Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Структура мезомасштабной изменчивости термохалинных характеристик в водах арктического бассейна

ВАК РФ 11.00.08, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Структура мезомасштабной изменчивости термохалинных характеристик в водах арктического бассейна"

РГЗ од

вч

2 РОССИИ ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИ И МОНИТОРИНГУ

ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДИ

АРКТИЧЕСКИЙ И АНТАРКТИЧЕСКИЙ НАУЧНО-ИССЛКЯОВАТЁЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи УДК 551.465.55(268)

. Дмитренко Игорь Александрович

СТРУКТУРА МЕЗОМАСШТАБНОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ ТЕРМОХАЛИННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК В ВОДАХ АРКТИЧЕСКОГО БАССЕЙНА

II.00.08 - океанология

; Автореферат

диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург - 1993

Работа выполнена в Арктическом и антарктическом научно-исследовательском институте

Научный руководитель:

доктор физ.-мат. наук Л.А.Тимохов

Официальные оппоненты:

доктор физ.-мат. наук Л.Н.Карлин

доктор физ.-мат. наук Г.А.Лебедев

Ведущая организация: Санкт-Петербургский государственный

университет

Защита состоится "20." 19^ г. в ^ часов 00

мин. на заседании специализированного Совета Д.024.04.01 в Арктическом и антарктическом научно-исследовательском институте по адресу:

199226, Санкт-Петербург,, ул. Беринга, 38. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ААНШ.

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного Совета / ^_,. В.П.Карклин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Ведущую роль в формировании вертикального распределения термохалинных характеристик в мезомасатабном диапазоне частот и волновых чисел играют турбулентность, волновые процессы и конвекция, которые могут реализовываться в виде сложно организованных в пространстве и времени структур. Изменчивость термохалигашх полой с характерными временными масштабами от нескольких часов до нескольких суток в значительной мере определяется адвекцией таких структур. Исследование их топологии и механизмов генерации и трансформации в условиях реальной океанической стратификации находятся лишь в начальной стадии. Для динамически активных районов, характеризующихся наличием фронтальных зон, интенсивных струйных течений, зон конвергенции, ведущее значение приобретает адвекция мезомасштаО;шх структур, наблюдаемая в пикноклине и на его перифериях (так называемые внутрипикноклинные вихревые структуры). Они оказывают существенное влияние на деформацию пикноклина и создают значительные аномалии в поле скорости звука.-Наблюдения, выполненные с дрейфующих льдов в различных районах Арктического бассейна Северного Ледовитого океана показывают, что деформации пикноклина, обусловленные адвекцией таких структур, могут достигать 80 - 100 метров за 0.5 -1.0 сутки. Такая изменчивость термохалянншс полей имеет весьма сложный характор и ее закономерности до сих пор остаются неизученными.

До настоящего Бремени остается открытым вопрос о принципиальной возможности прогнозирования мезомасштабных флюктуации термохалинных характеристик. В тем случае, если они имеют динамическое происхождение, организованы в пространстве и времени и подчиняются неким детерминистическим закономерностям, возможно создание методов их прогноза и расчета. Актуальность исследования структуры мезомасштабной изменчивости термохалинных характеристик в водах Арктического бассейна определяется тем, что:

- изучение структуры мезомасштабной изменчивости расширяет наши знания о гидрофизических процессах в Арктическом бассейне:

- установление динамической природа мезомасштабных структур, закономерностей их возникновения и эволюции закладывает физические основы методов предвычисления мезомасштабных флюктуации океанологических характеристик в деятельном подледном слое. . ■

Целью диссертациошюй работы является исследование структуры

мезомасштабной изменчивости . термохвлинных , характеристик вод Арктического бассейна Северного Ледовитого океана, механизмов ее формирования и трансформации.

В диссертационной работе поставлены, а решены следующие

задачи:

- выявлен;1 характерные структуры мезомасштаОной изменчивости. термохалинннх полей подледного деятельного слоя Арктического

бассейна;

- определены возможные подходы к их описанию;.

- исследованы .мезомасатабные структуры термохалинннх полей в рамках наиболее обоснованного с физической точки зрения подхода к описанию мезомасштабной изменчивости;- определены механизмы генерации и возможность стабилизации

мбзомасштабнкх структур в подледном слое Арктического бассейна;

- получены основные размерностные характеристики динамической системы, генерирующей мезомасштабные структуры, установлена их геометрия, а также характер движения в подледном слое Арктического бассейна.

