных расчетов подтвердили справедливость приведенных выше оценок времени вырождения.

Раздал 2.7 посвящен анализу влияния внешних воздействий на локализованные вихри.

рассмотрены две задачи. В первой исследована эволюция мезомасштабной линзы более легких (теплых, распресненных) вод в верхнем квазиоднородном слое океана под действием ветра и фонового течения (Шапиро,1985). Учитывается влияние горизонтально-неоднородного ветра, бета-эффект, крупномасштабные вертикальные движения. Обмен массой между слоями не_учитывается. Выведено двумерное нестационарное уравнение для толщины верхнего слоя. Найдено его аналитическое решение для случая тонкой линзы. Для более сложного неосесимметричгого случая решение получено численно.

Вторая задача моделирует эволюцию холодного и теплого фронтов в атмосферном циклоне (Шапиро,1982а,б). Рассмотрена "полутораслойная" модель, в которой движение верхнего слоя (вне слоя трения) считается заданным, а движение нижнего слоя находится путем решения уравнений гидродинамики вязкой жидкости. Дня этой ситуации выведено обобщенное квазигеострофвческое уравнение в низшем по £, приближении для "придонного" слоя. В отличие от уравнений (6), (17), это уравнение содержит "вынуждащую силу", зависящую от распределения скоростей в верхнем слое. Из анализа решений этого уравнения показано, что с точки зрения гидродинамики холодный фронт представляет собой "ударную волну", а теплый фронт- "центрированную волну разряжения". Дано теоретическое объяснение хорошо известному из наблюдений факту, что холодный фронт движется быстрее теплого,

что приводит к образованию фронта окклюзии. Аналитически смоделирован процесс увеличения кривизны фронта вблизи центра циклона.

Ргаяэл 2.8 посвящен гвдродина\ическому иоделированзю динамики мезомасштабного фронта в мелком водоеме (Шапиро, 19836, 1584в, Костяной, Шапиро, 1984). Хотя в этой модели вращение Земли не существенно, иетонически эта задача тесно связана с задачами о шхревых линзах. При выводе основных уравнений в полной мэре учитывается кинематическая нелинейность, и допускается ситуация, когда толщина одного из слоев обращается в нуль.

В модели рассматривается двуслойная ездкость, прячеа толщины верхнего и нзшнего слоев могут быть одного порядка, а полная глубина водоема не превышает толщины вкмановского слоя

трения. Плотностное число Сруда полагается

малым. Задано касательное напряжение ветра как функция координат и времени. Получена нелинейная система уравнений, опнсывхцая нестационарную динамику фронта. Для бассейнов со слабима приливами система сведена к одному нелинейному уранению. В нескольких частных случаях найдены его аналитические решения.

Глава 3. Численное и лабораторное моделирование вихревых линз.

В раздела 3.1 проведено моделирование динамики одиночной вихре Ера линзы в отсутствие вязкости путем численного решения обобщенного квазигеострсх^тчэского уравнения (6) и его упрощенных форм. Выла использована итеративно-спектральная численная схема, специально разработанная для этой задачи (Коньшин,Шапиро, 1988, 1990). Для оценки роли эффектов, обусловленных кинематической нелинейностью, параллельно эволюция ВЛ рассчитывалась на основе нелинейного уравнения КПВ, которое учитывает нелинейную адвекцию вихря, но не учитывет кинематическую нелинейность.

Начальное распределение геопотенциала задавалось в виз Н=1+А(сЬ(Рг)Г , где А,к -константы, а расчеты продолжались до тех пор, пока ВЛ не перместится под действием бета -эффекта на несколько десятков своих радиусов (Коньшин, Шапиро, 1990 ).

Параметры численной схемы для всех трех уравнений были одинаковы. Сетка содержала от 40*30 до 120*60 узлов.

Для антициклоничкских ВЛ получены следующие результаты. ' л полном учете всех видов нелинейности ( расчет по >КУ) зарегистрированы большая скорость "бета-дрейфа", менее интенсивное излучение волн Россби и меньшее меридиональное тмттушпа тшот-ра «итря вя рг, чем дает расчет по уравнению КПВ.

