Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Баротропная и бароклинная составляющие приливного потока в различных районах Мирового океана в динамике экосистем

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Содержание диссертации, кандидата географических наук, Башмачников, Игорь Львович

1. Введение. Состояние проблемы

1.1. Генерация и диссипация внутренних приливных волн

1.1Л v Генерация внутренних приливных.волн~неровностями донной топографии 1Л .2. Генерация внутренних приливных волн во фронтальных зонах

1.13. Генерация внутренних приливных волн непосредственно приливообразующими силами IЛ .4. Диссипация внутренних приливных волн

2. Выбор методов гармонического и спектрального анализа приливных течений

2.1. Общие принципы разделения нескольких гармоник в ряде наблюдений

2.2. Выделение полу суточной.и суточной составляющих из суточной серии наблюдений (методы А А НИИ и Адмиралтейский)

2.3. Выделение .основных волн методом наименьших квадратов (МНК) и оценка достоверности получаемых результатов (программа TIDES)

2.4. Векторно-алгебраический анализ морских течений

2.5. Приливные течения как периодически коррелированный случайный процесс

3. Методы разделения баротропной и бароклинной составляющих в приливном потоке

3.1. Оценка гармонических постоянных баротропного прилива путем осреднения характеристик приливного потока по глубине

3.2. Использование гармонических постоянных колебания уровня моря для оценки гармонических постоянных баротропных приливных течений

3.3. Фильтрация баротропной моды при квазидвухслойной стратификации

3.4. Метод модового анализа вертикального распределения характеристик приливного течения

4. Особенности баротропных и бароклинных приливных явлений в открытом океане на примере Южного океана

4.1 Введение

4.2 Физико-океанографические условия в Южном океане

4.3 Результаты моделирования приливов в Южном океане.

4.4 Используемые материалы наблюдений

4.5 Векторно-алгебраический анализ течений

4.6 Результаты гармонического анализа приливных течений

4.7Разделение баротропной и бароклинной составляющих в приливном потоке

4.7Л Осреднение характеристик приливного течения по глубине и использование данных гидродинамического моделирования 4.7.2 Модовый ВКБ-анализ

4.7.3 Спектральный анализ бароклинной составляющей

5. Особенности баротропных и бароклинных приливных явлений в открытом море на примере Гренландского моря

5.1. Введение

5.2. Физико-океанографические условия в Гренландском море

53. Анализ океанологических разрезов и особенности вертикальной стратификации вод Гренландского моря в1988 - 1989 годах

5.4. Результаты моделирования приливов в северной части Гренландского моря.

5. 5. Используемые материалы наблюдений

5.6. Анализ изменчивости скорости течения

5.6.1. Векторно-алгебраический анализ течений

5.6.2. Результаты гармонического анализа приливных течений

5.7. Разделение баротропной и бароклинной составляющих в приливном потоке

5.7.1. Осреднение характеристик приливного течения по-гаубине и использование данных гидродинамического моделирования для выделения баротропной составляющей приливного потока 1 5.7.2. Модовый ВКБ-анализ

5.8. Анализ бароклинной составляющей приливного потока 5.8.1. Лучевая модель внутренних приливов в Гренландском море

6. Особенности баротропных и бароклинных приливных явлений в шельфовых районах Мирового океана на примере Охотского моря

6.1. Физико- топографическая характеристика Охотского моря

6.2. Общая характеристика приливов в Охотском море

6.3. Вертикальная стратификация вод Охотского моря

6.3.1. Водные массы-Охотского моря

6.3.2. Анализ океанографических разрезов и эпизодических станций у западного побережья Камчатки

6.4. Используемые материалы наблюдений

6.5. Результаты гармонического анализа скорости течения

6.6. Разделение баротропной и бароклинной составляющих в приливном потоке 6.6; 1. Анализ колебаний скорости приливного течения

6.6.2. Анализ колебаний температуры

6.7. О характере бароклинных приливов в восточной части Охотского моря

7. Особенности баротропных и бароклинных приливных явлений в мелководных акваториях на примере Кандалакшского залива Белого моря

7.1. Особенности баротропных приливов в Белом море

7.2. Особенности вертикальной стратификации вод Кандалакшского залива и губы Чу па

