Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Гидрофизическая структура и динамика средиземноморских линз

ВАК РФ 11.00.08, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Гидрофизическая структура и динамика средиземноморских линз"

#

' российская академия наук институт океанологии им. п.п.ширшова

сМа иракая, -рл^Лсииим.

Дмитрий Львович АЛЕЙНИК

ГИДРОФИЗИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА И ДИНАМИКА СРЕДИЗЕМНОМОРСКИХ АИНЗ

11.00.08 - океанология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

москва 1998

Работа выполнена:

в лаборатории климата океанов и морей Института океанологии им. П.П.Ширшова Российской академии наук

Научный руководитель:

доктор географических наук, профессор Е.А.Плахин

Официальные оппоненты:

доктор географических наук С.А.Добролюбов (МГУ)

доктор физико-математических наук Г.И.Шапиро (ИО РАН)

Ведущая организация:

Государственный Океанографический Институт ГОИН Российского комитета по гидрометеорологии

Защита состоится " Я." ш<шл 1998 г. в "/« " часов

на заседании Специализированного совета К.002.86.02 в

Институте океанологии им. П.П.Ширшова РАН по адресу:

117851, Москва, Нахимовский пр-т, 36.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке

Института океанологии им. П.П.Ширшова РАН

Автореферат разослан "«29 " а*ърмл 1998 г.

Ученый секретарь Специализированного совета, кандидат географических наук

С.Г. Панфилова

ОЫЦЛЯ ХЛРЛКТЫ'ИСТИКЛ РЛКОТМ

Актуш1ьиость ИССЛСДОИ1ШШ1

В последние несколько десятилетий изучения океана произошло ачественное изменение представлений о гидрофизической структуре лоя промежуточных вод (500-1500 м) повышенной солености (S) и гмпературы (Т) северо-восточной Атлантики. Это связано с развитием горетических исследований и совершенствованием инструментальной азы по сравнению с классическими работами первой половины XX ека [Schott G., 1928; Wust G., 1935; Sverdrup H.U., 1942], в которых ис-ользовались преимущественно наблюдения с батометрами. Принятие а вооружение океанологии зондирующей аппаратуры, более совер-1енных измерителей течений на заякоренных буях, слежения за пере-¡ещением поплавков нейтральной плавучести, использование спутни-овых снимков температуры поверхности океана и т.д. существенно асширяют возможности для количественного и качественного описа-ия структуры этого слоя и степени его воздействия на многие факто-ы, определяющие трансформацию промежуточных вод северной части атлантического океана.

Для анализа климатического воздействия адвекции вод Среди-гмного моря в настоящее время насущной необходимостью стало подобное гидрофизическое описание всех обнаруженных в океане струк-ур, связанных с присутствием этих вод, и в первую очередь мезомас-ггабных антициклоничсских вихрей или средиземноморских линз, ервые сообщения о которых относятся к концу 50-х годов. Эти внут-итермоклинные образования играют, по-видимому, весьма значитель-ую, а по некоторым оценкам, доминирующую, роль в процессах теп-о-, соле- и массообмсна в промежуточных слоях, что необходимо учи-ывать при расчетах суммарного теплового и солевого баланса океана и, ак следствие, при оценках изменчивости климата.

В настоящей диссертационной работе осуществляется ком-лексный анализ линз и подобных им образований по наиболее одному из современных исторических массивов гидрологических анных в северо-восточной Атлантике, а так же систематизируется ольшая часть имеющейся сегодня информации об их географическом аспространении по данным многочисленных экспедиций.

Цель и задачи исследования

Целью данной работы является анализ воздействия срсдизем-оморских линз на процессы тспло-соле-массопсреноса в промежу-эчных слоях северо-восточной части Атлантики и оценки их вклада

в изменчивость климата океана.

Для достижения этой цели сформулированы конкретные задачи, решение которых представлено в отдельных главах и параграфах диссертации.

Прежде чем приступать к анализу локальных аномалий распределения гидрофизических характеристик, которыми являются линзы, в рамках первой задачи необходимо было уточнить параметры фоновых условий промежуточного слоя вод северо-восточной Атлантики. Для этого были сделаны некоторые оценки, связанные с распространением "языка" средиземноморских вод по данным осреденных фоновых значений Т II Б на основе прямых измерений и современного климатического атласа N000-94. Проанализированы вероятные причины некоторых расхождений с результатами работ В.А.Бубнова [1971] и В.И.Куксы [1983].

Второй задачей явилось выявление основных гидрофизических параметров и интегральных характеристик линз, их пространственной и временной динамики, их количества, типизации и классификации, а также географической локализации. Для этого был составлен обзор имеющихся в литературе сообщений об их обнаружении, а также специальных натурных исследований средиземноморских линз, сделана сводка доступной опубликованной информации о конкретных линзах.

Третья задача состояла в формировании наиболее полного и репрезентативного на сегодняшний день банка исторических данных гидрологических наблюдений, выполнявшихся в течение XX века на акватории северо-восточной Атлантики.

Четвертой задачей стала разработка методики анализа данных этого массива: выявления аномальных по солености и температуре станций, формулирование принципов выделения границ линз, необходимых для осуществления расчетов их основных интегральных гидрофизических параметров и сравнения линз на различных стадиях трансформации.

На основе анализа исторического массива данных, выборок станций, аномальных относительно фоновых условий в слое промежуточного максимума солености, предлагается решение пятой задачи -уточнение статистики обнаружения и плотности "упаковки" линзовых образований в Кадисском заливе, Иберийском и Канарском бассейнах, областях северного тропического антициклонического круговорота, района к северу от Азорского архипелага. Важной нерешенной задачей является оценка вероятности их обнаружения западнее Срединно-Атлантического хребта, тем самым оконтуривание географического

4

реала распространения средиземноморских линз, и вероятных трасс их сремещсний.

