Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Пространственно-временная изменчивость и прогноз фронтальных зон Баренцева моря

ВАК РФ 11.00.08, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Пространственно-временная изменчивость и прогноз фронтальных зон Баренцева моря"

Министерство иаухи, высшей школы и технической политики Российской Федерации

ЛЕНИНГРАДСКИЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ И ПРОГНОЗ ФРОНТАЛЬНЫХ ЗОН БАРЕНЦЕВА МОРЯ

11.00.08 океанология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

На правах рукописи

ЧВИЛЕВ Сергей Владимирович

УДК. 551.455

Санкт-Петербург 1991

Работа выполнена на кафедре Динамики океана Ленинградского гидрометеорологического института.

Научный руководитель - доктор географических наук А.И.Угрюмоа.

Официальные оппоненты: доктор физ.-мат. иаук Л.А.Тиыохов,

кандидат географич. наук А.С.Аверкиев.

Ведущая организация - Полярный институт рыбного хозяйства и океанографии (ПИНРО) им. Н.М.Книповича.

Запита диссертации состоится ' 9?* ^¡ейраля 1992 г. в час.

(9О мин. на заседании Специализированного совета Д.063.19.01 в Ленинградском гидрометеорологическом институте по адресу:

195196 г.Санкт-Петербург, Малоохтинский проспект, д.98.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан "2.4" января 1992 г.

Ученый секретарь

Специализированного совета Д.06Э.19.01 доктор географических наук, профессор Ю.ИЛяхин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. В последние годы океанические фронты продолжают оставаться одной из наиболее актуальны* тем исследований. Значительна» дол» публикуемой 8 мире океанологической литературы связана с изучением фронтов.

Баренцево море имеет очень важное значение для жизни вашей страны. Из арктических морей России око эксплуатируется наиболее шлепсивио. В рамках физической океанологии наибольшее научное и прикладное значение имеет изучение фронтальных зон вследствие той ролл, которую оип игранут в жизнедеятельности морских организмов, гидроакустике в морских гидрометеорологических прогнозах.

Такие факторы, как мощное атмосферное воздействие лря сравнительно небольших глубинах моря, интенсивное ледообразование, сгок крупных per в ограниченную по объему юго-восточную часть моря, имеют своим следствием ярко выраженное своеобразие динамики и структуры фронтальных разделок, формирующихся в Баренцевом море.

Наиболее интересно», практически важной, но н паваеяее разработан ной в настоящее время представляется проблема прогноза местоположения крупномасштабных фронтальных зои. Эта проблема, конечно, не ыожет быть решена в одной работе, во в каждом исследования, связанном с изучением связи между ФЗ и тем или иным внешним параметром, необходимо искать пути использования вдпленных закономерностей а деле создания метода прогноза ФЗ.

Целью работы являлось изучение ианблясе крупных фронтальных зон Баренцева моря по дзяким с месячным мпстпбом осреднения от поверхности до дна моря.

По данным крупномасштабных съемок БАРЭКС геекдогаго их расположение к изменчивость на всей ахеяторнн моря яо взаячоевчи.» с во/чшмг ьассами и постоянными течениями. Внутр.!- и межродовая просгрзнстьешш-вре 1е«ная изменчивость фронтальных зон исследована по глубоководным наблюдениям на стандартных разрезах за длительный период времени. Особое внимание уделено изучению изменчивости Полярной фронтальной зоны. Выполнен, анализ связа местоположения Полярной ФЗ с крупномасштабной атмосферной циркуляцией.

Решались следующие задачи:

1) изучение местоположения и изменчивости фронтальных зон на всех стандартных горизонтах в поле температуры, солености и плотности для всей акватории Баренцева моря в сезоны наибольшего и наименьшего теплозапаса.

2) Исследование внутри- и межгодовой изменчивости фронтальных зон по долговременным наблюдениям на стандартных разрезах.

3) Исследование реакции Полярной .фронтальной зоны на изменение показателей атмосферной циркуляции.

Для решения поставленных задач использованы следующие данные.

1) Наблюдения за Т н S в период хрупномасштабиых съемок БАРЭКС в августе-сентябре 1984, 1987 и марте-апреле I98J, 1986 г.

2) Наблюдения за Т и S на III, VI, VIII и XXIX стандартном разрезе с I960 по 1985 г.

3) Месячные индексы АЛ.Каца за 1960-1985 г.

с

В работе использованы статистические методы. Для обработки данных съемок БАРЭКС выполнен объективный анализ. Выделение фронтальных зон осуществлено по значениям горизонтальных градиентов. Полученные по съемкам БАРЭКС количественные характеристики использовались для выделения фронтальных зов на стандартных разрезах. По долговременным наблюдениям на стандартных разрезах вычислены статистические характеристики изменчивости фронтальных зон. Связь между Полярной фронтальной зоной и атмосферной циркуляцией определялась вычислением коэффициентов парной и множественной корреляции между местоположением Полярной фронтальной зоны на III разрезе и индексами Каца. Выполнена оценка возможности прогноза местоположения Полярной фронтальной зоны по линейной регрессионной модели с двумя предикторами.

Научная новизна работы заключается в том, что:

1) ло сравнению с работами других авторов получена более полная и согласованная схема фронтальных зон для всей акватории Баренцева моря. Две из исследованных фронтальных зон выделены впервые.

2) Получены новые физические представления о внутри- и межгодовой пространственно-временной изменчивости ФЗ Баренцева моря. Предложено объяснение обнаруженных особенностей изменчивости ФЗ.

3) Обоснована целесообразность в качестве предикторов местоположения Полярной фронтальной зоны использовать индексы преобладающей атмосферной циркуляции А.Л.Каца.

Практическая значимость работы заключается в том, что полученные новые представления о местоположении и изменчивости ФЗ могут быть использованы при решении многих прикладных задач. Вывод о целесообразности использования индексов А.Л.Каад при разработке метода прогноза местоположения Полярной ФЗ также может найти практическое применение, т.к. карты распределения атмосферного давления гораздо более доступны для пользователей, чем другие метеорологические, и, тем более, океанологические материалы.

На защиту выносятся:

И Характерные особенности, изменчивость и схема расположения фронтальных зон для всей акватории Баренцева моря.

2) Результаты изучения внутри- и межгодовой изменчивости фронтальных зон по наблюдениям на стандартных разрезах.

