📄Работа №127970
Тема: Вихревая динамика Лофотенской котловины Норвежского моря
Тип работы
Дипломные работы, ВКР
Предмет
география
Объем:
49 листов
Год:
2022
Просмотров:
243
4325
руб.
🛒 Купить работу
Не подходит эта работа?
Закажите новую по вашим требованиям
Узнать цену на написание
Закажите новую по вашим требованиям
Представленный материал является образцом учебного исследования, примером структуры и содержания учебного исследования по заявленной теме. Размещён исключительно в информационных и ознакомительных целях.
Workspay.ru оказывает информационные услуги по сбору, обработке и структурированию материалов в соответствии с требованиями заказчика.
Размещение материала не означает публикацию произведения впервые и не предполагает передачу исключительных авторских прав третьим лицам.
Материал не предназначен для дословной сдачи в образовательные организации и требует самостоятельной переработки с соблюдением законодательства Российской Федерации об авторском праве и принципов академической добросовестности.
Авторские права на исходные материалы принадлежат их законным правообладателям. В случае возникновения вопросов, связанных с размещённым материалом, просим направить обращение через форму обратной связи.
Настоящий учебно-методический информационный материал размещён в ознакомительных и исследовательских целях и представляет собой пример учебного исследования. Не является готовым научным трудом и требует самостоятельной переработки.
📋 Содержание
Введение 3
Данные и методы 10
ETOPO1 10
GLORYS12V1 10
Aqua/MODIS (Level 3 Standard Mapped Image - SMI) 11
ERA5 11
TEOS-10 12
Глава 3. Анализ потенциальной и кинетической энергии в Лофотенской котловине 12
Результаты 13
Выводы по главе 3 20
Глава 4. Исследование квазипостоянного грибовидного диполя в
Лофотенской котловине 21
Результаты 24
Выводы по главе 4 30
Глава 5. Холодное пятно над Лофотенским вихрем 31
Результаты 31
Выводы по главе 5 39
Заключение 40
Список литературы 42
Данные и методы 10
ETOPO1 10
GLORYS12V1 10
Aqua/MODIS (Level 3 Standard Mapped Image - SMI) 11
ERA5 11
TEOS-10 12
Глава 3. Анализ потенциальной и кинетической энергии в Лофотенской котловине 12
Результаты 13
Выводы по главе 3 20
Глава 4. Исследование квазипостоянного грибовидного диполя в
Лофотенской котловине 21
Результаты 24
Выводы по главе 4 30
Глава 5. Холодное пятно над Лофотенским вихрем 31
Результаты 31
Выводы по главе 5 39
Заключение 40
Список литературы 42
📖 Введение
Морские течения охватывают всю толщу Мирового океана и представляют собой сложную систему горизонтальных и вертикальных движений, которая образует т.н. «глобальных термохалинный конвейер» (ГТК), уменьшающий контраст между климатическими условиями экваториальных и полярных широт (Broeker, 1987). Водные массы Атлантического океана являются одним из ключевых компонентов данного конвейера и оказывают существенное влияние на климат и погодные условия Европы (Eldevik et al., 2009). В районе Северной Атлантики ГТК представлен, главным образом, Северо-Атлантическим течением, а в Северо-Европейском бассейне его продолжением - теплым Норвежским течением (Jakobsen et al., 2003; Orvik, 2004; Pedersen et al., 2005). Норвежское море, расположенное в северо-восточной Атлантике, является ключевым районом образования глубинных плотных вод, формирующих нижнюю часть Атлантической меридиональной термохалинной циркуляции (АМОЦ) (Lozier et al., 2019). В северной части Норвежского моря находится Лофотенская котловина (ЛК), тогда как в южной части - Норвежская котловина (Belonenko et al., 2021) (Рис. 1).
Разделяющееся на две крупные ветви, Норвежское течение заполняет своими водами большую часть акватории Норвежского моря (Белоненко и др., 2014). Восточная ветвь представлена бароклинно неустойчивым Норвежским склоновым течением (The Norwegian Atlantic Slope Current - NwASC), располагающимся над континентальным склоном Норвегии и несущим свои воды на север в сторону Баренцева моря (Volkov et al., 2015). Тогда как западная ветвь Норвежского течения представлена бароклинно неустойчивым Норвежским фронтальным течением (The Norwegian Atlantic Frontal Current - NwAFC). Теплые и соленые воды данных ветвей проникают до глубин порядка 400-600 м, что непосредственно связано с минимальной глубиной порогов, располагающихся на пути атлантических вод в Норвежское море (Белоненко и др., 2014). Характеристики атлантических вод претерпевают существенные изменения при их движении на север за счет локальных процессов, таких как: взаимодействие с атмосферой, формирование и разрушение морского льда, перемешивание с другими водными массами (Segtnan et al., 2011). В работе (Broome et al., 2020) авторы отмечают наличие положительного линейного тренда высоты поверхности моря, стерических колебаний и бароклинного потока в Лофотенской котловине за 1993-2017 гг. Глубже атлантических вод располагаются глубинные водные массы арктического происхождения, характеризующиеся высокой соленостью и более низкими температурами по сравнению с водами Атлантики (Kohl, 2007). Кроме того, восточнее Норвежского склонового течения располагаются опресненные и холодные воды Норвежского прибрежного течения (The Norwegian Coastal Current - NCC), движущегося также в северном направлении. Подобный характер циркуляции в Норвежском море, и, в частности, в районе Лофотенской котловины, обусловлен ее существенной топографической изолированностью от соседних областей (Алексеев и др., 2016).