В раздела 3.2 проведено численное моделирование эволюции вихревых диполей (Коньшин, Шапиро, 1988 , 8Ьар1го, КопнМп, 1989, Коныиин,Шапиро,1990 ). Использовалась та же численная схема, что и для одиночных ВЛ, сетка 120*60 узлов. В качестве начального условия использовался достаточно интенсивный дипольный солитон Ларичева-Резника. Расчеты показали, что при учете кинематической нелинейности диполь начинает эволюционировать. При размерах диполя порядка его ось поворачивается, а траектория существенно отклоняется от предсказаний солитонной теории, при этом внутренняя структура возмущается слабо. При достаточно большой амплитуде траектория диполя, первоначально двигавшегося на запад, приобретает петлеобразную форму.

При больших (в сравнении с радиусом деформации) размерах диполя его траектория остается прямолинейной даже при больших амплитудах вихрей. Внутренняя структура диполя нарушается. Антициклон движется быстрее, чем циклон, а за циклоном возникает волновой след типа "селедочный хвост". Из-за этого амплитуда циклона падает быстрее, чем у антициклона.

В разделе 3.3 моделировалось образование вихревого диполя в сдвиговом потоке из первоначально невзаимодействующих циклона и антициклона равной амплитуды (Коньшин,Шапиро,1992 ). В начальный момент вихри были расположены далеко друг от друга, а их форма описывалась формулой

Н= ШоЫЕГ)Г4/3, где С, Е- константы. Затем за счет сдвигового течения они

сблизились на малое расстояние, образуя вихревую пару. После этого их скорости практически выраннивнились а траектория существенно отклонились от своего "невозмущенного" состояния (в отсутствие партнера). В составе вихревой пары циклон смещался к югу, а не к северу, что типично для одиночных циклонов. Численные эксперименты продемонстрировали, что при определенных условиях монопольные влхра иогут объединяться, образуя долгоживущпй вихревой диполь.

В рзздэгэ 3.4- приведены результаты численного моделирования эволюции антициклональной инверсии тешзратурн в планетарием погранслое атмосферы (Шапиро,1984а).

Рассмотрены причины, формирующие сзноптическю изменчивость задераиващях слоев, т.е. инверсий температура и нзотермий, в нижней тропосфере над океаном. Показано, что в течение синоптического периода (несколько дней) эволюция инверсионного слоя описавется тем г» уравнением, что и динамика нестационарного атмосферного (Дронта, которая рассмотрена в разделе 2.6. Уравнение решалось численно методом расщепления по физическим параметрам. Заблаговременно сть црогнозирования составляла 24 часа. Результаты численных расчетов качественно согласуются с результатами аэрологических наблюдений, выполненных в районе Азорского антициклона. Модель правильно воспроизводит понижение высоты основания инверсии при удаления от центра антициклона.

В разделе 3.5 рассмотрены автомодельные режимы течений конечной амплитуды и проведено сопоставление теоретических решений с результатами специально проведенных лабораторных экспериментов. Рассмотрены два типа задач: с учетом вращения Земли и без.

Исследование медленных движений конечной амплитуды в однородной вязкой невращапцейся ¡жидкости проведено в условиях, когда предположения, лезащне в основе теории, наиболее полно соответствуют условиям эксперимента (Шапиро, 1983а, Зацеп»л, Костяной, Шапиро, 1982). По методу, описанному в главе 2, в первых двух приближениях по числу Фруда получено нелинейное

уравнение динамики жидкости. Проанализированы его решения для осесиыметричного случая, а также условия применимости . В эксперименте подкрашенный раствор глицерина растекался по горизонтальной поверхности, образуя осесимметричное пятно. Сйорость притока жидкости в цетре пятна поддергивалась постоянной. Измерялись зависимость радиуса пятна от времени и -OGS9BBB-ттпррчатр^а <тггаягпгеиппти ПШТОКа И ВЯЗКОСТИ).

Экспериментальная кривая хорошо совпала с теоретическим решением, отличия не превышали 5%.

Аналогично изучалась осесияшетичная интрузия однородной жгдкости в толщу стратифицированной на уровне своей равновесной плотности (Зацепин, Шапиро,1982). Опыты проводились при различных значениях интенсивности притока и частоты Вяйсаля. Эксперимента подтвердили полученную теоретически функциональную (степенную) зависимость радиуса от времени и других параметров. Отличия теоретического и экспериментального показателя степени не превышали 10%, а коэффициента пропорциональности - 2555.

