Общая площадь Мирового океана – водной оболочки Земли – 361,1 млн км². Это единая система, имеющая свои биологические, химические и физические особенности, благодаря изменению которых в ту или иную сторону океан «живет», изменяется и циркулирует.
Мировой океан – это вода, поэтому все его физические и химические особенности зависят от изменения данной среды.
Вода – это подвижная среда и в природе она всегда находится в постоянном движении. Циркуляция вод в океане происходит по нескольким причинам:
- Циркуляция атмосферы – ветер.
- Движение земли вокруг своей оси.
- Воздействие силы притяжения Луны и Солнца.
Главной причиной движения вод является ветер. Он воздействует на водные массы Мирового океана, вызывает поверхностные течения, а они, в свою очередь, переносят эту массу в разные части океана. Из-за внутреннего трения энергия поступательного движения передается в нижележащие слои, и они тоже начинают движение.
Ветер оказывает влияние только на поверхностный слой воды – до 300 метров от поверхности. И если верхние слои движутся достаточно быстро, то нижние движутся медленно и зависят от рельефа дна.
Если рассматривать Мировой океан как единое целое, то по схеме течений можно увидеть, что они представляют собой два крупных водоворота, которые разделены между собой экватором. В Северном полушарии вода движется по часовой стрелке, в Южном – против. У границ континентов течения могут отклоняться в своем движении. Также скорость течения около западных берегов выше, чем около восточных.
Течения движутся не по прямой линии, а отклоняются в определенную сторону: в Северном полушарии — вправо, а в Южном – в противоположную сторону. Это связано с силой Кориолиса, которая возникает в результате вращения Земли вокруг своей оси.
Вода в океане может подниматься и опускаться. Это связано с притяжением Луны и Солнца, из-за которого возникают приливы и отливы. Их интенсивность меняется в течение определенного промежутка времени.
«Халина» переводится как «соленость». В совокупности соленость и температура воды определяют ее плотность. Вода в Мировом океане циркулирует, течения переносят теплую воду из экваториальных широт в полярные — так теплая вода перемешивается с холодной. В свою очередь, холодные течения переносят воду из полярных широт в экваториальные. Этот процесс происходит непрерывно.
Термохалинная циркуляция протекает на глубине, в нижнем слое течений. В результате данного процесса происходят конвективные движения воды – холодная, более тяжелая вода опускается и движется в сторону тропиков. Таким образом, поверхностные течения движутся в одну сторону, а глубинные – в другую. Так и происходит общая циркуляция Мирового океана.
Поверхностные течения Мирового океана накапливают тепло на экваторе, а при движении в высокие широты постепенно остывают. В низких широтах в результате испарения вода увеличивает свой удельный вес, ее соленость растет. Достигая полярных широт, вода опускается, формируются глубинные течения.
Существует несколько больших течений, например Гольфстрим (теплое), Бразильское (теплое), Канарское (холодное), Лабрадорское (холодное) и другие. Термохалинная циркуляция происходит по одной схеме для всех течений: как теплых, так и холодных.
Одно из самых крупных теплых течений планеты – Гольфстрим. Оно оказывает огромное влияние на климат северной и западной Европы. Течение Гольфстрим несет свои теплые воды к берегам континента, определяет тем самым относительно мягкий климат Европы. Далее вода остывает и опускается, а глубинный поток несет ее к экватору.
Знаменитый незамерзающий порт Мурманск является таковым благодаря течению Гольфстрим. Если рассматривать пятидесятые широты Северного полушария, то можно увидеть, что в западной части (в Канаде) на данной широте достаточно суровый климат, проходит зона тундр, в Восточном же полушарии на аналогичной широте произрастают лиственные леса. Рядом с самим теплым течением возможно даже выращивание пальм, настолько теплый тут климат.
Динамика циркуляции данного течения изменяется в течение года, но влияние Гольфстрима всегда велико.
В районы морей Уэдделла и Норвежского поступает из экваториальных широт вода повышенной солености. В высоких широтах она охлаждается до температуры замерзания. Когда образуется лед, соль в него не входит, вследствие чего нижележащие слои становятся более солеными и плотными. Такая вода называется североатлантической глубинной или антарктической донной.
Термохалинная циркуляция Мирового океана проходит по замкнутой системе.
Таким образом, мы пришли к выводу, что чем больше глубина, тем выше плотность воды. В океане линии постоянной плотности идут практически горизонтально. Вода с разными физико-химическими свойствами намного легче перемешивается по линии постоянной плотности, чем против нее.
Термохалинная циркуляция изучена не достаточно хорошо. Известно, что этот процесс влияет не только на состояние вод Мирового океана, но и косвенно воздействует на климат Земли. Все системы на нашей планете замкнутые, поэтому изменение одних субъединиц ведет к изменению других.
источник
Процессы, происходящие при перемешивании вод в море. Метод интерпретации океанологических наблюдений Т,S-кривых. Смешение двух и трех водных масс. Результат смешения четырех водных масс. Аналитическая геометрия Т,S-кривых, их статистический анализ.
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
При перемешивании вод в море происходит одновременный обмен физическими, химическими и биологическими свойствами. При смешении двух типов вод с различной температурой и соленостью, которые являются главными физическими характеристиками морской воды, очевидно, что результат смешения должен рассматриваться в Т,S-координатах (на Т,S-диаграмме) в общем случае в виде Т,S-соотношенuй (рис. 1).
Каждый тип однородной воды с парой характеристик температуры и солености на Т,S-диаграмме изображается точкой. Построение натурных Т,S -соотношений вод Мирового океана (они называются Т,S-кривые) и их анализ составляют содержание термохалинного анализа (Т,S-анализа) морских вод. Этот анализ позволяет выявить влияние процессов перемешивания на формирование основных водных масс Мирового океана.
Рисунок 1 — Т,S-соотношение и прямая смешения двух водных масс
Т,S-кривую можно построить по данными распределения с глубиной температуры и солености какой-либо океанологической станции. Для этого на Т,S-диаграмму наносятся Т,S-точки по температуре и солености, которые наблюдались на каждом из горизонтов. Подписывая у точек значения глубины соответствующих горизонтов и соединяя эти точки плавной кривой, получим Т,S-кривую океанологической станции.
Метод интерпретации океанологических наблюдений в виде Т,S-кривых был введен Гелланд-Ганзеном (1918) и оказался весьма эффективным средством океанографического анализа. Первые опыты построения Т,S-кривых, предпринятые Гелланд-Ганзеном и другими исследователями, показали, что Т,S-кривые многих океанологических станций, лежащих в одном и том же районе, даже очень большом по площади, зачастую весьма сходны между собой. Именно это обстоятельство позволяет идентифицировать на Т,S-диаграмме водные массы, обладающие вполне определенным сочетанием температуры и солености, а также смеси этих водных масс.
Т,S-кривая по параметру глубины z является самым важным типом Т,S-соотношения вод океана. Для сравнения Т,S,z-кривых между собой строят совокупности кривых (в виде «пучков»- в одной и той же шкале). Кроме того, на Т,S-диаграмме можно оконтурить область, в которую ложатся все Т,S-кривые того или иного района Мирового океана.
Поля Т,S-кривых для всех океанов изображены на обобщенной Т,S-диаграмме Дитриха (1962), воспроизведенной на рис. 2. Рисунок демонстрирует геометрическую интерпретацию термохалинного поля океана. «Образы» водных масс, показанные на этом рисунке, должны быть подвергнуты количественному анализу, в физической основе которого лежат представления о смешении между собой «первоначальных» двух, трех или четырех водных масс, однородных по температуре и солености.
Рисунок 2 — Обобщенные Т,S-соотношения водных масс Мирового океана (Дитрих, 1962)
Помимо глубины z, в качестве параметра на Т,S-кривых могут выступать и другие величины, например, время t, расстояние по горизонтали х, повторяемость n.
В частности, Т,S, t-кривые характеризуют либо изменение температуры и солености в какой-либо точке океана за счет периодических процессов, либо их изменение в процессе трансформации на каком-нибудь горизонте. Т,S-соотношения по параметру n представляют основу для объемного статистического Т,S-анализа.
2. Смешение двух и трех водных масс
Наиболее общим случаем смешения водных масс в реальных условиях Мирового океана является вертикальное перемешивание двух, трех и четырех наложенных друг на друга водных масс.
