ВОЛНЫ РОССБИ И МЕЗОМАСШТАБНЫЕ ВИХРИ ЮЖНОЙ АТЛАНТИКИ
|
Введение 2
Глава 1. Данные 6
1.1. Альтиметрические данные 6
1.2. Массив «Mesoscale Eddies in Altimeter Observations of SSH» 6
1.3. Данные буев-профилемеров Argo 9
1.4. Океанический реанализ GLORYS12v1 9
1.5. Глобальная модель рельефа поверхности Земли ETOPO1 9
Глава 2. Мезомасштабные вихри течения Агульяс 10
2.1. Агульясов перенос 10
2.2. Меридиональное смещение вихрей Агульяса 16
2.2.1. Анализ зонального и меридионального смещения долгоживущих вихрей Агульяса 16
2.2.2. Меридиональное смещение треков вихрей: гипотезы и факты 23
Глава 3. Страты в Южной Атлантике 30
3.1. Страты в океане 30
3.2. Основные гипотезы формирования страт 33
3.2.1. Артефакты, возникающие из-за временного осреднения 33
3.2.2. Потоки вихрей 33
3.2.3. Проявление механизма самоорганизации баротропной турбулентности 34
3.2.4. Бэта-плюмы 34
3.3. Страты в гидродинамических моделях 35
3.4. Феноменологический анализ страт Южной Атлантики 35
Заключение 42
Список литературы 44
Глава 1. Данные 6
1.1. Альтиметрические данные 6
1.2. Массив «Mesoscale Eddies in Altimeter Observations of SSH» 6
1.3. Данные буев-профилемеров Argo 9
1.4. Океанический реанализ GLORYS12v1 9
1.5. Глобальная модель рельефа поверхности Земли ETOPO1 9
Глава 2. Мезомасштабные вихри течения Агульяс 10
2.1. Агульясов перенос 10
2.2. Меридиональное смещение вихрей Агульяса 16
2.2.1. Анализ зонального и меридионального смещения долгоживущих вихрей Агульяса 16
2.2.2. Меридиональное смещение треков вихрей: гипотезы и факты 23
Глава 3. Страты в Южной Атлантике 30
3.1. Страты в океане 30
3.2. Основные гипотезы формирования страт 33
3.2.1. Артефакты, возникающие из-за временного осреднения 33
3.2.2. Потоки вихрей 33
3.2.3. Проявление механизма самоорганизации баротропной турбулентности 34
3.2.4. Бэта-плюмы 34
3.3. Страты в гидродинамических моделях 35
3.4. Феноменологический анализ страт Южной Атлантики 35
Заключение 42
Список литературы 44
Предметом данного исследования являются волны Россби и долгоживущие мезомасштабные (синоптические) вихри в районе течения Агульяс. Волны Россби, также называемые градиентно-вихревыми волнами, как и мезомасштабные вихри относятся к явлениям синоптического масштаба (Монин и др., 1974). Однако не всегда на основе анализа пространственных и временных изменений динамических и термодинамических характеристик можно дать достаточно определенные ответы о природе – вихревой или волновой – наблюдаемых явлений синоптического масштаба (Белоненко и др., 2004).
«Наблюдающиеся в океане синоптические вихри иногда обнаруживают некоторые черты волн Россби, а именно: распространение с западной составляющей фазовой скорости и неплохое количественное совпадение пространственно-временных масштабов колебаний с дисперсионными соотношениями, описывающими волны Россби (Каменкович и др., 1982; Коняев и Сабинин, 1992). Пока нет однозначного ответа на вопрос, почему это происходит. Одни исследователи считают, что эти факты можно объяснить с позиций статистической динамики, в которой синоптические вихри рассматриваются как своеобразная крупномасштабная турбулентность: ее уравнение содержит при вполне допустимых условиях не только вихри, переносящие с собой воду, но и волны Россби. Другие связывают синоптические вихри с существенной нелинейностью и дисперсией волновых движений, поэтому такие вихри интерпретируются как солитоны Россби. Существует также трактовка синоптических движений в океане как системы движущихся интенсивных вихрей несолитонного типа, излучающих волны Россби. При этом считается, что один из наиболее характерных путей эволюции поля вихрей в океане должен быть следующим: небольшие (по сравнению с внутренним радиусом волны Россби) бароклинные вихри, взаимодействуя друг с другом, укрупняются по законам двумерной турбулентности. Данный процесс сопровождается уменьшением частоты и волнового числа, в результате чего параметры вихрей начинают совпадать с параметрами волн Россби. Наконец, еще одна гипотеза развития событий: вихри в процессе эволюции становятся баротропными и в конце концов приобретают параметры волн Россби» (Белоненко и др., 2004). Все это дает ключ к пониманию, почему для исследования вихрей открытого океана часто используется волновой подход, который также является наиболее перспективным.
