Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Трансфронтальный обмен и эволюция криволинейных фронтов

ВАК РФ 11.00.08, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Трансфронтальный обмен и эволюция криволинейных фронтов"

АКАДЕМИЯ НАУК СССР ИНСТИТУТ ОКЕАНОЛОГИИ кы.Л.П.ШИРШЗВА

На правах рукописи УДК 551.465

ГОРДЕЙЧЕВ ДМИТРИЙ ОЛЕГОВИЧ ТРАНСФРОНТАШШЙ ОШЕН И ЭВОДЩШ КРИВОЛИНЕЙНЫХ ФРОНТОВ

Специальность 11.00.08 - океанология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА - 1990

Работа выполнена в Отделе экспериментальной и косыичес-кой океанологии Института океанологии иы.П.П.Ширшова АН СССР.

Научные руководители: член-корресповдент АН СССР|К.Н.Федоров! кандидат физико-математических наук Г.Г.Сутырин

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук Г.Ы.Резник кандидат физико-математических наук С.Н.Овсеенко

Ведущая организация: Кафедра океанологии Географического факультете Московского Государственного Университета им.Ц.ВЛомоносова.

Защита диссертации состоится " 1990 г.

в Д/ час. на заседании специализированного Совета К 002.86.02 по присуждению ученой степени кандидата наук в Институте океанологии ни.П.Л.Ширшова АН СССР по адресу: г. Ыосква, 117218, ул. Красикова, дом 23.

Ваши отзывы в 2-х экземплярах, заверенные печатью, просьба посылать по указанному адресу.

С диссертацией мохно ознакомиться в библиотеке Института океанологии им.П.П.Ширшо'ва.

Автореферат разослан 1990 г.

"/V

Ученый секретарь специализированного -¿С ¿/А/

Совета, кандидат географических наук /Р// у С.Г.Панфилова

& I

ОВДАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТУ

г.

-: ■ Актуальность теш. По современным представлениям фронтальные зоны в океане - это, с одной стороны, естественные границы, раз делящие водные массы с различный распределением основных характеристик, с другой стороны, области интенсивного обмена между этими водными массами. Такой обмен происходит как за счет неадиабатических процессов, так и вследствие адвекции воды, вдоль и поперек фронтальной зоны.

Обычно фронтальные бароклинные разделы неустойчивы, что проявляется в меандрировании и образовании вихрей различных масштабов. Натурные исследования дистанционными и контактными методами показывают тесную связь между степенью искривления фронтальной зоны и направлением и интесивностью трансфронтальных движений, приводящих к локальным изменениям ее структуры, перераспределению гидрофизических характеристик внутри нее и водообмену между отдельными участками фронтальной зоны и окружающими ее водными массами. От крупномасштабных фронтальных разделов отделяются синоптические фронтальные кольца и переносят на значительные расстояния воду с отличными от окружающей характеристиками. По мере их движения происходит перемешивание переносимой вихрями воды с окружающей, и таким образом осуществляется трансфронтальный обмен импульсом, теплом, массой. При этом на продолжительность существования фронтального кольца определенное влияние оказывает Енутривихревая циркуляция, зависящая от направления и скорости вращения вода в вихре, а также от его размеров (т.е. от степени искривления фронтального раздела, образующего кольцо);

Таким образом, исследование зависимости динамики фронтальных разделов от их кривизны может дать ответ на ряд вопросов, связанных с обменом импульсом, теплом, солью в океане. Кроме

чисто научного интереса, изучение закономерностей адвективного переноса через фронтальные разделы необходимо для решения ряда прикладных проблем, касающихся, например, изменения биологической продуктивности во фронтальных зонах или распространения антропогенных загрязнений.

Цели и задачи исследования. Настоящая работа посвящена исследования физических механизмов.возникновения трансфронтальных движений на кольцевой я меаедрирущем бароклиншх фронтальных разделах, приводящих к изменения» их структуры, а также экспериментальному исследованию трехмерной структуры циклонического меандра Гольфстрима.

Методы исследования. Для исследования влияния трансфронтальных движений на зволоцко криволинейных фронтов использовались метода численного я аналитического решения уравнений гидродинамики. Экспериментальное исследование фронта Гольфстрима проводилось на основе анализа данных синхронных наблюдений со спутника и корабля.

Научная новизна. Разработаны модели эволюции криволинейных фронтов в полуградиентном приближении. В рамках моделей впервые исследован процесс релаксации фронтальных колец и изменения внутренней структуры меавдрирупцей фронтальной зоны под действием собственного деформационного поля во вращающемся слое жидкости с непрерывной стратификацией. Проведено экспериментальное исследование циклонического меандра Гольфстрима, в ходе которого показана высокая эффективность использования спутниковой информации при исследовании динамики фронтальной зоны.

