Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Синоптическая изменчивость температуры поверхности океана в области Гольфстрима и Северо-Атлантического течения

ВАК РФ 11.00.08, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Синоптическая изменчивость температуры поверхности океана в области Гольфстрима и Северо-Атлантического течения"

г Га оя

Федеральная служба России по гидрометеорологии - "и мониторингу окружающей среда

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОКЕАНОГРАФИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

ЯШАЯЕВ Игорь Менделеевич

СИНОПТИЧЕСКАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ ОКЕАНА В ОБЛАСТИ ГОЛЬФСТРИМА И СЕВЕРО-АТЛАНТИЧЕСКОГО ТЕЧЕНИЯ

11.00.08 - океанология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва- 1994 г.

Работа выполнена в Государственном океанографическом институте.

Научные руководители - доктор физико-математических наук,

профессор C.C.JIamo кандидат физико-математических наук С.К.Гулев

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук,

профессор Кошшков М.Н. кандидат физико-математических наук Тужилкин B.C.

Ведущая организация - кафедра океанологии географического

факультета Московского Государственного Университета им. М.В.Ломоносова

Защита диссертации состоится "2.2." 1994 г.

в час. на заседании специализированного совета

К 024.02.01 в Государственном океанографическом институте по адресу: 119838, Москва, Г-34, Кропоткинский пер., 6.

С . диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного океанографического института.

Автореферат разослан "2j_» Sj н 8 CipJj 1994 г

Ученый секретарь специализированного совет^у кандидат физико-математических наук // / Ю.А.Рева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Работа посвящена исследованию пространственно-временной изменчивости температуры поверхности океана (ТПО) в северозападной Атлантике по данным факсимильных карт РМЦ Галифакс и крупномасштабных океанографических съемок в Ньюфаундлендском бассейне.

Исследование динамических процессов, структуры вод и изменчивости океанологических полей в западных пограничных областях океанов является одним из приоритетных направлений как в национальных ("РАЗРЕЗЫ", РОКК, БШЯ?, СТГ№СА2Т), так и в международных (косЕ, асср, сооз ) программах исследования океана. Эти области являются "ключевыми" как в глобальном перераспределении масс и энергии в океане, так и в обмене энергией мекду океаном и атмосферой. Западные пограничные области средних широт характеризуются экстремально высокой пространственной и временной изменчивостью океанологических параметров в широком диапазоне масштабов. Здесь крайне обострены горизонтальные и вертикальные градиенты. Указанные особенности четко проявляются в западных пограничных течениях северного полушария и делают их важными объектами исследования. Однако, если в 50-70-х годах в основном проводились комплексные крупномасштабные эксперименты, то в настоящее время акценты сместились на детальное изучение физики отдельных процессов и локальных районов, а также на анализ массовых спутниковых наблюдений, данных дрифтеров, буев и поплавков.Возрос интерес к моделированию климата и различных типов гидродинамической неустойчивости. Расширилась методологическая и техническая база.В прошедшее десятилетие сильно прогрессировала спутниковая" альтиметрия, что позволило исследовать структуру, динамику и изменчивость уровня океана, оценить расходы течений. Однако, существуют большое число различных, иногда противоречивых, мнений об интерпретации результатов и предположений о механизмах изменчивости на разных масштабах. Так, до конца не ясна степень влияния подводных гор Новой Англии на меандрирование и крупномасштабные смещения фронтов. Нет и единого мнения о соотношении различных факторов (гидродинамическая неустойчивость, рельеф

дна, интенсивность и изменчивость касательного напряжения ветра, конфигурация и общая ориентация фронтов) в формировании меандров и вихрей. Различаются сведения разных авторов о параметрах и структуре неоднородностей. Это следует, в частности, из сводки Воттса (Watts,1983), в которой из многих публикаций собраны оценки масштабов, фазовых скоростей и других характеристик меандров Гольфстрима на различных участках течения. К существующим проблемам следует отнести и отсутствие универсальных методов выделения фронтальных зон и фронтов. Также, до сих пор, на количественном Уровне не описана синоптическая изменчивость ТПО с учетом ее эволюции в пространстве и времени.

Сказанное выше определяет актуальность выбранной, тежы. и позволяет сформулировать насущные цели и задачи исследования структуры и синоптической изменчивости ТПО.

Главные цели работы состояли в:

- количественном описании структуры и динамики неоднородностей ТПО в средних широтах северо-западной Атлантики;

- изучеййи общих закономерностей пространственно-временной эволюции характеристик синоптической изменчивости ТПО;

- исследовании процессов, формирующих синоптическую изменчивость ТПО в областях западных пограничных течений.

