WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 |   ...   | 6 | 7 || 9 | 10 |   ...   | 12 |

В параграфе 3.4 производится сравнительное кинематическое описание низкочастотных волн и синоптических вихрей. В проблеме синоптической изменчивости океанологических полей дискуссионным остается вопрос о распознавании в этих полях синоптических вихрей и низкочастотных волн. Очевидным кажется основное существенное отличие синоптических вихрей от низкочастотных волн: вихри при своем движении переносят водную массу, и течения в них близки к круговым; в волне же перемещается лишь её форма, а частицы воды совершают движения по эллипсовидным орбитам. Однако, в природных условиях для выявления этих различий и точной идентификации синоптических вихрей и низкочастотных волн требуются продолжительные, подробные, весьма сложные и дорогостоящие инструментальные измерения на полигонах, состоящих из большого количества синхронно работающих заякоренных буйковых станций, с измерителями течений, температуры, солености и других океанологических характеристик, а также одновременные с ними комплексные спутниковые наблюдения. Такие наблюдения имеются пока еще только для единичных районов Мирового океана, таких, например, как тропическая часть Атлантического океана (эксперименты ПОЛИГОН, МОДЕ, ПОЛИМОДЕ) и северо-западная часть Тихого океана (эксперимент МЕГОПОЛИГОН) (Каменкович и др., 1987; Эксперимент «Мегаполигон», 1992).

В морях, омывающих северо-западное и арктическое побережья России, столь представительных экспериментов не проводилось, хотя в ряде работ предпринимались попытки идентификации синоптических вихрей по различным инструментальным измерениям (Элькен, 1981; Aitsam, Elken J., 1982; Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР. Балтийское море. 1992; Беляков и Волков, 1985; Горбунов и Лосев, 1978; Отчет о дрейфе станции «Северный полюс – 31», 1991 г.). Однако идентификация неоднородностей в полях различных океанологических характеристик, как синоптических вихрей, по приведенным в этих работах наблюдениям на наш взгляд недостаточно убедительна. Описанные возмущения в морях, омывающих арктическое и северо-западное побережья России можно интерпретировать в некоторых случаях и как инерционные колебания, внутренние приливные волны или различные виды низкочастотных волн.

Синоптические вихри и градиентно-вихревые волны могут быть описаны одними и теми же гидродинамическими уравнениями, которые в линейном квазигеострофическом приближении приводят к следующим выражениям для составляющих скорости течения на параллель (u) и меридиан (v) (Белоненко и др., 1998; Белоненко и др., 2004):

(3.4.1)

здесь – вертикальное смещение уровня моря; g – ускорение свободного падения; f – параметр Кориолиса.

Для оценки кинематических характеристик вихревых и волновых движений с целью интерпретации экспериментальных данных зададимся простейшими моделями вертикального смещения уровня в вихрях и волнах. Смещение уровня в волновой модели представим в виде зональной волны:

(3.4.2)

здесь А – амплитуда волны; k – волновое число; – частота волны; – параметр затухания, выбранный так, чтобы на границе области захвата волны (ширина 200 км) составляющие скорости уменьшались в два раза. Частота рассчитывалась нами по дисперсионному соотношению для зональных бездивергентных волн Россби:

Вертикальное смещение уровня в вихре представим в виде колоколообразной функции:

(3.4.3)

(A – амплитуда; a и b – параметры ”колокола”).

Фазовую скорость зональной волны и скорость перемещения вихря зададим равными 2 см/с. Длину волны примем равной 200 км. Подставляя (3.4.2) и (3.4.3) попеременно в (3.4.1), рассчитаем поля скорости течений в вихре и волне.

Как и следовало ожидать, в волне доминируют поперечные колебания. Розы векторов скоростей течений в волне на разных расстояниях от оси 0Х представляют собой эллипсы, вытянутые в меридиональном направлении. Векторы скоростей равномерно изменяют направление и величину, совершая полный цикл. При удалении от главной оси роза векторов скоростей пропорционально уменьшается.

В вихре образуется антициклонический круговорот со скоростью течения в центре, равной нулю, с максимальными скоростями на расстоянии 50 км от центра вихря и уменьшением скоростей далее к его периферии. Роза векторов скорости течений в вихре несимметрична. На главной оси зональные составляющие скорости вообще отсутствуют, а при удалении к периферии роза векторов скоростей вытягивается в зональном направлении. При этом изменение направлений скоростей ограничено 180°.