3) Результаты исследования реакции местоположения Полярной фронтальной зо-иы па изменение атмосферной циркуляции.

Апробация работы.Основные результаты работы докладывались на семинарах в различных научных организациях. По теме диссертации опубликовано 4 работы, в т.ч. во всесоюзном журнале "Метеорология и гидрология."

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Общий объем диссертации (без приложения) составляет ¡14 страниц, включающих 16 таблиц к 25 рисунков. Список литературы состоит из 118 названий пуАткгций. Приложение состоит из 1 таблицы и 15 рисунков, расположенных на з? страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении указаны некоторые наиболее важные достижения к исследовании ФЗ всего Мирового океана. Обосновывается актуальность течы данной днееергаи.ш. Кратко перечисляются задачи исследований, выполненных в данной работе. Перечисляются основные положения каждой из глав диссертации.

В главе I по публикациям последних лет представлен краткий обдар исследований фронтов Мирового океана в целом и анализ работ по фронтам Баренцева моря. В контексте проблем, нерешенных в предыдущих исследованиях, сформулированы за-

дачи данной диссертации. Таким образом указано место данной диссертации в области изучения фронтальных зон всего Мирового океана.

Представления автора об океанических фронтах во многом были сформированы монографией К.Н.Федорова "Физическая природа и структура океанических фронтов", содержащей в себе анализ исследований океанических фронтов, выполненных за несколько предшествующих десятилетий. Термины фронтальная зона, фронтальный раздел и фронт используются в данной диссертации в соответствии с определениями, приведенными в названной монографии. В обзсре публикаций, представленных в главе 1 диссертации, основные выводы и идеи К.Н.Федорова дополнены анализом публикаций самых последних лет, которые не нашли отражение в его трудах.

Следующие представления о фронтальных зонах достаточно полно отражают подход автора диссертации к исследованию фронтальных зон Баренцева моря: фронтальные зоны представляют собой X) границы вод с различными термохалинными характеристиками; 2)границы течений; 3)элементы квазигеострофичесхой турбулентности; 4)области наиболее интенсивного тепломассообмена между соседствующими водами, а также между приповерхностным слоем и глубинной толщей вод океана.

Поэтому по публикациям последних лет, связанных с изучением фронтальных зон всего Мирового океана, данные подходы к исследованию фронтальных зон рассмотрены достаточно подробно.

Далее в главе 1 приводится краткое физико-географическое описание Баренцева моря: в частности, описание водных масс, постоянных течений и внутригодовой изменчивости гидрометеорологических процессов.

Затем представлен анализ работ по фронтальным зонам Баренцева моря. Показано, что хотя термин фронт используется исследователями Баренцева моря более 40 лет, знания об этом явлении постоянно совершенствуются.

В монографии В.К.Агенорова, опубликованной в 1946 г, впервые сказано, что причиной образования фронтов в Баренцевом море является деформационное поле, вызванное особенностями общей циркуляции Баренцева моря и атмосферы над ним.

В 1959 г. на схеме постоянных поверхностных течений Баренцева моря, составленной А.И.Танцорой, впервые указано среднемноголетнее местоположение Полярного фронта на поверхности моря. Выделение фронта производилось по максимальным горизонтальным градиентам величин температуры и солености.

Этим же методом в 1989 г.А.А.Косолапов и И.АЛебедев определили местоположение и количественные характеристики климатических фронтальных зон Баренцева моря по натурным данным специализированных полигонов. В диссертации представлены главные отличия их схемы от представленной ранее схемы А.И. Гшшю-ры, приводятся количественные характеристики климатических фронтальных зон и связанных с ними вихрей и меандров.

В.К.Ожигин для выделения фронтальных зон также использовал значения горизонтальных градиентов гидрофизических параметров. Основу использованных данных составили средние многолетние величины Т в 5, дополненные данными отдельных съемок (прежде всего - данными сентябрьской съемки 19*2 г.). Самостоятельно полученная им в 1989 г. схема положения климатических фронтальных зон Г>а, енцева моря по многим принципиальным результатам согласуется со схемой Косолапова и Лебедева.

В.П.Быстров, В.В.Володин, С.П.Тарадии и др. в 1588 г. выделили фронтальные зоны Баренцева моря с помощью созданного ими программного комплекса. Фронты выделялись по предварительно полученным информативным признакам, основным из которых является вертикальный профиль значений гидрофизического параметра. Авторы представили сезонные карты среднемноголетиего положения главной (полярной) фронтальной зоны на поверхности моря в летний и зимний сезоны для условии "теплого' и "холодного" года.

Анализ виутригояовой изменчивости Полярного фрета <ПФ) выполнен в ¡988 г. М.М.Забрусковой по картам авиатермзсъемок поверхности моря, полученным на самолете ИЛ-14 Управления "Севрыбпромразведка" в октябре-июне 1477-1986 г. (январь не рассматривался вследстянг отсутствия данных по авиа>е;!«осъемке). ПФ определялся по максимальным градиентам температуры и отождестьлялся с положением изотерм 0-2*С. В диссертации достаточно подробно приводятся результаты дачной работы М.М. Забрусховой,

Что касается работ зарубежных океанографов, то была выполнена лишь одна специальная работа по изучению фронтов Баренцева моря. В 1978 г. О.М.Нох^ниесен и Л.А Фостер проверили гипотезу о тесно« связи между местоположением фронта в поле температуры и особенностями рельеф« дна вблизи о.Медвежье!г. Главным итого«

работы было подтверждение того, что положение Полярного фронта в Баренцевом море привязано к внешней части шельфа и, в основном, следует 10р-м изобате.

Из нерешенных проблем исследования ФЗ Баренцева моря для диссертационной работы выбраны три, представляющие наибольший интерес в настоящее время:

1) Исследование местоположения и изменчивости ФЗ в поле температуры, солености и плотности ддя всей акватории Баренцева моря для сезонов наибольшего и наименьшего теплозапаса.

2) Изучение внутри- и межгодовой изменчивости ФЗ в поле температуры, солености и плотности по долговременным наблюдениям на стандартных разрезах.

3) Исследование реакции Полярной ФЗ на изменение показателей атмосферной циркуляции.