Выносите на защиту положейия диссертационной работа сводятся

к следующему:

1. Предложена модель . генерации структур -. типа "внутришпшоклинных вихрей", построенная в рамках турбулентного подхода к описанию мезомасштабной изменчивости термохалинннх характеристик. Такие структуры представляют собой вихревые образования, которые возникают в результате потери устойчивости инерционных течений на .тангенциальных разрывах поля скорости и имеют динамическое происхождение. Получена верхняя оценка разменов структур, возникающих таким способом. . /

2. . На основании уравнений движения в линейном и слабонелинейном приближении получены соотношения, определяющие эволюцию вихревой структуры. Установлено влияние силы Кориолиса на этот процесс. '

3. Методом фрактального анализа реализаций термохалинннх полей установлен факт существования и топология турбулентных структур в области пшшоклина и на его перифериях. Выполненные расчета« позволяют предположить, что мезомасштабные флюктуации термохалинных характеристик .... здесь, имеют динамическое происхождение. Получены характеристики динамической системы, генерирующей турбулентные . структуры в по&чедном слое и области пикпохлина. ,

• - 5 -

' 4. Установленный в рамках турбулентного подхода факт существования мезомасвтабних структур и их топология, предложений способ генерации и эволюции таких, структур представляют собой, модель мезомасштабных динамических турбулентны;, структур в подледном слое Арктического бассейна.

Научная новизна работы заключается в следующем:

на основе реализаций термохапинных характеристик в подледном слое Арктического .бассейна выявлены характернее структуры мезомаситабной изменчивости типа "внутридакноклшных вихрей"; такие структуры наблюдаются не тслько в пшшоклине, но и в прилегающих к нему слоях волы;

: : - в рамках турбулентного подхода к описанию структуры : мезомасвтабной изменчивости термохалинных характеристик предложена ш реализована модель генерации мезомасштабных структур типа "внутрипикноклинный вихрь". Они рассматриваются как квазидетермишфовашвю структуры , мезомасшзабной турбулентности. ' имеющие динамическое происхождение.

. -^получена оценки размеров модельных структур, которые хорошо совпадают с имесЬдемися материалами натурных наблвдений;

-.. предложена модель эволюции. ' мезомасштабных структур в условиях неустойчивости, основанная на аналитическом исследовании возможности перестройки топологии мезомасштабных турбулентных 'структур;

- установлено влияние вращения Земли на процессы трансформации Меэомасвтабша турбулентных структур;

- наосвове анализа натурной информации подтверждена гипотеза о дкиакячесхш происхождении мезомасштабных . флюктуация термохалиншх характеристик в подледном приповерхностном слое, пикнокливе и прилегашдах к нему сдоях вода;

получены основные размервостные характеристики динамической системы, гвверкр: зяей мезомасатабные ? тштуации термохалинных , характеристик. ■..

' Практическое я йаучвое значение работы. Работа выполнялась в . ранках следующих научно-исследовательских тем: - . :;; * "Изучить акспвржентвльно я разработать- новые методы рвсчМа конвекции» турбулентности и вертикального распределения : океанологических характеристик под ладном покровом Северного Лдоштогооке^ тема1Х.2а.7);

- "На ск»ове 8Котер1шентальннх и теорет^еских исследований ■ создать новив метода {»счета турбулентных потоков я вертикальных

профилей океанологических характеристик под • ледяным покровом" (1993 Г., проект 7.2.1.2.6 ЩШ1 ААШИ);

- "Разработать теоретические и методические основы следящей прогнозирующей автоматизированной системы для СЛО по разделам: наблюдательская сеть сопряженных гвдрологоакустических исследования и океанологические расчета и прогнозы (проект СПАС)", 1991-1993 г.Г.. проект 05.04.01.01 ГНТП.

Основные результаты диссертационной работы вошли в созданный в 1993 г. "Каталог структур молко- и мезомасштабной изменчивости океанологических полей Северного Лодрвитого окана (СЛО)*, подготовленный в рамках проектов 7.2.1.2-й 05.04.

