Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Исследование влияния гидродинамических процессов синоптического пространственно-временного масштаба на изменчивость гидрохимических полей в локальных районах Мирового океана

ВАК РФ 11.00.08, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Исследование влияния гидродинамических процессов синоптического пространственно-временного масштаба на изменчивость гидрохимических полей в локальных районах Мирового океана"

I од

ДПР ®

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА РОССИИ ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ

И МОНИТОРИНГУ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОКЕАНОГРАФИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

на правах рукописи-

ТУЧКСВЕНКО ЮРИЙ' СТЕПАНОВИЧ

УДК 551.465,

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ СИНОПТИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВЕННО - ВРЕМЕННОГО МАСШТАБА НА ¡ИЗМЕНЧИВОСТЬ ПЩЮШШЕСШ ПОЛЕЙ В ЛОКАЛЬНЫХ РАЙОНАХ МИРОВОГО ОКЕАНА

11.00.08 - океанология

А В Т О Р Е Ф Е Р.-А Т ■диссертации на соискание ученой степени .кандидата физико-математических наук

МОСКВА - 1994

Работа выполнена в Государственном океаног, афическом институте и одесском филиале Института биологии южных морей АН Украины

Научный руководитель кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник В.Б. Лапшин

Официальные оппоненты : доктор физико-математических наук,

доцент В.В. Жмур;

кандидат физико-математических наук Попов С.К.

Ведущая организация : Институт водных проблем РАН

Защита диссертации состоится " /j?" г.

2 «/S« час. " мин. на заседании' специализированного совета К.24.02.01 в . Государственном океанографическом институте (119838, ГСП, МОСКВА, Г-34, Кропоткинский пер.,6.)

С диссертацией мокло ознакомиться в библиотека •

\

Государственного океанографического института/. Автореферат.разослан н 1994-г.

Ученый секретарь . споциаизарозшшого .' совета, кандидат физихо-ыатештичеясрс 'наук ^ Ю.А.'Рева;

- 3 -

ОНЦЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Исследуются процессы синоптического масштаба изменчивости гидролого-химических лодей в океане. Этот масштаб охватывает особый класс движений, играющих решающую роль в формировании текущего состояния океана - его . "гидрологической погода". Особый интерес представляет исследование изменчивости гидрохимических характеристик океана, обусловленной воздействием ' синоптической вихревои динамики вод. Правильное понимание механизмов этого воздействия открывает широкие возможности для анализа.и прогнозирования текущего состояния экосистемы океана -в целом, и изменчивости его биологической продуктивности - в частности, а такте позволит использовать поля гидрохимических показателей в качестве природных трассеров при исследовании гидродинамических процессов.

•Несмотря на большое число работ посвященных синоптической

изменчивости океана, до сих пор, остается открытым ..вопрос об

\

относительной роли биохимических и гидродинамических 'Процессов в формировании изменчивости гидрохимических полей на исследуемых масштабах в верхних слоях океана, где активно протекают биохимические процессы связанные с синтезом и регенерацией органического вещества.

Поскольку возможности для проведения обширных целенаправленных на^рных экспериментов по изучению синоптических процессов и связанных.с ними эффектов в поле пассивной примеси химйко-биологическ>го происхождения весьма ограничены, то наиболее перспективным методом исследования- следует .считать имитацию-изменчивости полей океанологических характеристик на ЭВМ, путем построения репрезентативных численных математических моделей.

Цель и задачи исследования. Целью работы являемся изучение возможности использования полай гидрохимических характеристик, получаемых в ходе стандартных океанографических съемок локальных областей океана, в качестве трассеров для отслеживания гидродинамических процессов синоптического пространственно-временного масштаба. В работе решались следующие задачи :

- провести четырехмерный численный анализ синоптической циркуляции вод в локальных районах Мирового океана, охваченных последовательными океанографическими съемками;

- исследовать особенности и установить общие закономерности воздействия синоптической вихревой динамики вод на пространственную структуру гидрохимических полей в океане;

- оценить возможность к определить осношшо принципы выделения в толще океана диапазонов глубш., где гидрохимические характеристики могут быть использованы в качестве природных трассеров для изучения гидродинамических процессов синоптического масштаба;

- оценить относительные ькладц гидродинамических и биохимических процессов в изменчивость полей биологически значшых

■ гидрохимических характерстик (кислород, биогешше вещества) в фзтичаском слое океана, с целью выяснения степени их неконсервативности.