Лофотенская котловина представляет собой абиссальную ровную поверхность с максимальной глубиной порядка 3250 м и площадью около 1300 км2, ограниченнную изобатой 3000 м (Башмачников и др., 2017). Котловина обособлена с северно-западной части хребтом Мона, хребтом Ян-Майен с запада и юго-запада, плато Воринг с юга и континентальным склоном Норвегии с востока. ЛК имеет важное климатическое значение, поскольку она является транзитным регионом для теплых и соленых атлантических вод на их пути в Арктический бассейн (Малинин и Шмакова, 2018; Vesman et al., 2020). Заглубление промежуточных атлантических вод способствует накоплению в ЛК теплых и соленых вод, что превращает данную область в крупнейший резервуар тепла в Северной Атлантике (Новоселова и Белоненко, 2020). За счет относительно высоких температур поверхности воды, в ЛК отмечается существенная годовая суммарная теплоотдача, составляющая 125 Вт/м2 (там же). Зимой в ЛК потери тепла равны 80 Вт/м2 (Richards and Straneo, 2015), что благоприятно воздействует на развитие конвекции до глубин свыше 1000 м (Raj et al., 2015; Федоров и др., 2019). В районе ЛК повсеместно глубокая конвекция в зимний период достигает глубин более 400-600 м, однако в районах месторасположения антициклонических мезомасштабных вихрей ее интенсивность еще выше (Kohl, 2007; Nilsen and Falck, 2006). Заглубление глубины верхнего квазиоднородного слоя (ВКС), являющегося критерием интенсивности глубокой конвекции, начинается в ЛК в начале декабря, достигая 100 м к его окончанию. Максимальное развитие глубины ВКС фиксируется в марте, однако в некоторые годы существенная интенсивность конвекции может регистрироваться вплоть до мая (Федоров и др., 2019). В работе (Травкин и Белоненко, 2020) авторы отмечают возможное различие глубины ВКС в 2-3 раза за один месяц, что демонстрирует наличие выраженной внутримесячной изменчивости зимней конвекции в ЛК. Кроме того, в ЛК отмечаются отрицательные линейные тренды в январе и феврале, тогда как в марте и апреле тренды положительны. Такие результаты демонстрируют сдвиг периода максимальной интенсивности конвекции на более поздний срок, что, возможно, может быть связано с проявлением процесса глобального потепления.
Лофотенскую котловину по праву называют hot spotСеверной Атлантики, поскольку она характеризуется локальным максимумом высоты поверхности моря в центральной части, а также увеличенными значениями мезомасштабной вихревой активности (Volkov et al., 2015). В центре ЛК находится квазипостоянный
антициклонический Лофотенский вихрь (ЛВ), который подпитывается за счет глубокой конвекции, а также слияния с мезомасштабными антициклонами, отрывающимися от Норвежского склонового течения (Gordeeva et al., 2021; Зинченко и др., 2019). Данные вихри способствуют передаче тепла и соли от периферии к центральной части ЛК (Belonenko et al., 2020). Центр ЛВ находится приблизительно на 69,8° с.ш., 4° в.д., а его основная часть располагается на глубине 300-1000 м, хотя его динамический сигнал прослеживается до самого дна (Volkov et al., 2015). На основе данных натурных
измерений, выполненных с использованием морских глайдеров в 2012-2015 гг., было обнаружено, что средний радиус ядра ЛВ составляет 18±4 км, а его орбитальные скорости равны 50-70 см/с (Yu et al., 2017). Согласно другим работам, динамический радиус ЛВ составляет приблизительно 30 км (Bashmachnikov et al., 2017). В работах (Иванов и Кораблев, 1995а) и (Soiland et al., 2016) ЛВ описывается как конвективная
внутрипикноклинная линза теплых и соленых вод с диаметром до 100 км. ЛВ меняет свое местоположение в течение всего года, двигаясь по циклонической траектории и сохраняя свое положение относительно центра котловины (Блошкина, 2016; Иванов и Кораблев, 1995а). В работе (Иванов и Кораблев, 1995б) данная особенность объясняется наличием внешнего по отношению к ЛВ циклонического поля, формирующегося за счет формы донной топографии. Данное поле в несколько раз превосходит антициклоническое поле ЛВ, и препятствует его покиданию пределов Лофотенской котловины.
