Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Исследование изменчивости термических характеристик деятельного слоя Северной Атлантики на основе двухслойной модели

ВАК РФ 11.00.08, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Исследование изменчивости термических характеристик деятельного слоя Северной Атлантики на основе двухслойной модели"

ГЬсударстБснный комитет РСФСР по делам науки и высшей ¡лколы

• ЛЕНИНГРАДСКИЙ Р/ЛРОМЕТЮРОЛОП^ЧЕСКИЙ ИЙСТЮЯ1

ЧАНЦЕВ ВАЛЕРИЙ ЮРЬЕВИЧ

УДК 551.455

ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЧИВОСТИ ТЕРМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДЕЯТЕЯЬЮЮ СЛОЯ СЕВЕРНОЙ АТЛАНТИКИ НА ОСНОВЕ ДВУХСЛОЙНОЙ МОДЕЛИ

11.СО.08 океанология

На правах рукописи

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук •

Автореферат

Санкт-Петербург 1991

Работа выполнена в Проблемной лаборатории Ленинградского гидрометеорологического института.

Научные руководители : доктор географических наук

Ю.В.Суставов кандидат физ.-мат. наук М.И.Масловский Официальные оппоненты: доктор географических наук

В.Р.Фукс

кандидат Физ.-мгт. наук А.И.Данилов Ведущая организация:_Л0 ГОШ Защита состоится "¡3 "^МЖ/'Л. 19<з! г.. на заседании специализированного совета Д.063.19.01 в Ленинградском гидрометеорологическом институте по адресу: 195196. Санкт-Петербург, Малоохтинский пр., 98.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЛГМИ: Автореферат разослан "" 199 V г.

Ученый секретарь

специализированного совета Д.063.19.01 доктор географических наук, профессор Ю.Й.Ляхин

3.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В последние годы проведены исследования , доказывающие значительную роль океана в формировании климата. Тепловое состояние океана влияет на погодные условия как нал океаном, так и над континентами. Исследования взаимодействия океана и атмосферы рассматриваются сейчас как возможная основа для создания новых методов долгосрочного прогноза погоды и короткопериодных колебаний климата. С этой целью изучаются процессы формирования аномалий теплосодержания океана и реакция атмосферы на возникающие в океане аномалии. На короткопериодше колебания климата оказывают, в основном. внутригодовые колебания теплового состояния океана и поэтому наибольшее внимание уделяется изучению изменчивости термической структуры океана именно этого масштаба. Но основную массу исходных данных по-прежнему составляют эпизодически получаемые океанографические станции. Количество данных в прибрежных и центральных районах океана весьма различно. И совершенно ясно, что обширнейшие открытые проспзанства окзана не обеспечены должным количеством материалов наблюдений. На сегодняшний день отсутствие достаточного количества информации равномерно распределенной по всей акватории океана может быть восполнено модельным распределением термогидродинамических характеристик. При помощи несложной знергосбалансирован-ной модели возможен расчет годового хода тепловых характеристик на акватории целого океана. Также, с использованием модельных расчетов можно дать оценку роли основных механизмов в Формировании и распределении аномалий теплового состояния океана, влияющих на короткопериодные колебания климата.

Знание свойств термогидродинамических процессов в верхнем слое океана необходимо для решения теоретических и прикладных задач прогнозирования, рыбного промысла и дзугих сфер деятельности человека, связанных с морем.

Необходимость теоретического и практического изучения процессов, происходящих в деятельном слое океана, определила выбор темы исследования.

Цель и задачи исследования. Целью работы является изучение процессов формирующих климатический годовой ход тепловых

характеристик деятельного слоя Северной Атлантики, а также процессов образования и перераспределения тегловых аномалий в деятельном слое Северной Атлантики и их связи с атмосферными аномалиями.

В процессе проведения работы решались следующие основные задачи:

1. Разработать адвективную модель деятельного слоя Северной Атлантики на основе имеюдахся моделей.

2. С помощью этой модели воспроизвести циклическую годовую эволюцию характеристик деятельного слоя Северной Атлантики.

3. ПроЕести проверку достоверности модельного расчета термической структура деятельного слоя Северной Атлантики по натурным данным.

4. Исследовать влияние короткопериодных изменений атмосферы на формирование аномалий в верхнем слое океана.

5. Путем модельного расчета выявить основные закономерности пространственно-временной . изменчивости характеристик деятельного слоя на акватории Северной Атлантики.

6. Исследовать механизмы формирования аномалий теплового состояния деятельного слоя Северной Атлантики на основе результатов моделирования по многолетним натурным данным.