На защиту выносятся следущие положения:

1) полуградиентная модель вязкой релаксации фронтальных эсесимметричных колец;

2) пг>лд-"радиентная модель адиабатической эволюции меандри-

- 3 -

рущей бароклинной фронтальной зоны;

3) результаты экспериментального исследования структуры циклонического меандра Гольфстрима.

Практическая ценность. Результаты, полученные в работе, являются основой для дальнейших исследований динамики-фронтальных зон в океане, а также могут быть рекомендованы для решения некоторых задач гидродинамики океана, например, для интерпретации наблюдений за внугритермоклиннымн вихрями и неустойчивыми струйными потоками синоптического масштаба.

Аппробацяя работы. Основные результаты диссертации докладывались на коллоквиумах Отдела экспериментальной и космической океанологии Института океанологии им.П.П.Ширшова, на'II Всесоюзном симпозиуме "Тонкая структура и синоптическая изменчивость морей и океанов" (Таллинн, 1984), на III Республиканской конференции по прикладной гидромеханике (Киев, 1984), на Всесоюзной конференции "Проблемы стратифицированных течений" (Саласпилс,

1988), на Всесоюзном семинаре "Океанологические фронты северных морей: характеристики, методы исследований, модели" (Москва,

1989).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 работ.

Структура и объем диссертации..Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Работа содержит 94 страницы машинописного текста и 25 рисунков. Список литературы включает 114 наименования, в том числе 82 зарубежных.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, формулируются задачи исследования, приводится краткая аннотация работы.

Первая глава имеет обзорный характер и посвящена результатам исследований структуры и динамики климатической фронталь-

ной зоны на примере фронтальной зоны Гольфстрима.

В 5 1.1 были рассмотрены результаты натурных исследований распределения гидрофизических характеристик во фронтальной зоне Гольфстрима в открытом океане с помощью контактных и дистанционных методов. Особое внимание уделялось параметрам меандрарования основной струи Гольфстрима. Наблюдения с помощью изопикнических поплавков показали наличие поперечных и вертикальных составляющих движения, связанных с искривленными участками основного ге-острофнческого потока, а также радиальных движений внутри фронтальных колец Гольфстрима.

В $ 1.2 дан обзор теоретических исследований возникновения поперечной циркуляции иа прямолинейных франтах.

В § 1.3 изложены результате теоретического описания некоторых особенностей динамики фронтальной зоны Гольфстрима, связанных с искривлением фронтальных разделов.

Во второй главе исследовалась эволюция фронтальных колец синоптического масштаба. Из наблюдений известно, что после прекращения передачи энергия от крупномасштабной циркуляции вихревым образованиям синоптического масштаба их форма становится близкой к круговой с вертикальной осью, ж дальнейшая эволюция определяется неадиабатическими процессами.

, В $ 2.1 была выведена система уравнений, описывающая эволюцию внутренней структуры осесиммегричного фронтального кольца во вращающемся слое непрерывно стратифицированной жидкости в приближениях Буссинеска, квазистатики и ^ - плоскости. Диффузионные процессы параметризовались постоянными коэффициентами турбулентного обмена импульсом А,К я массой , при этом считалось, что в горизонтальном напраьлении турбулентный обмен происходит интенсивнее, чем в вертикальном А»К и А^Ку. После введения характерных масштабов по радиусу г» , по вертикали Н#, для

скорости вращения воды в кольце V, я временя как характерно-

t• д-1

. _ . ..... А , были составлены 4 без-

размерна параметра: с = V,■í~lгl1- число Кибеля-Россби и турбулентные числа Экмана Е= к Правдтля Рг = Л• Ар и Рг„- . При величинах характерных масштабов, типичных для фронтальных колец Гольфстрима (■|;/'Ь-107с»1,о года. Г»~105ы, Ю3м, у»"'О»!

4- I м-с-''') получилось, что Е«е<1. Поскольку вне экыановскшс слоев баланс сил в радиальном направлении определялся градиентом давления и силами Кориолиса и центробежной, для возмущения давления был выбран масштаб Г^ (- фоновая плотность

), и с учетом квазистатичности движения - масштаб аномалии плотности - ( $ - ускорение силы тяжести). Масштаб радиальной скорости был получен, исходя из предположения о том, что радиальное движение связано с изменением скорости вращения, а масштаб вертикальной скорости У/«. = из условия неразрывности в радиально-вертикальной плоскости с учетом осевой симметрии движения. При выбранных масштабах уравнения, описывающие эволюцию вихря, в безразмерных переменных имели вид:

У-Рг = (I)