На основе численных экспериментов было установлено, что в ровной по форме котловине турбулентное течение со временем формирует циклоническую циркуляцию на периферии котловины, тогда как в центре котловины образуется антициклонический вихрь (Shchepetkin, 1995). Эксперименты с вращающимся резервуаром показали, что в случае, когда горизонтальный масштаб вихрей меньше, чем котловины, то топографический ^-эффект способствует движению по циклонической спирали антициклонического вихря вниз по склону, тогда как циклонические вихри стремятся подняться по склону (Carnevale et al., 1991). Таким образом, продвижение антициклонов в центральную часть ЛК с их последующим слиянием может являться механизмом поддержания стабильности ЛВ (Belonenko et al., 2021).
Для ядра Лофотенского вихря характерны высокие значения относительной завихренности от -0,5 до -0,9 f,где f- параметр Кориолиса, равный 1,37-10-4 на 69,8° с.ш. (Fer et al., 2018). Подобные экстремальные значения относительной завихренности близки к предельным теоретическим величинам для антициклонических вихрей. Район Лофотенской котловины является одним из наиболее энергоактивных районов Мирового океана. Энергия в океанах и морях представлена 4 основными видами: средней кинетической энергией (Mean Kinetic Energy, сокр. MKE), вихревой кинетической энергией (Eddy Kinetic Energy, сокр. EKE), а также средней доступной потенциальной энергией (Mean Available Ptential Energy, сокр. MAPE) и вихревой доступной потенциальной энергией (eddy Available Potential Energy, сокр. APE). В работе (Reid et al., 1981) отмечается, что доступная потенциальная энергия представляет собой разность между общей потенциальной энергией какой-либо жидкости в настоящий момент и потенциальной энергии жидкости аналогичной массы, находящейся в стабильном эталонном состоянии, при котором изобарические и изостерические поверхности располагаются на одном уровне. Таким образом, APE - это часть потенциальной энергии жидкости, которая способна трансформироваться в кинетическую энергию за счет обратимых адиабатических процессов. Общая кинетическая энергия делится на среднюю и вихревую кинетическую энергию. EKE обычно применяется при анализе пространственной и временной изменчивости мезомасштабных структур Мирового океана (White and Heywood, 1995; Kang and Curchitser, 2017).
Лофотенская котловина является одной из наиболее энергоактивных областей Мирового океана, в которой происходит активный переход энергии из одних типов в другие. Источником APE для крупномасштабной циркуляции является работа сил плавучести, тогда как APE способствует генерации мезомасштабных вихрей, а, следовательно, увеличению вихревой составляющей энергии (Gill et al., 1974). В результате это приводит к тому, что в динамически активных областях и районах крупномасштабных течений переходные процессы интенсифицируются, а EKE может на порядок превосходить MKE (Chelton et al., 2011; Gill et al., 1974).
В работе (Trodahl and Isachsen, 2018) на основе анализа связи между вихревой активностью и изопикническими градиентами было обнаружено, что мезомасштабные вихри генерируются неустойчивостью Норвежского склонового течения, а также во фронтальных зонах (Сандалюк и Белоненко, 2021). Было установлено, что в ядре Лофотенского вихря EKE превосходит APE, значения равны 5,9-1014 и 3,4-1014 Дж, соответственно (Fer et al., 2018). При этом среднее вихревое число Бюргера BUEравно 1,75±0,01 (D’Asaro, 1988). В работе Soiland et al., 2016 также были проанализированы APE и EKE Лофотенского вихря, однако данные оценки меньше оценок работы (Fer et al., 2018) в 10-20 раз. Кроме того, оценки для другого мезомасштабного вихря - антициклона в районе Северной Атлантики, также меньше аналогичных значений в несколько раз (Fernandez-Castro et al., 2020). Установлено, что EKE и APE практически не увеличивается, начиная с 1500 м, что непосредственно связано со слабовыраженными градиентами плотностной стратификации и небольшими величинами скоростей (Bosse et al., 2019).
Потери тепла в океанах и морях связаны с их охлаждением. При этом изменения шероховатости морской поверхности и флуктуации скорости ветра приводят к формированию аномалий поверхностных потоков тепла (Травкин и др., 2022). Рост температуры поверхности океана (SST - Sea Surface Temperature) способствует увеличению теплового потока, тогда как его уменьшение приводит к меньшему восходящему тепловому потоку. Стоит отметить, что пониженные скорости ветра являются причиной адаптации атмосферной влажности и температуры воздуха к быстро меняющейся SST, что приводит к меньшим аномалиям теплового потока (Hausmmann et al., 2017). Ветровое воздействие над локальными аномально высокими градиентами SST, связанными в первую очередь с мезомасштабными вихрями и океаническими фронтами, приводит к образованию вертикальных и горизонтальных движений в нижележащих слоях из-за ослабления плотностной стратификации (Травкин и др., 2022). Это способствует к дальнейшему увеличению разности между SST и температурой воздуха у поверхности моря (Small et al., 2019). Чистый поток тепла на границе океан-атмосфера является суммой солнечных потоков тепла (длинноволновая и коротковолновая радиация) и турбулентных потоков (явные и скрытые потоки тепла). Стоит отметить, что значения SST способны оказывать прямое влияние на величины длинноволновой радиации, а также явных потоков тепла в атмосферу (Kumar et al., 2011).