Существует также несколько иная точка зрения. М.В. Незлин (1986) долгоживущие антициклоны открытого океана ассоциировал с вихрями Россби (солитонами Россби), чьи свойства (размеры, направление и скорость дрейфа) хорошо предсказываются и описываются на основе волновых представлений. Согласно данного подхода, долгоживущие антициклоны течения Агульяс — это вихри (или солитоны) Россби, то есть это результат взаимного уравновешивания дисперсии и нелинейности. В рамках данного подхода автор рассмотрел такое явление, как «циклон-антициклонная асимметрия», которая заключается в том, что у циклона ротор скорости параллелен вектору скорости вращения Земли, а у антициклона — антипараллелен (Незлин, 1986). Это означает, что в уравнении сохранения потенциального вихря скалярная нелинейность может уравновесить дисперсию только для антициклона. У циклона же дисперсия и скалярная нелинейность имеют одинаковые знаки и, следовательно, не могут быть взаимно скомпенсированы. Таким образом, наблюдаемая циклон-антициклонная асимметрия является прямым следствием скалярной нелинейности и весьма принципиальным дисперсионно-нелинейным свойством вихрей Россби. Именно циклон-антициклонная асимметрия объясняет большую устойчивость антициклонов по сравнению с циклонами. Именно поэтому долгоживущими мезомасштабными вихрями Южной Атлантики являются только антициклоны. В частности, все образовавшиеся циклоны течения Агульяс диссипируют в течение первого года после своей генерации, в то время как антициклоны имеют более продолжительный период жизни.
Изучение мезомасштабных вихрей даёт представление о целых системах взаимосвязанных океанических характеристик. Мезомасштабные вихри обладают собственной динамикой, в которой доминируют нелинейные эффекты. Они способны переносить тепло, массу, кинетическую энергию и биохимические характеристики из региона их формирования на огромные расстояния, влияя на колебания климата. Они образуются практически повсеместно на всей акватории океана (Chelton et al., 2007) и являются одним из главных механизмов горизонтального и вертикального перемешивания. Таким образом, детальное изучение мезомасштабных вихрей в Мировом океане является актуальной задачей, так как позволяет улучшить понимание динамических, климатических и биологических океанических процессов.
Развитие методов дистанционного зондирования Земли, главными преимуществами которых являются пространственная репрезентативность, обеспечивающая проведение региональных и глобальных исследований, оперативность получения информации, возможность организации оперативного комплексного мониторинга в любой точке Мирового океана, открыли новую эру исследования океана в синоптическом диапазоне частот. Дополнительно прогресс в области компьютерных технологий и создание вихреразрешающих гидродинамических моделей позволили разработать новый арсенал методов исследования океана. Современные достижения в этих областях позволяют сохранять актуальность исследований синоптической (мезомасштабной) динамики океана в течение длительного времени, ставя все новые задачи. Данная работа является частью этих глобальных исследований.
Хотя мезомасштабные вихри образуются практически повсеместно на всей акватории океана (Chelton et al, 2007), районы вихревой активности так или иначе приурочены к областям крупномасштабных течений, ввиду наличия здесь бароклинной и баротропной нестабильности, являющейся одним из основных условий генерации мезомасштабных вихрей. В Южном полушарии одним из таких течений является течение Агульяс. Течение Агульяс – теплое западное пограничное течение в южной части Индийского океана, являющееся частью направленного на запад Южно-Экваториального течения, омывающее восточный берег Африки между 27° и 40° ю.ш. (Gordon, 1985) (рис. 1). Течение узкое и быстрое (на поверхности скорость может достигать 200 см/с).