Практическая значимость работы состоит в возможности использования ее результатов для построения метода расчета и прогноза мезомасштабной изменчивости вертикального распределения окоапологических характеристик. Выявленная в работе детерминированная, а не хаотическая природа мезомасштабных флюктуаций указывает на принципиальную возможность создания такого метода.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах лаборатории гидрологического режима Северного Ледовитого океана отдела океанологии ААНИИ (1989-1993 г.г.), семинаре отдела океанологии ААНИИ (1993), секции Ученого совета ААНИИ (1993), коллоквиуме "Механизмы формирования тонкой термохалинноя структуры вод океана" (ДАНИИ, 1991), 3-й Всесоюзной конференции "Вихри и турбулентность в океане" (г.Свотлогорск, 1990), 3-м Всесоюзном симпозиуме "Тонкая структура и синоптическая изменчивость морей и океанов" (г.Таллинн, 1990), Всесоюзной конференции "Проблемы стратифицированы* течений" (Канев, 1991).

Публикации. Основные положения - диссертационной работы опубликованы в 5 статьях, список которых приведен в конце автореферата.

- Структуре1 и объем работы. Диссертация состоит из вьедения, четырех- разделов, заключения, списка использованной литературы и приложения. Обдай обгем работы составляет 141 страницу, включая 35 рисункоз и I таблицу. Список литературы насчитывает 100 наименоеьний.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана, актуальность работы, обосновано

. - ? -применение использованых методов исследования и вибор материалов натурных наблюдений, сформулированы цель и задачи работа,, приводятся основные полокегая, выносимые на защиту, а также краткое содержание разделов диссертации.

Первый раздел работы посвящен описанию структуры иезомасштабной изменчивости термохалкшшх полей Арктического бассейна.

В первом параграфе раздела рассмотрены возможные подхода к описанию структуры мезомасштабной измчнчивости: споктралышй, турбулентный и гидродинамический.

Во втором параграфе .в рамках спектрального подхода на эсновании анализа натурной информации и по литературным источникам исследована статистическая структура иезомасштабной; измгшчгшости гермохалишшх. характеристик в Арктичоскогом бассейне. Для »того «¡пользованы рассчитанные в работе по стандартным алгоритмам распределения по глубине функций спектральной плотности ле.зомасштабных флюктуация термохалшпшх характеристик. При расчетах использовались временные реализации термохалинных сарактеристик, полученные с дрейфующего льда методом же апологических зондирований на СП-28(2) и СП-ЗИ2). Длина зеализаций составила 100 суток при временной дискретности шблюдений 12 и 6 часов соответственно. Количество горизонтов ¡егистрациии хорошо разрешало .в первом случае верхний •рехготметровий, а во втором - пятисотметровый подледный слой._ • Выполненный . анализ распределения значений функций шектральной плотности на частотах ниже инерционной показывает, 1ТО волновая структура в этой области слабо выражена и вряд- ли ¡вязана с существованием каких-либо характерных периодических волновых) структур 6 лоле термохалинных- характеристик. Однако, но не исключает существования мезомасштабных апериодических труктур, характер . зижения в которых мохе быть весьма сложен и ущественно нелинеен. Такие структуры могут регистрироваться в :оле термохалинных характеристик эпизодически и, следовательно, их ущэствование не будет -отражено на спектре пульсаций в виде окальных максимумов.

Распределение энергии флюктуаций ^ глубиной подчиняется трогой закономерности: ее максимумы сосредоточены в ысокоградиентных слоях - термоклине и пиккоклине, и наряду с рочими причинами, могут .быть обусловлены существованием в этих айонах квазидетерманированных в поле термохалинных характеристик

окоанических структур.

Третий параграф посвящен описанию ' так называемых ■"квазидетермшшровтшых" мезомасштабных структур термохалшншх полой, ведущее место среда которых для условий Арктического бассейна принадлежит внутриликноклинным вихрям. На основании данных наблюдений за тормсхалинними характеристиками в подледном слое, которио были использованы для расчетов во втором параграфе,, выявлены и проанализированы пятнадцать таких характерных структур. Проведенный анализ параметров выделшшых структур показал, что они могут быть приурочены не только к пикноклину, но наблюдаются и в прилегающих .слоях поды, а также различаются в пределах мозомзсктабного диапазона , по пространственно-временным масштабам. При этом их термохалинная структура 'остается идентична, что позволяет говорить об универсальности механизма генерации и трансформации.