В соответствии с поставленными целями решались следующие задачи:

- разделение природного сигнала на компоненты, различающиеся пространственно-временными, масштабами и генезисом;

- оцределение пространственно-временных масштабов и фазовых скоростей синоптических неоднородностей, получение оценок их вклада в общую изменчивость, анализ эволюции характеристик синоптической изменчивости в пространстве и времени;

- количественное описание и параметризация эффектов пространственно-временного осреднения, установление взаимосвязей мевду различными характеристиками изменчивости;

- выявление связи синоптической изменчивости с динамическими процессами и взаимодействием между океаном и атмосферой;

- исследование проявлений в поле ТПО фронтов и фронтальных

зон, (эта задача предполагает разработку методов выделения и анализа изменчивости фронтов и фронтальных зон).

Фактический лтеуиал и. летоды исследования. В качестве исходной информации использовались карты ТПО, передаваемые дважды в неделю рздиометеоцентром (РМЦ) Галифакс. С 1981 по 1992 г. на научных судах ГОИНа был организован их прием. Эти карты строятся на основе данных научно-исследовательских и попутных судов, службы ледового патруля, платформ, береговых станций, информации со спутников, самолетов, и других систем слежения за ТПО. Карты оцифровывались наш как в узлах регулярной 0,5x0,5°, так и специальной феноменологической сетки. Для сопоставления полученных климатических полей с известными использовались атласы и массивы (Isemer,Hasse, 1985,1987; Ievitua, 1982). Кроме информации о ТПО, анализировались данные регулярных океанографических съемок в Ньюфаундлендском бассейне с 1981 по 1991 г., крупномасштабных экспериментов Ньюфаэкс-88, Атлантэкс-90 и других.

Для решения поставленных задач использовались различные традиционные и оригинальные метода обработки и анализа данных наблюдений. К последним, например, относятся методики оценки эффектов пространственно-временного осреднения, подход к анализу ТПО "вдоль климатических изотерм", ряд технологий проведения и анализа фронтов и фронтальных зон, методики морфометрии и трассировки меандров и другие.

Еацчхяя новизна. В работе на основе анализа данных, покрывающих обширный район (350-57°с.ш.,750-27°з.д.) и имеющих высокое разрешение, с помощью различных методов исследования океанологических полей впервые построено целостное количественное и качественное описание структуры и режима синоптической изменчивости ТПО в северо-западной Атлантике. Впервые

на количественном уровне и с известной точностью получены зависимости градиентов, дисперсий, длин фронтальных разделов и других характеристик поля ТПО от масштабов пространственно-временного осреднения исходных данных. Установлены взаимосвязи между различными характеристиками изменчивости.

Проанализированы спектральный состав и волновая структура неоднородностей ТПО, эволюция их параметров во времени.вдоль и поперек фронта. Установлены закономерности чередования интенсивного и ослабленного меандрирования.

Разработана система морфометрии и трассировки меандров, позволившая получить новые сведения о параметрах и ареалах распространения циклонических и антициклонических меандров.

Предложены и реализованы универсальные методики поиска, проведения и анализа фронтальных зон и фронтов. Выявлен ряд важных закономерностей их структуры и динамики. Введены меры интегрального или среднего положения системы фронтальных зон и показано, что межгодовая изменчивость широтного положения такой системы может быть следствием несинхронности колебаний интенсивностей формирующих ее фронтов. Установлена связь трехмерной структуры фронтального раздела с динамикой .вод* и топографией 'даа." Впервые1' проанализирована изменчивость температуры и солености фронта и стрежня Гольфстрима вдоль потока и с глубиной на участке протяженностью более 1400 км. Показано, что характер таких распределений эволюционирует от сезона к сезону и обусловлен трансфронтальными процессами и потоками тепла и масс на границе океан-атмосфера.

Практическая ценность. Результаты работы могут найти применение при организации мониторинга в областях западных пограничных течений, в частности, при планировании районов, сроков и сети наблюдений, при выборе оптимальных предикторов в различного рода прогностических задачах, в числе которых, прогноз положения фронта Гольфстрима, эволюции аномалий ТПО, прогноз промысловых скоплений и многие другие.

Ряд разработок.может быть использован при построении и тестировании моделей динамики океана и взаимодействия океана и атмосферы в областях западных пограничных течений, а установленные взаимосвязи различных характеристик и интегральных параметров целесообразно учитывать в малопараметрических и интегральных моделях.

Созданные технологии проведения и анализа фронтальных зон и фронтов имеют широкий спектр применения как в научных, так в прикладных и практических задачах. Актуальность разра-

Сотки подобных технологий также продиктована проблемами оперативного усвоения, обработки и интерпретации возрастающего объема спутниковой информации о высокоградиентных областях океана.

