Тема: ИССЛЕДОВАНИЕ ГЛУБОКОЙ КОНВЕКЦИИ В СУБАРКТИЧЕСКОЙ АТЛАНТИКЕ

Циркуляция вод Мирового океана представлена не только поверхностными течениями, но и промежуточными и придонными. Глобальная циркуляция Мирового океана основана на перемещении соли и тепла, содержащихся в толще океана - термохалинной циркуляции, связанной с неравномерностью распределения этих характеристик в Мировом океане (Broecker, 1991). Основным звеном глобальной циркуляции Мирового океана является Меридиональная термохалиная циркуляция (МТЦ) Атлантического океана. МТЦ способствует перемещению вод из поверхностного деятельного слоя океана в промежуточные и глубинные слои и выступает основным механизмом транспорта тепла, пресной воды и углерода между океанскими бассейнами. Климатические модели показывают, что прошлые изменения в силе МТЦ были связаны с историческими вариациями климата. Дальнейшие исследования показывают, что МТЦ оказывает непосредственное воздействие на климат на временных масштабах, начиная с десятилетий до столетий (Latif et al., 2006). Глубокая конвекция является ключевым процессом, определяющим интенсивность МТЦ (Perez et al., 2013). МТЦ в Атлантическом океане образуется при условии наличия областей масштабного опускания плотных, обогащённых кислородом поверхностных вод в придонные слои. Наиболее значимыми областями масштабного опускания вод в Атлантическом океане выступают моря Гренландское, Лабрадорское и Ирмингера на севере, и на юге область взаимодействия Антарктического Циркумполярного течения с водами Атлантического бассейна. Мониторинг и понимание изменчивости объемов и свойств водных масс, участвующих в процессах глубокой конвекции, необходим для более точного моделирования и прогнозирования будущих климатических изменений, что также позволило бы лучше оценить связь между глубокой конвекцией и интенсивностью Меридиональной термохалинной циркуляции в средних (Cunningham, 2007) и субполярных широтах (Mercier et al., 2015).
Что же такое процессы глубокой конвекции? Эти процессы происходят в зимний период благодаря сильному охлаждению поверхностных вод бассейна вследствие переноса холодных воздушных масс с территории Канады по направлению к Гренландии. Когда плотность поверхностных вод становится больше плотности нижележащих слоев, происходит конвективное перемешивание, в результате которого образуется слабо стратифицированная холодная, богатая кислородом и менее соленая по сравнению с окружающими водами водная масса. Таким образом, главной причиной глубокой конвекции является отрицательный поток плавучести в верхних слоях океана, обусловленный интенсивной отдачей тепла из океана в атмосферу (Piron et al., 2017).
Для развития глубокой конвекции в океане необходимо, помимо наличия соответствующего атмосферного форсинга, также ослабление стратификации вод ниже сезонного термоклина (Marshall, Schott, 1999). Ослабленная стратификация может быть, как причиной, так и следствием предшествующих глубокой конвекции процессов (Зеленько, Реснянский, 2007).
В условиях меняющегося климата, необходимо определить факторы, которые являются индикаторами этих изменений. Мировой океан перераспределяет поступающую на поверхность Земли солнечную радиацию посредством переноса поверхностной циркуляцией вод. В последние годы достаточно успешно развиваются наблюдения за изменчивостью поверхностных течений, что частично связано с быстрым развитием дистанционных способов получения информации. Это позволяет учитывать вклад циркуляции в глобальные изменения современного климата. Однако, помимо поверхностных течений, не менее важную роль в распределении тепла играет и глубинная циркуляция. Изменчивость интенсивности процессов глубокой конвекции служит важным фактором для наблюдений за климатическими изменениями в северной части Атлантического океана, а также для территорий, находящихся под значительным влиянием воздушных масс, формирующихся на данной акватории - Европы и Северной Америки.
Отслеживать положение потока глубинных вод, а также мест погружения глубинных вод до последнего времени являлось очень сложной задачей, так как проведение контактных наблюдений в субполярных областях обусловлено большими затратами, особенно в зимний период, к тому же рассматриваемые в настоящей квалификационной работе моря Ирмингера и Лабрадорское не относятся к наиболее загруженным путям перемещения транспортных и торговых судов, что сужает спектр источников контактных измерений даже на поверхности. За все время инструментальных наблюдений наиболее полный ряд данных был получен только для последнего двадцатилетнего промежутка. Спутниковые данные, при помощи которых можно вести мониторинг положения областей конвекции и частоту проявления событий конвекции, также представлены весьма непродолжительным временным рядом: например, альтиметрические данные представлены с конца 1992 года, а гравиметрические данные - с середины 2002. Также хотелось бы отметить, что при помощи спутниковой информации не представляется возможным оценить глубину опускания вод при конвекции.
