Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Гидрология фронтальных зон Мирового океана

ВАК РФ 11.00.08, Океанология

Текст научной работыДиссертация по географии, доктора географических наук, Грузинов, Владимир Михайлович, Майкоп

МОСКОВСКИЙ ГОСУДОСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ.М.ВГЛОМОНОСОВА

Географический факультет

На правах рукописи

Грузинов Владимир Михайлович

ГИДРОЛОГИЯ ФРОНТАЛЬНЫХ зон МИРОВОГО ОКЕАНА

Специальность 11.00.08 - океанология

Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой : степени доктора географических наук

Работа выполнена в Государственном океанографическом институте

Росгидромета.

РОССИЙСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ БИБЛИОТЕКА

«и Л >5

Официальные оппоненты: . ^ ) ; л

член-корреспондент РАН В.Г.Нейман £) } ^ /V / / доктор географических наук А.А.Елизаров А доктор географических наук Б.Н.Филюшкин'

,4 0 '11,1

Ведущая организация: Российский государственный

гидрометеорологический университет

Московском государственном университете им. М.В .Ломоносова по адресу: 119899 Москва, ГСП-3, Ленинские горы, МГУ, Географический факультет, 18 этаж, аудитория 1801.

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в ( библиотеке Географического факультета ?,г'™" ч 21 этаже.

Диссертация в виде научного д

дата

Ученый секретарь диссертационного сове кандидат географическ

С.Ф.Алексеева

{

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы исследования фронтальных зон Мирового океана определяется их большой ролью в формировании гидрологических, гидрохимических и гидробиологических условий океана, влиянием на процессы в атмосфере и, как следствие, возможностью использования полученных результатов в целях разработки методов долгосрочных прогнозов / погоды и короткопериодных изменений климата.

Необходимость всестороннего и полного изучения фронтальных зон Мирового океана заключается в том большом значении, которое они имеют в процессах энергетического обмена между океаном и атмосферой, особенно в энергоактивных зонах океана. Процессы адвекции тепла, образование глубоких и устойчивых тепловых аномалий в океане, трансфронтальный обмен и другие процессы, протекающие на океанических фронтах, необходимо учитывать при построении адекватных моделей долгосрочных прогнозов погоды и короткопериодных изменений климата.

Вместе с тем в океанологической литературе долгое время не было обобщающих исследований главных (климатических) фронтальных зон Мирового океана. Монография автора (1975) была первой работой не только в нашей стране, но и за рубежом, в которой были систематизированы общие представления о процессах в океанических фронтальных зонах.

Особенности развивающейся в зоне фронта горизонтальной и вертикальной циркуляции, резкие горизонтальные градиенты гидрологических характеристик создают специфический облик этих районов, способствуют их .окой биологической продуктивности и, таким образом, определяют их |,и!«с рыбопромысловое значение. Это обстоятельство во многом обусловливает необходимость подробного изучения фронтальных зон Мирового океана.

Примечательным событием несомненно стала работа К.Н.Федорова (1983). Однако, публикации, которые содержали бы общий структурно-динамический анализ основных фронтальных зон Мирового океана, кроме вышедшей в свет в 1986 г. монографии автора «Гидрология фронтальных зон Мирового океана» , практически отсутствуют. Наиболее близки к рассматриваемой проблеме написанные В.Л.Лебедевым главы, посвященные районированию океанов, в многотомной монографии «География Мирового океана» (1981, 1982, 1984).

Цель работы заключается в систематическом исследовании географии и гидрологии главных (климатических) фронтальных зон Мирового океана, установлении их общих закономерностей и структурно-динамических особенностей, определении сезонной и межгодовой изменчивости, а также количественной оценке основных процессов, характерных для главных океанических фронтов. Подробное исследование процессов, протекающих во фронтальных зонах, позволило установить общие закономерности, присущие всем главным океаническим фронтам и выявить региональные отличия, связанные с особенностями физико-географических условий, в которых развивается фронтальная деятельность.

Многолетний характер работы по проблеме позволил автору реализовать широкий круг задач, имеющих значение не только для исследования климатических фронтальных зон Мирового океана, но и представляющих самостоятельный научный интерес. К их числу относятся:

-оценка возможности создания методов долгосрочных прогнозов аномалии температуры воздуха на европейском континенте с использованием критериев главных океанических фронтов;

-оценка влияния внутритропической зоны конвергенции (ВЗК) на процессы в океане, в том числе на положение фронтальных зон в экваториальной и тропической зонах океана;

-сравнительный анализ процессов взаимодействия океана и атмосферы ( на главных фронтах в южных и северных широтах;

-расчет адвекции тепла и теплового баланса океана в зоне экваториальных и тропических фронтов и на субполярных фронтах в северных частях Атлантического и Тихого океанов;

-расчет дрейфовой адвекции плотности и определение ее влияния на положение фронтальной зоны в синоптическом диапазоне масштабов;

-определение характера перемешивания в зонах климатических фронтов и его связь с устойчивостью вод;

-оценка общего теплового состояния океана и масштабов изменчивости г температуры воды в зонах климатических фронтов;

-оценка трансфронтального обмена и его влияния на тепловое состояние

океана;

-анализ вертикальной структуры термохалинных полей в зоне климатических фронтов в связи с остаточными проявлениями фронтальных вихрей линзового характера.

