Rambler's Top100 фл.семафором циклон

исполнить цепочку-на главную в кубрик-на 1 стр.
  • главная
  • астрономия
  • гидрометеорология
  • имена на карте
  • судомоделизм
  • навигация
  • устройство НК
  • памятники
  • морпесни
  • морпрактика
  • протокол
  • сокровищница
  • флаги
  • семафор
  • традиции
  • морвузы
  • моравиация
  • мороружие
  • словарик
  • кают-компания



  • Основные закономерности образования
    крупномасштабных циркуляции в океанах и морях

    Виктор Шевьёв

    Институт водных проблем РАН. 119333, Москва, ул Губкина 3.

    Тел.: 8-499-135-54-56




    E-mail shtshevev@rambler.ru

    Резюме

    Многочисленные наблюдения демонстрируют, что крупномасштабные циркуляции в океанах и морях существуют в основном в виде длиннопериодных волновых течений (волн Россби, шельфовых волн, захваченных экватором, планетарных волн и т. д.). Длиннопериодные волновые течения под влиянием силы Кориолиса отклоняются вправо (в северном полушарии), образуются инерционные течения.

    Ежедневное воздействие сил притяжения Луны и Солнца на водные массы в экваториальной зоне приводит к образованию долгопериодных волновых течений (течений волновой природы) с результирующим переносом с востока на запад. Волновые течения достигают берегов континентов и поворачивают на север и на юг. Таким образом формируются антициклонические циркуляции (по часовой стрелке в северном полушарии и против в южном) отдельно в северных и в южных частях Атлантического, Индийского и Тихого океанов.

    Ежедневное воздействие сил притяжения Луны и Солнца на водные массы океанов вне экваториальной области приводит к образованию циклонической циркуляции отдельно в северных и в южных частях трех океанов. Такие же циркуляции образуются во внутренних морях и в крупных озерах.

    Существование циркуляций разного направления хорошо объясняет природу экваториальных противотечений.

    1. Введение.

    Начиная с 60 х годов прошлого века среди океанографов появился интерес к модам движений которые могут быть описаны как вихревое волновое движение, связанное с топографией дна моря. Робинсон(64) первый обратил внимание на волны этого типа как полезная понятная модель в объяснениях наблюдаемого феномена, замеченной в аномалии уровня моря на Австралийском побережье (сообщает Хамон 1962). Робинсон называет эти волны “шельфовые волны” и утверждает, что они могут быть возбуждаемы движениями возмущения атмосферного давления.

    Лонги-Хигинс (68) указывает на сходный класс этих волн с другими вихревыми волнами называемыми волнами Россби и волнами Кельвина. Лонги-Хигинс (68) и Ринес (69) так же демонстрируют, что сходные топографические волны могут появиться в других местах чем континентальный шельф. Это кажется законным называть все такие волны Россби, Кельвина, топографическими волнами.

    Адамс, Бухвальд (69) показывали, что важным возбуждающим механизмом в генерации топографических волн вдоль берегов континентов есть действие ветрового стресса на прверхность моря (не градиент атмосферного давления).

    Мисак 67,68. дал теорию континентальных шельфовых волн и краевых волн на континентальном шельфе конечной ширины.

    Бурнстейн, Уайт (1974) показали перемещение на запад наблюденных во время TWE (Trade Wind Expeditions) возмущений температуры носило преимущественно волновой характер. Длина волны была равна 460 км.

    Необходимо отметить, что возможность образования длинно-периодных волн в океане сначала была показана теоретическими расчетами: волн Кельвина (1880 г), медленных крупномасштабных колебаний (low-frequency current fluctuations) называемых планетарными волнами или волнами Россби (1938), топографических, шельфовых (long shelf waves, continental shelf waves), захваченных берегом (coastal-trapped waves), захваченных экватором волн. Регистрировать волны в океане и в Великих озерах начали в 60х годах прошлого века.

    Естественно, что наблюдаемые в океане высокую, большую изменчивость скорости и направления течений пытались отожествить с имеющимися моделями, полученными теоретически: с волнами Россби, Кельвина, с топографическими волнами и т.д.