Фактический материал. Для решения поставленных задач использовались материалы комплексных океанографических наблюдений, випол-кеншх йаучно-всслвдовательскиш судами (ШС) Государственного кс&штет.а СССР по гидрометеорологии в северо-восточной ч.-юти тропической зоны Тихого океана /Тахсо;">ансккй испытательный полигон - ОТ) в в районе Ньюфаундлендсвсй »йаргорчтивЕой эеш в кчш-тцческом окееяо^(Кьюфаундлендский внергоактивинй полигон - НЭП).

Научная новизна работы определяется с-эдущим :

- по данным последовательных с рмок воспроизведена эволюция гидродинамических полей и исследована особенности воздействия синоптической циркуляции на изменчивость полей содержания кнсло-рода и биогенных веществ в районах НЭП и Т!'Л яр;: различных динамических режимах;

* - установлены ебние закономерности фэрлировш-с:« пространственной структуру гидрох!!мичес::нх пол^н на фоне с;я.'сптической вихревой динамики вод;

- указаны основные причины, йр»еод®з» к нзадекн.аткости отра;кетая особенностей синоптической циркуляции к. пространственной структуре гидрохимических полей в различных слоях океана,

- выполнены оценки степени неконсерььттаиости полей . еодер-иания кислорода и фосфатов в деятельном слое тропической зоны Тихого океана;

' - на основе использования мате:,'.этического аппарата пространственного корреляционного анализа выработан методологически подход к выделении по данным стандартных полигонных ' съемок тех слоев з теще океана, где особенности трэхкорнса синсптичосксй циркуляции наиболее'ярко проявляется в- пространственном распределении гидрохимических характеристик и последние могут сыть использованы.в качестве гидродинамически трассеров;

- приведены конкретные примеры использования проетрзнетвбн-ного распределения гидрехимкчешк. показателей для анализа гадродинамичоских процессов сшшягаеского масштаба в океане! Практическая значимость работы. Вакнгч практическим выходом проведенных исследований является решение вопроса'о возможности ае-рифнкащш математических гидродинамических моделей, опионвадах стаоп'гический масштаб движений з океане, нз основа данних поли-

- с -

тонных наблюдений за гидрохимическими элемент-ш. Сделан шаг на пути правильного понимания механизмов и особенностей формирования текущей пространственной структуры гидрохимических полей в океане, что является необходимым условием для создания надежных мэтодик промыслового и экологического прогнозирования. Построенная модель дкнймики океанской екосистемы моатт бить использована для прогнозирования изменчивости химико-биологических компонентов морских, систем, при различного рода антропогенных нагрузках. Полученные результаты могут быть положены в основу эффективного длаиирования экспериментальных работ по изучению синоптической изменчивости океанологических полей в океане. Апробация работы. Результаты работы докладывались на заседаниях Одесской секции Ученого совета ГОИН (1989, 1991), Ученого совета ОЭ ИНБШ (1992-1993), семинарах лаборатории морских научно-методических исследований ОдО ГОШ (1989-1992), лаборатории информатики и математического моделирования ОФ ИНЕШ (1993), отделов гидрохимии, исследования океана и динамики моря ГОИК (1990-1992), на Международных симпозиумах "Экология т . 92" (Болгария, 1992), "Антропогенная экология шельфа, устьев рек и •лиманов" (Одесса, 1992). ,

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения,. пяти "глав, заключения и списка литературы (95 наименований, из которых 26 - иностранные публикации). Общий объем . работа : И9 страниц текста, 8 таблиц, 53 рисунка.

СОДЕШНМЕ РАБОТЫ

■ • • Ео введении обоснована актуальность теш, - сформулированы Ц^ли и задачи исследования, основные положения, которые выносятся па защиту. Показана научная новизна и практическая'значимость работа. Изложена Ре структура. Дан краткий библиографический

обзор работ по изучаемой проблеме. .

В первой главе обсуэдаются Сир^ческая постановка задачи, : гидродинамическая модель и ее численная схема.

Определен круг допущений и упрощений уравнений глдротермо- -динамики, которые могут быть использованы при построении моделей, описывающих синоптическую циркуляции в океане. Показано, что баланс сил в синоптических процессах близок к ге'острофи-ческому и квазистатическому, что позволяет использовать уплощенные малопараметрические модели типа вйхреразрашающих. Выписаны исходные уравнения динамики несжимаемой жидкости в приближении Буссинэска, гидростатики и ^-плоскости; граничные условия на верхней.и нижней границах области. Дано подробное описание используемой в работе численной вихреразрешащой квазигеострофи-ческой модели (Сеидов, 1935), вюшчавдей в себя два прогности-' ческих уравнения ¡ эволюции интегрального вихря и эволюции плотности,- и четыре уравнения диагностического типа: уравнение Пуассона, уравнения для сдвиговой и средней по вертикали скорости и уравнение для вертикальной компоненты вектора скорости.