В работе (Sun and Wu, 2021) авторы анализируют пространственную зависимость турбулентного теплового потока на поверхности океана и температуры воды на поверхности. В ходе численного моделирования было установлено наличие корреляции между SST и величинами явных потоков тепла, что демонстрирует наличие тесной взаимосвязи между атмосферой и океаном. Однако отрицательная корреляция между этими параметрами свидетельствует о том, что потеря тепла с поверхности приводит к уменьшению SST, что демонстрирует атмосферное воздействие на океан. Другие работы указывают на различия между потоками океан-атмосфера, связанными с мезомасштабными вихрями и более крупными формами. Скорость ветра пропорциональна аномалиям SST для масштабов менее 1000 км, а завихренность и дивергенция напряжения ветра пропорциональна значениям меридиональных и зональных градиентов SST (Schneider et al., 2015). В переносе тепла у поверхности в Лофотенской котловине превалирует вклад среднего потока, приходящего с юга, а также вихревая адвекция с восточной части.
Мезомасштабные вихри являются наиболее распространенной динамической структурой Мировой океана и играют значительную роль в переносе энергии, тепла и соли, биогенных, химических элементов и микропластика по всей его акватории (Belonenko et al., 2020; Dong et al., 2014; Травкин и Белоненко, 2021). Пространственный масштаб океанических вихрей варьируется от бароклинного радиуса деформации Россби (А’(|= -^^, где N- частота Вяйсяля-Брента, H- глубина, n- номер моды) до первых сотен км (Travkin et al., 2021). Основными причинами генерации мезомасштабных вихрей в Мировом океане является баротропная и бароклинная нестабильность течений (Isachsen, 2015; McWilliams, 1976; Pedlosky, 1987; Smith, 2007). Продолжительность жизни мезомасштабных вихрей может варьироваться от нескольких месяцев до нескольких лет.
На основе анализа спутниковых снимков Мирового океана было установлено наличие в нем не только монопольных, но и дипольных вихревых структур, которые также именуются как грибовидные структуры (Гинзбург и Федоров, 1984; Hughes and Miller, 2017; Stern, 1975). С помощью численных экспериментов было установлено, что дипольные структуры способны генерироваться в ЛК, поскольку диполи способны отделяться от фронтальных областей и в дальнейшем существовать независимо от них (Manucharyan and Timmermans, 2013). В Лофотенской котловине диполи способны образовываться как в районе ЛВ, так и во фронтальных областях основных течений (Belonenko et al., 2021). Существует большое количество работ, посвященных изучению мезомасштабных вихревых структур в Норвежском море, тогда как другому типу мезомасштабной изменчивости Мирового океана, грибовидным течениям, уделяется недостаточно внимания. Анализ дипольных структур в оптическом и инфракрасном диапазоне показал, что они могут образовываться при замедлении узкого локального струйного течения за счет вязкостного сопротивления или локально приложенного импульса (Гинзбург и Федоров, 1984). Таким образом, они так или иначе связывали грибовидные диполи с тонким поверхностным слоем океана. Множество диполей формируется в ЛК, причем они характеризуются высокой продолжительностью жизни, однако они до сих пор не получили детального описания.
Целью данной работы является изучение вихревой динамики Лофотенской котловины на основе анализа потенциальной и кинетической энергии, а также вихревых дипольных структур в ЛК. В работе анализируется перераспределение энергии между составляющими в период максимального развития глубокой зимней конвекции (январь- март) и сравнивается с аналогичными оценками для летнего периода (июнь-август). Кроме того, подробно описывается эволюция дипольной структуры, анализируются ее пространственные и физические характеристики. С помощью лагранжевых карт появляется возможность составить максимально подробное описание данного феномена, а также описать возможные механизмы образования грибовидных диполей.
Более глубокое понимание данных явлений позволяет улучшить представления о вихревой динамике Лофотенской котловины, в т.ч. дипольных структурах и роли энергии в регенерации квазипостоянного Лофотенского вихря.
Указанная цель выполняется с помощью решения следующих задач:
1. Расчет средней и вихревой кинетической энергии Лофотенской котловины, а также объемной доступной потенциальной и кинетической энергии квазипостоянного Лофотенского вихря.
2. Построение вертикальных профилей вихревой и средней кинетической энергии, анализ на их основе пространственной и сезонной изменчивости энергии в ЛК.