Проведенный анализ делает возможным решение шестой задачи собственно определение роли линзовых структур в формировании ромежуточного слоя повышенной солености за счет их диссипации и азрушения, вклада в суммарный (климатический) перенос тепла и сои в трансмсридиональном направлении в северо-восточной Атлантике, [ля решения последней задачи была проведена разработка и усовер-1енствование методики объективного анализа данных гидрофизических ъемок для исследования пространственно-временных гидрофизических арактеристик океана вблизи линз; рассмотрены различные варианты рименения изопикнического анализа вертикальной структуры вод в ентре линз и их окрестностях.

Разработка этих методов анализа позволила на основании дан-ых экспедиций осени 1993 г. подробнее рассмотреть на пути распро-транения слоя средиземноморских вод (СМВ) повышенной солености связанных с ним линз воздействие зон фронтальных разделов - Севе-о-Атлантнческого течения, северной "жесткой" границы и его юго-осточной ветви, Азорского течения, являющегося "полупроницаемой" раницей.

Эти методики также применялись при анализе образования линз устьях каньонов испано-португальского континентального склона по езультатам комплексных исследований 1988 г.

Рассмотрены возможности идентификации вероятного района гнерации линз по количеству взвеси в их ядре и их разделения и клас-ификации на линзы "открытого океана" и "каньонные".

Научная новизна

Поиск следов вихревых линз в исторических массивах данных роводился ранее на основе существенно меньшего количества фактов, ¡первые используемый наиболее полный из имеющихся в мировой рактике массив наблюдений позволил получить результаты, не имеющие в настоящее время аналогов.

I Прежде всего, к ним следует отнести выявление и локализацию станций со значимыми аномалиями по солености и температуре относительно рассчитанного фонового их распределения, расположенных, за некоторыми исключениями, в полосе, ориентированной от района-источника на юго-запад в виде "хвоста кометы", что находится в соответствии с имеющимися представлениями о направлении перемещения линзовых структур в Атлантическом океане. I На этой основе, полученной с использованием оригинальных мето-

5

дов и тщательного отсеивания повторных и "не линзовых" станций, выполнено оконтуривание географического ареала распространения линз.

■ Проведен анализ трансформации интегральных тепловых, соле-ностных и энергетических характеристик по пространству, в границах, выделенных по усовершенствованной универсальной методике изопикнического анализа, их связи с расстоянием до наиболее вероятного района их генерации - Кадисского залива.

■ Получены реальные свидетельства о существенном климатическом вкладе линзовых структур в формирование промежуточного слоя повышенной солености за счет их диссипации и разрушения, что является принципиально новым подходом к пониманию гидрофизической структуры вод северо-восточной Атлантики.

■ На основе проведенного анализа материалов российской и французской экспедиций 1993 г. в Азорской фронтальной зоне показано, что эта зона является не только южной границей распространения ядра СМВ, но и "полупроницаемой границей" для проникновения линз в центральную часть Канарской котловины и субтропическую Атлантику.

■ Впервые проанализированы реальные свидетельства и качественно описаны механизмы поступления вод повышенной солености и температуры на средние глубины океана. Установлено образование узкой внутримассовой фронтальной зоны с колоссальными горизонтальными градиентами гидрофизических характеристик, сопровождающих генерацию средиземноморских вихревых линз в устьях каньонов континентального склона на севере Кадисского залива.

Практическая ценность

В работе предложены новые количественные и качественные оценки роли мезомасштабных средиземноморских линз в формировании и поддержании климатического максимума солености и температуры в промежуточном слое вод северо-восточной Атлантики. Предложена методика оценки вклада компактных, но весьма существенных в общем балансе тепла, солей, массы и энергии, вихревых внут-ритермоклинных образований в моделях циркуляции и динамики океана, в том числе и прогностических, становится необходимым.

Разработанные методы объективного анализа данных гидрологических съемок и выявления аномалий тепло- и солесодержания вод могут быть применены (и уже успешно применялись) при оперативной обработке данных измерений в ходе экспедиций, планировании экспериментов и на последующих этапах изучения их результатов.

6

Полученные п результате амалича обширного фактического материала :арты и схемы распространении средиземноморских линз также могут ¡ыть использованы при иланироиании и осущестнлении морских |Кспсдиционных исследований в этот район северной Атлантики.

Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались на семинарах )тдела крупномасштабного взаимодействия океана и атмосферы Ин-титута океанологии им. П.П.Ширшова Российской академии наук, Ъсударственного океанографического института. По отдельным аспек-ам работы были представлены несколько сообщений на ежегодных ;онференциях EGS 1995-98 гг. и океанографическом симпозиуме CNES >иаррице в октябре 1997 г.

Публикации

Основные результаты диссертации изложены в 10 научных работах.

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка ли-ературы и приложений. Объем работы составляет 215 страниц, вклю-[ая текст на 115 страницах, 40 рисунков, 10 таблиц и списка литерату-1Ы из 240 наименований, в том числе 168 на иностранных языках.

Автор приносит благодарность своему научному руководителю :.А.Плахину за постановку задачи и постоянное внимание к работе; О.А.Иванову и Б.Н.Филюшкину - за ценные советы в процессе ее 1еализации; коллегам из Института океанологии РАН и кафедры океа-юлогии МГУ - за полезные методологические рекомендации и сущест-¡енную помощь в пополнении базы гидрологических данных.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обосновывается актуальность работы, формулиру-этея основные цели и задачи исследований, научная новизна, а так же :ратко изложена структура диссертации.