Обратимся к вопросу о смешении двух и трех водных масс, важному для понимания аналитической теории Т,S,z-кривых.
Рассмотрим две однородные водные массы А и В; пусть температура и соленость водной массы А равны Т1 S1, водной массы В — Т2 S2. На Т,S-диаграмме эти водные массы будут определяться соответствующими Т,S-точками (рис.2).
В океанологии Т,S-точки, соответствующие однородным водным массам, называются термохалинными индексами.
Рассмотрим вопрос о смешении между собой этих двух водных масс и об определении температуры и солености результирующей смеси.
Результат полного смешения водных масс А и В изображается Т,S-точкой М, лежащей на прямой АВ, называемой прямой смешения. Температура и соленость смеси определяются формулами смешения:
где m1 и m2 — пропорции водной массы А и водной массы В.
Результирующая точка М лежит на прямой смешения на расстояниях от точек А и В, пропорциональных m1 и m2.
Точке М соответствует 36% водной массы А и 64% водной массы В, т.е. мы определили в этой точке процентное содержание каждой из двух смешивающихся водных масс.
Так обстоит дело в случае полного смешения.
В реальных условиях полного смешения между различными водными массами может не происходить — вследствие того, что помимо процесса смешения, стремящегося выровнять температуру и соленость, в океане происходят процессы, поддерживающие начальные температуру и соленость этих водных масс.
К ним, прежде всего, относятся процессы теплообмена с атмосферой, адвекция (перенос) «первоначальных» водных масс из других районов океана и другие.
Поэтому в стационарном случае водные массы находятся в состоянии непрерывного частичного смешения, а их Т,S-характеристики в разных точках одной вертикали определяются на прямой смешения.
Прямая смешения, таким образом, в рассмотренном частном случае смешения двух водных масс является Т,S-прямой, т.е. частным случаем Т,S-кривой.
Рассмотрим случай смешения трех однородных водных масс A, B и C, имеющих температуру и соленость Т1S1, Т2S2, Т3S3 соответственно. На Т,S-диаграмме (рис. 3) индексы этих трех водных масс, если они не лежат на одной прямой, образуют треугольник смешения.
Продукт полного смешения трех водных масс будет иметь температуру и соленость, определяемые формулами смешения:
где m1, m2 и m3 пропорции водной массы А, водной массы В и водной массы С, участвующих в смешении.
Результат полного смешения трех водных масс будет изображаться Т,S-точкой М, лежащей внутри треугольника смешения. Зная положение результирующей Т,S-точки в пределах треугольника смешения, можно определить содержание каждой из водных масс в смеси.
Для удобства графического определения процентного соотношения каждой из водных масс в смеси строится соответствующая процентная номограмма. Так, например, точке М на рис. 30 соответствует 10% воды А, 60% воды В и 30% воды С.
В Мировом океане широко распространены промежуточные водные массы, характеризующиеся либо экстремумом солености (средиземноморская промежуточная водная масса в Атлантическом океане, красноморская водная масса в Индийском океане), либо экстремумом температуры (атлантическая теплая прослойка в Северном Ледовитом океане).
Поэтому при анализе перемешивания трех водных масс и выяснения их процентного содержания, Т,S-кривая, укладывающаяся в пределах треугольника смешения, своим экстремумом будет указывать на промежуточную водную массу, а ее концевые ветви будут принадлежать термохалинным индексам поверхностной и глубинной водным массам.
Такой тип Т,S-кривой, указывающий на смешение трех водных масс, характерен для океана и является интересным с точки зрения анализа водных масс.
3. Смешение четырех водных масс
Рассмотрим вопрос о смешении четырех водных масс океана, когда по меньшей мере две из четырех водных масс находятся в процессе горизонтального смешения, и выясним, насколько правомерно построение треугольников смешения для изучения перемешивания более чем трех водных масс.
В этом случае треугольники смешения можно построить на термохалинных индексах как на вершинах таким образом, что они имеют одну общую сторону.
Так, в случае смешения четырех водных масс А, В, С и D можно построить два треугольника, имеющих одну общую сторону BD (рис. 3).
В основе таких построений лежит допущение, что в тех или иных океанографических условиях одна из четырех водных масс принимает — по сравнению с тремя другими — ничтожное участие в процессе взаимного смешения вод.
Остановимся вначале на примере вертикального перемешивания четырех наложенных одна на другую водных масс океана — приповерхностной, двух промежуточных и глубинной (или придонной).
Так, рис. 3 может соответствовать случаю, когда в условиях устойчивой стратификации перемешиваются поверхностная водная масса А, промежуточные водные массы B (верхняя) и D (нижняя) и глубинная вода C. При таком перемешивании возникает типовая Т,S-кривая, изображенная на рисунке жирной линией.
В этом примере две промежуточные водные массы образуют своеобразный стратификационный экран, препятствующий непосредственному вертикальному контакту водной массы А с водной массой С. Смешение вод А, В и D рассматривается независимо от водной массы C, смешение вод B, С и D в свою очередь — независимо от воды А.
Рассмотрим случай, когда между собой смешиваются две поверхностные водные массы А и В и две промежуточные (или глубинные) водные массы С и D.
Типовые Т,S,z-кривые, соответствующие этому варианту, изображены на рис. 33 сплошными жирными линиями — «крайние», а штриховой линией — промежуточная, возникающая в процессе взаимной трансформации первых двух.
В этом случае преобладает вертикальное смешение вод А и D и вод В и С соответственно; это смешение образует структуры AD и ВС. Одновременно имеет место горизонтальное смешение отдельных элементов этих структур, образующее различные промежуточные структуры.
Таким образом, все водные массы находятся в процессе «равноправного» смешения, и выделение треугольников смешения становится неправомерным.
В этом случае необходимо построить четырехугольник смешения ABCD, в качестве вершин которого должны быть взяты термохалинные индексы четырех смешивающихся водных масс, и номограмму их процентного содержания.
Номограмма должна удовлетворять условию, что в любой ее точке сумма частей смешивающихся вод должна составлять 100%.
Это условие выполняется только в том случае, если преполагается, что равные объемы поверхностных вод А и В смешиваются с равными объемами вод С и D; в свою очередь возникшие в результате вертикального перемешивания элементы структур AD и ВС смешиваются в горизонтальном направлении вдоль поверхностей равного их процентного содержания.
Сформулированное ограничение о смешении вод в равных пропорциях с океанографической точки зрения выглядит достоверным: положение поверхностей равного процентного содержания вод, вдоль которых предполагается «горизонтальное» перемешивание близко соответствует положению изопикнических поверхностей, т.е. соблюдается принцип изопикнического перемешивания.
Такой подход, предложенный О.И. Мамаевым, дает возможность построить соответствующую номограмму для определения процентного содержания каждой из четырех смешивающихся водных масс ( рис. 4).
Случай смешения четырех водных масс широко распространен в Мировом океане.
4. Аналитическая геометрия Т,S- кривых
Основой для изучения вертикального перемешивания вод на Т,S-диаграмме является аналитическая теория Т,S-кривых, разработанная В.Б. Штокманом (1943, 1944) и развитая в дальнейшем другими исследователями.
Практическим выходом из аналитической теории Т,S-кривых являются правила, вытекающие из «геометрии Т,S-кривых». Эти правила (теоремы) были предложены Штокманом, и их можно сформулировать следующим образом:
1) границей между двумя водными массами следует считать глубину, на которой процентное содержание, определяемое по прямой смешения, треугольнику или четырехугольнику смешения, составляет 50% для каждой из водных масс;
2) если Т,S-кривая близка к прямой линии, то для ее анализа следует пользоваться прямой смешения. В этом случае термохалинные индексы двух смешивающихся водных масс лежат на концах кривой и соответствуют поверхностной и глубинной водным массам;
3) если Т,S-кривая состоит из двух и более прямых (или почти прямых) участков, сопряженных между собой, то имеются три и более водные массы. Количество водных масс равно количеству экстремумов плюс два;
4) определение Т,S-индексов производится проведением касательных к выпрямленным участкам Т,S-кривых. В этом случае пересечение касательных в области экстремума указывает на Т,S-индекс промежуточной водной массы (водные массы В и С на рис. 4), а концы ветвей Т,S-кривой соответствует приповерхностной и придонной водным массам А и D;
5) для определения границ и процентного содержания водных масс на разных глубинах на Т,S-индексах, как на вершинах, строятся треугольники (треугольники АВС и ВСD на рис. 32) или четырехугольник смешения АВСD (рис. 4),
Рисунок 3 — Графический анализ Т, S-кривой океанологической станции
6) главная медиана треугольника смешения, проведенная из той его вершины, которая соответствует промежуточной водной массе, к середине противолежащей стороны (называемой основанием треугольника смешения), пересекает Т,S-кривую в той точке, где параметр глубины z характеризует положение ядра промежуточной водной массы;
7) побочные медианы треугольника смешения, проведенные из середины основания треугольника смешения к двум другим сторонам, пересекают Т,S-кривую в тех ее точках, где параметр глубины z соответствует границам промежуточной водной массы. Часть Т,S-кривой, заключенная между побочными медианами треугольника смешения, соответствует промежуточной водной массе.
