Применение нового метода термохалинного анализа распространения вод для северной части Атлантического океана

Изучение структуры вод Мирового океана включает в себя определение вертикальных границ между водными массами (на океанологических разрезах) и географических пределов их распространения (по данным о трехмерной структуре вод). В первом случае хорошо зарекомендовал себя современный метод «максимальных градиентов» [28, 15], применение которого позволяет, определив границу между двумя водными массами на каждой станции разреза по глубине положения максимального значения градиента того или иного свойства, соединить полученные точки единой кривой и получить, таким образом, вертикальную границу между двумя водными массами на разрезе.

С помощью метода «максимальных градиентов», достаточно эффективного при определении верхней и нижней границы водной массы на каждой станции разреза, невозможно с приемлемой точностью наметить географические пределы распространения водной массы. При определении таких пределов необходимо анализировать распределения отличительных характеристик водной массы на всей акватории в ядре водной массы (метод «ядра») или вдоль некоторой поверхности, приблизительно соответствующей ядру, в тех случаях, когда метод «ядра» не позволяет получить полную картину.

Основная сложность заключается в мотивированном выборе такой поверхности, иными словами, в выборе метода исследования. Вполне очевидно, что для картирования свойств водной массы не подходит плоскость некоторой средней глубины положения ее ядра. Одна и та же водная масса в разных районах океана обнаруживается на существенно различных глубинах, перепад между которыми может превышать 1000 м, что особенно характерно для промежуточных вод, глубины распространения которых не связаны напрямую ни с поверхностью океана, ни с рельефом дна, но определяются соотношением их плотности и плотности окружающих вод [30].

При изучении границ и свойств водных масс Мирового океана широко используется метод изопикнического анализа, содержащий в своей основе сле дующее предположение: поскольку «прямое влияние действующих на поверхности океана термохалинных факторов ограничено верхним однородным слоем,. глубже этого слоя при условии гашения процессов вертикального обмена архимедовыми силами, не должно быть фактора способного изменить плотность какого-либо объема воды» [30]. Плотность in situ рассматриваемого объема, безусловно, существенно меняется по мере изменения его положения по вертикали вследствие изменения давления, действующего на объем со стороны окружающего поля масс. Под изопикничностью следует понимать постоянство той части плотности in situ, которая определяется только термохалинными свойствами объема и, таким образом, изменяется только в случае разной скорости обмена теплом и солями (с точки зрения влияния этих процессов на плотность) между рассматриваемым объемом и окружающей водной средой. Другими словами, речь идет о постоянстве некоторой «термохалинной составляющей» плотности, значение которой определить невозможно, поскольку плотность — всегда функция давления. Следовательно, по океанологическим данным невозможно непосредственно построить поверхности равных значений такой «термохалинной составляющей» плотности in situ — «идеальные» изопикниче-ские поверхности, вдоль которых происходило бы распространение водных масс в соответствии с предположением об изопикническом характере трансформации термохалинных свойств в их ядрах, и которые можно было бы использовать для получения латеральных (горизонтальных) распределений свойств в толще вод океана, адекватных распределению этих свойств в ядрах исследуемых водных масс.

Использование поверхностей постоянной плотности in situ, предложенное Р. Монтгомери [91] и А. Парром [92], чрезвычайно неточно — вертикальное распределение плотности, прежде всего, определяется ростом давления с глубиной, а не термохалинными свойствами вод.

В качестве более точного приближения, Россби [97] предложил использовать в целях изопикнического анализа поверхности равной потенциальной плотности (ПРПП), т. е. плотности, определяемой по потенциальной температуф ре и солености при некотором произвольно выбранном постоянном (например, атмосферном) давлении.

Т. Мак-Дугалл [89] высказал предположение, что такой подход также весьма не точен, поскольку форма ПРПП и, следовательно, результат изопикниче-ского анализа зависят от конкретного выбора отсчетного давления, и предложил (в качестве более точного приближения «идеальных» изопикнических поверхностей) «нейтральные поверхности», алгоритм расчета которых по данным о распределении потенциальной температуры и солености на полигоне заключается в выборе начальной точки поверхности (горизонта одной из вертикалей) и в дальнейшем последовательном поиске на каждой вертикали полигона того горизонта, при перемещении на который приблизительно выполняется условие компенсации термического расширения соленостным сжатием при давлении in situвся совокупность полученных таким образом горизонтов составляет нейтральную поверхность. При расчете нейтральных поверхностей по Т. Мак-Дугаллу (НПМ) нет необходимости в использовании отсчетного давления при определении коэффициентов термического расширения и соленостного сжатия, что выгодно отличает эти поверхности от ПРПП.