7.2.1. Водные массы Белого моря

7.2.2. Анализ океанографических разрезов вдоль губы Чупа

7.3. Используемые материалы наблюдений

7.4.- Результаты гармонического и спектрального анализа

7.4.1. Анализ колебаний уровня

7.4.2. Анализ наблюдений за течениями

7.4.3. Анализ колебаний температуры

7.5. Разделение баротропной и бароклинной составляющих в приливном потоке

7.6. Неустойчивость приливного потока и приливное перемешивание

7.7. Влияние приливов и внутренних приливных волн на формирование термохалинного режима и продуктивность плантаций марикультуры на примере бухты Оборина Салма

7.8. Основные результаты

Введение Диссертация по географии, на тему "Баротропная и бароклинная составляющие приливного потока в различных районах Мирового океана в динамике экосистем"

1.1. Генерация и диссипация внутренних приливных волн.

1.1.1. Генерация внутренних приливных волн неровностями донной топографии

1.1.2. Генерация внутренних приливных волнвофронтальщ>ге зонах

1.1.3. Генерация внутренних приливных волн непосредственно приливообразукяцими силами

1.1.4. Диссипация внутренних приливных волн

1.2. Динамика внутренних приливных волн. Внутренние волны во фронтальных зонах

1. Введение. Состояние проблемы

Заключение Диссертация по теме "Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов", Башмачников, Игорь Львович

73. Основные результаты

Из результатов проведенного исследования можно сделать следующий вывод: в замкнутых бухтах и приливных эстуариях в динамике акватории на ВПВ приходится примерно половина потенциальной и кинетической энергии приливных колебаний. ВПВ могут генерироваться на мелководье и являются более эффективным механизмом стока энергии баротропной приливной волны, чем непосредственная генерация последней турбулентных пульсаций за счет ее сдвиговой неустойчивости. В свою очередь, ВПВ распространяются на сильном баротропном приливном течении и при значительном донном трении, а потому быстро теряют устойчивость, генерируя обертоны и пакеты короткопериодных внутренних волн. Из литературных источников известно (см., например 1Н)) что пакеты короткопериодных волн даже в открытом океане быстро разрушаются, формируя области турбулезированной жидкости. Представляется, что наметившаяся при анализе результатов наблюдений в губе Чупа цепочка,— баротропный полусуточный прилив- внутренний полусуточный прилив- обертоны внутренней полусуточной волны (прежде всего первый обертон)-возникающие в результате неустойчивости обертонов пакеты коротких гравитационных внутренних волн- турбулентность,— является достаточно универсальной для мелководных акваторий с выраженными приливными движениями3. Внутренние волны в районе исследований имели модовый характер при доминировании первой вертикальной моды. Способствуя перемешиванию, внутренние приливные волны оказывали существенное влияние на термохалинный режим и водообмен небольших акваторий, а также на характер функционирования экосистем прибрежной зоны.

е. Заключение

В работе были проанализированы данные наблюдений в районах от открытого океана с глубинами до 5000м до полузакрытой бухточки со средней глубиной 10м. Однако, несмотря на различие в масштабах и при значительной изменчивости энергии ВПВ от района к району относительный вклад бароклинной приливной энергии в суммарные приливные течения был примерно одинаков для всех исследуемых районов и в среднем составлял 30-50%, имея весьма слабую тенденцию увеличиваться от глубоководных районов к мелководным. С точки зрения соотношения энергии баротропной и бароклинной составляющих, гораздо более важным, чем средняя глубина, оказывается близость места наблюдений к источнику генерации ВПВ. В районе самих источников генерации энергия ВПВ может доходить до 80-90% энергии суммарного прилива. В ходе исследования было выделено два типа источников генерации интенсивных ВПВ- фронтальная зона и область пространственно-протяженных сверхкритйческих уклонов дна (будь то срединно-океанический хребет, или континентальный склон, или кромка шельфа, или мелководный порог у входа в залив). В мелководных и пришельфовых районах топография играла ведущую роль в генерации и характере распространения ВПВ, в то время как в открытом океане немалую роль играли также фронтальные зоны. Сравнительно стабильное соотношение энергии баротропной и бароклинной составляющих при изменчивости скорости баротропного течения от десятых долей сантиметра в секунду до полуметра в секунду говорит о локальности и множественности источников ВПВ, а также о довольно быстрой диссипации энергии ВПВ по мере удаления от источников. Разрушение ВПВ происходит скорее всего не столько за счет обрушения внутренней волны, сколько за счет нелинейной передачи энергии более короткопериодным волнам и мелкомасштабным турбулентным пульсациям. В частности эти процессы были зафиксированы в шельфовой зоне.

