Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Изменчивость гидрофизических полей в шельфовой зоне Гвинейской Республики

ВАК РФ 11.00.08, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Изменчивость гидрофизических полей в шельфовой зоне Гвинейской Республики"

Академия наук УССР Морской гидрофизический институт

На правах рукописи калиль ибрагим кейта

изменчивость гидрофизических: полей в шельфобой зоне гвинейской республики

11.00.08 - океанология

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата географических наук

Работа выполнена в Морском гидрофизическом институте АН УССР и на кафедре океанологии географического факультета Симферопольского государственного университета им. М.В.Фрунзе

Научные руководители: доктор физико-математических наук

Иванов В.А.,

кандидат географических наук Безруков Ю.Ф.

Официальные оппонента: доктор физико-математических наук

Дворянинов Г.С. (МГИ АН УССР),

кандидат географических наук Елатов A.B. (МГУ им. М.В.Ломоносова)

Ведущая организация: Институт биологии южных морей АН УССР

Защита состоится " \ ? " lOk^TjtDyQJL 1990 г. на заседании специализированного совета KP 01ЫО^. 9Я при Морском гидрофизическом институте АН УССР (335000, г.Севастополь, ул.Капи-танская, 2).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Морского гидрофизического института АН УССР.

Автореферат разослан "d£" V1990 г.

Учёный секретарь специализированного совета кандидат ф.;зико-математичес1£

Суворов А.М.

ОНЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. Восточная часть Тропической Атлантики представляет очень интересный и ватный район Мирового океана. Здесь находятся такие элементы циркуляции, как Межпассатное противотечение, Канарское и Гвинейское течения. Наличие относительно широкого шельфа оказывает существенное влияние на процессы (формирования климатической термохалинной и гидрохимической структур вод открытых районов и непосредственно прилегающих к побережью западной Африки.

В настоящее время океанологические явления и процессы в таких районах изучены слабо - это касается прежде всего формирования их крупномасштабных океанологических особенностей и трансформации полей различных процессов, их изменчивости.

В настоящей работе будем придерживаться следующей классификация1 изменчивости гидрофизических.полей. В соответствии с последним вариантом этой классификации (Монин A.C., Каменко-вич В.М., Корт В.Г., 1974; Елатов A.C., Булгаков Н.П., Иванов В.А. и др., 1984) весь диапазон пространственно-временных масштабов изменчивости разбит ;та четыре интервала:

- мелкомасштабные неоднородности (с масштабами от долей миллиметра до десятков-сотен метров и периодами от долей секунды до десятков минут). В этом интервале ыделены четыре подинтер-вала: квазиизотропная мелкомасштабная турбулентность, вертикальная слоистая микроструктура, капиллярные и гравитационные поверхностные волны;

- мезомаоштабные неоднородности (с масштабами от сотен метров до километров и периодами от часов до суток). В этом интервале выделены три подинтервала: внутренние волны, инерционные

колебания, приливные колебания на мелководьях;

- синоптические неоднородности (с масштабами десятки и первые сотни километров и периодами от суток до месяцев). В этом интервале выделены два подинтервала: волны Россби, связанные с ними фронтальные и свободные-вихри, вынужденные неоднородности с масштабами баротропных атмосферных процессов;

- глобальные неоднородности (с масштабами сотни и тысячи километров и периодами от нескольких месяцев до, по-видимому, сотен лет). В этом интервале выделены три подинтервала: сезонные колебания, главные океанические течения и вертикальная стратификация.

Цель работы; исследовать условия образования и основные характеристики процессов, вызывающих изменчивость гидрофизических полей в шельфовой зоне океана на примере шельфа Гвинеи. В соответствии с поставленной целью в диссертации решены следующие задачи:

- исследование спектра энергии изменчивости гидрофизических полей;

- исследование процессов, приводящих к формированию изменчивости гидрофизических полей в шельфовой зоне;

- исследование особенностей волновых движений мезомасштаб-ного диапазона в шельфовой зоне.

Фактический материал. В основу диссертации положен обширный материал гидрологических данных, полученный в последние десять лет судами МГИ АН УССР и плавсредствами Научно-исследовательского центра в г.Конакри.

Научная новизна и практическая значимость работы. На основе наиболее полной информации в работе получены количественные параметры изменчивости гидрофизических полей по данным наблюдений

в районе со сложными гидрофиз ическими условиями. Диссертационная работа рассматривает представления о формировании и трансформации гидрофизических шлей. Её результата могут быть использованы при решении научных и практических задач прогноза погоды, параметризации мезомасштабных волновых процессов в гвдродлйгами-ческих моделях динамики океана, при планировании экспедиций научно-исследовательских судов и т.д.