Тем не менее, алгоритм Мак-Дугалла обладает рядом неустранимых недостатков, на что указывает сам его автор. Основной из них — зависимость результата построения НПМ от выбранного порядка обработки вертикалей при расчете, а также от подробности океанологических данных, увеличение или уменьшение которой приводит к изменению уже рассчитанных положений нейтральной поверхности на вертикалях [4]. Более того, Мак-Дугалл рассматривает плотность как функцию потенциальной температуры и под термическим расширением понимает изменение плотности in situ вследствие приращения именно потенциальной, но не истинной температуры, пренебрегая, таким образом, адиабатическим эффектом давления на распределение температуры in situ с глубиной.

Отметим, что нейтральные поверхности, представляющие собой более точную интерпретацию изопикнического метода, чем ПРПП, не нашли столь же широкого применения в отечественной океанологии, вероятно, вследствие сложности алгоритма автоматизированного расчета НПМ (по сравнению с построением ПРПП) и ввиду существенности его недостатков.

Основная цель, поставленная автором настоящей работы — предложить к применению в океанологии новое, наиболее точное из существующих приближение «идеальных» изопикнических поверхностей, лишенное недостатков ПРПП и НПМ, — поверхности нейтральной плавучести (ПНП). ПНИ определяется автором как поверхность, в каждой точке которой плотность in situ изэн-тропически перемещаемого сжимаемого однородного объема морской воды с заданными термохалинными свойствами (потенциальной температурой 0* и соленостью S*) в точности совпадает со значением окружающего поля плотности in situ в этой точке океана. Прежде всего, автор намерен сформулировать строгое определение таких поверхностей, показать их соответствие условию изо-пикничности, разработать алгоритм их однозначного расчета по данным о распределении температуры и солености на полигоне или вдоль разреза по заданной паре значений (0*, S*).

С целью обосновать практическую целесообразность перехода к использованию нового типа поверхностей, автор предполагает сравнить результаты расчета ПРПП, НПМ и ПНП по данным реальных океанологических разрезов, а также по осредненным данным атласа Левитуса для всей акватории Северной Атлантики.

Логическое завершением первой, методической части исследования, — формулировка нового метода определения пределов распространения водных масс в Мировом океане — метода «поверхностей нейтральной плавучести» («ПНП»), предполагающего, по аналогии с использованием в этих целях ПРПП, анализ распределения характеристик вдоль ПНП, построенной для ядра конкретной водной массы (т.е. при построении которой в качестве пары значений 0* и S*, — «термохалинного индекса» поверхности, взяты значения потенциальной температуры и солености в ядре водной массы на одной из вертикалей исследуемой акватории).

Для иллюстрации применения нового метода, автор ставит перед собой задачу определить «климатические» географические пределы распространения основных промежуточных водных масс Северной Атлантики: Средиземноморской промежуточной повышенной солености, Антарктической промежуточной пониженной солености и Лабрадорской (рассматриваемой автором в качестве промежуточной водной массы пониженной солености) путем совместного применения методов «ядра» и «ПНП», а также оценить изопикничность распространения каждой исследуемой водной массы и проверить справедливость предположения [1] о соответствии пределам распространения водных масс максимальных значений градиентов распределений термохалинных свойств вдоль изопикнических поверхностей, соответствующих ядрам этих водных масс, предлагаемого рядом авторов [12, 46, 30] в качестве точного критерия при определении таких пределов.

Работа состоит из вводной части, четырех глав, первые две из которыхобзорные, и заключения.

Первая глава представляет собой краткий обзор основных водных масс Мирового океана. Отдельное внимание уделяется промежуточным водным массам Северной Атлантики, задачу определения пределов распространения которых автор выбрал в качестве иллюстрации возможностей предлагаемого в работе метода «ПНП».