Апробация работ. Основные результаты диссертационной работы докладывались на советско-канадской конференции по исследованию Ньюфаундлендского бассейна (Галифакс, 1990), на XV (Копенгаген,1990), XVII (Эдинбург,1992), XVIII (Визбаден, 1993) Генеральных ассамблеях европейского геофизического сообщества, на мездународном совещании по исследованию взаимодействия океана и атмосферы (Моск6а,1992), на Всесоюзном семинаре "Океанологические фронты северных морей: характеристики, методы исследований, модели" (Носова,1989), на 17 Всесоюзной конференции по программе "Разрезы" (Одесса,1990), на 6-й и 7-й конференциях "Комплексное изучение природы Атлантического океана (Калининград,1991,1993), на семинарах Государственного океанографического института (Москва, Одесса, 1988-1993), отдела физики и химии Бедфордского института океанографии (Галифакс,1992), кафедры океанологии Московского Государственного Университета им. М.В.Ломоносова (1994), отдела крупномасштабного взаимодействия океана и атмосферы института океанологии РАН (1994), Росгидрометцентра (1994).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 15 работ.

Струш/ра и объел диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы (166 наименований, из них 116 работ зарубежных авторов). Общий объем работы составляет 206 страниц, в том числе 53 страницы с иллюстрациями и 4 - с таблицами.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследования, отражена общая структура работы.

В первой главе рассматриваются общие аспекты генезиса и динамики синоптических неоднородностей ТПО, их связь с гидрологией и роль в формировании общей изменчивости ТПО в западных пограничных областях океанов. В первом разделе обсуждена проблема выделения различных компонент изменчивости и показана необходимость учета их пространственно-временных масштабов и генезиса. В работе рассматривается понятие аномалии в широком и узком смыслах. В широком смысле под ней понимается разница между мгновенным и средним за весь интервал наблюдений значениями в данной точке пространства. В узком смысле этот термин обозначает отклонение исследуемого параметра, при данном пространственно-временном осреднении от крупномасштабной составляющей сигнала. Это позволяет рассматривать аномалии в контексте исследуемых масштабов. Показано, что во фронтальных областях океана синоптическая изменчивость является преобладающим видом изменчивости и находится в тесной взаимосвязи и взаимодействии с другими видами изменчивости.

Далее рассматриваются общие и методические вопросы исследования изменчивости ТПО в средних широтах. Помимо традиционных методов анализа предлагается использовать подходы в основу которых положено рассмотрение процессов в океанологических координатах, связанных с закономерностями исследуемых процессов. На важность создания подобных подходов указывал H.H. Зубов (Зубов, 1945). Анализируются существующие проблемы и трудности исследования синоптической изменчивости: разнородность исходных данных, региональная и временная ограниченность отдельных экспериментов, недостаток, внимания к анализу различных масштабов.

В третьем разделе дается характеристика исходных данных и анализируется опыт их использования в исследовании процессов в областях западных пограничных течений.

Для исследования структуры изменчивости ТПО и соотношения различных составляющих временные ряда представлялись как суммы детерминированных и случайных компонентов, слагающихся из быстро и медленно меняющихся частей. Регулярный сезонный ход, аппроксимируется суммой кратных году гармоник с искомыми амплитудами и фазами. Случайная часть складывается из межгодовой, нерегулярной сезонной, синоптической изменчивости и высокочастотного шума, который формируется мезомасш-табной изменчивостью и случайными ошибками. Используя данную модель, следует также отдавать себе отчет в нелинейности и сложности взаимодействия разномасштабных процессов.Расчетные схемы строились для неэквидистантных и разновесовых данных. Роль отдельного компонента оценивалась как отношение его дисперсии к дисперсии исходного ряда.

В пределах исследуемой области доля дисперсии межгодовой изменчивости в общей не превышает 7%. Изменчивость ТПО максимальна в районах мелководных банок и шельфа. Основной вклад (>90%) в ее формирование в этих районах вносит регулярный сезонный ход, амплитуды которого здесь максимальны. Доля сезонного хода велика (75-8056) и в районе Саргасова моря. Изменчивость ТПО во фронтальных зонах довольно высока, но основную роль здесь играет синоптический компонент - его вклад составляет 50-8056. Существенно меняется во фронтальной зоне и структура регулярного сезонного хода: амплитуды годовой гармоники минимальны, а вклад полугодовой гармоники возрастает. Установлено, что области экстремальной синоптической изменчивости имеют очаговую структуру.

Далее рассматриваются различные механизмы формирования синоптических неоднородностей ТПО. Проанализирована изменчивость температуры воды между повторными океанографическими съемками и показывается высокая согласованность изменчивости полей в слое 0-500 м. Оценка роли процессов взаимодействия океана и атмосферы в изменчивости ТПО показывает, что в зимний период наблюдаемые в исследуемой области неоднородности ТПО синоптического масштаба не могут быть полностью сформированы ни за счет накопления или отдачи тепла, ни за счет экмановской адвекции.

Во второй главе рассматривается применимость различных характеристик для описания разномасштабной пространственно-временной изменчивости ТПО.