Как показали результаты, для районов открытого моря лучевая картина лучше описывала структуру и динамику внутреннего прилива. Однако, в мелководной губе подробные вертикальные профили температуры выявили явно модовый характер внутреннего прилива. Наблюдавшееся распределение энергии ВПВ позволило выдвинуть предположение о доминировании захваченных ВПВ, причем захват энергии луча ВПВ осуществляется значительными уклонами дна и фронтальными зонами. Это особенно характерно для высоких широт, где существование свободных устойчивых ВПВ обычно невозможно.

Большие амплитуды скорости течений ВПВ и связанные с ними процессы перемешивания не могут не оказывать существенного влияния на характер функционирования экосистем, особенно в прибрежной зоне. В частности, роль приливных течений и вертикального перемешивания в распределении и характере вертикальных миграций планктона в заливах и эстуариях отмечалась во многих работах (см., например, [В.Р.Фукс, И.М.Мещерякова, 1959], [J.H.Power, 1997]). В работе было показано, что в Белом море в осенне-зимний период интенсивность водообмена небольших акваторий может уменьшаться почти в два раза в связи однородностью стратификации и значительным ослаблением энергии ВПВ. Это может послужить причиной заморных явлений на хозяйствах марикультуры в холодное время года, что необходимо учитывать при их проектировании. В бухтах Кандалакшского залива Белого моря наблюдалась существенная периодическая изменчивость энергии ВПВ- обертонов полусуточной приливной волны,- которая была связана с астрономической изменчивостью баротропного прилива. Это приводило к периодическому изменению амплитуд максимальных скоростей приливных течений в проливах и интенсивности перемешивания в поверхностном слое. Непосредственным результатом такой изменчивости явились значительные колебания глубины залегания термоклина. Подобный процесс приводил к периодической аэрации глубинных вод и подкачке биогенов из нижних горизонтов в верхний слой, в целом вызывая увеличение продуктивности акватории.

Учитывая же тот факт, что практически вся энергия внутренних волн, выходящих на шельф, там и рассеивается- иными словами идет на генерацию приливной турбулентности и перемешивание,- можно ожидать существенного вклада внутренних приливов в процессы выравнивания по глубине термохалинных характеристик, вертикальной турбулентной диффузии биогенов и формирование прибрежных приливных фронтов в шельфовой зоне. Проведенные нами исследования в шельфовой зоне Охотского моря позволили установить преимущественно лучевой характер распространения ВПВ, что должно приводить к усиленному перемешиванию на отдельных участках шельфа. Одним из следствий подобного процесса может явиться локальное разрушение придонного холодного слоя в шельфовой области, который представляет собой температурный барьер на пути миграции камчатского краба к местам своего размножения на мелководье [В.Р.Фукс, Д.К.Старицын, 1993]. Выявление таких областей может стать основой для прогнозирования путей ранних миграций этого промыслового вида. Кроме того, концентрация энергии внутренних приливных волн вдоль узких лучей должна приводить к существованию в пикноклине достаточно стабильных во времени "окон" значительного вертикального перемешивания, увеличивая апвеллинг биогенов и продуктивность района. Подобные "окна", связанные с резким увеличением скорости баротропного приливного течения- а следовательно и приливного перемешивания- и формированием баротропных шельфовых волн, были экспериментально обнаружены и теоретически обоснованы при взаимодействии баротропного прилива с банками [КТаНеу, Y.Nagata, 1995]. Наблюдавшееся в одной и той же точке более чем двукратное изменение энергии внутренних приливных волн во времени должно приводить к существенной временной изменчивости интенсивности биологических процессов шельфе.

Библиография Диссертация по географии, кандидата географических наук, Башмачников, Игорь Львович, Санкт-Петербург

1. Kpaycc В., Внутренние волны, Л., Гидрометиздат, 1968, С.270

2. Коняев К.В., Сабинин К.Д., Волны внутри океана, Л., 1992, С.272

3. Сох C.S., Sandstrom Н., Coupling of internal and surface waves in water of variable depth// J. Ocean. Soc. Japan, 20-th Ann. vol., 1962, p.499-513

4. Фукс В.P., Введение в теорию волновых движений в океане, Л., 1982, С. 198

5. Б.Морозов Е.Г., Океанские внутренние волны, М., 1985, С.