Во второй главе приведен обзор методов определения вертикальных границ (Т, S-анализ, метод максимальных градиентов) и географических пределов распространения водных масс (методы «ядра», изопикнического анализа и нейтральных поверхностей по Мак-Дугаллу). Автор подробно рассматривает постановку задачи о нейтральных поверхностях по Мак-Дугаллу, алгоритм их построения и обращает внимание на недостатки этого алгоритма, отмеченные в океанологической литературе. Также в конце главы приведены результаты сравнения Мак-Дугаллом предлагаемых им поверхностей с поверхностями равной потенциальной плотности в Северной Атлантике, поднимающие вопрос о корректности использования ПР1111 для анализа распространения вод в Мировом океане в соответствии с изопикническим приближением.

В третьей главе показано, что перемещение любого однородного объема в океане (в соответствии с изопикническим приближением) можно рассматривать как изэнтропический процесссформулирована постановка задачи о поверхностях нейтральной плавучести для изэнтропически перемещающихся в океане однородных объемовприведен алгоритм расчета ПНП по океанологическим данным о распределении температуры и солености на полигоне или вдоль разрезарассмотрен вопрос об отличиях между физическими принципами построения ПНП, изопикнических поверхностей (поверхностей постоянной плотности in situ), ПРПП и НПМ, а также приведен анализ недостатков использования трех последних типов поверхностей и преимуществ использования ПНПпроведено сравнение результатов расчета поверхностей исследуемых типов в Северной Атлантикепредложен, в качестве одного из возможных применений ПНП в океанологии, новый метод «поверхностей нейтральной плавучести» определения пределов распространения водных масс в рамках изопикнического анализа.

В четвертой главе приведен пример определения пределов распространения промежуточных водных масс (Северной Атлантики) совместным применением методов «ядра» и «ПНП» по средним многолетним годовым данным электронного атласа Левитуса о значениях температуры и солености на стандартных горизонтах вертикалей, расположенных в узлах одноградусной регулярной сетки.

В заключении отмечены наиболее важные результаты работы и сделаны основные выводы из всего проведенного исследования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

На основании проведенного в настоящей работе анализа теоретических основ использования в рамках изопикнического метода поверхностей равной потенциальной плотности, нейтральных поверхностей по Т. Мак-Дугаллу и предлагаемых автором поверхностей нейтральной плавучести, а также на основании сравнения результатов расчета указанных типов поверхностей в Северной Атлантике и определения границ и свойств в ядрах промежуточных водных масс исследуемой акватории можно отметить наиболее важные результаты и сделать следующие основные выводы из проведенного исследования:

1) Поверхности нейтральной плавучести (ПНП), предлагаемые автором, представляют собой теоретически наиболее точное приближение «идеальных» изопикнических поверхностей, вдоль которых термическое расширение в точности компенсируется соленостным сжатием с точки зрения влияния этих эффектов на плотность in situ, которая, следовательно, изменяется вдоль «идеальной» изопикнической поверхности только вследствие изменения давления. Согласно определению ПНП, при изэнтропическом перемещении однородного объема морской воды вдоль такой поверхности, во-первых, приращение его плотности in situ определяется только приращением внешнего давления (что означает постоянство «термохалинной составляющей» его плотности), и, во-вторых, перемещаемый объем в каждой точке ПНП находится в равновесии с внешним полем плотности.

При расчете ПНП нет необходимости в использовании отсчетного давления при определении плотности — эффект давления на изменение плотности in situ вдоль поверхности учитывается полностью, а не исключается некорректно, что имеет место при расчете потенциальной плотности и, следовательно, при использовании поверхностей ее равных значений.

Расчет ПНП однозначен, т. е. его результат не зависит от порядка обработки вертикалей полигона или разреза. Топография ПНП однозначно определяется парой заданных значений 0* и S* («термохалинным индексом» поверхности) и исходными данными о термохалинной структуре исследуемой акватории, увеличение подробности которых уточняет форму поверхности за счет дополнительных вертикалей, но не приводит к изменению глубин положения на вертикалях уже полученных (по менее подробным данным) точек поверхности. Таким образом, алгоритм расчета ПНП лишен недостатков алгоритма расчета нейтральных поверхностей по Мак-Дугаллу.

