Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Особенности термической структуры экваториальной зоны Атлантического океана и ее моделирование с использованием спутниковой информации

ВАК РФ 25.00.28, Океанология

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Бакоджи Умару

Введение.■.

1. Закономерности изменчивости термохалинной структуры верхнего слоя экваториальной зоны Атлантического океана.

1.1 Особенности дин амики вод в регионе.;.

1.2. Механизмы формирования термохалинной структуры верхнего слоя океана в экваториальной зоне.

1.3. Структура поля ветра в экваториальной зоне и его влияние на формирование термохалиных черт региона.

2. Математические модели динамических и термохалинных процессов в Гвинейском заливе.

2.1. Постановка задачи. Численная реализация модели динамических процессов.

2.2. Математическая модель термохалинных процессов верхнего слоя Гвинейского залива.

3. Моделирование особенностей термической структуры верхнего слоя океана с усвоением данных о поле ветра.

3.1. Особенности регистрации характеристик ветра с помощью спутниковой информации.

3.2. Характеристика поля ветра по спутниковым данным: дискретность и погрешность данных.

3.3. Восстановление и схема усвоения данных.

3.4. Последовательность операций моделирования и усвоения данных. Результаты моделирования с усвоением данных о ветре.

4. Закономерности изменчивости термической структуры в экваториальной зоне и верификация результатов по данным о поле Температуры верхнего слоя океана, полученным из космоса.

4.1. Обработка и усвоение данных о температуре поверхности океана.

4.2. Особенности полей температуры, полученных по спутниковым данным. Структур; поля температуры и погрешность его восстановления.

4.3. Закономерности эволюции поля температуры по результатам моделирования с

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Особенности термической структуры экваториальной зоны Атлантического океана и ее моделирование с использованием спутниковой информации"

Восточная часть экваториальной Атлантики и, особенно Гвинейский залив, привлекают к себе особое внимание за последние годы в связи с потребностями современной жизни, а также в соответствии с темпами и направлением развития современной экономики. Если до 50-х годов прошлого века использование этой зоны ограничивалось в основном, как транспортной артерией и областью рыболовства, то в настоящее время в ряде стран с каждым годом все больше увеличивается ее эксплуатация. В первую очередь следует отметить интенсивное использование ее биологических ресурсов.

Исследуемый район играет в жизни прилегающих к ней стран ведущую роль как поставщик белковой продукции. Увеличение производительности промысла в современных условиях является важной составной частью реализации продовольственной программы.

С развитием технологической базы и совершенствием методов обработки климатической информации, многие задачи современной океанологии требуют более точных расчетов гидрологических характеристик. Постоянное обновление базы данных натурных наблюдений, теоретические исследования, развитие; спутниковых методов регистрации и обработки информации, а также внедрение ЭВМ, способствует в настоящее время разработке более совершенных и точных гидрологических моделей. Применение ЭВМ в практике гидрометеорологических расчетов позволило более точно подойти к определению элементов термической структуры верхнего квазиоднородного слоя в море, расчету температуры и глубины этого слоя, влияние теплообмена с океаном на температуру и барическое поле атмосферы.

В этой связи одной из важных задач является установление закономерностей формирования синоптической и сезонной изменчивости термических характеристик отдельных частей океана. Проблеме моделирования термической структуры верхнего квазиоднородного слоя и усвоения данных о ветре и температуре поверхности океана в экваториальной зоне Атлантического океана посвящена настоящая диссертация.

Актуальность работы. Проблема воспроизведения на ЭВМ изменчивости 5 реальных гидрофизических полей одновременно является предметом научных исследований и прикладной проблемой контроля состояния окружающей среды. Это дало толчок развитию нового направления океанологии - моделированию реального океана средствами теории и эксперимента. Первоначально в этом направлении разрабатывались методы усвоения данных наблюдений в численных моделях /1/, однако с течением времени выяснилось, что сочетание теории и эксперимента решает проблему воспроизведения изменчивости океана только при условии рациональной организации всего информационного процесса - от постановки целей исследований до оптимального использования всех имеющихся ресурсов /2, 3/.