Второй раздел работы посвящен изложению основных принципов и концепции турбулентного подхода к описанию структуры мезомасштабной изменчивости тормохалинных характеристик и, носит обзорный характер. * . ''

В первом параграфе "раздела рассмотрена возможность и целесообразность испольнова1тя турбулентного подхода, - его особенности в применю кии к описанию структуры гидрофизичоских полей окоана. В рамках турбулентного подхода все пульсация термохалишшх характеристик рассматривался как имеющие турбулентное происхождение.

Основные направления развития и достижения современной теории турбулентности представлены во втором параграфе раздела»

Третий параграф посвящон излохешш концепции теории структурно» турбулентности. Современные-исследования, выполненные в рамках теории структурной турбулентности (Ы.Гольдштик. 1982: Ю.Кдшаитович, 1990;-М.Рабинович и Ы.Сущих, 19Э0 и др.), показали, что структурность является одним из основных свойств турбулентного движения и обусловлена существенной нелинейностью, процессов в закритичоской области. ' . " !

В первой части параграфа рассматриваются- принципиальные вопросы струкгурировашюсти турбулентных.процессов в дассипативных системах, г.ьодйтон понятио "странного аттрактора" и описываются его основные свойства. Сценарии перехода к турбулентности в рамках структурной теории изложены во. второй части этого параграфа. Турбулентность в них возникает в результате нескольких или цепочки

бифуркаций, под которыми понимается качественная перестройка поведения траекторий движения в результате потери им устойчивости. Под самой турбулентностью в большинство случаев (b.Hueli and F.Takeno, 1971 i J.Curry, and J.Yorke, 1977) подразумевается слоиюо стохастическое поведение траекторий движения в окрестности притягивающего множества в фазовом поростра.чство, получившего название "страшшй аттрактор". • ■

В третьем разделе представлена разработанная автором модель генерации мезомасштабных турбулентных структур сдвиговой неустойчивостью основного •потока. Модель разработана в рамках сценария перехода к турбулентности через квазанариодичность Ландау-Хопфа •' (Л.Ландау, 1944 ; • Е.НорГ, 1946). Формирование динамических турбулентных структур рассматривается как проявление универсальных, квззиопределшпшх для каждого типа течений, процессов самоорганизации при потере устойчивости движения.

' По1Шмание автором существа процессов самоорганизации с этих позиций, основанное на работах (Г.Николе и И:Пригояаш, 1979; Г.Хакен, I98&), представлено в первом параграфе раздела.

Второй параграф посвящен . исследованию методом малых возмущений устойчивости инерционных движений на тангенциальных разрывах поля скорости точения для модели двухслойной однородной жидкости. Исследуется устойчивость плоского периодического ■ движения vQ(x.y.t) ~ expIi(kQx ^ nQy - uQt)l на тангешшалыюм разрыве поля скорости методом малых возмущений. Роль vn и.грпст инерционное движете, достаточно хорошо выраженное в Арктическом бассейне.

Тангенциальный разрыв скорости течения совпадает с границей раздела двух слоев жидкости, верхний находится в состоянии покоя, нижний движется со скоростью V0=(V0x,V0y). Поверхность разрыва и все параметры движения на ной ■ испытывают малые периодические потенциальные возмущения v,, с частотой и, и волновыми числами п,, к,, так что скорость V-VQ+V,, Давление , а

вертикальное смещение поверхности разрыва 4=5,. В качестве таких возмущения могут . выступать короткопериодные внутренний гравитационные волны. Исходное движение удовлетворяет трехмерной системе уравнений движения (I),' где ?=(vi.vy,vz):

■ Г v)i + р , _ 1 VP + v . .

I dW 7 = 0. . _ ... '

Здесь px=vypk, py=-Vx0k, p2=g, pk- параметр Кориолиса.

Вертикальной компонентой вектора угловой скорости вращения Земли ми пренебрегаем. Для малого возмущения имеем

трехмерную линейную систему дифференциальных уравнений (2):

( -ЭГ- + Рг - -к УР1+ г' (2)

I (Ш ? = 0 . 1

Общий вид решения системы уравнений (2) экспоненциальны?:

х.у = П(х,у.г,г) ехр(-1ы1), (3)

причем существование положительной комплексной частоты ит оз1»чавт неустойчивость движения Ч0 ТО отношению к малому возмущению V,.

Для исследования возможности существования таких значений и, используем полученное в приближении- теории волн малой' амплитуда <1/(1г " д/сп и после применения к (2) оператора уравнение Лапласа (4):

АР1 = О. (4)

Решая его и используя условие равенства давлений на поверхности тангенциального разрыва получим искомое дисперсионное уравнение (5):

где р,- плотность нижнего слоя. р2~ плотность верхнего слоя воды.