Апробация работы. Результаты исследований, представляемых в диссертации, докладывались га советско-гвинейских сюлпозиуках, конференции молодых учёных СГУ игл. М.В.Фрунзе и гидрофизическом семинаре МГИ АН УССР. По тема диссертации опубликовано три работы и три находятся в печати.

Объём работы составляет _/03 стр., в том числе^З рисунков и % таблиц. Список использованной литература насчитывает 3 наго,Реноваций.

СОДЕРЖАНИЕ РАКШ

Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения к списка литературы.

Пзр?пя глава посвящена анализу териэхаяинной структуры к династии вод восточной части Тропической Атлантики. Из результатов анализа делается вывод о тем, что пельфовзя зона Гвинейской Республики является зсяой активного взаимодействия вод северно" и югаой Атлантики, а гидрологические характеристик верхнего стометрового слоя океана значительно изменяется с? сезона к сезону и зависят как от вариаций речного стока, тая и от влияния Канарского течения и Мелтассатного противотечения. Теркозвалин-ная структура вод исследуемого района океана относится к северо--втлайтическому восточнотрспическому типу (Степанов, 1983). Для

неё характерны монотонное вертикальное распределение температуры и немонотонное распределение солёности. В слоях 200-300 м и 900-1500 м монотонное понижение температуры осложняется инверсионными и изотермическими прослойками. В слое 0-1500 м выделяются следующие водные массы: поверхностная экваториалъно--тропическая, воды речного стока и осадков, южная подповерхностная ■субтропическая, южно- и североатлантическая центральные, промежуточная субантарктическая, глубинная северо-атлантическая.

Исследуется сезонная изменчивость термохалинной структуры вод. Показано, что в прибрежных водах, где наблюдается ярко выраженная сезонная изменчивость осадков, речного стока и циркуляции вод, сезонная изменчивость•термохалинной структуры проявляется заметнее, чем в открытой части океана. Анализ вертикального распределения сезонных дисперсий показал, что сезонная изменчивость температуры и плотности преобладает в слое 0-80 м, а солености - в слое 0-50 м.

В годовом ходе температуры выделяются два минимума и два максимума. Один минимум наблюдается в феврале-марте в период распространения на ;ог холодных вод Канарского течения. Второй минимум в ВКС наступает в августе, а в термоклине - в сентябре. Возникновение его, вероятно, связано с адвекцией холодных вод из Адиджанского апвеллинга. Повышение температуры совпадает по времени с прохождением через полигон струи Межпассатного противотечения.

Изменение поля солёности связано, в основном, с атмосферными осадками. Под воздействием осадков среднемесячная солёность воды в ВКС может изменяться на 4-5 %о. В годовом ходе солёности выделяется один максимум и один минимум.

Во второй главе диссертации исследуются фронты и фронтальные образования у побережья Гвинейской Республики. Выделены ос-

новные фронтальные зоны в восточной части Тропической Атлантики, приведены их основные параметры и показана изменчивость фронтов и их характеристик. Рассмотрены вопросы приливного перемешивания и получена (на примере залива Сангареа) характерная величина удельного потока энергии, затрачиваемого на пере--мешивание.

Гвинейский фронт, разделявши:! воды Межпассатного противотечения и Канарского течения, в гвине/.::••'„:.' секторе Атлантики наблюдается в зимний период. Температура воды при пересечении Гвинейского фронта изменяется на 6-8°С на 100 км. На 10° с.ш. фронт прослеживается в слое 25-100 м.

Фронт термического экватора наиболее ярко проявляется в открытом океане. В районе термического экватора расположен атмосферный фронт, из облачной системы которого выпадают интенсив-гае осадки. Здесь на поверхности океана образуется линза распре-знённых (34-35 %о) и тёплых (28-29°С) вод шириной 300-500 км. За северной и южной гран ¡шах этой линзы образуются термохалин-ше фронты.

Фронт -апвеллинга проявляется в поверхностном слое (О-ТООм), з основном, по температуре и плотности. На глубинах 20-50 м перепад температуры на фронте может достигать 6-7°С, на поверхности океана перепад температуры 2-3°С.

Стоковые фронты наблюдаются в устьях рек, они солёностно--плотностные. Они существуют в виде тонких разделов между по-5ерхностной пресной водой и придонной океанской. На поверхность жеана они выходят у мористого края стоковой линзы. После силь-гых довдей у побережья формируются линзы пресных вод, которые >тличаются от окружающих вод не только солёностью, но и более [изкой температурой. Их границы представляют собой подобие тем-

пературно-солёностных фронтальных образований.