Привлечение системного анализа гидрофизических процессов позволяет использовать новую информационную технологию для изучения реального океана и контроля за его состоянием. Теоретические модели океана, применяемые при системном анализе, строятся с учетом тех измерений, которые предполагается осуществить в исследуемой области океана. Влияние измерений на теоретические модели может быть учтено, например, за счет перехода от традиционного безусловного осреднения к условному осреднению уравнений модели по отношению к наблюдениям.

Численные модели с условным осреднением уравнений в свою очередь позволяют прибегнуть к имитационному моделированию гидрофизических процессов и определить путем вычислительных экспериментов те точки океана, измерения в которых будут наиболее информативными. Это дает возможность рационально планировать измерения в океане, в том числе с помощью дистанционных методов, оценить ожидаемую точность картирования полей и конкретизировать достижимые цели исследований или контроля.

Цель и задачи. В ходе выполнения работы в соответствии с поставленными целями были сформулированы следующие задачи:

- выполнить анализ данных спутниковых наблюдений о поле ветра и температуре поверхности океана, полученных с помощью спутников ЕЯ Б-1 и ЕКБ-2 и ТЯОАА, оценить возможность их использования в задаче моделирования термических характеристик экваториальной зоны Атлантического океана, разработать технологическую схему и алгоритмы обработки имеющихся и поступающих 6 спутниковых данных;

- провести анализ данных наблюдений с целью выявления особенностей формирования термических полей в сезонном и синоптическом масштабах изменчивости;

- осуществить анализ существующих методов восстановление данных в узлы регулярной сетки, определить их основные недостатки, и для дальнейших исследований выбрать базовый метод;

- на основе проведенного анализа данных и существующих моделей построить теоретическую модель формирования термической структуры экваториальной зоны Атлантического океана; полученные результаты использовать при усовершенствовании базовой модели формирования термической структуры с целью расширения ее возможностей и повышения точности производимых расчетов;

- с использованием модели воспроизвести эволюцию термических структур верхнего квазиоднородного слоя (температуры и толщины ВКС) в экваториальной зоне Атлантического океана в синоптическом и сезонном масштабах; результаты расчетов сопоставить с данными наблюдений;

- оценить результаты расчетов полей температуры, полученных без усвоения данных о поле ветра и температуре по данным дистанционных измерений, с расчетами, проведенными с усвоением данных о поле ветра и температуре;

- оценить влияние на точность вычислений результатов, полученных с усвоением данных о поле ветра и температуре.

Метод и использованные гидрометеорологических данных. Анализ особенностей формирования термических полей экваториальной зоны Атлантического океана осуществлен по данным спутниковых измерений и базе океанологических данных World Atlas'94. Для верификации модели использованы данные по температуре воды с 1974 г. по 1990 г. включительно.

На основе метеорологической информации были заданы граничные условия на поверхности океана. Имеющиеся метеорологические данные были дополнены спутниковой информацией.

При подготовке исходных данных использованы различные методы интерполяции. Для сглаживания наблюдаемых горизонтальных распределений 7 температуры, скорости ветра, а также вычисления пропущенных значений использовался модифицированный метод весовой анизотропной интерполяции /4/. При этом, чтобы исключить ошибку, связанную с неравномерным распределением наблюдений по времени, исходные данные корректировались по срокам. Вычисления проводились на специально составленных программах на языке программирования PASCAL с привлечением таких пакетов обработки информации, как SURFER для WINDOWS, STATISTIC A, BILKO для WINDOWS. Подготовке всех видов информации сопутствовал синтаксический и логический контроль данных, контроль на локальные пределы.

