Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Пространственно-временная изменчивость меридионального переноса тепла в мировом океане

ВАК РФ 11.00.08, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Пространственно-временная изменчивость меридионального переноса тепла в мировом океане"

ГОСУДАГСТЕЕНКЫЛ КОМИТЕТ FCK? ПО ДЕЛАМ НАУКИ К ЕЬ'СШНЯ ШКОЛЫ

ПТиТЛТРО л Tnvm ГГАТШГГЛТЛ.'ГТ T.ÍT '/Т

JlXu lUXX XX X n^'jiUifl X /Lj-y*. Uiï^i-i A -UVw'i. U'l/iVX ) X "luUiJJl JUi^i nu X

Ka правах рукоп::е::

!J-rnr ^СЛ 1 CO p/'^ßlj.'JßRxORK^

гтрр^-т p др^ ВЕЧНО- ü?E\!EHHA? 112\{ЕНЧ; ÍE-'^O^ Ь

i. Í. . U*-/» Uu

Автореферат Ц«!СС t рТЗЦ1"1 H cl CO ¡*C K3.HIÎÇ уЧЭКОЗи С T<? Пс H¡' КЗ H Д ИЛ ST S , Г1 S О л* p S^I Í ^îb С bu IX К с* у К

эн;:кгр?

Работа Еыполкена б Ленинградском гидрометеорологическом институте.

ЕаУЧНЬД РУКСВОДИТеЛЬ -

доктор физико-математических наук, профессор Каган Е.Л.

Официальные оппоненты -

доктор географических наук, профессор Суставов Ю.В., кандидат физико-математических наук, Сафрай А.С.

Ееду^дя организация -

Государственный гидрологический институт (отдел исследования изменения климата и влагооборста в атмосфере).

2аз?:та состоится «/5»ию»Л 1391г. з ¿0°часов на заседании специализированного совета Д. 063. 13.01 Ленинградского гидрометеорологического института.

С диссертацией можно ознакомиться в научной. библиотеке Ленинградского гидрометеорологического института.

Отзывы е деух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять ученому секретаря по адресу: 195195, Ленинград, Малссхтияскпй пр., 98, Ленинграде:-..:;» гидрометеорологический институт.

¿втерефэрат разослан «^С » 1991г.

Ученей секретарь доктор химических наук,

специализированного совета,Ляхин ¡0.11

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы.

Меридиональный перекос тепла з океане остается одним из наименее изученных элементов глобального климата. На первый взгляд этот тезис может показаться несколько неожиданным, особенно если учесть, что о меридиональном переносе тепла в океане известно не так уж мало. В частности, известно, что меридиональный перенос тепла в системе океан - атмосфера ори-ек.провал к полюсам, что такая era сриентирация есть следствие преобладания приходящей коротковолновой солнечной радиации над уходящим длинковоляозым излучением в низких широтах и обратного соотношения между этими потоками з высоких широтах, что меридиональный перенос тепла в океане соизмерим с меридиональным перекосом тепла в атмосфере и что, наконец, меридиональные переносы тепла в океане и атмосфере имеют совершенно различную природу; максимальные значения меридионального перекоса тепла в океане приурочены к низким -шротам, где меридиональные градиенты температуры воды сравнительно невелики, тогда как максимальные значения меридионального переноса тепла в атмосфере сосредоточены в умеренных широтах, в области наибольших мерпдпональ— ных градиентов температуры водуха.' Тем не менее большой разброс

Outn^T^, 11UJ1 ^ "iCnMtA Рcic J i 1.irjiiluI dciu^iiwl , JT1 liuitil llujmwfcf UlLj k.

ствие сведений о сезонной изменчивости свидетельствует о недостаточной изученности меридионального. переноса тепла в океане.

Поэтому перед автором настоящей работа были поставлены следующие задачи:

1) рассчитать пространственное распределение и воегтано-

HiSTBtn

ilBJ It

J J !"

