Помощь студентам в учебе
СИНОПТИЧЕСКИЕ ВИХРИ В ОКЕАНЕ: ИХ РОЛЬ В ПЕРЕНОСЕ ТЕРМОХАЛИННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК И ФОРМИРОВАНИИ ОБЛАСТЕЙ ПОВЫШЕННОЙ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ПРОДУКТИВНОСТИ
|
Введение 3
Глава I. Физико-географическое описание северной и северо-западной части
Тихого океана 7
Раздел 1.1. Северная часть Тихого океана 7
Раздел 1.2. Северо-западная часть Тихого океана 10
Глава II. Материалы и методы исследования 13
Раздел 2.1. Спутниковые данные по концентрации хлорофилла-а 13
Раздел 2.2. Термохалинные данные 14
Раздел 2.3. Альтиметрические данные и параметры синоптических вихрей 16
Раздел 2.4. Параметры синоптических вихрей 17
Раздел 2.5. Методика исследования 17
Глава III. Распределение термохалинных характеристик и концентрации хлорофилла-а и влияние на них поля аномалии уровня моря 20
Раздел 3.1. Термохалинные характеристики 21
Раздел 3.2. Биологическая продуктивность 22
Глава IV. Статистический анализ вихревых параметров 23
Раздел 4.1. Синоптические вихри в северной части Тихого океана 23
Раздел 4.2. Статистический анализ выбранных синоптических вихрей 25
Глава V. Механизмы влияния синоптических вихрей на распределение термохалинных харакатеристик и концентрации хлорофилла-а 30
Раздел 5.1. Вихревое перемешивание 30
Раздел 5.2. Вихревой перенос и периферия антициклонов 33
Заключение 42
Список литературы 44
Глава I. Физико-географическое описание северной и северо-западной части
Тихого океана 7
Раздел 1.1. Северная часть Тихого океана 7
Раздел 1.2. Северо-западная часть Тихого океана 10
Глава II. Материалы и методы исследования 13
Раздел 2.1. Спутниковые данные по концентрации хлорофилла-а 13
Раздел 2.2. Термохалинные данные 14
Раздел 2.3. Альтиметрические данные и параметры синоптических вихрей 16
Раздел 2.4. Параметры синоптических вихрей 17
Раздел 2.5. Методика исследования 17
Глава III. Распределение термохалинных характеристик и концентрации хлорофилла-а и влияние на них поля аномалии уровня моря 20
Раздел 3.1. Термохалинные характеристики 21
Раздел 3.2. Биологическая продуктивность 22
Глава IV. Статистический анализ вихревых параметров 23
Раздел 4.1. Синоптические вихри в северной части Тихого океана 23
Раздел 4.2. Статистический анализ выбранных синоптических вихрей 25
Глава V. Механизмы влияния синоптических вихрей на распределение термохалинных харакатеристик и концентрации хлорофилла-а 30
Раздел 5.1. Вихревое перемешивание 30
Раздел 5.2. Вихревой перенос и периферия антициклонов 33
Заключение 42
Список литературы 44
В Мировом океане наблюдается большое разнообразие волновых и вихревых движений, что обусловлено влиянием сил различного происхождения на динамику океана. С практической точки зрения особый интерес представляют волны синоптического масштаба и связанные с ними синоптические вихри. Синоптические (мезомасштабные) вихри в океане играют значимую роль в формировании климата океана - средних распределений океанографических характеристик и их долгопериодической изменчивости (Солдатенко, 1999).
Изучение мезомасштабных вихрей дает представление о целых системах взаимосвязанных океанических характеристик. Мезомасштабные вихри обладают собственной динамикой, в которой доминируют нелинейные эффекты. В отличие от волн они способны переносить тепло, массу, кинетическую энергию и биохимические характеристики из региона их формирования на огромные расстояния, влияя на колебания климата. Мезомасштабные вихри образуются практически на всей акватории океана, однако районы вихревой активности, так или иначе, приурочены к областям крупномасштабных течений ввиду наличия бароклинной и баротропной неустойчивости этих течений, возникающей за счет вертикального и горизонтального сдвига скорости, а также из-за неоднородного распределения плотности воды. Перечисленные факторы являются основными причинами генерации мезомасштабных вихрей (Малышева и др., 2018).