3. Оценка перераспределения энергии в ЛК из одних типов в другие в период максимального развития зимней конвекции (январь-март) и в летний период.
4. Анализ эволюции грибовидного диполя в Лофотенской котловине на основе данных реанализа GLORYS12V1 и лагранжевых карт.
5. Оценка строения грибовидного диполя при помощи вертикальных профилей
Разделяющееся на две крупные ветви, Норвежское течение заполняет своими водами большую часть акватории Норвежского моря (Белоненко и др., 2014). Восточная ветвь представлена бароклинно неустойчивым Норвежским склоновым течением (The Norwegian Atlantic Slope Current - NwASC), располагающимся над континентальным склоном Норвегии и несущим свои воды на север в сторону Баренцева моря (Volkov et al., 2015). Тогда как западная ветвь Норвежского течения представлена бароклинно неустойчивым Норвежским фронтальным течением (The Norwegian Atlantic Frontal Current - NwAFC). Теплые и соленые воды данных ветвей проникают до глубин порядка 400-600 м, что непосредственно связано с минимальной глубиной порогов, располагающихся на пути атлантических вод в Норвежское море (Белоненко и др., 2014). Характеристики атлантических вод претерпевают существенные изменения при их движении на север за счет локальных процессов, таких как: взаимодействие с атмосферой, формирование и разрушение морского льда, перемешивание с другими водными массами (Segtnan et al., 2011). В работе (Broome et al., 2020) авторы отмечают наличие положительного линейного тренда высоты поверхности моря, стерических колебаний и бароклинного потока в Лофотенской котловине за 1993-2017 гг. Глубже атлантических вод располагаются глубинные водные массы арктического происхождения, характеризующиеся высокой соленостью и более низкими температурами по сравнению с водами Атлантики (Kohl, 2007). Кроме того, восточнее Норвежского склонового течения располагаются опресненные и холодные воды Норвежского прибрежного течения (The Norwegian Coastal Current - NCC), движущегося также в северном направлении. Подобный характер циркуляции в Норвежском море, и, в частности, в районе Лофотенской котловины, обусловлен ее существенной топографической изолированностью от соседних областей (Алексеев и др., 2016).
Лофотенская котловина представляет собой абиссальную ровную поверхность с максимальной глубиной порядка 3250 м и площадью около 1300 км2, ограниченнную изобатой 3000 м (Башмачников и др., 2017). Котловина обособлена с северно-западной части хребтом Мона, хребтом Ян-Майен с запада и юго-запада, плато Воринг с юга и континентальным склоном Норвегии с востока. ЛК имеет важное климатическое значение, поскольку она является транзитным регионом для теплых и соленых атлантических вод на их пути в Арктический бассейн (Малинин и Шмакова, 2018; Vesman et al., 2020). Заглубление промежуточных атлантических вод способствует накоплению в ЛК теплых и соленых вод, что превращает данную область в крупнейший резервуар тепла в Северной Атлантике (Новоселова и Белоненко, 2020). За счет относительно высоких температур поверхности воды, в ЛК отмечается существенная годовая суммарная теплоотдача, составляющая 125 Вт/м2 (там же). Зимой в ЛК потери тепла равны 80 Вт/м2 (Richards and Straneo, 2015), что благоприятно воздействует на развитие конвекции до глубин свыше 1000 м (Raj et al., 2015; Федоров и др., 2019). В районе ЛК повсеместно глубокая конвекция в зимний период достигает глубин более 400-600 м, однако в районах месторасположения антициклонических мезомасштабных вихрей ее интенсивность еще выше (Kohl, 2007; Nilsen and Falck, 2006). Заглубление глубины верхнего квазиоднородного слоя (ВКС), являющегося критерием интенсивности глубокой конвекции, начинается в ЛК в начале декабря, достигая 100 м к его окончанию. Максимальное развитие глубины ВКС фиксируется в марте, однако в некоторые годы существенная интенсивность конвекции может регистрироваться вплоть до мая (Федоров и др., 2019). В работе (Травкин и Белоненко, 2020) авторы отмечают возможное различие глубины ВКС в 2-3 раза за один месяц, что демонстрирует наличие выраженной внутримесячной изменчивости зимней конвекции в ЛК. Кроме того, в ЛК отмечаются отрицательные линейные тренды в январе и феврале, тогда как в марте и апреле тренды положительны. Такие результаты демонстрируют сдвиг периода максимальной интенсивности конвекции на более поздний срок, что, возможно, может быть связано с проявлением процесса глобального потепления.
