Динамическая структура течений западной части Средиземного моря, включая зону Гибралтарского пролива
|
Сокращения 4
Введение 5
1 Физико-географическое описание Средиземного моря 10
1.1 Географическое положение 10
1.2 Геология 11
1.3 Климат 12
1.4 Циркуляция вод 14
1.5 Водные массы Средиземного моря и районы их формирования 16
1.6 Региональные особенности циркуляции западной части Средиземного моря 18
1.7 Обзор литературы и анализ основных выводов, полученных в публикациях по изучению циркуляции вод в западной части Средиземного моря 23
2 Методы исследования и исходные данные 34
2.1 Исходные данные 34
2.2 Методы исследования 39
2.2.1 Преобразование и визуализация данных 39
3 Исследование динамической структуры течений западной части
Средиземного моря, включая зону Гибралтарского пролива 43
3.1 Предварительный анализ и сравнение результатов использования
региональных океанологических оперативных систем «Mediterranean Forecasting System» и «The operational IBI Ocean Analysis and Forecasting system» 43
3.2 Формирование поля скорости течений в верхнем слое моря Альборан
(западная часть Средиземного моря) 49
3.3 Анализ пространственно-временной изменчивости вихревых структур в западной части Средиземного моря, включая зону Гибралтарского пролива
на основе совмещенных полей скорости поверхностных течений и поля уровня 52
3.4 Пространственно-временная изменчивость вихревых структур в западной
части Средиземного моря, включая зону Гибралтарского пролива, с использованием диаграмм Хофмоллера 57
3.5 Диаграммы Хофмоллера для WAG и EAG по данным спутниковой альтиметрии 62
Заключение 64
Список использованных источников 67
Приложения должны быть в работе, но в данный момент отсутствуют
Введение 5
1 Физико-географическое описание Средиземного моря 10
1.1 Географическое положение 10
1.2 Геология 11
1.3 Климат 12
1.4 Циркуляция вод 14
1.5 Водные массы Средиземного моря и районы их формирования 16
1.6 Региональные особенности циркуляции западной части Средиземного моря 18
1.7 Обзор литературы и анализ основных выводов, полученных в публикациях по изучению циркуляции вод в западной части Средиземного моря 23
2 Методы исследования и исходные данные 34
2.1 Исходные данные 34
2.2 Методы исследования 39
2.2.1 Преобразование и визуализация данных 39
3 Исследование динамической структуры течений западной части
Средиземного моря, включая зону Гибралтарского пролива 43
3.1 Предварительный анализ и сравнение результатов использования
региональных океанологических оперативных систем «Mediterranean Forecasting System» и «The operational IBI Ocean Analysis and Forecasting system» 43
3.2 Формирование поля скорости течений в верхнем слое моря Альборан
(западная часть Средиземного моря) 49
3.3 Анализ пространственно-временной изменчивости вихревых структур в западной части Средиземного моря, включая зону Гибралтарского пролива
на основе совмещенных полей скорости поверхностных течений и поля уровня 52
3.4 Пространственно-временная изменчивость вихревых структур в западной
части Средиземного моря, включая зону Гибралтарского пролива, с использованием диаграмм Хофмоллера 57
3.5 Диаграммы Хофмоллера для WAG и EAG по данным спутниковой альтиметрии 62
Заключение 64
Список использованных источников 67
Приложения должны быть в работе, но в данный момент отсутствуют
Средиземное море и его побережье обладает выгодным географическим положением. Море является связующим звеном между странами Африки, Азии и Европы в экономической, политической и социо¬культурной сферах. Другими словами, море обладает важным стратегическим значением. Через Суэцкий канал осуществляется транспортировка нефти и нефтепродуктов из стран Персидского залива и Аравийского полуострова. Гибралтарский пролив, наряду с проливами Босфор и Дарданеллы, занимают исключительное место в морских перевозках. Таким образом, Средиземное море - это важный транспортный путь не только для стран, которые находятся на его побережье, но и для стран, находящимися далеко за пределами Средиземноморья, ведь через Гибралтарский пролив и Суэцкий канал осуществляется связь между Северной Атлантикой и Индийским океаном.
Западная часть Средиземного моря (море Альборан), включая зону Гибралтарского пролива подвержена активному использованию как самой акватории, так и прибрежной территории в различных видах человеческой деятельности: рекреация и туризм, морской транспорт, рыболовство и аквакультура. Все эти виды морской деятельности нуждаются в своевременном и оперативном получении регулярных данных о состоянии окружающей среды, об изменчивости гидрометеорологических характеристик, в частности, океанологических, происходящих в прибрежной зоне Средиземного моря под влиянием процессов с различным временным масштабом изменчивости. Этим занимается оперативная океанография, которая является одним из инструментов комплексного управления прибрежными зонами.