В последние годы получили широкое развитие различные алгоритмы отслеживания вихрей по альтиметрическим полям, которые позволяют установить различные характеристики вихрей, такие как размер, полярность, западное распространение, срок жизни (Белоненко и др., 2016). Развитие современной океанологии невозможно без применения спутниковых методов получения информации об океане, что обусловлено их неоспоримыми преимуществами, к главным из которых относятся: пространственная репрезентативность, обеспечивающая проведение региональных и глобальных исследований, оперативность получения информации, возможность организации оперативного комплексного мониторинга в любой точке Мирового океана, низкая стоимость спутникового мониторинга по сравнению с контактными методами исследования океана (Лаврова и др., 2011; Костяной и др., 2011). Существует несколько способов обнаружения синоптических вихрей на основе спутниковой альтиметрии и численного моделирования, которые делятся на две категории: физические и геометрические. Первые включают в себя вычисление динамических полей, определяют вихри как замкнутые контуры в распределении этих характеристик. В частности, для индентификации вихрей методом визуального анализа рассматриваются поля SLA относительной завихренности или параметр Окубо-Вейса. В отличие от физических, геометрические методы используют кривизну или форму поля мгновенного потока, например, метод «winding-angle» («блуждающего угла») или метод векторной геометрии. Наиболее популярным является контурный метод с использованием полей аномалий уровня моря и параметра Окубо-Вейса. Для обнаружения вихрей может также применяться метод вейвлетов или Лагранжевых когерентных структур (Белоненко и др., 2016). В настоящей работе рассматриваются синоптические вихри, выделенные методом автоматической идентификации (Chelton et al., 2011b). Несколькими авторами подтверждается точность этого метода и превосходства его над другими (Chaigneau et al., 2011; Isern-Fontanet et al., 2003).
В открытом океане основными механизмами зарождения синоптических вихрей являются бароклинная неустойчивость течений, генерация топографических волн и вихрей при обтекании неровностей рельефа дна. В открытом океане возможен еще один механизм генерации синоптических вихрей, не имеющий аналогов в атмосфере, - их генерация прямыми атмосферными воздействиями на поверхность океана, то есть неоднородностями в полях напряжения трения ветра и атмосферного давления.
Вихри в океане могут также образовываться на перифериях меандрирующих течений типа Гольфстрима и Куросио. В этом случае при потере устойчивости меандрирующего течения и отсечении меандров образуются фронтальные синоптические вихри, имеющие вид кольцевых течений, называемые рингами (Солдатенко, 1999).
Синоптические вихри, которые могут быть циклоническими или антициклоническими, имеют среднюю скорость вращения 0,1-0,2 м/с, диаметр 100-500 км и вертикальную глубину 200-1000 м (Chelton et al., 2011a).
Циклоническое движение сопровождается дивергенцией жидкости, по крайней мере, на начальном этапе образования циклона, что приводит к подъему глубинных вод и выраженной холодной аномалии в центре вихря. Конвергенция при антициклоническом движении приводит к скоплению теплых поверхностных вод в ядре антициклона (McGillicuddy et al., 1998; Siegel et al., 2011). В то же время в вихревых линзах из-за противоположных прогибов главного и сезонного термоклинов (Каменкович и др., 1987; Bashmachnikov et al., 2013) могут наблюдаться и противоположные ситуации (Кубряков и др., 2016).
Воздействие вихрей на морскую биологию и биогеохимию отмечалось во многих работах, вихревые потоки биогенов считаются одним из ведущих факторов, обеспечивающих 20% -50% мировой первичной продукции (Chang et al., 2017).