На рис.4 затемненный параллелограмм характеризует область трансформации промежуточной водной массы В, а побочные медианы соответствуют линиям 50% содержания этой водной массы.
Аналитическая геометрия Т,S-кривых В.Б. Штокмана представляет основу для анализа натурных Т,S-кривых. Этот анализ заключается в восстановлении на Т,S-кривых треугольников смешения, определении термохалинных индексов «первоначальных» (материнских) водных масс и границ процентного содержания смешивающихся водных масс.
5. Статистический Т,S- анализ
Если Т,S-диаграмму морских вод, точнее Т,S-плоскостъ, разбить прямоугольной сеткой на клетки (классы) ?ТЧ?S, в каждой из которых нанесено какое-либо значение Т,S-соотношения реальных вод океана, то такая диаграмма носит название статистической Т,S-диаграммы. Числа, попадающие в клетки такой диаграммы представляют значения частоты или вероятности появления значения температуры или солености того или иного класса. Размер клеток-классов ?ТЧ?S определяется достаточностью (репрезентативностью) океанографической информации, если же некоторые клетки-классы окажутся пустыми, это означает, что воды с данными интервалами солености и температуры на исследуемой акватории не встречаются.
Статистический Т,S-анализ был предложен Р. Монтгомери (1955), а его целью является, например, определение объема вод какого-либо бассейна, температура и соленость которых лежат в диапазонах ?Т и ?S, повторяемость наблюдений за температурой и соленостью в одной точке или в пределах определенной акватории в течение какого-либо отрезка времени, попадающих в тот же интервал и т.д.
В качестве примера на рис.5 представлена статистическая Т,S-диаграмма объемов водных масс Восточно-Китайского моря.
Для ее построения все наблюдения за температурой и соленостью были разбиты на классы — каждый класс с интервалом 10С по температуре и 0.2‰ по солености.
источник
Формирование термохалинных аномалий в океанах и морях.
Показано формирование волнами Россби термохалинного поля вод океанов и морей [Бондаренко, Жмур, 2007а, 2007б, 2007в, Бондаренко, 2009а, Бондаренко, 20011в, Бондаренко и др. 2011].
В термохалинном поле океанов и морей часто заметно выделяются аномалии овальной формы. Большинство исследователей считает, что эти аномалии образованы вихрями, или этим аномалиям соответствуют вихри [Каменкович, Кошляков, Монин, 1987]. Зачастую исследователи настолько уверены в этом, что аномалии называют просто вихрями. Некоторые исследователи придерживаются иной точки зрения и считает, что аномалии образованы волнами Россби [Гилл, 1986]. Где же истина? Далее будет дан ответ на этот вопрос.
Вихри в океанах и морях . Под морскими или океанскими вихрями следует понимать вращательные движения как единого целого, некоторой массы воды моря или океана в горизонтальной плоскости вокруг центра масс. Такие движения являются преимущественно собственными с большим временем жизни, потери энергии в вихрях происходят очень медленно. Были зафиксированы в океанах вихри, время жизни которых превышало три года [Richardson, 1991]. Можно допустить, что это вихри, хотя убедительных доказательств этому нет.
Частицы воды в вихрях движутся практически по круговым орбитам с постоянной угловой скоростью, модуль линейной скорости каждой отдельной частицы в вихре постоянен. Если вихрь перемещается в пространстве горизонтально, то частицы воды в вихре будут совершать движения, представляющие сумму движений собственно вихря и его горизонтального перемещения. Разделить эти движения по их измерениям не составляет большой сложности. Дрифтер, помещённый в вихрь, будет “отслеживать” движения частиц воды в вихре и совершать вращательные движения в течение длительного времени.
Примерами таких движений дрифтеров в вихрях, на наш взгляд, могут быть движения, зафиксированные в средине Атлантического океана [Richardson, 1991] и около Гольфстрима (см. рис. 41). Полной уверенности того, что это движения вихря у нас нет, поскольку не измерен модуль скорости и мы не можем убедиться он постоянный, как в вихрях или переменный, как в волнах.
Рис.41. Траектория движения запущенного в циклон Гольфстрима поверхностного буя с парашютом на глубине 200 м с 14 апреля (104-й день) по 26 октября (299-й день) 1977 г.[Richardson et al., 1979].
Совершать вращательные движения дрифтер может и в долгопериодной волне. Но в этом случае вращения будут отличны от вращений в вихрях. Во-первых, радиус этих вращений будет меняться во времени, поскольку амплитуда колебаний волн изменяется во времени, во-вторых, траектория таких движений имеет зачастую форму отличную круговой, в-третьих, угловая и линейная скорость таких вращений не постоянна.
Рис.42. Движение дрифтера в температурной аномалии, принимаемой за циклон Гольфстрима [Каменкович, Кошляков, Монин, 1982].
Примером таких движений, на взгляд автора данной работы, могут быть движения дрифтера в температурной аномалии, принимаемой за циклон Гольфстрима (рис. 42). Мы видим, что дрифтер совершает сложные движения, не похожие на движения в циклоне, и движется в основном не вдоль изотерм, а пересекает их под разными углами, часто близкими к углу 90 0 . Всё это свидетельствует о том, что аномалии не соответствует циклон и течение в ней не геострофическое.
Из информации, приведенной на рис. 43 и 44, видим, что дрифтер в восточной части Чёрного моря совершает вращательные движения, похожие на движения в вихре, но модуль скорости меняется пульсационно во времени и даже иногда равен нулю, что не должно наблюдаться в вихрях. Не может же вихрь останавливаться, а затем набирать скорость. Так движется дрифтер в волне. Итак, по форме траектории движения дрифтера можно судить о том, движется он в вихре или в волне.
Рис. 43.Трасса дрифтера запущенного в воды Чёрного моря. Числа около точек: время движения дрифтера с момента его запуска, в сутках.
Рис. 44. Ход модуля скорости движения дрифтера, трасса которого изображена на предыдущем рисунке.
Принято выделять вихри, наблюдаемые около струйных течений (вихри Гольфстрима, Куросио и т. д.) открытого океана, вихри прибрежных зон океанов, вихри замкнутых морей и вихри над поднятиями дна, банками. Вихри Гольфстрима, Куросио и т. д. часто называют рингами. Вихри открытого океана обычно называют синоптическими вихрями.
О существовании вихрей в океанах или морях ученые обычно судят по термохалинным или температурным аномалиям, но не прямым измерениям движений воды, течений. В настоящее время почти общепринято, что течения в этих предполагаемых вихрях — аномалиях являются геострофическими и их поле плотности находится в режиме геострофического приспособления с полем течений.
Так ли это на самом деле? Являются ли течения в аномалиях геострофическими и соответствуют ли аномалиям вихри? На эти вопросы постараюсь ответить, рассмотрев один эпизод из истории исследований вихрей. В начале семидесятых годов в океанах начали выполняться площадные съёмки термохалинного поля вод. Иногда эти съёмки сопровождались и измерениями течений. В океанах были обнаружены термохалинные аномалии. Анализ термохалинного поля аномалий, а иногда и течений, позволил исследователям предположить, что этим аномалиям соответствуют вихри: циклоны или антициклоны [Каменкович, Кошляков, Монин, 1987]. В этом случае предполагалось, что течения в аномалиях геострофические. Складывалось представление, что аномалии образованы вихрями или как-то связаны с вихрями.