Движения фронта в двуслойной жидкости изучались на основе модели, описанной в разделе 2.7. Рассмотрены плоско-параллельные движения, когда в одном из слоев имеется постоянный приток свежей жидкости (Костяной,Шапиро, 1984). Показано, что в этой задаче уравнения вместе с граничными условиями инвариантны относительно двупараметрической группы преобразований. Отсюда сделан вывод, что существует подобие между течениями при различных значениях глубины, вязкости и т.д., а зависимость координаты фронта от времени при фиксированном перепаде плотности между слоями 0 выражается формулой ,

(15) =-<р(£), £--^

® q0v r 6gT

где И - полная глубина бассейна, qQ - интенсивность притока, ср -некоторая функция. Аналитически показано, что при малой толщине динамически активного слоя

(16)

Ф(£) = а?3/4, а= 0.80.

Для проверки теоретической зависимости было проведено 25 опытов, пз них 18 опытов - в условиях применимости упрощенной формулы (16). Бассейн длиной 160 см первоначально заполнялся 40* райором сахарозы. Затем в бассейн поступал с постоянной скоростью более легкий 39% раствор. Проводилось измерение координаты фронта от времени при различных значениях Ни qQ. Обработка данных эксперимента показала, что автомодельная зависимость (15) хорошо выполняется в очень широком диапазона при изменении аргумента £ более, чем в ЮБ раз. Цел этом полученная из эксперимента функция <pU)=0.87t®'81 близка к формуле (16).

Второй тип задач относится к юдаларованию эвоетпа осесимметричной вихревой линзы во вра^ащейся падкости (Костяной, Шапиро, 1985,1986а,б). • Теоретически изучены автомодельные резины эволюции линз перекешого и постоянного объема. Проведены опыты на вращающейся установке. Экспериментально установлены зависимости радиуса вихревой линза от времени, начального объема либо интенсивности притока гшдкости, перепада плотности и параметра Кориолиса. Эксперимента доказали, что эволюция линзы действительно выходит на автомодельный: резим. Обнаружено хорошее согласие теоретнчегаоаЗ функциональной зависимости с экспериментальными крнвыкз. Численный коэффициент пропорциональности во всех pesssax оказался примерно в 1.5 раза меньше теоретического.

Глава 4. Структура океанских вихревых линз по ваюам нпщршх наблюдений.

В раздала 4.1 изучена автомодельность полей температуры и солености в Средиземноморских линзах (Мещвнов,Шапиро,Шаповалов, 1991, Shapiro et al, 1992).

В отличие от турбулентных образований, природные ВЛ ккэет четко выраженную когерентную структуру полей температур! в солености. Наличие этой структуры делает оправданной гипотезу о существовании малопараметрического описания ВЛ. Малопараметрическое описание возможно лишь в том случае, если структура линзы имеет автомодельный характер. В данной' главе

формулируется и обосновывается гипотеза об автомодельной терыохалинной структуре ВЛ. Линза считается осесимметричной. Распределение некоторого параметра (температуры или солености) записывается в виде

--ДО-кЫЬГяЫВ'Гг-З),___

где Ф(г) - фоновый профиль, а Ф'(г,г) - возмущение, вызванное линзой. Распределение Ф'Сг,г) аппроксимируется зависимостью

где р=г/1А, i=(Z-zQ)/h(p), L+ - радиус линзы, B(V и F(p) -безразмерные автомодельные функции. Qg=&'(0,0) максимальная аномалия в центре линзы, F(0)=1, В(1)=1, h(p)=Ji0>H(p)-вертикальный масштаб (примерно полутолщина линзы) который однозначно определяется при помощи специальной процедуры, основанной на топологической структуре ВЛ повышенной солености, hQ=h(0), Н(р) - безразмерная функция, Н(0)=1. Ключевым моментом является предположение о том, что функция В(£) зависит только от £ , но нэ от горизонтальных координат.

Эта гипотеза была проверена на архивных данных СТД измерений дня 17 съемок линз Средиземноморского происхождения. Основное тикание уделено линзам "среднего .возраста", примерно 1-2 года, которые были обнаружены в Канарской котловине (9 СТД съемок), и "молодо.;" линзам, обнаруженным в Иберийской котловине неподалеку от места своего роадения (6 СТД съемок). Наиболее подробные данные имелись по Канарскому району (до 50 станций на одну линзу).