В главе 1 исследовано местоположение, характерные особенности и изменчивость фронтальных зон на всей акватории Баренцева моря в период наибольшего и наименьшего теплосодержания.

Сравнение результатов работ различных авторов, представивших схемы среднего местоположения ФЗ Баренцева моря, показало, что, во-первых, они в значительной степени противоречат друг другу, а, во-вторых, некоторые из них противоречат и общепризнанным представлениям о взаимном расположении водных масс Баренцева моря.

Это вызвано прежде всего тем, что обычно для выделения ФЗ привлекается слишком мало физических параметров: либо только температура, либо температура и соленость. На наш взгляд, совершенно необходимо использовать и поле плотности. Это позволяет соотнести местоположение и характеристики ФЗ с постоянными барок-линными течениями и получить более согласованную картину.

Вследствие высказанных выше соображений в работе самостоятельно выделены • фронтальные зоны в поле Т, Б и щ. на всей акватории Баренцева моря для сезонов наибольшего и наименьшего теплозапаса по данным 4 межведомственных океанографических съемок БАРЭКС, выполненных в августе-сентябре 1984, 1987 и в марте-впреле 1985,1986 г. По количеству использованных экспедиционных судов и числу выполненных глубоководных станций на всей площади моря за относительно короткое время эти экспедиции являются, очевидно, уникальными для всего периода изучения Баренцева моря с конца прошлого века.

Предварительно выполнен объективный анализ (ОА) натурных данных, метод и программная реализация которого разработаны в Мурманском филиале ААНИИ в 1989 г. Этот метод ориентирован на области океана, включающие в себя ФЗ. В отличие от стандартного метода оптимальной интерполяции не происходит значительного сглаживания высокоградиентных участков.

В результате выполнения ОА для каждой съемки БАРЭКС для каждого стандартного горизонта наблюдений получены массивы значений Т и Б в узлах регулярной сетки 50x50 км. Значения стг определялись по уравнению состояния-80 по приведенным в узлы величинам Т и 8.

Между узлами вычислены горизонтальные градиенты Т, 5 и ст/.Опытным путем установлено, что к ФЗ следует относить те участки, на которых горизонтальные градиенты превышают средний градиент по всей акватории наблюдений на данном горизонте в 2 раза и более. Используя этот критерий, для каждой съемки БАРЭКС в поле Т, 5 и ег/ построены рисунки местоположения ФЗ на горизонтах 0, 50, 100, 150 и 200 м.

Для получения наглядного представления о вертикальной структуре ФЗ результаты ОА каждой съемки выполнены в виде рисунков распределения Т, Б и а/ на вертикальных разрезах, отстоящих друг от друга на расстоянии 50 км и пересекающих Баренцево .море с юга-юго-запада на север-северо-восток.

Помимо общеизвестных Полярной и Прибрежной ФЗ, расположенных между атлантическими и баренцевоморскими и между прибрежными и атлантическими водами соответственно, выделена ФЗ в системе холодных течений, транспортирующих арктические воды от пролива Макарова (между арх. Земля Франц.!-Г'.\.ифа н о-ми Новая Земля) до о.Медвежий, и ФЗ, образующаяся в результате зимнего конвективного перемешивания вод над Центральной возвышенностью и Новоземельской банкой.

Схема постоянных течений моря полностью согласуется с полученным местоположением ФЗ: перенос арктических вод осуществляется вблизи Арктической ФЗ, атлантических - главным образом вдоль Полярной ФЗ, прибрежных - вблизи Прибрежной ФЗ. Соответственно изопикны Арктической ФЗ имеют наклон к северу. Полярной и Прибрежной - к югу. Ширина фронтальных зон в течение каждой съемки ПАРЗКС составляла не Солее 50 км, что согласуется с представлениями о поперечном масштабе постоянных течений Баренцева моря.

Приводятся подробные количественные характеристики выделенных фронтальных зон.

Показано, что Полярная ФЗ является наиболее мощной в системе ФЗ Баренцева

моря и прослеживается от поверхности до дна, т.е. до глубин в несколько сотен метет

. ров. Значительные градиенты Т и <г< имеют место на фоне достаточно однородного, малоградвектного поля S. Невыраженное» Полярной ФЗ в поле S обусловлена незначительным контрастом в значениях S местных бареицевоморских и приносимых атлантических вод.

Прибрежная ФЗ располагается в 300-километровой прибрежной полосе, над глубинами моря около 100 м, и охватывает, весь столб воды - от поверхности до дна. В поле плотности oiia формируется совместным вкладом Т и S: горизонтальные градиенты Т и S коррелированы здесь отрицательно. При этом вклад S в формирование плотностного фронта существенно больше вклада Т. v

Арктическая ФЗ расположена вдоль потока арктических вод, значения S которых не превышают 3-4.8%,, значения Т - отрицательные ( до -1.9'С >. Летом вследствие . низких значений S арктических вод на поверхности моря - около 33%, - ФЗ очень хорошо выделяется. на фоне прилегающих с юга вод, S которых составляет около 35&,. Как гравило, она располагается в верхнем 100-метровом слое воды, т.е. иа/100-200 м выше дна моря. В северо-восточной части моря, где арктические воды поступают в Баренцево море, она может располагаться и глубже, примерно до горизонта 200 м.

Арктическая ФЗ в поле a¡ обусловлена исключительно градиентами в поле S: корреляция между горизонтальными градиентами Т, S и а/ - положительная, т.е. градиенты Т в данном случае направлены только на некоторое ослабление плотностного фронта. - к.

Стратификация в районе Арктической ФЗ, обусловленная потоком вод пониженной S в приповерхностном слое, сохраняется и зимой, что существенно ослабляет зимнюю конвекцию: к северу от выхода Арктической ФЗ на поверхность моря значения Т повышаются от величин ниже -1.5'С на поверхности моря до -0.5'С у дна. В районе Полярной ФЗ также сохраняется зимой стратификация вод: от 2' на поверхности моря до ГС у дна. В то же время между Арктической и Полярной ФЗ

над подводными возвышенностями отмечалась очень активная зимняя конвекция вод: до образования гомогенного столба воды от поверхности до дна моря.