Анализ распределений временных дисперсий синоптической составляющей, пространственных дисперсий аномалий ТПО (под которыми понимаются дисперсии в круговой области заданного радиуса), модулей градиента (далее слово "модуль" опущено) и лапласианов ТПО (преобразование Лапласа от поля ТПО) выявляет существование областей экстремально высокой динамической активности и изменчивости. Положение экстремумов указанных характеристики приурочено к районам активного взаимодействия элементов крупномасштабной циркуляции между собой и сильного влияния рельефа дна на динамику вод.

Максимумы временных дисперсий ТПО хорошо согласованы в пространстве с экстремумами лапласиана. Здесь же отмечаются и наибольшие величины аномалий ТПО. Важен и тот факт,., что в некоторых областях данная закономерность не прослеживается. Так, в районе квазистационарного антициклонического вихря (КСАВ) к юго-востоку от Больших Банок большим величинам лапласиана не отвечают высокие временные дисперсии и аномалии. По своим динамическим и тепловым свойствам КСАВ сравнительно инертен, и аномалии ТПО здесь имеют большее время жизни.

Тесная взаимосвязь различных характеристик изменчивости ТПО делает целесообразным поиск количественных зависимостей между ними. Эти зависимости позволят получить дополнительную информацию о динамике неоднородностей и оценить необходимые, но труднодоступные характеристики по известным. Так, анализ соотношения значений аномалии и лапласиана ТПО важен с точки зрения исследования механизмов генерации и распространения конкретных аномалий. Характер данной зависимости близок к линейной, а соответствующее уравнение имеет вид:

Т = 1(Т) • (-0,094) - 0,02 (±10%) (1),

где ИТ) [°с/(ЮО км)2]- лапласиан, Т [°с]- аномалия.Высокая корреляция (0.65-0.75) во все сезоны года свидетельствует об общей обусловленности аномалий локальными образованиями. Тем не менее, взаимосвязь Т и ИТ) в некоторых областях неустой-

чива. Эти области соответствуют очагам постоянно высокой завихренности, которая обусловлена здесь крупномасштабными квазистационарными меандрами или вихрями. Анализ взаимосвязи средних пространственных градиентов и временных дисперсий показал, что их соотношение характеризует интенсивность..поперечных смещений фронтов. Характер их зависимости и теснбта связи различны во фронтальной зоне и вне ее. Это свидетельствует о различном вкладе атмосферных процессов и динамики океана в формировании синоптической изменчивости ТПО..

При анализе изменчивости океанологических параметров по натурным данным и результатам численных экспериментов в ряду наиболее принципиальных и важных проблем стоят согласование пространственных и временных масштабов изменчивости и учет эффектов пространственно-временного осреднения исходных данных. О необходимости установления на количественном уровне связей между характеристиками изменчивости и пространственно-временными масштабами говорилось неоднократно (Марчук, Аыкосов, 1989; Шукла,1987), однако работ в данном направлении крайне мало.

Для исследования зависимости характеристик изменчивости от масштабов пространственно-временного осреднения строились соотношения вида

/z=<ki,/z; или /z4a,/z; (2),

о о о о

где характеристики, рассчитанные по данным с осредне-

нием по времени масштаба т и по пространству масштаба 7, а Л;о, - вероятные значения характеристик, соответствующие данным с начальными, минимальными или заданными масштабами осреднения. Более удобна безразмерная форма соотношения (2):

/<Х> f(D fd.t) UD =- , id) -- . тл) -- (3),

где / обозначает характеристику изменчивости, а то и 10 соответствуют начальному осреднению. Оценки зависимостей (2) и (3) и соответствующих им среднеквадратических отклонений получены для временных дисперсий синоптической составляющей, пространственных дисперсий аномалий, градиентов и лапласиа-

нов ТПО, длин фронтальных разделов и других характеристик. Общий характер зависимостей (3) близок к экспоненциальному. Эффект осреднения существенно зависит также от величин самих характеристик поля ТПО. Для аппроксимации зависимостей (3) наиболее оптимальной оказалась комбинация экспоненциальных и полиномальных функций:

tf( 1) = ехр(а-1) * Il-(b.l./o+ b2 • l • /0 2+ bg • Z • /o 3) ]

¿¡(•с) = expía-i:) * Il-(ti1.'C-/0+ bz-t-/o2+ ba.-c./03)]

Результаты оценки коэффициентов для различных характеристик и полный вид соответствующих формул приведены в диссертации.

В климатических расчетах и экспериментах с численными моделями используется пространственно-временное осреднение. При этом встает вопрос о соответствии масштабов временного и пространственного осреднения. Для решения данной задачи искались соотношения между масштабами, удовлетворяющие условиям равенства эффектов пространственного и временного осреднения:

Zf(l) = tf(l) ±0.02 (5).