Метод исследования. Численное . моделирование теплового состояния верхнего слоя Северной Атлантики с помощью интегральной модели деятельного слоя океана.

Научная новизна работа. На основе существующей локальной версии разработана адвективная двухслойная модель деятельного слоя скеана. обеспечивающая баланс тепла в течение годового цикла. Впервые с использованием этой модели с достаточной точностью воспроизведен климатический годовой ход характеристик ВКС на акватории всей Северной Атлантики.

Проведен анализ процессов формирования и изменчивости теплового состояния верхнего слоя Северной Атлантики.

На основе моделирования выявлена роль различных механизмов в формировании очагов накопления и высвобождения тепла в атмосферу, а также зон трансформации теплового состояния океана.

Показана необходимость учета вертикальных и горизонталь-

кых потоков тепла за счет адвекции тепла течениями в верхнем слое океана.

В результате выполненных расчетов стало возможным проведение сценки вклада отдельных факторов в формирование теплосодержания деятельного слоя Северной Атлантики на протяжении годового цикла.

Исследовано тепловое и динамическое воздействие атмосферы на изменения термической структуры деятельного слоя Северной Атлантики и проведен анализ реакции на эти воздействия.

Проведен модельный расчет тепловых характеристик ВКС в Северной Атлантике по фактическим данным о состоянии атмосферы за конкретный период лет и проведен анализ достоверности этого расчента..

Показано, что при тепловом влиянии атмосферы, основным механизмом при распределении аномалий температуры ВКС является горизонтальная адвекция тепла течениями.

Исследовано формирование аномалий тепловых характеристик деятельного слоя Северной Атлантики и их пространственно-временной изменчивости.

Исследована зависимость изменчивости аномалий теплосодержания верхнего слоя океана от различных процессов, протекающих как внутри деятельного слоя, та): и на его границах.

Проведен анализ временной структуры колебаний аномалий характеристик атмосферы и океана в различных районах Северной Атлантики и сделано сравнение основных периодов колебаний в океане для этих районов.

Практическое значение работы. Простота реализации адвективной двухслойной модели деятельного слоя океана- и достаточно успешное воспроизведение временной эволюции тепловых характеристик, позволяют использовать такой подход в изучении физических механизмов формирования в океане очагов накопления и высвобождения тепла, а также позволяют оценить роль отдельных факторов в образовании теплоэапаса верхнего пограничного слоя океана в различные сезоны для 1различных районов Северной Атлантики.

Значительную роль может сыграть данный модельный подход при выявлении связей между различными характеристиками, как внутри океана, так и на его' границах в период формирования

тепловых аномалий в верхнем слое океана иди в атмос&ере.

Полученные результаты исследований могут быть использованы при составлении новых методик долгосрочного прогноза погоды и при изучении короткопериодных изменений климата.

На защиту выносится :

1. Адвективная версия двухслойной интегральной модели деятельного слоя океана, построенная на основа существующей локальной модели, разработанной в ЛОИОАН СССР.

2. Результаты расчета климатической годовой изменчивости характеристик верхнего слоя Северной Атлантики.

3. Анализ пространственно-временного распределения термогидродинамических параметров деятельного слоя океана.

4. Результаты численных экспериментов по исследованию теплового и динамического влияний атмосферы на пространственное распределение и временную изменчивость теплового состояния деятельного слоя океана.

5. Результаты расчета температуры перемешанного слоя по фактическим данным о состоянии атмосферы за 18 летний период с 1957 по 1974 годы.

6. Результаты исследования роли основных механизмов в формировании и перераспределении климатического и аномального теплового состояния верхнего слоя в различных районах океана в течение годового цикла.

7. Анализ временной структуры тепловых характеристик деятельного слоя Северной Атлантики, проведенный на - основе спектрального метода.

Апробация работы■ Отдельные главы настоящей работы докладывались и обсуждались на конференции "Вклад молодых ученых и специалистов в решения современных проблем океанологии"(Севастополь, 1988), на III Всесоюзном съезде советских океанологов (Ленинград, 1987). на Ленинградской областной конференции молодых ученых (Ленинград, 1988), на конференции "Проблемы комплексной автоматизации гидрофизических исследований" (Севастополь, 1989). на итоговой сессии Ученого Совета ЯШИ в 1990 году и на VIII Всесоюзной конференции промысловой океанологии (Ленинград,1990). В полном объеме диссертация докладывалась на заседании кафедры Промысловой океанологии ЛГМИ в октябре 1991года. Ib тема диссертации опубликовано 8 статей.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Обдай объем работы составляет 195 страниц; в ней содержатся 1 таблица. 45 рисунков и список литературы из 129 наименований.