6. Раттри М., О возникновении внутренних приливов в прибрежной зоне// В сб.: "Внутренние волны" (перевод под ред. ААИванова), М., 1964, р. 79-95

7. Weigand J.G., Rattray М. et all, Effects of friction and surface tide angle of incidence on the generation of internal tides// J. Marine Res., 1969, v.27, N 2, p.241-259

8. Wunch C., Progressive internal waves on slopes// J. Fluid Mec., 1965, v. 35, part 1, p.131144

9. Rattray M., Dworsky J., Kovala P., Generation of long internal waves at a continental slope// Deep sea Res., 1969, v. 16 (supplement), p. 179-195

10. Prinsenberg S.I., Wilmont W.L., Rattray M., Generation and dissipation of coastal internal tides// Deep sea Res., 1974, v.21, N 4, p. 263-282

11. Prinsenberg S.I., Rattray M., Effects of continental slope and variable Brunt-Vaisala frequency on the coastal generation of internal waves// Deep sea Res., 1975, v.22, N4, p. 263-281

12. Brains P.G., The generation of internal tides by flat-bump topography// Deep sea Res., 1973, v.20, N2, p. 179-205 ia

13. Brains P.G., The generation of internal tides over steep continental slope// Royal Trans, of the Royal Soc. of London, 1974, v. 277, N1263, p. 27-58

14. Sandstrom H., On topographic generation and coupling of internal waves// Geoph. Fluid Dyn., 1976, v.7, N 314, p. 231-270

15. Тернер Дж., Эффекты плавучести в жидкости, /пер. с англ./, М, 1977, 431с.

16. Holloway P., On the semidiurnal internal tide at a shelf-break region on the Australian North West shelf// J. Phys. Oceanogr., 1984, v.14, №11, 1787-1799

17. Holloway P., Comparision of semidiurnal internal tides from different bathymetric locations on the Australian North West shelf// J. Phys. Oceanogr., 1985, v. 15, №3, 240-251

18. Baines P.G., On internal tide generation models// Deep-Sea Res., 1982, v.29, p.307-338

19. Букатов A.E., Черкесов Л.В., Волны в неоднородном море, Киев, 1983, 223с.

20. Бабий М.В., Внутренние волны над подводным хребтом// В сб.: "Поверхностные и внутренние волны", Севастополь, 1981, с.28-33

21. Бабий М.В., Черкесов Л.В., Генерация внутренних волн баротропной волной в области океанического хребта// Докл. АН УССР, сер. А, 1982, № 9, с. 42-52

22. Hibiya Т., Generation mechanism of internal waves by tidal flow over a sill// J. Geophys. Res., 1986, C91, 6, pp. 7697-7708

23. Власенко В.И., Генерация внутренних волн в стратифицированном океане переменной глубины// Изв. АН СССР, ФАО, 1987, т.23, №3, с.300-308

24. Власенко В.И., Деформация и генерация внутренних волн над подводным хребтом// В сб. "Проблемы современной океанологии", 1987, с.72-74

25. Hibiya Т., The generation of internal waves by tidal flow over Stellwagen bank// J. Geophys. Res., 1988, v.93c, N1, p.533-542

26. Голубев Ю.Н., О генерации внутренних волн приливных периодов одиночными возвышенностями дна// В сб. "Поверхностные и внутренние волны", 1979, с. 163-172

27. Wunsch С., Geographical variability of internal wave field: a search for sources and sinks// F. Phys. Oceanogr., 1976, №6, p.471-485

28. Tverberg V., Cushman-Roisin В., Svendsen H., Modeling of internal tides in fjords// J. Marine Res., 1991, v.49, p.635-658

29. Blackford B.L., On the generation of internal waves by tidal flow over a sill- a possible nonlinear mechanism// J. Merine Research, 1978, v.36, №3, p.529-549

30. Морозов Е.Г., Генерация внутренних приливов на подводных хребтах// Океанологические исследования, 1988, №41, с.55-67

31. Bell Т.Н., Topographically generated internal waves in the open ocean// J. Geophys. Res., 1975, V.80, N3, p.320-327

32. Ясуи М., Внутренние волны в открытом океане /пер. с англ./, В кн.: "Внутренние волны", М., 1964, с. 136-167

33. Бабий М.В., Черкесов Л.В., О влиянии фронтальной зоны на генерацию внутренних волн// В сб.: "Цунами и внутренние волны", Севастополь, 1976, с.67-75