Полученные зависимости масштабов имеют близкий к линейному или к параболическому характер и могут быть аппроксимированы (приводимыми в диссертации для различных характеристик изменчивости ТПО) соотношениями вида:

г = а1 + а2 -1 + аз< íz (6).

Найденные зависимости могут использоваться в процедурах объективного анализа данных, в параметризациях "подсеточной" изменчивости, в задачах усвоения ТПО как в моделях динамики океана, так и в моделях взаимодействия океана и атмосферы, а также при сопоставлении оценок, полученных по данным с различным осреднением.

В третьей главе исследуются структура и динамика синоптических неоднородностей ТПО в области Гольфстрима и СевероАтлантического течения. Предложен специальный подход к выделению синоптической компоненты изменчивости, суть которого в

анализе ТПО в координатах, связанных с положением "невозму-ценного" синоптическими и мезомасштабными процессами фронта западного пограничного течения. Методика анализа ТПО "вдоль иилатических изотерл" основана на интерполяции данных о ТПО з высоким разрешением (с карт РМЦ Галифакс) на климатические 1зотермы, соответствующие гидрологическому фронту. Для каж-Юй из климатических изотерм были получены пространственно-семенные реализации ТПО, отражающие структуру синоптических юоднородностей во фронтальной зоне. Эти реализации подверглись фильтрации, корреляционному и спектральному анализу, шализ пространственных сггектров выявил трй доминирующих во зронтальной зоне масштаба пространственных неоднородностей: ¡00-300 км, 400-600 км и 1000-1500 км. Максимум спектральной шотности приходится на масштаб 400-600 км, соответствующий [реобладающему размеру меандров. Более детальный анализ мявил возрастание характерного масштаба меандров с запада [а восток. Структура неоднородностей существенно меняется, а [X пространственные масштабы растут при удалении от стрежня невозмущенного" Гольфстрима. Исследована временная динамика ространственных спектров. Выявлена цикличность чередования нтенсивного и ослабленного меандрирования с периодичностью 0-35 сут, причем интенсификация меандрирования сопровожда-тся уменьшением пространственных масштабов неоднородностей.

Характерные временные масштабы синоптических неоднород-остей ТПО меняются от 1-2 месяцев западнее мыса Хаттерас до -4 месяцев в районе Северо-Атлантического течения.

Пространственно-временной спектральный анализ выявил уществование двух типов волновых возмущений: стационарные еандры, имеющие длины 400-600 км и временные масштабы 2-3 есяца и бегущие вдоль фронта меандры с длинами - 250-400 км периодами - 1-2 месяца. Выявлены различия в пространствен-э-временных спектрах, соответствующих фронту Гольфстрима и ронту склоновых вод. Оценки параметров неоднородностей ТПО эрошо согласуются с теориями бароклинных и стационарных подветренных" (Ъее-ьххие) волн Россби.

Разработана методика анализа характеристик, динамики и ространственного распределения меандров, позволяющая иссле-

довать меандрирование как единый процесс на всем протяженш течения. На графиках временного хода амплитуд меандров четк< выделяются такие стадии, как рост, стабилизация, диссипация вихреобразование. Показано, что антициклонические меандр! отличаются от циклонических распределением амплитуд, ареало! распространения, количеством. Подтверждено существовали« стационарных и бегущих вдоль фронта меандров.

Сопоставление результатов работы с известными натурным! и модельными оценками показывает, что существенных расхождений между ними нет, полученные же на количественном уровш представления отражают основные закономерности формирование и динамики синоптических неоднородностей ТПО. ч

Четвертая глава посвящена исследованию фронтальных зо! и фронтов. Разработанные методы базировались на предложении: К.Н.Федоровым (Федоров, 1983) определениях.

Исходя из определения фронтальной зоны (Федоров, 1993), вводится количественный критерий:

G«p,X,h,t) > R • G" (7).

Здесь G(<pA,h,t) - модуль градиента в точке с координатам! Ф,А. и глубиной h, в момент времени t, R - задаваемый шл рассчитываемый коэффициент, показывающий соотношение градиента во фронтальной зоне с некоторым средним градиента G". В отличие от (Федоров, 1983), G* интерпретируется шире, чем соответствующий равномерному распределению "между устойчиво существующими климатическими или иными экстремумами". Средний или фоновый градиент в(7),оценивается как среднее и: градиентов, рассчитанных по используемым для анализа данным, Он находится в соответствии с характером исследуемых полей, их разрешением и осреднением. В качестве G' может служит] среднемеридиональный (тогда G* - функция долготы), средне-зональный (G1 - функция широты), или средний по некоторо! области. G" и R - также могут быть функциями глубины, времени и других параметров.