Течение Агульяс – главный источник теплой и соленой воды, переносимой из Индийского океана в Атлантику. К югу от африканского побережья в районе 30°-45° ю.ш., 10°-35° в.д. оно совершает резкий разворот на восток, образуя петлю (разворот Агульяса) диаметром 340 км. В англоязычных источниках это явление получило название «Agulhas Retroflection» (Lutjeharms et al, 1988; Lutjeharms et al, 1988). «Agulhas Retroflection» периодически формирует отдельные вихри – ринги Агульяса, которые сформированы из относительно теплых и соленых вод Индийского океана. Температура в них выше на 5°C и соленость выше на 0.3, чем температура и соленость окружающих вод равной плотности (Gordon, 1985). Эти вихри способны преодолевать сотни (и даже тысячи) километров, что говорит об их высоком водообменном потенциале, поэтому они могут рассматриваться как особые природные трассеры водообмена между Индийским и Атлантическим океанами, оказывающие существенное влияние на структуру глобального климата (Gordon et al, 1993; Donners et al, 2004).
Целью данной работы является анализ особенностей мезомасштабной динамики в районе течения Агульяс.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
1. Обзор научной литературы по проблеме.
2. Подготовка исходных массивов.
3. Анализ характеристик вихрей течения Агульяс на основе данных массива «Mesoscale Eddies in Altimeter Observations of SSH».
4. Оценка Агульясова переноса отдельными долгоживущими вихрями на основе комплексного анализа альтиметрических карт и буев Argo.
5. Анализ зонального и меридионального смещения долгоживущих вихрей Агульяса
6. Разработка нового подхода, объясняющего меридиональное смещение треков вихрей Агульяса к экватору
7. Феноменологический анализ страт в Южной Атлантике.
Работа включает в себя введение, 3 главы, в которых решаются поставленные исследовательские задачи, заключение и список литературы.
«Наблюдающиеся в океане синоптические вихри иногда обнаруживают некоторые черты волн Россби, а именно: распространение с западной составляющей фазовой скорости и неплохое количественное совпадение пространственно-временных масштабов колебаний с дисперсионными соотношениями, описывающими волны Россби (Каменкович и др., 1982; Коняев и Сабинин, 1992). Пока нет однозначного ответа на вопрос, почему это происходит. Одни исследователи считают, что эти факты можно объяснить с позиций статистической динамики, в которой синоптические вихри рассматриваются как своеобразная крупномасштабная турбулентность: ее уравнение содержит при вполне допустимых условиях не только вихри, переносящие с собой воду, но и волны Россби. Другие связывают синоптические вихри с существенной нелинейностью и дисперсией волновых движений, поэтому такие вихри интерпретируются как солитоны Россби. Существует также трактовка синоптических движений в океане как системы движущихся интенсивных вихрей несолитонного типа, излучающих волны Россби. При этом считается, что один из наиболее характерных путей эволюции поля вихрей в океане должен быть следующим: небольшие (по сравнению с внутренним радиусом волны Россби) бароклинные вихри, взаимодействуя друг с другом, укрупняются по законам двумерной турбулентности. Данный процесс сопровождается уменьшением частоты и волнового числа, в результате чего параметры вихрей начинают совпадать с параметрами волн Россби. Наконец, еще одна гипотеза развития событий: вихри в процессе эволюции становятся баротропными и в конце концов приобретают параметры волн Россби» (Белоненко и др., 2004). Все это дает ключ к пониманию, почему для исследования вихрей открытого океана часто используется волновой подход, который также является наиболее перспективным.