Личный вклад автора заключается в непосредственном участии в постановке изложенных задач, в обосновании методов их решения и в выполнении численных экспериментов и анализа полученных результатов.

Содержание работы

Во введении обсуждается проблема исследования пространственно-временной изменчивости теплового состояния океана и его влияния-на короткопериодныа изменения климата. Обосновывается актуальность и важность рассматриваемой проблемы, формулируются цель и задачи исследования, перечисляются основные положения, раскрывающие новизну и практическую ценность проводимых исследований.

В первой главе даются общие представления о временной изменчивости и пространственной неоднородности в распределении температуры и толщины верхнего квазиоднородного слоя в Северной Атлантике.

Образование ВКС происходит, главным образом, в результате таких процессов, как конвективное и ветровое турбулентное перемешивание, вызываемое непосредственным воздействием атмосферы на океан в виде потоков тепла и импульса (Краус Е.Б.; 1976). В свою очередь развитие процессов в атмосфере во многом зависит от теплового состояния верхнего слоя океана.

Климатическому исследованию пространственной и временной изменчивости характеристик ВКС Северной Атлантики посвящено достаточно много работ, но из-за малого количества наблюдений. их надежность недостаточна. Однако, все они позволяют качественно оценить временную и пространственную изменчивость толщины ВКС в океане.

Внутригодовые колебания температуры и толщины ВКС океана зависят от хода потока тепла и импульса на поверхности океана и течений, в значительной степени связанных с преобладающими ветрами. Наиболее четко сезонный ход этих характеристик прослеживается в умеренных и северных широтах, где амплитуда

внупмгодовых колебаний потока 'тепла' на поверхности ' океана достигает 50 Бт м"2. . • . ... • -

. Основные черты термического режима. деятельного слоя Северной Атлантики были уже ранее описаны в работе А.М.Муромце-' Во (1563). В частности отмечалось, что изменение температуры поверхностного слоя океана для всей акватории; Северной Атлантики косит сезонный.характер. Наибольшая амплитуда годового хода температуры (до 20°) наблюдается в. северо-западной части Атлантики. Наименьшая амплитуда (2-5°) наблюдается в тропических и полярных широтах. С глубиной амплитуда годового хода температуры быстро уменьшается, но продолжает-оставаться значительной в зонах ГЪльфстрима; Лабрадорского и Западно-Грен-ланяского течений. Пространственная - изменчивость толщины пе-реме-шалного слоя, обусловленная общим термодинамическим' режимом вод, как и температура БКС, претерпевает значительные сезонные колебания.

Согласно существующим исследованиям на акватсзри.. Северной Атлантики прослеживается горизонтальная неоднородность гидрофизических характеристик деятельного слоя океана. ГЪри-зонтальнке градиенты для среднемесячных значений толщины квазиоднородного сдоя составляют величину порядка Ю-*. Оценки горизонтальных градиентов температуры в ьерхнем слое океана в среднем* по акватории составляют характерные значения 10~5-10_е "С и"1. В крупномасштабных квазистационарных фронтах климатического происхождения горизонтальный градиент температурь может достигать 10~2 "С м-1. '

Проведенные оценки масштабов горизонтальных неоднород-, ностей толщины перемешанного слоя и его температуры позволяют говорить о необходимости учета вертикальной и горизонтальной циркуляции при исследовании: .закономерностей формирования и распределения тепловых.аномалий в деятзльном слое'океана.

В первой глазе показана также роль верхнего слоя- в образовании и перераспределении тепловых аномалий в океане . и в образовании очагов взаимодействия океана с атмосферой,

, В силу большой термической и динамической инерции .верхний слой играет роль ^ахового колеса в системе океан-атмосфера, Управляя обменом влагой и энергией между океаном и атмос-, феройон оказывает определяющее влияние на общую циркуляцию

атмосферы. Влияние деятельного слоя сказывается в основном через аномалии температуры поверхности океана. вызывающие изменения в процессах протекающих в атмосфере. При этом изменение температуры поверхности очень сильно зависит от толщины ВКС. Чем толще перемешанный слой, тем медленнее, по сравнению с воздухом, меняется его температура.

Комбинируя анализ натурных данных с математическим моделированием изменчивости термической структуры деятельного слоя, можно, выделить роль отдельных факторов в формировании аномального теплового состояния океана.

При описании методов моделирования тана краткая историческая справка о развитии подходов в моделировании структуры верхнего . сдоя океана ,• Значительное внимание в исследовании изменений характеристик- деятельного слоя уделено двухслойным моде. :м. Основными- уравнениями, используемыми в интегральных моделях являются проинтегрированные в пределах ВКС уравнение теплопроводности и уравнение баланса энергии турбулентных пульсаций.