Гипотеза была провереначпутем обработки полей температуры и солености в каждой из линэ независимо. Для каждой станции внутри линзы были рассчитаны безразмерные профили В(1). Оказалось, внутри одной линзы эти профили отличаются мало, что дало возможность описывать вертикальную структуру каадой линзы при помощи единой кривой (при этом, вообще говоря, разным линзам соответствовали разные кривые), . полученной осреднением индивидуальных профилей B(i) по ядру линзы. Этот вывод

подтвердил предположение об автомодельной структуре линз Средиземноморского происхождения. Анализ фоновых профилей показал, что наиболее устойчивые результаты получаются при осреднении нескольких фоновых станций с разных сторон линзы, что позволяет исключить крупномасштабный тренд, влияние внутренних волн и возмущения, обусловленные тонкой структурой.

Горизонтальные структурные функции Г(р),Н(р) были определены из пространственного рапределения локальных максимумов аномалий температуры (солености) п вертикального масштаба (толщины) по ядру линзы. Использовалась аппроксимация как квадратичной параболой Р(р) = 7-р2 , так и параболой четвертой степени. Коэффициенты Ф^ ,Н0, координаты центра лизы и ее радиус были определены методом нелинейной регрессии.

В результате анализа автомодельных профилей выделены два семейства линз. В первое семейство входят линзы Канарского, а во второй - иберийского бассейнов. Линзы, входящие в одно семейство, имеют сходную структуру и близкие вертикальные и горизонтальные структурные функции. Имеется заметная разница в вэртикальнолй структуре и интегральных парметрах линз, входящих в разные семейства. В автомодельных профилях Иберийских линз имеется несколько больший разброс. Эти линзы более молодые, и для них процесс приспособления к фоношн условиям и перехода в наиболее устойчивое состояние еще не закончился полностью. Анализ линзы, обнаруженной в зоне мэзду основными ареалами Иберийских и Канарских линз, показал, что ее структурные функции также занимают промежуточное положение.

Раздел 4.2 посвящен анализу свойств Средиземноморской линзы после ее столкновения с цепью подводных гор (Шапиро и др., 1991, 1992).

Крупномасштабный перенос тепла и соли, осуществляемый линзами, качественно отличается от обычного диффузионного переноса. В отличие от диффузии, которая описывается уравнениями параболического типа, перенос линзами в принципе мог бы формировать вторичный максимум в районе, где линза разрушается и перемешивает свое содержимое с окружающими водами. По этой причине вопрос о механизме разрушения линз интересен с

климатической точки зрения.

йазические механизмы выроадения линзы, которые изучались в предыдущих разделах диссертации, а также интрузионный механизм, который исследовался в ряде работ (Hebert, 1988; и др.) приводят к достаточно медленному ( месяцы и годы) распаду ядра линзы . Недавно Ричардсон (Riohardson et al, 1939) предположил новый и очень быстрый кеханизм: разрушение линзы из-за столкновения с иодводннна—горами. 6в—тшеэ—продемонстрировал—ипкотпрнп вкспериианзальные свидетельства в пользу такого процесса.

В этой разделе диссертации на основе анализа натурных дяяннт дано доказательство альтернативной возможности прохождения линзы через узкое ущелье между горами без потери своей индивидуальности.

Интенсивная линза средиземноморских вод была обнаружена в результате специально поставленного натурного эксперимента в западной части Канарской котоловины в 50 милях к западу от г.Эрвинг во время 14-го рейса уэс " Профессор С.Дорофеев" . По современный представлениям, Канарская котловина достаточно густо 80селена вихревыми линзами, ПО оценкам (Armi and. Zenk, 1934) от 4g до 8¡¡ плод»ди Канарской котловины покрыто линзаки.

Подробная СТД съемка была выполнена непосредственно после столкновения линзы с подводники горами на выходе из узкого прохода швду горами йер и Эрвинг. Было установлено, что в горизонтальной плоскости линза имела эллиптическую форму с осями 100 и 60 ш. При этом внутренняя часть ядра линзы была практически осесшаютричной. Максимальные аномалии температуры достигали 3.75°С и 0.76 р.в.и.