Для расчета сдвиговых компонентов горизонтальной скорости применялись формулы геострофического приближения (Сеидов,.1935), что позволило избежать реиения слокнсй системы примитивных уравнений для этих составляющих. Тестовые расчеты, проведенные Холландом (19S7), Семтнером (1977), Сеидовым (1985.) и другими, авторами, показали, что использование квазигеострофического прибликенил в вихреразрешающих моделях океанской циркуляции'" не приводит г сколь-нибудь зкачителы^ .отличиям в получаемкх результатах от расчетов выполненных по моделям с примитивными уравнениями. • •

Для вычисления вертикальной .скорости использовалось уравке-

нне Еихря для сдвиговой компоненты горизонтальной скорости.

При росении чисто прогностических задач, когда поведение среди на границе и за ней неизвестно, для задания условий на "жидких" границах использовался метод Оранского (Orlanskl, 1976). Б случыо имитационного расчета с усвоением информации (например, при восстановлении аволмщш полей меаду последовательными съемками), условия на соковых границах ставились следующим образом :

С'я ^ + {^í - т}¿t • (1)

где начальное и конечное наблюдаемое значение функции; Т

- период времени, прошедший между двумя наблюдениями, К - индекс -граничной точки, п ~ .омар шага по Бремени, м - шаг по времени.

Численная схема модели реализует метод расщепления по физи- • ческим процесса.* к геометрическим переменным • (Ыарчук, 1984). Дкффуаия и адвекция моделируются раздельно. При описании горизонтального переноса используется вторая схема разностей против потока (Роуч, 1930). Это схема первого порядка, обладающая свойством консервативности и 'транспортивпостн. Для аппроксимации членов, опшшавда вергаясалшуа деЩзиз и адвекцию в форие -(Crov/ley, 1963), использовались неявные схемы. Полученная система уравнений решалась методом факторизации.

На отдельных этапах работы использовался вариант ■ численной реал!зациг модели, предложенный Д.Г.Сендовнм (1985). Основное отлзгчио заключается в использовании схемы Лакса-Ееыдро£Фа для описания горизонтального переноса и явных схе,. - для вертикальней адвекции и даффузии.

При построении чмаышого алгоритма решения уравнения переноса пассивных примесей , химшео-бнилогического происхождения, нолям которая csoIíctsühkxí балыка . нрссгракстаащш. градиенты,

- 3 -

для конечно-разностной аппроксимации горизонтального адвективного переноса применялась схема УСТ (Биг1в, 1975).

Во второй главе выполнен системный анализ синоптической изменчивости полей гидродинамических и гидрохимических хзракте- . ристик состояния вод северо-восточной части тропической зоны Тихого океана (район ТИП). ' . •

В качества исходных данных использовались материалы наблю-деш1й нэ последоватег-ных съемках ТИП в январе 1988 г-, (два съемки) и январе-феврале 1939 г.(три съемки). Для анализа эволюции гидролого-химических полей в период мовду съемками, в . качестве аппарата воспроизведения пространственно-временной изменчивости использовалась описанная выше вихреразрешакидйя модель, рэОота0лая в режиме "прогноз с усвоением". В формализованном виде алгоритм усвоения информации записывается следующим образом (Шубенко, 1936) :

К - ^Р^МХ-Х.^) 8(У-Уу) 5(2-27) О, (2)

«>"= (1-а)ф + 'Д (3)

Здесь и далее использованы обозначения :. решение после

усвоения информации; р - решение по модели; функция, характеризующая состояние системы по данным N источников информации; и - весовой коэффициент, определяющий степень "доверил" к 1-ой

N

составляющей я (V а = 1); а

1 1=1

весовой коэффициент, определяющий вклад усвсэнной :шформащш в решение (0 * а * 1), 1; - модельное время; 1; - время поступления информации, подлежащей усвоению в точке 5- дельта-функция Дирака.

Физический смысл приведенного алгоритма заключается в -зледующем: детерминированная компонента прогноза корректируется ценными наблюдений, которые вносят в решение стохастическим компоненту. Для корректировки модельного радения ' использовались

данные последующей съемки. Корректировка выполнялась в два этапа. На первом - рассчитывается корректирующая функция (рк по выражению вида (3), где «=г/г , а ^ заменено на значение (р" в период повторной съемки (1; ), т.е. фактически выполняется линейная интерполяция на интервале 1>1; . На втором этапе определяется окончательное решение как комбинация решения по модели и результата линейной интерполяции на момент ч. Вклад каждого компонента определяется выражением (3).