Существует также несколько иная точка зрения. М.В. Незлин (1986) долгоживущие антициклоны открытого океана ассоциировал с вихрями Россби (солитонами Россби), чьи свойства (размеры, направление и скорость дрейфа) хорошо предсказываются и описываются на основе волновых представлений. Согласно данного подхода, долгоживущие антициклоны течения Агульяс — это вихри (или солитоны) Россби, то есть это результат взаимного уравновешивания дисперсии и нелинейности. В рамках данного подхода автор рассмотрел такое явление, как «циклон-антициклонная асимметрия», которая заключается в том, что у циклона ротор скорости параллелен вектору скорости вращения Земли, а у антициклона — антипараллелен (Незлин, 1986). Это означает, что в уравнении сохранения потенциального вихря скалярная нелинейность может уравновесить дисперсию только для антициклона. У циклона же дисперсия и скалярная нелинейность имеют одинаковые знаки и, следовательно, не могут быть взаимно скомпенсированы. Таким образом, наблюдаемая циклон-антициклонная асимметрия является прямым следствием скалярной нелинейности и весьма принципиальным дисперсионно-нелинейным свойством вихрей Россби. Именно циклон-антициклонная асимметрия объясняет большую устойчивость антициклонов по сравнению с циклонами. Именно поэтому долгоживущими мезомасштабными вихрями Южной Атлантики являются только антициклоны. В частности, все образовавшиеся циклоны течения Агульяс диссипируют в течение первого года после своей генерации, в то время как антициклоны имеют более продолжительный период жизни.
Изучение мезомасштабных вихрей даёт представление о целых системах взаимосвязанных океанических характеристик. Мезомасштабные вихри обладают собственной динамикой, в которой доминируют нелинейные эффекты. Они способны переносить тепло, массу, кинетическую энергию и биохимические характеристики из региона их формирования на огромные расстояния, влияя на колебания климата. Они образуются практически повсеместно на всей акватории океана (Chelton et al., 2007) и являются одним из главных механизмов горизонтального и вертикального перемешивания. Таким образом, детальное изучение мезомасштабных вихрей в Мировом океане является актуальной задачей, так как позволяет улучшить понимание динамических, климатических и биологических океанических процессов.
Развитие методов дистанционного зондирования Земли, главными преимуществами которых являются пространственная репрезентативность, обеспечивающая проведение региональных и глобальных исследований, оперативность получения информации, возможность организации оперативного комплексного мониторинга в любой точке Мирового океана, открыли новую эру исследования океана в синоптическом диапазоне частот. Дополнительно прогресс в области компьютерных технологий и создание вихреразрешающих гидродинамических моделей позволили разработать новый арсенал методов исследования океана. Современные достижения в этих областях позволяют сохранять актуальность исследований синоптической (мезомасштабной) динамики океана в течение длительного времени, ставя все новые задачи. Данная работа является частью этих глобальных исследований.
Хотя мезомасштабные вихри образуются практически повсеместно на всей акватории океана (Chelton et al, 2007), районы вихревой активности так или иначе приурочены к областям крупномасштабных течений, ввиду наличия здесь бароклинной и баротропной нестабильности, являющейся одним из основных условий генерации мезомасштабных вихрей. В Южном полушарии одним из таких течений является течение Агульяс. Течение Агульяс – теплое западное пограничное течение в южной части Индийского океана, являющееся частью направленного на запад Южно-Экваториального течения, омывающее восточный берег Африки между 27° и 40° ю.ш. (Gordon, 1985) (рис. 1). Течение узкое и быстрое (на поверхности скорость может достигать 200 см/с).
Течение Агульяс – главный источник теплой и соленой воды, переносимой из Индийского океана в Атлантику. К югу от африканского побережья в районе 30°-45° ю.ш., 10°-35° в.д. оно совершает резкий разворот на восток, образуя петлю (разворот Агульяса) диаметром 340 км. В англоязычных источниках это явление получило название «Agulhas Retroflection» (Lutjeharms et al, 1988; Lutjeharms et al, 1988). «Agulhas Retroflection» периодически формирует отдельные вихри – ринги Агульяса, которые сформированы из относительно теплых и соленых вод Индийского океана. Температура в них выше на 5°C и соленость выше на 0.3, чем температура и соленость окружающих вод равной плотности (Gordon, 1985). Эти вихри способны преодолевать сотни (и даже тысячи) километров, что говорит об их высоком водообменном потенциале, поэтому они могут рассматриваться как особые природные трассеры водообмена между Индийским и Атлантическим океанами, оказывающие существенное влияние на структуру глобального климата (Gordon et al, 1993; Donners et al, 2004).