V*- [г>г)г]г- = С3Г1 (мгг-г).Г2 (я)

л -См*)-к4 о)

индексы обозначают дифференцирование, «А^ безразмерная частота ВяйсяЯя, К = К- г^ А ■ г/- характеризует вклад вертикального турбулентного обмена, ф - функция тока в радиально-вертикальной плоскости и = Граничные и начальное условия для системы уравнений (I) - (4) были: V =у = 0 при Г = 0 и Г-» со , Ф =Уа= 0 при 2 = О;I; Р^Р^а) (5) Из системы (I) -(4), исключая производные по времени, было получено уравнение для функции тока ф :

- б -

«FЫ]г -2ivt *фг-%г + 4щг = Fl t Рл (6)

а» t^L+Zzvr1; с~ í+ t(vr),.-г1

Система уравнений (I) ,(4) ,(б) ,(2) или (3) описывала эволюцию осесимметричного фронтального кольца, когда в радиальном направлении поддерживалось градиентное равновесие, а вдоль фронтального раздела учитывался полный баланс сил.

В § 2.2 6i1л исследован совместный эффект вязкости и центробежной силы. Предполагалось, что

FV = Ре у = I, следовательно, Fx= О в уравнении (б). Все зависимые переменные раскладывались в асимптотические ряды по степеням параметра £ , и рассматривались нулевое и первые два приближения. Уравнение (б) в каждом приближении имело вид:

- 9« ; n = (б.*)

fio;. ¡A ^rW-'-v'V^ кЮ']г ;

и распределения функции тока, описывающей радиально-вертикальнуя циркуляцию, определялись правыми частями уравнений (б.«) с учетом граничных условий (5). В нулевом приближении v - О - циркуляция отсутствовала. В первом приближении описывало вязкие . напряжения возникающие под влиянием центробежной силы. Под их действием частицы воды перемещались: в области максимальных абсолютных значений азимутальной скорости от.периферии кольца к оси, вдоль оси вихря - в. область минимальных абсолютных значений V , там - от оси к краям вихревого образования, независимо от направления вращения воды. Во втором приближении влияние центробежной силы на внутривихревую циркуляцию списывалось выражением в первых квадратных скобках jW , из ^старого следовало, ^то

направление циркуляции во втором приближении зависит от направления вращения вода. Выражение во вторых квадратных скобках ^ представляло влияние адвекции на редиальло-вертикальную циркуляции.

Уравнения (2) и (3) в каждом приближении стали:

vtw- [r'Y^V)r ]r - kV£> = (2.Ю

t?- ^(/r-r)r - K'j£ = sf"> СЗ.Ю

fi 4>?+г-%^»>гУН,

Согласно уравнениям (2.Ю и (З.п) в нулевом приближении азимутальная скорость и аномалия плотности изменялись по законам вязкой диффузии. Б первом и втором приближения* отклонения от вязкого изменения азимутальной скорости происходили в основном под влиянием силы Кориолиса, возникающей при радиальном перемещении частиц вода. Движение от периферии к оси вихря увеличивало циклоническое, а от оси к краям - антициклоническое вращение воды. Отклонения от диффузионного растекания аномалии плотности были связаны с вертикальными движениями. При гидростатически устойчивой фоновой стратификации нисходящие движения ускоряли диффузию положительной аномалии плотности, а подъем воды приводил к ускорению диффузии отрицательной аномалии плотности.

В простом случае, когда И = Consi , VW, j^, раскладывались в соответствии с граничными условиями (5) в ряды Фурье, и решения уравнений (6.а),(2.п),(3.л) выражались через функции Бесселя с учетом начального условия. Для примера были рассмотрены модели колец с распределением давления при t = 0, р =±ехр(-«*г^-•ЗГYl+tóílaj (знак 'V" соответствовал антицинлону, "-" - циклону). Для них была получена одноячейковая радиально-вертикальная циркуляция с конвергенцией у поверхности, опусканием вдоль оси, ди-

вергенцией у дна и подъемом на периферии вихря. Ее интенсивности была больше в модели антициклона, т.к. в модели циклона знаки (р в первом и втором приближениях противоположны. Это различие увеличивалось пропорционально степени нелинейности фронтальных колец. С учетом характерных для Гольфстрима масштабов на уменьшение скорости по сравнению с начальным в 2 (4) раза под влиянием радиальнс-вертикальной циркуляции в модели циклона с £ = 0,18 потребовалось на 20 (45) суток больше, а в модели антициклона с £ = 0,1 - на 12 (37) суток меньше па сравнению с чисто диффузионным режимом.