Научная новизна. На основе особенностей физических процессов, протекающих в экваториальной зоне Мирового океана, выбраны уравнения, позволяющие рассчитать температуру, скорость течения и глубину верхнего квазиоднородного слоя. Исходя из этого разработана и реализована модель, позволяющая с использованием результатов, полученных с помощью дистанционных методов, в рамках интегрального подхода воспроизвести синоптическую и сезонную эволюцию основных характеристик ВКС в экваториальной зоне Мирового океана. Реализованы динамическая и термическая модели, позволяющие определить динамику и термические параметры верхнего квазиоднородного слоя (температуру и глубину ВКС) с привлечением спутниковых данных о поле ветра, что позволило исследовать особенности физических и термических процессов, протекающих в интересующем регионе.

Результаты дистанционных измерений являлись единственно возможными для уточнения информации о поле ветра, так как отсутствие связи между давлением и ветром у экватора приводило к поиску методов восполнения недостающей информации, зачастую недостаточно корректных. Сделана попытка определить влияние пассатов на формирование аномалии температуры верхнего квазиоднородного слоя и его глубины, и воспроизвести сезонную эволюцию термической структуры экваториальной зоны Атлантического океана и толщины ВКС.

Положения, которые выносятся на защиту;

- Комплексная математическая модель циркуляции, термической структуры и 8 схема усвоения спутниковых данных;

- Результаты исследования основных закономерностей изменения термических характеристик ВКС в экваториальной зоне в синоптическом и сезоном масштабах времени.

Практическая ценность. Разработанная комплексная модель, созданная технология и программные средства обработки спутниковой информации используются в учебных курсах «Региональная океанология» и «Моделирование природной среды».

Элементы комплексной модели обработки и усвоении спутниковых данных используются для вычисления основных термических характеристик в экваториальной зоне Мирового океана, слабо освещенных океанографическими наблюдениями, для построения полей течений, температуры, а также для определения глубины ВКС в водах экваториальной зоны республики Камерун.

Полученные результаты составляют важный раздел планирования натурных экспериментов по изучению влияния локальных процессов на формирование термических полей с усвоением спутниковых данных, а также при решении экологических задач в водах экваториального района, прилегающего к республике Камерун.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на:

- итоговых сессиях Ученого Совета РГГМУ,

- заседаниях Ученого Совета океанологического факультета РГГМУ,

- научных семинарах океанологического факультета. 9

Заключение Диссертация по теме "Океанология", Бакоджи Умару

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненное диссертационное исследование позволило использовать новые средства и методы океанологических расчетов для уточнения характеристик в экваториальной зон Атлантического океана. Среди наиболее существенных результатов можно выделить те из них, которые привели к совершенствованию схемы усвоения спутниковых данных для оценки эволюции характеристик ВКС:

- Составлена математическая модель ВКС экваториальной области, в которую включен алгоритм учета модифицированной спутниковой информации;

- В модель расчета температуры ВКС включена процедура усвоения данных о скорости ветра по спутниковым данным, что в экваториальной области значительно повысило точность расчетов, так как в этом регионе отсутствует связь полей давления и ветра;

- Усвоение данных наблюдений проводилось по алгоритму, в котором вес наблюдений и вид автокорреляционной функции определялись с помощью процедуры подбора весовых коэффициентов, исходя из статистической структуры исходных и анализируемых полей.

- Установлено, что численное моделирование термической структуры верхнего слоя океана с использованием спутниковых данных о поле ветра и поле температуры в качестве начальных данных, позволило получить вычисленное поле температуры ВКС, в общих чертах согласованное с данными наблюдений в Гвинейском заливе, о различия в значениях глубины ВКС составляют до 7-10 м, а температуры - 0.3 - 0.5 ;

- Рассчитаны среднемесячные значения температуры в узлах регулярной сетки по исследуемому району, дополняющие климатические оценки и характеризующие элементы локальной неоднородности.

- Показано, что в центральном и северном районах рассматриваемой акватории образуется сравнительно тонкий распресненный ВКС, глубина нижней границы которого в течение года колеблется между 25 и 35 м;

- Численное моделирование позволило установить, что в центральной части региона имеют место малые амплитуды временного хода термических характеристик;

128

- Результаты моделирования с учетом спутниковых данных показали, что учет течений не изменил качественной картины термической структуры ВКС, но количественные значения его характеристик претерпели значительные изменения.

