книги из ГПНТБ / Монин А.С. Изменчивость мирового океана

Г Л А В А

СИНОПТИЧЕСКАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ

5.1.Наблюдения

Синоптическая изменчивость океана характеризуется временными масштабами от нескольких до десятков суток*, гори­ зонтальными масштабами порядка 50—100 км и скоростями по­ рядка 10 см/с; по-видимому, она вносит основной вклад в изменчи­ вость Мирового океана. Систематическое изучение синоптической изменчивости океана началось лишь с конца 50-х годов нашего века, когда стали осуществляться продолжительные (многосуточные) наблюдения за течениями с помощью самописцев, устанавливаемых на буйковых станциях, поплавков нейтральной плавучести, элек­ тромагнитного измерителя течений (ЭМИТ) и т. д. Особенности временных и пространственных масштабов вихрей, формирующих синоптическую изменчивость океана, обусловливают ряд требова­ ний к наблюдениям. Так, в случае измерений течений на буйковых станциях, по существу, необходимы длительные наблюдения одно­ временно на нескольких буйковых станциях, расположенных соот­ ветствующим образом на акватории изучаемого района (полигон). Большие трудности организации подобного рода наблюдений и объ­ ясняют чрезвычайно слабую изученность «синоптических» вихрей.

В нашей стране инициатором организации длительных измере­ ний физических характеристик на морских и океанских полигонах явился В. Б. Штокман, который еще в 30-е годы понял необходи­ мость и значимость подобных наблюдений. В 1935 г. им были про­ ведены длительные наблюдения на Каспийском море. По его пред­ ложению в 1956 г. был осуществлен полигон на Черном море и в 1958 г. первый океанский полигон в Северной Атлантике. После этих работ стало очевидным, что океанские полигоны являются важнейшим средством изучения изменчивости океана. В 60-х годах под руководством Штокмана была составлена долговременная про­ грамма полигонных исследований. В соответствии с этой програм­ мой в 1967 г. проводился полигон в северо-западной части Индий­ ского океана и в 1970 г. Атлантический полигон. В табл. 5.1.1,

* Характерный временной масштаб естественно считать равным одной четверти {или t'2 *) характерного периода рассматриваемых колебаний.

150

Т а б л и ц а 5.1.1. Хронологическая сводка многосуточных наблюдений за течениями

151

составленной нами для общей ориентировки и потому не претен­ дующей на исчерпывающую полноту, приводится хронологическая сводка продолжительных инструментальных наблюдений за тече­ ниями на буйковых станциях (к сожалению, не все эти наблюдения пригодны для изучения синоптической изменчивости).

По-видимому, впервые о «синоптических» вихрях океанологи стали говорить после наблюдений Своллоу за дрейфом поплавков нейтральной плавучести (см. [17—19]). Однако и сейчас для выяв­ ления синоптических колебаний с периодами порядка месяца и более имеется крайне мало наблюдений. Поэтому большой интерес пред­

альную методику оценки спектра по ряду наблюдений со случайнорасположенными пустотами. Вообще, если имеется стационарный

спектр температурных флюктуации (рис. 5.1.2), построенный Ваншем [23] по различным группам измерений у Бермудских островов. Можно предположить, что оба спектра типичны для открытого оке­ ана (других примеров подобного типа спектров сейчас в литературе, по-видимому, нет).

На обоих рисунках отчетливо видно, что существенная энергия сосредоточена в интервале периодов от 15 до 100 суток (рис. 5.1.1) и от 40 до 200 суток (рис. 5.1.2). Это и есть синоптический интервал

153

полусуточные (приливные) и инерционные колебания. Ясно также, что в синоптическом интервале частот сосредоточена энергия, зна­ чительно превосходящая энергию полусуточных и инерционных колебаний.

Для оценки распределения энергии по пространственным масш­ табам приведем спектр флюктуации температуры поверхности

ш£и(ш) смг/с2

п

Рис. 5.1.1. Спектр горизонтальной скорости на глубине 500 м для станции «D» в Западной Атлантике (по Райнсу [22]).

Для высоких частот приведены лишь характерные точки.

Ионического моря, построенный Саундерсом [24] поданным темпе­ ратурных измерений с самолета (рис. 5.1.3). Отметим, что макси­ мум энергии приходится на возмущения с длиной волны порядка 100 км или характерным горизонтальным масштабом порядка 20— 30 км. Эта величина и характеризует масштабы синоптических вих­ рей, хотя для океана она должна быть несколько больше. Так, ана­ лиз пространственной изменчивости поля температуры воды (в диа­ пазоне масштабов от 40 до 1200 км), выполненный Виртки [25] для района Гавайских островов (10—25° с. ш., 147—157° з. д.), показы-

154

вает наличие энергетического пика для масштабов порядка 100 км. Существенный интерес представляет рис. 5.1.4, заимствованный нами из обзора Фофонова и Вебстера [26] американских наблюде­ ний за течениями в Западной Атлантике; этот рисунок отчетливо

демонстрирует существование в океане колебаний с длиной волны порядка 100 км и периодом примерно две недели. Надвух стан­ циях, расположенных на расстоянии 370 км (вне Гольфстрима, по разные стороны от него), по су­ ществу, были зарегистри­ рованы синфазные колеба­ ния с двухнедельным пе­ риодом (возможно, обус­ ловленные колебаниями самого Гольфстрима).