Исследование динамических процессов в океане является сложным процессов, требующим развития теории в сочетании с получением обширного объема данных. Динамика течений - сложный процесс, который требует наличия правильного выбора данных, подлежащих исследованию. Существует две возможности для получения данных, которые можно применить для исследования данного процесса: первый вариант - использование натурных наблюдений. Однако, в настоящее время получение данных натурных наблюдений является проблематичной и достаточно дорогой процедурой. Зачастую, набор данных неполный, содержит пропуски во временных рядах, а так же, в ряде случаев, имеет ограниченный доступ. Второй вариант - использование данных региональных океанологических оперативных систем. Для данного района существуют две оперативные океанологические системы «Mediterranean Forecasting System» (MS) и «The operational IBI Ocean Analysis and Forecasting system» (IBI). Поэтому, в рамках данной работы появляется вопрос, о выборе наилучшей системы для исследования динамики течений.
Объединяя все вышесказанное, получается, что необходимо использовать достоверные, проверенные оперативные гидрометеорологические данные, которые в дальнейшем могут быть исследованы и проанализированы в рамках данной работы. Учитывая значительный интерес к развитию систем оперативной океанологии в России и за рубежом появляется необходимость решения не только теоретических вопросов, но и решения методической задачи, связанной с анализом сопоставимости данных, получаемых при использовании различных оперативных систем, что делает выполненные исследования актуальной задачей, направленной на развитие этого перспективного направления в океанологии.
Научная новизна исследования. Исследованиями процессов, происходящих в Средиземном море, начиная с 60х годов, преимущественно занимались иностранные исследователи. В наши дни существуют только небольшое количество совместных публикаций российских и зарубежных ученых, а публикации на русском языке практически отсутствуют. Поэтому исследование динамики течений западной части Средиземного моря, включая зону Гибралтарского пролива может быть полезными для отечественной океанологии. К тому же, методы и алгоритмы, применяемые в данной работе, могут быть использованы в работах, изучающие подобные процессы, но в других регионах. Кроме того, следует отметить, что представленные в работе результаты исследований основываются на самых современных данных за период 2018 года и пока не имеют аналогов в литературе.
В данной работе объектом исследования является западная часть Средиземного моря (море Альборан), включая зону Гибралтарского пролива. Влияние пролива на формирование океанологических особенностей в исследуемом регионе велико: здесь происходит водообмен, который состоит из двух слоев, между атлантическими и средиземноморскими водами. Нижний слой состоит из соленых и плотных средиземноморских вод, а верхний, поверхностный, состоит из распресненных вод Атлантики [1]. Интенсивность водообмена через пролив в поверхностном слое моря Альборан может оказывать влияния на формирование и изменение характера циркуляции в верхнем слое моря Альборан [3,4]. Циркуляция в западной части Средиземного моря представлена двумя состояниями. Для первого характерно наличие западного и восточного вихря (WAG - Western Alboran Gyre, EAG - Eastern Alboran Gyre), а для второго отмечается наличие лишь одного вихря [4].
Предмет исследования - схемы циркуляции в поверхностном слое моря Альборан и Гибралтаре по данным двух оперативных систем
Цель работы - изучение динамической структуры течений в западной части Средиземного моря, включая зону Гибралтарского пролива с учетом исследование возможности применения данных двух оперативных систем «Mediterranean Forecasting System» (MS) и «The operational IBI Ocean Analysis and Forecasting system» (IBI) и выбор наилучшего массива данных,
для дальнейшего его использования.
Для достижения поставленной цели необходимо было выполнить следующие задачи:
1. Выполнить обзор литературы и анализ основных выводов, полученных в публикациях по изучению циркуляции вод в западной части Средиземного моря
2. Провести предварительный анализ и сравнение результатов использования региональных океанологических оперативных систем «Mediterranean Forecasting System» и «The operational IBI Ocean Analysis and Forecasting system»
3. Проанализировать формирование поля скорости течений в верхнем слое моря Альборан (западная часть Средиземного моря)
4. Провести анализ пространственно-временной изменчивости вихревых структур в западной части Средиземного моря, включая зону Гибралтарского пролива на основе совмещенных полей скорости поверхностных течений и поля уровня.