В настоящей выпускной квалификационной работе решаются следующие задачи:
1) Определение максимальных глубин конвекции в морях Лабрадор и Ирмингера, анализ внутригодовой и межгодовой изменчивости интенсивности конвективных процессов по данным контактных измерений
2) Анализ полученного пространственного распределения областей конвекции в морях Ирмингера и Лабрадор по данным контактных измерений, включающий в себя уточнение границ по сравнению с результатами предыдущих исследований на эту тему
3) Определение положения очагов глубокой конвекции по полям аномалий стерических колебаний уровня Мирового океана (полученным по спутниковым альтиметрическим и гравиметрическим данным)
4) Анализ межгодовой изменчивости глубокой конвекции на основе аномалий стерических колебаний
Решение указанных задач необходимо для достижения цели данной выпускной квалификационной работы: Описание межгодовой и внутригодовой изменчивости глубокой конвекции, определение местоположения очагов конвекции по данным контактных и спутниковых измерений.
Положение очагов конвекции в Северной Атлантике и Северо-Европейском бассейне Северного Ледовитого океана варьируется от года к году, но все-таки имеет определенную локализацию. В Лабрадорском море по различным оценкам расположение области глубокой конвекции соответствует области «Л» на рисунке 1 (Marshall and Schott, 1999; Lavender et al., 2002). В частности, Marshall and Schott (1999) по данным измерений судна погоды Bravo и Lavender et al. (2002), основываясь на данных более чем 200 буев нейтральной плавучести за 1996-1998 годы, указывают на восточную часть выделенной области, как области глубокой конвекции. Исследовательская группа (Lab Sea Group, 1998) также указывает восточную часть выделенной области. Показанный на рисунке 1 район выделяется по данным буев АРГО с 2000 по 2007 гг. (Vage et al.,2009).
В море Ирмингера область глубокой конвекции не так обширна (рис.1), и конвекция достигает меньших глубин (Гладышев и др., 2016). Область глубокой конвекции «И» была выделена по данным наблюдений максимальной глубины перемешивания в зимний период (Vage et al.,2009; Centurioni and Gould, 2004), а также по значениям потенциальной завихренности (de Jong et al.,2012, de Jong et al., 2016; Pickart et al., 2003b).
Расположение областей глубокой конвекции вблизи центральных областей циклонической циркуляции связано с подъемом изопикн и уменьшением интегрального теплосодержания верхнего слоя океана в этих районах (Белоненко и др., 2018).
В этой работе под областями конвекции средней интенсивности мы будем подразумевать области, где глубина перемешанного слоя превышает 500 м, а глубокой конвекции - 1000 м. Критерии связаны с тем, что основной результат конвекции в районах исследования - это обновление водных масс (Морецкий, Попов, 1989; Yashayaev, 2007; de Jong et al., 2012; Jeansson et al., 2017). Если конвекция достигает 500 м, то обновляются промежуточная ирмингера и верхняя лабрадорская водные массы, составляющие верхние фракции североатлантической глубинной водной массы, скорость движения которой на юг и характеризует интенсивность возвратного глубинного потока Атлантической МТЦ. Если же конвекция пробивает слой в 1000 м, то начинается обновление лабрадорской (классической) водной массы - одной из основных (на ряду с Гренландской) составляющих североатлантической глубинной водной массы.
Максимальные значения глубин перемешанного слоя в рассматриваемых морях отличаются значительной изменчивостью, и сильно варьируют от года к году. На глубину конвекции в море Лабрадор более 1000 метров указывается в работах (Lazier, 2002; Gelderloos et al., 2013; Yashayaev, 2007, Pickart et al., 2002; Holte et al. 2017, Yashayaev and Loder, 2009; Lilly, 1998; Yashayaev and Loder, 2016). Глубина перемешанного слоя в море Ирмингера редко превышает 1000 метров, чаще всего находясь в пределах 800 метров (Гладышев и др., 2016, de Jong et al., 2012; de Jong et al., 2016)
Первыми предложили использовать альтиметрические измерения для мониторинга глубокой конвекции в океане Herrmann et al. (2009). Их исследование для Средиземного моря, опирающееся на предположение, что спутниковая альтиметрия может успешно использоваться для обнаружения глубокой конвекции, обусловленной вертикальными потоками тяжелых соленых вод на глубину, и грубо указывать ее местоположение, использует некое модельное прогностическое соотношение для нахождения линейной связи между глубокой конвекцией и локальными аномалиями уровня океана.
В дальнейшем гипотеза о возможности определения районов глубокой конвекции при помощи альтиметров рассматривалась другими исследователями, которые опираются на следующий физический механизм: столбы жидкости во время конвекции становятся тяжелее за счет увеличения плотности водяного столба, из-за чего уровень моря уменьшается. Так как изменение массы воды очень мало, то увеличение плотности в основном влияет на уменьшение объема, и при наличии только свободной границы на поверхности уменьшение объема приводит к уменьшению высоты поверхности моря, которое и можно обнаружить по данным альтиметрии.