Наравне с разработкой параметризаций процессов формирования теплового- режима' верхнего слоя для учета в моделях глобальной циркуляции атмосферы и океана значительный интерес представляет исследование этих процессов на основе их моделирования .

Вторая глава посвящена моделированию годовой изменчивости вертикальной термической структуры деятельного слоя Северной Атлантики.

В настоящее время из-за сложности реализации моделей указанных процессов работ, посвященных изучению изменчивости теплового и динамического 'состояния верхнего слоя океана на основе его моделирования, очень мало. Такие исследования.требуют решения ряда проблем, сдерживающих более широкое применение этого подхода. К их числу можно отнести несогласованность начальных и граничных условий, обязательное выполнение интегральных условий сохранения для всей системы, позволяющее проводить интегрирование на длительный срок. Тем не менее, только на основе моделирования возможно изучение изменчивости характеристик деятельного слоя в масштабах океана с исследованием ответственных за нее физических механизмов, а также

региональных особенностей проявления крупномасштабного взаимодействия океана с атмосферой.

Хорошо выраженная рассдоенность термической структуры деятельного слоя океана позволяет применить для поставленной задачи интегральную модель, учитывающую эту структуру.

В первом параграфе этой главы приводится система уравне- ' кий двухслойной модели и метод ее решкия.

Перемешанный слой ограничен снизу относительно тонким активным погранслоем вовлечения, отделяющим турбулентный верхний слой от нетурбулентного сезонного термоклина. Аппроксимация толщины этого слоя называемого слоем скачка, как очень малой, сводится к поверхности разрыва, на которой должны задаваться условия потока. В сезонном термоклине под воздействием различных факторов постепенно устанавливается распределение температуры, весьма далекое от однородного. Для учета этого обстоятельства температуру в сезонном термоклине принимаем линейной функцией глубины. Таким образом, система записана относительно четырех неизвестных: температуры ВКС, температуры на верхней границе сезонного термоклина, потока тепла на этой границе и толщины перемешанного слоя. При этом первые три неизвестные величины определяются через уравнения теплопроводности проинтегрированные по толщине выделенных слоев. Для определения толщины перемешанного слоя и замыкания системы уравнений используется проинтегрированное в пределах ВКС -равнение баланса энергии турбулентных пульсаций.

В процессе временной эволюции деятельного слоя выделяются два режима: заглубления и подъема нижней границы ВКС. Процесс заглубления обусловлен режимом турбулентного вовлечения. В этот период может возникать ситуация, когда скачок температуры у основания перемешанного слоя становится близким к нулю В этом случае основной причиной углубления ВКС является непроникающая конвекция. В период уменьшения толщины перемешанного слоя вовлечение отсутствует, что значительно упрощает записанную систему уравнений.

Достоинства выбранной модели заключаются в относительной простоте ее реализации , корректном описании предельных состояний при различных причинах перемешивания ВКС; а также в выполнении интегральных условий сохранения тепла. Последнее,

в частности, проявляется в возможности получить выходящее на периодический режим решение при периодически изменяющихся граничных условиях. При этом за несколько годовых циклов происходит адаптация состояния системы к внешним данным. Полученное повторяющееся решение для характеристик деятельного слоя океана можно рассматривать как соответствующее заданным граничным условиям и независящее от начальных условий. Однако последнее возможно, если среднегодовой поток тепла в океан равен нулю или уравновешивается горизонтальной и вертикальной адвекцией.

Во втором параграфе рассмотренно использование интегральной модели в упрощенном варианте без учета горизонтальных адвективных процессов, то есть в так называемой "локальной" постановке.

В отличии от работы Б.А.Кагана, В.А.Рябчзнко и Д.В.Чали-кова (1979) в модель включена вертикальная скорость на нижней границе деятельного слоя океана. В локальной версии она равна вертикальной составляющей скорости течения на нижней граница ВКС. Такой подход позволяет удовлетворительно воспроизвести близкие к реальным годовые изменения структуры деятельного слоя в Северной Атлантике и показать необходимость учета горизонтальной адвекции тепла при моделировании теплового состояния верхнего слоя океана.

Третий параграф описывает возможность моделирования внутригодовых колебаний изменчивости деятельного слоя Северной Атлантики на основе адвективной двухслойной модели. Попытки учесть в модельных расчетах адвективный перенос тепла немногочисленны и носят частный характер.- В своем большинстве эти работы ограничиваются расчетом температуры, считая при этом толщину однородного слоя заданной или постоянной во времени и в пространстве. Эти ограничения в значительной степени снижают практическую ценность результатов.