Основные научные результаты и новизна исследования. Работа включает результаты исследования климатических фронтов Мирового океана, выполненных автором с 1958 года по настоящее время, с использованием материалов экспедиционных наблюдений в Атлантическом, Тихом, Индийском океанах и антарктических водах. В соответствии с поставленной целью был проведен подробный Т,8-анализ, рассчитаны и проанализированы элементы крупномасштабной динамики вод в зонах основных климатических фронтов, включая расчет геострофических течений и вертикальной скорости, конвективного и ветрового перемешивания, уплотнения при смешении взаимодействующих на фронте вод. На примере субполярного фронта в северной части Атлантического океана проведена оценка смешения фаун и изменения количества кормового зоопланктона во фронтальной зоне.

Расчет течений в зонах основных климатических фронтов показал, что образование фронтальных вихрей - основной элемент динамики вод на фронте, а меандрирование фронта и образование вихрей слева и справа от него - яркий пример порождения крупномасштабными климатическими фронтами фронтов синоптического масштаба. Установлено, что в районах климатических фронтальных зон происходит интенсивный трансфронтальный обмен. Полученные суммарные значения энтальпии вихревых образований свидетельствуют об огромном переносе тепла вихрями, при этом отрицательные аномалии тепла в циклонических вихрях соизмеримы с положительными аномалиями в антициклонических вихрях.

Результаты расчетов показывают, что боковой или трансфронтальный обмен необходимо учитывать при расчете интегральных величин, характеризующих перенос тепла течениями.

На основе прямых экспедиционных наблюдений на меридиональных разрезах в океанах, в том числе и тех, в которых принимал участие автор, была проанализирована зональность распределения гидрологических характеристик и намечена схема природных зон в океанах и климатических фронтов как естественных границ их разделяющих.

При этом, предложено главный фронт в океане именовать не по названию водной массы, связанной с фронтом, а по названию всей физико-географической зоны, которую ограничивает главный океанический фронт. Однако в двух случаях автор счел возможным отступить от этого правила и сохранить за соответствующими участками главных фронтов их названия: Гольфстрим и Куросио.

Специальный раздел работы посвящен экваториальным и тропическим фронтам и их связи с термодинамическими характеристиками тропической зоны атмосферы. Установлена сезонная изменчивость положения фронтов в этой части океана и их тесное взаимодействие с ВЗК.

При рассмотрении фронта Куросио получены количественные оценки термодинамических процессов в зоне фронта и установлены закономерности / колебаний температуры воды океана, связанные с особенностями развития процессов в этом районе.

Подробно рассмотрены фронтальные зоны Индийского океана и антарктических вод. Установлено, что фронты экваториальной и тропической зоны Индийского океана, также как в Атлантическом и Тихом океанах, тесно связаны с ВЗК, создающей термохалинные контрасты в верхнем слое океана и во многом определяются динамикой вод этой зоны.

В отличие от Атлантического и Тихого океанов, в Индийском океане в течение всего года четко выражен фронт, связанный с южной тропической ^ дивергенцией, располагающейся в районе 7-10°ю.ш. Этот фронт прослеживается в поле всех характеристик. Понижение здесь динамического рельефа связано с южным краем Экваториального противотечения, смещенного в Индийском океане в южное полушарие. Присутствие здесь интенсивной фронтальной зоны было отмечено автором еще в 1958 году по материалам наблюдений э/с «Обь», в том числе при расчете гидроакустических характеристик. Особенно ярко существование фронтальной зоны проявляется на карте топографии подводного звукового канала.

Тесное взаимодействие океана и атмосферы в зонах климатических / фронтов создает реальные предпосылки для разработки новых методов долгосрочных прогнозов аномалии температуры воздуха на европейской территории России. Об этом свидетельствует обнаруженная устойчивая корреляция между положением северного субполярного фронта в Атлантическом океане (расходом Гольфстрима и Северо-Атлантического течения) и сезонной аномалией температуры воздуха на европейской территории, особенно ярко проявившейся летом ¡972 года.

Монографиями автора (1975, 1986) и К.Н. Федорова (1983) до сих пор ограничиваются отечественные и зарубежные обобщающие работы,

описывающие структуру и динамику вод в зонах главных (климатических) фронтов Мирового океана.

В цикле работ автора, вынесенных на защиту, решена важная научная проблема, имеющая существенное практическое значение - дан подробный ! анализ структуры и динамики климатических фронтальных зон, установлена их сезонная и межгодовая изменчивость, установлена связь атмосферы с положением и характером процессов на фронтах в океане, созданы предпосылки для разработки методов долгосрочных прогнозов аномалий температуры воздуха на Европейской территории России.

Основные результаты диссертации заключаются в следующем:

1.На основе расчетов термодинамических характеристик проведен количественный анализ процессов, протекающих в зонах главных климатических фронтов Мирового океана, дающий представление о единой

( природе образования и существования системы этих фронтов.