155

радио Гидрометеорологической службы США). Изучение изменчивости пара­ метров верхнего термоклина показало, что доминирующими масштабами с вы­ сокими уровнями энергии являются 25—30, 12—15 и 4—8 суток, а для градиента

выровненного дна океана с глубинами 5100—5700 м. На полигоне в кре­

личные комбинации промежутков между буйковыми станциями позволяют изу­ чать пространственную изменчивость океанологических полей в горизонтальном направлении. На каждой буйковой станции устанавливались по 10—12 само­ писцев течений БПВ-2 и по 2—3 термографа. Стандартными горизонтами на­ блюдений за течениями являлись 25, 50, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 800, 1000, 1200, 1500 м с дискретностью измерений 30 мин. Температура воды регистри­ ровалась на горизонтах 50 и 200 м с дискретностью измерений 10 и 15 мин в зависимости от конструкции прибора. Перезарядка всех самописцев произво­

156

Район полигона преднамеренно выбирался с наиболее простыми гидрометеорологическими условиями. Это, с одной стороны, обеспе­ чивало реальность проведения беспрерывных длительных наблюде­ ний в океане, а с другой — давало возможность изучить простран­ ственно-временную структуру океанологических полей в наиболее чистом виде. И действительно, в течение большей части периода ра­ боты экспедиции на Атлантическом полигоне метеорологические условия были относительно однообразными и спокойными. В 63% •случаев погода над полигоном определялась господством южной

случаев — прохождением тропических возмущений. Таким образом, над полигоном большую часть времени преобладал северный пас­ сат силой 4—5 баллов. В таких случаях можно было ожидать, что

Пассатным течением. Однако анализ данных наблюдений на цент­ ральной буйковой станции полигона сразу же показал более слож­ ный режим этого течения.

На рис. 5.1.5 а, б, в, заимствованном из работы Бреховских и др. [32], показаны диаграммы прогрессивных векторов течения на гори­ зонтах 200, 400 и 1500 м, построенные за период 155 суток (с 26 фев­ раля по 1 августа) *. Заметим, что указанные диаграммы не явля­ ются траекториями движения во времени. Как видно из представ­ ленных рисунков, первые же измерения (с 26 февраля по 10— 12 марта) показали, что течение может идти и против ветра, захва­ тывая 1500-метровый слой воды. В последующий период (до 20 мая) течение во всем слое термоклина имело генеральное направление на запад-северо-запад. С 20 мая по 30 июня в поверхностных слоях течение опять было направлено против генерального направления ветра, а в глубинных слоях шло на юг. Таким образом, в течение пяти месяцев в центральной части полигона наблюдалась неодно­ кратная смена направления течения. Периоды таких колебаний оценить довольно трудно; можно лишь уверенно сказать, что это изменения с характерным масштабом порядка месяца.

Анализ наблюдений за течениями по всем буйковым станциям полигона позволил (см. [33]) построить синоптические картины те­ чений на отдельных горизонтах. Для этого все данные наблюдений были сглажены с эффективным периодом 84 ч. Такой выбор пара­ метра фильтра обеспечивал надежное подавление инерционных и

157

щался в направлении с северо-востока на юго-запад, т. е. в напра­ влении Северного Пассатного течения, антициклонический вихрь. Синоптические схемы показывают также, что указанный вихрь был асимметричен — его размер в направлении, поперечном перемеще­ нию, был несколько больше размера в направлении перемещения;

158

однако и последний размер был, очевидно, больше горизонтального

циклоническому возмущению предшествовало возмущение того же знака; с другой стороны, картина для августа наводит на мысль о существовании циклонического возмущения, двигавшегося вслед за «главным антициклоническим вихрем». Таким образом, созда­ ется впечатление о некоторой цепочке вихрей, двигавшихся с севе­ ро-востока на юго-запад через район полигона. Примерно такие же синоптические картины течений наблюдались на горизонте 1000 м. Это свидетельствует о большой мощности по глубине описанных выше вихреобразных возмущений в поле скорости. Отношение мо­ дулей скорости течений на горизонтах 1000 и 300 м для соответст­ вующих точек и соответствующих моментов времени составляет в среднем примерно 3 Д, что говорит о существенном удельном весе бароклинной компоненты указанных возмущений. Оценка скорости и направления перемещения основного антициклонического возму­ щения по данным наблюдений на горизонте 1000 м дает практиче­ ски те же величины, что и по данным для 300 м. В то же время ана-

159