Тема: Изопикнический анализ вод Лофотенской котловины Норвежского моря
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.
📋 Содержание
ГЛАВА 1. ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ИССЛЕДУЕМОГО РАЙОНА 9
1.1. Атлантическая меридиональная термохалинная циркуляция 10
1.2. Лофотенская котловина 13
1.2.1. Течения в Лофотенской котловине 14
1.2.2. Водные массы в Лофотенской котловине 15
1.2.3. Вихревая активность в Лофотенской котловине 16
ГЛАВА 2. РАСЧЁТ БАРОКЛИННОГО РАДИУСА ДЕФОРМАЦИИ РОССБИ 19
3.1. Первый метод. WKB-приближение 20
3.2. Второй метод. Двухслойная модель океана 24
3.3. Проблемы, возникающие при численной оценке бароклинного радиуса деформации
Россби 24
ГЛАВА 3. ИЗОПИКНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ 28
ГЛАВА 4. ОПИСАНИЕ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДАННЫХ 31
ГЛАВА 5. ОСОБЕННОСТИ ПРОВОДИМЫХ РАСЧЁТОВ 33
5.1. Радиус деформации Россби 33
5.2. Изопикнические характеристики и изопикнические поверхности 34
ГЛАВА 6. ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ 36
6.1. Бароклинный радиус деформации Россби 36
6.1.1. Первый метод. WKB-приближение 36
6.1.2. Второй метод. Двухслойная модель океана 38
6.1.3. Сравнение методов 41
6.1.4. Определение необходимого разрешения данных для дальнейшего исследования
изопикнических поверхностей 42
6.2. Изопикнические поверхности 44
6.2.1. Глубины залегания изостерических поверхностей в Лофотенской котловине 44
6.2.2. Распределения термохалинных характеристик на изостерических поверхностях .. 46
6.2.3. Межгодовая изменчивость изостерических поверхностей 47
6.2.4. Сезонная изменчивость изостерических поверхностей 49
6.2.5. Вертикальные разрезы изостерических поверхностей 52
6.2.6. Диапикническое перемешивание и термохалинный парадокс 54
ГЛАВА 7. ВЫВОДЫ 56
7.1. Радиус деформации Россби 56
7.2. Изопикнические поверхности 57
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 59
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ И КОНФЕРЕНЦИЙ 62
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 64
📖 Введение
Форма котловины в виде чаши, большие глубины и монотонное их увеличение к центру приводит к тому, что атлантические воды постепенно заглубляются и заполняют котловину. Orvik (2004) показывает, что сильное заглубление атлантических вод в котловине проявляется невысокими скоростями течений на большей части ее акватории и соответствующим пониженным переносом вод на север. Таким образом, Лофотенская котловина является мощным накопителем атлантических вод. Этим она отличается, например, от Норвежской котловины, которая лишь наполовину заполнена атлантическими водами, так как на западной ее периферии Восточно-Исландское течение приносит в котловину холодные арктические воды.
Заглубление атлантических вод в Лофотенской котловине определяет не только структуру ее водных масс, но и особенности процессов взаимодействия океан-атмосфера. Протекая через транзитные регионы, атлантические воды теряют тепло в атмосферу, перемешиваются с окружающими водными массами, т.е. проходят трансформацию, которая в конце концов приводит к образованию глубинных океанских вод. Gascard и Mork (2008) называют Лофотенскую котловину полигоном, где процессы взаимодействия с атмосферой происходят с особой интенсивностью. При этом в Лофотенской котловине, как и в Норвежской, поступление тепла значительно превышает его потери в атмосферу (Dugstad et al., 2019). Теплые и соленые атлантические воды в Лофотенской котловине занимают обширную область, образуя огромный тепловой резервуар в Норвежском море, где накапливается тепло и соль (см. Belonenko et al., 2020). При взаимодействии поверхности вод с атмосферой часть тепла высвобождается и переходит в атмосферу.