В 5 2.3 рассматривалось влияние вертикальной структуры аномалии плотности циклонического кольца на его эволюцию. В начальный момент времени были заданы распределения аномалии плотности в моделях двух циклонических колец в виде: Я(г)-2;(г) (7) где вхр(-(г')] ¿г= е* 2 Г]

Н = Н«"£»1; Н0." толщина рассматриваемого слоя, 2 * - толщина аномалии плотности. В силу квазистатичности движения и предположения об отсутствии вращения воды при Н = Н , азимутальная составляющая вектора скорости монотонно увеличивалась к поверхности, где имела одинаковое распределение по радиусу в обеих моделях.

Исследование эволюции проводилось численными методами. На каждом >

временном шаге по известному распределению ^ в соответствии с Ш,(4) восстанавливалось поле азимутальной скорости, затем методом последовательной верхней релаксации по (6) расчитывалась и> , далее интегрировалось уравнение (3) (по схеме Писмена-?зк-форда-Дугласа для диффузионной и по схеме Лейта для адвективной частей уравнения) для получения аномалии плотности на следующем временном шаге. Расчеты показали, что в кольце с приповерхностной аномалией плотности радиальные движения от периферии к оси

действовали против вязкой релаксации вихря как под влиянием возникающей при радиальных перемещениях частиц воды силы Кориолиса, так и вследствие относительного обострения горизонтальных градиентов аномалии плотности. В кольце с глубинной аномалией плотности движения от оси к краж- в слое локализации аномалии плотности ускоряли вязкое растекание вихря. При характерных для Гольфстрима масштабах было получено, что уменьшение максимальной скорости вращения воды в 2,5 раза по сравнению с начальной в приповерхностном кольце происходило бы на месяц дольне, чем в придонном.

В § 2.4 была рассмотрена структура суммарной радпально-вер-тикальной циркуляции, обусловленной совместным эффектом вязкости и центробежной силы и различной интенсивностью турбулентного обмена импульсом и кассой для случая, когда (I - Рг1) = (I - Ргу1)~ . В циклоническом кольце составляющая радиально-вертикальных движений, направленная против наруаения градиентного баланса большей скоростью турбулентного обмена импульсом, Рг > 1 иЛ-„>1 имела то же направление, что и составляющая, обусловленная центробежной силой и вязкостью.В антициклоническом кольце эти обе составляющие были противоположно направленными и взаимно ослабляли друг друга. Таким образом было показано, что, если различие в скоростях диффузии импульса и массы сравнимо со степенью нелинейности вихревого образования, то в циклоне происходит замедление его вязкой релаксация, вследствие относительного обострения гори онтальных градиентов плотности, и "подкрутка" вихря под влиянием силы Кориолиса, действующей на перемещающуюся к оси вихря воду, тогда к^к эволюция антициклона близка к чисто Еязкому режиму.

Б третье}' главе рассматривалась эволюция внутренней структуры меандрируюцей фронтальной зоны, йэ-за переменной кривизны

фронтального раздела основное влияние на распределение трансфронтальных движений оказывали изменения вдоль фронта составляющих градиентного баланса, и неадиабатическими процессами можно было пренебречь.

В § 3.1 была исследована структура установившейся прямолинейной бароклинной фронтальной зоны. Во вращающееся слое непрерывно стратифицированной жидкости толщ.иой Н характерным попе" I ~

речным масштабом является радиус деформации где N =

= соп.5^ - средняя для слоя частота Вяйсяля, - характерная разница в глубинах залегания изопикнических поверхностей в областях жидкости, разделенных.фронтальной зоной. Был введен масштаб аномалии пл.'тнссти и определены масштабы давления р#= ¡Ц^г* и скорости вдольфронтального потока и4= - сред-

няя плотность в слое. В безразмерных переменных установившееся состояние описывалось уравнениями:

С|' - потенциальный вихрь, Е= у изменялся поперек фронталь-

ной зоны, г - вниз из ее середины от верхней границы слоя. Раэ-лотеше зависимых переменных в асимптотические ряды по степеням £ позволило получить уравнения для определения давления пс. известному распределению :

С + Р« = С* (¿.П)

где «..,<•»; + VI

с граничными условиями р^- а при н - 0; 1 -, 0 при со. Были сделаны два предположения: I) - в областях жидкости, разделенных фронтально!: .»оной, потенциальный вихрь - горизонтально однороден, а внутри зс-ны изменения потенциального вихря (3:1113), ограниченно!*: монотонными поверхностями $1(г) я 5г (г) , изменялся

линейно на каждом горизонте; 2) - на нижней границе слоя движение отсутствовало. Был исследован модельный пример, когда вне зипв qf-«2j=i-ces¿Гг, ({(«>,г) = и 5Л(0) - SL(0) = 0,5, Б

нулевом приближении поверхности и $х и распределение скорости потока были симметричными относительно середины фронтальной, зоны. На нижней границе слоя ЗИПВ расширялась до бесконечности, -вследствие экспоненциального уменьшения скорости потока при удалении от фронтальной зоны. С учетом первого приближения поверхность, проходящая через максимумы скорости на каждом горизонте, с глубиной отклонялась от вертикали в сторону менее плотной воды. Соответствующим образом изменялось положение поверхностей Sf и St . Боковые сдвиги скорости увеличивались в менее плотной воде и уменьшались в более плотной.

