WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

Кириллов Сергей Александрович ТЕРМОХАЛИННЫЕ ИНТРУЗИИ В СЕВЕРНОЙ ЧАСТИ МОРЯ ЛАПТЕВЫХ И ИХ ВКЛАД В ПРОЦЕССЫ ВЕРТИКАЛЬНОГО ТЕПЛО- И СОЛЕОБМЕНА 25.00.28 – океанология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Санкт – Петербург 2007

Работа выполнена в Арктическом и антарктическом научноисследовательском институте

Научный консультант:

Доктор физико-математических наук, профессор Леонид Александрович Тимохов

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук, профессор Лев Николаевич Карлин Доктор физико-математических наук Александр Петрович Макштас

Ведущая организация:

Санкт-Петербургский Государственный Университет

Защита состоится « » 2007 г. в 13 часов на заседании Диссертационного совета Д.327.002.01 при Арктическом и антарктическом научно-исследовательском институте по адресу: 199397, Санкт-Петербург, ул. Беринга, 38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Арктического и антарктического научно-исследовательского института.

Автореферат разослан « _ » _ 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Радионов В.Ф.

2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Интрузионное расслоение является важной особенностью термохалинной структуры вод Арктического бассейна (АБ). К.Н.Федоров справедливо отмечал, что «формирование и растекание интрузионных элементов тонкой термохалинной структуры...» является одним из основных механизмов, ответственных за трансфронтальное перемешивание и перенос тепла и соли через фронтальные разделы на границах водных масс с различными термохалинными характеристиками.

Несмотря на многочисленные попытки математически описать процесс интрузионного расслоения при помощи теории нестабильности, предложенной еще в 1967 г. Штерном, и определить степень влияния термохалинных интрузий на эволюцию водных масс, вопрос о вкладе интрузий в процессы фронтального обмена до сих пор остается открытым.

В первую очередь это связано с отсутствием необходимых пространственных данных натурных измерений, и попытками представить обменные процессы на вертикальных границах интрузий в упрощенном виде. Вопросы формирования и разрушения интрузий в Северном Ледовитом океане и изучение влияния интрузионных структур на тепло- и солеобмен в океане представляют собой актуальную проблему, решение которой имеет большое значение для более полного понимания происходящих в океане изменений и развития моделей циркуляции океана.

Самым значительным источником тепла для Арктического бассейна являются атлантические воды (АВ), поступающие в АБ из Северной Атлантики через пролив Фрама и в виде сильно трансформированной Баренцевоморской ветви в северной части Карского моря. По мере распространения в арктических морях и Арктическом бассейне, АВ постепенно теряют тепло и содержание соли, оказывая значительное влияние на климат Арктики. При этом до настоящего времени вопрос о механизмах, отвечающих за перенос тепла и соли из АВ, остается открытым, а с точки зрения интрузионного обмена практически неосвещенным современной литературой. Существование ледяного покрова и сравнительно небольшая глубина осенне-зимней конвекции создают условия, когда потеря тепла и соли АВ в Арктике может осуществляться только за счет внутренних факторов. К числу последних можно отнести процессы дифференциальной (или двойной) диффузии, которые приводят к различной интенсивности вертикального переноса тепла и соли и способствуют возникновению неоднородностей в поле плотности. Это приводит к появлению горизонтальных градиентов давления, которые, в свою очередь, становятся движущей силой интрузионных процессов. Характерной чертой таких процессов является то, что они протекают за счет высвобождения доступной потенциальной энергии столба жидкости без дополнительного источника энергии. В этой связи развитие методов параметризации потоков тепла и соли при интрузионном расслоении и получение оценок потерь тепла АВ являются актуальными задачами для объяснения и моделирования климата Арктики.

В процессе работы над диссертационным исследованием мы следовали концепции объединения лабораторных и теоретических исследований термохалинных интрузий и данных наблюдений этого феномена в Арктическом бассейне. При этом был выполнен анализ систематических CTD-измерений (conductivity-temperature-depth), а также уникальных записей профилей температуры, солености и скоростей течений, полученных на притопленных буйковых станциях нового поколения в северной части моря Лаптевых. Это позволило улучшить наши представления об особенностях формирования и развития термохалинных интрузий и определить вклад интрузионных структур в процессы тепло- и солеобмена. Поэтому исследования по данной тематике представляются оправданными и актуальными.

