WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 12 |

МИНИСТЕРСТВО ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ И ЭКОЛОГИИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ

И МОНИТОРИНГУ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

ГУ «ГОСУДАРСТВЕНЫЙ ОКЕАНОГРАФИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. Н.Н. Зубова»

Санкт-Петербургское отделение

____________________________________________________________________

На правах рукописи

УДК: (551.326.14+551.465.71)(268.52)

Захарчук Евгений Александрович

СИНОПТИЧЕСКАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ УРОВНЯ И ТЕЧЕНИЙ В МОРЯХ, ОМЫВАЮЩИХ СЕВЕРО-ЗАПАДНОЕ И АРКТИЧЕСКОЕ ПОБЕРЕЖЬЯ РОССИИ

Специальность 25. 00. 28 - океанология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора географических наук

Санкт-Петербург - 2009 г.

Работа выполнена в Санкт-Петербургском отделении Государственного Океанографического института им. Н.Н. Зубова (СПО ГУ «ГОИН») Росгидромета

Научный консультант: з.д.н., д. г. н., проф. В. Р. Фукс

Официальные оппоненты:

Член корреспондент РАН, доктор географических наук, профессор Н.Н. Филатов;

Доктор географических наук, профессор Н. П. Смирнов;

Доктор географических наук, профессор В. В. Денисов.

Ведущая организация: Арктический и антарктический научно-исследовательский институт

Защита состоится «____» 2009 г. в _____ часов на заседании диссертационного совета Д 212.197.02 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук при Российском государственном гидрометеорологическом университете по адресу: 195196, г. Санкт-Петербург, Малоохтинский проспект, д. 98.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного гидрометеорологического университета

Автореферат разослан «_______» 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Кандидат географических наук В. Н. Воробьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Под синоптической изменчивостью в океанологии принято понимать неоднородности в океанологических полях, имеющие характерные временные и пространственные масштабы от нескольких суток до месяцев и от десятков до тысяч километров, соответственно (Монин, 1972; Каменкович и др., 1987; Лаппо и Гулев, 1989).

Силы, вызывающие возмущения синоптического масштаба в полях уровня моря и течений известны, это силы тангенциального напряжения ветра, горизонтального градиента атмосферного давления, приливообразующие силы и потоки плавучести. Под действием этих сил в синоптическом диапазоне частот генерируются разнообразные физические процессы, которые в той или иной мере находят отражения в колебаниях течений и уровня. За последние десятилетия теоретические и эмпирические исследования показали, что процессы синоптического масштаба в океанах и морях отличаются большим разнообразием и вносят определяющий вклад в энергию движения морских вод (Loguet-Higgins, 1968; Тареев, 1974; Mysak et al, 1979; Коротаев, 1988; Козлов, 1983; Ефимов и др., 1985; Каменкович и др., 1987; Белоненко и др., 2004).

Особенности низкочастотной динамики вод морей, омывающих северо-западное и арктическое побережья России (Балтийского, Белого, Баренцева, Карского, Лаптевых, Восточно-Сибирского и Чукотского) определяются совокупностью целого ряда гидрометеорологических процессов. Прохождение над акваторией морей атмосферных циклонов и антициклонов приводит к формированию в синоптическом диапазоне частот систем ветровых течений, переносящих огромные массы воды в сторону берега (или от него), что в прибрежной зоне может приводить к формированию интенсивных сгонно-нагонных колебаний уровня, иногда катастрофического масштаба (Мустафин, 1961; Пясковский и Померанец,1982).

В шельфовых областях океана образуются различные виды захваченных низкочастотных волн, типа волн Кельвина и шельфовых, которые генерируются или от начальных анемобарических сил или в результате резонанса между атмосферными возмущениями и собственными низкочастотными колебаниями бассейна. По характеру возвращающих сил волны Кельвина относятся к классу гравитационных волн, а шельфовые – к градиентно-вихревым волнам, являющимся следствием принципа сохранения потенциального вихря (Тареев, 1974; Ефимов и др., 1985; Белоненко и др., 2004).

Баротропная и бароклинная неустойчивость квазипостоянных течений может приводить к образованию синоптических вихрей, которые в отличие от волн при своем движении переносят водную массу (Каменкович и др., 1987).

Синоптические вихри возникают также в результате динамической неустойчивости самих низкочастотных волн, и, наоборот, релаксация вихрей может происходить в виде различных мод низкочастотных волновых движений. Так, например, теоретические исследования показывают, что любое начальное локализованное вихревое возмущение одного знака не может оставаться стационарным и начинает излучать в окружающее пространство низкочастотные волны, типа волн Россби (Коротаев, 1988).