. Расчет динамических и энергетических характеристик синоптической циркуляции вод показал, что исследуемый район отличается высокой динамической активностью, определяемой процессами синоптического масштаба. В исследуемый период основным элементом циркуляции на ТИП являлось Северное пассатное течение (СПТ), представляйте собой систему разномасштабных струй, сложным образом взаимодействующих между собой и формирующих синоптические структура (меандры, внутримассоЕые вихри). Установлено, что съемки 1983 и 1939 гг. зафиксировали различные динамические режимы. В январе 1988 г. синоптические структуры в рамках полигона- (антициклона ский меандр и циклонический вихрь) находились в стадии разрушения. Происходило "размывание" циклонической завихренности, порождаемой смещающимся на запад антящмоническим меандром, и спрямление потока, связанное с перераспределением энергии в системе: основной поток - меандр. При этом,кинетическая энергия среднего течения увеличивалась, а вихревого движения - уменьшалась. ч

Съемки 1989 г. ваф:1ксировали фазу возрастащей дашашческой активности синоптических процессе!. на Ш, связанную о ьроховде-гг.'.им через полигон аятициклоническогг» маг 'дра, образуемого съ«1-темсй струи СИТ. В этой система происходило накопление кинети-

ческой энергии вихревого движения, сопровоадэщееся развитием и углублением ядра меандра (антицикло;"гческого вихря), смещающегося в границах меандра в северо-западном направлении, оистема меандр-вихрь, двигаясь как единое целое на запад, излучала в восточном направлении циклоническую завихренность, в результате чего, в период мезду второй и третье'», съемками 1939 г., набдюда-лось образование циклонического вихря в восточной части полигона.

Совместный численный и корреляционный анализ изменчивости пространственной структуры гидрохимических полей на фоке синоптической вихревой динамики' вод в районе ТИП показал, что особенности воздействия гидродинамических процессов сшодаячеехого масштаба на пространственное распределение и изменчивость гидрохимических показателей наиболее ярко проявляются в слос скачка океанографических характеристик (50+200 м). В атом слое наблюдается максимальное согласование структурных особенностей полой гидрологических, гидродинамических и гидрохимических показателей состояния океанских вод. Установлено, что соотношение вкладов горизонтальной и вертикальной синоптической циркуляры в формирование пространственных структур гидрошшеских полей в слое скачка зависит от фазы синоптического процесса. В случае интенсивного вихрегенеза, когда в системе основной поток - синоптические образования наблюдается увеличение кинетической энергии вихревого движения, доминирующим является вклад вертикальных движений, а при разрулении вихревого поля - горизонтального -адвективного переноса. Перестройка и приспособление гидрохимических полей к возникающим синоптическим динамичесшл .структурам происходит в течение некоторого времени (первые десятки суток);-зависящего от фазы синоптического процесса и интенсивности трехмерной циркуляции. Поэтому наблюдаемое а. каждый конкретный

мамонт времени распределение гидрохимических парами .'ров является фоном, на котором отпечатываются следы как наблюдаемых, так и имеющих место ранее характерных особенностей эволюции гадродина-мических шлей синоптического масштаба.

Эпизодическая связь синоптической динамики с конфигурацией • поля содержания кислорода отмечалась также в глубинной структурной зоне (800+2000 м). Обусловлено это тем, что не все синоптические образования, пороэденные бароюпшной неустойчивостью главного потока, имеют такую глубину проникновения.

Промежуточному слою (200+800 м) свойственны минимальные масштабы однородности и величины шутризонелышх связей в пространственном распределении гидрохимических показателей. Взаимная корреляция полей плотности и гидрохимических характеристик ниже слоя скачка значител'но уменьшается, либо .вообще отсутствует, что объясняется спецификой пространственного распределения последних на аткх глубинах (наличие промежуточных экстремумов в вертикальном распределении, выравнивание локальных градиентов по величине и. нестабильность их ориентации в пространстве в различных точках поля).

; Показано, что пространственная изменчивость характеристик биоценоза в поверхностной структурной зоне ТИП, тесно связанная с распределением гидрохймических параметров, также определяется трехмерной синоптической циркуляцией вод.