Стерические колебания уровня океана происходят из-за вертикального расширения или сжатия морской воды, связанного с изменением её плотности р или удельного объема а без изменения массы воды. Существуют различные подходы к оценке стерических колебаний уровня (Белоненко, Колдунов, 2006). Функция, описывающая изменения динамической высоты, определяющие стерические колебания, может рассматриваться как разложение в ряд Тейлора удельного объема а(т,s,p) по малым отклонениям температуры, солености и давления: т, s, р от средних Т^, S^, P^ (Провоторов, 2003):
a(T,S,P) = a(T^,S^,P^) +(da/dT)TSP ∆T + (da/dS)TSP ∆S + (da/dP)TSP ∆P +. . .
В предположении несжимаемости воды колебания удельного объема, характеризующие стерические колебания, постепенно затухая с глубиной, охватывая всю толщу, нижняя граница которой соответствует глубине залегания нулевой динамической поверхности, обусловлены, главным образом, изменчивостью температуры и в меньшей степени солености деятельного слоя океана:
a(T,S,P)-a(T^,S^,P^) = (da/dT)TSP ∆T + (da/dS)TSP ∆S.
Методика оценки стерических колебаний с использованием комбинированных спутниковых альтиметрических и гравиметрических измерений изложена в работах Chambers (2006), Lombard et al. (2007), Garcia et al. (2007). Применение этого метода для акватории Баренцева моря представлено в работе (Volkov et al., 2013).
Косвенным подтверждением этой гипотезы являются исследования Hakkinen и Rhines (2004, 2009), в которых ослабление Субполярного круговорота, напрямую связанное с уменьшением процессов глубокой конвекции, наблюдающееся в последние десятилетия (Зеленько, Реснянский, 2007; Белоненко и др., 2018; Федоров и др., 2017а,б,в), определяется повышением уровня в центре круговорота. Циркуляция в этих районах, как правило, является циклонической. Это приводит к изопикническому куполу, частично обнажающемуся в центре круговорота, ослаблению стратификации и уменьшению термоклина (Зеленько, Реснянский, 2007; de Jong et al., 2012). В Северной Атлантике наиболее известными районами конвекции являются Лабрадорское море и море Ирмингера, где происходит обновление Лабрадорской водной массы (Hakkinen, Rhines, 2004; Falina, 2007; de Jong et al., 2012; Гладышев и др., 2016), хотя глубокое конвективное перемешивание (выходящее за пределы сезонного термоклина) не происходит каждый год в этих местах. Gelderloos et al. (2013), анализируя по альтиметрическим данным уровень в море Лабрадора для зимних месяцев и сравнив спутниковые данные с имеющимися измерениями глубины перемешанного слоя, а также с данными разреза AR7W (Yashayaev and Loder, 2009), Gelderloos et al. (2013), получили подтверждение этой гипотезы для 1994, 1995, 2000 и 2008. Исключение составляет 2006 г., который также по их оценкам ошибочно идентифицировался как год глубокой зимней конвекции, что не подтверждается другими данными.
Купить

В настоящей выпускной квалификационной работе, согласно поставленным целям, рассматривались вопросы определения положения областей конвекции по данным спутниковых и контактных измерений, а также описание межгодовой и внутригодовой изменчивости интенсивности конвективных процессов и были получены следующие результаты:
1) В море Лабрадор конвекция наибольшей интенсивности для периода 2003-2015 отмечалась в 2004, 2008, 2012, 2014, 2015, максимальные значения глубины ВКС в эти годы варьировались в интервале 1300-2000 метров.
2) Значения наибольшей глубины ВКС в море Ирмингера редко превышают 1000 метров. Это происходило в 2012 и 2015, также значения конвекции более 500 метров наблюдались в 2007-2009, 2010 годах.
3) Максимальные значения ВКС чаще всего наблюдались в обоих морях в марте. Также в этом месяце 5% профилей (от общего количества профилей в этом месяце за 1950-2015) перемешивались более 1000 метров и 15% и более 500 метров в море Лабрадор, а в море Ирмингера 3% и 13%, соответственно.
4) Пространственное положение очагов глубокой конвекции представляет собой непрерывную, вытянутую вдоль южной части Гренландии область (56-59°с.ш. 50-57°з.д., сужаясь меридионально до 56-58 ° с.ш. на 40-50° з.д.), что значительно расширяет современные представления о ее размере.
5) Пространственные распределения аномалий стерических колебаний, полученные по комбинированным спутниковым измерениям , позволяют грубо оценить положение очагов конвекции, а также судить о межгодовой изменчивости интенсивности конвективных процессов.
Решаемые в выпускной квалификационной работе задачи полностью выполнены, а реализуемая цель успешно достигнута. Результаты квалификационной работы позволяют получить полное представление о межгодовой, внутригодовой и пространственной изменчивости глубокой конвекции, соответствуют заявленной актуальности и являются новыми.
Купить