    Основное отличие наблюдаемых волн от теоретически рассчитанных в том, что наблюдаемые волны имеют большой перенос масс воды, тогда как теория показывает, что перенос масс воды в волне мал. Поэтому целесообразно называть наблюдаемую в действительности изменчивость скорости и направления течений длиннопериодными волновыми течениями (ДПВТ), течениями волновой природы. Необходимыми признаками таких течений являются: а) высокая периодическая изменчивость; б) фазовая скорость. Причем фазовую скорость и направление распространения фазы необходимо показывать и вычислять по наблюдениям.

    Вейсберг (84) сообщает, что длинные волны поверхностного южного Экваториального течения и подповерхностные экваториальные противотечения были впервые описаны Дюинг (1975) с использованием измерений, сделанных в экваториальной Атлантике в июле-сентябре 1974 г. Наблюдалось распространение в западном направлении колебаний с периодами около 16 дней. Вейсберг (79) показал, что они были в основном в поверхностном горизонте. Используя инфрокрасные спутниковые изображения, Легекис и др. (83) показал сходные поверхностные черты в поверхностном горизонте в восточной части Тихого океана. Летние и др. сезоны показывают распространение колебаний в западном направлении со средним периодом и зональной длиной волны 25 дней и 1000 км соответственно. Вейсберг 84 показывает пакет распространяющихся на запад волн ограниченных поверхностью наблюдаемых в Атлантике в 1983 г.

    Глубинное выражение этих поверхностных движений так же наблюдалось. Вейсберг и др. (79) использующие данные АБС ниже термоклина в восточной части экваториальной Атлантики отожествляют пакеты (группы) захваченных экватором гравитационных волн с основным периодом 31 сутки и западного направления и распространяющейся направленной вверх фазой с длиной шкалы 1200 км. 1000 м. соответственно. Дальнейший анализ Вейсберг и Хориган (1981) утверждает, что эти волны были сезонные с происхождением в центральной экваториальной Атлантике в июле-августе. Колебания с периодом около 30 суток на глубине на экваторе Индийского океана показаны Луитен и Роэмих (82) далее утверждал, что эти черты являются универсальными для экваториальных областей океанов. Узкие группы нестабильностей, волны генерируются сезонно, как ответ на сезонную изменчивость ветрового воздействия.

    Итак, длительные наблюдения за течениями в морях и океанах в последние 50 лет на автономных буйковых станциях показывают, что течения имеют волновую природу. Лаппо С. С. (директор ИО РАН в 1993- 2006 г.г.) на основе анализа предыдущих 20 летних наблюдений (ПЛИМОДЕ, и т.д.). сделал вывод: “Анализ наблюдений за течениями обнаружил существенную изменчивость динамического состояния вод, особенно на глубинах более 1000 м., что весьма резко расходилось с существовавшими теоретическими концепциями. Эти наблюдения привели к коренному пересмотру представлений о динамике океана. Наступил волновой этап в исследованиях течений океанов” (Лаппо С. С. 1979). Этот вывод автор иллюстрирует рис. 1 (слева), где представлены спектры скорости течений на трех горизонтах и ветра.

    На спектрах течений видно небольшой пик на частоте приливов, гораздо больший пик на периодах инерционных волн и мощный пик на периодах 1-2 месяца. Именно такие периоды имеют волновые течения в океане.

     

    Рис. 1. Спектры изменчивости скорости ветра и скоростей течений (Лаппо, 1979) а) скорости ветра в нижнем слое атмосферы (Van der Hoven, 1957); б) скоростей течений на горизонтах 500, 1000, 1500 м. в западной части Атлантического океана, точка В (Rhines P. 1971); Функции спектральной плотности течений Среднего Каспия в пункте Нефтяные камни (А. Л. Бондаренко) (справа).

    Итак, в океанах и морях наблюдаются:

    Медленные осциляции; Нестабильные волны; Бароклинные береговые струи; Топографические волны; Континентальные шельфовые волны; Синоптические вихри в океане; Бароклинные вихри; Океанские вихри; Топографические ринги; Глубинные струи; Захваченные экватором гравитационные волны Россби; Экваториальные длинные волны; Экваториальные волны; Меандры и длинные волны; Краевые волны; Двойные волны Кельвина.