Для оценки возможности корректного учета различных членов в уравнениях теплопроводности модели в соответствии с их значимостью, было проведено масштабирование этих уравнений.

Анализ моделирования сезонной изменчивости температуры и толщины квазиоднородного слоя показывает не только качественное совпадение модельных и фактических величин, но и хорошее

количественное. Ошибка расчета температуры на акватории Северной Атлантики не превосходит величины 0.2-0.4 от ее сред-иеквадратического отклонения. При расчете толщины перемешанного слоя ошибка в среднем, в течение всего года не превосходит 0.2-0.4 от значения фактической толщины ВКС. Точность расчета толщины ВКС выз© чем в других работах (например ' В.И.Калаикий,1578). Все это позволяет эффективно использовать для воспроизЕЭдекия и анализа процессов формирования и изменчивости теплового состояния верхнего слоя Северной Атлантики.

В третьей главе обсуждаются результаты экспериментов по расчету современных климатических тепловых характеристик верхнего слоя океана с учетом адвекции тепла. В этой главе также рассматриваются условия формирования пространственно-временной изменчивости термодинамического состояния деятельного слоя Северной Атлантики. Так как накопление тепла океаном носит неравномерный характер, что обуславливает возникновение пространственных градиентов, запасенная таким образом потенциальная энергия реализуется в кинетической энергии геострофических течений. Возникающее в результате этого, а также ветрового воздействия, перемещение вод верхнего слоя океана переносит тепловые свойства определяя пространственную дифференциацию их обмена с атмосферой. В связи с тем, что тепловое состояние деятельного слоя неразрывно связано с распределением температуры и толщины перемешанного слоя, то большую роль в их перераспределении наравне с потоками тепла' и импульса на поверхности играет адвекция тепла течениями.

Путем математического моделирования выявлена роль различных механизмов в формировании очагов накопления и высвобождения тепла в атмосферу, а также зон трансформации теплового состояния океана. Показано, что в отдельные сезоны горизонтальная адвекция тепла течениями практически на всей акватории Северной Атлантики превышает локальный поток тепла в два раза, а в некоторых районах в 4-5 раз и достигает величины 40-60 10"* °С м с-1.

Представленные результаты расчета показывают, что модель правильно описывает основные механизмы формирования теплового состояния деятельного слоя океана, которые вполне согласуются с существующими представлениями. Сбалансированное в рамках

годовой изменчивости решение адвективной двухслойной модели для термогидродинамических характеристик верхнего слоя позволяет получить оценки климатических колебаний тепловых условий , в Северной Атлантике.

Раздельное исследование пространственного распределения и временной изменчивости полей температуры и толщины перемешанного слоя показало сильную связь между этими тепловыми характеристиками океана. Тогда, колебательные процессы в изменениях температуры и толщины ВКС могут быть описаны, как единая колебательная система, формируемая процессами обмена энергией между атмосферой и океаном, а также процессами перераспределения тепла в деятельном слое океана. Вполне естественно в качестве характеристики такой системы рассматривать теплосодержание перемешанного слоя, которое является важной компонентой теплового баланса системы океан-атмосфера.

Проведенный расчет пространственно-временного распределения теплосодержания верхнего слоя Северной Атлантики позволяет получить представление, как о сезонной изменчивости теп-лозапаса.так и о его среднегодовом распределении. Существование годовых колебаний в изменении теплосодержания перемешанного слоя связано, в основном, с действием трех главных механизмов формирования термической структуры слоя. К ним относятся: обмен теплом на границе раздела между океаном и атмосферой. перенос тепла за счет горизонтальной адвекции тепла течениями, а также вертикальная адвекция тепла на нижней границе перемешанного слоя. В этой главе вскрыты механизмы формирования очагов накопления и перераспределения тепла в исследуемой области, что позволило описать процессы внутригодо-вых колебаний термодинамических параметров, соответствующие климатически равновесному состоянию верхнего слоя океана в исследуемый период и изучить относительную роль этих механизмов в Формировании теплового режима Северной Атлантики.