Целью данной работы является анализ особенностей мезомасштабной динамики в районе течения Агульяс.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
1. Обзор научной литературы по проблеме.
2. Подготовка исходных массивов.
3. Анализ характеристик вихрей течения Агульяс на основе данных массива «Mesoscale Eddies in Altimeter Observations of SSH».
4. Оценка Агульясова переноса отдельными долгоживущими вихрями на основе комплексного анализа альтиметрических карт и буев Argo.
5. Анализ зонального и меридионального смещения долгоживущих вихрей Агульяса
6. Разработка нового подхода, объясняющего меридиональное смещение треков вихрей Агульяса к экватору
7. Феноменологический анализ страт в Южной Атлантике.
Работа включает в себя введение, 3 главы, в которых решаются поставленные исследовательские задачи, заключение и список литературы.
Мы проанализировали характеристики вихрей течения Агульяс на основе данных массива «Mesoscale Eddies in Altimeter Observations of SSH» и данных буев ARGO. Была проанализирована вертикальная структура вихрей и показано, что температура и соленость в водах вихрей выше средних значений в Южной Атлантике на 5 °C и 0,8-1 соответственно. Был оценен транспорт тепла и соли одним мезомасштабным вихрем Агульясова переноса, он составляет 2,25⋅109 Вт и 5,36⋅105 кг⋅с-1 соответственно. Теплосодержание и солесодержание в одном вихре Агульясова переноса - 2,03⋅1015 Дж и 4,83⋅1011 кг соответственно.
Мы проанализировали треки долгоживущих вихрей Агульяса с продолжительностью жизни, превышающей 2,5 года, по альтиметрическим данным. Основные выводы, полученные на основе анализа, следующие:
1) Только антициклоны являются долгоживущими вихрями Агульяса. Они перемещаются на северо-запад почти прямолинейно, преодолевая тысячи километров и пересекая Южную Атлантику.
2) Характеристики вихрей (амплитуда, радиус, орбитальная скорость и скорость перемещения) значительно изменяются в течение их жизни. Мы не обнаружили явной зависимости от топографии и ослабления вихрей с течением времени. Наоборот, иногда происходит, казалось бы, необъяснимое кратковременное усиление вихря.
3) Зональное смещение вихрей и, соответственно, зональная составляющая скорости перемещения, доминируют, однако на отдельных участках трека смещение вихря к экватору сравнимо с зональным смещением.
4) Чем больше скорость вихря, тем больше его меридиональное смещение в единицу времени.
5) Вихри распространяются почти прямолинейно. Под влиянием топографии, особенно при пересечении хребтов, вихри меняют азимут направления, после чего снова распространяются прямолинейно.
7) Единственная теория, которая согласуется с наблюдениями, это теория Лайтхилла (1967). Она позволяет объяснить узконаправленное угловое излучение длинных волн Россби незональными течениями.
Мы предлагаем альтернативную версию эволюции начальной стадии зарождения вихря Агульяса. Первый этап зарождения и эволюции вихря мы предлагаем объяснять стадией узконаправленного излучения длинных волн Россби под совместным влиянием топографии и крупномасштабного незонального течения. В момент зарождения вихрь не только захватывает водную массу, но и приобретает некий поступательный и вращательный момент, которые являются функцией от скорости и направления крупномасштабного течения, топографии в точке формирования вихря. Именно этим можно объяснить практически прямолинейное перемещение вихрей Агульяса на северо-запад.