Лофотенскую котловину по праву называют hot spotСеверной Атлантики, поскольку она характеризуется локальным максимумом высоты поверхности моря в центральной части, а также увеличенными значениями мезомасштабной вихревой активности (Volkov et al., 2015). В центре ЛК находится квазипостоянный
антициклонический Лофотенский вихрь (ЛВ), который подпитывается за счет глубокой конвекции, а также слияния с мезомасштабными антициклонами, отрывающимися от Норвежского склонового течения (Gordeeva et al., 2021; Зинченко и др., 2019). Данные вихри способствуют передаче тепла и соли от периферии к центральной части ЛК (Belonenko et al., 2020). Центр ЛВ находится приблизительно на 69,8° с.ш., 4° в.д., а его основная часть располагается на глубине 300-1000 м, хотя его динамический сигнал прослеживается до самого дна (Volkov et al., 2015). На основе данных натурных
измерений, выполненных с использованием морских глайдеров в 2012-2015 гг., было обнаружено, что средний радиус ядра ЛВ составляет 18±4 км, а его орбитальные скорости равны 50-70 см/с (Yu et al., 2017). Согласно другим работам, динамический радиус ЛВ составляет приблизительно 30 км (Bashmachnikov et al., 2017). В работах (Иванов и Кораблев, 1995а) и (Soiland et al., 2016) ЛВ описывается как конвективная
внутрипикноклинная линза теплых и соленых вод с диаметром до 100 км. ЛВ меняет свое местоположение в течение всего года, двигаясь по циклонической траектории и сохраняя свое положение относительно центра котловины (Блошкина, 2016; Иванов и Кораблев, 1995а). В работе (Иванов и Кораблев, 1995б) данная особенность объясняется наличием внешнего по отношению к ЛВ циклонического поля, формирующегося за счет формы донной топографии. Данное поле в несколько раз превосходит антициклоническое поле ЛВ, и препятствует его покиданию пределов Лофотенской котловины.
На основе численных экспериментов было установлено, что в ровной по форме котловине турбулентное течение со временем формирует циклоническую циркуляцию на периферии котловины, тогда как в центре котловины образуется антициклонический вихрь (Shchepetkin, 1995). Эксперименты с вращающимся резервуаром показали, что в случае, когда горизонтальный масштаб вихрей меньше, чем котловины, то топографический ^-эффект способствует движению по циклонической спирали антициклонического вихря вниз по склону, тогда как циклонические вихри стремятся подняться по склону (Carnevale et al., 1991). Таким образом, продвижение антициклонов в центральную часть ЛК с их последующим слиянием может являться механизмом поддержания стабильности ЛВ (Belonenko et al., 2021).
Для ядра Лофотенского вихря характерны высокие значения относительной завихренности от -0,5 до -0,9 f,где f- параметр Кориолиса, равный 1,37-10-4 на 69,8° с.ш. (Fer et al., 2018). Подобные экстремальные значения относительной завихренности близки к предельным теоретическим величинам для антициклонических вихрей. Район Лофотенской котловины является одним из наиболее энергоактивных районов Мирового океана. Энергия в океанах и морях представлена 4 основными видами: средней кинетической энергией (Mean Kinetic Energy, сокр. MKE), вихревой кинетической энергией (Eddy Kinetic Energy, сокр. EKE), а также средней доступной потенциальной энергией (Mean Available Ptential Energy, сокр. MAPE) и вихревой доступной потенциальной энергией (eddy Available Potential Energy, сокр. APE). В работе (Reid et al., 1981) отмечается, что доступная потенциальная энергия представляет собой разность между общей потенциальной энергией какой-либо жидкости в настоящий момент и потенциальной энергии жидкости аналогичной массы, находящейся в стабильном эталонном состоянии, при котором изобарические и изостерические поверхности располагаются на одном уровне. Таким образом, APE - это часть потенциальной энергии жидкости, которая способна трансформироваться в кинетическую энергию за счет обратимых адиабатических процессов. Общая кинетическая энергия делится на среднюю и вихревую кинетическую энергию. EKE обычно применяется при анализе пространственной и временной изменчивости мезомасштабных структур Мирового океана (White and Heywood, 1995; Kang and Curchitser, 2017).
Лофотенская котловина является одной из наиболее энергоактивных областей Мирового океана, в которой происходит активный переход энергии из одних типов в другие. Источником APE для крупномасштабной циркуляции является работа сил плавучести, тогда как APE способствует генерации мезомасштабных вихрей, а, следовательно, увеличению вихревой составляющей энергии (Gill et al., 1974). В результате это приводит к тому, что в динамически активных областях и районах крупномасштабных течений переходные процессы интенсифицируются, а EKE может на порядок превосходить MKE (Chelton et al., 2011; Gill et al., 1974).
В работе (Trodahl and Isachsen, 2018) на основе анализа связи между вихревой активностью и изопикническими градиентами было обнаружено, что мезомасштабные вихри генерируются неустойчивостью Норвежского склонового течения, а также во фронтальных зонах (Сандалюк и Белоненко, 2021). Было установлено, что в ядре Лофотенского вихря EKE превосходит APE, значения равны 5,9-1014 и 3,4-1014 Дж, соответственно (Fer et al., 2018). При этом среднее вихревое число Бюргера BUEравно 1,75±0,01 (D’Asaro, 1988). В работе Soiland et al., 2016 также были проанализированы APE и EKE Лофотенского вихря, однако данные оценки меньше оценок работы (Fer et al., 2018) в 10-20 раз. Кроме того, оценки для другого мезомасштабного вихря - антициклона в районе Северной Атлантики, также меньше аналогичных значений в несколько раз (Fernandez-Castro et al., 2020). Установлено, что EKE и APE практически не увеличивается, начиная с 1500 м, что непосредственно связано со слабовыраженными градиентами плотностной стратификации и небольшими величинами скоростей (Bosse et al., 2019).