Орбитальные движения в вихрях также могут значительно влиять на горизонтальный транспорт трассеров (Белоненко и др., 1998, 2004). В работах (Chelton et al., 2011a; Siegel et al., 2011) на примере транспорта хлорофилла-а было показано, что этот механизм в вихрях открытого океана наиболее выражен. При этом в среднем структура вихрей выглядит как диполь: например, циклон в северном полушарии на передней (западной) части вихря захватывает холодную воду с севера, а на задней - теплую воду с юга (Кубряков и др., 2016).
Цель данной работы - исследование вклада синоптических вихрей в перенос хлорофилла-а и термохалинных характеристик в океане, прослеживание динамики изменчивости данных характеристик во время жизни вихря. Для выполнения работы была выбрана акватория северо-западной части Тихого океана как одного из самых интересных в динамическом отношении районов Мирового океана, для которого характерна значительная изменчивость параметров океанологических полей во всем диапазоне пространственно-временных масштабов. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1) исследование временной изменчивости радиуса и амплитуды синоптических вихрей для акватории северной части Тихого океана за 2016-2017 гг.;
2) выделение стадий жизни вихря на основе изменчивости радиуса (метод Dai et al., 2020);
3) изучение основных механизмов влияния синоптических вихрей на перенос термохалинных характеристик и концентрации хлорофилла-а;
4) исследование основных закономерностей распределения в вихрях концентрации хлорофилла-а и термохалинных характеристик в зависимости от типа завихренности;
5) расчет параметра нелинейности синоптического вихря в зависимости от его стадии жизни;
6) определение по параметру нелинейности глубины вихревого переноса;
7) оценка переноса синоптическим вихрем термохалинных характеристик.
Изучение мезомасштабных вихрей дает представление о целых системах взаимосвязанных океанических характеристик. Мезомасштабные вихри обладают собственной динамикой, в которой доминируют нелинейные эффекты. В отличие от волн они способны переносить тепло, массу, кинетическую энергию и биохимические характеристики из региона их формирования на огромные расстояния, влияя на колебания климата. Мезомасштабные вихри образуются практически на всей акватории океана, однако районы вихревой активности, так или иначе, приурочены к областям крупномасштабных течений ввиду наличия бароклинной и баротропной неустойчивости этих течений, возникающей за счет вертикального и горизонтального сдвига скорости, а также из-за неоднородного распределения плотности воды. Перечисленные факторы являются основными причинами генерации мезомасштабных вихрей (Малышева и др., 2018).
В последние годы получили широкое развитие различные алгоритмы отслеживания вихрей по альтиметрическим полям, которые позволяют установить различные характеристики вихрей, такие как размер, полярность, западное распространение, срок жизни (Белоненко и др., 2016). Развитие современной океанологии невозможно без применения спутниковых методов получения информации об океане, что обусловлено их неоспоримыми преимуществами, к главным из которых относятся: пространственная репрезентативность, обеспечивающая проведение региональных и глобальных исследований, оперативность получения информации, возможность организации оперативного комплексного мониторинга в любой точке Мирового океана, низкая стоимость спутникового мониторинга по сравнению с контактными методами исследования океана (Лаврова и др., 2011; Костяной и др., 2011). Существует несколько способов обнаружения синоптических вихрей на основе спутниковой альтиметрии и численного моделирования, которые делятся на две категории: физические и геометрические. Первые включают в себя вычисление динамических полей, определяют вихри как замкнутые контуры в распределении этих характеристик. В частности, для индентификации вихрей методом визуального анализа рассматриваются поля SLA относительной завихренности или параметр Окубо-Вейса. В отличие от физических, геометрические методы используют кривизну или форму поля мгновенного потока, например, метод «winding-angle» («блуждающего угла») или метод векторной геометрии. Наиболее популярным является контурный метод с использованием полей аномалий уровня моря и параметра Окубо-Вейса. Для обнаружения вихрей может также применяться метод вейвлетов или Лагранжевых когерентных структур (Белоненко и др., 2016). В настоящей работе рассматриваются синоптические вихри, выделенные методом автоматической идентификации (Chelton et al., 2011b). Несколькими авторами подтверждается точность этого метода и превосходства его над другими (Chaigneau et al., 2011; Isern-Fontanet et al., 2003).