2.Установлено, что несмотря на кажущуюся линейность взаимодействия вод с различными характеристиками на климатических фронтах, их природа имеет хорошо выраженный вихревой характер, который четко проявляется при исследовании явления по всему каскаду масштабов притока энергии к океану.

3.Сопоставление положения фронтальных зон в конкретные годы со средним климатическим показало их квазистационарный характер. Вместе с тем, так же как и другие составляющие единой системы океан-атмосфера климатические фронты в океане смещаются зимой к экватору. Существенное

/ влияние на положение главных фронтальных зон в синоптическом диапазоне масштабов имеет дрейфовая адвекция плотности.

4.Выявлены коррелятивные связи, указывающие на возможность разработки метода долгосрочного прогноза аномалий температуры воздуха на европейском континенте с использованием параметров климатического фронта в Северной Атлантике.

5.Установлена важная роль трансфронтального обмена в процессе передачи тепла на большие расстояния.

6.Показан ступенчатый характер перемешивания в зонах главных океанических фронтов, связанный с высокой устойчивостью слоев в зонах максимальных градиентов.

7.Установлено, что линзы (или ядра) являются неотъемлемым элементом термохалинной структуры фронта.

8.Расчеты показали, что вне зоны экстремальных градиентов характеристик уплотнение при смещении не является определяющей характеристикой динамики вод во фронтальной зоне. В областях резких температурных контрастов взаимодействующих вод уплотнение при смещении может иметь существенное значение.

9.Исследование субполярной фронтальной зоны в северной части Атлантического океана привело к обнаружению квазистационарного антициклонического вихря (КСАВ) в районе к юго-востоку от Большой Ньюфаундлендской банки.

10.Установлена связь положения фронтов в экваториальной и тропической зоне океанов с ВЗК в атмосфере, под влиянием которой океан отдает тепло, т.к. здесь поглощенная радиация меньше затрат тепла на испарение, турбулентный теплообмен и длинноволновое излучение, что приводит к образованию хорошо выраженных горизонтальных градиентов температуры в океане.

11.Важную роль в изучении главных (климатических) фронтальных зон Мирового океана имеют применяемые масштабы изучения явления. Только применение синоптического масштаба позволяет оценить роль ВЗК в образовании фронтов в экваториальной и тропической зонах океана, выявить вихревую природу климатических фронтов и дать количественную оценку динамических процессов в зоне фронта.

РОСеиЙСК'да гоо\

БйЕЯМОтг'л'

12.На примере фронтальной зоны НЭАЗО (Ньюфаундлендская энергоактивная зона) проведено исследование и установлены основные закономерности образования и эволюции фронтальных зон синоптического масштаба и их вклад в процессы взаимодействия океана и атмосферы.

Практическое значение результатов. Полученные результаты нашли применение в практике отечественных рыбохозяйственных организаций, использующих в своей работе данные по среднемноголетним и сезонным положениям фронтальных зон в промысловых районах Атлантического, Тихого, Индийского океанов и Антарктики. Так, судами Северного и Западного бассейнов были успешно освоены скопления морского окуня и анчоуса, которые были выявлены на основе работы автора по фронтальным зонам Северной Атлантики.

Результаты исследований автора используются при подготовке судоводительских кадров в высших морских учебных заведениях, в частности, в бывшем Мурманском высшем инженерном морском училище в дисциплинах «Навигационная и промысловая гидрометеорология», «Промысловая ихтиология и сырьевая база рыбной промышленности».

Результаты работы автора, опубликованные в монографиях и статьях, используются на кафедре океанологии Дальневосточного государственного университета в лекционных курсах «Региональная океанология» и спецкурсе «Тонкая термохалинная структура вод океана», в Одесском гидрометеорологическом институте в курсе лекций «Региональная океанология» и в Санкт-Петербургском гидрометеорологическом университете, а также в практической работе Гидрометцентра Росгидромета.

Монографии автора «Фронтальные зоны Мирового океана» (1975) и «Гидрология фронтальных зон Мирового океана» (1986) используются на Географических факультетах Московского и Санкт-Петербургского государственных университетов при подготовке специалистов океанологов.

, Внедрение и использование результатов исследований автора

подтверждено актами и справками о внедрении Ленинградского государственного университета, Санкт-Петербургского

гидрометеорологического университета (бывшего Ленинградского гидрометеорологического института), Одесского гидрометеорологического института, бывшего Мурманского высшего инженерного морского училища и Дальневосточного государственного университета.

Личный вклад автора. Все основные работы, касающиеся постановки задачи исследования структуры и динамики фронтальных зон Мирового , океана, написаны без соавторов. В опубликованных с соавторами статьях автору принадлежит постановка задачи, теоретическое обоснование исследования, анализ результатов и формулировка выводов.

Под руководством и при участии автора была разработана и осуществлена специальная программа Долговременных исследований гидрометеорологических процессов в Атлантическом океане (ДИГМА), составной частью которых является исследование фронтальных зон.

Также под руководством и при участии автора научно-исследовательский флот Государственного океанографического института г выполнил длительные экспедиционные исследования в северной,