Был проведен феноменологический анализ страт в Южной Атлантике. Установлено, что ширина струй варьируется от 133 км до 388 км, а проявляются они до глубин 1600 – 2200 м., следовательно, страты проявляются не только на поверхности, но и на глубине. Проанализирована изменчивость зональной составляющей скорости течений и показано, что почти во всех случаях устойчиво выделяется двухлетний масштаб колебаний. Для других масштабов характерна выраженная нестационарность: вклад 4-летних колебаний проявляется только в отдельные годы, как и циклы продолжительностью 7-9 лет. Несомненно одно: страты – это реально существующий факт в океане, который не так давно обнаружен и который требует дальнейшего исследования.
Мы проанализировали треки долгоживущих вихрей Агульяса с продолжительностью жизни, превышающей 2,5 года, по альтиметрическим данным. Основные выводы, полученные на основе анализа, следующие:
1) Только антициклоны являются долгоживущими вихрями Агульяса. Они перемещаются на северо-запад почти прямолинейно, преодолевая тысячи километров и пересекая Южную Атлантику.
2) Характеристики вихрей (амплитуда, радиус, орбитальная скорость и скорость перемещения) значительно изменяются в течение их жизни. Мы не обнаружили явной зависимости от топографии и ослабления вихрей с течением времени. Наоборот, иногда происходит, казалось бы, необъяснимое кратковременное усиление вихря.
3) Зональное смещение вихрей и, соответственно, зональная составляющая скорости перемещения, доминируют, однако на отдельных участках трека смещение вихря к экватору сравнимо с зональным смещением.
4) Чем больше скорость вихря, тем больше его меридиональное смещение в единицу времени.
5) Вихри распространяются почти прямолинейно. Под влиянием топографии, особенно при пересечении хребтов, вихри меняют азимут направления, после чего снова распространяются прямолинейно.
7) Единственная теория, которая согласуется с наблюдениями, это теория Лайтхилла (1967). Она позволяет объяснить узконаправленное угловое излучение длинных волн Россби незональными течениями.
Мы предлагаем альтернативную версию эволюции начальной стадии зарождения вихря Агульяса. Первый этап зарождения и эволюции вихря мы предлагаем объяснять стадией узконаправленного излучения длинных волн Россби под совместным влиянием топографии и крупномасштабного незонального течения. В момент зарождения вихрь не только захватывает водную массу, но и приобретает некий поступательный и вращательный момент, которые являются функцией от скорости и направления крупномасштабного течения, топографии в точке формирования вихря. Именно этим можно объяснить практически прямолинейное перемещение вихрей Агульяса на северо-запад.
Был проведен феноменологический анализ страт в Южной Атлантике. Установлено, что ширина струй варьируется от 133 км до 388 км, а проявляются они до глубин 1600 – 2200 м., следовательно, страты проявляются не только на поверхности, но и на глубине. Проанализирована изменчивость зональной составляющей скорости течений и показано, что почти во всех случаях устойчиво выделяется двухлетний масштаб колебаний. Для других масштабов характерна выраженная нестационарность: вклад 4-летних колебаний проявляется только в отдельные годы, как и циклы продолжительностью 7-9 лет. Несомненно одно: страты – это реально существующий факт в океане, который не так давно обнаружен и который требует дальнейшего исследования.
Содержание магистерской диссертации, - ВОЛНЫ РОССБИ И МЕЗОМАСШТАБНЫЕ ВИХРИ ЮЖНОЙ АТЛАНТИКИ
Выдержки из магистерской диссертации, - ВОЛНЫ РОССБИ И МЕЗОМАСШТАБНЫЕ ВИХРИ ЮЖНОЙ АТЛАНТИКИ
Подобные работы
- Механизмы формирования Лофотенского вихря по спутниковым и натурным измерениям, а также данным моделирования
Дипломные работы, ВКР, гидрология. Язык работы: Русский. Цена: 4215 р. Год сдачи: 2020 - ИССЛЕДОВАНИЕ АГУЛЬЯСОВА ПЕРЕНОСА ПО ДАННЫМ СПУТНИКОВОЙ АЛЬТИМЕТРИИ И БУЕВ АРГО
Бакалаврская работа, гидрология. Язык работы: Русский. Цена: 4700 р. Год сдачи: 2018