Возможность наличия положительного мнимого исследовалась на основании дисперсионного уравнения (5), решенного относительно частоты. Сделанные оценки показывают, что влиянием турбулентной вязкости и силой тяжести для возмущений малой амплитуды можно пренебречь. Тогда и, положительно и ' мнимо при выполнении, неравенства (6):

Уох+ Уоу- Ц0 * % к,уох+ п>оу " р*+ рг

> О .

(6)

Во второй части этого параграфа нэ основе дисперсионного соотношения (5) получены оценки размеров турбулентных структур, генерируемых ' сдвиговой неустойчивостью. Для восточного

.зонального движения при океанологических параметрах, наблюдавшихся в ходе выполнения серии экспериментов АХОДЕХ (М. Мо РКее, 1978), верхняя оценка размеров структур, которые могут возникать описанным способом, соответствует приблизительно 27 км. Это хорошо соответствует- имеющимся материалам натурных наблюдений за

внугрипикнбк.инными вихрями в Северном Ледовитом океане (Л.Беляков И В.Волков, 1980, 1985; K.Hunklns, 1974; М- Мо Phee, 1978 И др.).

Третий параграф раздела посвящен исследованию топологии таких структур вблизи точки потери устойчивости периодического движения. В первой его части вводится понятие синхронизации частот в квазипериодической турбулентной структуре - двумерном торе,и с "качественных позиций . оценивается влияние этого феномена на дальнейшую эволюцию движения. Эта часть носит обзорный характер. Во второй и третьей части на основе дискретного аналога уравнений движения исЬледуются возможность линейной и слабонелинейной синхронизации частот на торе и влияние силы. Кориолиса иэ этот процесс. . .

Потеря утойчивости инерционного движения на тангенциальном разрыве поля скорости будет сопровождаться локальной бифуркацией, т.е. качественной перестройкой ставшего неустойчивым предельного цикла частотой wQ. В результате бифуркации возникнет новая частота <¿2= Re , определяется из дисперсионного соотношения (5). Таким образом, движение трансформируется в двумерный тор, ш2~ частота намотки на образующую тора, причем шг=сь>0, где а -иррациональное число. Дальнейшая эволюция движения будет определяться явлением синхронизации, т.е. замыканием намотки на торе. Для синхронизованного (рационального) тора отношение частот ь»г и ы0 становится рациональным числом.

Исследование .синхронизации, частот в линейном приближении представлено во втором разделвпретьего параграфа. Рассматривается изменение парам^ров 'квазипериодаческой системы в дискретные моменты времени Т, кратные ?0=2я/и>0, так что t=T0T.; x.Y.z -пространственные '. координаты в моменты времени Т. Анализ аналитического решения полученного дискретного аналога уравнений движения, для -y1-n(X,Y,T,Z)expj^-2ici(032T/uo)j. на поверхности тангенциального разрыва (Z=0):

приводит к невозможности линейной синхронизации, поскольку полученное определяющее синхронизацию соотношение не реализуется. В уравнениях (6) сопв1 - постоянная интегрирования • уравнения Лапласа (4), имеющая физический смысл давления на поверхности

ИГ/- 2*1( 5Ц V*V

ш.

тангенциального разрнва при При пренебрегши действием сил

Кориолиса возможность синхронизации целиком определяется соотношением началышх условий. Использование линейной системы уравнений (6) возможно лишь в первые моменты времени, прошедшие поело оифуркащш, когда надкритичность движения еще невелико.

Возможность синхронизации частот на торе . в слабонелинейном приближении исслодуется в третьем разделе параграфа. При дальнейшем превышении порога надаритичности, где нелинейность становится определяющей, необходимо . анализировать нелинейную систему уравнений, полученную по аналогии с (6) после разложения -дг- по .юлой величине -эд?-. пренебрегая членами разложения 'с порядком -ду- больше двух: •

эт5 - Л^_сопег[ехр »к£х ♦ ^л]

(V)

ОТ* = - 3^-оопвг[ахр 21С1(^Х > £>] _

Одесь С - некоторая размерная функция числа Койнольдса (по аналогии с числом Ландау (Л.Ландау и Е.Лифшиц, 1987)), • характеризующая нарастание нелинейности го прс,мини. Аналитическое решение нелинейной системы уравнений (7) удалось получить только . пренебрегая ускорениями Кориолиса. Его анализ показывает, что синхронизация возможна и определяется ссотношо)шом начальных условий и параметра нелинейности. Й общем случае, анализ аналитического решения, полученного Методом последовательных приближений, определяет возможность нелинейной синхронизации ь зависимости от параметра нелинейности. •

Четвертый раздел посвящен исследованию вопросов существования и топологии турбулентных структур динамического происхождения на основе изучения реализаций термохалиншх характеристик в подледном слое Арктического бассейна.