Такая область, где зимой происходит очень интенсивное конвективное переме-' шившие, выделена как ФЗ Зимней Конвекции. Она расположена на участке протяженностью около 300 км от Центральной возвышенности до Новоземельской банки над глубинами моря менее 200 м и проявляется в поле Т. Во ФЗ Зимней Конвекции происходит интенсивное трансформирование приповерхностных атлантических и арктических вод пониженной плотности в тяжелые баренцевоморские в результате, с одной стороны, охлаждения атлантических вод, с другой стороны, выжимания рассола из льда при замерзании арктических вод. Образованные в приповерхностном слое тяжелые воды Баренцева моря, известные из работ Л.Мидтгуна, стекают вниз именно вдоль ФЗ Зимней Конвекция. В диссертации приводятся ссылки на публикации, подтверждающие очень высокую суммарную теплоотдачу с поверхности моря в этом районе зимой.

Восточный склон Медвежинской банки, западный и северный склон Западного желоба (от 18 до 33" в.д.) - это участок Баренцева моря, где Полярная и Арктическая ФЗ вплотную подходят друг х другу. На тех участках, где температурный фронт, относящийся к Полярной ФЗ, накладывается на соленостный фронт, относящийся к Арктической ФЗ, отмечается вырождение фронта в поле плотности: на перекрывающихся участках изопиккы горизонтальны, т.е. температурная и соленостная компоненты изменения плотности полностью компенсируют друг друга.

Атлантические воды поступают в Баренцево море не только через юго-западную границу моря, но и через северные проливы, главным образом по желобу Франца-Виктория, вытянутом вдоль 40* в.д.. Над участком с перепадом глубин от 200 до 300 м (79-79" 30* с.щ„34-50- в.д.) атлантические воды встречаются с баренцевоморсккми, я в слое воды от 100-150 м до дна (около 250 м) имеет место ФЗ, названная и диссертации Придонной Полярной. Такое название выбрано, с одной стороны, чтобы указать на расположение данной ФЗ в придонном woe воды, а, с другой стороны, чтобы указать на то, что она, как и Полярная ФЗ, расположена на границе между атлантическими и барекцевоморскими ьодами. При этом поле <ii в Придонной Полярной ФЗ формируется, в отличие от Полярчой ФЗ, соленостью: значения 'Г, Ь и <ц здесь возрастают в направлении ко дну.

Сравнение с публикациями других авторов показало, что в результате работы,

представленной в главе 2, удалось получить более полную и согласованную картину

ч

фронтальных зон Баренцева моря.

Обобщенная схема местоположения основных ФЗ Баренцева моря представлена на фоне изобат. Из нее видно, что Полярная и Арктическая ФЗ разделены Центральной возвышенностью, Центральным желобом и южной частью Новоземельской банки. Это объясняется тем, что именно на этих участках в зимнее время происходит наиболее интенсивное образование и накопление баренцевоморских вод, разделяющих Полярную и Арктическую ФЗ.

Для всей акватории моря исследованы некоторые особенности внутри- и межгодовой изменчивости фронтальных зон. Пространственная изменчивость фронтальных зон исследовалась по расположению осей ФЗ на горизонтах 0, 50, 100 и 200 м, изменчивость вдоль оси ФЗ - по распределению значений горизонтальных градиентов.

Наибольшей пространственной изменчивостью обладает Арктическая ФЗ на поверхности моря. Область моря, внутри которой перемещается Арктический фронт в течение года, имеет веерообразную форму: вблизи о.Медвежьего, над свалом глубин, . смещение минимальное, в северо-восточной части моря - максимальное. Расстояние между зимним и летним местоположением оси фронта в северо-восточной части моря составляет до 500 км в верхнем 50-метровом слое и около 300 км на горизонте 100 м. Это связано, в первую очередь, с перемещениями кромки льда: летом сдвиг на север и кромки льда, и фронта максимален, зимой - минимален. При этом межгодовая изменчивость местоположения Арктического фронта в одни и те же сезоны существенно ниже, чем внутригодовая, и составляет не более 250 км.

Для Полярной ФЗ такого очевидного внутригодового изменения местоположения оси не отмечалось. Внутригодовая тенденция смещения Полярной ФЗ в период съемок " БАРЭКС оказалась различной на разных горизонтах. Внутри- и межгодовое перемещение ФЗ были вполне соизмеримы друг с другом. Колебания Полярной ФЗ относительно своего среднего местоположения очень отличаются от одного участка моря к другому. При этом минимальные перемещения оси ФЗ в поле плотности, в пределах расстояния между узлами (50 км), имели место над юго-восточным склоном Медве-жннекой банки. На остальной части моря амплитуда поперечных колебаний Полярной ФЗ относительно своего среднего местоположения составила 150-200 км.

Прибрежная ФЗ, так же как и Полярная, не имеет определенной тендении взаиморасположения фронтов зимой и летом: внутригодовая и межгодовая изменчивость примерно одинаковы. Амплитуда поперечного смещения Прибрежного фронта составляет около 200 хм.

Наиболее ярко внутригодовая изменчивость горизонтальных градиентов (ГГ) гидрофизических параметров проявляется в Арктической ФЗ: величины летних ГГ S и а» в 3-6 раз превышают значения зимних на тех же участках моря. В Полярной ФЗ летние ГГ на большей части акватории также превышают зимние. Превышение зимних ГГ над летними в Полярной ФЗ имело место в Западном желобе на участке вблизи координат 74* с.ш.,28" в.д. В Прибрежной ФЗ не наблюдалось какой-либо однозначной внутригодовой изменчивости значений ГГ.

Амплитуды внутри- и межгодовых изменений значений ГГ в Прибрежной ФЗ сопоставимы между собой и составляют до 0.0095U <усл.ед^/>/км. Амплитуда межгодовых изменений ГГ Арктической ФЗ существенно ниже Бнутригодовых: межгодовая - до 0.004X« <усл.ед.(?|)/км, внутригодовая - до 0.010%» (усл.едл,)/км.

В работе Л.Мидттуна 1990 г по натурным наблюдениям в 1977- 1987 г показано, что межгодовые изменения величин Т поступающих в Баренцево море атлантических вод на участке между 7Р30'-73*30'с.ш. з слое 50-200 м превосходят внутригодовье изменения. Т.к. Полярная ФЗ тесно связана с атлантическими водами, можно предположить, что межгодовая изменчивость значений ГГ Полярной ФЗ не только соизмерима, но и превосходит впутригодовые изменения.