Лофотенская котловина является одним из самых динамически активных регионов Мирового океана и характеризуется локальными максимумами дисперсии уровня океана и кинетической энергии мезомасштабных (синоптических) вихрей (Volkov et al., 2013, 2015). Мезомасштабные вихри, перемещаясь по котловине, переносят тепло и соль вместе с захваченными водами и тем самым значительно влияют на термохалинные свойства вод. Belonenko et al. (2020) оценили латеральное (боковое) перемешивание в Лофотенской
котловине за счет вихревой адвекции, а также количество тепла и соли, переносимые вихрями. Основная причина генерации вихрей - это баротропная и бароклинная неустойчивость Норвежского течения (Isachsen, 2015). Вихри в котловине образуются повсеместно. Они отрываются от течения и в дальнейшем под влиянием топографического P-эффекта дрейфуют в сторону центра в глубоководную часть котловины, образуя несколько основных путей своего движения (Зинченко и др., 2019; Gordeeva et al., 2020). Вихри извлекают из Норвежского течения теплую и солёную атлантические воды и перераспределяют её по всей котловине. Это означает, что значительная часть атлантических вод, приходящих с Норвежским течением, не устремляется прямо к полюсу, а сначала вместе с мезомасшабными вихрями испытывает многочисленные перемещения по котловине, которые можно рассматривать как горизонтальные рециркуляции. В работе (Rossby et al., 2009b) при помощи акустически отслеживаемых поплавков нейтральной плавучести RAFOS проанализированы пути распространения теплых атлантических вод, поступающих в Норвежское море. Выяснилось, что большинство поплавков, настроенных для дрейфа в стрежне течения на глубине около 200 м, завершило дрейф в Лофотенской котловине. Такие эксперименты также свидетельствуют о продолжительном времени пребывания атлантических вод в этом районе.
Зимняя глубокая конвекция в Лофотенской котловине достигает глубин 1000 м (Soiland et al., 2016, Alexeev et al. 2016, Федоров и др., 2019) и наиболее интенсивна в марте (Федоров и др., 2019). Это означает, что атлантические воды проникают на большие глубины в котловине и делают ее основным тепловым резервуаром субарктических морей. Segtnan et al. (2011) подтвердили этот факт на основе численных оценок потоков тепла в регионе.
Есть еще один факт, который способствует увеличению времени пребывания большого объема атлантических водных масс в Лофотенской котловине. Orvik (2004) также установил, что в регионе также существует глубинное противотечение, локализованное в районе хребта Мона и направленное на юго-запад. Позднее Gascard и Mork (2008) при помощи глубоководных буев Арго и RAFOS (900-1500 м) выявили глубинную циклоническую циркуляцию в котловине.
Важнейшей особенностью Лофотенской котловины являются существование в центре наиболее глубоководной ее части квазипостоянного антициклонического Лофотенского вихря. Динамический сигнал вихря прослеживается до самого дна (Volkov et al., 2015), но наиболее ярко он выражен на глубине 300-800 м (Башмачников и др., 2017; Белоненко и др., 2017; Bashmachnikov et al., 2017, 2018). Квазипостоянный антициклонический Лофотенский вихрь представлен линзой теплой соленой воды на интервале глубин 300-1000 м с горизонтальным масштабом около 60-80 км. Yu et al. (2017) по данным измерений глайдеров в период июль 2012 - июль 2015 оценивают радиус ядра вихря 18±4 км, а максимальные орбитальные скорости 50-70 см/с. В работе (Белоненко и др., 2014) указывается наиболее вероятное его расположение в районе, ограниченном 69° - 70°с.ш., 2° - 5 °в.д. Существует различные точки зрения устойчивости Лофотенского вихря, но две из них являются основными. Первая - это обновление вод Лофотенского вихря за счет слияния с другими мезомасштабными антициклонами (Kohl, 2007, Volkov et al., 2015). Вторая - это обновление ядра вихря за счет интенсивной осенне-зимней конвекции (Блошкина, Иванов, 2016; Bashmachnikov и др., 2017), достигающей глубин 1000 м в области расположения ядра вихря (Федоров и др., 2019).