В последующих исследованиях было показано, что это всё же не вихри, а волны Россби [Каменкович, Кошляков, Монин, 1987]. По-прежнему эти образования часто называют синоптическими вихрями. Однако при этом оговариваются, что в отличие от настоящих вихрей они не переносят массы воды и их следует рассматривать с позиции волн Россби. Иногда их называют так: вихри – волны Россби. Давалось простое объяснение образованию этих вихрей — волн. В волнах Россби частицы воды совершают гармонические по форме колебательные движения воды вдоль линии перпендикулярной направлению распространения волны. Поскольку в реальных условиях океана волновое поле сформировано не одной, а несколькими системами волн, направленных под некоторым углом друг к другу, то такое поле волн создаёт суммарное движение воды, напоминающее движение воды в вихрях.
А как быть, если поле волн создано одной системой волн или волны распространяются в одном направлении, например, вдоль Экватора. В подобных ситуациях эти образования чаще называют просто волнами Россби. А как определить, сформировано поле одной системой волн или несколькими? Понятно, что термохалинные аномалии сформированы волнами, но не вихрями. Волны и вихри — это совершенно разные явления и хорошо бы их чётко различать и называть своими именами: волны – волнами, а вихри – вихрями.
Этот пример наводит на размышления: если синоптические вихри оказываются волнами Россби, то не могут ли и другие вихри, из перечисленных выше, оказаться так же долгопериодными волнами? Попытаемся в этом разобраться.
Позже будут приведены исследования, основанные на анализе натурных измерений различных параметров воды, свидетельствующие, что термохалинные аномалии образованы долгопериодными волнами, но не вихрями, вихрей как таковых в рассматриваемых эпизодах нет.
Динамика течений вихрей в свете существующих о них представлений . Легко показать, что термохалинным аномалиям не должны соответствовать вихри. Так, уже отмечалось, что если вода в аномалии более плотная и холодная, то считается, что аномалии соответствует холодный циклон, а если в аномалии вода тёплая и лёгкая – тёплый антициклон.
Тогда в центре циклона уровень воды будет ниже, чем по периферии. И тогда тёплая вода с периферии должна поступать в центр циклона. Учитывая такую динамику циклона невозможно объяснить, почему в циклоне оказывается холодная глубинная вода. Точно так же рассуждая, можно показать, что в антициклон должна поступать холодная вода и невозможно объяснить, почему там тёплая.
Если допустить, что такие аномалии были уже образованы каким-то образом в виде вихрей, то эти вихри будут неустойчивы и должны быстро разрушиться. Предположим что, мы имеем холодную аномалию. Тогда ей должен соответствовать циклон, и внутрь циклона должна поступать теплая вода, которая его уничтожит. Всё так же происходит и в антициклоне. Вместе с тем вихри могут существовать очень долго, как отмечалось, более трёх лет. Наверняка такой дестабилизирующий механизм в них отсутствует.
Всему этому можно дать только одно объяснение: течения в аномалиях не геострофические и им не должны соответствовать вихри.
Примерами таких ложных вихрей – аномалий могут служить холодные аномалии Гольфстрима, принимаемые за холодные циклоны, и теплые аномалии, принимаемые за теплые антициклоны (рис.30) [Каменкович, Кошляков, Монин, 1987]. Из рисунков видно, что в холодный циклон поступает холодная глубинная вода, а в теплый антициклон – тёплая вода с поверхности океана. Хотя, учитывая геострофическую динамику вихрей всё должно происходить наоборот: в циклон должна поступать тёплая вода с поверхности океана, а из антициклона должна выходить холодная глубинная вода.
Рассмотрим результаты исследований поведения течений в различных вихрях — аномалиях.
В одной из работ [Каменкович, Кошляков, Монин 1987] приводится описание вихрей Гольфстрима, а фактически термохалинных аномалий. Рассматривается эпизод, когда вода “протекала через вихрь”, т. е. через термохалинную аномалию. Такой вид движения воды явно не похож на движения воды в вихрях, на что обратили внимание и авторы работы. Они предлагают рассматривать этот вихрь — аномалию с позиции волновых движений, очевидно, что волн Россби. Немного странная трактовка событий: говорить о вихрях, а подразумевать волны, Но с подобным мы уже встречались.
Вместе с тем этот эпизод говорит о следующем очень важном: термохалинной аномалии не соответствует вихрь и течение в этой аномалии не геострофическое и не термохалинное.
На рис. 45а, б, 46а, б, 47а, б приведены трассы двух дрифтеров в Чёрном море, модули скорости течений и температура воды на поверхности. Считается, что прибрежная зона Чёрного моря изобилует вихрями. Но вот мы видим, что дрифтер движется вдоль берега и не совершает каких-либо вихреобразных движений. Можно было бы объяснить эту ситуацию так. Дрифтер всё время находился между вихрями. Хотя, зная реальное распределение плотности воды в море этому трудно поверить. Вместе с тем рассматривая графики хода температуры (рис 49а, б) легко заметить, что дрифтер пересекал температурные аномалии (например, аномалии 1,2,3 и т.д.), предполагаемые вихри. Все это свидетельствует о том, что аномалиям не соответствуют вихри и течения в аномалиях не геострофические.
Обращает на себя внимание пульсирующий характер скорости течения даже при почти прямолинейном движении потока вод, вдоль берега, то, на что в своё время обратил внимание В.Б. Штокман, утверждая не геострофический характер течений во внутренних морях. На рис 45а, б приведены типичные трассы движения дрифтеров в Чёрном море, вдоль берега. Вместе с тем модуль скорости движения дрифтера пульсирует от величин близких нулю до некоторых больших величин (рис.46а, б). Позже будет дано объяснение такого поведения скорости течения. Пульсирующие течения не могут быть геострофическими, поскольку при скоростях течений равных нулю градиент плотности воды в направлении берег – море также должен быть равен нулю. В реальности такого не бывает, всегда плотность воды у берега меньше, чем в удалении, в море. Ранее мы эту проблему обсуждали и показали, что эти течения волновые.
45а, б. Трассы дрифтеров, запущенных в воды Чёрного моря. Числа около точек: время движения дрифтера с момента его запуска, в сутках.
Рис. 46а, б. Ход модуля скорости движения дрифтеров, трассы которых изображены на предыдущем рисунке.
Рис. 47а, б. Температура поверхности моря, измеренная дрифтерами, трассы которых изображены на рис. 45а, б.
Согласно “теоретическим” исследованиям [Зырянов, 2000], над подводными поднятиями крупномасштабные течения могут сформировать вихри. Обычно над поднятиями образуются температурные аномалии: зимой аномалии тёплой воды, а летом – холодной. Эти аномалии рассматриваются исследователями, как теплый антициклон и холодный циклон. Правда, далеко не все так объясняют образование аномалий вихрями [Рогачёв, 2001].
Исследования течений над знаменитой банкой Кашеварова в Охотском море показывают, что течения всегда однонаправлены строго на юг и поэтому не содержат в вихре подобных движений воды, следовательно, и вихрей [Рогачёв, 2001]. Это свидетельствует о том, что вихри над возвышенностями не образуются и аномалиям не соответствуют вихри и, следовательно, течения в них не геострофические.
Мы довольно много привели примеров и обоснований, чтобы сделать вывод: течения в термохалинных аномалиях не геострофические и им, как правило, не соответствуют вихри. В этой ситуации справедливо задать вопрос, а существуют ли вообще в океанах и морях вихри? Скорее всего, да, существуют, с некоторой оговоркой примеры мы приводили ранее, но эти вихри не столь многочисленны, как аномалии, течения в них скорее всего геострофические, в том смысле, что уровень воды приспособлен под течения. Но термогалинное поле не приспособлено под течения в режиме геострофического приспособления, поскольку процесс очень быстрый и поле не успевает приспосабливаться под течения.
Далее мы покажем, что термохалинные аномалии, о которых шла речь, образуются орбитальными движениями частиц воды волн Россби в вертикальной плоскости. Частично это уже обсуждалось в Гл. VI.
Области дивергенции и конвергенции в волнах Россби, формирующие термогалинное поле вод океанов и морей и термогалинные аномалии .
В Гл VI, VII было рассмотрено поведение линий тока в волнах Россби. Показано, что наряду с циркуляцией воды в горизонтальной плоскости в них существуют и циркуляции в вертикальной плоскости, которые создают подъём и опускание вод, соответственно и температурные аномалии на поверхности. Это явления апвеллинга – даунвеллинга. Хорошо знакомы названные аномалии в Чёрном море. Они получены по измерениям температуры воды моря в районе от Новороссийска до Туапсе (рис. 48). Их величина имеет порядок
3-6 о С. Расстояние между аномалиями одинакового знака равно длине волны, которая для данного района моря составляет 100 км.