В первой части первого параграфа раздела . обсуждаются особенности турбулентного движения, позволяющие использовать для описания структуры турбулентности аппарат фрактального анализа реализаций турбулентных процессов. Поскольку турбулентное движение в рамках структурной теории трактуется как -движение на стохастическом аттракторе с размерностью <1 такой, что 2 < <г < 3, возможно утверждать, что множества турбулентных пульсаций в фазовом пространстве обладают дробной размерностью. Е.Мандальбротом (в.Мап<5е1Ъго1,. 1982) эта размерность названа

фрактальной. . Фрактальная размерность слукит объективным показателем степени стохастичноста системы и позволяет, несмотря на внешнюю хаотичность флюктуация отделить сигнал динамического происхождения от шумовой компоненты. На основе фрактальной размерности возможно судить о реализуемости тех или иных сценариев перохода к турбулентности в реальных океанических условиях.

■Во второй части параграфа анализируются результаты расчетоа размерностных характеристик мезомасштабных пульсаций температуры, солености и плотности. Расчет оценок фрактальной размерности термохалинных полей на основе реализаций океанологических величин .практически является единственно возможным способом установить стохастичность динамической системы, формирующей сигнал,и получить ее основные размерностные характеристики, фрактальный анализ термохалинных характеристик проводился на фиксированных горизонтах и по. тем же реализациям термохалинных характеристик, что и в разделе I работы. Фактически он заключается в исследовании масштабных (скойлинговых) свойств серии функций корреляционного интеграла, используемого в качестве возможной оценки фрактальной размерности:

N Ы

,: С(е) « lim —5 1 J H<e-|Ut-0л). (8)

6 * " "/l.t

Здесь е - наперед заданный параметр малости, N - число членов в реализации, и - точка на траектории в Р-мерном пространстве, образованной по методу Ф.Такенса (Р.Такепв, i9ßi) реализацией термохалинной : характеристики, Н - функция ХевисаЯда, Р -размерность вложения реконструированного предельного множества. Движение считается фрактальным, т.е. внутренне структурированным, если на серии графков функции корреляционного . интеграла наблюдаются линейные участки, причем угол их наклона не изменяется при увеличении размерности вложения Р. Тангенс угла наклона при этом определяет фрактальную размерность.

. Расчеты показали, что в отличие от верхнего квазиоднородноп* слоя для пикноклина такие линейные, участки выделяются, что определяет структурность движения и динамическое происхождение мезомасштабных флштуаций в этом слое. Они же были выделены и в непосредственно подледном слое, однако фрактальные размерности здесь были иные,, что позволяет говорить о различном динамическом происхождении структур в этих . слоях. С увеличением глубины скейлинговые участки не прослеживаются, движение не структурировано. Полученные оценки фрактальной размерности не

- - 14 -

превышают "2", что позволяет утверждать, что известные сценарии, перехода к турбулентности через квазипериодичность в пикноклине до конца но реализуются и страшшй аттрактор здесь не возникает.

Второй параграф раздела посвящен обсуждению гипотезы автора о ' возможности формирования ступенчатой термохалинной структуры в верхнем слое океана в результате самоподобного распада турбулентных . структур. Относительная близость фрактальной размерности и размерности вложения Р в пикноклине позволяет говорить о квазиконсера&сирности движения (А.Гапонов-Грехов и М.Рабинович, 1984) и бозйожности использования для описания эволюции синхронизованных и" рациональных торов теорем классической механики. В соответствии с выводами знаменитой теоремы Колмогорова-Арнольда-Мозера эти торы под воздействием возмущений будут разрушаться по законам самоподобия. На возможность существования подобных термохалинных структур указывалось и ранее' (П.Богородский, А.Гусев,-Л.Зубков, 1982)% Полученное в работе по данным СП-31/2 распределение плотности также иллюстрирует самоподобный распад структуры на ее верхней периферии. Полный самоподобний распад тора приведет к возникновению в пределах пикноклина ступенчатой термохалинной структуры, достаточно часто наблюдающейся в океане. Самоподобный.распад торообразных структур, возникших в результате процессов сдвиговой неустойчивости, можно предложить как один из возможных, но пока гипотетических механизмов формирования ступенчатой термохалинной структуры в, окоане. • ... ...