ПЕРВАЯ глава диссертации предстваляет собой обзор литера-уры о промежуточном слое вод и встреченных в нем линз в северо-юсточной части Атлантического океана с критическим анализом Полуниных выводов. Изложены методики расчетов фоновых полей Т и S.

В первом параграфе содержится климатическое описание вод [ромежуточного слоя северо-восточной Атлантики по данным элек-ронного атласа NODC-94 [S.Levitus,1982,1994]. Выявлены отличия это-о Атласа от результатов исследований Г.Вюста (по данным 1872-1930 г.), В.А.Бубнова (основанных на данных МГГ 1957-1962 гг.) и ряда ;ругих работ. При использовании в качестве климатического среднего

7

состояния гидрологических параметров в северо-восточной части Атлантического океана на его средних глубинах этот электронный атлас может быть приемлем. Вместе с тем, следует учитывать слишком высокую степень сглаживания в примененных для его создания алгоритмах. Это может привести, например, к "исчезновению" таких немаловажных и заметных черт гидрологической структуры океана, как наличие промежуточного максимума солености над и к западу от Срединно-Атлантического Хребта.

Рассматриваются вопросы возможной межгодовой изменчивости и колебании горизонтальных границ, толщины, площади и объема средиземноморских вод, глубины залегания его ядра, верхней и нижней границ; флуктуации скорости и направления течений в промежуточном слое вод по наблюдениям, оценкам динамическим методом и современным моделям течений.

На основе данных прямых наблюдений XX в. рассчитаны массивы фоновых значений температуры и солености на стандартных горизонтах в промежуточном слое вод. Осреднение проводилось внутри 2.5°-х трапеций, так как при меньшем шаге расчетной сетки не вся рассматриваемая площадь обеспечена данными, а результаты отличаются не значительно; при большем шаге (3°, 4°, 5°) резко возрастает дисперсия. Была использована схема итераций с последовательным удалением наблюдений с отклонением свыше 2с от среднего, рассчитанного на предыдущем шаге. Итерации продолжаются до схождения £>Гоп и ТГоп с рассчитанным предыдущим значением с точностью 0.005 реи и °С соответственно.

Сравнение полученных карт с Атласом N000-94 свидетельствует о' весьма малых отличиях на большей части рассматриваемой акватории - в пределах ±0.02 рай и ±0.2°С почти на всех горизонтах, что заметно ниже средних стандартных отклонений БЕ для Северной Атлантики. По С.Левитусу, БЕ^ст-М"1/2 равны О.ПрБи и 0.45°С на горизонте 1000 м, N - число наблюдений в пределах круга радиуса влияния

с тем, в северо-западной области (Нью-Фаундлендская банка) отличия в верней части промежуточного слоя вод оказались существенны. Некоторое расхождение имеется и в районе к западу от Португалии, где по результатам проведенных расчетов фоновые воды чуть теплее (на 0.4°С ) п солснее (на 0.04 рви), чем показано в Атласе N000-94.

11=555 км, среднее квадратическое отклонение

Для решения попроси о границах климатического распространена под, обладающих промежуточным максимумом солености (ПМС) и тределения его глубины были выявлены все станции, на которых этот максимум наблюдался. На рис.1, представлены значения солености на •дубине ПМС по результатам осреднения на 2.5°-й сетке. Показана так ке предполагаемая условная граница их распространения, проведенная ю изохалине 35.1 реи.

Расчет полей максимальных солености и температуры ^шах^^гоп+сг и Ттах>Тг0П+<т), осуществлялся на адаптивных сетках по :хеме, предложенной в работах Г.И.Шапиро и С.Л.Мещанова [1995, 997]. Этот подход позволил выявить районы квазинепрерывного рас-фостранения вод повышенной солености и температуры, прилегающие : району-источнику (Кадисскому заливу). Как полагают упомянутые шторы, распространение СМВ происходит здесь преимущественно в ¡иде потоков, "струй", и тесно связано с донной топографией.

Были построены и карты отклонений максимальных и фоновых юлей: 8д=8тах-8гоп и Тл=Ттах-Тс0П. На огромной акватории океана, за феделами области, ограниченной изохалиной 8тах>36.0 рБи, встречает-:я несколько пятен повышенных значений БдХЭ.З реи (и ТД>1°С), ко-орые указывают на районы, где воды СМВ проявлялись преимущест-¡енно в виде отдельных прослоек (линз).

Именно эта, дискретная, компонента в распространении СМВ и юставляет предмет нашего дальнейшего исследования.

Во втором параграфе прослеживается эволюция представлений ) вихревых линзах в северо-восточной Атлантике по мере накопления фактического материала в ходе ряда научных экспедиций. Крат-:о излагаются основные цели, задачи и результаты ряда проводившихся >анее специальных натурных исследований и экспериментов с линзами: ¡ыявленные особенности антициклонических (и нескольких циклони-[еских) средиземноморских линз; приводятся основные гипотезы о ме-:анизмах и районах их генерации, трассах перемещений.

К средиземноморским линзам относят (суб-) мезомасштабные внут-штермоклинные образования, которым свойственны следующие черты: Конфигурация их внешних границ на вертикальных разрезах солености и температуры напоминает двояковыпуклую линзу. Горизонтальные размеры линз - от 20 до 150 км, вертикальная протяженность редко выходит за пределы 400-^800 м. Квазиоднородное ядро линз, в котором отмечаются пониженные вертикальные градиенты и максимальные значения температуры п солености, локализуется на глубинах 700-850 и/или 900-1300 м -

9

т.е. в области пикноклина.