В третьей главе обсуждаются результаты численных- экспериментов, направленных на исследование, с позиций теории геоотро-Фкчоской турбулентности, механизмов гэнезисз динамически;, обра-еований щшоптического масштаба, особенностей и закокомэъностей их. воздействия. на пространственную структуру гидрохимически-* далей в тропической вайе Тихого океана.

Интерпретация результатов численных расчетов по модели, с использованием в качестве ее параметров данных наблюдений, затруднена еложяш характером взаимодействия большого числа взаимообусловленных элементов циркуляции. Поетому в реферируемой главе была использована методика, развитая в численных исследованиях двумерной геострофической турбулентности.. -В ее основе лежит построение начальных полей .любой заданной конфигурации, отражающей наиболее типичные черты динамики исследуемого района, свободных от неизбежных для реальных полей помех, связанных со случайным характером изменчивости исследуемых характеристик. Трехмерность используемой в работе модэли не противоречит условиям методики, т.к. для океанской турбулентности, которую можно считать квазздвушрной, присущи все основные свойства двумерной геострофической турбулентности (Монин,1932), а заро-клинные эффекты рассматриваются как внешние источники (Марчук и др., 1934). Приведен краткий обзор свойств двумерней геострофической турбулентности.

Решалась задача выяснения роли отдельных квззистационарных (стационарных в статистическом смысле) элементов циркуляции ТИП в изменчивости общей гидрохимической структуры района. Во всех численных экспериментах моделировалось струйное течение с характеристиками СПТ в районе ТИП. Полигонные наблюдения показали, что среди наиболее часто повторяемых элементов синоптической циркуляции в этом районе, "мокно выделить наличие антицшелочи-ческих меандров струй СПТ и циклонических вихрей на их восточной периферия. Широтное (с 6°по 18*с.ш.) распределение плотности и гидрохимических параметров в исследуемом 'районе задавалось согласно данным эксперимента "Shuttle" (1575-1580 гг.) (Wyrtkl, Kllonaky, 1982).

В эксперименте I в центральной части полигона был задан ' антициклонический меандр струйного зонального потока типа СПТ. В ходе эксперимента наблюдался процесс развития циклонического вихря к востоку - от меандра, который достигнув определенного размера прекратил рост и начал сам излучать положительную завихренность на восток, образуя новый - восточный антициклонический меандр.

В эксперименте II к югу от потока были "помещены" два вихря синоптического масштаба в виде диполя : циклон - антициклон. В результате ¡а взаимодействия мезду собой и с основным потоком, в течение первых 25 суток модельного времени, возникли дне устойчивые структуры, условно называемые "содитонами", состоящие из пары антициклонический меандр - циклонический вихрь, перемещающиеся на запад с постоянной фазовой скоростью. Последовательное рассмотрение формирования этих пар показало, что они аккумулировали энергию, отбирэя ее у более мелкомасштабных вихрей и волн, образующихся при распаде первоначальной структуры вихрей.

Режим прохождения через полигон пакета вихревых структур, состоящего из двух антициклонических меандров и циклонического вихря мекду ниш моделировался в эксперименте III. Этот динамический режим можно рассматривать как следующую стадию вихрегене-за, рассмотренного в экспериментах 1-11.

Влияние динамики синоптических структур на распределение гидрохимических параметров исследовалось на двух горизонтах, охватывающих слой скачка плотности (100-150 м) и слой минимального содержания кислорода (300-400 м), относящийся к промежуточной структурной зоне (Степанов, 1983).

Численные эксперименты показали, что эволюция пространственного распределения гидрохимических характеристик тесно связа-

на с перестройкой структуры вихревого поля, генерисуемого неустойчивым зональным течением. Причем местоположение и вид образующихся при этом пространственны" аномалий в роспределешш как содержания кислорода, так и биогеных элементов, определяются исходной пространственной структурой градиентных полей исследуемых характеристик.' Например, на первый взгляд, несущественные различия в широтном распределении кислорода и фосфатов з северной части полигона привели к качественно различным . результатам воздействия синоптической циркуляции на их пространственную изменчивость в зоне основного потока СИТ в слое скачка. В тех случаях, когда локальные градиенты пространственного распределения плотности и гидрохимических параметров ориентированы в исходных полях схоже, эволюция принеси хорошо отражает особенности синоптической динамики вод (например, поле фосфатов э слое скачка}.