..:!г'.1И» 1 Отдел u свртядий1;

аить сезонную изменчивость теплосодержания в деятельном слое отдельных океанов и в Мировом океане'в целом;

2) получить оценки пространственно-временной изменчивости меридионального перекоса тепла в отдельных океанах и в Ун-ровом океане в целом, используя информация о результирующем потоке тепла на поверхности раздела океан-атмосфера и скорости изменения теплосодержания в деятельном слое океана;

3) исследовать чувствительность найденных оценок меридионального переноса тепла в океане к изменению исходной информации*

Научная новизна работы заключается в следую1цем;

- впервые рассчитана сезонная изменчивость меридионального переноса тепла (■МЕГ ) в Мировом океане в целом;

О

- 'впервые выполнен расчет пространственно-временного распределения МИГ в Атлантическом, Тихом и Индийском океанах;

О

- исследована чувствительность полученных оценок МНТ к

О

изменению результирующего потока тепла на поверхности раздела океан-атмосфера.,

Практическая ценность работы состоит в том, что полученные в ней оценки меридионального переноса тепла в океане могут быть использованы для калибровки моделей общей циркуляции океана и исследования реакции системы океан-атмосфера на внешние (и в том числе антропогенные) воздействия.

Апробация работы. Результаты работы были доложены на IX конференции болгарских аспирантов в СССР "Наука в стратегии ускорения" ( ЬЬзскза, 1987 ), I Всесоюзной школе-семинаре " Актуальные проблемы океанологии " ( Ленинград, 1937 ) и на семи-

- Б -

\ нарах кафедры динамики океана - ЛГМИ.

Публикации, По теме диссертации опубликовано пять работ. Структура и объем ■ работы. Диссертация состоит из введения, пяти глаз, заключения и списка используемой литературы. ■Общий объем диссертации составляет 12 d с., в том числе 11 с. машинописного текста, . 5 таблиц, 4 9 рисунков. Список используемой литературы содержит 7 5 наименований.

ОСНОВНОЕ С0ДЕР2АЕИЕ РАБОТЫ

Ео введении обоснована актуальность темы диссертации, а

также указывается цели к задачи диссертационной работы.

В первой глазе обсуждаются существующие методы расчета

меридионального переноса тепла ( МНТ ) в океане. Показано,

О

что ¡¿КГ можно определить либо по данным о температуре и ме-

0

ридиональной составляющей v скорости течения в океане

•к Г к т

ИНГо = JKJ J a COS * а 1 TV - . <D

где T - температура зоды, Н - глубина океана, у - верти-

• кальнсе смещение свободной поверхности океана, к - коэффициент

Я

горизонтальной турбулентной диффузии тепла, j>c - объемная теплоемкость морской воды,Л- долгота, "f- широта, а - радиус Земли; либо как разность среднего зонального результирующего потока С q ] тепла на.поверхности раздела вода-воздух "и срег«ей зональной скорости изг.-'нения "зплосодержания С Q ] деятельного

- 8 -слоя океана, т.е.

0 Г Зшз

ШТ « 1ИТ + (Сдз--)Цf)adff (2)...

О О о о

о * . . где МИГ - меридиональный перенос тепла в океане на не-0

которой отсчэтной сироте Ц ^) - зональная, протяженность океана на сироте ^ , квадратные скобки означают операцию зонального осреднения.

Известен еда один способ определена ЫНТ как разности

О

уходязэго длинноволнового излучения на верхней границе атмосферы, меридионального переноса энергии в атмосфере и скорое- . ти изменения энергии в системе океан - атмосфера.

Полученные с их поыоцьи оценки среднего годового меридионального переноса тепла в Укровом океане в качественном отношении близки друг к другу: в Севернск полушарии «еридиональ-ный перенос направлен на север, в Южном - на юг, максимальные

о ' о

его значения приходятся на сироты 20 с. и 20 ю., смена направления перекоса происходит в окресности-экватора.