За линзой на глубинах II00- 1400 ы был обнаружен слабый тешературный и соленостный след, который прослеживался в проходе кэзду горами на расстояние порядка диаметра, линзы. В следе были обнаружены два небольших пятна теплых и соленых вод. Одно из них располагалось возле вершины безымянной подводной горы, а другое - на северном склоне горы Иер. В работе показано, что эти пятна имеют такие же l-s кривые, как и воды на периферии линзы, и, вероятнее всего, были оторваны от тела линзы в результате столкновения. В сумме пятна содержат около 16 % от объема, -20% от интегральной аномалии солесодержания и 27$ от

интегральной аномалии теплозапаса основной линзы.

В результате столкновения несколько нарушилась также автомодельность вертикальных профилей температуры и солености. Несмотря на понесенный ущерб и потерю части своего объема, линза сохранилась в виде когереного, гидродинамически устойчивого объекта.

Раздал 4.3 посвящен исследованию линз красноморских вод в Индийском океане по архивным данным о полях температуры и солености (Мещанов, Шапиро, 1990, Shapiro, Meschanov, 1991).

По аналогии с тем, как теплые и соленые Средиземноморские воды вытекают в Атлантику через Гибралтар, шсокосоленые Красноморские воды (KB) изливаются через Баб- эль- Мандебскнй пролив в Аденский залив и затем, после существенной трансформации своих термохалинных харатеристик, в Аравийское море. Красноморские вода, постепенно заглубляясь, прослеживаются на расстоянии в тысячи километров. В литературе неоднократно высказывались предпологения о том, что распространение KB, по крайней мере частично, происходит в форме изолированных линз повышенной солености (Щербинин, 1959; Федоров, 1976, и ¿р.).

В диссертации проведен анализ более 1000 глубоководных индивидуальных гидрологических станций, выполненных в Северо-Западной части Индийского океана с 1935 по 1981 гг. Для определения ареала распространения KB разработан статистический метод повышения контрастности характеристик вод, учитывающий не только горизонтальное рапределение термохалинных полей, но и их вертикальные профили. Этот метод обобщает идеи известного из классической океанограф "метода ядра". Вблизи границы языка KB были обнаружены изолированные линзы вод повышенной солености. Эти линзы имели примерно такие же размеры, как и линзы Средиземноморских вод в Атлантике, но гораздо меньшую интенсивность аномалий солености и, особенно, температуры. Вседствие того, что граница основного языка KB располагается в достаточно глубоководном районе, рельеф дна не оказывает заметного влияния на процесс формирования Коасноморских ВЛ.

В заключении сформулированы вывода диссертации» которые приводятся в автореферате в разделах "основные научные результаты" и "научная новизна" .

По теме диссертации опубликованы следущие основные работы:

"I. Г.И.ШШЮ, О динамики нестационарного отмоофорпого-

фронта // ЫЕТЕОРОЛОГИЯ И ГИДРОЛОГИЯ (I), с.16-23

2. Г.И.ШАПИРО, 19026. Гидродинамическая модель нестационарного

атмосферного фронта // ДОКЛАДУ АН СССР, 263, (б) с.1105-1107

3. А.Г.ЗАЦЕПИН, А.Г.КОСТЯНОИ, Г.И.ШАПИРО, 1982. Медленное

растекание вязкой жидкости по горизонтальной поверхности // ДОКЛАДЫ АН СССР, 265, (I) с.193-195

4. А.Г.ЗАЦЕПИН, Г.И.ШАШРО, 1962. Исследование осесимметричной

интрузии в стратирщироъанной жидкости // ИЗВЕСТИЯ АН СССР серия ФИЗИКА АТШОНТЫ И ОКЕАНА ,18,(1) с. 101-105

5. Г.И.ШАПИРО, 1983а. О растекании вязкой жидкости по

горизонтальной поверхности // ЖУРНАЛ ПРИКЛАДНОЙ МЕХАНИКИ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ (3), с.45-48

6. Г.И.ШАШРО, 19636. О динамике медленно движущегося фронта в

мелком водоеме // ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ (4), с.19-29