5. Изучить пространственно-временную изменчивость вихревых структур в западной части Средиземного моря, включая зону Гибралтарского пролива, с использованием диаграмм Хофмоллера
Завершающая часть исследований, выполненных в рамках подготовки выпускной квалификационной работы, проводилась в период прохождения стажировки на Факультете морских наук и охраны окружающей среды Университета Кадиса (Испания), организованной в рамках реализации Европейской программы Эразмус + КА 107. В ходе подготовки данной научной работы со стороны Факультета морских наук был обеспечен доступ к вычислительным ресурсам УКА, проведены консультации, предоставлены дополнительные материалы. В связи с этим автор выпускной работы выражает глубокую благодарность преподавателю кафедры прикладной физики УКА Альфредо Искуиердо Гонсалез за содействие и помощь при выполнении исследований.
Западная часть Средиземного моря (море Альборан), включая зону Гибралтарского пролива подвержена активному использованию как самой акватории, так и прибрежной территории в различных видах человеческой деятельности: рекреация и туризм, морской транспорт, рыболовство и аквакультура. Все эти виды морской деятельности нуждаются в своевременном и оперативном получении регулярных данных о состоянии окружающей среды, об изменчивости гидрометеорологических характеристик, в частности, океанологических, происходящих в прибрежной зоне Средиземного моря под влиянием процессов с различным временным масштабом изменчивости. Этим занимается оперативная океанография, которая является одним из инструментов комплексного управления прибрежными зонами.
Исследование динамических процессов в океане является сложным процессов, требующим развития теории в сочетании с получением обширного объема данных. Динамика течений - сложный процесс, который требует наличия правильного выбора данных, подлежащих исследованию. Существует две возможности для получения данных, которые можно применить для исследования данного процесса: первый вариант - использование натурных наблюдений. Однако, в настоящее время получение данных натурных наблюдений является проблематичной и достаточно дорогой процедурой. Зачастую, набор данных неполный, содержит пропуски во временных рядах, а так же, в ряде случаев, имеет ограниченный доступ. Второй вариант - использование данных региональных океанологических оперативных систем. Для данного района существуют две оперативные океанологические системы «Mediterranean Forecasting System» (MS) и «The operational IBI Ocean Analysis and Forecasting system» (IBI). Поэтому, в рамках данной работы появляется вопрос, о выборе наилучшей системы для исследования динамики течений.
Объединяя все вышесказанное, получается, что необходимо использовать достоверные, проверенные оперативные гидрометеорологические данные, которые в дальнейшем могут быть исследованы и проанализированы в рамках данной работы. Учитывая значительный интерес к развитию систем оперативной океанологии в России и за рубежом появляется необходимость решения не только теоретических вопросов, но и решения методической задачи, связанной с анализом сопоставимости данных, получаемых при использовании различных оперативных систем, что делает выполненные исследования актуальной задачей, направленной на развитие этого перспективного направления в океанологии.
Научная новизна исследования. Исследованиями процессов, происходящих в Средиземном море, начиная с 60х годов, преимущественно занимались иностранные исследователи. В наши дни существуют только небольшое количество совместных публикаций российских и зарубежных ученых, а публикации на русском языке практически отсутствуют. Поэтому исследование динамики течений западной части Средиземного моря, включая зону Гибралтарского пролива может быть полезными для отечественной океанологии. К тому же, методы и алгоритмы, применяемые в данной работе, могут быть использованы в работах, изучающие подобные процессы, но в других регионах. Кроме того, следует отметить, что представленные в работе результаты исследований основываются на самых современных данных за период 2018 года и пока не имеют аналогов в литературе.
В данной работе объектом исследования является западная часть Средиземного моря (море Альборан), включая зону Гибралтарского пролива. Влияние пролива на формирование океанологических особенностей в исследуемом регионе велико: здесь происходит водообмен, который состоит из двух слоев, между атлантическими и средиземноморскими водами. Нижний слой состоит из соленых и плотных средиземноморских вод, а верхний, поверхностный, состоит из распресненных вод Атлантики [1]. Интенсивность водообмена через пролив в поверхностном слое моря Альборан может оказывать влияния на формирование и изменение характера циркуляции в верхнем слое моря Альборан [3,4]. Циркуляция в западной части Средиземного моря представлена двумя состояниями. Для первого характерно наличие западного и восточного вихря (WAG - Western Alboran Gyre, EAG - Eastern Alboran Gyre), а для второго отмечается наличие лишь одного вихря [4].