Такие температурные аномалии, как отмечалось, хорошо прослеживаются при дрифтерных измерениях температуры воды (рис.47а, б). Судя по всему, образуется циркуляция вод не только в вертикальной плоскости, ориентированной в направлении движения волны, но и движение вод за пределами струи на глубине в океане. В результате этого слева от Гольфстрима образуются аномалии теплой воды, принимаемые за циклоны, а справа аномалии холодной воды, принимаемые за антициклоны. Что мы уже обсуждали. Вполне очевидно, что появление аномалий обусловлено прохождением волн Россби. В пользу этого аргумента говорит следующее. Расстояние между этими аномалиями равно длине волны, равной для района Гольфстрима
300 км, а скорость их распространения равна фазовой скорости волны, т. е.
Рис. 48. Распределение температуры поверхности Чёрного моря в северо-восточной его части. Выделяются аномалии температуры,
3-5 0 С [Архипкин и др., 2007] .
В водах Чёрного моря такие движения воды приводят к образованию холодных аномалий в центре моря и подъёму термоклина в прибрежных водах. Это будет изложено в главе XIII.
При прохождении волн через фиксированную точку океана или моря около неё происходит попеременный подъём и опускание воды. Горизонтальная скорость распространения аномалии равна фазовой скорости волны и она, аномалия распространяется вместе с волной. Но это не значит, что масса воды аномалии распространяется вместе с волной в горизонтальном направлении, а значит, что только процесс подъёма и опускания вод распространяется с фазовой скоростью волны. Такие движения воды не являются геострофическими.
По движению аномалий и положению их в пространстве и в целом по термохалинному полю воды можно определить все основные параметры волн: фазовую скорость, длину, период.
Попеременный подъём и опускание вод происходит практически по всему океану или морю. Однако особенно активно аномалии формируются в зонах, близких берегу, в которых термоклин находится ближе к поверхности воды, в экваториальной области океанов, в зонах западных пограничных течений.
Из изложенного понятно, что волны Россби активно участвуют в формировании термохалинного поля океанов и морей и, в частности, термохалинных аномалий. Эти термохалинные аномалии для многих исследователей ошибочно ассоциируются с вихрями. О некоторых закономерностях образования таких аномалий в прибрежных водах будет изложено в следующем разделе.
Сведения об авторе.
Альберт Леонидович Бондаренко, океанолог, доктор географических наук, ведущий научный сотрудник Института водных проблем РАН. Область научных интересов: динамика вод Мирового океана, взаимодействие океана и атмосферы. Достижения: доказательство существенного влияния океанических волн Россби на формирование термодинамики океана и атмосферы, погоды и климата Земли.
источник
Кроме хребтов в Мировом океане известно немало возвышенностей, или океанических плато. Крупнейшее из них в Атлантическом океане — Бермудское плато. На его поверхности — ряд подводных гор вулканического происхождения.
Самый распространенный тип рельефа океанических котловин — рельеф абиссальных холмов. Так называются бесчисленные возвышенности высотой от 50 до 500 м, с диаметром основания от нескольких сот метров до десятка километров, почти сплошь усеивающие дно котловин. Кроме того, на дне океана известно более 10 тыс. подводных горных вершин. Некоторые подводные годы с уплощенными вершинами называют гайотами. Полагают, что некогда эти пики вздымались над уровнем океана, пока их вершины не были постепенно срезаны волнами.
Два других типа рельефа — волнистые и плоские абиссальные равнины. Они возникли после частичного или полного погребения абиссальных холмов под толщей осадков.
Четвертая зона выделяется в центральных частях океанов. Это — крупнейшие формы рельефа дна океана — срединно-океанические хребты — гигантские линейноориентированные сводовые поднятия земной коры. При образовании свода самые большие напряжения возникают не его вершине, здесь и образуются разломы, по которым происходит опускание части свода, формируются грабены, т.н. рифтовые долины. По этим ослабленным зонам земной коры устремляется вверх материал мантии.
Начинаясь в Северном Ледовитом океане небольшим хребтом Гаккеля, система этих поднятий пересекает Норвежско-Гренландский бассейн, включает Исландию и переходит в грандиозные Северо-Атлантический и Южно-Атлантический хребты. Последний переходит в Западно-Индийский хребет уже в Индийском океане. Севернее параллели острова Родригес одна ветвь — Аравийско-Индийский хребет — уходит на север, продолжаясь рядом форм рельефа дна Аденского залива и Красного моря, а другая ветвь следует на восток и переходит в срединно-океанический хребет Тихого океана — Южно-Тихоокеанское и Восточно-Тихоокеанское поднятия. Срединно-океанические хребты, вероятно, — молодые кайнозойские образования. Поскольку хребты появляются в результате растяжения земной коры, пересечены поперечными разломами и часто имеют центральные рифтовые долины, они предоставляют исключительную возможность для изучения пород океанической коры.
Осадконакопление — один из важнейших факторов рельефообразования в океане. Известно, что в Мировой океан ежегодно поступает более 21 млрд. т твердых осадков, до 2 млрд. т вулканических продуктов, около 5 млрд. т известковых и кремнистых остатков организмов.
Специфичны для Мирового океана и другие экзогенные процессы, формирующие рельеф его дна. Это прежде всего работа волн, преобразующая рельеф дна в береговой зоне, деятельность приливно-отливных течений, формирующих специфический рельеф песчаных гряд и разносящих осадочный материал. Осадочный материал перемещают, кроме того, постоянные (геострофические) океанические течения.
На дне океана происходят также гравитационные процессы. Мощные подводные оползни осложняют рельеф материковых склонов, склоны подводных хребтов и возвышенностей. Другой фактор рельефообразования — мутьевые потоки.
Такова общая картина рельефа дна океана.
Движение вод Мирового океана
По своему физическому состоянию вода — очень подвижная среда, поэтому в природе она находится в непрерывном движении. Это движение вызывают различные причины, прежде всего ветер. Воздействуя на воды океана, он возбуждает поверхностные течения, которые переносят огромные массы воды их одного района океана в другой. Энергия поступательного движения поверхностных вод вследствие внутреннего трения передается в нижележащие слои, которые также вовлекаются в движение. Однако непосредственное влияние ветра распространяется на сравнительно небольшое (до 300 м) расстояние от поверхности. Ниже в толще воды и в придонных горизонтах перемещение происходит медленно и имеет направления, связанные с рельефом дна.
Поверхностные течения образуют два больших круговорота, разделенных противотечением в районе экватора. Водоворот северного полушария вращается по часовой стрелке, а южного — против. При сопоставлении этой схемы с течениями реального океана можно увидеть значительное сходство между ними для Атлантического и Тихого океанов. В то же время нельзя не заметить, что реальный океан имеет более сложную систему противотечений у границ континентов, где, например, располагаются Лабрадорское течение (Северная Атлантика) и Аляскинское возвратное течение (Тихий океан). Кроме того, течения у западных окраин океанов отличаются большими скоростями перемещения воды, чем у восточных. Ветры прилагают к поверхности океана пару сил, вращающих воду в северном полушарии по часовой стрелке, а в южном — против нее. Большие водовороты океанических течений возникают в результате действия этой пары вращающих сил. Важно подчеркнуть, что ветры и течения не относятся «один к одному». Например, наличие быстрого течения Гольфстрим у западных берегов Северной Атлантики не означает, что в этом районе дуют особенно сильные ветры. Баланс между вращающей парой сил среднего поля ветра и результирующими течениями складывается на площади всего океана. Кроме того, течения аккумулируют огромное количество энергии. Поэтому сдвиг в поле среднего ветра не приводит автоматически к сдвигу больших океанических водоворотов.
На водовороты, приводимые в движение ветром, накладывается другая циркуляция, термохалинная («халина» — соленость). Вместе температура и соленость определяют плотность воды. Океан переносит тепло из тропических широт в полярные. Этот перенос осуществляется при участии таких крупных течений, как Гольфстрим, но существует также и возвратный сток холодной воды в направлении тропиков. Он происходит в основном на глубинах, расположенных ниже слоя возбуждаемых ветром водоворотов. Ветровая и термохалинная циркуляции представляют собой составные части общей циркуляции океана и взаимодействуют друг с другом. Так, если термохалинные условия объясняют в основном конвективные движения воды (опускание холодной тяжелой воды в полярных районах и ее последующий сток к тропикам), то именно ветры вызывают расхождение (дивергенцию) поверхностных вод и фактически «выкачивают» холодную воду обратно к поверхности, завершая цикл.