7. Г.И.ШАПИРО, 1984а. О моделировании синоптической изменчивости

задерживающих слоев в тропосфере // МЕТЕОРОЛОГИЯ И ГИДРОЛОГИЯ (3), с.12-21

8. Г.И.ШАШРО, 19846. Структура мезомасштабной вихревой линзы в

океанском термоклине // ДОКЛАДЫ АН СССР, 276, (6) с.1477-1479

9. Г.И.ШАПИРО, 1984в. Об автомодельных свойствах интрузий в

стратифицированной жидкости при малых числах Фруда // В сб. Актуальные проблемы океанологии. Н. ИОАН.,с.18-21

10. А.Г.КОСТЯНОИ, Г.И.ШАПИРО, 1984. Об автомодельном характере

распространения плотностного фронта в мелком водоеме // ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ, (4), с.82-89

11. Г.И.ШАПИРО, 1985. О синоптической изменчивости горизонтально

неоднородного верхнего слоя океана // ОКЕАНОЛОГИЯ, 25, (5), с.733-739

12. А.Г.ЯОСГЯНСЯ, Г.Й.ЕШМРО, 198Б. Теоретическое и лабораторное

моделирование ¡г83с?шсатаСных антициклонических океанских вихрей // МОРСКОЙ ГИДРОвйЗИЧЕСКШ 2УРНАЛ (5), с. 14-21

13. Г.И.ШАПИРО, 1986а. Динамика изолированного внутритемоклинного

вихря // ОКЕАНОЛОГИЯ, 26, (I), 21-27

14. Г.И.ШАПИРО, 19866. Теоретические задачи, ииещгэ отношение к

проблеме внутритермоклинннх вихрей // ЕНУТРЙШШШНШЕ ЕЯРИ В ОКЕАНЕ, Ц..ИОАН, С.56-61

15. Г.И.ШАПИРО, 1986в. СильношлиЕвйные волны Россбн и нахрешэ

линзы // ВНУТРИТЕРЫОКЛИННЫЕ ВИХРИ В ОКЕАНЕ, Я. ,1*0АН, с.71-78

16. Г.И.ШШРО, 1986г. О некоторых свойствах вихревых линз в

непрерывно стратифицированном океане // ВНУТРЙТЕИЮКЛИНШЕ ВИХРИ В ОКЕАНЕ, Е1..Й0АН, с.79-85

17. А.Г.КОСТЯНОИ, Г.И.ШАШРО, 1986а. Зэолоюция барскданного вихря

в вязкой вращающейся гэдкостн (теория и лабораторный эксперимент) //ВНУТРИТЕРМОКЛИННЫЕ ВИХРИ В ОКЕАНЕ, И..К0АН, с.120-130

18. А.Г.КОСТЯНОЙ, Г.И.ШАПИРО, 12866. Эволюция и структура

внутритерьюклинного вихря // ИЗВЕСТИЯ АН СССР серия СЙ32КА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА ,22,(10), С.1098-1105

19. Г.И.ПШМРО, 1987а. К теории квазигеострофоческих движений

конечной амплитуды в вязком стратпфацнрованнсм океане // ОКЕАНОЛОГИЯ, 27, (I) с.18-24

20. Г.И.ШАПИРО, 19876. О некоторых характеристиках

внутритермоклинннх изолированных карей // ИЗВЕСТИЯ АН СССР серия ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА ,23,(7), с.778-780

21. Г.И.ШАПИРО, 1987в. О долгогивущих одиночных вихрях в океане

// ДОКЛАДЫ АН СССР,297, (3),с.7И-714

22. Г.И.ШАПИРО, 1988. К теории осесимметрнчных солитонов Россба

//ОКЕАНОЛОГИЯ, 28,(6),С.885-890

23. В.Н.КОНЬШИН, Г.И.ШАПИРО, 1988. Эволюция двумерных солитонов

Россби при учете эффектов конечной амплитуды // ДОКЛАДУ АН СССР, 300, (6), с.1461-1465

24. Ю.П.ЛЫСАНОВ, А.М.ШГОТКИН, Г.И.ШАПИРО, 1989. Влияние

внутритермоклинннх линз на акустические поля в океане // ИЗВЕСТИЯ АН СССР серия ФИЗИКА АТМ0СФЕШ И ОКЕАНА ,25,(12),