Во -всех экспериментах эволюция поля содержания кислорода в промежуточном слое заключалась лишь в слабой волновой деформации исходных изоксигэн. Образования локальных аномальных концентрационных структур не наблюдалось. Динамика распределения фосфатов в этом с„:ое, напротив, характеризовалась образованием и трансформацией ярко выраженных "пятен" повышенных и пониженных концентраций. Различия в характере эволюции полей указанных гидрохимически характеристик объясняются особенностями исходного (климатического) их пространственного распределения: в широтном распределения кислорода на глубинах ~ 300-400 м в районе 9-1Гс.ш. находится ядро его минимального содержания, в отличие от распределения фосфатов и других биогенных элементов, концентрация которш в промежуточном слое возрастает с глубиной.

Из численных экспериментов следует, что образование харак-

торных пространственных концентрационных структур происходит на стадии активного вихрогенеза, когда градиенты исследуемых характеристик максимально обострены. Время приспособления пространственного распределения гидрохимических параметров на нижней границе слоя скачка к исходному полю синоптической динамики составляло Ю+25 суток. В последующем, сформировавшиеся ранее аномалии лишь трансформируются (вплоть до диссипации) вторичными'

ШХрОВЫМИ Об: "¡ЗОВЗНИЯМИ.

Показано, что при перемещении вихрэвых структур в области океана с произвольно ориентированными локальными градиентами гидрохимических характеристик, результирующая деформация исходного их распределения зависит от вида градиентного поля, направления движения вихревых образований и интенсивности циркуляции.

Установленные в ходе модельных расчетов особенности эволюции термодинамических и гидрохимических полей хорошо согласуются с выводами сделаными на основе полигонных наблюдений в районе ТИП, что свидетельствует о полноте описания физических процессов, протекающих на полигоне, в рамках используемой термодинамической модели.

В четвертой главе, на прш^ере ТИП, выполнено оценивание относительных вкладов биохимических и гидродинамических процессов в изменчивость содержания кислорода и фосфатов в верхних слоях океана. Дано описание биологического блока модели океанской экосистемы, используемого при моделировашш динамики полей гидрохимических показателей с учетом их ^консервативности.

Для описания на единой методической и математической основе взаимодействия физико-динамических процессов транспорта примеси и химико-биологических процессов ее транслокации, использовалась система уравнений переноса неконсервативпых субстанций, пост-

роенная на основе математической модели балансовых соот 'эшений в экосистеме Тихого океана, разработанной в Институте океанологии им. П.И.Ширшова (Виноградов, 1937). вписывалась динамика шести трофоэкологических грутп: биогенный элемент (фосфор), фитопланктон, бактерии, простейшие,' мезозоопланктон и'детрит.

Для концентрации кислорода, функция неконсервативности в . уравнении переноса состояла из выражений, описывающих' биохимическое потребление 0„(Иваненков, 1932) и его фотосинтез (Steele, 1977), a также газообмен на вертаей границе (Ляхин, 1930).

Исходными данными послужил:! материалы наблюдений за гадро-лого-химическими и биологическими компонентами океанской экосистемы в районе ТИП, полученные в ходе комплексных экспедиций НКС ДВНИИ "Профессор Хромов" (август 1934 г.) и "Академик Королев" (октябрь-ноябрь 1935г.).

Для выяснения вкладов различных физико - химических факторов в изменчивость поля кислорода (либо фосфатов) за период прогноза, по результатам численных экспериментов строился функционал :

т г г 1 - 1 V С°=]> Л' » s ?г MS 1 = 1----,10 , 2 » 1.....J. 1с = 1.....К

U и , и

где lj.lc - точки разностной сетки, %п- соответствует периоду прогноза; С0,1К- концентрация гаслорода при учета М факторов; t0a3N- поле о , полученное при учете N факторов.

С целью более точного описания эволюции гидродинамичесгагх полей в период мекду двумя последовательными съемками ТИП осень» 1935 г., к полм плотности применялась процедура коррекции прогноза по Д{нным последующей.-съемки, описанная в главе 2. Несмотря на принятые допущения,' удалось получить удовлетворительное

сходство рассчитанных по модели и измеренных в период .второй » съемки (1935 г.) полей содержания Оа в слое фотосинтеза.