Представления о термохалинной циркуляции менее полны, чем о ветровой, но некоторые особенности этого процесса более или менее известны. Считается, что образование морских льдов в море Уэдделла и в Норвежском море имеет важное значение для формирования холодной плотной воды, распространяющейся у дна в Южной и Северной Атлантике. В оба района поступает вода повышенной солености, которая охлаждается зимой до температуры замерзания. При замерзании воды значительная часть содержащихся в ней солей не включается в новообразующийся лед. В результате соленость и плотность остающейся незамерзшей воды увеличиваются. Эта тяжелая вода опускается ко дну. Обычно ее соответственно называют антарктической донной и североатлантической глубинной водой.
Другая важная особенность термохалинной циркуляции связана с плотностной стратификацией океана и ее влиянием на перемешивание. Плотность воды в океане с глубиной возрастает и линии постоянной плотности идут почти горизонтально. Воду с разными характеристиками значительно легче перемешать в направлении линий постоянной плотности, чем поперек них.
Термохалинную циркуляцию трудно с определенностью охарактеризовать. По сути, и горизонтальная адвекция (перенос воды морскими течениями), и диффузия должны играть важную роль в термохалинной циркуляции. Определение относительного значения этих двух процессов в каком-либо районе или ситуации представляет важную задачу.
Главные черты поверхностной циркуляции вод мирового океана определяются ветровыми течениями. Важно отметить, что движение водных масс в Атлантическом и Тихом океанах очень сходно. И в том и в другом океане существуют два огромных антициклонических круговых течения, разделенных экваториальным противотечением. В обоих океанах есть, кроме того, мощные западные (в северном полушарии) пограничные течения (Гольфстрим в Атлантическом и Куросио в Тихом) и такие же по характеру, но более слабые восточные течения (в южном полушарии) — Бразильское и Восточно-Австралийское. Вдоль их западных побережий прослеживаются холодные течения — Ойясио в Тихом океане, Лабрадорское и Гренландское течения в Северной Атлантике. Кроме того, в восточной части каждого бассейна к северу от основного круговорота обнаружен циклонический круговорот меньшего масштаба.
Некоторые различия между океанами связаны с различиями в очертаниях их бассейнов. Атлантический, Индийский и Тихий океаны имеют разную форму. Но некоторые из различий определяются особенностями поля ветра, как, например, в Индийском океане. Циркуляция в южной части Индийского океана в основных чертах сходна с циркуляцией в южных бассейнах Атлантического и Тихого океанов. Но в северной части Инд7ийского океана она явно подчиняется муссонным ветрам, где в период летнего и зимнего муссонов картина циркуляции полностью меняется.
По ряду причин по мере приближения к берегу отклонения от общей картины циркуляции становятся все более существенными. В результате взаимодействия основных климатических характеристик течений с такими же характеристиками побережий часто возникают устойчивые или квазиустойчивые вихри. Заметные отклонения от средней картины циркуляции могут вызывать у побережий и местные ветры. В отдельных районах возмущающими факторами режима циркуляции служат речной сток и приливы.
В центральных районах океанов средние характеристики течений вычисляются по малому количеству точных данных и потому особенно ненадежны.
источник
научная статья по теме СВЯЗЬ ТЕРМОХАЛИННЫХ АНОМАЛИЙ ГЛУБИННЫХ ВОД ОКЕАНА С АНОМАЛИЯМИ СОСТОЯНИЯ АТМОСФЕРЫ В СЕВЕРНОЙ АТЛАНТИКЕ Математика
Авторы работы:
Научный журнал:
Текст научной статьи на тему «СВЯЗЬ ТЕРМОХАЛИННЫХ АНОМАЛИЙ ГЛУБИННЫХ ВОД ОКЕАНА С АНОМАЛИЯМИ СОСТОЯНИЯ АТМОСФЕРЫ В СЕВЕРНОЙ АТЛАНТИКЕ»
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2009, том 427, № 6, с. 833-836
СВЯЗЬ ТЕРМОХАЛИННЫХ АНОМАЛИЙ ГЛУБИННЫХ ВОД ОКЕАНА С АНОМАЛИЯМИ СОСТОЯНИЯ АТМОСФЕРЫ В СЕВЕРНОЙ АТЛАНТИКЕ
Представлено академиком Р.И. Нигматулиным 11.12.2008 г. Поступило 11.12.2008 г.
Северная периферия Атлантики — район активного взаимодействия океана и атмосферы. Промежуточные и глубинные водные массы, формирующиеся в регионе — Лабрадорская промежуточная (ЛВ), Северо-Восточная глубинная (СВГВ) и Северо-Западная глубинная (СЗГВ) -распространяются на юг, образуя холодное нижнее звено термохалинной циркуляции вод Мирового океана [1]. ЛВ формируется в результате глубокой зимней конвекции в море Лабрадор [2] и, эпизодически, в море Ирмингера [3]. Глубинные водные массы — продукт смешения арктических вод, поступающих в Атлантику над хребтом между Гренландией и Великобританией, с более теплыми и солеными атлантическими водами и ЛВ [4].
Термохалинные характеристики ЛВ и глубинных вод претерпевают значительные изменения в масштабе десятилетий, наследуя сигналы многолетних изменений климатических и гидрологических условий в регионе [2-7]. Охлаждение и рас-преснение этих водных масс, длившееся со второй половины 1960-х по середину 1990-х годов [4], привело к распреснению толщи вод субарктической Атлантики в среднем на
0.03 епс [5]. Изменения характеристик глубинных вод, зарождающиеся в субполярном регионе, были зафиксированы и в низких широтах [8].
В ряде исследований распреснение глубинных вод в 1960-1990-х годах рассматривалось как возможный результат глобального изменения климата [5, 9]. Согласно этой гипотезе, глобальное потепление приводит к интенсификации гидрологического цикла планеты — к увеличению испарения с поверхности океана в тропиках и выпадения осадков в высоких широтах, что вызывает распреснение вод Арктики и, как следствие, распреснение глубинных вод Атлантики. Численные модели, исходящие из продолжения глобального по-
Институт океанологии им. П.П. Ширшова Российской Академии наук, Москва
тепления под влиянием антропогенного фактора, предсказывают продолжение распреснения глубинных вод в начале XXI века [9].
Мониторинг вод субарктической Атлантики на разрезе по 60° с.ш. позволил зафиксировать смену тенденции распреснения промежуточных и глубинных вод в середине 1990-х годов [6, 7, 10], что опровергло гипотезу о глобальных причинах предшествующего опреснения глубинных вод, так как однонаправленное изменение климата, чем бы оно ни было вызвано, не может приводить к разнонаправленным тенденциям изменений характеристик вод океана [7].
Несостоятельность гипотезы о глобальных причинах глубоководных изменений в субарктической Атлантике приводит к необходимости поиска региональных факторов, формирующих аномалии характеристик глубинных вод в масштабе десятилетий.
Главный фактор, определяющий естественные климатические изменения в субарктической Атлантике на временных отрезках от года до десятилетий, — североатлантическое колебание (САК), количественно выражаемое в виде индекса САК — нормированной разницы атмосферного давления на поверхности океана между Азорскими островами и Исландией [11]. Аномалиям разницы атмосферного давления соответствуют аномалии интенсивности северо-западного атмосферного переноса, ответственные за изменения интенсивности зимнего охлаждения поверхностных вод и, как следствие, за изменения интенсивности конвекции, а также за изменения гидрологических условий в районах формирования водных масс, связанные с аномалиями тепло- и влагообмена с атмосферой и региональной циркуляции вод [3, 4, 10—14].