Потери тепла в океанах и морях связаны с их охлаждением. При этом изменения шероховатости морской поверхности и флуктуации скорости ветра приводят к формированию аномалий поверхностных потоков тепла (Травкин и др., 2022). Рост температуры поверхности океана (SST - Sea Surface Temperature) способствует увеличению теплового потока, тогда как его уменьшение приводит к меньшему восходящему тепловому потоку. Стоит отметить, что пониженные скорости ветра являются причиной адаптации атмосферной влажности и температуры воздуха к быстро меняющейся SST, что приводит к меньшим аномалиям теплового потока (Hausmmann et al., 2017). Ветровое воздействие над локальными аномально высокими градиентами SST, связанными в первую очередь с мезомасштабными вихрями и океаническими фронтами, приводит к образованию вертикальных и горизонтальных движений в нижележащих слоях из-за ослабления плотностной стратификации (Травкин и др., 2022). Это способствует к дальнейшему увеличению разности между SST и температурой воздуха у поверхности моря (Small et al., 2019). Чистый поток тепла на границе океан-атмосфера является суммой солнечных потоков тепла (длинноволновая и коротковолновая радиация) и турбулентных потоков (явные и скрытые потоки тепла). Стоит отметить, что значения SST способны оказывать прямое влияние на величины длинноволновой радиации, а также явных потоков тепла в атмосферу (Kumar et al., 2011).
В работе (Sun and Wu, 2021) авторы анализируют пространственную зависимость турбулентного теплового потока на поверхности океана и температуры воды на поверхности. В ходе численного моделирования было установлено наличие корреляции между SST и величинами явных потоков тепла, что демонстрирует наличие тесной взаимосвязи между атмосферой и океаном. Однако отрицательная корреляция между этими параметрами свидетельствует о том, что потеря тепла с поверхности приводит к уменьшению SST, что демонстрирует атмосферное воздействие на океан. Другие работы указывают на различия между потоками океан-атмосфера, связанными с мезомасштабными вихрями и более крупными формами. Скорость ветра пропорциональна аномалиям SST для масштабов менее 1000 км, а завихренность и дивергенция напряжения ветра пропорциональна значениям меридиональных и зональных градиентов SST (Schneider et al., 2015). В переносе тепла у поверхности в Лофотенской котловине превалирует вклад среднего потока, приходящего с юга, а также вихревая адвекция с восточной части.
Мезомасштабные вихри являются наиболее распространенной динамической структурой Мировой океана и играют значительную роль в переносе энергии, тепла и соли, биогенных, химических элементов и микропластика по всей его акватории (Belonenko et al., 2020; Dong et al., 2014; Травкин и Белоненко, 2021). Пространственный масштаб океанических вихрей варьируется от бароклинного радиуса деформации Россби (А’(|= -^^, где N- частота Вяйсяля-Брента, H- глубина, n- номер моды) до первых сотен км (Travkin et al., 2021). Основными причинами генерации мезомасштабных вихрей в Мировом океане является баротропная и бароклинная нестабильность течений (Isachsen, 2015; McWilliams, 1976; Pedlosky, 1987; Smith, 2007). Продолжительность жизни мезомасштабных вихрей может варьироваться от нескольких месяцев до нескольких лет.
На основе анализа спутниковых снимков Мирового океана было установлено наличие в нем не только монопольных, но и дипольных вихревых структур, которые также именуются как грибовидные структуры (Гинзбург и Федоров, 1984; Hughes and Miller, 2017; Stern, 1975). С помощью численных экспериментов было установлено, что дипольные структуры способны генерироваться в ЛК, поскольку диполи способны отделяться от фронтальных областей и в дальнейшем существовать независимо от них (Manucharyan and Timmermans, 2013). В Лофотенской котловине диполи способны образовываться как в районе ЛВ, так и во фронтальных областях основных течений (Belonenko et al., 2021). Существует большое количество работ, посвященных изучению мезомасштабных вихревых структур в Норвежском море, тогда как другому типу мезомасштабной изменчивости Мирового океана, грибовидным течениям, уделяется недостаточно внимания. Анализ дипольных структур в оптическом и инфракрасном диапазоне показал, что они могут образовываться при замедлении узкого локального струйного течения за счет вязкостного сопротивления или локально приложенного импульса (Гинзбург и Федоров, 1984). Таким образом, они так или иначе связывали грибовидные диполи с тонким поверхностным слоем океана. Множество диполей формируется в ЛК, причем они характеризуются высокой продолжительностью жизни, однако они до сих пор не получили детального описания.