Численные эксперименты показали, что процессы связанные с выделением кислорода в ходе фотосинтеза и потреблением .его при окислении органического вещества (ВПК) могут существенно нарушить свойство консервативности поля 0а только в пределах.верхнего квазиоднородного слоя (ВКС). В слое скачка . вклад синоптической циркуляции и турбулентного обмена обычно доминирует, над влиянием, биотических факторов, хотя оговаривается, что при определенных условиях, свойственных, например, "стареющим" ; в.. своем развитии биоценозам, когда'баланс в продуктивно - деструкцион-ных процессах смещается в сторону', последних, биохимическое потребление может существенно нарушить ' консервативность пространственного распределения кислорода на глубинах, соответствующих верхней границе слоя скачка. На верхней границе . промежуточного слоя (100-200 м) балвнс мевду продуцированием кислоро-' да и его биохимическим потреблением становится отрицательным. Основную роль здеоь начинает играть ЕПК, однако его влияние на общую иамс :чивость поля 03 значительно меньие вклада гидродинамических процессов. Оценки газообмена мевду океаном и атмосферой показали, что в августе 1984 г. в районе ТИП преобладал ; процесс эвазии кислорода из ВКС, а осенью 1935 г. - инвазии. Причем по данным 1985 г., при ветре силой 7 м-с"1,.в пределах ВКС влияние газообмена превышало' воздействие гидродинамических факторов. Наке слоя скачка влияние газообмена на изменчивость поля содержания кислорода можно считать несущественным.

Расчеты функционала (4), с целью выяснения вклада биохимических и гидродинамических факторов в изменчивость пространственного распределения фосфатов в период между съемками 1935 г., ..

показали, что во всех слоях поверхностной структурно" зоны гидродинамические процессы являются доминирующим.

Пятая глава посвящена исследованы изменчивости пространственной структуры гидрохг*ичбских полей на фоне синоптической вихревой динамики вод в районе Ньюфаундлендской энергоактивной зоны - НЭАЗО. Этот район интересен тем, что здесь в результате меандрирования струй Гольфстрима и Северо-Атлантического течения (CAT) происходит интенсивное образование фронтальных синоптических вихрей, которые апоследстрш интенсивно взаимодействуют между собой и с породившей их системой : поток - меандры. По своей природе,. структуре и особенностям развития ринги Гольфстрима отличаются от шхрей открытого океана, наблюдаемых в районе ТИП, и относятся к фронтальным вихрям западных пограничных течений (Каменкович и др., 1987).

Материалом для анализа послужили данные пяти последовательных океанографических съемок Ньюфаундлендского энергоактиЕЯого полигона (НЭП), выполненных судами одо ГОШ с сентября 1983 г. по февраль 1934г.

Расчета показали, что особенностью динамического состояния вод НЭАЗо в исследуемый период являлось . постоянное ' присутствие . мощного циклонического меандра Гольфстрима в западной части полигона (ЗИМ), области антициклонической завихренности в юго-западной его части и квазистационарного актщаклонкчвекого вихря (КСАВ) в центре НЭП, к юг." от субполярной фронтальной зс.м. Наибольшая изменчивость направленности и интенсивности потоков наблюдалась в восточной части полигона, где в различное время были зафиксированы : северо-восточный циклонический меандр (ЕЦМ) CAT и вихревые образования разного знака.

На основании модальных расчетов (прогноз с усвоением).

исходя из известных представлений об энергетических механизмах межвихревого синоптического взаимодействия и основных положений теории геострофической турбулентности, дан подробный анализ развития синоптической ситуации на НЭП в осенне-зимний период 1933-84 гг. Описаны процессы, определящие интенсивный цихлого-ноз в районе ЗИМ, деформацию и разделение КСАВ, генезис ВЦМ, южных ветвей Гольфтрима, САГ и связанных с ними антициклон«-' ческих вихрей в южной части полигона. Сделан быеод, что рассматриваемые съемки зафиксировали, в целом, своеобразный логический цикл развития синоптической ситуации на НЭАЗО, который в будущем должен повториться.

Проведен сравнительный анализ пространственной структуры гидродинамических и гидрохимических полей, зафиксированных в период проведения съемок* НЭП, с целью выяснения возможности их использования в качестве трассеров при интерпретации гидродинамических процессов синоптического масштаба. Показано, что требуемую информацию можно получить используя математический аппарат 'корреляционного анализа.

Согж лт1шй корреляционный анализ пространственной структуры

гидрологических, гидродинамических и гидрохимических полей на

■ •

НЭП показал, что по характеру авто- и взаимнокорреляциогашх связей, наиболее приемлемым для анализа воздействия синоптической динамики на пространственное распределение содержания кислорода является глубинный слой 500-1500 м, а для фосфато^ - промежуточный слой 150-500' м. При этом доминирующую роль в формировании пространственной структуры полей гидрохимических элементов на НЭП играет баротропная синоптическая циркуляция.