Отмечается^.что оценки ШЬ , полученные прямым методом,

10 '

отличаются большей точностью, но требуют привлечения информации о пространственно - временной изменчивости меридиональной. составляпцэй.скорости течения. Ба-знсовьй метод несколько уступает ему е точности, но зато.данные о результирующем потоке тепла на поверхности океана, к темтературе воды в деятельном слое Солее доступны. Усовершенствование; спутниковых методов гаме рений радиационного баланса на, верхней граница .атмосферы поз-

золит повысить точность третьего метода расчета меридионального переноса тепла з океане.

Ео второй глззе обсуждаются методы и результаты расчета

результирующего потока тепла а на поверхности океана и скос

9 <2

рости изменения- теплосодержания деятельного слоя океана.

9 г

Результирующий поток тепла на поверхности с..еана определяется следующим образом:

ч = К - Р - 1Е , о

где К - радиационный баланс на поверхности океана, Р - турбулентный поток явного тепла, 1Е - затраты тепла на испарение. В настоящей работе необходимые сведения об изменчивости а

о

были заимствованы из работ Н. А. Тимофеева (1970), Зсбексена и Купюра (1981) и Л. А. Строкиной (1959), в которых для оценки составляющих теплового баланса поверхности океана были использованы различные методы. 2 частности, в первой из указанны:-: работ для сценки К привлекались данные судовых актинометрических измерений. Ео гторой работе радиационный баланс рассчитывался по методике, разработанной в .ГГО с использованием материалов актинометрических наблюдений на супе.' Ери этом отличия оптических сеойстз облаков' над сулей и океаном не принимались во внимание, что привело к занижений полученных значений К'в среднем на 15%. Отмеченные недостатки были "устранены в работе Л. ¿'¡.Строкиной (1989). В этой работе для оценки радиационных потоков привлекались данные не только об общей и нижней облачности, но и ее дисперсии.

Для расчетов турбулентных потоков явного и скрытого теплз

- в -

20 Есех трех работах использовались известные аэродинамические формулы. Однако, если а работе Есбэнзена и Купнира (1981) коэффициенты тепло- и влагосбмена принимались .равными числовым константам, то в работе К. А. Тимофеева (1977) была учтена их зависимость от стратификации приводного слоя, а в работе Л. А. Стро-кикой (1989), помимо этого,- влияние эффекта штормовой деятельности*

Сопоставление средних год^л зональных значений результирующего потока тепла на поверхности океана, представленных в Тр£Х УПОМЯНУТЫХ НЫШв ИСТ0*1НИКс1Х, СбН^руЖИВаВТ рооЛИ^ы'Я в широтное ХСД£ ц В ОбОПХ ПО ЛуШорКЯХ. НвябОЛЫш'й разброс

о о

приходится на Еысокке »е*роты, в. Тсакжэ нЗр шпротную зеку между о

параллелями 40 и 50 в. , в пределах которой значения ч стлича-

0

ются даже по знаку. Эти различия объясняются не только заданием

разной исходной информацией, ко и использованием различных

предпосылок, касающихся учета эффектов облачности и штормов.

Пространственно-временная изменчивость ч в трех работах

о

имеет сходный характер в отношении локализации центров тепло-накопления и теплоотдачи, ко различается с смысле их интенсивностью. Еанбсльсия амплитуды годового хода ц наблюдается' в вы-

о

сокпх гротах с£опх полушарий и в р^Гюкзлс- теплых твчэний Гол£ стрим и Куроопо.

9 и

Значения -- были восстановлены по данным архива

3 I

Левитуса (1983), содержащего информацию о сезонном распределении температуры воды на 11 стандартных горизонта;: в пределах

верхнего 250-метрового слоя океана. 15зи этом исходные данные,

заданные в узлах одноградусной сетки, осреднялись по плоцади

о о

боксов со сторонами равными 6 по сироте и 10 по долготе. Затем

рассчитывалось относительное теплосодержание деятельного слоя

океана, определяемое в виде

<3 = рс Г ( Т - ТН ) (12 , (3)

11 5 Л и и -

о к

где Т - I • - разность температур на горизонте т. и на глубже = 250 м, координаты центров боксов.