Целью данной работы является изучение вихревой динамики Лофотенской котловины на основе анализа потенциальной и кинетической энергии, а также вихревых дипольных структур в ЛК. В работе анализируется перераспределение энергии между составляющими в период максимального развития глубокой зимней конвекции (январь- март) и сравнивается с аналогичными оценками для летнего периода (июнь-август). Кроме того, подробно описывается эволюция дипольной структуры, анализируются ее пространственные и физические характеристики. С помощью лагранжевых карт появляется возможность составить максимально подробное описание данного феномена, а также описать возможные механизмы образования грибовидных диполей.
Более глубокое понимание данных явлений позволяет улучшить представления о вихревой динамике Лофотенской котловины, в т.ч. дипольных структурах и роли энергии в регенерации квазипостоянного Лофотенского вихря.
Указанная цель выполняется с помощью решения следующих задач:
1. Расчет средней и вихревой кинетической энергии Лофотенской котловины, а также объемной доступной потенциальной и кинетической энергии квазипостоянного Лофотенского вихря.
2. Построение вертикальных профилей вихревой и средней кинетической энергии, анализ на их основе пространственной и сезонной изменчивости энергии в ЛК.
3. Оценка перераспределения энергии в ЛК из одних типов в другие в период максимального развития зимней конвекции (январь-март) и в летний период.
4. Анализ эволюции грибовидного диполя в Лофотенской котловине на основе данных реанализа GLORYS12V1 и лагранжевых карт.
5. Оценка строения грибовидного диполя при помощи вертикальных профилей
✅ Заключение
Исходя из всего вышеперечисленного, можно сказать, что вихревая мезомасштабная динамика в Лофотенской котловине играет одну из ключевых ролей во взаимосвязи между океаном и атмосферой, переносе тепла и соли, энергии и ее трансформации из одних типов в другие. В данных процессах существенное влияние играют не только монополярные циклоны и антициклоны, но и ранее практически не исследованные дипольные вихревые структуры.
В результате исследования были решены все поставленные задачи и достигнута цель исследования:
1) На основе данных реанализа GLORYS12V1 был произведен расчет средней и вихревой кинетической энергии Лофотенской котловины, кроме того, была подсчитана объемная доступная потенциальная и кинетическая энергия квазипостоянного Лофотенского вихря
2) Было выполнено построение вертикальных профилей вихревой и средней кинетической энергии, на их основе была подробно изучена пространственная и сезонная изменчивость энергии в Лофотенской котловине.
3) Произведены расчеты бароклинного (ВС) и баротропного (ВТ) преобразования энергии в Лофотенской котловине в период максимального развития зимней конвекции (с января по март) и в летний период.
4) Была подробно изучена эволюция грибовидного диполя в Лофотенской котловине при помощи данных массива GLORYS12V1 и лагранжевых карт.
5) Проведен анализ вертикальной и пространственной структуры грибовидного диполя за счет построения вертикальных профилей.
Автор принимал участие в работе над проектом РНФ 18-17-00027 "Вихревая динамика Лофотенской котловины и ее роль в переносе термохалинных свойств вод в Норвежском море", а также в проекте РНФ 22-27-00004 «Исследование динамики изолированных вихрей в океане с использованием методов дистанционного зондирования, in situ и модельных данных».
В результате исследования были решены все поставленные задачи и достигнута цель исследования:
1) На основе данных реанализа GLORYS12V1 был произведен расчет средней и вихревой кинетической энергии Лофотенской котловины, кроме того, была подсчитана объемная доступная потенциальная и кинетическая энергия квазипостоянного Лофотенского вихря
2) Было выполнено построение вертикальных профилей вихревой и средней кинетической энергии, на их основе была подробно изучена пространственная и сезонная изменчивость энергии в Лофотенской котловине.
3) Произведены расчеты бароклинного (ВС) и баротропного (ВТ) преобразования энергии в Лофотенской котловине в период максимального развития зимней конвекции (с января по март) и в летний период.
4) Была подробно изучена эволюция грибовидного диполя в Лофотенской котловине при помощи данных массива GLORYS12V1 и лагранжевых карт.
5) Проведен анализ вертикальной и пространственной структуры грибовидного диполя за счет построения вертикальных профилей.
Автор принимал участие в работе над проектом РНФ 18-17-00027 "Вихревая динамика Лофотенской котловины и ее роль в переносе термохалинных свойств вод в Норвежском море", а также в проекте РНФ 22-27-00004 «Исследование динамики изолированных вихрей в океане с использованием методов дистанционного зондирования, in situ и модельных данных».
ИЛИ
Поиск аналога
📕 Список литературы
🛒 Оформить заказ
⚡ Работу высылаем в течении 5 минут после оплаты.