Согласно выражению (7), фронтальная зона - MHoroMepHai структура, каждая точка которой в данный момент времеш

описывается тремя пространственными координатами. Пусть случайная величина (cp*,A.*,h*) - координаты точек, в которых выполняется (7).Тогда трехмерная плотность распределения такой случайной величины в пространственных координатах имеет вид:

Я{ф<ф* «{н-Аср.ЛхА* <А.+АЛ., h<h* <h+ Ah}

Pf(cp,Ä.,h) = lim.-=- (8),

J Aq>-+0 Аш • АХ ■ Ah

А X-+0 Ah—»0

где PO- вероятность попадания случайной величины (<р*Д*,Ь*) в интервал [9,<|H-A9;A.,A.+AX;h,h+Ah]. Сечение Р^, горизонтальной поверхностью (h=oonst) представляет собой функцию двух переменных ), максимальные значения которой связаны с наиболее вероятным за исследуемый период положением оси фронтальной зоны на данном горизонте. В качестве интегральной меры положения фронтальных зон на долготном интервале

[11,1г] ищется маргинальная плотность распределения:

Pj(ф) = J ?j.«f>,X) дХ (9).

\

Выражение '(9) соответствует общей зональной ориентации фронтальной зоны. При меридиональной ориентации, интегрирование э (9) осуществляется по широте, а маргинальная плотность распределения - функция долготы. Функция Р^(ф) характеризует зероятность попадания фронтальной зоны в широтную полосу на штервале долгот ,12 ]. Средневзвешенная широта фронталь-юй зоны оценивается как фу = /Р^скр / /йР^, а модальная как соответствующая максимуму функции Р^(ф). При расчете фу. юрмировка на величину обязательна, так как последняя

1е равна единице. Геометрический смысл <ру заключается в

следующем. Она соответствует широте "центра тяжести" участка

двумерной гистограммы Р(фД), заключенного между меридианами

/

и 12 , иначе говоря, представляет собой интегральную характеристику, отражающую пространственное положение всей системы фронтальных зон на заданном долготном интервале.

Анализировались вероятностные характеристики Р^., Р^(ф) фронтальных зон, соответствующие различным периодам времени. По распределению Р^., рассчитанному по всем имеющимся полям ТПО хорошо прослеживаются фронтальные зоны Гольфстрима и склоновых вод, выявляются и области интенсивного меандриро-вания. Сопоставление распределений Р^> для холодных периодов 1986 г. и 1990 г. установило различие в соотношении интен-сивностей фронтов Гольфстрима и склоновых вод в эти годы. Б 1986 г. отмечалась интенсификация фронта склоновых вод, а фронт Гольфстрима на значительном протяжении в поле Р^, почти не проявлялся. Вследствие этого "центр тяжести" системы фронтальных зон (которому соответствует <ру) сильно смещен на север, в то время как положение самих фронтов было близко к климатическому. В 1990 г. фронты имели приблизительно равную интенсивность, в поле Р^ связанные с ними фронтальные зоны разделены локальным минимумом, а "центр тяжести" по сравнению с 1986 г. располагался южнее. Другая важная особенность межгодовой изменчивости фронтальных зон связана с влиянием их положения на меандрирование и вихреобразование. Здесь отмечается следующая закономерность: смещение фронтальной зоны на север сопровождается повышением ее устойчивости фронтов и ослаблением меандрирования.

Графики межгодовой изменчивости средневзвешенных широт системы фронтальных зон (1982-1991 г.), полученные для всего района и для различных долготных участков свидетельствуют о том, что перестройки и смещения системы фронтальных зон син-фазны на участке от м. Хаттерас до Хвоста Большой Ньюфаундлендской Банки, они имеют отличный режим в области СевероАтлантического течения. Максимальные амплитуды межгодовых колебаний отмечаются на участке 65-55°з.д., где расстояние между фронтами Гольфстрима и склоновых вод максимально.

Установлено, что температура фронтальной зоны меняется вдоль течения. Разработана методика определения положения фронтального раздела, основанная на представление о нем как э "поверхности максимального градиента" (Федоров, 1983), а гакже учитывающая пространственную изменчивость параметра фронтального раздела. Технология поиска и анализа фронтов 5ыла использована для массовой обработки наблюдений в запад-юй пограничной области Северной Атлантики. Анализ трехмер-юй структуры фронтальных разделов выявил, что их наклон и сарактер залегания зависят от глубины, района, скорости и $авихренности потока.Угол между фронтальной и горизонтальной гаверхностями максимален в слое 0-300 м. На синоптических яасштабах поверхностные фронты хорошо согласованы с глубин-шми и со стрежнем потока. Фронт на горизонте -500 м смещен >тносительно поверхностного на 50-300 км. Угол наклона фрон-'ального раздела уменьшается вниз по течению.

Конфигурация и оценки протяженности фронтов существенно ¡ависят от пространственно-временного осреднения исходных (энных. При увеличении масштабов осреднения фронты Гольф-

стрима и склоновых вод сближаются и сливаются в один, длинь фронтальных синоптических возмущений растут, а амплитуда уменьшаются. Получены зависимости безразмерной длины фронтг от масштабов осреднения. Степень влияния осреднения на длищ фронтального раздела уменьшается с увеличением масштабов.