    Только по наблюдениям можно выявить основные закономерности наблюдаемых волновых движений в океане и выбрать наиболее подходящее их название, наиболее полно описывающее наблюдаемые движения.

    2. Волновые течения крупномасштабных антициклонических циркуляций в океанах

    В южных и северных частях океанов существуют гигантские антициклонические круговращения вокруг центров действия субтропических атмосферных антициклонов (Каменкович В. М., Кошляков М. Н., Монин А. С. 1982). Период обращения в этих циркуляциях порядка нескольких лет (5 лет).

    Рассмотрим примеры регистрации течений антициклонических циркуляций Атлантического океана. Целесообразно начать с экваториальной зоны.

     

     

    В регионе Южного Экваториального течения Атлантического океана. в 1983-1984 г.г. производились измерения скорости течений (Weisberg R. H., Weingarten T. J. 1988). На рис. 2 слева представлено расположение прборов. Авторы считают, что зарегистрирован процесс генерации планетарных волн. На рис. 2, справа показана временная серия меридиональной компоненты скорости на глубине 10 м. АБС расположенных вдоль 28° з. д. Очевидны пакеты волн, содержащие от 2 до 3 колебаний с пиками амплитуды 50-75 см/с. появляющиеся около мая 1983 и 1984 во всех пунктах, исключая 6°N, 4°W. В оба года эти колебания имели центральный период 25 суток.

     

    Рис. 2. Расположение измерителей течений по программе SEQUAL/FOCAL (левый); Нестабильные волны в экваториальной зоне Атлантического океана (Weisberg R. H., Weingarten T. J. 1988) (справа).

    Weisberg R. H., (1984) показывает пакеты поверхностных волн, распространяющихся в западном направлении, генерируемых баротропной нестабильностью, наблюдаемых в экваториальной Атлантике в течение 1983 г. (рис. 3, лев). Пакеты волн появляются в середине мая на 28° з. д. и несколько позже на 15° з. д. Пакеты существуют 2-3 цикла с основным периодом 25 суток и зональной длиной волны 1140 км. Фаза распространялась в западном направлении с фазовой скоростью 53 см/с. (Судя по рис. 2, лев. пик одноименной волны в т. 28° 09′ появился 3 июня, в т. 14° 27′ - 24 июня, т.е. через 21 день. Простой расчет дает 30 см/с. в восточном направлении, а не в западном, как написано в статье).

    Профили глубинных скоростей, сделанные в Экваториальной Атлантике, показывают захваченные экватором глубинные струйные течения со сходными чертами в Индийском и Тихом океанах (Gouriou Y., Bourles B., Mercier H., Chuchla R. 1999). Зональные профили скорости зарегистрированные на экваторе 35°W в апреле 1996 г. показывают сложную вертикальную структуру с чередующимися минимумами и максимумами скорости (рис. 3 справа). Сильное течение проистекающее в восточном направлении на 80 метровой глубине – это экваториальное противотечение. Течение проистекающее в западном направлении - это экваториальное промежуточное течение (от 200м. до 800 м.). Ниже этих двух известных проявлений экваториальных

    Рис. 3. Меридиональная компонента экваториального течения в форме волн Россби на глубине 10 м. (Weisberg R. H. 1984) (левый); глубинный профиль зональной компоненты скорости (в см/с) в пункте 0°-35°W, в апреле 1996 г., полученного в рейсе НИС Elambor 2 (Gouriou Y., Bourles B., Mercier H., Chuchla R. 1999). (правый).

    циркуляций наблюдается чередование максимума и минимума скорости. Показано, что до глубины 200 м. течения в основном западного направления. Ниже 2500 м. наблюдаются скорости течений от 5 до 10 см/с. Эти измерения могут подтверждать, что что зональный масштаб струйных течений сравним с наблюдаемыми в Индийском и в Тихом океанах.

    Во многих работах отмечается, что в районе экватора Тихого океана наблюдаются такие же нестабильные длинные волны, как на экваторе Индийского и Атлантического океанов. Для получения дополнительной информации о природе этих волн рассмотрим пример измерения течений на экваторе Тихого океана в пункте 0°, 110° з.д., на глубине 10 м. Эти наблюдения продолжаются более 15 лет (ТОГО ТАО).