2) Показано, что использование поверхностей равной потенциальной плотности (ПРПП) в рамках изопикнического анализа водных масс неоднозначно (в смысле выбора отсчетного давления), теоретически некорректно и практически чрезвычайно неточно — через одну точку в океане проходит «семейство» (строго говоря, бесконечное) поверхностей равной потенциальной плотности, приведенной к разным отсчетным давлениям. Максимальные различия в глубинах положений на вертикалях ПРПП, восстановленных из одной и той же точки, в среднем характеризуются порядком 10 м, а в некоторых случаях превышают 1000 м, что совершенно неприемлемо с точки зрения предположения о распространении промежуточных и глубинных водных масс вдоль таких поверхностей.

3) Использование нейтральных поверхностей по Т. Мак-Дугаллу (НПМ), при построении которых коэффициенты термического расширения и соленостного сжатия определяются при давлении in situ, а не при некотором постоянном от-счетном давлении, таким образом, теоретически более точно отражает суть изопикнического метода. Тем не менее, использование НПМ представляется нецелесообразным ввиду того, что, алгоритм их расчета обладает рядом существенных и неустранимых недостатков, основной из которых — зависимость результата построения поверхности от порядка перехода от вертикали к вертикали полигона при расчете глубины положения НПМ на каждой из них, вынужденно предполагаемого произвольным. Недостатки алгоритма приводят к неоднозначности построения поверхности, а также к тому, что исходное изопикни-ческое условие не выполняется между любыми двумя (даже соседними) точками поверхности. В работе показано, что топография НПМ несущественно отличается (максимально — на первые десятки метров) от топографии поверхности равной потенциальной плотности, приведенной к давлению в исходной при построении НПМ точке, общей для двух указанных поверхностей. Именно последнее обстоятельство наряду с неопределенностью расчета НПМ заставляет усомниться в целесообразности использования НПМ.

4) Максимальные различия между топографией ПНП и топографиями НПМ и поверхности равной потенциальной плотности, приведенной к давлению в общей точке трех указанных поверхностей (в качестве которой автором выбран горизонт положения ядра СМВ на вертикали вблизи Гибралтарского пролива), согласно результатам расчета этих поверхностей в Северной Атлантике, достигают первых сотен метров, что указывает на практическую целесообразность перехода к использованию ПНП вместо ПРПП и НПМ.

5) Автором предложен новый метод «поверхностей нейтральной плавучести» определения географических границ водных масс и распределений океанологических характеристик в их ядрах в соответствии с предположением об изопик-ническом характере распространения водных масс в Мировом океане, позволяющий также для любой водной массы оценить справедливость этого предположения.

6) Исследование «климатических» пределов распространения промежуточных водных масс Северной Атлантики путем совместного применения методов «ядра» и «поверхностей нейтрально плавучести» в соответствии с предложенной автором методикой позволило: проследить распространение СМВ вплоть до экватора в Западном бассейне, что существенно уточняет представления о средних многолетних границах распространения СМВопределить «климатические» пределы распространения JIBсоставить общую карту-схему «климатических» географических границ промежуточных водных масс Северной Атлантики, существенно отличающуюся, например, от результатов аналогичного исследования, опубликованных в классической монографии В. И. Куксы «Промежуточные воды Мирового океана" — а также.

— определить средние многолетние термохалинные индексы 100% СМВ и J1B и термохалинный индекс наименее трансформированной (на экваторе) ААПВ.

7) В ходе проведенного автором исследования распределений термохалинных свойств в ядрах промежуточных водных масс Северной Атлантики и вдоль соответствующих ядрам поверхностей нейтральной плавучести автором показано, что:

— географическим границам промежуточных водных масс далеко не всегда соответствуют максимальные латеральные градиенты термохалинных характеристик (из трех рассмотренных водных масс это соответствие свойственно только северной границе ААПВ);

— предположение об изопикническом характере трансформации ядер СМВ, ААПВ и ЛВ неверно, как в смысле постоянства потенциальных плотностей (ст0 и аг), так и более точном смысле — по мере распространения указанных водных масс, их ядра, изначально лежащие на соответствующих им поверхностях нейтральной плавучести отклоняются по вертикали от этих поверхностей на сотни метров. Тот же вывод, на примере СМВ, можно сделать и в отношении несоответствия топографии положения ее ядра рельефам НПМ и поверхности равной потенциальной плотности, приведенной к давлению в ядре СМВ на вертикали вблизи Гибралтарского пролива, — отличия между ними достигают 500 м, что сопоставимо с толщиной всей промежуточной структурной зоны Северной Атлантики.