3 § 3.2 была выведена система уравнений, описывающая эволюцию меандрирующей фронтальной зоны при условии, что г^ (минимальный радиус кривизны меандров) в несколько раз больше lt . Для меандров с R >?, и ( R , À - амплитуда и длина волны)

на отрезке времени t»<<C, где М» /Пратт,1Э68/, фор-

ма фронта считалась постоянной, и была введена система'криволинейных координат (f,|,E), перемещавшаяся вместе с фронтон так, чтс один из базисных векторов е j был направлен по касательной к фронту (линии максимальных горизонтальных градиентов <j на некотором горизонте), другой {Ц - по нормали к нему, третий ег - вниз от верхней границы слоя. Связь координат f с де-карт-'выми х ,и имела вид: .

где Y =f(X ) = f (j ) - функция, описывающая линию фронта.

'Аз условия сохранения градиентного равновесия был введен линейный рдсльфрснтальный масштаб к l~ll,1, на котором давле-¡¡кс HjMiHi.iOcb сы на величину р^ , = ¿дсль-.^рунтал^.чые

градиенты давления обусловили тракефронтальные движения с масштабами скорости: по горизонтали = и по вертикали Масштаб времени изменения структуры потока трансфронгальными движениями был определен - <т. Б безразмерных переменных уравнения эволюции плотности и адиабатичес-

кого движения имели вид:

£(SS + + w = 0 . O)

-k*1^ CIO)

(£цН'1Ц-1)-и = pn (II)

S* Pe (12)

u{ + (Ju/X + kv/j = 0 . (13)

Из системы (9) - (13) были получены уравнения сохранения потенциального вихря

ql + k'lu(ii*vqn + w(]1=0 (14)

(J>fj>j)[[- £ + (15)

И Ci-Ы-^ Uk"1 Ц-í)h (V-h'% - fék-^Uh),-í j ] =

Система уравнений (II) - (16) списывала эволюцию внутренней структуры меандрируюцей фронтальной зоны и .решалась с граничными и начальным условиями:

при ; ро при 2'ОД;

В § 3.3 зависимые переменные разлагались в асимптотические ряды по степеням числа £ , и анализировались нулевое и первое приближения уравнений (9) - (10). 3 каждом приближении давление и потенциальный вихрь представлялись в ввде р^,*)р'^ у а {} и «¡4 7 ¿1) • Распределения р'~и соответствовали

установиЕпемуся геострсфическому потоку с дрикениек бдэль изолин!'! , совпадающих с линиями , со, скор'-с-

тья сйр), где = - р^"1, рассмотренному в § ЗЛ. Откло-

нения р,(Ч и Д^" , возникшие при искривлении фронта, были связаны между собой уравнениями:

?*! = С. ; ч.оц- (17.к)

- расстояние от рассматриваемой точки до соответствующего центра кривизны. В р'*4 были выделены постоянная и переменная во времени части, которые описывались и • соответственно, в правых частях линейных уравнений (17.а)= О'"-г"1 и С(в- ДЦ^ , и составляющие вектора скорости в соответствии с нулевым приближением (9) - (II) имели вид: к-у/°'; о.

Из первого приближения (II) следовало, что и<1,= ¡У*1'- , где

I»

V- 1 . подстановка /*>в виде Л^р^у)^* И*" в

первые'приближения (13) и (16) привела к уравнении для функции тока Ц> вертикально-поперечной циркуляции:

Гг^и* V» - к'Х^Ы^и") (16)

- 4>г; у/'1'- г~1(рг)г, которое резалось с граничными условиями р = 0 при 2 - 0;I и '•-^Г«»,

Реяенл1- ; >1ьений (17.п.) и (16) искались в виде разложений в ряды Эурье и выражались чере.; модифицированные функции Бесселя.

Таким образом в каждый момент времени на осноьной поток налагались вторичные: I) горизонтальные: а)- геострофически сбалансированное движений вдоль изолиний I , возникающее при поддержании во фронтальном зоне градиентного равновесия; б)- перемещение "Веды вдоль язелнняг V под влиянием переменной центробежной силы, осуществляющее, вследствие знакспостоянстааV, во-

дообмен с примыкающим* к фронтальной зоне областями; 2) вертикально-поперечная циркуляция, обусловленная неоднородностью скорости горизонтальных движений.