Проанализирована изменчивость температуры и солености фронтального раздела и стрежня течения с долготой и глубиноГ на. участке 56-41°з.д. Высокая когерентность пространственны} изменений характеристик фронта и стрежня в верхнем слое е холодный период позволяет судить о применимости данных о-ТПС для анализа течений и фронтов. Оценки "вдольфронтально'й" изменчивости важны также и для исследования трансфронтальногс обмена.

Зональный перепад (56°-41°з.д.) температуры и солености фронта Гольфстрима уменьшается с глубиной: на поверхности ов составляет 5°-6°С и Г/„ соответственно, а на 200 м - не выше 3°с и 0,5/., что обусловлено потоком тепла в атмосферу, а также ослаблением с глубиной интенсивности трансфронтального обмена. По сравнению с фронтом в стрежне течения температура с глубиной убывает значительно быстрее.

Зональное изменение теплозапаса стрежня Гольфстрима на участке 56°з.д.-41°з.д. в марте 1990 г. составляло 15%, а в сентябре - 11%, средний же по области теплозапас течения за этот период увеличился на 12%. Это связано с прогревом вод летом.

В холодный сезон по сравнению с теплым изменения температуры на поверхности океана и в глубинных слоях согласованы гораздо выше. Так, разница температуры фронтального раздела на 0 и 500 м возрастает с 2-3°с зимой до 6-8° С летом. Таким образом, ТПО в холодный сезон служит хорошим идентификатором динамики гидрологических фронтальных зон и течений.

В заключении сформулированы основные выводы диссертационной работы.

1. Анализ данных о температуре поверхности океана (ТПО) с высоким пространственно-временным разрешением, основанный на представлении временных рядов как суммы разномасштабных составляющих, выявил ряд важных особенностей формирования и структуры изменчивости ТПО. Так, в районах мелководных банок и шельфа изменчивость ТПО максимальна. Основной вклад (>9056) в ее формирование в этих районах вносит регулярный сезонный ход, достигающий здесь максимальных амплитуд. Доля сезонного хода велика (75-80%) и в районе Саргасова моря. Изменчивость ТПО во фронтальных зонах довольно высока, но здесь основную роль играет синоптическая компонента - ее вклад составляет 50-80%. Установлено, что области экстремальной синоптической изменчивости имеют очаговую структуру.

2. Экстремумы синоптической изменчивости, приурочены к областям активного взаимодействия элементов крупномасштабной

циркуляции между собой и сильного влияния на них рельефа

\

цна. Здесь экстремальны пространственные и временные (>15°С2) дисперсии, лапласианы ТПО, поперечные смещения фронтов. В исследуемом регионе выявлено пять таких областей. )ни также проявляются в осредненных полях параметров, рассчитанных по данным с высоким пространственным разрешением.

Полученные количественные взаимосвязи между различными тараметрами изменчивости существенно зависят от расстояния ^о фронта и от масштабов осреднения исходных данных.

- 20 -

3. Установлены зависимости пространственных градиентов, пространственных и временных дисперсий и других параметра от масштабов пространственно-временного осреднения данных 1 от величины параметра при начальном или заданном осреднении. Получены соотношения мевду временными и пространственным! масштабами изменчивости. Эти соотношения различны для разныз параметров и зависят от расстояния до фронтальной зоны.

4. На основе специального подхода, состоящего в анализе

синоптической изменчивости в системе координат, связанной с

\

положением "невозмущенного" течения .оценены пространственно-временные масштабы неоднородностей ТПО и выявлены закономерности их динамики. Во фронтальной зоне доминируют пространственные неоднородности трех масштабов: 200-300 км, 400-60С км и 1000-1500 км. Эти масштабы изменяются в зависимости оа расстояния до стрежня "невозмущенного" Гольфстрима. Процвссь во фронтальной области цикличны во времени: имеет место чередование периодов интенсивного и ослабленного меандриро-вания. Характерные временные масштабы неоднородностей ТПС меняются от 1-2 месяцев западнее м. Хаттерас до 3-4 месяцее в районе Северо-Атлантического течения.

Установлено существование двух групп волн, одна иг которых связана со стационарными меандрами, имеющими длины 400-600 км и временные масштабы 2-3 месяца, а другая - с бегущими вдоль фронта меандрами (длины - 250-400 км, периода - 1-2 месяца). Оценки характеристик неоднородностей ТПС согласуются с теориями бароклинных и топографических волн Россби, которые были использованы для интерпретации натурных наблюдений.

- 21 -

5. На основе анализа пространственного распределения и статистики параметров меандров показано, что циклонические меандры отличаются от антициклонических распределением амплитуд, количеством, ареалом распространения, подтверадено существование стационарных и бегущих вдоль фронта меандров.