В главе 3 рассмотрена внутри- и межгодовая изменчивость фронтальных зон по длительным наблюдениям на стандартных разрезах моря. Особое внимание уделено изучению наиболее мощной фронтальной зоны - Полярной.

Баренцево море относится к тем немногим районам Мирового океана, для которых накоплены длительные ряды наблюдений на фиксированных стандартных разрезах: наблюдения на основных разрезах выполняю,-ся здесь уже десятки лет, а иа Кольском разрезе - почти век, с 1900 г., поэтому для Баренцева моря возможно выполнить статистическое исследование по долговременным наблюдениям.

Целью работы, изложенной а главе 3, было изучение внутри- и межгодовой .изменчивости фронтальных зон на основании данных по температуре (Т) и солености (S) на стандартных гидрологических разрезах, на которыч накоплены достаточно .ни-

тельные рады наблюдений. Это разрез м.Нордхап-о.Медвежий (111 разрез), Кольский (VI) разрез, Харловсхий (VIII) разрез и широтный (XXIX) разрез, расположенный на широте 74'30'.

Эти разрезы пересекают 3 наиболее крупны« фронтальные зоны Баренцева моря: Полярную, Арктическую и Прибрежную. Из представлений, полученных в главе 2 о том, что физические характеристики одних и тех же фронтальных зон на западе, в центральной части и на востоке моря имеют достаточно близкие значения, следует, что результаты исследования изменчивости фронтальных зон на стандартных разрезах можно, вероятно, отнести ко всей акватории Баренцева моря.

Перед исследованием изменчивости фронтальных зон было определено между какими станциями стандартных разрезов проходят фронтальные зоны, какие именно это фронтальные зоны, каков относительный вклад S в формирование плотностных фронтов по сравнению с вкладом Т.

Для решения этих задач использованы материалы батометрических съемок, выполненных в июне-июле 1975-1985 гг., и месячные нормы Т, S и а/, вычисленные по наблюдениям за 1958-1975 гг, на III, VI и XXIX разрезах.

Выделение и идентификация фронтальных зон выполнены по повышенным горизонтальным градиентам величин гидрофизических параметров и характеристикам фронтальных зон, представленным в главе 2. Отношение соленосткого сжатия к температурному расширению для выделенных ФЗ определялось как отношение значения частной производной уравнения состояния по S, умноженного на перепад S поперек фронта, к значению частной производной уравнения состояния по Т, умноженному на перепад Т поперек фронта.

На достаточно небольшом участке III разреза, между ст.7-10, выделены 2 фронтальные зоны - Полярная и Арктическая. Подтвержден вывод главы 2 о том, что Полярная ФЗ является прежде всего температурной, Арктическая ФЗ - солеиостной. Как отмечалось в главе 2, на участках между Полярной и Арктической ФЗ градиенты Т и S полностью компенсируют друг друга, что приводит к уменьшению горизонтальных градиентои в поле о/ практически до О. На Ш разрезе это наблюдалось наиболее часто между ст. 8-9.

Интересным представляется расположение фронтальных зон на VI разрезе, между ст. 5-6, где верхняя и нижняя половина ьысокоградиентной зпии а поле oj С1язаны

с 2 разными ФЗ: в верхнем 100-метровом слое располагается соленостная Прибрежная ФЗ, от горизонта 200 м до дна, находится южный участок температурной Полярной ФЗ.

От придонных горизонтов между ст.5-6 VI разреза Полярная ФЗ "поднимается" в северном направлении: между ст.8-9 она располагается от 150 м до дна, между ст.Ю-П - от 30 м до дна. На всем протяжении разреза в Полярной ФЗ температурное расширение в несколько раз превышает соленостное сжатие. При этом между ст.5-6 величина отношения - положительная, а между ст. 10-11 - отрицательная, т.е. в первом случае градиенты плотности создаются как температурными, так и соле постным и градиентами, а во втором случае - превышением величины температурного расширения над сОленостным сжатием. По этой причине горизонтальные градиенты на участке Полярной ФЗ между ст.5-6 существенно больше, чем между ст. 10-11. Различие знаков корреляции между горизонтальными градиентами Т и Б в данном случае связано с тем, что, ядро поступающих атлантических вод, имеющих максимальную Б 35.0035.05%, , находится примерно между ст.8-10, при этом значения Т уменьшаются от 5 к И станции, поэтому между ст.5-6 горизонтальные градиенты Т и 5 воздействуют на изменение поля плотности однонаправленно, а между ст.10-11 - разнонаправленно.

Для Прибрежной ФЗ обращает на- себя внимание хорошо выраженная внутриго-довая изменчивость величин отношения температурного расширения к соленостному сжатию между ст.1-2 III и VI разрезов: отношение отрицательно а холодное время года и положительно - в теплое. На наш взгляд, это связано с сезонным охлаждением (нагреванием) вод, примыкающих к побережью материка. На южных участках данных разрезов горизонтальные градиенты температуры в направлении моря- положительные зимой и' отрицательные летом. Т.к. при этом горизонтальные градиенты солености в том же направлении положительны в течение всего года, то знаки величин о.ношения температурного расширения к соленостному сжатию изменяются о г зимы к лету.

Анализ зависимости выделенных фронтов от рельефа дна показал сильную зависимость от топографии прежде всего горизонтальных градиентов Т. В большинстве случаев знак горизонтальных градиентов Т соответствовал знаку тещс.'И'чи пзмсш'ь'иу глубины моря, т.е. рсльсЬ потерхкосш фронтального раздела в иоле Г пмвюрчл рельеф дна.

Зависимость плотностных фронтов от топографии дна имела место лишь над южным склоном Медвежинской банки, где наклон дна очень велик.

Сравнение внутригодовой изменчивости среднего взвешенного значения горизонтальных градиентов Т, S и <7/ для всего разреза в слое 0 м-дно с внутригодовой изменчивостью расходов воды через разрез м.Нордкап-о.Медвежий, показало, что изменчивость значений градиентов , всех гидрофизических параметров (прежде всего- а,) га Ш, VI и XXIX разрезах, сходна с внутригодовой изменчивостью поступления воды: наименьшие горизонтальные градиенты и расходы воды отмечаются весной, наибольшие - осенью.