В четвертой главе представлены расчеты характеристик верхнего слоя в Северной Атлантике по многолетним натурным данным. Сделана попытка Не только воспроизвести фактическое распределение временной изменчивости тепловых характеристик деятельного слоя океана, но и раскрыть механизмы Формирования короткопериодных аномалий термической структуры верхнего слоя

Для этого проведена проверка достоверности результатов моделирования тегаературы ВКС за период 18 лет, а также исследовано тепловое и динамическое воздействие атмосферы на измене-, ния термической структуры деятельного слоя Северной Атлантики Существующие расчеты термодинамических характеристик верхнего слоя океана с использованием различных интегральных моделей проводились либо на короткий период времени от одного до нескольких месяцев, либо на больший промежуток времени, но при ежемесячном корректировании фактической температурой поверхности моря. Но и такой подход связан с возникновением значительных погрешностей в определении тепловых характеристик океана при достаточно продолжительном периоде интегрирования. В некоторых работах показано, что даже при выборе в. качестве начального поля температуры фактических-значений за соответствующие предыдущие месяцы, абсолютная ошибка расчета температуры поверхности океана во все месяцы может достигать 1°С на значительной части акватории Северной Атлантики.

3 представленной работе расчет временной эволюции тепловых характеристик деятельного слоя Северной Атлантики проео-дился для периода с 1957 по 1974 годы по фактическим значениям температуры воздуха и скорости ветра. Хорошее соответствие между расчетными и фактическими значениями температуры ВКС на протяжении всего 18 летнего ряда интегрирования в различных районах расчетной области подтверждает эффективность построенной модели. На большей части акватории ошибка расчета не превосходит 0.5°С. Анализ достоверности расчета тепловых характеристик ВКС показал, что результаты моделирования достаточно хорошо воспроизводят не только пространственно-временную изменчивость структуры деятельного слоя, но и изменчивость аномалий. Это означает, что результаты моделирования могут быть использованы при изучении процессов формирования и перераспределения короткопериодных аномалий на акватории Северной Атлантики.

Для выявления роли атмосферных аномалий в формировании аномалий в деятельном слое были проведены численные- эксперименты, позволяющие оценить реакцию океана на тепловое и динамическое воздействие атмосферы. Данные эксперименты можно считать исследованием чувствительности используемой модели на

внесение изменений в граничные условия. Такая постановка вопроса совершенно не мешает одновременно с оценкой чувствительности модели провести исследования по выявлению роли различных факторов в формировании пространственно-временного распределения аномалий деятельного слоя. Так основная часть тепла, поступающего из атмосферы, перераспределяется в деятельном слое и выносится через северную границу исследуемой области. При этом.количество тепла поступающее к северо-востоку области частично расходуется на отток тепла через поверхность в атмосферу.

Для изучения динамического воздействия атмос&еры на перераспределение тепловых характеристик деятельного слоя моделировалось прохождение одиночного атмосферного циклона. Проведенный эксперимент показал, что короткопериоднке аномалии в циркуляции атмосферы, соответствующие циклону сред]¡ей интенсивности вызывают появление отрицательной аномалии температуры перемешанного слоя, которые сохраняются в течение 1-2 месяцев, тем самым вызывая изменения в годовой эволюции тепловых характеристик деятельного слоя океана. Аномалии толщины ВКС, возникающие при прохождении циклона, хотя и не сохраняются длительное время, могут вызывать изменения в вертикальной структуре сезонного термоклина.

В четвертой главе также проведено исследование механизмов формирования аномалий теплового состояния деятельного слоя океана на основе результатов моделирования по многолетним натурным данным и рассмотрен характер статистических связей между различными климатообразующими факторами. Проведенные для различных районов Северной Атлантики расчеты показали. что атмосфера оказывает влияние на формирование аномалий в годовой эволюции характеристик деятельного слоя океана в большей мере посредством теплового воздействия, чем. прямого динамического. Проведенный анализ связи различных параметров атмосферы и деятельного слоя океана показывает, что поля аномалий тепловых и динамических характеристик в исследуемой области слабокоррелированы. Такая картина складывается только при осреднении аномалий исследуемых характеристик по всему временному ряду (18 лет). Это означает, что корреляционные связи между различными аномальными характеристиками или про-

цессами возникают на регулярно и могут существовать достаточно короткие промежутки времени и оказывать слабое влияние на общий уровень коррелированности на протяжении всего периода интегрирования.

Для изучения закономерностей формирования временной структуры крупномасштабных колебаний гидрометеорологических полей Северной Атлантики временные ряды средних месячных значений аномалий характеристик атмосферы и океана были подвергнуты спектральному анализу. Выявлены основные факторы, определяющие изменчивость тепловых характеристик верхнего слоя океана. Исследования временной структуры . колебаний аномалий характеристик атмосферы и океана в различных районах Северной Атлантики показали, что в районе истока ГЬльфстрима присутствуют колебания аномалий температуры поверхности вода годовой цикличности, а при продвижении на север они исчезают, и на первое место выдвигаются колебания с периодом 7-8 месяцев. Колебания остальных характеристик практически сохранили свою временную структуру.