34. Бабий М.В., Ярошеня P.A., Генерация внутренних волн в окрестности фронтальной зоны// В сб.: "Поверхностные и внутренние волны", Севастополь, 1978, с. 146-153

35. Бабий М.В., Ярошеня P.A., Генерация внутренних волн внутри фронтальной зоны, моделируемой горизонтальным градиентом плотности// В сб.: "Поверхностные и внутренние волны", Севастополь, 1979, с. 186-194

36. Булгаков Н.П. Ярошеня P.A., Внутренние волны в окрестности фронтальной зоны типа термического гребня// В сб.: "Поверхностные и внутренние волны", Севастополь, 1981, с. 100105

37. Бабий В.М., Внутренние волны во фронтальных зонах над неоднородностями рельефа дна, генерируемые длинной баротропной волной// В сб.: "Моделирование поверхностных и внутренних волн", Севастополь, 1984, с. 109-115

38. Стащук Н.М,, Ярошеня Р.А„ Генерация внутренних волн двухфронтальной зоной// В сб.: "Поверхностные и внутренние волны", Севастополь, 1981, с.106-114

39. ЗЭ.Стащук Н.М,, Исследование генерации внутренних волн фронтальной зоной на основе трехслойной модели// В сб.: "Проблемы современной океанологии", Севастополь, 1987, с.69-71

40. КоломайцеваЕ.М., Черкесов Л.В., Генерация внутренних волн косым баротропным приливом, набегающим на донный хребет// Изв АН, ФАО, 1996, т.32, №2, с.257-263

41. Као Т., Рао Н-Р., Park С., Surface intrusions, fronts and internal waves: A numerical study// J. Geophys. Res., 1978, v.83C, N9, p.4641-4650

42. Голубев Ю.Н., Иванов В.Ф., Черкесов Л.В., Генерация внутренних волн при взаимодействии баротропной волны с поднятием изопикнической поверхности// В сб.: "Поверхностные и внутренние волны", Севастополь, 1979, с. 195-203

43. Голубев Ю.Н., Черкесов Л.В., Генерация внутренних волн при взаимодействии баротропной волны с вихревым образованием (часть I)// В сб.: "Структура, кинематика и динамика синоптических вихрей", Севастополь, 1980, с. 118-128

44. Голубев Ю.Н., Черкесов Л.В., Генерация внутренних волн при взаимодействии баротропной волны с вихревым образованием (часть II)// В сб.: "Поверхностные и внутренние волны", Севастополь, 1981, с.110-120

45. Ржонсницкий В.Б., Фукс В.Р., О происхождении внутренних приливных волн// В сб.: "Исследование приливных явлений в неоднородном море", 1965, Л., с.148-157

46. Богданов К.Т., Себкин Б.И., Генерация внутренних приливных волн и влияние земных приливов на приливные движения в океанах// Изв Ан СССР, ФАО, 1976, т. 12, №5, с.539-545

47. Абрамов A.A., Акивис Т.М., Иванов Ю.А., Ульянова В.И., Поведение внутренних гравитационных волн в районе критических широт// Изв. АН СССР, ФАО, 1981, т17, №5, с.495-501

48. Абрамов A.A., Акивис Т.М., Иванов Ю.А., Ульянова В.И., Влияние среднего течения на формирование параметров внутренних волн в районе предельной широты// Изв. АН СССР, ФАО, 1981, т17, №10, с. 1092-1098

49. Wunsh С., Internal tides in the ocean// Review Geophys. and Space Phys., 1975, v. 13, N1, p. 167-182

50. Новотрясов В.В., О возбуждении стоячих по вертикали приливных внутренних волн в открытом океане//Океанология, 1994, №3, с.370-373

51. Раттри М., Распространение и диссипация длинных внутренних волн (пер. с англ. 1957)// В сб.: "Внутренние волны", 1964, М, с. 67-78

52. LeBlond Р.Н., On damping of internal gravity waves in a continiusly stratified ocean// J. Fluid Mech., 1966, v.25, part 1, p.121-142

53. Ермаков С.А., Островский Л.А., Сустова И.А., Цимринг Л.Ш., О механизмах энергоснабжения и диссипации внутренних волн в океане// В сб.: "Турбулентностьи вертикальная структура гидрофизических полей", Севастополь, 1983, с. 19-24232