- Моделирование показало, что возникновение и развитие прибрежного апвеллинга находятся в меньшей зависимости от ветрового режима, чем в открытой части исследуемого региона. Усиление скорости восходящего движения в западной части региона объясняется дивергенцией юго-восточных пассатов направленных в сторону экватора. По результатам моделирования, ветровая составляющая на западе района - на порядок больше по сравнению с другими компонентами. Уменьшение градиента скорости поверхностных течений в западном направлении способно вызвать избыток водной массы в восточной и юго-восточной частях региона, что в свою очередь приведет к отрицательным значениям вертикальных движений.

129

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Бакоджи Умару, Санкт-Петербург

1. Тимченко И.Е. Динамико-стохастические модели состояния океана -Киев: Наукова Думка, 1981. 192 С.

2. Сейдж Э., Меле Дж. Теория оценивания и ее применение в связи и управлении. / Под ред. Б.Р. Левина. М.: Связь, 1976. - 496 С.(Пер. с англ.)

3. Тимченко И.Е. Системный подход к проблеме Мониторинга океана// Bich АНУРСР. 1986. - N1. - С. 45-51

4. Backhaus J. A three-dimensional model for the simulation of shelf Sea Dynamics//Dt. hydrogr. 1985. - Z ,38(H5) - P. 167-262.

5. Хлыстов Н.З. Структура динамика вод тропической Атлантики. Киев: Наукова Думка, 1976. - 162 С.

6. Колесников А.Г. К использованию данных по распределению кислорода для определения интенсивности вертикального обмена в океане// Океанология. 1963. -№ 3. - С 75-76

7. Латун B.C. Подъем глубинных вод у побережья юго-западной Африки// Изв. АН.СССР. Серия Геогр. 1962. - №9. - С.

8. Ханайченко Н.К. Система экваториальных противотечений в океане. Л: Гидрометеоиздат, 1974

9. Lemasson L., Robert J.P. Circulation dans le Golfe de Guinee . Etude de la region d'origine du sous courant ivoirien// Cah. ORSTOM. Ser. Oceanogr. 1973. - Vol. XI, №3. -C. 123-126.

10. Hisard Ph., Merle J. Onset of Summer surface cooling in the Gulf of Guinea during GATE//Deep-Sea Res. 1979. - Vol. 26, Suppl. 11. - P.325 - 341.

11. Montgomery R.B. , Stroup E.D. Equatorial wathers and currents at 150° W in july-August 1952// The Joims Hopkins Oceanogr. Studies. 1962 - N.l. - 68 p.

12. Михайлова Э.Н. и др. Влияние неравномерхности ветра на течения у экватора// Океанология. 1975 - Т. 15, вып. 4 . - С. 574-579

13. Philander S.G.H. Upwelling in the Gulf of Guinea//! Mar. Res. 1979. - Vol. 37, N1. -P.23-33.

14. Philander S.G.H., Pacanowski R.C. The oceanic response to cross-equatorial winds (with application to coastal upwelling in the low latitudes)// Tellus. 1981. - Vol.33.1301. Р.204-21

15. Adamc D., O'Brien J.J. The seasonal upwelling in the Gulf of Guinea due to remote forcing//J. phys. Oceanogr. 1978. - Vol. 8. - P. 1050-1060.

16. O'Brien J.J. е. а. Л simple model of equatorial upwelling in the Gulf of Guinea7/ Geophys. Res. Letters. 1978. - Vol.5. - P. 641-644.

17. Merle J. e.a. Annual signal and international anomalies of sea surface temperature in the eastern equatorial Atlantic Ocean//Deep-Sea Res. 1979. - Vol.26, Suppl.ll. - P.77 -101

18. Коротаев Г.К. Некоторые вопросы теории течений в океане, включающем экваториальную зону//морские гидрофизические исследования. 1970. - N4. -С.21-33

19. Кооль JI.B. Барическое поле пассатной зоны Атлантического океана и его трансформация с высотой/Юкеанология. 1965. Т.5, вып. 5. - С. 806-818.