В глубоководной части Лофотенской котловины, как и в Гренландском море, формируется североатлантическая глубинная водная масса (Marshall and Schott, 1999). Она залегает под атлантической водной массой и имеет отрицательную температуру и высокую соленость.
Помимо вихревой адвекции и латерального перемешивания, частицы воды могут перемещаться в котловине из-за неоднородности горизонтальной и вертикальной стратификации. Горизонтальная адвекция частиц без участия внешних сил происходит по изопикническим поверхностям. Изопикнические поверхности дают представление о изопикнической адвекции и перемешивании, а также диапикнических процессах в акватории. Перемещение частиц в стратифицированной жидкости не всегда происходит вдоль изопикнических поверхностей, однако такая тенденция обусловлена законом сохранения потенциальной энергии. Перемещаясь по изопикнам, частицы минимизируют потери энергии из-за сил плавучести.
Rossby et al. (2009a) предложили анализировать скопление тёплых вод при помощи изопикнических поверхностей и продемонстрировали этот подход для Норвежского, Гренландского и Исландского морей (Nordic Seas) морей. В данной работе мы анализируем изменчивость температуры и солёности на четырёх основных изопикнических поверхностях, 6
а также глубины залегания этих поверхностей в Лофотенской котловине. Горизонтальная адвекция в регионе происходит не по горизонтам, а по изопикническим (изостерическим) поверхностям, так как частицы воды при перемещении стремятся к сохранению баланса потенциальной и кинетической энергии. На изопикнической поверхности перемещающаяся частица находится в среде однородной плотности, где сила тяжести скомпенсирована силой плавучести. Поэтому перемещение частиц вдоль изопикнических поверхностей не вызывает нарушения баланса, приводящего к осцилляции частиц. В противном случае нарушается устойчивость стратификации или возникают внутренние волны. При синоптических масштабах изменчивости процессы, связанные с внутренними волнами, нивелируются. Таким образом, изопикнические поверхности характеризуют поверхности, вдоль которых перемещаются частицы воды при отсутствии внешних факторов.
С другой стороны, воздействие внешних факторов, например, охлаждение воды в результате взаимодействия с атмосферой, способствуют изменению термохалинных свойств частиц. В этом случае частицы с измененными свойствами не удовлетворяют характеристикам изопикнической поверхности, на которой частица находилась ранее. Это означает, что частица переходит на другую изопикническую поверхность, и происходит диапикническое перемешивание. Однако, этот процесс также не является чисто механическим перемещением частицы по T/S диаграмме, так как зависимость плотности воды от температуры и солености нелинейная. При диапикническом перемешивании возникают интересные парадоксы, обусловленные нелинейными взаимосвязями. Все эти процессы сопровождают заглубление атлантических вод в котловине. Мезомасштабные процессы в котловине играют значительную роль, поэтому исходные данные, на основе которых строятся изопикнические поверхности, должны иметь необходимое пространственное разрешение. Для этого мы рассчитываем радиус деформации Россби в Лофотенской котловине.
Таким образом, целью работы является исследование изопикнической адвекции и диапикнического перемешивания в Лофотенской котловине.
Указанная цель достигается путем решения следующих задач:
1. Проанализировать структуру водных масс в Лофотенской котловине Норвежского моря;
2. Получить оценки бароклинного радиуса деформации Россби для Лофотенской котловины и сравнить различные подходы;
3. Рассчитать аномалии удельного объёма в Лофотенской котловине;
4. Оценить глубины залегания изостерических поверхностей s41, s31, s21 и s07, а также оценить значения термохалинных характеристик на этих поверхностях.