Таким образом, на основе наблюдений за течениями, например с помощью автономных буйковых станций, по характеру пространственно-временной изменчивости можно с достаточной определенностью сделать заключение о доминировании вихревых или волновых движений.

Сравниваются результаты анализа продолжительных измерений течений на плвмаяках и буйковых станциях в Балтийском море и арктических морях, омывающих побережье России, с кинематикой течений в синоптическом вихре и низкочастотной волне. Для этого по годовым рядам среднесуточных значений скорости течений, из которых были предварительно исключены среднее течение, сезонные колебания и долгопериодные приливы, рассчитывались розы течений синоптического масштаба. Результаты показали, что в подавляющем большинстве случаев розы синоптических течений в различных морях близки к симметричным, что не оставляет сомнения в том, что выделенные нами в предыдущем параграфе низкочастотные волновые возмущения действительно имеют волновую, а не вихревую структуру. В качестве исключения можно отметить розу синоптических течений в слое атлантических вод на станции LM-2, работавшей на севере материкового склона моря Лаптевых. Здесь заметна некоторая асимметричность розы течений, что может быть связано с эпизодическим образованием синоптических вихрей. Генерация вихревых образований в этом районе может быть связана, как с неустойчивостью самих низкочастотных волн, так и с неустойчивостью среднего (фонового) течения.

Таким образом, можно утверждать, что анализ временных изменений течений на буйковых станциях может дать в ряде случаев достаточно определенные ответы о вихревой или волновой природе наблюдаемых явлений.

На отсутствие выраженной вихревой структуры в динамических полях арктических морей указывают также результаты анализа данных 200 дрейфующих буев Argos в Баренцевом море, опубликованных в работе (Loeng and Satre, 2001). Местоположение буев определялось со спутника 12-15 раз в сутки. В траекториях движения дрейфующих буев видны довольно многочисленные петлеобразные участки. Однако, при осреднении дрифтерных данных до суток, петлеобразные участки в траекториях дрейфа исчезают. Эти результаты говорят о том, что многочисленные петлеобразные участки в исходных траекториях дрейфа буев Argos связаны не с синоптическими вихрями, а с инерционными или внутренними приливными колебаниями течений и, что, по-видимому, генерация синоптических вихрей в Баренцевом море – довольно редкое явление.

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 В.М., Кошляков М.Н., Монин А.С., 1987; Коняев К.В., Сабинин К.Д., 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, включающая в себя 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.

Итак, сходство вихрей и волн может быть обусловлено тем, что, с одной стороны, динамическая неустойчивость волн может являться источником синоптических вихрей, а с другой, релаксация синоптических вихрей, вероятно, может происходить в виде волн Россби. Кроме того, теоретические исследования показывают, что для двухслойной квазигеострофической модели, учитывающей средний уклон дна, линейная суперпозиция пары низкочастотных волн с одинаковой амплитудой, распространяющихся под углом друг другу, приводит к образованию чередующихся ячеек высокого и низкого давления. Внутри ячеек линии тока замкнуты и близки к эллипсу. Поэтому в месте встречи двух систем волн могут возникать образования, похожие на стационарные синоптические вихри (Ле Блон П., Майсек Л., 1981).

Приведенные результаты говорят о некоторой условности разделения возмущений синоптического масштаба на вихревые и волновые. Однако очевидно, что существуют районы океана и условия, при которых синоптические вихри и градиентно-вихревые волны проявляются в ”чистом виде”. Наш опыт (в том числе результаты анализа экспериментальных данных, приводимые в данной работе) говорит, что энергетическая роль синоптических вихрей в общей динамике исследуемых морей несколько преувеличена.

В четвертой главе произведено сравнение теоретических и эмпирических дисперсионных соотношений низкочастотных волн. В параграфах 3.1 - 3.3 с помощью статистического анализа контактных измерений уровня в береговых пунктах и колебаний течений на полигонах буйковых станций, а также спутниковых альтиметрических измерений уровня были оценены различные характеристики низкочастотных волновых возмущений в морях, омывающих северо-западное и арктическое побережья России. Эти оценки показали, что в синоптическом диапазоне пространственно-временных масштабов волны распространяются в разных направлениях со скоростями от нескольких сантиметров в секунду до нескольких метров в секунду и имеют длины от десятков до тысяч километров. Возникает вопрос: «Что это за волны».