Определены статистические связи между отдельными характеристиками атмосферы и океана и во временной структуре аномалий термодинамических.полей деятельного слоя океана. С • помощью спектрального анализа показаны основные механизмы, которые формируют аномалии тепловых характеристик океана. На основа выявленных связей даны оценки роли отдельных механизмов в формировании и эволюции конкретных аномалий теплозапаса верхнего слоя, в Северной Атлантике."

В Заключении приведены основные результаты полученные в процессе исследования.

1. Проведен расчет внутригодовой эволюции верхнего квазиоднородного слоя в Северной Атлантике на основе локальной интегральной модели, в ходе которого доказана необходимость учета как горизонтальной, так и вертикальной адвекции тепла при расчете годовой изменчивости характеристик деятельного .слоя. Показано, что вертикальный адвективный поток тепла из сезонного термоклина в ВКС оказывает значительное влияние на распределение тешА в ВКС Северной Атлантики только в летние месяцы и достигает величины 7 10~* 'С и с"'. В исследуемой области в распределении среднегодовых значений потоков тепла

за счет горизонтальных составляющих течений выделяются три очага накопления: У истоков Гольфстрима, в западной часта Северной Атлантики и на севере в районе Норвежской энергоактивной зоны. Среднегодовой поток в этих районах достигает значений 15 10~е °С м с'1. Проведен расчет, показывающий, что ' в начале весенне-летнего периода на большей часта акватории Се-2ериой Атлантики поток тепла за счет горизонтальной адвекции больше локального потока тепла на'поверхности.

2. Разработана адвективная версия двухслойной интегральной модели деятельного слоя Северной Атлантики, позволяющая получить выход на квазипериодический годовой ход -изменчивости характеристик ВКС после интегрирования модели в течение •нескольких годовых циклов. Проведен расчет климатически равновесной годовой эволюции теплового состояния ВКС "Северной Атлантики. Сравнение расчитакных и наблюденных значений толщины ВКС показало, что расхождения между ними не выходят за пределы точности ее определения. Погрешности расчета температуры ВКС составляют в среднем 0.2-0.4 от среднего квадрати-ческого отклонения температуры Стт.

3. Изучена относительная роль основных механизмов формирования среднекликатаческих очагоз накопления и перераспределения тепла в исследуемой области (локальный поток тепла на поверхности, горизонтальная и вертикальная адвекция тепла течениями). Поток тепла"на поверхности океана вносит максимальный вклад в изменении теплосодержания ВКС (до 60-80%) в летние месяцы в районе ГЬльфстрима. в северо-восточной части и в локальном очаге на юго-востока Северной Атлантики. Основной йклад горизонтальной адвекции тепла течениями приходится на зимние и весенние месяцы в системе течений Гольфстрим и Северо-Атлантическое в' районе Ньюфаундлендской банки и -достигает 40%. Вклад вертикальной адвекции тепла в изменение теплосодержания в оснозном проявляется в южной области (от 25° до 40°с.ш.) и ее вклад не превышает 20%.

4. Проведен анализ реакции деятельного слоя океана на тепловое и динамическое воздействие атмосферы. По специальным численным экспериментам сделаны выводы: - •

- возникающие аномалии в тепловом состоянии атмосферы над океаном приводят не только к изменению: пространственно-

временного распределения тепловых аномалий в верхнем слое Северной Атлантики, но и к изменению вертикальной структуры деятельного слоя океана. Причем, основным механизмом при пере-* распределении аномалий температуры ВКС является горизонтальная адвекция тепла:

- короткопериодные аномалии в циркуляции атмосферы, соответствующие циклону средней интенсивности (ч.ах = 0.5 Н м"г) вызывают появление отрицательной аномалии температуры перемешанного слоя (-1.5 - 2.0° в ядре циклона и -0.2 - 0.5° на периферии), которые сохраняются до двух месяцев, тем самым вызывая изменения в годовой эволюции тепловых характеристик деятельного слоя океана. Аномалии толщины ВКС. возникающие при прохождении циклона, хотя и не сохраняются длительное время, вызывают значительные изменения вертикального градиента температуры сезонного термоклина. Максимальная величина аномалий вертикального градиента достигает -0.003 °С/м, сохраняясь длительное время и уменьшаясь в течение пяти месяцев до -0.С002 °С/м.