Предмет исследования - схемы циркуляции в поверхностном слое моря Альборан и Гибралтаре по данным двух оперативных систем
Цель работы - изучение динамической структуры течений в западной части Средиземного моря, включая зону Гибралтарского пролива с учетом исследование возможности применения данных двух оперативных систем «Mediterranean Forecasting System» (MS) и «The operational IBI Ocean Analysis and Forecasting system» (IBI) и выбор наилучшего массива данных,
для дальнейшего его использования.
Для достижения поставленной цели необходимо было выполнить следующие задачи:
1. Выполнить обзор литературы и анализ основных выводов, полученных в публикациях по изучению циркуляции вод в западной части Средиземного моря
2. Провести предварительный анализ и сравнение результатов использования региональных океанологических оперативных систем «Mediterranean Forecasting System» и «The operational IBI Ocean Analysis and Forecasting system»
3. Проанализировать формирование поля скорости течений в верхнем слое моря Альборан (западная часть Средиземного моря)
4. Провести анализ пространственно-временной изменчивости вихревых структур в западной части Средиземного моря, включая зону Гибралтарского пролива на основе совмещенных полей скорости поверхностных течений и поля уровня.
5. Изучить пространственно-временную изменчивость вихревых структур в западной части Средиземного моря, включая зону Гибралтарского пролива, с использованием диаграмм Хофмоллера
Завершающая часть исследований, выполненных в рамках подготовки выпускной квалификационной работы, проводилась в период прохождения стажировки на Факультете морских наук и охраны окружающей среды Университета Кадиса (Испания), организованной в рамках реализации Европейской программы Эразмус + КА 107. В ходе подготовки данной научной работы со стороны Факультета морских наук был обеспечен доступ к вычислительным ресурсам УКА, проведены консультации, предоставлены дополнительные материалы. В связи с этим автор выпускной работы выражает глубокую благодарность преподавателю кафедры прикладной физики УКА Альфредо Искуиердо Гонсалез за содействие и помощь при выполнении исследований.
На основе проведенного исследования можно сделать следующие выводы:
1. Проведен литературный обзор имеющихся статей и публикаций по исследованиям процессов циркуляции вод в западной части Средиземного моря. На основании этого обзора был получен ряд обобщающих выводов, которые формируют общее представление об особенностях циркуляции в исследуемом регионе:
— В море Алборан наблюдается и годовая и межгодовая изменчивость циркуляции и связана она с Атлантическим потоком через Гибралтарский пролив.
— Проявляется изменчивость циркуляции во времени: как при сезонных, так и на более коротких временных масштабах.
— Метеорологический форсинг, в частности, направление и интенсивность ветра над Гибралтарским проливом, а также атмосферное давление над Средиземным морем, оказывает влияние на присутствие или отсутствие двухвихревой системы циркуляции в море Альборан.
2. При предварительном анализе и сравнении внутригодовой изменчивости среднего по площади уровня, полученного с использованием региональных океанологических оперативных систем «Mediterranean Forecasting System» и «The operational IBI Ocean Analysis and Forecasting system» было выявлено, что, в целом, модели правильно воспроизводят основные черты сезонного изменения уровня.. Однако, между результатами, полученных с помощью разных моделей, имеются очевидные различия. Сглаживание рядов путем проведения процедуры скользящего среднего улучшило совпадение. Более того, было выдвинуто предположение о том, что модель MS позволяет воспроизводить процессы мезомасштабного характера, тогда как модель IBI более подходит для воспроизведения процессов сезонной и межгодовой изменчивости.
3. При анализе формирования поля скорости течений в верхнем слое моря Альборан (западная часть Средиземного моря) выяснилось, что непосредственное (влекущее) воздействие ветра слабо влияет на формирование вихрей. Однако опосредованная роль ветрового воздействия, связанная с изменением притока атлантической воды через Гибралтарский пролив и, как следствие, усиление или ослабление бароклинности является весьма существенной.
4. По данным 2018 года впервые проанализирована пространственно-временная изменчивость вихревых структур в западной части Средиземного моря, включая зону Гибралтарского пролива на основе совмещенных полей скорости поверхностных течений и поля уровня. На этом этапе был предложен механизм формирования завихренности поля скорости поверхностного течения в море Альборан. Интенсивность западного антициклонического вихря будет определяться интенсивность поступления атлантической воды. При ослаблении Атлантическая струя будет отклоняться к югу, способствуя формированию WAG и усилению циклонической циркуляции, которая в свою очередь будет вытеснять восточный антициклонический вихрь. При усилении Атлантической струи, она будет отклоняться к северу, приводить к смещению циклонического вихря к побережью Испании, тем самым уменьшая его интенсивность, что будет способствовать формированию и сохранению на некоторое время восточного антициклонического вихря.