Эволюция фронтальной зоны определялась эволюцией е[ и описывалась соответствующими приближениями уравнения (14), которые интегрировались численно с использованием схемы Лейта.

Во вторичных трансфронтальных движениях были выделены стационарные составляющие, образованные постоянными частями р'^ и функций тока V и Ч" , которые создавали постоянно действующее собственное деформационное поле, обусловленное геометрией фронтальной зоны и структурой основного потока.

В § 3.4 была исследована эеолюция структуры фронтальной зоны, распределение потенциального вихря в которой имело тог же вид, что и в примере, рассмотренном в § 3.1, и в начальный момент не изменялась вдоль фронта. Форма фронта была задана синусоидальной с амплитудой и длиной волны близкими к наиболее часто наблюдаемым в Гольфстриме в открытом океане.

В верхней половине слоя в антициклоническом меандре САМ) стационарные вторичные горизонтальные движения образовали полуоткрытую с внелней стороны фронтальной зоны циклоническую ячейку. Вода вовлекалась в тыловой части Ш к стрежню потока, перемещалась в средней части фронтальной зоны однонаправленно с основным потоком и выносилась к внешнему краю в передней части Ш. Из-за уменьшения центробежной силы с глубиной, в нижней половине слоя в АИ циклоническая ячейка вторичных движений становилась замкнутой, водобмен с внешней областью отсутствовал. В верхней половине слоя в циклоническом меандре (ЦМ) на внешне;: периферии фронтальной зоны вторичное горизонтальное движение определялось центробежной силой и имело циклоническую направленность. Вода вовлекалась в передней части ЦМ, переносилась против течения

основного потока и вытекала в тыловой части ЦИ. В середине фронтальной зоны и во внутренней части меандра вторичные горизонтальные движения обусловлигались положительными р'^'и имели антициклоническую направленность. С глубиной при уменьшении центробежной силы интенсивность антициклонической ячейки увеличивалась, и она охватывала всю высокоградиентнуп часть фронтальной зоны. Вертикально-поперечная стационарная циркуляция усиливала вертикальные и горизонтальные сдвиги скорости вторичных горизонтальных движений.

Постоянно действующее деформационное поле приводило к локальным волнообразным искривлениям ЗИПВ, т.е. к возникновениюд<р На локальном циклоническом искривлении ЗИПВ образовывалась область отрицательных р'с циклонической ячейкой горизонтального вращения, а на локальном антициклоническом искривлении - область положительных (з' с антициклоняческим движением. Взаимодействие возникающих ячеек циркуляции со стационарными вторичными движениями собственного деформационного поля приводило к увеличению амплитуды локальных искривлений ЗШВ и их перемещению против течения основного потока.

В четвертой главе были проанализированы синхронные данные СТД зондирований и спутниковой информации на полигоне, выполненном в октябре 1956 г. во фронтальной зоне Гольфстрима. Согласно данным зондирований в пределах полигона находился хорошо выраженный меандр струи Гольфстрима, а спутниковая ИК-информация показала, что ниже по течению от "гребня" соседнего антициклонического меандра отделилась спиралеобразная струя с циклоническим направлением движения в ней. В пределах полигона была псследова-на зависимость наклона фронтальной поверхности от кривизны фронтального раздела. Для атого на II горизонтах ь слое 0 - 1000 м с дискретностью 100 м линии фронта (линич пересечения фронталь-

ной поверхности с соответствующими горизонтами) аппроксимировались полиномами 2 и 3 степени. Через равные расстояния вдоль фронта ка поверхности были построены 12 нормалей к нему, а затем в точках пересечения проекций этих нормалей с линией фронта на каждом горизонте расчитывались значения"ее кривизны. Эти значения оказались близкими друг к другу на разных горизонтах вдоль каждой нормали, что свидетельствовало о высокой степени когерентности фронтальной зоны и позволило считать кривизну фронта не * эавис}мой от глубины. Радиус кривизна на краях меандра составил свыше 1000 км, а в вершине меандра (Ш) - менее 150 км. Профили фронтальной поверхности вдоль нормалей сглаживались прямыми линиями для слоев 0 - 500 м и 500 - 1000 м. В первом слое оказалось, что в тыловой части меандра Спо направлению течения) вплоть до его вершины наклон фронтальной поверхности мало изменялся вдоль фронта и начал увеличиваться в передней части .чеандра. Б нижнем слое изменения наклона фронтальной поверхности были пропорциональны кривизне фронтального раздела. Эти особенности мы фронтальной поверхности были связаны с локальными особенностями динамической структуры фронтальной зоны Гольфстрима. Скорость вдольфронтального потока была восстановлена по измеренному полю плотности из условий квазистатичности движения и градиентного равновесия поперек фронтальной зоны,т.е. из соотношения:

