Введение к работе
Актуальность темы. Известно, что тропическая зона в большой степени влияет на динамику атмосферы и океана в целом, поэтому ее исследование имеет важное научное и практическое значение. Для исследования физических процессов в тропической зоне был выполнен ряд крупных научных програш:"РАЗРЕЗЫ", FOCAL/SEQUAL, TROPIC HEAT, EP0CS и др. Динамика в тропической области негеострофична, нелинейна и поэтому достаточно сложна. Экваториальные течения имеют большие скорости и испытывают сильные пространственно-временные вариации. На северном фронте экваториального апвеллинга из-за существования сильного сдвига скорости между Мезшвссатным противотечением (МППТ) и КЗиным пассатным течением (ШГ) возникают тропические (экваториальные) волны неустойчивости. Результаты выполненных программ указывают на большую роль волн неустойчивости в динамике тропического океана, термодинамических процессах, процессах перемешивания и взаимодействия атмосферы и океана. Для более глубокого изучения нелинейных процессов необходимы экспериментальные данные, несущие информацию о разных пространственных и временных масштабах изменчивости и позволяющие оценить горизонтальные рейнольдсовскиа и волновые потоки тепла и импульса, распределение средних течений и завихренности, вертикальный перенос мелкомасштабными процессами.
Такие исследования были выполнены в данной работе по результатам долговременных измерений скорости течения и температуры на системе стационарных буйковых станций.
Важнейшим элементом мезомасштабной динамики в тропической области является меандрирование экваториального подповерхностного противотечения (ЗППТ). В данной работе для обоснованного выделения меандров течения Ломоносова был выполнен специально спланированный эксперимент и получены корректные надежные оценки их параметров: периода, длины, фазовой скорости, критической широты смещения.
Рассмотриваемыв обычно в океанологии задачи и методы их решения лежат в "классической" области. Анализируются кинематика, динамика и поведение квадратичных инвариантов движения: кинетической энергии, знстрофии, доступной потенциальной энергии. Если же исследуется нелинейные эффекты, то ограничиваются вычислением первых и вторых моментов физических величин: средних течений, динамической топографии и нелинейных перекосов энергий, тепла,
импульса.
Идеи и методы, разрабатываемые в гидродинамике в последнее время, дают более широкие возможности для изучения и понимания динамики океана. Простейшие нелинейные системы - странные аттракторы - обладают нетривиальной "кинематикой" и еще менее тривиальной мерой, которая не описывается первыми двумя моментами и требует для своего описания совершенно других подходов. Трехмерная развитая турбулентность имеет достаточно слокную пространственную структуру, связанную с пространственной перемежаемостью. Для описания такой структуры используется специально введенная муль-тифрактальная мера, которая также не описывается первыми двумя моментами, хотя и обладает достаточно жесткой симметрией, связанной с масштабной инвариантностью. Для описания мультифрактальной меры используется понятие мультвфрактального спектра сингулярно-стей. Еще более слокную пространственную структуру имеет, по-видимому, двумерная турбулентность, перемежаемость которой не обладает, судя по результатам численного моделирования, фрактальной структурой. Лаграюкевская кинематика и связанные с ней явления переноса в таких структурах достаточно сложны и интенсивно исследуш'ся в настоящее время.
Результаты использования этих новых методов для исследования реальных геофизических процессов появились в литературе в самое последнее время, в основном для атмосферы. В данной работе некоторые из этих методов будут применены для анализа мезомасштабной двумерной турбулентности в экваториалыкй Атлантике.
Цели и задачи исследования. Целью работы является углубленное исследование мезомасштабной динамики течений экваториального океана, и ее роли в крупномасштабной циркуляции. Для достижения намеченной цели были поставлены следующие задачи:
, 1) На основе результатов специально спланированных и проведенных 50-го и 52-го рейсов н.и.с. "Михаил Ломоносов", посвященных исследованию мезомасштабных процессов в экваториальной Атлантике, с помощью современных методов спектрального анализа выполнить корректное выделение волновых процессов, оценить их кинематические и динамические параметры, степень нелинейности и вклад в процессы обмена.