Согласно теоретическим и экспериментальным исследованиям, при взаимодействии крупномасштабных течений с неоднородностями донной топографии, в синоптическом диапазоне пространственно-временных масштабов формируются стационарные (захваченные) и свободные топографические вихри, типа столбов Тейлора и конусов Тейлора-Хогга (Козлов, 1983). При этом за препятствием могут генерироваться топографические волны Россби, которые, в зависимости от соотношения скорости фонового течения и фазовой скорости волн, могут, или сноситься вниз по потоку, или преобразовываться в стационарные волны (Россбиевский волновой след) (Козлов, 1983).

В зонах термохалинных и динамических фронтов в морях и океанах могут генерироваться еще несколько типов захваченных низкочастотных волновых движений – фронтальные и сдвиговые волны (Белоненко и др., 2004). Частным случаем сдвиговых волн являются струйные волны (Mc Williams, 1978; Захарчук и Фукс, 1999). Силы, вызывающие эти волновые возмущения, такие же, как и для других видов низкочастотных волн, а волнообразующими механизмами для них служат сдвиговые эффекты в системах квазистационарных течений и горизонтальные градиенты плотности в термохалинных фронтальных зонах.

Суперпозицией и нелинейным взаимодействием перечисленных физических процессов и должна определяться синоптическая изменчивость уровня и течений в морях, омывающих северо-западное и арктическое побережья России. Однако, синоптические возмущения уровня и течений в этих морях остаются недостаточно изученными, хотя все имеющиеся исследования показывают, что связанные с ними процессы вносят значительный вклад в динамику вод.

В начале 20 века Экман (Еkman, 1905) разработал теорию дрейфовых течений и теоретически описал механизм генерации сгонно-нагонных колебаний уровня моря под действием сил Кориолиса и тангенциального напряжения ветра.

Долгое время после этого динамика вод в синоптическом диапазоне пространственно-временных масштабов в шельфовых морях России связывалась с ветровыми течениями и сгонно-нагонными колебаниями уровня. Исследованию этих процессов в арктических морях России по натурным данным посвящено большое количество работ (например: Корт, 1941; Преображенский, 1947; Привальский, 1970; Потанин, 1969, 1971, 1972, 1976; Потанин и Денисов, 1976, 1980; Алексеев,1969, 1972; Топорков, 1970; Алексеев и Мустафин, 1972; Баннов-Байков, 1974; Крутских 1978). Однако, все эти работы связаны с исследованием сгонно-нагонных колебаний уровня моря с периодами, в основном, от 2 до 10 суток. Эти колебания уровня по представлениям подавляющего большинства исследователей арктических морей являются самыми интенсивными среди колебаний всего синоптического диапазона и превышают по величине приливные колебания в большинстве береговых пунктов (Корт, 1941; Алексеев,1969; Крутских 1978). Хотя подобный вывод основывался чаще всего на интуитивных взглядах. Специальных сравнительных оценок интенсивности колебаний уровня моря на различных частотах всего синоптического диапазона изменчивости не проводилось, так как сгонно-нагонные колебания уровня моря исследовались по данным, полученным в короткий навигационный период (в основном в июле - сентябре). Такие ряды не позволяют исследовать внутригодовую и межгодовую изменчивость колебаний синоптического масштаба.

Механизмы генерации колебаний уровня синоптического масштаба в морях Сибирского шельфа недостаточно изучены. В работах Г. В.Алексеева (1969, 1972) было показано, что тесная связь между колебаниями уровня моря и различными параметрами ветровых полей (градиента атмосферного давления, среднего ветра над морем и т. д.) постепенно убывает по мере удаления пунктов регистрации уровня на восток от области оценки ветровых полей. Было выявлено, что возмущения уровня синоптического масштаба распространяются на восток в виде вынужденных прогрессивных волн. Делается предположение, что эти волны образуются за счет резонанса между вынуждающими силами и собственными колебаниями бассейна. Однако при этом, изучался только узкий, самый высокочастотный диапазон колебаний уровня синоптического масштаба (1 - 6 суток) и выделенные волны не были идентифицированы.