Полученные значения 0 представлялись з виде ряда ■о

рье по зремени, в резул! :'ате чего находились коэффициенты первых четырех членов разложения, апроксимирущэго годовой ход относительного теплосодержания. Показано, что эта аппроксимация обеспечивает удовлетворительную точность при восстановлении годового цикла скорости изменения теплосодержания. Из результатам расчета построены карты пространственного распрэде-

1 1 ления амплитуд ( р ) и фаз ( У ) годовой моды колебаний 1] 13

1

теплоссдержания. Как выяснилось, максимальные значения 5 им-

еит место в окресностях северного и хдаюго полярных фронтов, минимальные - преимущественно а центрах субтропически:-: гчтицик-лонических круговоротов.

Третья глава посвящена обсуждения меридионального распределения средних годовых значений МКГ 2 отдельных океанах :: з

О

Мировом океане з це."^:. Уери-..-знальньй перенос тепла з океане

рассчитывался балансовым методом по данным о результирующем потоке тепла на поверхности раздела вода - воздух и скорости изменения теплосодержания верхнего 250-метрового слоя океана

Для устранения систематических погрешностей, связанных с

определением ИНГ как малой разности больших величин, произ- '

О

годилась корректировка получение, значений. При этом предполагалось, что МНТ образуется в нуль на северных границах Индий-0

■ 15

ского и Тихого океанов, и равен 0,1.10 Ет на северной границе ■ Атлантики.

Полученные после корректировки оценка* среднего годового меридионального переноса тепла в Мировом океане сравнивались с данными других авторов, сравнение показывает, что существующие оценки в качественном отношении близки друг к другу. Раз—

• i с

-

лнчия имеют количественный характер и достигают 2,0.10 Ег в

< с .iij

Северном и 2,5.10 Ет в ¡Станом полушариях.

Оценки среднего годового меридионального.переноса тепла в Атлантическом, Тихом и Индийском океанах не очень сильно отличаются от оценок других авторов в северных частях и разительно -. е южных, ¡¿оло того, в некоторых случаях различается

даже знак ИНГ . Причина таких расхождений - выбор разной ис- • О

ходкой информации я отсутствие в ряде случаев ©в корректировки.

В четвертой главе, приводятся оценки сезонкой изменчивости меридионального перекоса тепла в скеаке. Анализ простран-

стЕекко-вре^еннсго распределения ЦНГ выявляет замечательное

, О

подобие" сезонных колебаний меридионального переноса тепла в океане Северного и Южного полушарий. В обоих полушариях меридиональный перенос тепла достигает наибольших значений зимой и направлен в зто время года к зимнему полюсу. В марте - апреле и августе - сентябре происходит заметнее ослабление и смена направления меридионального переноса тепла. Максимальные значения ЬИГ наблюдаются в тропиках и приходятся ка февраль-март О

в Северном и на октябрь-ноябрь в Ю*ном полушариях. Вторичные

максимумы» СМ81Ц,9НКЫЭ ОТКОСЯТ9ЛЬКО ПбрВЫХ ДЗЛЬШ9 ОТ ЗгСЗаТОра^

ьшси^ а ил.хлир*г пилите х5 исс^^пим {«ил^ша^ип п л тос

тпгпгл Ч * ТТ/л/1 т»гт-л гЛптпггтляглтпгч т> » » тт т .Т. т» т. атп"- гп <-> гл»гг»»^ _

ЛАЛПС Й ГиЛЛ или АА/Ь^СДПСС ииЫиЛ^С^Ь 1Пи и X & и X С л {^¿шр

ствованяи четко выраженной полу

годовой гармоники. Анализ сезонной изменчивости меридионального переноса тепла в Атлантическом океане .свидетельствует о почти повсеместном преобладании переноса тепла на юг весной и летом и ка север осенью и зимой, причем продолжительность периода перекоса тепла из Северной Атлантики з КЬкнув сказывается меньше, чем в обратном направлении. Иная картина имеет место з Тихом и Индийском океане.