Подробно исследована виутригодовая изменчивость значений градиентов на участках фронтальных зон. Как и в целом для разрезов, на участках фронтов изменчивость градиентов о, схожа с ходом поступления воды: градиенты о/ - наименьшие веской к наибольшие осенью. Лишь минимум градиента Прибрежного фронта вдоль Мурманского течения (разрез 111, ст.5-6) оказался сдвинутым на февраль, а максимум градиента южной части Арктического фронта (ст.У-10, разрез III) имел место t августе.

Изменчивость горизонтальных градиентов Т и S во фронтах также имеет хорошо выраженный годовой ход. Tax, на III разрезе градиент S Прибрежного фронта (ст. 1-2) имеет годовой минимум в марте, а максимум - а декабре; градиент S Арктического фронта (ст.9-10) имеет минимум в мае, максимум - в августе. Градиент Т на участке Прибрежного фронта, расположенного на III разрезе, минимален в апреле, максимален - я ноябре. Горизонтальный градиент S участка Арктического фронта, пересекающего XXIX разрез <cr.l-3>, имеет наименьшие значения в марте-мае, наибольшие - в октябре. Градиент Т Прибрежного фронта, расположенного вдоль Мурманскою течения (VI разрез, ст.5-6), имеет минимум годового хода в январе и июне и максимум - в октябре.

Интересной особенностью внутригодовой изменчивости горизонтальных градиентов Т • Арктическом фронте является то, что ее ход противоположен годовому ходу горизонтальных градиентов о» н поступления атлантических вод: наименьшие градиенты Т отмечались здесь • октябре-ноябре, наибольшие • в марте-апреле.

Ллs участка Прибрежного фронта VI разреза между ст. 1-2 кривая абсолютных uu4<H«i горизонтальных грииснто» Т имеет максимумы а апреле и сентябре н ми-

кямумы в июне-июле и декабре. На этом же участке наименьшие градиенты S отмечаются з феврале, а наибольшие - в июле.

Представлено объяснение почему на Медвежинском мелководье и вблизи Кольского залива имеют место указанные особенности изменчивости градиентов Т и S,

В S 3.3 представлены результаты исследования внутри- и межгодовой изменчивости Полярной фронтальной зоны (ПФЗ),

В работе использованы натурные наблюдения за Т и S на III, VI и VIII разрезах за 1960-1980 гг. Для мая-июля ряд был дополнен данными наблюдений на Ш и V! разрезах в 1981-1986 гг.

Выделение ПФЗ осуществлено по характерным признакам, указанным в главе 2. Чтобы ослабить сезонные и короткопериодные флюктуации, выделение ПФЗ производилось в целом для верхнего 100-метрового слоя воды: для каждой сьемки были вычислены средневзвешенные величины горизонтальных градиентов гидрофизических параметров внутри ПФЗ и средневзвешенные величиныч местоположения ПФЗ в слое 0-100 м, по которым затем были вычислены средние значения и среднеквадратичные отклонения (а).

Учитывая большую инерционность 100-метрового слоя воды и исходя из того, что океанологические съемки разрезов осуществлялись в среднем один раз в месяц, принято, что каждая натурная съемка характеризует ПФЗ за весь месяц, несмотря на то, что съемка всего разреза занимает 2-3 суток.

Результаты вычислений сгруппированы по месяцам. Вследствие незначительного количества съемок в отдельные месяцы мы вынуждены были вычислять средние значения и а не для отдельно взятого месяца, а для трех смежных месяцев, и относить полученные значения к среднему месяцу. Например, величины, представленные ais января, вычислены по соответствующим данным декабря-февраля; величины, представленные для февраля, вычислены по данным якваря-марта. Такая технология вычислений использована для всех месяцев года. Таким образом получались сглаженные ряды средних значений и о, из которых автоматически исключены короткопериодные колебания. *>J

Для каждого разреза в качестве^ параметра местоположения ПФЗ выбрано расстояние L от участка пересечения северной кромки ПФЗ с осью разреза до некоторой

реперной станции на этом разрезе. В качестве реперных выбраны станции, ближайшие к среднему многолетнему местоположению северной кромки ПФЗ.

На III разрезе это станция 9, на VI - станция 11, на "VIII - станция 8. Северная кромка ПФЗ в среднем пересекает III и VIII разрезы между 8 и 9-й станцией, а VI - между 11 и 12-й.

Среднегодовые значения горизонтальных градиентов Т и а/ уменьшаются от Ш к VIII разрезу: от 0.09'С/км и 0.005 ед.плотности/км до 0.02'С/км и 0.002 ед.плот-ности/км. Но вследствие увеличения расстояния между станциями от III разреза к VIII нельзя говорить о размывании ПФЗ в восточном направлении, т.к. уменьшение градиентов пропорционально увеличению расстояния между станциями.

Согласно величине коэффициента асимметрии распределение L на III разрезе близко к нормальному. Этот вывод важен для процедуры корреляционного анализа L на Ш разрезе и индексов атмосферной циркуляции, которая описана в f 4.1.

Интересным представляется результат, полученный для внутригодовой изменчивости местоположения ПФЗ (L). Для всех разрезов получено, что максимальное проникновение ПФЗ на север имеет место в марте-апреле, т.е. в период максимальной деловитости Баренцева моря. Факт максимального смещения ПФЗ на III разрезе к северу в феврале-марте отмечен н при анализе фронтальных зон по месячным нормам Т и S.

Это подвергает серьезному сомнению вывод М.М.Забрусковой <1988 г.) о том, что существующая сезонность в смещениях ПФЗ подобна изменению местоположения кромки льда: с началом сезонного прогрева и таяния льда ПФЗ движется на север, а с началом процессов осенне-зимней конвекции отступает на юг.

В §4.1 показано, что перемещение ПФЗ зависит от крупномасштабной циркуляции атмосферы в предшествующие месяцы, и максимальное северное местоположение ПФЗ весной обусловлено зимней (наиболее интенсивной в течение года) циркуляцией атмосферы.

В контексте анализ;, взаимосвязи между смещением ПФЗ на север и значениями горизонтальных градиентов гидрофизических параметров предложено 2 варианта объяснения того, что ьсснпн продвижение ПФЗ на север максимально, а значения градиентов Т И Oí минимальны.