Попытки в полевых условиях проверить экмановский механизм генерации ветровых течений в Карском и Восточно-Сибирском морях, путем оценки статистических связей между течениями синоптического масштаба, локальным ветром и ветровым полем, привели к отрицательным результатам. Максимальные величины коэффициентов взаимной корреляции между течениями, из которых была исключена приливная составляющая, локальным ветром и ветровым полем были очень низкими (0.11 - 0.43) (Беляков, 1960; Mnchow et al., 1999).

При изучении возмущений течений синоптического масштаба, как правило, отсутствует волновая интерпретация. Не исследованы их пространственные масштабы, не оценен сравнительный вклад ветровых течений, синоптических вихрей и различных типов низкочастотных волн в формирование полей океанологических характеристик арктических и северо-западных морей России. Не проведено сравнение теоретических и эмпирических дисперсионных соотношений различных типов низкочастотных волн. Не исследованы механизмы генерации возмущений уровня моря и течений в диапазоне синоптической изменчивости.

В последнее время резко возрос и качественно изменился поток гидрометеорологической информации, что позволяет провести исследования океанологических процессов синоптического масштаба в океанах и морях на совершенно новом, более представительном уровне. Прежде всего, стали доступны для широкого круга пользователей спутниковые альтиметрические данные об изменчивости уровня моря. Эти данные являются более подробными и в пространстве и во времени по сравнению с традиционной океанографической информацией (судовые съемки и разрезы, полигоны буйковых станций, береговые наблюдения за уровнем моря), что позволяет перейти от изучения изменчивости уровня моря в отдельных, главным образом береговых пунктах, к исследованию ансамблей полей уровня. Кроме того, спутниковые альтиметрические измерения дают возможность рассчитывать по уклонам уровня моря поля градиентных течений. Все это открывает уникальные возможности для организации синоптического океанологического мониторинга. Однако, переход от изучения океанологических процессов в отдельных точках моря к ансамблям полей требует адекватного их статистического описания.

В последние годы качественно изменилась и метеорологическая информация. В настоящее время в рамках международного проекта по реанализу метеорологических данных на основе усвоения натурных измерений в гидродинамических моделях подготовлены и стали доступны для широкого пользования поля ветра и атмосферного давления с достаточно подробным пространственно-временным разрешением. Эти метеорологические данные позволяют более представительно провести численные эксперименты на гидродинамических моделях для исследования механизмов формирования и генерации возмущений синоптического масштаба в океанологических полях за счет атмосферных процессов.

До последнего времени гидродинамическое моделирование изменчивости течений и уровня Балтийского и арктических морей в синоптическом диапазоне масштабов носило односторонний характер. Приоритет отдавался численному моделированию ветровых, термохалинных течений и сгонно-нагонных колебаний уровня моря. За рамками численных экспериментов оставались: собственные низкочастотные колебания морей, баротропная и бароклинная неустойчивость течений, и генерация синоптических вихрей; исследование динамики различных видов низкочастотных волн и механизмов их генерации.

Актуальность диссертационной работы определяется необходимостью решения этих насущных научных и прикладных проблем.

Цель работы – исследование пространственно-временной структуры и механизмов формирования возмущений уровня и течений синоптического масштаба в морях, омывающих северо-западное и арктическое побережья России.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи в региональном приложении:

1. Разработать общую концепцию исследования синоптической изменчивости уровня и течений в шельфовых, частично замкнутых морях.

2. Создать для исследуемых морей информационную базу репрезентативных контактных и спутниковых измерений для изучения колебаний уровня и течений в синоптическом диапазоне пространственно-временных масштабов.

3. Оценить, картировать и описать особенности пространственно-временной изменчивости статистических характеристик колебаний уровня и течений в синоптическом диапазоне масштабов по данным контактных и спутниковых альтиметрических измерений.

4. Выделить низкочастотные волны в полях уровня и течений и описать их характеристики.

5. Произвести сравнительное кинематическое описание синоптических вихрей и низкочастотных волн, и разработать критерии их разделения.

6. Идентифицировать выделенные низкочастотные волны путем сравнения их теоретических и эмпирических дисперсионных соотношений.

7. Оценить статистические связи синоптических возмущений течений в арктических морях с различными метеорологическими характеристиками.

8. Провести численные эксперименты на гидродинамической модели для оценки сравнительного вклада различных процессов и факторов в формирование полей уровня и течений синоптического масштаба в шельфовых, частично замкнутых морях, на примере Балтийского моря.

9. Описать механизмы генерации и формирования синоптических возмущений уровня и течений в морях, омывающих северо-западное и арктическое побережья России.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 12 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»