• Преимущественно встречается антициклонический тип вращения линз с орбитальными скоростями до 25-г40 см-с'1, их максимум расположен на удалении от центра линзы в О.З-ьО.5 радиуса. Характерна небольшая скорость среднего переноса линз от 1 до 6 км в сутки (0.5^-4.5 см-с"1).

• Значения аномалий относительно фона гидрофизических и гидрохимических характеристик в ядре линз, позволяют предполагать, что в них содержатся воды, сформированные на значительном удалении от места их обнаружения.

В третьем параграфе содержится наиболее полная сводка основной исходной информации о 114 линзах, имеющейся к настоящему времени в научной литературе. Ранее опубликованы несколько успешных исследований исторических массивов данных, в которых впервые были выявлены случаи возможного присутствия средиземноморских линз в количестве:

- 3, на основе NODC до 1972 г., Army L., Zenk W. [1984];

- 25, по французскому BNDO, Richardson P.L., McCartney M.S., Maillard С. [1991], из них по единичным профилям более половины;

- 22, по МЦЦ-Обнинск до 1991 г. и NODC до 1986 г., Шапиро Г.И., Мещанов СЛ. [1995, 1997], по единичным профилям - более 2/3.

В настоящем исследовании также составлены таблицы по литературным сообщениям, но не только с указанием названий судов, координат и дат обнаружения линз, аномалий по солености, как в упомянутых прежних работах. Эти сводные таблицы отличаются от предшествующих не только охватом существенно большего массива первичной информации, тщательный анализ которого подробно рассмотрен в Главе II. Они дополнены и данными измерений температуры, глубины и вертикальной протяженности максимальных аномалий S и Т, и результатами расчетов основных гидрофизических параметров линз. По этой информации составлены карты с указанием географических районов их обнаружения и вероятных направлений перемещения. На рис.1, эти линзы помечены -Ф-.

ВТОРАЯ глава диссертации посвящена описанию и анализу содержания наиболее полного массива натурных наблюдений в северо-восточной части Атлантического океана и методик обработки его информации. Предлагаются критерии отбора аномальных по солености и температуре станций и выявления линз, уточняются их количественные параметры, географический ареал распространения.

В первом параграфе описывается исторический массив станций гидрологических измерений в северо-восточной Атлантике (район 10°-50°с.ш., 50°-5° з.д.). Он состоит из более 69 тыс. станций, из которых около 29 тыс. достигают глубины 950 и более метров, где расположено ядро "языка" СМВ. Удаление 4% станций - "копий", заведомо ошибочных и с расстояниями между горизонтами наблюдений более 500 м -оставляет для анализа 27,891 станцию.

Основу массива (>80%) составляют данные NODC-94 с исправленными в 1996 г. массивами станций CTD на носителях CD-ROM. Вторым, по объему информации, источником является массив данных ВНИИГМИ-МЦД (Обнинск). Затем - значительное число рейсов ИО РАН 60-90-х гг., часть из которых автору пришлось извлекать из печатных архивов, и в этом существенной была помощь группы коллег лаборатории климата океанов и морей Института океанологии. Часть из этих уникальных данных автору удалось "спасти" путем переноса с ветхих магнитных лент на современные электронные носители информации. В состав массива включены и данные НИСП ГОИН на разрезах по 36° с.ш., выполнявшихся в 1970-80-е гг. Кроме того, существенно пополнили коллекцию и зарубежные данные, полученные через INTERNET из открытых международных источников информации по гидрометеорологии, WOCE, а так же по обмену в рамках выполнения международных программ исследований и любезно предоставленных из ряда научных центров Франции, США и Германии.

Во втором параграфе изложены основы методики отбраковок и выборки станций для выявления существенных аномалий температуры и солености (свыше 0.5°С и 0.3 psu) относительно рассчитанных фоновых (и среднеклиматических по атласу NODC-94) значений на горизонтах промежуточного максимума солености, интерполированных в точке с координатами, соответствующими каждой станции наблюдений. Глубина отбора проб, в особенности батометрами, может заметно отличаться от случая к случаю, поэтому профили Т и S каждой станции интерполируются (для CTD станций - сглаживаются с помощью косинус-фильтра) через 20 м, с такой же дискретностью рассчитываются и фоновые профили; находится их наибольшая разность в слое максимума S (и Т) на тех же горизонтах. Также обсуждаются проблемы идентификации рейсов в исторических массивах данных, выявления "пересечений" и повторяемости станций в разных источниках информации.

В третьем параграфе представлены результаты выборки аномальных станций и выявления среди них линз СМВ: визуализация 6.5тыс.

11

Параметр 1 Ед. | Сокр. | Среднее

! Аномалия солености в слое максимума Б I рБ11 ДБ ; 0.552

¡Аномалия температуры в слое максимума Т ! X ЛТ 1 1.958

I Изопикническая аномалия солености ...!.........Я?и........... Б' I 0.546

I Изопикническая аномалия температуры ; 'С Т' I 2.402

I Толщина по изопикн. аномалии Б' : М НБ' 1 936

| Толщина по изопикн. аномалии Т : М НТ' : 720

; Интегр. по объему аномалия теплозапаса | 1018 Дж .......9.Т........ 1 5.83

!Интегр. по объему аномалия солезапаса ; кг 1 0.56

! Объем в пределах 5'>0.1 р5и ; км3 .............. УоЬ 1 1724

I Верт. интегр. объемная плотность ДПЕ по ДсЯр ! ЩЗДжм-'2' ЛРЕ 1 5.48

Табл. 1. Средние значения гидрофизических параметров линз, рассчитанные по вертикальным профилям Т и 5 в их центре.