5. Проведено интегрирование модели и расчет тепловых характеристик ВКС на акватории Северной Атлантики по натурным данным о состоянии атмосферы за 18-летний период, который по- ■ казал, что результаты моделирования хорошо воспроизводят не только пространственно-временную изменчивость температуры ВКС (абсолютная ошибка расчета в основном не превышает 0.3-0.5° на протяжении 18 лет интегрирования), но и изменчивость ее аномалий.

6. По. результатам моделирования эволюции деятельного слоя Северной Атлантики за 18-летний период проанализированы статистически© связи между отдельными характеристиками атмосферы и океана в различных по изменчивости районах исследуемой области. Дан анализ выявленных закономерностей. Установлено, что аномалии теплосодержания ВКС наиболее тесно связаны с горизонтальной адвекцией тепла течениями ( коэффициент корреляции г*0.84) и вертикальной адвекцией тепла (гЮ.63). Аномалии потока тепла на поверхности практически не связаны с аномалиями изменения теплосодержания ВКС (коэффициент корреляции не превосходит 0.30).

С помощью спектрального анализа исследована временная

структура колебаний аномалий характеристик атмосферы и океана в различных районах Северной Атлантики. Выявлена и исследована взаимосвязь в основных колебаниях изучаемых характеристик для различных частот. Так колебания аномалий температуры и толщины ВКС с периодом 6 месяцев формируются под воздействием горизонтальной адвекции тепла течениями, а с периодом 1 год и 7-8 месяцев под воздействием аномалий температуры воздуха. Причем наблюдается смещение энергетического максимума колебаний дТ„ от годовой цикличности в районе потока Гольфстрима к колебаниям с периодом 7-8 месяцев на северо-востоке расчетной области.

7. На примере модельного расчета годовой эволюции аномалий характеристик ДОТ в конкретном 1967 году получены оценки вклада потока тепла через поверхность, горизонтальной и вертикальной адвекции тепла течениями в формирование пространст-вето-врвмвююй изменчивости аномалий теплосодержания ВКС до всей акватории Северной Атлантики и показан их различный удельный вес в различных участках океана. Максимальных значений аномалии достигают в период зимнего выхолаживания <>500 °С м) в центральной и северо-восточной частях океана. В это время наибольший вклад в их формирование вносят поток тепла на поверхности и горизонтальная адвекция тепла течениями (порядка 40-50%). При этом вклад вертикальной адвекции близок к нулю.

Основные результаты работы представлены в статьях:

1. Аверкиев A.C., Масловский М.И.. Морачевский A.B.. Чанцев В.Ю. Моделирование климатически равновесного состояния верхнего слоя океана и его длительных аномалий в'Северной Атлантике. //Тезисы докладов ffl съезда советских океанологов. Климат, взаимодействие океана и атмосферы, космическая океанология.- I. 1987.

2. Карташов A.C.. Чанцев В.Ю. Использование скин-эффекта для дистанционного определения Теплового баланса поверхности океана. //Тезисы докладов конференции. Проблемы комплексной автоматизации гидрофизических исследований.- Севастополь: Ртп.МШ.-, 1989, .

3. Масловский М.И., Чанцев В.Ю. Исследование эволюции

верхнего слоя Северной Атлантики на основе одномерной интегральной модели. //Межвузовский сборник научных трудов.- Л.: изд. ЛПИ,- 1985.- вып.51

4. Масловский М.И.. Чанцев В.Ю. Моделирование годовой эволюции деятельного слоя океана в Северной Атлантике. //Межвузовский сборник научных трудов.- Ж. :изд.ЖЖ.-1989. вып. 106

5. Масловский М.И.. Чакцэв В.Ю. Особенности вертикальной термической структуры верхнего слоя Норвежского моря. //Исследование южной части Норвежского моря /Сборник.- М,: Гидро-метеоиздат.- 1989.

6. Масловский М.И., Чанцев З.Ю. Крупномасштабная измен' чивость тепловых условий Северной "Атлантики по результатам

моделирования на основе двухслойной модели. //Тезисы УШ всесоюзной конференции по промысловой океанологии.- I.: 1\щрома-теоиздат.- 1990.

7. Чандев В.Ю. Использование интегральной модели деятельного слоя океана для исследования горизонтальных перено- ., сов тепла в Северной Атлантике. //Тезисы докладов конференции Актуальные проблемы гидрометеорологии и контроля природной среды.- I.: Ргп.ГГО,- 1988. '

8. Чандав В.Ю.. Теслина М.А. Влияние горизонтального пе- ■ реноса энергии турбулентных пульсаций на моделирование изменчивости деятельного слоя океана. //Тезисы докладов конференции. Проблемы комплексной автоматизации гидрофизических исследований.- Севастополь.: Рга.МГИ.- 1989.