Среднеквадратичное отклонение (о) горизонтальных градиентов уменьшается, а среднеквадратичное отклонение местоположения ПФЗ увеличивается от 111 к VI и VIII разрезу. Это обусловлено изменением уклона дна, уменьшающегося от III к VIII разрезу. Поэтому на III разрезе ПФЗ "привязана" к одному месту более жестко, чем на двух других разрезах, и возмущения, возникающие внутри ПФЗ по той или иной причине, на участке III разреза находят выход прежде всего в изменении горизонтальных градиентов, а на VI и VIII разрезах - в перемещении оси фронтальной зоны.

Анализ связи между горизонтальными градиентами и их среднеквадратичными отклонениями показал, что меньшим абсолютным значениям горизонтальных градиентов соответствуют меньшие среднеквадратичные отклонения и наоборот, т.е. ослабленная ПФЗ более стабильное образование, чем обостренная ПФЗ.

. В главе 4 исследована реакция участка Полярной фронтальной зоны, пересекающего III разрез, на изменение преобладающей атмосферной циркуляции.

III разрезе выбран по двум основным причинам: 1) в отличие от остальных разрезов, на участке пересечения ПФЗ с III разрезом расстояния между станциями достаточно небольшие и составляют 10-15 миль (главным образом - 10 миль); 2) ПФЗ локализована над участком дна, имеющим примерно одинаковый наклон, поэтому исследователь избавлен от необходимости учета возмущений, связанных со сложностью топографии.

Параметрами, имеющими явную физическую связь со смещением ФЗ, являются показателя крупномасштабной атмосферной циркуляции над Северо-Европейским бассейном.

Факт очень сильного воздействия атмосферной циркуляции на режим постоянных течений Баренцева моря единодушно подтверждается в работах А.И.Таицюры (1973),, В.Н.Морецкого, С.И.Степанова (1974), В.В.Денисова <1985) и Г.К.Зубакина (1987). Интенсивность атмосферного воздействия связана как с тем, что через Баренцево море в осенне-зимнее время проходит траектория мощных циклонов, так и со сравнительно небольшими глубинами моря (средняя глубина - 222 м), что способствует развитию дрейфовой циркуляции в осенне-зимнее время во всем столбе воды на многих участках моря.

В дополнение к этому К.В.Кондратович (1976) указал, что с атмосферной циркуляцией над Северной Атлантикой тесно связан и термический режим Баренцева моря.

В диссертационной работе в качестве показателей атмосферной циркуляции выбраны индексы АЛ.Каца, т.к. они являются интегральными показателями циркуляции атмосферы на больших участках и удобны для решения задач сопоставления метеорологических и океанологических характеристик с шагом во времени 1 месяц.

Для определения связи между местоположением ПФЗ и атмосферной циркуляцией для каждого месяца были вычислены коэффициенты парной корреляции между местоположением ПФЗ (Ь) и индексом преобладающей меридиональной циркуляции Гм через широту 70*с. между 10-30'в.д. и между Ь и индексом преобладающей зональной циркуляции J'з через меридиан 0" между 70-80'с.пг., а также коэффициент множественной корреляции между I и вышеназванными индексами У л/ и Уз-

Наибольшие по абсолютной величине коэффициенты парной корреляции имеют место в осенне-зимнее время. При этом коэффициенты корреляции, абсолютные значения которых превышают критические значения, положительны, как правило, для пары Л и Ум и отрицательны для С и Уз- Т.е. смещение ПФЗ на север обусловлено преобладанием южных и восточных переносов воздуха, смещение ПФЗ на юг обусловлено преобладанием северных и западных переносов.

В диссертации предложена гипотеза объяснения такой реакции ПФЗ в. исследуемом 100-метровом слое воды на воздействие атмосферной циркуляции, основанная на полном Экмановском переносе.

Установлено, что меридиональные переносы воздуха сильнее воздействуют на перемещение оси ПФЗ, чем зональные переносы. Т.к. исследуемый участок ПФЗ расположен почти перпендикулярно к меридиональной составляющей потока воздуха, указанная выше закономерность вполне соответствует существующему представлению о том, что наибольшие смещения оси фронтальной зоны связаны с поперечными потоками воздуха.

И для зональной, и для меридиональной циркуляции временной сдвиг между преобладающей циркуляцией У и местоположением ПФЗ I. исчезает в период мак-СИМ.1ЛЫ10Й циркуляции атчисферы: синхронна? связь между У\\ и 1. имеет место к дгклпрс-мартс. а между ; и I- - ц ноябре-декабре. В эти время более ьысокие

коэффициенты корреляции отмечаются между J'э и Ь. Это соответствует тому, что в Баренцевом море, согласно работе В.Д.Бойцова (1989), в ноябре-апреле интенсивность зонального воздухообмена превосходит интенсивность меридионального в 1.2-1.3 раза.

С результатами работы В.Д.Бойцова согласуется также отмеченный в главе 3 факт максимального Сдвига-ПФЗ к северу в марте-апреле. Т.к. смещение оси фронтальной зоны на север вызывается южным и восточным переносом воздуха, то отме-' ченные в работе В.Д.Бойцова максимальные южные и восточные потоки, имеющие место зимой, приводят к тому, что через 1-3 месяца, т.е. в марте-апреле, ПФЗ оказывается максимально сдвинутой к северу.

Наиболее дальней по времени оказалась связь между Ум в июне-июле и Ь в осенние месяцы. Этой связи соответствовали наибольшие коэффициенты корреляции, имевшие место при временном сдвиге от -3 до -5 месяцев. Анализ этой особенности показал, что меридиональная циркуляция в течение лета воздействует однонаправлен-но на водную поверхность, что оказывает более существенное влияние на перемещение ПФЗ, чем интенсивное, но разнонаправленное воздействие воздушных переносов в осенние месяцы.

Для разработки метода прогноза ПФЗ обнадеживающим результатом представляется то, что значимая связь между наблюдением атмосферной циркуляции и перемещением ПФЗ » осенне-зимний период сохраняется при сдвиге в о времени от 1 до 5 месяцев: соответствующие коэффициенты множественной линейной корреляции между местоположением ПФЗ и обоими индексами Каца составляют до 0.88.

В работе, описанной в § 4.2 , предпринята попытка прогнозирования местоположения ПФЗ на И! разрезе в слое 0-100 м на основании представленных в § .4.1 значений коэффициенте» корреляции. Подчеркнуто, что эта попытка - не более чем проверка (в первом приближении) гипотезы о возможности предсказывать местоположение ПФЗ по показателям атмосферной циркуляции.