' (l-HT-'-O-U. «9J>;4JV С1Э)

а затем были расчитаны приближенные значения потенциальной за-, вихренности беа учета трансфронтальных движений:

Ч-л iWi^f-f) - r>:r)J (20)

За нулевую поверхность принимался горизонт 2000 ы. tirae горизонта 500 и скорость в стрежне потека мало изменялась вдоль фронта, а области циклонического сдвига скорости с;зтЕетствогала полоса

циклоническол .завихренности шириной 25 - 30 км при Н = 500 м. В соответствии с (19) постоянство скорости потока должно было привести к увеличению горизонтальных градиентов плотности в Ш и уменьшению при удалении от нее, т.е. увеличению наклона фронтальной поверхности при увеличении ее кривизны, что и наблюдалось в действительности. В слое 0 - 500 м сопоставление распределений скорости вдод'ьфронтального потока и потенциального вихря со спутниковой информацией позволило сделать вывод о влиянии зафиксированного на спутниковом изображении вихревого циклонического образования на структуру верхней части циклонического меандра Гольфстрима. Об этом свидетельствовала область больших значений циклонической завихренности и наличие в более плотной воде в тыловой части меандра второго стрежня течения, который постепенно сближался со стрежнем основного потока и сливался с ним в ВМ. В результате взаимодействия перенесенной в струе спиралеобразного вихря воды с водой основного потока горизонтальные градиенты плотности уменьшились, и их максимальные значения переместились в область более плотной воды, тем самым уменьшив угол наклона фронтальной поверхности в верхнем слое.

Полученные результаты были.использованы при отыскании корреляционных связей между полями характеристик на поверхности и на нижележащих горизонтах. Было показано, что этот метод восстановления трехмерной структуры гидрофизических полей по распределению величины на поверхности (что является актуальной задачей при использовании дистанционных методов исследования) оказался достаточно эффективен в пределах такой когерентной структуры, как фронтальная зона. Были выполнены три варианта расчетов уравнений линейной регрессии между полями температуры на поверхности и на нижележащих горизонтах: I) пары значений температу-

. - 18 -

ры брались вдоль вертикалей на всех станциях полигона; 2) пары значений брались вдоль вертикалей на станциях, расположенных в пределах основного фронтального раздела; 3) пары отбирались в пределах основного фронтального раздела не на вертикалях, а вдоль наклонной фронтальной поверхности, т.е. на каждом горизонте бралось значение в точке, сдвинутой относительно проекции соответствующей точки на поверхности на величину, определяемую углом наклона фронта для данной глубины и данного значения кривизны. В первом случае коэффициент корреляции (К) монотонно убывал от 0,8 при Н = 100 м до 0,4 при н - 1000 м, во втором случае минимальное значение 0,6 соответствовало горизон-

ту 2 = 600 и, в третьем случае Я находился в пределах 0,75 * 0,8 в сдое 200 - 1000 ы.

В заключении диссертации сформулированы основные вывода.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ:

1. Построены полуградиентше модели осесимметричных фронтальных колец и меандгчфущей фронтальной зоны.

2. Выделено два физических механизма, влияющих на изменение скорости вязкого растекания осесимметричных фронтальных колец: I) - совместный эффект центробежной силы и вязкости; 2) - различие в скоростях турбулентного обмена импульсом и массой.

3. Показано, что совместный эффект центробежной силы и вязкости проявляется в возникновении вязких напряжений, обусловливающих радиально-вертикальную циркуляцию, одинаково направленна независимо от направления вращения воды во фронтальном кольце. Из рассмотренных простых примеров следует, что в поле азимутальной скорости вязкая нелинейная циркуляция ускоряет релаксацию .антициклонического и замедляет релаксацию циклонического колец на несколько десятков суток по сранению с чисто вязким

режимом их растекания.

4. Показано, что процесс спивдауна фронтальных колец с учетом вязкой нелинейной циркуляции зависит от положения аномалии плотности внутри вихревого образования относительно экстремумов азимутальной скорости: в циклоническом кольце с максимумом аномалии плотности, расположенном в области максимальных азимутальных движений, релаксация происходит медленнее, чем в том, у которого аномалия плотности локализована в области минимальных скоростей вращения воды.

