Введение к работе
Актуальность темы. Ведущую роль в формировании вертикального распределения термохалинных характеристик в мезомасштабной диапазоне частот и волновых чисел играют турбулентность, волновые процессы и конвекция, которые могут реализовываться в виде сложно организованных в пространстве и времени структур. Изменчивость термохалшшых полей с характерними 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 мезомасштабішх структур, наблюдаемая в пикнокдине 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 термохалинных полей имеет весьма сложный характер и ее закономерности до сих пор остаются неизученными.
До настоящего времени 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 природы мезомасштабных структур, закономерностей их возникновения и эволюции закладывает физические основы методов предвычисления мезомасштабных флюктуации океанологических характеристик в деятельном подледном слое. .
Целью диссертациоішой работы является исследование структуры
- 4 -меаомасштаоной изменчивости . термохалинных , характеристик вод Арктического бассейна Северного Ледовитого океана, механизмов ее формирования и трансформации.
В диссертационной работе поставлены, а решены следующие задачи:
виявлені характерные структуры мезомасштабной изменчивости. термохалинннх полей подледного деятельного слоя Арктического бассейна; ' .
определены возможные подходы к их описанию;.
исследованы.мезомзсштабные 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;
пфіучеш основные размерностные характеристики динамической системы, генерирующей мезомасштабные структуры, установлена их геометрия, а также характер движения в подледном слое Арктического бассейна.
Выносимые на защиту положения диссертационной работы сводятся к следующему:
1. Предложена модель . генерации структур -. типа
"внугришпшоклинных вихрей", построенная в ранках турбулентного
подхода к описанию мезомасштабной изменчивости термохалинных
характеристик. Такие структуры представляют собой вихревые
образования, которые возникают в результате потери устойчивости
инерционных течений на .тангенциальных разрывах пола скорости и
имеют динамическое происхождение. Получена верхняя оценка размеров
структур, возникающих таким способом. . ..'' ;
2. . На основании уравнений движения в линейном и
слабонелинейном приближении подучены соотношения, определяющие
эволюцию вихревой структуры. Установлено влияние силы Кориолиса на
этот процесс. '
3. Методом фрактального анализа реализаций термохалинных
полей установлен факт существования и топология турбулентных
структур в области пикноклина и на его перифериях. Выполненные
расчета* позволяют предположить, что мезомасштеОные флюктуации
торкохалинщх характеристик .... здесь, имеют динамическое
происхождение. Получены характеристики динамической системы,
генерирующей турбулентные . структуры в подледном слое и области
пикноклина. ,''' ' '. '
.' - 5 -
' 4. Установленный в рамках турбулентного подхода факт существования мезомасвтабшх структур и их топология, предложенный 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 термохалинных характеристик в подледном "слое Арктического .бассейна выявлены характернее структуры мезомаситабной изменчивости типа "внутрщшкноклинных вихрей"; такие структуры наблюдаются не тслько в пышоклине, но и в прилегающих к нему слоях волы; ;.:.;- в рамках турбулентного подхода к описанию структури : мезомасштабной изменчивости термохалинных характеристик предложена ш реализована модель генерации мезомасштабных структур типа "внутришкноклинный вихрь". Они рассматриваются как квазидатерминироваїпше структуры , мезомасшзабной турбулентности. ' имеющие динамическое происхождение.
. ^получены оценки размеров модельных структур, которые хорошо совпадают с имеющимися материалами натурных наблюдений;
"-.. 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 мезомасштабных турбулентных структур;
- на основе анализа натурной информации подтверждена гипотеза
6 динамическом происхождении мезомасштабных . флюктуации
термохалинных характеристик в подледном приповерхностном слое,
пикноклива и прилегающих к нему сдоях воды;
'- получены основные размерностные характеристики динамической системы, генеркр; эдей мезомаситабные ('тюктуации термохалинных , характеристик. ..
' Практическое я научное значение работы. Работа выполнялась в
. рамках следующихнаучно-исследовательских тем:
:;; ~~ "Изучить экспериментвльно ж разработать - новые методы
расчета хояввкщш. турбулентности и вертикального распределения
: окаавологщческях характеристик под ледяным покровш Северного
Ядовитого^'ш*^*;\(1991^';ХЖ>.г.'^.твт'ХХ.гаЛ);
'''- "На основе акшерименташшх к теоретических исследований создать новые методы расчета турбулентных потоков и вертикальных
- 6 -профилей океанологических характеристик под ледяным покровом" (1993 Г., проект 7.2.1.2.6 ЩШ1 ДАНИИ);
- "Разработать теоретические и методические основы следящей
прогнозирующей автоматизированной системы для СЛО по разделам:
наблюдательская сеть сопряженных гидрологоакустических
исследования и океанологические расчета и прогнозы (проект СПАС)",
I99I-I993 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-и 05.04.
Практическая значимость работы состоит в возможности использования ее результатов для построения метода расчета и прогноза мезомасштабной изменчивости вертикального распределения океанологических характеристик. Выявленная в работе детерминированная, а не хаотическая природа мезомасштабных флюктуации 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 ДАНИИ (1989-1993 г.г.), семинаре отдела океанологии ДАНИИ (1993), секции Ученого совета ДАНИИ (19ЭЗ), коллоквиуме "Механизмы формирования тонкой термохалзшной 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 стратифицированых течений" (Канев, 1991).
Публикации. Основные положения - диссертационной работы опубликованы в 5 статьях, список которых приведен в конце автореферата.
- Структура и объем работы. Диссертация состоит из вьедения,
четырех- раздолов, заключения, списка использованной литературы и
приложения. Обдай обгом работы составляет 141 страницу, включая 35
рисункоз и I таблицу. Список литературы насчитывает 100
наименоеьний.