С.1272-1280

25. G.I.SHAPIRO, 1989- On the dynamios of lenalike eddies // In:

J.O. J.Nihoul and B.M.Jamart (Eds),lieBOBoale/Synoptio Coherent Struotures In Geophysioal turbulenoe, Elsevier Oceanography Serles, Eleavier, Amsterdam

26. G.I.SHAPIRO,V.N.KOHSHIN, 1989. On the evolution of intensive

oyolonio-antioyolonio vortex pairs // In: J. C.J.Nihoul and. B.H.Jamart (Eds)fMesosoale/Synoptlo üoñerant atruoturtía In Geophyoioal turbulenoe, Elsevier Ooeanography Series, Elsevier, Amsterdam

27. С.Л.ИЕЩДНОВ, Г.И.ШАПИРО, 1990. Внутриторкоклинные линзы

красноморских вод в Индийском океане // ДАН СССР, 19Э0, Т.ЗИ, N 2, с. 469-473

28. В.Н.КОНШИН, Г-.И.ШАПИРО, 1990. Численное моделирование

мэзоыаситабных вихрей в Шном океане. // В сб.: Гидрология Юшого океана и Северной Атлантики. Ленинград, изд. ЛШИ, 1990, вып.109, с.21-32.

29. Г.И.ШАПИРО, 1991. Динамика изолированных вихревых линз:

интегральный подход // В кн.: ВИХРЕВЫЕ ЛИНЗЫ И ФРОНТЫ В СЕВЕРО-ВОСТОЧНОЙ АТЛАНТИКЕ. МОСКВА, ИОАН, С.88-105.

30. Г.И.ШАВДРО.В.А.ШЕРШЕТ, 1991. Вертикальные движения,

индуцированные вихревой линзой. // В кн.: ВИХРЕВЫЕ ЛИНЗЫ И ФРОНТЫ В СЕВЕРО-ВОСТОЧНОЙ АТЛАНТИКЕ, МОСКВА, ИОАН, с.106-120.

31. Г.И.ШАПИРО,М.В.ЕМЕЛЬЯНОВ.С.Л.МВДАНОВ, 1991. Исследования

внутритермоклинной линзы "Эрвинг" // В кн.: ВИХРЕВЫЕ ЛИНЗЫ И ФРОНТЫ В СЕВЕРО-ВОСТОЧНОЙ АТЛАНТИКЕ, МОСКВА,ИОАН, с.7-40.

32. С.Л.МЩАНОВ, Г.И.ШАПИРО, 1991. Линза Пшо-Атлантической

центральной воды к западу от мыса Кап-Блан. // В кн.: ВИХРЕВЫЕ ЛИНЕЫ И ФРОНТЫ В СЕВЕРО-ВОСТОЧНОЙ АТЛАНТИКЕ, МОСКВА, ИОАН, С.73-80.

33. С.Л.МЫЦАНОВ, Г.И.ШАПИРО, С.М.ШАПОВАЛОВ, 1991. Автомодельность

распределения температуры и солености в средиземноморских линзах. // В КН.: ВИХРЕВЫЕ ЛИНЗЫ И ФРОНТЫ В СЕВЕРОВОСТОЧНОЙ АТЛАНТИКЕ, МОСКВА, ИОАН, с.81-87.

34. G.I.SHAPIRO, S.L.MESCHAHOV, 1991. Distribution and spreading

of Red Sea Water and salt lens formation in the northwest

Indian ooean // DEEP-SEA RESEARCH ,V.38, No 1, p.21-34.

35. Г.И.ШАПИРО, С.Л.МЕЩАНОВ, M.В.ЕМЕЛЬЯНОВ, 1992. Линза

средиземноморских вод после столкновения с подводными горами // ОКЕАНОЛОГИЯ, Т.32, Н.Э. С.420-427

36. В.Н.КОНЬШИН, Г.И.ШАПИРО, 1992. Форвзровапкэ и эволвцая

интенсивных вихревых диполей // В кн.: Когерентные структуры и самоорганизация океанических движений, И.,НАУКА, С.93-101

60х901/1б Подписано к печати 21.05.1993 г.

Печ.л. 2,0. Зак. В 28. Тираж 100.

Институт океанологии им.П.П.Ширшова РАН Москва, ул.Красикова, дом 23.