Отличительными особенностями пространственно-временной

изменчивости 1ЯТ в Тихом океане является существование про-0

долдительного ( с февраля по декабрь ) перекоса тепла на север в тропиках Северного полушария к почти такого же по про- . долж1тельности (с мая по январь) переноса тепла на кг в тропиках Южного полушария. В Тихом океане четко прослеживается полугодовая гармоника меридионального переноса тепла. Однако

наиболее ярко она проявляется в 51ндийском океане. Здесь выделяются четыре периода с обратным направлением меридионального переноса тепла; в феврале - апреле он направлен на сеЕер, в мае-нюне - нз юг, в июле-сентябре - скова на север и в октябре-январе - на юг. Такая смена направления 1ЙТ прослеживается

О

о

только до параллели 40 ю. К югу от нее полугодовая гармоника практически отсутствует.

УпОМЯКсМ 8ЕЭ ДВЭ ОСииЭНКОСТИ С83СННОЙ ИЗМЭНЧИВОСТП МЭрИДИ""

оналмюго переноса тепла в океанах Северного и Южного полуша"

1) в Северном полушарии интенсивность перекоса тепла к полюсу весной больше, чем осенью, тогда как в Южном полушарии она больше летом, чем зимой;

2) продолжительность периода переноса тепла из Северного полушария в Южкоэ з два раза больше, чем в обратном направлении; противоположные изменения претерпевает интенсивность ?еп-. лсобмена между полушариями. Причина этого связана' с разным соотношением плошддей океак - суша в обоих полушариях.

В пятой главе анализируется чувствительность оценок пространственно-временной изменчивости меридионального перекоса Тспла к заданию различной исходной информации о результирующем потоке тепла.на поверхности океана. С этой целью используются данные Тимофеева (15;0), Стрскпкой (1989) и Зсбёнсена и Кушки-ра (1981).

Полученные оценки МНТ оказались близкими друг к другу в О

качественном, ко не в количественна!/. отношениях. Отметим з этой связи перенос тепла к северу в Атлантике, смену направле-

ний меридионального переноса тепла на-экваторе в ■ Тихом океане и повсеместный перенос тепла на юг в Индийском океане. Эти и • другие отмеченные выше особенности проявляются независимо' от задания той или иной исходной информации, к потому можно считать, что качественные закономерности меридионального переноса тепла в океанах установлены достаточно надежно. К сожалению, того же нельзя сказать в отношении количественных оценок. Так, если разброс сценок, полученных при выборе разной исходной информации, в Северной Атлантике более или менее приемлем

1 С -I с •

¿о XU

(0,3.10 Вт в тропиках и 0,2.10 Ет з умеренных сиротах ), тс

15

в Южной Атлантике он достигает 0,5.10 Ет.

Аналогичная ситуация имеет место и в Тихом океане. Здесь

1 Я'

расхождения между отдельными оценками составляют 0,15.10 Вт,

л к

в северном и 0,5.10 Вт в.южном полушариях. В Индийском океане разброс * меэ^у отдельным!' сценками больше, чем в других скеа-15

нах ( до 0,7.10 Ет ).

Пространственно—временное распределение меридионального переноса тепла в отдельных океанах, рассчитанное с использованием разной исходной информации, имеет сб;дне качественные особенности. Вместе с тем в Атлантическом океане оценки интенсивности и времени наступления максимумов МЯТ отличаются между со-

0

15

бой соответственно на 0,5.10 Вт и на один месяц, тогда как в

Тихом океане максимальные значения ïfflT по Эсбенсену и Кушниру

О

(1931) в несколько раз меньше, чем по данным других авторов,

а в Индийском океане отличия не превышают 1,0.10 Ет, что составляет приблизительно 207. от средней годовой сценки. Во всех случаях полугодовая гармоника меридионального переноса тепла проявляется достаточно явственно.

В Мировом океане значительные отличия имеет место в уме-

15

ренных широтах и в районе экватора ( соответственно 4.10 и 15

7.10 Вт). Найденные оценки лучше всего согласуются в высоких широтах северного и южного полушарий. Здесь отличия не превы-15 '

пают 1;5.10 Вт или в относительных единицах 5021 от максимального з начеши 12ГГ .