кривизны

Рис.2. К объяснению методики объективного анализа §3.1. Распределение изолиний анизотропных весовых функций а) эллипсовидной, б) банановидной. (Основные параметры банановидной весовой функции (в).

профилей Т и S 13 окрестностях аномалий (до 100 км в интервале 7-10 суток) позволила отобрать 400 случаев, когда наблюдались условия, указывающие на существенные и протяженные по высоте (не менее чем на 100 м) аномалии и по температуре, и по солености (свыше 0.5°С и 0.3 psu), в указанных пределах пространства и времени. Часть из них (130 - с отклонениями до 0.3^0.35 psu) возможно относится к периферии области климатического распространения слоя СМВ - районам со значительными горизонтальными градиентами S и Т и едва ли могут быть отнесены к линзам. Отсеивание не линзовых станций, верификация гипотезы осуществлялись путем построения разрезов и, если было возможно, горизонтальных карт, с использованием соседних квазисинхронных измерений.

Из аномалий в диапазоне солености 0.35^-1.2 psu и температуры 0.9^4°С примерно 70 случаев в литературе считаются свидетельством присутствия линз средиземноморского происхождения (на рис.1, м), а 64 случая ранее в литературе не встречались (-¿г). Таким образом, в распоряжении оказался банк информации в общей сложности о 178 линзах, из которых для 134 имеется цифровая информация.

Анализ многочисленных таблиц, диаграмм распределений и карт позволил составить целостное представление о вертикальной структуре, пространственно-временных вариациях гидрофизических параметров средиземноморских линз, выявить связь абсолютных аномалий гидрофизических параметров в ядрах линз и расстояния от наиболее вероятного источника их формирования.

Показано, что гипотезы о ведущей роли линз в формировании и подпитывании климатического слоя повышенной солености и температуры в северной Атлантике не лишены оснований; действительно, ярко выраженный климатический максимум солености на промежуточных горизонтах наблюдается именно там, где имеются многочисленные свидетельства обнаружения линз - Канарский бассейн, Иберийская котловина, Кадисский залив и западное побережье Португалии.

В ТРЕТЬЕЙ главе излагаются основы методики объективного анализа для линз, хорошо обеспеченных данными наблюдений, и предлагаются способы восстановления информации при ее дефиците. Обсуждаются результаты поиска и изопикнического анализа аномалий в историческом массиве данных, их географического ареала распространения и роли в формировании климатического промежуточного слоя повышенной солености в северо-восточной Атлантике. По материалам двух экспедиций ИО РАН (1988 и 1993 г.) рассматрива-

14

отся вопросы, связанные с климатическими гидрологическими "препятствиями" на пути распространения линз - Азорской фронтальной зоной, а так же механизмы генерации линз в районе континентального склона Кадисского залива.

Первый параграф. Для проведения изопикнического анализа следует рассчитать распределение гидрофизических полей в области линзы на основе объективного анализа (восстановления полей в узлах избранной регулярной сетки) по сглаженным косинус-фильтром с разрешением по вертикали 10-20 дбар профилям Т и Б. Показаны преимущества подхода к решению этой проблемы на основе применения "многовесовых" функций.

Схема решения этой задачи заключается в коррекции С(1 ^ значений поля в узлах регулярной сетки, которым в начале присваивается значение "первого приближения" Р(У) - равного ближайшему к этому

N IN

узлу измерению. С(/,У) = /X^ ' где (К^*^0^)-

.5=1 /

Р(1^), 0(15^5) - остальные измерения в пределах радиуса влияния И., искомое значение поля в(1 о)=Р(1 о)+С(1

Коррекция осуществляется с помощью весовых функций \¥8(=|0,1], зависящих от соотношений между с!т - расстоянием от узла 0,]) до точки наблюдений Р^ и И. - радиусом влияния:

Л2-а2

-г-, с! < К.

К +с1ш N^=0, ¿га>К

На первом этапе поле скалярных величин предварительно восстанавливается с помощью обычных круговых весовых функций, а для каждой точки измерений рассчитывается радиус и координаты центра кривизны изолинии, проходящей через нее.

При больших радиусах кривизны используется "эллипсовидная"

весовая функция [в терминах Се5е1е51и В.Р, Барр Ь.Ь., 1975], для кото-

Г -2 Л 1/2 X

-+у'2 " "эффективное" расстояние от точки наблюде-

Е \ )

ний Р), до узла сетки (У), х'=с1ц)с-со50, у'=(1ц1С-51п0, в - угол между касательной к изолинии поля, проходящей через Р^ (большой осью эллипса) и направлением вектора из (У) к точке наблюдений Р^, с!^ - длина этого вектора. Е]с2=1+рр|с - параметр удлинения большой оси эллипса "влияния" вдоль касательной к изолинии поля, проходящей через точку наблюдений Рь р- постоянная удлинения, критическое значение Р^ подбирается эмпирически и зависит от отклонения значения поля в

15

рой с1 =

Ш

в точке Pk от среднего, радиусов влияния и кривизны.

В качестве весовой функции Ws для проведения объективного анализа в областях высоких значений кривизны поля, т.е. в случае малых радиусов кривизны, используется "банановидная" функция [в терминах Benjamin S.G., Seamen N.L., 1985]:

r 2 iß- ~ 0 )2 x 2 где d* = --V-j-l-+(|-k |-г~)2 = " "эффективное" pac-

стояние от точки наблюдений Р^ до узла сетки (i,j), г^ - радиус кривизны изолинии поля функции в точке измерений Рк, гу - расстояние от центра кривизны Ск до точки сетки (i j), - азимутальный угол, отсчитываемый в центре кривизны до точки сетки, - азимутальный угол, отсчитываемый в центре кривизны до точки наблюдений, Е^2 - также параметр удлинения, см. рис. 2. При Ек<4/3 анизотропные весовые функции Ws оказываются близки к круговым.