При исследовании фронтов наибольшее внимание уделялось изучены) особенностей формирования приливного фронта, разделяющего перемешанные прибрежные и стратифицированные воды мористой части шельфа. В качестве физического критерия положения фронта использована величина отношения скорости продукции потенциальной энергии, необходимой для поддержания полной однородности слоя в противовес расслаивающему влиянию пресного стока, к скорости диссипации энергии приливных течений. Показано, что характерная величина удельного потока энергии, затрачиваемой на перемешивание во влажный сезон порядка вт, что составляет около 10 % скорости диссипации приливной энергии на мелководье.

В третьей главе исследуются волновые и волно-вихревые образования восточной части Тропической Атлантики. Изучены условия существования волновых и волно-вихреЕых образований в районе шельфовой зоны Гвинейской Республики. По данным 15 квазисиноптических полигонных съёмок шельфа и материкового склона выполнены расчёты распределения доступной потенциальной энергии крупномасштабной циркуляции и синоптических образований п проанализированы закономерности её распределения. Аношлши доступной потенциальной энергии приурочены к участкам материкового склона с наибольшими уклонам!: дна. На основании этого делается вывод о доминирующем влиянии захваченных волн в диапазоне синоптических масштабов.

В рамках уравнений мелкой воды выполнены теоретические исследования свободных баротропных шельфовых волн, распространяющихся вдоль прямолинейного берега. По данным расчётов показано преобладание волк 3-4 моды с периодом 9-12 суток, длиной 280-

350 км. Этот результат подтверждён натурными данными. На спек-ре колебаний урошя в Конаг.рл получены статистически обеспе-:енные пики ка периодах 7 и II суток.

На основе шреографнкх наблэденпй в портах Конакрп и п.Рог-ане исследованы колебания уровня на приливном периоде и кине-атическая структура соответствующих колебаний скорости. Полугена эмпирическая завкснлость, связывающая величину амплитуды :олебанкй скорости приливных течений с амплитудой колебаний •ровня и рассчитана зависимость коэффициента пропорциональности »т глубины места. На основе натурных данных исследованы особенности приливо-отливных течений в прибрежной зоне района п.Кона-;ри. Этот результат хиеет большое прикладное значение. Показа-ю, что зависимость |\/| - ( - линейна. Скорость течения 1ри одинаковой амплитуде колебаний урошя в районе залива Сан-гареа возрастает при укенызенпп глубины места до 8-10 м, а затем уменьшается. ?,ккснмалыше скорости приливных течений наблюдают-:я в проливах меяду островами и в устьях рек. В залнвэ Сангареа, з районе фарватера порта Конакра характерные скорости приливных течений составляют 25-30 см/с в квадратуру и 50-70 см/с в сизигию. Приливной эллипс ориентирован в направлении север-северо-восток.

По результатам полигонных съёмок выполнена типизация и районирование шельфовой зоны Гвинейской Республики по частоте Вяй-сяля-Брента. Данные климатического массива позволили рассчитать сезонную изменчивость пространственных параметров в 30-минутных квадратах из решения уравнения для вертикальной скорости гравитационных внутренних волн.

Показано, что параметры стратификации изменяются в сезонном цикле таким образом, что величина внутреннего радиуса деформа-

ции Россби у кромки шельфа, определяющего масштаб захвата ба-роклинных. колебаний, варьирует от 60 км в феврале-марте до 80 км в сентябре-ноябре. На шельфе внутренние гравитационные волны, не обладающие дисперсией, распространяются с фазовой скоростью 0,5-0,6 м/с зимой и 1,0 м/с в сентябре-октябре.

По данным измерений температуры и скорости течений на 12 автономных буйковых станциях исследованы бароклинные полусуточные волны. Выполнено разделение баротропной и бароклинной компоненты колебаний и сопоставлены их энергии. Получено, что бароклинные движения формируются двумя системами волн, анергия одной из которых концентрируется в придонном слое, а второй -в верхнем слое. Основываясь на обнаруженной сйнфазности волн и высокой когерентности между колебаниями в верхнем слое, делается заключение об их принадлежности к моде, существующей на скачке плотности. По оценкам пространственного распределения плотности энергии баротропной и бароклинной компоненты делается вывод о том, что бароклинные внутренние волны генерируются преимущественно на материковом склоне.