2) Используя последние достижения в развитии методов исследования сяльноавгашеЁных систем для изучения сложной пространственно-временной перемещающейся структуры течений, определить
)рактальныо размерности траекторий течений, тесно связанные с івлениями переноса, и оценить параметры мультифрактальной струк-'уры плотности нелинейного переноса кинетической энергии.
Научная новизна. Применение современных наиболее совершенных іетодов .спектрального анализа для экспериментального исследова-тя волновых процессов в экваториальной Атлантике позволило вперив выделить меандры течения Ломоносова и получить надежные оцен-:и их периода, длины, направления распространении, меридионально-о смещения; подтвердить и обосновать полученные другими авторами іценки кинематических параметров волн неустойчивости.
Исследование фрактальных свойств силънонелинвйной динамики івляется новейшим направлением современной науки. Возможность юлучения фрактальной структуры траекторий в двумерной и трехмер-юй турбулентности из исходных динамических уравнений является на (энный момент нерешенной задачей. Первые теоретические результаты >нли получены в последнее иремя лишь для простейших маломерных :истем, и их возможная связь с реальной бесконечномерной турбу-іентностью чисто интуитивна. Поэтому полученная в данной работе ю натурным данным фрактальная структура траекторий частиц зкид-;ости в реальной крупномасштабной геофизической системе является 1эжным новым результатом. Существует только один подобный резуль-ат, полученный A.R.Osborne и др. в 1989г. при анализе траекто-)Ий дрифтеров в области расхождения Куросио.
Обнаружение мультифрактальной структуры плотности нелинейно-о переноса или плотности диссипации энергии является последним іостижением в трехмерной турбулентности. Первые экспериментальные щенки мультифрактального спектра сингулярностей в трехмерной ;урбулентности были выполнены C.Meneveau и K.R.Sreenlvasan в 987г. После этой революционной работы мультифрактальная структу->а была обнаружена для физических полей в атмосфере. В океане іультифрактальная структура динамически значимого поля нелинейно-"0 переноса кинетической энергии течений впервые исследовалась в іанной диссертации. Это имеет важное значение, поскольку совре-іенная теория не может получить спектр сингулярностей из исходных данамических уравнений в бесконечномерной системе, например клас-, :ической трехмерной турбулентности, не говоря уже о реальном жеане.
Практическая и научная ценность. Определенные в диссертации іа основе экспериментальных данных больше ашлитудн мезомасштаб-
них элементов экваториальной динамики океана, таких как меандры экваториального подповерхностного противотечения, экваториальные волны неустойчивости, волновые переносы импульса и тепла, диктуют необходимость их учета при построении моделей крупномасштабной циркуляции океана, используемых в глобальных общих моделях динамики атмосферы и іжеана для прогнозирования погоды и климата.
Фрактальная структура траекторий течений и плотности диссипации энергии доказывает существование сложной перемежающейся структуры мезомасштабной турбулентности в океане, что свидетельствует о неадекватности традиционного представления мезомасштаб-вых подсеточных эффектов в моделях крупномасштабной циркуляции океана в форме диффузионных членов с. постоянными коэффициентами переноса, и приводит к необходимости развития других подходов.
личное участие автора в получении результатов. В процессе выполнения работы автор принимал непосредственное участие в постановке задачи, выборе и анализе методов ее решения, проведении эксперимента, получении результатов, анализе и геофизической интерпретации, составлении прграммного обеспечения для ЭВМ.
Апробация работа. Основные результаты диссертации опубликованы в центральных научных изданиях, докладывались на научных семинарах отдела взаимодействия атмосферы и океана Морского гидрофизического института АН Украины (Севастополь, 1990-1993г.), Всесоюзном совещании-семинаре по спутниковой гидрофизике (Севастополь, 1988, 1991), Гидрофизическом семинаре Морского гидрофизического института АН Украины (Севастополь, 1994г.), семинаре Института гидромеханики АН Украины (Киев,1994г.).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 8 работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем работы составляет 163 страницы, включающие 29 рисунков, 10 таблиц и 134 наименования списка.литературы.