Оценки качества восстановления поля в ходе численных экспериментов позволяют оптимально подобрать параметры, необходимые для расчетов, путем минимизации отклонений вычисленных и наблюденных значений. Улучшению восстановления способствуют и процедуры синхронизации исходных данных, устранения влияния внутренних и приливных колебаний - при наличии соответствующей информации о скорости вращения и дрейфа линзы, временного хода гидрофизических параметров.

Использование анизотропных весовых функций было удачным решением при изучении линзы холодных и относительно распреснен-ных вод, обнаруженной летом 1994 г. в северо-западном Средиземноморье на глубинах 150-700 м, радиусом около 40 км. Это исследование было составной частью эксперимента по динамической акустической томографии линзы "Тома" с движущегося судна (нис "Ак. С.Вавилов", 10-й рейс) в рамках международной программы THETIS-II. В настоящей диссертационной работе эта методика применялась для расчета параметров нескольких линз в Атлантике.

Во втором параграфе описываются методика изопикнического анализа данных съемок, принятые в настоящей работе критерии для проведения границ и оценок интегральных характеристик отдельных линз.

Полученные с помощью объективного анализа распределения полей на всех горизонтах (обычно с вертикальным разрешением через 20 дбар на горизонтальных сетках MxN узлов, в зависимости от размеров изучаемого "объекта", шаг сетки может быть от 1 до 15 км; М, N: 30-ь50)

16

сравниваются с рассчитанными для района линзы "фоновыми" профилями гидрофизических параметров на уровнях рапных плотностей и определяются их разности для каждой точки в пределах массива.

В качестве внешних границ линз избраны поверхности изопик-нических аномалий 0.1 psu и 0.4°С, в большинстве случаев почти совпадающие друг с другом. Их выбор, в частности, определяется тем, что в диапазоне Т,8-индексов СМВ вклад солености в изменение плотности в четыре раза превосходит вклад температуры, т.е. для сохранения изо-пикнического равновесия необходимо, чтобы изменение S на 0.1 psu было компенсировано изменением Т на 0.4°С.

Рассматривается возможность восстановления информации о гидрофизической структуре линз СМВ и при значительном ее дефиците - наличии малого числа и даже единичных станций наблюдений в их пределах. Это оказывается допустимым лишь при некоторых условиях: рассмотрении имеющегося профиля S (и Т) как "центрального" для горизонтально-симметричной линзы, оценки динамически "минимально-возможного" радиуса из соображений циклогеострофиче-ского баланса [Шапиро Г.И., 1986], аппроксимации формы внешней поверхности "границы" линзы и распределения аномалии в ее пределах при помощи опробованных на многих примерах экспоненциальных функций (например "Гауссова монополя"). Этот подход позволяет най-ги "нижнюю" оценку интегральных параметров.

Проведено сопоставление результатов изопкинического анализа г применением различных его вариантов: по центральным профилям "линзовых" станций и с помощью объективного анализа данных съемок; использования в качестве основы для сравнения характеристик фоновых и линзовых вод плотности потенциальной оо и in situ astp ; а гакже результатов, представленных в литературе.

Анализируются возможные причины некоторых расхождений в полученных оценках - обычно в пределах 5-25%, но в раде случаев и выше. Они связаны с влиянием при выборе "фоновых" условий "термохалинного шлейфа" линз [Федоров К.Н., Пака В.Т., 1988]; критериев выделения границ; лучшим, при использовании объективного анализа, учетом вытянутости линз, связанной с р-эффектом, и т.д.

Итогом этих исследований стали оценки геометрических размеров, объема, массы, интегральных изопикнических аномалий тепло-и солесодержания, изопикничсского смещения в верхней и нижней части, вертикально-интегрированной доступной потенциальной энергии (ДПЕ) вихревых линз СМВ, их средних величин и отклонений впервые по столь внушительному их количеству (134), представлен

17

ные в таблицах, графиках, нанесенные на карты (см. табл.1, и рис.1.).

При том, что пространственные размеры - радиус, толщина, объем линз варьируются в широких пределах, интегральные аномалии содержания тепла и солей оказываются довольно близки и характеризуются величинами одного порядка. Выявлена связь значений интегральных аномалий в ядрах линз и удаления от района их формирования вблизи Кадисского залива, а так же их локализации преимущественно в области климатического максимума солености в промежуточном слое вод.

Фоновая плотность ДПЕ на средних глубинах в северо-восточной Атлантике не превышает 2-5 Дж-м"3, тогда как в верхней и нижней части внутритермоклинных линз она достигает десятков Дж-м_3. Значительный "запас" доступной потенциальной энергии линз способен поддерживать их многолетнее существование в отсутствии дополнительных источников энергии.

Проведенный по архивным данным статистический анализ оценок распределений вероятности обнаружения, концентрации и "плотности упаковки" линз в 22-х 5°-трапециях свидетельствует, что площадь океана занятая линзами варьируется от 0.5 до 5.3%, с тенденцией к росту в направлении района-источника. Для 9-ти наиболее "густонаселенных" линзами трапеций, где вероятность их обнаружения выше 1%, рассчитаны по Bunker A.F. и Wortliington L.V. [1976] величины среднегодового прихода солнечной радиации 8.3(±1.6)-1021 Дж и бюджета тепла поверхности океана 1.6 (±0.3) 1021 Дж.

Различные варианты расчета суммарного избытка тепла (ZQT') в одновременно присутствующих здесь линзах (0.2(±0.05)-1021 Дж) показывают, что он составляет уже заметную долю (10%) от годового бюджета тепла поверхности этой части океана, притом, что линзы занимают не более 2 % ее площади.