    Рис. 4. Пример измерения течения на экваторе Тихого океана в пункте

    0°, 110° W, на глубине 10 м., меридиональная компонента.

    Рис. 5. Пример измерения течения на экваторе Тихого океана в пункте

    0°, 110° W, на глубине 10 м., зональная компонента (W - E).

     

     

    На рис.4 представлена зональная составляющая (С – Ю) изменчивости течений за три года, на рис 5 представлена меридиональная составляющая тех же течений (В - З). Анализируя эту запись, можно сделать следующие выводы:

    Скорость и направление зонального течения имеют периодическую изменчивость с периодом 17 суток, амплитуда изменчивости от 0 до 100 см/с. на фоне изменяющегося потока в западном направлении. Период изменения течения в западном направлении около года, величина скорости изменяется от 0 до 160 см/с.

    Рис. 6. Изменчивость зональной и меридиональной компонент течений в двух точках в продолжении двух месяцев (левый); позиции точек измерения в Тихом океане (правый)

    (Harvey, Pattsert 1976).

    На экваторе Тихого океана в пункте на 15° восточнее Галапагосских островов производились глубинные (на глубине 3300 м.) измерения течений в 1975 г. ((Harvey, Pattsert 1976).. На рис. 6 справа показано положение пункта измерения в океане, на рис 6 слева представлены изменчивость меридиональной и зональной компонент течений в двух точках в продолжении двух месяцев. Измеряемые течения колеблются с периодом 25 суток, длина волны около 1000 км., амплитуда изменчивости течений 4-7 см/с., фазовая скорость в западном направлении 0,5 м/с. Авторы говорят, что измерены течения длинных волн.

    Продолжим рассмотрение дальнейшего продвижения волновых течений в западном направлении в Атлантическом океане.

    Экваториальное течение достигает берегов Бразилии и здесь называется глубинное западное граничное течение (ГЗГТ), дробится на 2 ветви. Одна ветвь показана траекторией поплавков нейтральной плавучести SOFAR (Sound Fixing And Ranging floats) на горизонте 800 м. Поплавки, захваченные планетарными волнами показывают

    Рис. 7. Траектории поплавков нейтральной плавучести SOFAR (Sound Fixing And Ranging) продвигающиеся захваченные в планетарных волнах (Richardson P. L ,Schmitz W. J. 1993).

    продолжение экваториальных течений по направлению к западномк берегу Атлантики (рис.7) [Richardson P. L ,Schmitz W. J. 1993 ]. Эти волны формировались около экватора и распространялись в западном направлении к западному берегу Атлантики и затем в северном направлении вдоль берега.

    Вторая ветвь наблюдалась в глубоководных записях от 44 град. з. д., 2 град ю. ш. до 33 град з. д., 3,5 град ю. ш. после пересечения экватора на 44 град з. д.(рис. 8). Течения в пределах ветви глубинного западного берегового течения показывает, что главный вклад в изменчивость около экватора был скорее пульсациями, чем меандрированием (Fischer J., Schott F. A. 1997). Анализ временных серий течений (рис.8) показывает период изменчивости 60 суток, и 25-30 суток доминируют в изменчивости на всех трех уровнях глубинного западного берегового течения (1500, 1800, 2100 м).

    Дальнейшую эволюцию свойств волн показывают траектории дрифтеров в Мексиканском заливе (рис. 9 левый). Авторы показывают, что наиболее значительными чертами течений Мексиканского залива являются интенсивные антициклонические

    ринги распространяющиеся петлевыми течениями. Эти ринги переносят тепло и соль в западную часть Мексиканского залива, и так же транспортируют значительное количество момента силы (Lewis J. K., Kirwan A. D., 1985).

    Рис. 8. Изменчивость скорости течения у берегов Бразилии (Fischer J., Schott F. A. 1997).

    Данные наблюдений показывают, что сначала ринги двигаются через залив в западном направлении, затем, после достижения берега, в северном. Средняя скорость перемещения рингов в западном направлении равна 2,5 - 8 см/с. Скорость в вихре, в водовороте 50-75 см/с. Типичный радиус 150-183 км. Типичный период вращения 15 суток. Менее известно о частоте образования рингов. Зарегистрировано образование 3 рингов в год. Другие сообщают об образовании одного ринга в 10 мес. Таким образом изучается путь следования рингов в заливе.