20. Абрамов Р.В. Юго-восточный пассат во время ПГЭП// Изменчивость океана и атмосферы в экваториальной Атлантике: исследования по программе ПГЭП. М., 1982.-С. 241-248

21. Седых К.А. Методические материалы к промысловым прогнозам у северозападного побережья Африки Калининград: Изд.АтлантНИРО, 1978. - С. 196

22. Нестеров Е.С., Полежаев Е.К. Особенности климатическихгидрофизических полей в юго-восточной части северной Атлантики//Тр. ГОИН. 1991. - С. 15-33.

23. Динамика океана / Под ред. д-ра физ.-мат.паук, проф. Ю.П. Доронин, Л.: Гидрометеоиздат, 1980, С. 65-77

24. А.С. Саркисян. Численный анализ и прогноз морских течений. Л.: Гидрометеоиздат, 1977.

25. Зилитинкевия С.С., Реснянский Ю.Д. Чаликов Д.В. Теоритическое моделирование верхнего слоя океана// Итоги науки и техники. Механика жидкости и газа: 1973. -Т.12. - С. 5-51.

26. Калацкий В.И. Моделирование вертикальной термической структуры деятельного слоя океана. Л.: Гидрометеоиздат, 1978.- 204 С.

27. Миропольский Ю.З., Филюшкин Б.Н., Чернышков П.П. О параметрическом описании профилей температуры в деятельном слое океана // Океанология 1970.1311. Вып.6.-С.914-927

28. Доронин Ю.П., Балясников С.Б., Карлин JI.H. Математическое моделирование формирование термоклина как продукта взаимодействия атмосферы и океана// Труды ААНИИ.- 1974.- Вып.315,-С.69-75

29. Карлин Л.Н., Клюйков Е.Ю. Моделирование годового хода температуры и солености воды в деятельном слое океана.// В Межвед. сб. Исследование и освоение Мирового океана: Л.: Изд.ЛПИ, (ЛГМИ), 1980,- Вып, 72.- С.79-90

30. КаменковичВ.М., Харьков Б.В. О сезонном изменении термической структуры верхнего слоя океана// Океанология,- 1975.-Вып. 6.- С. 978-987.

31. Динь Ван Ыу. Некоторые особенности формирования квазиоднородного слоя в южно-китайском море./ Лен. Гидромет. Ин-т. Л., 1982,-Деп. в ВИНИТИ, 01.06.82, N5351.

32. Динь Ван Ыу. Термохалинный режим южно-китайского моря и его моделирование: Диссертация канд. геогр. Наук: 11.00.08.-09.11.83.- Л., 1983.-130 с.

33. Арсеньев С.А., Фельзенбаум А.И. Об одном простом методе расчета термических характеристик верхнего слоя океана// Изв. ДАН-СССР.-1976,- Т. 227, N. 5,- С. 1101-1103

34. Моделирование и прогноз верхних слоев океана //Под ред. Э.Б. Крауса. Л.: Гидрометеоиздат, 1979,- 367 с.

35. Океанология Т. 1,, Гидрофизика М.: Наука, 1978. - 455 с.

36. Реснянский Ю.Д. К вопросу о расчете сезонных изменений толщины и температуры верхнего квазиоднородного слоя океана // Труды ГМЦ СССР-1982,-Вып. 198,-С. 27-36

37. Николаев Ю.В. Роль крупномасштабного взаимодействия океана и атмосферы в формирование аномалии погоды. Л.: Гидрометеоиздат, 1981. - 320 с.

38. Сигаев А.К. Результаты анализа наблюдений за течениями в связи с трансформацией шельфовых вод центрально-восточной Атлантики //Труды АтлантНИРО,- 1976,-Вып. 63,- С. 3-12.

39. Le Floch J. La circulation des eaux d'origines subtropicale dans la partie orientale de l'Atlantique equatoriaWCah. ORSTOM. Ser. 0ceanogr.-1970.- Vol. VIII, №3,- C. 523132548.