Цель диссертационной работы Исследовать основные характеристики интрузионных термохалинных структур в северной части моря Лаптевых и определить интенсивность вертикального и горизонтального тепло- и солеобмена через интрузии.

Для достижения этой цели решались следующие задачи:

1) Определение пространственно-временных характеристик интрузионных образований и выполнение классификации интрузий.

2) Исследование механизмов поддержания и разрушения интрузий.

3) Анализ существующих параметризаций интенсивности обмена в режимах дифференциально-диффузионной неустойчивости жидкости и развитие схем их параметризации.

4) Исследование кросфронтального переноса тепла и соли интрузиями.

5) Расчет суммарных потоков тепла и соли в условиях интрузионного расслоения в районе исследования.

Основные положения, выносимые на защиту 1. Систематизация интрузий в северной части моря Лаптевых.

2. Закономерности изменений термохалинных и динамических характеристик в итрузионных образованиях.

3. Квазистационарность термохалинных интрузий на основании трехлетних измерений в глубоководной части моря Лаптевых.

4. Соотношение, связывающее величину коэффициента фонового вертикального обмена теплом и солью с величиной вертикального и горизонтального (кроссфронтально вдоль интрузии) плотностного соотношения для условий стационарного интрузионного процесса.

5. Оценки интенсивности каскадного переноса тепла через высокоградиентные прослойки интрузий на верхней границе атлантических вод в условиях неизопикничности интрузионного процесса.

6. Оценки теплоотдачи на боковой границе струи атлантических вод при наличие стационарных интрузий.

Научная новизна Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые выполнена систематизация интрузий в северной части моря Лаптевых.

2. Впервые подробно изучена изменчивость термохалинных и динамических характеристик интрузионных образований.

3. Установлена квазистационарность термохалинных интрузий на основании трехлетней серии измерений.

4. Впервые получены оценки потоков тепла и соли в интрузиях и соотношение потоков на боковой границе струи атлантических вод и непосредственно на ее верхней границе.

Практическая значимость работы Диссертационная работа выполнялась в соответствии с плановой тематикой ААНИИ (в рамках тем Российского Фонда Фундаментальных исследований и подпрограммы ФЦП «Исследование природы Мирового океана») и в рамках международного научно-технического сотрудничества по российско-американскому проекту АВЛАП.

Полученные результаты могут быть использованы для оценок интенсивности процессов обмена на вертикальных и боковых границах промежуточной водной массы атлантического происхождения в Арктическом бассейне. Предложенный метод оценивания интенсивности вертикального турбулентного обмена, в основе которого лежит предположение о стационарности тонкой вертикальной структуры в районе исследования, позволяет получать оценки коэффициентов обмена для решения практических задач. В частности, интенсивность вертикального и горизонтального обмена теплом и солью могут быть включены в соответствующие блоки гидродинамических моделей в виде соотношений, предложенных в работе. Это позволит улучшить параметризацию механизмов обмена в существующих моделях и тем самым повысить их прогностическую ценность.

Апробация работы и публикации Основные результаты работы докладывались на итоговой сессии Ученого совета ААНИИ (2002), на семинарах лаборатории гидрологического режима Северного Ледовитого океана отдела океанологии ААНИИ (2004) и Международного Арктического Научного Центра (IARC, Фэрбанкс, 2005), а также на конференции Международной Ассоциации Морских Физических Наук (IAPSO) по вопросам перемешивания в океане (Виктория, 2004) и на 13-ой конференции Американского Геофизического Общества, посвященной исследованию океана (Гонолулу, 2006). Часть результатов получена в рамках работы над проектом «Термический режим придонного слоя моря Лаптевых и эволюция подводной вечной мерзлоты», выполняемого по гранту Российско-германской лаборатории Морских и полярных исследований им.О.Ю.Шмидта. Работа над темой диссертации была также поддержана грантом Всемирного Офиса Морских Исследований (award № 00014-05-14021 of Office of Naval Research Global) в 2005 г. Некоторые полученные в ходе работы над диссертацией результаты опубликованы в ряде статей и тезисов.

По теме диссертации опубликовано 7 научных работ, включая тезисы докладов на международных конференциях.