В третьем параграфе на основе изопикнического анализа данных экспедиций России (нис "Штокман", 31-й рейс, программы WOCE, "Фронты и вихри") и Франции (программа SEMAPHORE, R/V "Le Suroit") осени 1993 г., обосновывается связь высокой концентрации линз к северу от Азорской фронтальной зоны (АФЗ) и наличием в северной же части полигона WOCE AR-XI, 3P-36" с.ш., 20°-26° з.д., повышенных значений промежуточных максимумов солености, и не редко температуры, как раз и формирующихся в результате адвекции СМВ и разрушения линз.

Азорское течение несет свои воды в восточном направлении со скоростями от 25-30 см-с"1 у поверхности до 12 см-с-1 на глубине 1200 м,

18

з струе, сужающейся от 80 км в октябре до 55 км в ноябре. Его гео-профический расход определен в 15 Св [Иванов Ю.А., Фллюшкин О.Б., 1995], а абсолютный 25 Св. В октябре 1993 г. в восточной части юлигона была обнаружена линза СМВ, северная периферия которой тстично перекрывалась этим течением, а к ноябрю линза сместилась к огу от положения его оси. Радиус линзы составлял более 80 км, по вертикали она простиралась от 600 до 2200 м, ее объем в пределах изопик-шческой аномалии 5'>0.1 оценивается в 26 тыс. км3, а объем ядра, где 5'>0.4 рБи, более 6 тыс. км3.

Анализ климатических (рассчитанных фоновых, и по Атласу МСЮС-94) и наблюденных вертикальных профилей, построенных карт г разрезов Т и 5 показывает, что положение Азорской фронтальной юны (АФЗ) на 32°-33°с.ш. в области 26°-20°з.д. совпадает с границей нежду северной и южной разновидностями средиземноморских вод, разделяемых по степени выраженности солсностного максимума ¡вертикальным градиентам, абсолютным, относительным величинам) и глубине его залегания.

Азорская фронтальная зона может являться не только южной границей для проникновения "северной" ветви или собственно "ядра" средиземноморских вод с более резким промежуточным максимумом солености, расположенным здесь выше 950 дбар, но и 'полупрозрачной" границей для линз, так как часть из них (менее трети из трех десятков в пределах указанного полигона), судя по анализу исторических данных, были обнаружены южнее АФЗ, в том числе и нинза 1993 г., отличавшаяся колоссальными размерами.

В четвертом параграфе разработанные в диссертации методы хнализа применяются для рассмотрения процессов перемещения высо-сосоленых и теплых вод потока СМВ на средние глубины океана и связанного с этим формирования дипольных систем и собственно вихревых линз в устьях каньонов континентального склона на севере Кадисского залива, в частности, Портимао. Для этого привлекаются данные Российской и Американской экспедиций лета-осени 1988 г. на судах "Витязь", 16-й рейс, и "Осеапш", 202-й рейс.

Поступление теплых и соленых вод на промежуточные глубины экеана обеспечивается за счет отрыва объемов вод от основного западного течения СМВ. Этот процесс происходит преимущественно в районах каньонов с крутыми склонами, разрезающих континентальный склон залива с севера на юг, в верховьях которых и возникают динамические условия, приводящие к генерации вдольканьонных течений. Эта возможность недавно подтверждена в лабораторных экспериментах А.Г.Зацепина [1997], с источником плотной жидкости над наклонным

19

дном и поперечным желобом с крутыми стенками.

Данные экспедиции 1988 г. выявляют характерную неравномерность отрывов порций СМВ от основного течения, как по частоте повторяемости события, так и по объему поступающей в каньоны воды.

К формированию мелководных линз с ядром на горизонтах 800 м и имеющих толщину 200-300 м может привести отрыв небольших объемов вод на глубине порога устья каньона, вследствие "закручивания" образовавшейся струи, двигающейся со значительной (>20 см-с-1) скоростью и обладающей большим импульсом.

В случае поступления больших объемов СМВ происходит стека-' ние более соленых вод (>36.5 psu) и возникает внутримассовый фронт с окружающими водами с горизонтальными градиентами в передней его части до 0.1 psu-км"1. Образовавшиеся BTJ1, прилегающие к континентальному склону в устье каньонов, сохраняют возможность приема дополнительных порций материнских вод в результате последующих «впрыскиваний» по каньону. Именно эта многократность поступления вод может приводить к формированию крупных, многоядерных по вертикали линз.

В августе 1988 г. на выходе из устья каньона Портимао с борта нис "Витязь" была обнаружена линза в стадии завершения формирования. За месяц она сместилась на 50 км к юго-западу, где вновь была локализована [Prater М., 1992]. Ее параметры: два ядра - на глубинах 1050 и 1300 м, общая вертикальная протяженность около 600 м, горизонтальные размеры - 25 и 35 км, объем 500 км3 в пределах изопикни-ческой аномалии S'>0.1 psu. При ширине потока СМВ 30 км, толщине 0.4 км и скорости 0.2 м-с~' на формирование такой линзы потребуется 2-2.5 дня.