О

В заключении сформулированы оснозные результаты работы:

1. Рассмотрены существующие методы расчета меридионального переноса тепла в океане и проанализированы полученные с их помощью сценки. Установлено, что разброс существующих оценок среднего годового меридионального переноса тепла в океане .

по данным разных авторов соизмерим со средней величиной МНГ . ■

О '

2. Исследована пространственно-временная изменчивость скорости изменекпня теплосодержания деятельного слоя океана.' 7с-

1 '

танозлено, что максимальные значения амплитуда 0 годовой моды колебаний теплосодержания имеют место в окресностях север-, него и южного полярных фронтов, минимальные - преимущественно в центрах субтропических антициклоническлх круговоротов.

3. Получены оценки среднего годового меридионального переноса тепла з отдельных океанах и з 1»1ировом океане з целом.

Показано, что в !Л;ровом океане КйТ не симметричен относитель-

0

но экватора: максимальное значение переноса тепла на север

(2,3.10 Вт) превосходит такое же-значение переноса тепла на ег

.15 (-0,8.10 Ет).

Максимальные значения переноса тепла на север приходятся

о , 15

на широту 20 с. и приблизительно равны между собой ( 1,0.10

Ет ). Для южного полушария такая закономерность не прослежгаа-

ется. Средний годовой меридиональный перенос тепла в Атлантике

о

направлен на север с широты 40 ю. В Индийском океане МИГ на,-

0

15 • о

правлен на юг и имеет максимум -0,9.10 Вт на широте 10 а

4. Выполнен расчет сезонной изменчивости меридионального переноса тепла в Атланическом, Тихом и Индийском океане и в Мировом океане в целом. Показано, что интенсивность меридионально^ переноса тепла в северных частях океанов больше, чей в южных, ;гчто продолжительность периода переноса тепла из северного полушария в южное почти в два раза больше, чем в обратном направлении.

.5. Исследована чувствительность оценок МНТ к вариациями

О

исходной информации о результирующем потеке тепла на поверхности океана. Показано, что наименьшие отличия МНТ. имеют место

•: . О

з высоких широтах: северного и.южного полушария (разброс оце-

• 15 - ......- "

нск не превышает 1,5.10 Вт). В умеренных широтах северного

15

полушария отличия возрастают ( до 3.10 Вт -для переноса тепла 15

на север и 6.10 Вт для переноса тепла на яг) и достигают мак-

е

симума в тропиках северного полушария (соответственно 6.10 и

15 -

10.10 Вт). В южном полушарии отличия вновь уменьшаются и сос-

15 15

тавляпг 4.10 и 6.10 Вт в экваториальных и тропических широтах. По мэре приближения к южному полюсу разброс оценок 1ЙГ

О

в высоких сиротах уменьшается быстрее, чем в северном. Но теме ди. эртации опубликованы следующие работы:

1. Каган Е. А., Цанкова И. С. Пространственно-временная изменчивость теплосодержания в ¡¿провой океане// Метеорология и гидрология. -1926. -.1 11.-С. 111-114.

2. Каган Б. А., Цанкова И. С. Пространственно-врешнная изменчивость меридионального переноса тепла в Мировом океане// Метеорология и гидрология. -1937. -Н 4. -С. 65-71.

3. Цанкова И.О. Пространственно - временная изменчивость меридионального переноса тепла в отдельных океанах// Тезисы докладов Л Всесоюзной школе - семинаре "Актуальные проблемы океанологии" ( Ленинград, 2-11 апреля 1987г.). -Д.: Гидроме-теоиздат, 1987. -С. 71-72.

4. Цанкова И. С. Прост&аственпо - временная изменчивость скорости изменения теплосодержания деятельного слоя океана и меридионального переноса тепла в Мировом океане//Тезисы докладов IX научной конвенции болгарских аспирантов в СССР "Наука, в стратегии ускорения",Москва, 4-5 июня 1987 г. '

5. Цанкова И. С. Пространственно - временнная изменчивость меридионального пе эноса тепла в океанах// Метеорология и гид-рология-198&. - N 1. -С. 64-71.