6. С помощью разработанных методов вероятностного анализа фронтальных зон, поиска и определения положения фронтов показано, что межгодовая изменчивость интегрального пиротного положения системы фронтальных зон может быть след-зтвием несинхронных колебаний интенсивностей формирующих ее фронтов. В областях Гольфстрима и Северо-Атлантического течения режим межгодовой изменчивости положения фронтальных зон различен. Установлена связь трехмерной структуры фронтального раздела с динамикой вод и топографией дна. Получены зависимости длины фронта от пространственно-временного юреднения исходных данных.

Установлено, что температура и соленость фронтального >аздела и стрежня течения существенно меняются вдоль потока [ с '"глубиной. Характер таких распределений эволюционирует от ;езона к сезону и обусловлен трансфронтальными процессами и ютоками тепла и масс на границе океан-атмосфера.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Гулев С.К., Кадеев Д.Г., Яшаяев И.М. О синоптическо! изменчивости температуры поверхности океана в районе Гольфстрима и Северо-Атлантического течения.// Океанология. 1988. Т.28. N 5- С.721-72?.

2. Гулев С.К., Яшаяев И.М. Синоптическая изменчивость температуры поверхности воды на субполярном фронте в Северной Атлантике.// Тезисы докладов всесоюзного семинара"Океанологические фронты северных морей: характеристики, методы исследований, модели" (Москва, 6-10 февраля 1989 г.). М. 1989.

3. Gulev S.K., Yashayaev I.M., Tereshenkov V.P. On synop-tio variability of water temperature in region of the Gulf Stream and North-Atlantio Current.// Annales Geophysioae. 1990. Suppl.II to Vol.8. Part II. Springer.

4. Гулев C.K., Яшаяев И.М. О связи пространственных градиентов и временной изменчивости поля температуры поверхности океана.// Локальное взаимодействие океана и атмосферы в Ньюфандлендской энергоактивной области (НЬШАЭКС-88). М. Гидрометеоиздат. 1990. С.330-334.

5. Гулев С.К., Яшаяев И.М. Пространственно-временные масштабы синоптических неоднородностей поля температуры поверхности океана в районе Гольфстрима.// Океанология. 1990. т.зо. N 6. С.885-890.

6. Яшаяев И.М. Гидрологическая структура и ее пространственно-временная изменчивость в области Дельты Гольфстрима в зимне-весенний период 1989-1990 гг.// Тезисы докладов 6-й региональной конференции "Комплексное изучение природы Атлантического океана". Калининград. 1991. С.52-54.

7. Яшаяев И.М., Гулев С.К. Пространственно-временные масштабы синоптических неоднородностей температуры поверхности океана в области Гольфстрима и Северо-Атлантического течения. // Тезисы докладов 6-й региональной конференции "Комплексное изучение природы Атлантического океана". Калининград. 1991-С.57-58.

а. Гулев С.К., Яшаяев И.М. Характеристики изменчивости температуры поверхности океана на пространственно-временных масштабах синоптического диапазона.// Морской гидрофизический журнал. 1992. N 1. С.43-51.

9. Yashayaev I.M. Synoptic and seasonal variability of sea surface temperature in the Gulf Stream and North-Atlantio current region.// Annales Geophysicae. 1992. Suppl.II to Vol.10. Part II. Springer. P.C175.

Ю. Яшаяев И.М. Синоптическая и сезонная изменчивость температуры поверхности океана в западной пограничной области Северной Атлантики.// Тезисы докладов 7-й региональной конференции "Комплексное изучение природы Атлантического экеана". Калининград. 1993. С.24-25.

11. Yashayaev I.M. Annual and interannual variability of the sea surface temperature in the western North Atlantio.// tanales Geophysicae. 1993. Suppl.II to Vol.11. Part II. Springer. 18 meeting of EGS. P.0188.

12. Yashayaev I.M. Spatial and temporal variability of the Shelf water-Slope water and Gulf Stream fronts.// Annales ieophysicae. 1993. Suppl.II to Vol.11. Part II. Springer. 18 meeting of EGS. P.C161.

13- Yashayaev I.M., Valov O.B. Mesoscale variability of thermohaline struoture in Newfoundland Basin.// Annales Jeobhysioae. 1993. Suppl.II to Vol.11. Part II. Springer. [8 meeting of EGS. P.C161.

14. Yashayaev I.M. Synoptic variability of the sea surface temperature in a frontal zone of the Gulf Stream (GS) md North-Atlantic Current (NAC).// Annales Geophysicae. 993. Suppl.II to Vol.11. Part II. Springer. 18 meeting of !GS. P.C160.

15. Яшаяев И.М. Гидрологическая структура в области :убполярного фронта Ньюфаундлендского бассейна зимой 1992/93 '.// Метеорология и гидрология. 1993- N 7.