5. Показано, что вязкая нелинейная циркуляция и радиально-вертикальные движения, обусловленные различным турбулентным обменом импульсом и массой, в циклоническом кольце взаимно усиливаются и приводят к большей компактности образования, тогда как в антициклоническом - взаимно ослабляются, оказывая слабое влияние на релаксацию вихря. ■

6. Исследована внутренняя структура прямолинейной бароклин-ной фронтальной зоны, находящейся в геострсфическом равновесии при условии линейного изменения в ней потенциальной завихренности.

?. Выделено три составляющих движения в меандрирущей фронтальной зоне: основной неизменный вдоль фронта струйный поток; вторичные горизонтальные движения, обусловленные изменяющимися вдоль фронта давлением и центробежной силой, вследствие приспособления фронтальной зоны к градиентному равновесию; вертикально-поперечная циркуляция, вызванная неоднородностью горизонтальных движений.

6. Проанализирована квазистационарная составляющая вторичных трансфронтальных движений, которая определяется структурой основного потока и геометрией фронтального раздела и образует

- 20 -

собственное деформационное поле искривленного потока.

9. Показано, что под влиянием собственного деформационного поля происходит образование волнообразных искривлений высокоградиентной части фронтальной зоны, с линейно увеличивающимися во времени амплитудами и перемещающимися против течения основного потока. Генерация таких искривлений происходит синфазно на всех горизонтах и с уменьшением амплитуды с глубиной.

10. На основе результатов синхронных измерений со спутника и корабля описана трехмерная структура циклонического меандра основного фронта Гольфстрима. Выявлена высокая когерентность фронтального раздела в слое 0 - 1000 м.

11. Показано, что в слое 500 - 1000 м зависимость наклона фронтальной поверхности от кривизны фронта соответствует состоянию градиентного равновесия фронтальной зоны. В слое 0 - ¿00 м наклон фронтальной поверхности испытывает сильное влияние расположенного в области более плотной воды циклонического спиралеобразного вихря, зафиксированного на спутниковом изображении.

12. Обнаружена высокая корреляционная зависимость между распределением температуры на поверхности и распределением температуры на глубине в окрестностях фронтального раздела.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Гордейчев Д.О., Сутырин Г.Г. Влияние нелинейности на вязкую ■ циркуляцию в бароклинных осесимметричных вихрях. Тезисы доклада на II Всесоюзном симпозиуме "Тонкая структура и синоптическая изменчивость морей и Океанов", Таллинн, 19©4, с.127 -129. '

2. Гордейчев Д.О. О поперечной циркуляции на криволинейном фронте. Материалы- III Республиканской конференции по прикладной гидромеханике. Киев, 19о4, часть 1,с.16В - 1Ь9.

3. Гордейчев Д.О., Сутырин Г.Г. Вязкая нелинейная циркуляция в осесимметричном бароклинном вихре. Океанология, 1985, т.ХХУ, вып. 2, с.186 - 192.

4. Гордейчев Д.О. О влиянии вязко-нелинейной циркуляции на эволюцию осеоимметричкого вихря. В кн.: Внутритермоклккные вихри в океане. Ред. К.Н.Федоров, М., МОАН СССР, 1986, с.105 -ПО.

5. Гордейчев Д.О. Специальная система координат для исследования эволюции криволинейных плотностных фронтов. В кн.: Проблем» современной океанологии. Ред. Д.Г.Сеидов, С.С.Иванов, А.Я.Берестов, Ы., ИОАЯ СССР, 198?, с.28 - 31.

6. Гордейчев Д.О. Об эволюции структуры меандрирующего фронта потенциальной завихренности. Тезисы доклада на Всесоюзной конференции "Проблемы стратифицированных течений", Саласпилс, 1988, I часть, с.170 - 173.

7. Гордейчев Д.О., Лайко 0.5. О вторичной циркуляции в меандри-рующей бароклинной фронтальной зоне. Тезисы доклада на Всесоюзном семинаре "Океанологические фронты северных морей: характеристики, методы исследований, модели", М., 1989, с.9 - 10.

8. Гордейчев Д.О., Лайко О.Ф. О структуре гидрофизических характеристик бароклинной фронтальной зоны. Тезисы доклада на Всесоюзном семинаре "Океанологические фронты северных морей: характеристики, методы исследований, модели", М., 1989, с.10-11.

9. Гордейчев Д.О., Казьмин A.C., Легекис Р., Федоров H.H. Наклон фронтальной поверхности в циклоническом меандре Гольфстрима: анализ судовой и спутниковой информации. Исследования Земли из космоса, 1990, $2

60x90/16 ' Т-Ог^в!. Подписано к печати'2.02.1990 г.

Печ.л.1,31. 3aK.N7. Тираж 100.

Институт океанологии им.П.П.Ширшова АН СССР. Москва, ул.Красикова, дом 23.