На рис. 1 приведены временные ряды зимнего индекса САК и аномалий солености промежуточных (ЛВ) и глубинных (СВГВ) вод в районах их формирования — в море Лабрадор и Исландском бассейне соответственно. На рисунке видно, что, помимо значительной межгодовой изменчивости,
1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 Аномалия 5 ЛВ
1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 Аномалия 5 СВГВ
1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010
Рис. 1. Зимний индекс САК (а) и аномалии солености (8) водных масс в районах их формирования: ЛВ в море Лабрадор (б) и СВГВ в Исландском бассейне (в). Аномалии солености нормированы на их стандартные отклонения; 1 — временные ряды, 2 — долгопериодные изменения показаны с помощью семилетнего скользящего осреднения, 3 — кубические полиномы.
САК имеет выраженную низкочастотную составляющую и временные отрезки направленных изменений солености ЛВ и СВГВ совпадают с тремя эпизодами направленного изменения индекса (1950-е-середина 1960-х годов, середина 1960-х -середина 1990-х и середина 1990-х-середина 2000-х годов)
Коэффициенты корреляции аномалий солености ЛВ и СВГВ с индексом САК составляют соответственно -0.80 и -0.83 при осреднении индекса САК за 3 зимы (для ЛВ) и 5 зим (для СВГВ), предшествующих измерениям солености (рис. 2), что означает быстрый — в рассматриваемом временном масштабе — «отклик» изменений солености ЛВ и глубинных вод на изменения тенденции САК. Приведенная оценка справедлива и для связи аномалий температуры ЛВ и СВГВ с индексом САК вследствие тесной связи аномалий температуры этих водных масс с аномалиями их солености (см. [6]).
Общий механизм, объясняющий передачу сигнала САК в глубинные слои океана, представлен на рис. 3 в виде схемы, отражающей связь многолетнего роста (уменьшения) температуры и солености глубинных вод с многолетним уменьшением (ростом) индекса САК. Схема основана на новейших результатах мониторинга вод субполярной Северной Атлантики [3, 6, 7, 10, 13-15], многие из которых [3, 6, 7, 10] получены специалистами Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН.
Многолетнему уменьшению индекса САК соответствует ослабление северо-западного переноса над субарктической Атлантикой. Вследствие ослабления северо-западного переноса уменьшается теплоотдача с поверхности океана в зимний период. Это приводит к ослаблению конвекции в море Лабрадор. Ослабление ветрового воздействия на поверхность океана вместе с ослаблением конвекции приводят к уменьшению интенсивности циклонической циркуляции Субполярного круговорота и его зональной протяженности [10, 14]. Вследствие сжатия Субполяр-
источник
Информационная система включает в себя совокупность обобщенных аналитических материалов и данных по океанографии и состоянию морской среды прибрежно-морской зоны России в Японском море, представленных в виде табличных, графических и текстовых материалов. Она представляет собой интерактивную информационно-справочную систему с элементами динамического типа для работы в среде Интернет или автономно. Система позволяет обеспечить быстрый доступ к специально отобранной, хранимой на CD-диске, и другой оперативной или обобщенной справочной информации (через Интернет), рассредоточенной по различным источникам и поэтому ограниченной для широкого использования. Данный CD-ROM является одиннадцатым томом серии информационных продуктов ТОИ ДВО РАН под общим названием: «Информационные ресурсы ТОИ. Океанография» http://pacificinfo.ru/cdrom/, дополняющим раздел сайта http://pacificinfo.ru/climate/. Проектные решения по созданию данной системы разработаны в ходе работ ТОИ ДВО РАН в рамках реализации подпрограммы ФЦП 10 «Мировой океан» по созданию Единой государственной системы об обстановке в Мировом океане (ЕСИМО) http://data.oceaninfo.ru/. В качестве информационной базы системы используются доступные результаты многолетних и продолжающихся фундаментальных и прикладных исследований, проводимых на акватории ТОИ, ТИГ, ИБМ ДВО РАН и другими организациями на акватории прибрежно-морской зоны России в Японском море. При составлении аналитических описаний по каждому из разделов системы и подборе готового к воспроизведению в электронном виде табличного и иллюстративного материала использовались опубликованные научные статьи, монографии и режимно-справочные пособия, перечень которых содержится в списке основных литературных источников.
Разработка и поэтапное наполнение системы проводится в рамках продолжающихся работ ТОИ по ЕСИМО при частичной поддержке инициативных и молодежных грантов ДВО РАН.
- Цель и задачи проекта
- Состояние проблемы
- Авторы
Прибрежная зона является тем промежуточным пространством, на котором соприкасаются ресурсодобывающие, транспортные и природоохранные виды деятельности, осуществляемые как в сфере национальной юрисдикции, так и за ее пределами. При этом оптимизация отношений пользователей природными ресурсами прибрежных зон имеет специфику в каждом регионе. Ее выявление — одна из задач продолжающихся научных исследований. В прибрежных зонах России важнейшим способом регулирования морской деятельности, включая рационализацию использования территориальных и акваториальных ресурсов этих зон, является реализация общей стратегии развития регионов и проектов комплексного управления прибрежными зонами (КУПЗ), способных обеспечить взаимообусловленное, сопряженное во времени и пространстве развитие всех составляющих морского хозяйства и связанных с ним производств, а также объектов непроизводственной сферы, расположенных в пределах прибрежья, при сохранении и улучшении качества природной среды и условий проживания населения (Бакланов П.Я., Михайличенко Ю.Г., Айбулатов Н.А. и др.). В ДВ регионе в плане научного обоснования и реализации подобных проектов активно участвует ряд институтов и организаций, в том числе, ТИГ, ИБМ и ТОИ ДВО РАН. В результате проводимых исследований установлено, что за последние десятилетия масштабы и последствия хозяйственной деятельности в регионе становятся соизмеримыми с результатами воздействия природных процессов на окружающую среду в масштабах столетий и даже превосходят их. Потенциальные экологические угрозы появляются в зонах разработки различных месторождений и транспортировки нефтегазоносных ресурсов, добычи строительных материалов, при эксплуатации портов и биоресурсов и др. Характерной в этом отношении является обостряющаяся экологическая проблема, связанная с переловом рыбных ресурсов в дальневосточном регионе, хищнический промысел ряда ценных гидробионтов, что привело к сокращению промысловых популяций и возникла необходимость их восстановления. Заметно возросло воздействие на экосистемы побережий туристической и рекреационной деятельности. Кроме того, именно с прибрежной зоной связывают также потенциально опасные тенденции глобальных климатических изменений. Возможное повышение уровня Мирового океана за счет таяния ледниковых шапок может привести к серьезным экологическим, социально-экономическим и даже политическим последствиям. А изменение температурного режима создает реальную угрозу деградации биоценозов (Адрианов А.В. и др.).
Таким образом, информация о состоянии и изменениях окружающей морской и прибрежной среды имеет жизненно-важное значение для экономики и населения прилегающих территорий и составляет необходимую основу для решения актуальных задач изучения природных и техногенных процессов, состояния и функционирования экологических систем и биологических сообществ, обеспечения безопасности и осуществления различных видов морской деятельности. Она необходима для разработки рекомендаций по рациональному природопользованию в условиях возрастающего антропогенного прессинга и изменений климата с точки зрения оптимизации различных видов деятельности человека, сохранения ресурсов, природных экосистем и прогнозирования тенденций важнейших процессов и явлений. Поэтому одним из важнейших компонентов программ изучения и освоения морских акваторий всегда являлись различные виды информационной поддержки как планируемых и проводимых исследований, так и соответствующих систем диагностики и прогнозирования, необходимых для выполнения экспертных оценок и принятия решений. Это требует интеграции больших объемов разнородных данных, применения эффективных методов мониторинга среды и анализа информации с использованием различных аналитических средств и моделей, разработки специализированных информационных продуктов и систем (ИС) для обобщения и распространения информационных ресурсов. Такая поддержка предполагает создание необходимой технологической основы доступа пользователей к ведомственным и другим распределенным информационным ресурсам, формирование информационных фондов и баз данных (БД) по морской среде, развитие систем мониторинга и усвоения данных наблюдений, создание информационно-справочных систем, баз знаний, совершенствование систем телекоммуникаций.
В последние годы в результате повсеместного использования вычислительной техники нового поколения, развития телекоммуникаций и применения новых информационных технологий (ИТ) решены многие важные проблемы накопления и интеграции массивов данных наблюдений, обеспечения доступа пользователей к этой информации и эффективного использования информационных ресурсов (ИР). Однако на действующих сайтах организаций ДВ региона информация о состоянии морской среды рассматриваемого региона по тематике проекта предоставляется только в виде метаданных, описаний проектов и кратких отчетов и обобщений, а ИС на компакт дисках разработаны и тиражируются только в ТОИ ДВО РАН (http://pacificinfo.ru/ ).