✅ Заключение
Ежемесячные данные океанического реанализа ARMOR 3D за период 1993 - 2016 гг. и батиметрические данные ETOPO1 позволили получить пространственные и временные оценки изменчивости бароклинного радиуса деформации Россби и сделать следующие выводы:
1. Оценки бароклинного радиуса деформации для Лофотенской котловины по WKB- приближению и по формуле для двухслойной модели океана составляют 7 - 9 км и 2 - 10 км соответственно. При этом более надёжными являются оценки, полученные по WKB-приближению.
2. Сезонные колебания радиуса составляют 1 - 2 км, при этом наибольшие значения радиуса достигаются в тёплое время года (июль-сентябрь), а наименьшие - в холодное (февраль-март).
3. Межгодовая изменчивость радиуса Россби не является ярко выраженной.
4. Сравнение оценок радиуса, полученных по двум методам, показало значительные различия в пространственном распределении величин. Был сделан вывод, что характеристика ВКС не лучшим образом подходит для исследуемой нами области в качестве параметра определения границы между слоями в двухслойной модели океана. Более того, разделение океана на два слоя в целом затруднено в данном регионе из-за глубокой конвекции в Гренландском море. В связи с этим, для расчёта бароклинного радиуса деформации Россби в Скандинавских морях мы рекомендуем использовать первый подход, предложенный Челтоном и основанный на WKB- приближении.
5. В случаях, когда оценки бароклинного радиуса Россби имеют самостоятельное значение и определяются численно, необходимо руководствоваться формулами Гилл (1986) и Chelton et al. (1998), содержащими п в знаменателе (формулы (9) и (12)).
Океанический реанализ GLORYS12V1 за период 1993 - 2018 гг. позволил вычислить аномалию удельного объёма в Лофотенской котловине, вычислить глубину залегания изостерических поверхностей и определить значения термохалинных характеристик на них. Были сделаны следующие выводы:
1. Максимальное заглубление изостерических поверхностей происходит в центре Лофотенской котловины, где наблюдается квазипостоянный Лофотенский вихрь, и прослеживается до глубины 1500-2000 м. При этом поверхности наиболее заглублены в летний и осенний период.
2. Заглубление изостер (6 х 107 > 1) также значительно на континентальном склоне, при этом чем выше расположена поверхность, тем больше угол её наклона. Это связано с проходящей в прибрежной области восточной ветвью Норвежского течения (NwASC), переносящей тёплые и солёные воды. Это заглубление прослеживается до глубин 700 - 750 м.
3. В западной части котловины наблюдается взаимосвязь между наклоном изостер и донной топографии: при резком повышении рельефа, угол наклона изостер также возрастает.
4. На протяжении любой 6-поверхности температура и солёность изменяется слабо. Таким образом, воды в Лофотенской котловине равномерно стратифицированы, не смотря на кажущуюся неоднородность при рассмотрении характеристик в x-y-z координатах.
5. Установлено, что изостерические поверхности в Лофотенской котловине заглубляются в направлении с запада на восток. Это, а также вихревая адвекция, которая происходит в противоположном направлении приводит к увеличению продолжительности нахождения атлантических вод в котловине и усилению ее роли как теплового резервуара в регионе.
6. Изопикническая адвекция и диапикническое перемешивание в Лофотенской котловине играют значительную роль в процессах, определяющих котловину как основной тепловой резервуар субарктических морей.
7. Наиболее тёплые и солёные воды Северо-Атлантического течения на изопикнических поверхностях наблюдаются не на востоке или юге, где протекает само течение, а на северо-западе котловины. При этом чем глубже залегает изопикническая поверхность, тем больше температурный максимум смещается на север. Это связано с диапикнической адвекцией и термохалинным парадоксом: тёплые воды в результате некоторого охлаждения и изменения плотности опускаются на более глубокую изопикническую поверхности, принося с собой тепло на новый горизонт.
Таким образом, циркуляция и донная топография бассейна, наклон изостерических поверхностей, благоприятствующий изопикнической адвекции на юго-восток, вихревая адвекция в противоположном направлении и особенности диапикнического перемешивания определяют значение Лофотенской котловины как мощного теплового резервуара региона.