'Для обоснования полученных результатов, -с помощью вихрераз-рбкающей гидродинамической модели, ' был выполнен четырехмерный

численный анализ синоптической изменчивости полей содержания кислорода и фосфатов в различных слоях, который подтвердил деление всего исследуемого диапазона глуб"н на три слоя, различающихся между собой по характеру отклика .пространственной структуры гидрохимических полей на синоптическую динамику вод. Определены основные причины, приводящие к различиям- в воздействии трехмерной синоптической циркуляции на пространственное распределение гидрохимических параметров в этих слоях. Описаны возможности и приведены конкретные примеры использования гидрохимических показателей для анализа особенностей гидродинамической ситуации на НЭП.

В заключении дан обзор основных результатов диссертационной работы и выводов, сделанных на их основе :

1. Исследованы и списаны особенности синоптической вихревой динамики вод в районах НЭП и 'ТИП, дан анализ ее влияния на изменчивость полай гидрохимических элементов;

2. Установлено, что основным причинами, приводящими к неадекватности отражения особенностей синоптической циркуляции в пространственной структуре гидрохимических полей в различных слоях ЯЕ..ЯЮТСЯ! в деятельном слое океана - "зашумлящее" действие вертикального'турбулентного обмена, биохимических процессов и газообмена с атмосферой; в промежуточной структурной. зоне -наличие промежуточных 1 экстремумов климатического характера в вертикальном распределении гидрохимических показателей, нестабильность ориентации-в пространстве их локальных градиентов; в глубишшг слоях - ослабление интенсивности синоптических течений и возрастание роли гвофи&ичвоких процессов, протекающих па масштабах отличных от синоптического;

4. Построена модель динамики океанской экосистемы, на оово-

ве которой выполнено оценивание вкладов различных физико-химических факторор в изменчивость содержания кислорода и фосфатов в поверхностной структурной зоне ТИП. В целом показано, что глубае верхней границы слоя скачка доминируют гидродинамические процессы синоптического масштаба.

5. Доказано, что в исследуемых районах океана мохно выделить диапазоны глубин, где химические показатели состояния экосистемы (кголород, биогенные вещества) могут использоваться в качестве гидродинамических трассеров для отслеживания синоптической вихревой динамики вод.

6. Определены основные .принципы и выработана методика выделения в толще океана указанных слоев по'данным стандартных полигонных съемок.

7. Обнаружена зависимость специфики воздействия синоптической вихревой динамики вод на пространственную структуру гидрохимических' полей, в зависимости от фазы синоптического процесса.

8. Показано, что динамика полей гидрохимических параметров тесно связана с эволюцией вихревых образований и перестройкой структуры вихревого поля в результате межвихревого синоптического взаимодействия.

9. Характер эволюции полей гидрохимических показателей в значительной степени определяется видом градиентных полей исходного (климатического) их распределения.

По тема диссертации опубликованы следующие работы :. 1. Тучковэнко Ю.С., Шубенко А.П. Численное исследование динамики синоптических возмущений гидролого-гидрохимических Полей в тропической зоне Тихого океана. Одесса, 1990.- 39 с. - Деп. в ВИНИТИ 12.11.91, N 4261- 391.

2. Тучковенко Ю.С., Лонин С.А., Матыгин A.C. Моделирование гидрохимических процессов северо-г жадной часта Черного моря // Международен симпозиум "Екология '92й , Бургас, Бургаски технологически университет 24-26 септември,- 1992: Тез. докл.-Болгария : Бургас, 1992. С.217-223.

3. Тучковенко Ю.С. Имитация динамики синоптических вихрей и связанных с ними возмущений гидрохимических полей в тропической зоне Тихого океана. Одесса, 1993.- 35 е.- Деп. в УкрШЭй 10.01.93, N 21- Ук93.

4. Лапшин З.Б., Тучковенко Ю.С. Исследование роли биотических и абиотических факторов в формировании изменчивости полей гадрохи-кшеских элементов в тропической зоне Тихого океана. Москва, 1993.- 23 е.- Деп В ВИШИ 29.42.95, л/ 3228- вЗЗ. .

5. Лапшин В.В., Тучковенко Ю.С. Численный анализ эволюции гидродинамических и гидрохимических полей в районе Ньюфаундлендского энергоактивного полигона. Москва, 1993.- 44 е.- Деп. в ВИНИТИ 29.i2.93, V3227 - 695.

Подп.к печати 3.ОТ.94г. Форма-? 60x84 I/I6. Об"ем 0,8уч.изд.л. 1,25п.л. Заказ ЗР I.Тираж ТООэиа. Гортигогр'афия (}.цесекого-управления по печати, цеха®. • .> Ленина 49.