Исследуемые нами арктические моря относятся к разряду окраинных шельфовых морей, а Балтийское – внутриконтинентальных шельфовых. Согласно теоретическим представлениям наличие у морей береговых границ приводит к захвату волновой энергии, связанному с совместным эффектом боковой границы и вращения Земли, проявляющемуся в формировании волн Кельвина, которые относятся к классу гравитационных волн. Волна Кельвина – единственный вид пограничных волн, существующих на частотах, как выше, так и ниже инерционной. Эти волны всегда распространяются против часовой стрелки в Северном полушарии, и почасовой – в Южном. Амплитуда волн Кельвина убывает по экспоненте от берега в сторону открытого моря.

Из-за значительных изменений глубины в зоне шельфа - материкового склона происходит захват энергии градиентно-вихревых волн совместным эффектом неоднородности рельефа дна и вращения Земли, приводящий к формированию топографических волн, частным случаем которых являются шельфовые (Longuet-Higgins, 1968; Mysak et al, 1979; Ле Блон, П., Л. Майсек, 1981; Фукс,1982; Ефимов и др., 1985; Коротаев, 1988; Фукс, 1999; Белоненко и др., 2004). Топографические волны, также как и волны Кельвина, всегда распространяются вдоль изобат против часовой стрелки в Северном полушарии и по часовой – в Южном. Энергия этих волн локализуется только в зоне захвата (например – шельфа) и затухает за её пределами. При этом уменьшение амплитуды топографических волн происходит от зоны малых глубин в сторону их увеличения по затухающей косинусоиде. То есть, эти волны имеют горизонтальную модовую структуру.

Существенная меридиональная протяженность исследуемых нами морей не исключает определенного вклада в динамику их вод совместного эффекта сферичности и вращения Земли ( - эффект), который в низкочастотной области спектра выступает в роли волнообразующего механизма для волн Россби (Rossby, 1939), также относящихся к классу градиентно-вихревых волн. Волны Россби всегда распространяются с западной составляющей фазовой скорости (Ле Блон и Майсек, 1981; Педлоски, 1984).

Можно ожидать также, что значительная замкнутость Балтийского моря и относительная ограниченность арктических морей России, за счет окружающих их архипелагов и островов, а также очень сложной морфометрии береговой линии могут в определённой степени влиять на динамику низкочастотных волновых возмущений.

Теория бездивергентных баротропных волн Россби в замкнутом бассейне изложена в монографиях П. Ле Блона и Л. Майсека (Ле Блон и Майсек, 1981) и Дж. Педлоски (Педлоски, 1984). Ими показано, что в замкнутом бассейне каждая мода волны Россби представляет собой несущую волну, направленную всегда на запад, амплитудно-модулированную в пространстве огибающей из синусоидальных функций. То есть, в замкнутом бассейне каждая мода представляет собой поступательно-стоячую волну с фиксированными и движущимися узловыми линиями, ограничивающими ячейки движения. Каждая ячейка то уменьшается, то увеличивается в размере по мере того, как движущиеся узлы несущей волны приближаются к фиксированным узлам и затем удаляются от них.

На основе вышесказанного можно предположить, что в синоптическом диапазоне пространственно-временных масштабов выделенные нами по различным инструментальным измерениям волновые возмущения в поле уровня и течений должны относиться к классам гравитационных волн Кельвина и (или) топографических волн Россби, на особенность динамики которых определённое влияние может оказывать относительная замкнутость морей.

Для проверки этого предположения произведем идентификацию выделенных нами волновых возмущений в полях уровня моря и течений путем сравнения их эмпирических характеристик с известными теоретическими дисперсионными соотношениями различных типов низкочастотных волн.

Фазовая скорость баротропных волн Кельвина описывается простым соотношением:

=(gH)1/2, (4.1)

где, g - ускорение силы тяжести, H - глубина моря.

Фазовая скорость бароклинных волн Кельвина при двухслойной стратификации океана описывается соотношением:

= [gh( /)] 1/2, (4.2)

где, - средняя плотность морской воды, h - толщина верхнего слоя, - разность плотностей верхнего и нижнего слоев (Carmack and Kulikov, 1998).

Pages:     | 1 |   ...   | 6 | 7 || 9 | 10 |   ...   | 12 |






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