В- заключении обсуздается возможность .использования• результатов работы для построения методов расчета и прогноза .. структуры мезомасштабной изменчивости термохалинных полей, приведены научные результаты работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И.ВЫВОДЫ . .

1. На основе данных наблюдений выявлены характерные структур! мезомасштабной изменчивости термохалинных характеристик, связанные с существованием в шасноклине и прилегающих к нему слоях воды Арктического бассейна внутрипицноклшпшх вихрей.

2. Построена модель формирования мезомасштабных структур . термохалинных полей сдвиговой неустойчивостью основного потока. Эти структуры •возникают' в. результате потери устойчивости инерционного движения на тангенциальных разрывах поля скорости

течения, оценка сверху размеров этих структур хорошо соответствует имеющимся материалам натурных наблюдений за "внутриликноклинными вихрями". Топология таких структур- представляет собой торы с незамкнутой намоткой на образующую.

3. Установлено, что замыкание намотки на торе (синхронизация частот), определяющее дальнейшую эволюцию и трансформацию структуры во времени, в линейном приближении невозможно. Если пренебречь влиянием вращения Земли, то достижение состояния синхронизации частот будет целиком определяться начальными параметрами движения. Нарастающие нелинейные эффекты приводят к компенсации дестабилизирующего воздействия силы Кориолиса и нелинейной синхронизации. Без учета эффекта вращения Земли нелинейность накладывает существенные ограничения на параметры перехода к состоянию синхронизации.

4. Установлено существование мезомасштабных структур в термохалинных полях Арктического бассейна, имеющих, турбулентное происхождение. Эти структуры идентифицированы- методом теории структурной турбулентности в верхнем подледном слое, пикноклине и прилегающих к нему слоях. Природа мезомасштабных структур в подледном слое и в районе залегания пикноклина различна. Вероятно, в первом случав их существование связано с развитием пристеночной турбулентности и орографическими особенностями нижней поверхности ледяного покрова. Во втором - является следствием развития процессов сдвиговой неустойчивости.

5. Определена топология мезомасштабных динамических турбулентных структур. Они представляют собой аттракторы с дробной корреляционной размерностью меньше двух. Это означает, что известные . сценарии перехода к турбулентности через квазипериодичность до конца не реализуются.

6. Результаты проведенного исследования позволяют рассматривать мезомасштаОные флюктуации термохалинных характеристик в верхнем деятельном слое Арктического бассейна как организованные во времени и имеющие динамическое происхождение. Это деет основание для построения методики их расчета и прогноза.

• • . СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ'

I. Дмитренко И.А. Сдвиговая неустойчивость и возможность формирования внутрипикнокликных вихревых структур в Арктическом бассейне. - Л.. Деп. в ВШИШНЩ, per. номер 914-гм89 от

. - 16 - •'••.. 07.06.89. -13 С. ' ' . ' :

2. Дмитригко И.А. Синхронизация частот в мезомасотабных динамических турбулентных структурах//Труды Аркт. к антаркт. ин-та. -т. 429. - В печати.

3. Дмитренко И.А., Грибанов В.А. Кезомасятабные вихревые структуры океанической турбулентност*//Тезисы докладов на третьей Всесоюзной конференции "Вихри и турбулентность в океане". Калининград, 1990, .с.75. •

4. Дмитренко И.А., Грибанов В. А. Модель формирования мезомасштабных вихревых структур в оке ане//ТезисыЛ докладов на третьем Всесоюзном симпозиума "Тонкая структура я синоптическая изменчивость морей и океанов". Таллинн, 1990. с.38-39.

5. Дмитренко И. А., Грибанов В.А. Срактальный анализ мезомасштабных гидрофизических полей Северного Ледовитого

-вкеана//Тезисы докладов на Всесоюзной конференции "Цроблемы стратифицированных течений". Канев, 1991 ^ с.26-27.

РвшААНи^ ,л«.б4-ио ол»г<ишялМ