5. При сравнении диаграмм Хофмоллера для модельных данных о рельефе свободной поверхности SHH с данными абсолютной динамической топографии ADB, при совпадении общих тенденций, отмечены некоторые различия. Совпадение между натурными спутниковыми данными и данными IBI оказалось лучше по сравнению с данными системы MS. Модельные данные IBI достаточно хорошо совпадают с наблюдениям.
В результате, можно сделать вывод, что данные полученные с помощью различных систем оперативной океанографии могут быть использованы для анализа динамической структуры поверхностных течений в море Альборан. Полученные результаты соответствуют натурным условиям и позволяют проследить динамику вихреобразования и пространственно-временную изменчивость поля скорости в поверхностном слое моря Альборан. Причем при анализе некоторое предпочтение следует отдавать выводам, полученным с помощью гидродинамической модели, используемой в оперативной системе IBI.
1. Проведен литературный обзор имеющихся статей и публикаций по исследованиям процессов циркуляции вод в западной части Средиземного моря. На основании этого обзора был получен ряд обобщающих выводов, которые формируют общее представление об особенностях циркуляции в исследуемом регионе:
— В море Алборан наблюдается и годовая и межгодовая изменчивость циркуляции и связана она с Атлантическим потоком через Гибралтарский пролив.
— Проявляется изменчивость циркуляции во времени: как при сезонных, так и на более коротких временных масштабах.
— Метеорологический форсинг, в частности, направление и интенсивность ветра над Гибралтарским проливом, а также атмосферное давление над Средиземным морем, оказывает влияние на присутствие или отсутствие двухвихревой системы циркуляции в море Альборан.
2. При предварительном анализе и сравнении внутригодовой изменчивости среднего по площади уровня, полученного с использованием региональных океанологических оперативных систем «Mediterranean Forecasting System» и «The operational IBI Ocean Analysis and Forecasting system» было выявлено, что, в целом, модели правильно воспроизводят основные черты сезонного изменения уровня.. Однако, между результатами, полученных с помощью разных моделей, имеются очевидные различия. Сглаживание рядов путем проведения процедуры скользящего среднего улучшило совпадение. Более того, было выдвинуто предположение о том, что модель MS позволяет воспроизводить процессы мезомасштабного характера, тогда как модель IBI более подходит для воспроизведения процессов сезонной и межгодовой изменчивости.
3. При анализе формирования поля скорости течений в верхнем слое моря Альборан (западная часть Средиземного моря) выяснилось, что непосредственное (влекущее) воздействие ветра слабо влияет на формирование вихрей. Однако опосредованная роль ветрового воздействия, связанная с изменением притока атлантической воды через Гибралтарский пролив и, как следствие, усиление или ослабление бароклинности является весьма существенной.
4. По данным 2018 года впервые проанализирована пространственно-временная изменчивость вихревых структур в западной части Средиземного моря, включая зону Гибралтарского пролива на основе совмещенных полей скорости поверхностных течений и поля уровня. На этом этапе был предложен механизм формирования завихренности поля скорости поверхностного течения в море Альборан. Интенсивность западного антициклонического вихря будет определяться интенсивность поступления атлантической воды. При ослаблении Атлантическая струя будет отклоняться к югу, способствуя формированию WAG и усилению циклонической циркуляции, которая в свою очередь будет вытеснять восточный антициклонический вихрь. При усилении Атлантической струи, она будет отклоняться к северу, приводить к смещению циклонического вихря к побережью Испании, тем самым уменьшая его интенсивность, что будет способствовать формированию и сохранению на некоторое время восточного антициклонического вихря.
5. При сравнении диаграмм Хофмоллера для модельных данных о рельефе свободной поверхности SHH с данными абсолютной динамической топографии ADB, при совпадении общих тенденций, отмечены некоторые различия. Совпадение между натурными спутниковыми данными и данными IBI оказалось лучше по сравнению с данными системы MS. Модельные данные IBI достаточно хорошо совпадают с наблюдениям.
В результате, можно сделать вывод, что данные полученные с помощью различных систем оперативной океанографии могут быть использованы для анализа динамической структуры поверхностных течений в море Альборан. Полученные результаты соответствуют натурным условиям и позволяют проследить динамику вихреобразования и пространственно-временную изменчивость поля скорости в поверхностном слое моря Альборан. Причем при анализе некоторое предпочтение следует отдавать выводам, полученным с помощью гидродинамической модели, используемой в оперативной системе IBI.