Прогноз осуществлялся для независимых данных о местоположении фронтальной

зоны (Ц. Термином независимые названы значения Ь, которые не использовались

"Л

при вычислении коэффициентов корреляции, представленных в § 4.1.

Независимые значения L определены по данным наблюдений за температурой и соленостью на Ш разрезе в январе 1985, апреле 1986, сентябре 1987, октябре и декабре 1989, январе, феврале и апреле 1990 г.

Вычисление прогностических значений местоположения ПФЗ осуществлялось по линейной регрессионной модели с двумя предикторами, где предиктантом являлся параметр L, представляющий собой расстояние вдоль III разреза от ст.9 до северной кромки Полярной фронтальной зоны, а предикторами - индекс преобладающей меридиональной циркуляции и индекс преобладающей зональной циркуляции }'з-Всего с различной временной заблаговременностью выполнено 11 прогнозов.

Вследствие того, что расстояния между станциями на III разрезе не одинаковы, прогностические величины местоположения Полярной ФЗ на III разрезе получены в километрах, а затем полученные расстояния переведены в "промежутки между станциями*, т.к. точность определения местоположения фронтальной зоны объективно ограничена "шагом" между станциями. Оправдываемость прогнозов по месту расположения ПФЗ оценивалась по. значениям Ц представленным в "промежутках между станциями". Она составила 64%.

Оправдываемость климатического прогноза составила 54%.

Т.е. результат прогнозирования местоположения ПФЗ с использованием индексов преобладающей атмосферной циркуляции оказался несколько лучше по сравнению с климатическим прогнозом, что подтвердило гипотезу о целесообразности использования с качестве предикторов перемещения Полярной ФЗ показателей атмосферной циркуляции.

В Заключении формулируются основные выводы работы.

Использование объективного анализа для обработки натурных данных крупномасштабных съемок ЬДРЭКС позволило получить более полную и согласованную картину фронтальных здн для всей акватории Баренцева моря для сезонов наибольшего и наименьшего теплосодержания. Помимо общеизвестных Полярной и Прибрежной ФЗ выделена Арктическая ФЗ в системе холодных течений, транспортирующих арктические воды от пролива Макарова (между арх. Земля Франид-Иосифа и о-ми Новая Земля) до аМсдвсжий, и ФЗ, образующаяся в результате зимнего конвективного пс-ремегдимння вод и.тд Центральной возвышенностью и Новоземельской банкой. Нее-

ледованы некоторые особенности внутри- и межгодовой изменчивости фронтальных зон для всей акватории Баренцева моря.

Исследование фронтальных зон по наблюдениям на стандартных разрезах в южной-юго-западной части Баренцева моря за длительный период времени показало, что вклад солености в формирование поля плотности примерно равен вкладу температуры. При этом плотиостные фронты образуются, как правило, под воздействием либо температуры, либо солености. Формирование плотностных фронтов в результате совместного влияния Т и 8 отмечается сравнительно редко. Значение отношения температурного расширения к соленостиому сжатию значительно больше I в Полярной и меньше 1 в Арктической и Прибрежной ФЗ, т.е. горизонтальные градиенты а, в Полярной ФЗ формируются главным образом температурой, а в Арктической и Прибрежной - соленостью.

Представление о топографической природе блренцевоморских фронтов справедливо в основном для участков с обостренными градиентами Т, плотности ые фронты менее тесно связаны с рельефом дна.

Обострение фронтов в южной-юго-западной части .Баренцева моря обусловлено динамическими процессами, происходящими в этой части моря. Внутригодовая изменчивость горизонтальных градиентов о/ практически полностью повторяет изменчивость интенсивности течений: наименьшие величины отмечаются весной, наибольшие -осенью.

На большей части акватории' горизонтальные градиенты Т и 8 обладают такой же внутригодовой изменчивостью, что и горизонтальные градиенты 01, Свои особенности имеют изменчивость температурных градиентов в Архтическом фронте вблизи о.Медвежий и соленостных градиентов в Прибрежном фронте вблизи Кольского залива.

Максимальное проникновение на север Полярной фронтальной зоны в южной-юго-западной части Баренцева моря имеет место в марте-апреле, т.е. в период максимальной деловитости моря. Это связано с особенностями крупномасштабной атмосферной циркуляции.

Согласно результатов корреляционного анализа, в качестве предикторов местоположения Полярной фронтальной зоны возможно использовать индексы преобладающей атмосферной циркуляции АЛ.Каца.

Оценка прогностических возможностей найденных связей на независимых данных, основанная на линейной регрессионной модели с двумя предикторами, показала, чго выполненные расчеты имеют уровень оправдываемое™ несколько выше по сравнению с климатическим прогнозом . Т.к. карты распределения атмосферного давления гораздо более доступны для пользователей, чем другие метеорологические, и, тем более, океанологические материалы, представляется, что при разработке метода прогноза местоположения Полярной ФЗ целесообразно использовать и индексы А.Л.Ка-да.

Основные результаты работы представлены в следующих публикациях:

1.3уев А.Н., Лебедев И.А., Чвилев C.B. Исследование фронт, зон Баренцева моря с помощью специализированного метода объективного анализа.// Современн. проблемы промысл, океанологии: Тезисы докладов VIII Всесоюзной хонфер. по промысловой океанологии.- Л., 1990.- С.309-310. -

2.Чвилев C.B. Поиск промысловых скоплений скумбрии в Норвежском море по распределению температур воды.// Гидрометеорология, процессы в промысл, районах Северной и Южной Атлантики: Сб. научи, трудов (межвузовский).- Л.: ЛПИ, 1987.-Вып.99,- С.65-68.

З.Чвилев C.B. Гидрологические фронты юго-западной части Баренцева моря и их внутригодовая изменчивость.// Гидрология Южи. океана и Сев. Атлантики: Сб. каучн. трудов (межвузовский).- Л., 1990.- С.101-116.

4.Чвилев C.B. Фронтальные зоны Баренцева моря.// Метеорология и гидрология.- 1991,- Вып. 11- С.103-108.

С.В.Мьа/

Ротя.ААНИИ.Злк.04-100 ЖМИ.« y4.uuut.lf0