Особого внимания в плане контроля, мониторинга прибрежно-морской эколого-экономической зоны и соответствующего информационного обеспечения требуют комплексные оценки воздействия на окружающую среду строящихся объектов нефтеперегрузочного терминала нефтепроводной системы Сибирь — Тихий океан, новых судоремонтных предприятий, портовых сооружений, мостов и делового центра саммита АТЭС-2012.
На протяжении многих лет на акватории зал. Петра Великого и северной части Японского моря различными ведомствами проводились исследования экологии, состояния и загрязнения морской среды. В результате этих работ в фондах этих организаций, в том числе в ТОИ ДВО РАН, накоплен большой объем архивных данных наблюдений по тематике проекта, на основе которых были подготовлены многочисленные публикации. Отдельные результаты представлены в виде информационных, обзорных материалов и отдельных ИС на региональных Интернет сайтах. На фоне общего сокращения объема прибрежно-морских экспедиционных исследований ведомствами Росгидромета и рыбной отрасли, в ТОИ и институтах ДВО РАН эта деятельность существенно активизировалась в последние годы в связи с подготовкой и реализацией новых масштабных экономических проектов в ДВ регионе. Этими организациями здесь проводятся регулярные мониторинговые экспедиционные исследования гидролого-гидрохимических, биологических и экологических характеристик, наблюдения со льда и на прибрежных МЭС. Существенно возрос объем принимаемой спутниковой информации (ИАПУ). Однако значительные объемы поступающей информации по прибрежной зоне все еще рассредоточены между отдельными организациями, лабораториями и владельцами. Как следствие, эффективность сложившейся инфраструктуры накопления, систематизации и распространения данных и информации в предметной области в целом остается низкой, а информационные ресурсы и результаты исследований — малодоступными для потенциальных пользователей.
Таким образом, своевременное и эффективное предоставление электронного доступа к соответствующим данным наблюдений, информации о состоянии морской среды и результатам научных исследований на основе современных ИТ как для поддержки продолжающихся исследований, так и обеспечения различных видов морской и природопользовательской деятельности является важной и актуальной задачей. Проблема, с одной стороны, требует решения самостоятельных задач интеграции распределенных ведомственных информационных ресурсов и наблюдательных систем, которые уже решаются в ТОИ в рамках ФЦП «Мировой океан», а с другой – разработки проблемно-ориентированных приложений БД и ИС. Возможности удаленного доступа к этим ресурсам с применением современных web-ориентированных сетевых технологий выводят взаимодействие поставщиков и потребителей ИР на другой, более высокий уровень, обеспечивая количественное и качественное развитие информационного обеспечения пользователей данными и информационной продукцией. Общей целью работ по данному проекту является проектирование и разработка комплексной ИС под рабочим названием «Природопользование, состояние и тенденции изменений морской среды прибрежных районов России в Японском море». Приоритетная область применения разработки – информационная поддержка научных исследований и морского природопользования для реализации программ комплексного управления прибрежной зоной (КУПЗ) Приморского края (Японское море) в целях обеспечения устойчивого регионального развития. Информационная система предназначена для работы в среде Интернет или автономно. Она должна состоять из периодически обновляемого информационного раздела и блока представления данных и обобщенных результатов исследований климата, состояния морской среды и биоресурсов, оценки изменений природных процессов и антропогенных воздействия для обеспечения действующих и разрабатываемых программ КУПЗ (на примере Приморского края) и других видов деятельности. Информационный раздел должен включать архивные данные и обобщенные сведения по региону в предметной области. Необходимые информационные ресурсы уже имеются, обрабатываются и формируются параллельно с выполнением данного проекта. Блок анализа и представления данных регулярных, эпизодических и специально ориентированных полидисциплинарных исследований морской среды прибрежной зоны и прилегающих акваторий должен обеспечить представление доступной, обновляемой информации о природных процессах, состоянии и характеристиках морской среды. Он должен основываться на использовании результатов действующих ведомственных наблюдательных программ и систем и пополняться на постоянной основе данными, поступающими в задержанном и оперативном режимах.
Программное обеспечение разрабатывается в среду ОС Windows и на языках программирования PHP 5, HTML, JAVA и c учетом стандартов web-сервисов, поддерживаемых открытыми технологиями (XML, SOAP, UDDI, WSDL), и оформляется в виде портлетного приложения для последующей интеграции в портал ЕСИМО http://data.oceaninfo.ru/.
Концепция КУПЗ достаточно подробно разработана в научно-методическом плане и все больше применяется как управленческий инструмент в процессе ППР для достижения устойчивого развития Приморского края. В рамках этой концепции рассмотрение социальных, экономических и экологических параметров территории проводится в едином комплексе. Причем важность учета экологических факторов и экологической безопасности просматривается во всех перечисленных группах.
Природопользовательская деятельность, связанная с эксплуатацией объектов и структур морехозяйственного комплекса, с одной стороны, требует всестороннего учета воздействия природных явлений, тенденций глобальных климатических изменений и антропогенных факторов, с другой – обостряет экологические проблемы защиты окружающей прибрежно-морской окружающей среды, геосистем, сохранения среды обитания и биоразнообразия.
Из-за негативных воздействий антропогенных факторов экологическая ситуация прибрежной зоны Приморья продолжает ухудшаться, что сказывается в тенденциях изменений показателей качества среды, состояния морских экосистем, биоресурсов и природных комплексов. Для выявления неблагополучных районов, зон экологического бедствия и зон чрезвычайных экологических ситуаций разработана система оценки этих показателей по основным химическим и биологическим критериям на основе анализа и обобщения результатов многолетних наблюдений.
Существующая система информационного обеспечения морской деятельности и природопользования в регионе несовершенна из-за ограничений в возможности использования, полноты и качества информационных ресурсов. Эффективность применения сложившейся инфраструктуры в регионе в целом все еще остается невысокой, а отдельные категории информационных ресурсов, особенно вне области гидрометеорологии – малодоступными для целевого или коллективного использования.
Состав, объемы и принадлежность имеющихся ИР в регионе по тематике проекта определяются сферой деятельности и полномочиями научно-производственных, природоохранных организаций, НИИ, вузов и надзорных органов различных ведомств. Наиболее полной по составу и длительности рядов относительно регулярных наблюдений информацией о поступлении загрязняющих веществ, гидрохимических характеристиках и степени загрязнения акваторий, донных осадков и гидробионтов располагают Сахалинское УГМС, Приморское УГМС и ДВНИГМИ. По состоянию биологических ресурсов – ТИНРО и ВНИРО, по биоразнообразию, динамике морских экосистем и геосистем – ИБМ, ТОИ и ТИГ ДВО РАН.
Эффективный механизм интеграции ресурсов ведомственных информационных систем для практического использования разнородных, рассредоточенных данных и обобщенной информации в задачах обеспечения различных видов морской природопользовательской деятельности еще не создан, а его элементы далеки от совершенства.
Руководитель работ по проекту: Ростов Игорь Дмитриевич, зав. лаб. информатики и мониторинга океана ТОИ ДВО РАН (rostov@poi.dvo.ru)
Основными авторами использованных текстовых, табличных и графических материалов тематических разделов информационной системы являются:
- ТОИ ДВО РАН — Рудых Н.И., Лучин В.А, Юрасов Г.И., Жабин И.А., Тихомирова Е.А., Тищенко П.Я., Жадан П.М., Фищенко В.К., Мишуков В.Ф., Полякова А.М., Гайко Л.А.
- ТИГ ДВО РАН – Бакланов П.Я., Арзамасцев И.С., Шулькин В.М., Кондратьев И.И.
- ИБМ ДВО РАН – Адрианов А.В., Соколовский А.С., Звягинцев А.Ю., Лутаенко К.А.
- ДВНИГМИ – Рыков Н.А., Круц А.А.
- ТИНРО-центр – Зуенко Ю.И., Огородникова А.А.
Проектирование и разработка программной оболочки CD-ROM, создание web страниц, дизайн и размещение на сайте выполнены Ростовым В.И., лаб. анализа океанологической информации ТОИ (vladimir@poi.dvo.ru ).
Ссылки на авторские публикации, иллюстрации и таблицы приведены непосредственно в web файлах.
источник