Океанографические исследования последних лет показали, что большинство процессов в океанах и морях не могут быть познаны без всестороннего изучения мезомасштабных колебаний, которые вызывают изменчивость гидрофизических полей с временными масштабами от нескольких минут до трёх-четырёх суток.• Проведённые исследования позволяют представить обобщённый спектр мезошсштабной изменчивости: квазиинерционные волны (волно-вихревые образования, захваченные волны в вырожденные инерционно-гравитационные волны), баротропные и бароклинные приливные волны и короткопериодные внутренние волны. Установлена шс роль в формировании изменчивости гидрофизических полей на шельфе Гвинеи.

Таким образом, сформулируем результаты диссертации, полу-енные при решении основных её задач.

1. Шельфовая зона Гвинейской Республики является зоной ак-нвного взаимодействия вод северной и южной Атлантики. Гидроло-жческие характеристики в слое океана 0-100 м подвержены интен-явной сезонной изменчивости, обусловленной вариациями речного гока, влиянием вод Канарского течения или Межпассатного проти->течения.

2. Сложная интенсивная изменчивость терлохалинной структу-

I вод шелы|а Гвинеи приводит к формированию фронтов и фронталь-IX образований разных масштабов: фронт локального взаимодейст-ш (Гвинейский фронт), стоковый фронт, фронт апвеллинга и при-шо—отливной фронт.

3. Основной механизм формирования приливо-отливного фронта это взаимодействие полусуточного баротропного прилива с рель-ом дна в прибрежной зоне. Положение квазистационарного при-:вного фронта определяется удельной скоростью диссипации при-вной энергии в столбе воды на глубинах 10-20 м.

4. Установлено, что в период максимальных осадков и прес-го стока (ивль-автуст) однородное распределение солёности в не от приливо-отливного фронта до берега нарушается и восста-вливается в сентябре при достижении баланса между скоростью одукции энергии и расслаивающим влиянием речного стока. Этот ланс достигается при скорости продукции потенциальной энергии

0,01 Вт, что составляет 10 % от скорости диссипации при-вной энергии на глубинах до 10 м. Начиная с сентября, солё-зть прибрежных вод увеличивается за счёт вовлечения в прибреж-о зону высокосолёных вод с мористой периферии приливного фрон-

5. Из анализа распределения доступной потенциальной энергии и её изменчивости установлено доминирующее влияние захваченных волн на океанографические поля в диапазоне синоптических масштабов - баротропные шельфовые волны. Получены их возможные параметры из аналитического решения для простой аппрокс мации рельеф! дна и численного решения уравнений мелкой воды для реального рельефа дна в случае цилиндрического приближенш Наиболее вероятны здесь шельфовые волны 3-4 моды периода 9-12 сут., длины волн 280-350 км, фазовые скорости 23-38 км/сут, размах колебаний уровня 6 см и денивеляции полокения термоклина 80-100 м.

6. На основе натурных данных исследованы особенности приливо-отливных движений в прибрежной зоне района п.Конакри. Показано, что наибольшие скорости течений (80-90 см/с) наблюдаются в заливе Сангареа на глубинах 8-10 м, в проливах мезду" островами и в устьях рек Табунсу и Конкуре.

.7. Исследована сезонная изменчивость гидрологических условий существования внутренних волн и получены их возможные линейные дисперсионные соотношения.

8'. На основе натурных данных и теоретических .оценок исследованы внутренние приливные волны, которые на глубинах 400-1000 м-вносят 70 % от суммарной изменчивости скорости на это! частоте. Над материковым склоном имеет место их придонная интенсификация. Пространственно-временной спектр довольно широк по модулю волновых чисел. Масштаб когерентности мал. Угловая ширина пространственных спектров невелика, что проявляется в стабильности эллипсов приливных течений.

Публикации по теме диссертации

Особенности приливных движений у шельфа Гвинеи. - МГЖ, 1989, № 2, с. 46-51 (совместно с Горячкиным Ю.Н., Ивановым В.А., Ивановым Л.И., Плотниковым В.А.). Тропическая Атлантика. Регион Гвинеи. - К.: Наукова думка, 1984 г. (совместно с Еремеевым В.Н. и др.). Сезонная изменчивость пространственных характеристик внутренних волн на шельфе и материковом склоне Гвинеи. -Сборник трудов научно-исследовательского центра, г.Конакри. - 1990, (совместно с Ивановым Л.И.). Энергозначимые мезомасштабные волновые процессы Тропической Атлантики. - В печати (совместно с Ивановым В.А., Ивановым Л.И.).

Особенности мезомасштабных волновых движений в шельфовых зонах (на примере шельфа Гвинеи). - В печати (совместно о Еремеевым В.Н., Ивановым В.А.).

Методы и средства исследований волновых движений в шельфовых зонах. - В печати (совместно с Ивановым В.А.).