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы. Общий объем работы составляет 207 страниц, включая рисунков и 9 таблиц. Список литературы составляет 150 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение Во введении сформулированы проблема, ее актуальность, цель и задачи работы, защищаемые положения, практическое значение и апробация.

Глава 1. Интрузионное расслоение Арктического бассейна В первом параграфе приводится краткое физико-географическое описание района исследований, в том числе особенности вертикальной термохалинной структуры вод Арктического бассейна в исследуемом районе. Рассмотрена определяющая роль атлантических вод в тепловом балансе Северного Ледовитого океана. Приводятся оценки различных авторов об интенсивности теплоотдачи на верхней границе атлантических вод.

Во втором параграфе дается обзор факторов, которые являются причиной интрузионного расслоения в областях фронтальных разделов и показано, что механизм дифференциально-диффузионной (ДД) неустойчивости является основной движущей силой термохалинных интрузий за счет высвобождения доступной потенциальной энергии, запасенной в дестабилизирующем вертикальном распределении одной из компонент жидкости. Приведены факты, подтверждающие широкую распространенность термохалинных интрузий в Северном Ледовитом океане, а также основные предположения о местах их начального формирования и развития.

Глава 2. Пространственно-временная изменчивость термохалинных интрузий северной части моря Лаптевых В первом параграфе второй главы дается подробное описание океанографических данных, используемых при выполнении работы. К ним относятся данные CTD-зондирований и ежедневных наблюдений за температурой, соленостью и скоростями течений, полученных при помощи профилемера на трех притопленных буйковых станциях (ПБС) в северной части моря Лаптевых в 2002-2005 гг. Выполнен анализ гидрологических условий, на фоне которых происходят процессы интрузионного расслоения на боковых границах ядра АВ.

Второй параграф посвящен поиску и выделению идентичных интрузий на близлежащих океанографических станциях, а также описанию нового метода исследования пространственной трехмерной структуры термохалинных интрузий, основанного на триангулировании исходной сети океанографических станций.

Применение метода триангуляции позволяет определить пространственную изменчивость основных характеристик интрузионных образований в районе исследования, к числу которых можно отнести значения плотностного соотношения вдоль интрузий, значения вертикального плотностного соотношения на вертикальных границах интрузий, глубины и толщины интрузий и углы наклона последних к горизонтальной плоскости и др. Показано, что пространственная когерентность интрузионных структур уменьшается по мере удаления от основной струи АВ и при приближении к материковому склону, где когерентность полностью исчезает.

В третьем параграфе исследуется временная изменчивость характеристик термохалинных интрузий по результатам годовой записи ежедневных профилей температуры и солености полученным профилемером на ПБС. Совместный анализ интрузионных структур, выделенных по CTD-зондированиям и при помощи профилемера, показал, что интрузии являются квазистационарными объектами и располагаются на изопикнических поверхностях, которые остаются практически неизменными в течение всего трехлетнего периода наблюдений (рис.1).

В четвертом параграфе выполнен анализ тонкоструктурных вертикальных неоднородностей, который позволил выделить два слоя, в каждом из которых тонкоструктурные вариации являются следствием либо преимущественно процессов изопикнической адвекции (нижняя часть ядра АВ), либо следствием процессов вертикального обмена (верхняя и центральная часть ядра).

Глава 3. Механизмы поддержания и разрушения интрузий в северной части моря Лаптевых В первом параграфе дается описание трехмерной структуры термохалинных интрузий из которой следует, что термохалинные интрузии, распространяясь от ядра АВ в сторону материкового склона и открытой части бассейна, поднимаются относительно горизонтальной поверхности, как правило, с увеличением плотности внутри интрузии (рис.2).

Во втором параграфе исследуется процесс разрушения тонкой структуры интрузионного происхождения под действием мезомасштабных внутритермоклинных вихрей. Показано, что только в центральной части наиболее интенсивного из наблюдаемых вихрей (со значениями орбитальных скоростей достигающими 25 см/с), происходит частичное или полное разрушение инверсионных вертикальных термохалинных структур и вырождение последних в строгую ступенчатую. Эти случаи сопровождаются появлением в вертикальных профилях плотности хорошо выраженных инверсий с отрицательными значениями устойчивости при значениях средней плотности кинетической энергии на уровне 8.5 Дж/м3 в области ядра АВ.

.

Pages:     || 2 | 3 |



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

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.