В открытом океане основными механизмами зарождения синоптических вихрей являются бароклинная неустойчивость течений, генерация топографических волн и вихрей при обтекании неровностей рельефа дна. В открытом океане возможен еще один механизм генерации синоптических вихрей, не имеющий аналогов в атмосфере, - их генерация прямыми атмосферными воздействиями на поверхность океана, то есть неоднородностями в полях напряжения трения ветра и атмосферного давления.
Вихри в океане могут также образовываться на перифериях меандрирующих течений типа Гольфстрима и Куросио. В этом случае при потере устойчивости меандрирующего течения и отсечении меандров образуются фронтальные синоптические вихри, имеющие вид кольцевых течений, называемые рингами (Солдатенко, 1999).
Синоптические вихри, которые могут быть циклоническими или антициклоническими, имеют среднюю скорость вращения 0,1-0,2 м/с, диаметр 100-500 км и вертикальную глубину 200-1000 м (Chelton et al., 2011a).
Циклоническое движение сопровождается дивергенцией жидкости, по крайней мере, на начальном этапе образования циклона, что приводит к подъему глубинных вод и выраженной холодной аномалии в центре вихря. Конвергенция при антициклоническом движении приводит к скоплению теплых поверхностных вод в ядре антициклона (McGillicuddy et al., 1998; Siegel et al., 2011). В то же время в вихревых линзах из-за противоположных прогибов главного и сезонного термоклинов (Каменкович и др., 1987; Bashmachnikov et al., 2013) могут наблюдаться и противоположные ситуации (Кубряков и др., 2016).
Воздействие вихрей на морскую биологию и биогеохимию отмечалось во многих работах, вихревые потоки биогенов считаются одним из ведущих факторов, обеспечивающих 20% -50% мировой первичной продукции (Chang et al., 2017).
Орбитальные движения в вихрях также могут значительно влиять на горизонтальный транспорт трассеров (Белоненко и др., 1998, 2004). В работах (Chelton et al., 2011a; Siegel et al., 2011) на примере транспорта хлорофилла-а было показано, что этот механизм в вихрях открытого океана наиболее выражен. При этом в среднем структура вихрей выглядит как диполь: например, циклон в северном полушарии на передней (западной) части вихря захватывает холодную воду с севера, а на задней - теплую воду с юга (Кубряков и др., 2016).
Цель данной работы - исследование вклада синоптических вихрей в перенос хлорофилла-а и термохалинных характеристик в океане, прослеживание динамики изменчивости данных характеристик во время жизни вихря. Для выполнения работы была выбрана акватория северо-западной части Тихого океана как одного из самых интересных в динамическом отношении районов Мирового океана, для которого характерна значительная изменчивость параметров океанологических полей во всем диапазоне пространственно-временных масштабов. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1) исследование временной изменчивости радиуса и амплитуды синоптических вихрей для акватории северной части Тихого океана за 2016-2017 гг.;
2) выделение стадий жизни вихря на основе изменчивости радиуса (метод Dai et al., 2020);
3) изучение основных механизмов влияния синоптических вихрей на перенос термохалинных характеристик и концентрации хлорофилла-а;
4) исследование основных закономерностей распределения в вихрях концентрации хлорофилла-а и термохалинных характеристик в зависимости от типа завихренности;
5) расчет параметра нелинейности синоптического вихря в зависимости от его стадии жизни;
6) определение по параметру нелинейности глубины вихревого переноса;
7) оценка переноса синоптическим вихрем термохалинных характеристик.