    Мы имеем другое мнение о кинематике наблюдаемых движений воды. Экваториальное волновое течение проистекает в Мексиканский залив., как в западню, многократно отражается от берегов и образует ринги петлевого течения (Щевьёв В. А. 2007).

    (Kelly et all, 2002) описывают наблюдения измерителями течений в двух точках АБС (эйлеровы измерения) свала глубин в течение 6 месячного периода с марта по август 1999 г. Буй М располагался в северо-западной части Мексиканского залива на 57 м. глубине, буй N был расположен в 32 км. дальше от берега (рис. 9, справа).

     

     

    Рис. 9. Траектории поплавков в Мексиканском заливе (Lewis J. K., Kirwan A. D., 1985), (левый); Расположение буйковых станций в точках M, N, (Kelly et all, 2002) (правый).

    Верхняя панель на рис.10 показывает временную серию векторов течений (через пол часа) в векторной форме, записанные на АБС М на 2,5 м ниже поверхности воды. В потоке доминируют вращения по часовой стрелке приблизительно суточного периода (влияние ветра, ветровые течения). Записи на глубине 9 м. демонстрируют такие вращения короткий период в начале. Продолжение записи содержит более постоянный поток, который флюктуирует между северным и южным направлениями.

    На более глубоких горизонтах (29 м. – 34 м.) (рис.11) показан постоянный поток не суточного периода когерентный по частоте по всему 105 м. столбу воды.

    Дальнейшее движение крупномасштабной циркуляции показано в работе (Philip L. Richardson, 1991). На рис. 11 показаны траектории 230 дрифтеров, запущенных с 1972 по 1989 г.г. на глубинах до 2000 м. в северной Атлантике в районе Гольфстрима и прилегающих к нему. Статья начинается с фразы: ”Здесь есть кое-что удивительное о поверхностных траекториях дрифтеров”. Что же удивило авторов? Несмотря на то, что на одном рисунке приведены все траектории, что делает невозможным проследить за

    конфигурацией траектории каждого дрифтера, ясно, что течение имеет вихревой и волновой характер. Из текста статьи следует, что половина дрифтеров совершали вращательное движение по часовой стрелке, другая половина против. Можно найти доводы в пользу вихревой структуры течений Гольфстрима, другие доводы свидетельствуют в ползу волновой природы наблюдаемых течений. Траектории дрифтеров имеют петлеобразный характер, авторы называют их Eddys.

    Рис. 10. Временная серия векторов скорости течений. Дискрет измерений – полчаса.

    Май 1999 г. Зарегистрировано (сверху, вниз): Буй М на 2 м., буй N на

    глубине 9 м., 29 м., 49 м., 69 м. и 94 м. По оси Y расположена шкала скорости в

    см/с., вверх-север, по оси X – время в сутках (Kelly et all, 2002 ).

    Но более правильно можно показать природу наблюдаемых движений вод Гольфстрима, если показать изменение скорости перемещения дрифтера вдоль траектории. Если бы дрифтер двигался в вихре, то скорость его перемещения изменялась бы мало. На рис. 12 видно, что скорость изменяется как в волновом течении (Бондаренко А. Л. 2009). Скорость возрастает до максимального значения (1-2 м/с), затем уменьшается до 5 см/с., иногда поток почти останавливается, затем снова приходит в движение. Таким образом происходит движение в волновых течениях. Скорость в вихре изменяется мало. Наиболее распространенное название этих течений – волны Россби.

    Три вихря в серединных водах Атлантики проследовали в восточной Атлантике длительное время (Philip L. Richardson. 1991). Один дрифтер совершил 114 петель за 821 день. Этот вихрь можно видеть на рис. 13 (около 22° W между 22° and 32° N). Другой из этих вихрей наблюдался около 31° N, 28° W,дрейфовал 8 месяцев, третий вихрь дрейфовал в южном направлении полтора года.

    Эти 3 траектории дрифтеров в восточной части Атлантики показывают восточную ветвь (в южном направлении) крупномасштабной антициклонической циркуляции Северной Атлантики.

    Продолжение статьи...








    Rambler's Top100 Рейтинг@Mail.ru