Поступление вод с материкового шельфа и континентального склона по дну каньонов с интенсивным потоком должно приводить к увеличению в них содержания взвеси, мелкодисперсная фракция которой может сохраняться в ядре антициклонических линз длительное время. Косвенно на это указывает значимый максимум показателя ослабления света гк именно на глубине залегания ядра в нескольких линзах, обнаруженных в 1988 г. В связи с этим появляется возможность идентификации вероятного района генерации линз по количеству взвеси в ядре и их классификации на линзы "открытого океана"и "каньонные", что требует систематического проведения экспериментальных натурных исследований

В 3AKJIЮЧ ЕН ИИ сформулированы основные научные результаты, полученные в диссертационной работе:

20

1. При использовании электронного климатического одноградусного атласа С.Лсвитуса (NODC-94) в качестве климатического среднего состояния гидрологических параметров в северо-восточной части Атлантического океана на его средних глубинах следует учитывать слишком высокую степень сглаживания в примененных для его создания алгоритмах. Проведен самостоятельный расчет фоновых и максимальных полей температуры и солености, и их аномалий, по данным прямых измерений за весь период XX в. Это позволило расширить и дополнить географию тех областей, где мезо-масштабная структура средиземноморских вод повышенной температуры и солености носит преимущественно квазинепрерывный характер, и выявить районы, где СМВ чаще проявляется в виде дискретных, изолированных прослоек и линз.

2. Проведенный анализ объединенного массива гидрологической информации в северо-восточной Атлантике, содержащего более 69 тыс. станций, из которых около 28 тыс. достигают глубины промежуточного максимума солености, позволил существенно восполнить сведения о 70 средиземноморских линзах, известных по прежним научным публикациям. Были выявлены еще 64 линзы (часть из них -предположительно - линзы), о которых ранее не сообщалось.

3. Банк информации о 178 линзах позволяет составить целостное представление о географическом ареале их обнаружения. Выявлена связь значений гидрофизических характеристик, интегральных аномалий в ядрах линз и удаления от района их формирования - вблизи Кадисского залива. Сопоставление карт показывает, что линзы встречаются в области распространения "языка" средиземноморских вод, причем в своем большинстве они сосредоточены в районе именно его климатического максимума.

4. Разработанные методы объективного анализа данных измерений гидрофизических съемок вместе с модификациями методов изопик-ничсского анализа позволили по единой схеме проанализировать имеющиеся данные и придти к принципиально важным заключениям о существенном вкладе линз в горизонтальный тепло- и солспере-нос в промежуточных слоях. Получены некоторые количественные оценки, полезные при изучении и анализе климатической изменчивости северной части Атлантического океана.

. Выяснена роль Азорской фронтальной зоны - южной "полупрозрачной" границы на пути распространения средиземноморских вод, обладающих к северу от нее более резко выраженным

промежуточным максимумом солености (и температуры). Преодоление этой границы, проникновение и центральную Атлантику, по-ипдимому, возможно лишь для самых крупных линз, одна из которых и была обнаружена к югу от АФЗ в 1993 г. 6. Представлены фактические данные о существенной роли кань-онного механизма генерации средиземноморских линз в районе континентального склона в Кадисском заливе. Этот механизм позволяет объяснить наличие в ядрах некоторых линз регистрируемого гидрооптическими измерениями максимума мутности, связанного, вероятно, с присутствием взвеси, мелкодисперсные фракции которой могут сохраняться в них и на значительном удалении от района - источника.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Алейник Д.Л. Структура и динамика средиземноморской линзы и

Азорской фронтальной зоны осенью 1993 г. // Океанология, 1998, т. 38, N 3, с.

2. Годин О.А., Буренков С.В., Михин Д.Ю., Молчанов С.В., Селива-

нов В.Г., Чепурин Ю.А., Алейник Д.Л. Эксперимент по динамической акустической томографии в западной части Средиземного моря // Доклады Академии Наук, 1996, т. 349, N 3, с. 398-403.

3. Aleynik D.L., Godin О.А., Mikhin D.Yu., Plakhin Eu.A. Submerged

mezoscale low saline and low temperature eddy in the north-western Mediterranean // Annales Geophysicae, 1995, Suppl. II to vol. 13, P. II, C. 221.

4. Aleynik D.L., Plakhin Eu.A. Identification of meddies in NE-Atlantic by

historical data // Annales Geophysicae, 1997, Suppl. II to vol. 15, P. II, p. 361.

5. Ivanov Yu.A., Filyushkin Yu.B., Plakhin Eu.A., Aleynik D.L. Experi-

mental franco-russian observation of meddy located in Azores front location // Annales Geophysicae, 1997, Suppl. II to vol. 15, P. II, C. 365.

6. Mikhin D., Aleynik D., Burenkov S.V., Chepurin Yu.A., Selivanov

V.G., Molchanov S.Ya, Godin O.A. Acoustic footprints of an inter -thermocline eddy: field experiment and numerical simulations // Journal of the Acoustical Society of America, 1995, vol. 97, N 5, Pt. 2, pp. 3264A-3265A.

7. Mikhin D., Aleynik D., Burenkov S.V., Chepurin Yu.A., Selivanov

V.G., Molchanov S.Ya, Godin O.A. Moving ship tomography experiment in the Western Mediterranean // Journal of the Acoustical Society

of America, 1995, vol. 97, N 5. Pl. 2, p. 3264A.

8. Plakliin Eu.A., Aleynik D.L. The nieddy hydropliysical structure investi-

gation in Canaiy Basin with their identification by the region of formation //Annales Gcophysicac, 1996, Suppl. II to vol. 14, P. II, C. 403.

9. Plakliin Eu.A., Aleynik D.L. The nieddy identification in NE-Atlantic

according the region of formation using the sound dispersive layers position // Annales Gcophysicac, 1997, Suppl. II to vol. 15, P. II, C. 370.

10. Plakliin Eu.A., Filyushkin B.N., Aleynik D.L. Experimental study of mcddy's dipole lens formation near Morocco continental slope // Annales Gcophysicac, 1997, Suppl. II to vol. 15, P. II, C. 370.