Используя данные реанализа по температуре и солености морской воды, альтиметрическим спутниковым данным, а также модельным данным по концентрации хлорофилла-а были выделены основные механизмы влияния синоптических вихрей на данные характеристики, исследована роль в их переносе.
Для выполнения работы была выбрана акватория северо-западной части Тихого океана как одного из самых интересных в динамическом отношении районов Мирового океана, для которого характерна значительная изменчивость параметров океанологических полей во всем диапазоне пространственно-временных масштабов. В ходе выполнения работы были получены следующие результаты:
1) В северной части Тихого океана наблюдается сезонная изменчивость количества и величины радиуса синоптических вихрей. В общем распределении вихрей отмечается следующее: в апреле достигается максимум по количеству вихрей, в ноябре-декабре - минимум. После наступления максимума в апреле в акватории северной части Тихого океана идет преобладание вихрей циклонической завихренности. В апреле значения среднего радиуса минимальны, в июне-августе наблюдаются максимальные значения. В целом, антициклонические вихри имеют большие значения радиуса, амплитуды, чем циклонические;
2) В жизни синоптического вихря выделяются три стадии: зарождение, зрелость, диссипация. Максимальные и минимальные значения амплитуды и радиуса вихря совпадают и соответствуют стадиям жизни вихря;
3) Изучены два механизма влияния синоптических вихрей на перенос термохалинных характеристик и хлорофилла-а: вихревой перенос и вихревое перемешивание. Также отмечен механизм, влияющий на биологическую продуктивность - адвекция на периферии антициклонического вихря вод с высоким содержанием хлорофилла-а из близлежащих прибрежных областей;
4) В исследуемой акватории выбраны два синоптических вихря для описания механизма вихревого перемешивания. Выяснено, что в вихрях наблюдается дипольная структура: так в западной части циклон захватывает холодную воду с севера и переносит её в юго-западную часть вихря, а в южной части вихрь захватывает теплую воду и переносит её в северо-восточную часть, обратная ситуация - для антициклонического вихря. Основной механизм такого явления - горизонтальная адвекция;
5) Следующий механизм - вихревой перенос, характерный для рингов струйных течений, таких как Куросио. Более теплые и соленые воды проникают в области относительно холодных и распресненных вод, формируя зоны с максимальными градиентами океанологических характеристик. Установлено, что в водной толще, заключенной в область действия вихря, на глубинах 50-100 м располагается центр ядра положительных аномалий термохалинных характеристик. На всех стадиях аномалии температуры составляли значения около 3°С, солености - около 0,8%о. На поверхности также выявлена дипольная структура, однако во время стадии диссипации она нарушалась. Выяснено, что на перифериях антициклонических вихрей также образуются зоны с высокой биопродуктивностью.
6) Для антициклонического вихря АВ2 найдена глубина переноса, рассчитанная по параметру нелинейности. Так для стадий генерации и зрелости глубина переноса составляет 220 м, а для стадии диссипации - 240 м;
7) Явные аномалии тепла для стадий генерации, зрелости и диссипации вихря АВ2 составили: 7,3 X 1019Дж, 8,7 X 1019Дж и 1,1 X 1020Дж, соответственно. Явные соленостные аномалии равняются следующим значениям: 2,5 X 1013кг, 4,5 X 1013кг, 6,0 X 1013кг в течение трех стадий, соответственно. Таким образом, значения явных тепловой и соленостной аномалий максимальны в стадию диссипации вихря, максимальные наблюдаются на глубине переноса.
8) Перенос тепла в течение трех стадий имел следующие значения: 4,0 X 1013Вт,
2,1 X 1013Вт и 1,9 X 1013Вт, соответственно. Перенос соли для стадий генерации, зрелости и диссипации был равен 1,4 X 107кг/с, 1,1 X 107кг/с и 1,0 X 107кг/с. По полученным результатам можно заключить, что при переходе из одной стадии в другую величины переноса тепла и соли уменьшались.