40. Tennekes N.A. Model for dynamic of the inversion abore a convective boundary layer// Y. St. Sei.- 1973,- 30 N.4.-P. 558 567.

41. Атлас Теплового баланса океанов. МГИ АН УССР. Севастополь, 1970

42. Краус Е. Взаимодействия атмосферы и океана. Л.: Гидрометеоиздат, 1976. - 295 с.

43. Кучумова Л.С., Хлонов ВВ., Шереметьевкая О.И. Тепловой баланс и его роль в изменении температуры поверхности моря// Труды ААНИИ.-1974,- Вып. 315,- С. 41-50.

44. Масагутов Т.Ф. Обмен тепла импульсом в приводном слое атмосферы над океаном и его параметризация//Тайфун 78. - Л.: Гидрометеоиздат, 1980.-С. 224227.

45. Перри А.Х., Уокер Дж. М. Система океан-атмосфера. Л.: Гидрометеоиздат, 1979. -194 с.

46. Палий Н.Ф. О вертикальной циркуляции в восточной части при экваториальной Атлантики // Тезисы докладов науч. конф. по тропической зоне Мирового океана.-М.: Наука, 1969.-68 с.

47. Процессы переноса вблизи поверхности раздела океан-атмосферы,- Л.: Гидрометеоиздат, 1974. 239 с.

48. Серяков Е.И. Долгосрочные прогнозы тепловых процессов в северной Атлантике.- Л.: Гидрометеоиздат, 1979. 165 с.

49. Быков И.А., Викторов С. В., Виноградов В.В. Использование спутниковых данных для измерения апвеллинга и фронтогенеза в Балтийском Море// Исследование земли из KocMoea.-1985.-N 12.

50. Reinger R.Ross С. A method of interpolation with application to oceanography data// Deep-Sea Res.- 1968.-Vol. 15,N2.-P. 1195-1931.

51. Гандин Л.С., Каган P. Л. Статистические методы интерпретации метеорологических данных.-Л.: Гидрометеоиздат, 1976.-160 с.

52. Кочергин В.П., Тимченко И.Е. Мониторинг гидрофизических полей океана.-Л.: Гидрометеоиздат, 1987.-280 с.

53. Андрющенко A.A., Беляев В.И. Математическое обеспечение расчетов133океанографических полей по данным наблюдений.-Киев: Наукова думка, 1978. -134 с.

54. Cressman G.P. An operational objektive analysis system/Monthly Weather Review.-1959.-Vol.87, N 10.-P.367-374.

55. Levetus S. Climatological Atlas of the World Ocean//NOAA Prof. Pap. 13,-Rackville, 1982.-173 p.

56. Веселов B.B., Гонгов Д.П., Пусткльников B.M. Вариационный подход к задачам интерполяции физические полей.-М.: Наука, 1983.-120 с.

57. Саркисиян A.C. Моделирование динамики океана.-СПБ.: Гидрометеоиздат, 1991.296 с.

58. Sarmiento J.L., Bryan К. An ocean transport model for the North Atlantic// J. Geophys. Res.-1982.-Vol. 87.-P.394-408.

59. Семенов E.B., Русецкий K.K. Численная модель для обработки полигонных термохалинных наблюдений// Изв. АН СССР. Сер. ФАО.-1987.-Т.236, N З.-С. 314319.

60. Хлыстов Н.З., Джигашин Г.Ф. Вертикальные движения вод в тропической Атлантике/Морские гидрофизические исследования.- Севастополь: Изд. МГИ АН УССР, 1973.-N3 (62).-С. 189-198.

61. Shott G. Geographie des Indischen und Stillen Ozeans.-Hamburg, 1935.

62. Sverdrup H., Johnson N., Fleming R. The ocean their physics, chemistry and general biology.-New York: Prentice-Hall, 1942.-1977 p.

63. Dietrich G. Uber Bewegung und Herkunft des Golfstromwassers//Veroff. Inst.Meeresk.-Berlin, 1937.-H.33.

64. Рооль Г.У.Физика атмосферных процессов над морем.-Л.: Гидрометеоиздат, 1966.-122 с.