Для выполнения работы была выбрана акватория северо-западной части Тихого океана как одного из самых интересных в динамическом отношении районов Мирового океана, для которого характерна значительная изменчивость параметров океанологических полей во всем диапазоне пространственно-временных масштабов. В ходе выполнения работы были получены следующие результаты:
1) В северной части Тихого океана наблюдается сезонная изменчивость количества и величины радиуса синоптических вихрей. В общем распределении вихрей отмечается следующее: в апреле достигается максимум по количеству вихрей, в ноябре-декабре - минимум. После наступления максимума в апреле в акватории северной части Тихого океана идет преобладание вихрей циклонической завихренности. В апреле значения среднего радиуса минимальны, в июне-августе наблюдаются максимальные значения. В целом, антициклонические вихри имеют большие значения радиуса, амплитуды, чем циклонические;
2) В жизни синоптического вихря выделяются три стадии: зарождение, зрелость, диссипация. Максимальные и минимальные значения амплитуды и радиуса вихря совпадают и соответствуют стадиям жизни вихря;
3) Изучены два механизма влияния синоптических вихрей на перенос термохалинных характеристик и хлорофилла-а: вихревой перенос и вихревое перемешивание. Также отмечен механизм, влияющий на биологическую продуктивность - адвекция на периферии антициклонического вихря вод с высоким содержанием хлорофилла-а из близлежащих прибрежных областей;
4) В исследуемой акватории выбраны два синоптических вихря для описания механизма вихревого перемешивания. Выяснено, что в вихрях наблюдается дипольная структура: так в западной части циклон захватывает холодную воду с севера и переносит её в юго-западную часть вихря, а в южной части вихрь захватывает теплую воду и переносит её в северо-восточную часть, обратная ситуация - для антициклонического вихря. Основной механизм такого явления - горизонтальная адвекция;
5) Следующий механизм - вихревой перенос, характерный для рингов струйных течений, таких как Куросио. Более теплые и соленые воды проникают в области относительно холодных и распресненных вод, формируя зоны с максимальными градиентами океанологических характеристик. Установлено, что в водной толще, заключенной в область действия вихря, на глубинах 50-100 м располагается центр ядра положительных аномалий термохалинных характеристик. На всех стадиях аномалии температуры составляли значения около 3°С, солености - около 0,8%о. На поверхности также выявлена дипольная структура, однако во время стадии диссипации она нарушалась. Выяснено, что на перифериях антициклонических вихрей также образуются зоны с высокой биопродуктивностью.
6) Для антициклонического вихря АВ2 найдена глубина переноса, рассчитанная по параметру нелинейности. Так для стадий генерации и зрелости глубина переноса составляет 220 м, а для стадии диссипации - 240 м;
7) Явные аномалии тепла для стадий генерации, зрелости и диссипации вихря АВ2 составили: 7,3 X 1019Дж, 8,7 X 1019Дж и 1,1 X 1020Дж, соответственно. Явные соленостные аномалии равняются следующим значениям: 2,5 X 1013кг, 4,5 X 1013кг, 6,0 X 1013кг в течение трех стадий, соответственно. Таким образом, значения явных тепловой и соленостной аномалий максимальны в стадию диссипации вихря, максимальные наблюдаются на глубине переноса.
8) Перенос тепла в течение трех стадий имел следующие значения: 4,0 X 1013Вт,
2,1 X 1013Вт и 1,9 X 1013Вт, соответственно. Перенос соли для стадий генерации, зрелости и диссипации был равен 1,4 X 107кг/с, 1,1 X 107кг/с и 1,0 X 107кг/с. По полученным результатам можно заключить, что при переходе из одной стадии в другую величины переноса тепла и соли уменьшались.