книги из ГПНТБ / Океанография и морская метеорология учебник

Методы выделения и анализа водных масс. Терми­ ном «выделение и анализ водных масс» в океанографии объединяют совокупность действий, целью которых яв­ ляется определение типов вод данного бассейна, их ка­ чественная и количественная оценка, а также исследо­ вание процессов перемещения, взаимодействия и транс­ формации водных масс.

Современная океанография располагает несколькими методами решения этой задачи. Одни методы позволяют лишь определить границы водных масс, другие — наме­ тить траектории и скорости движения, третьи — устано­ вить тип и физико-химические показатели исследуемых вод.

При комплексном методе, или методе общего ана­ лиза, принимается во внимание большое число физико­ химических и биологических свойств морской воды по результатам всех имеемых на данный район гидрологи­ ческих наблюдений. Метод состоит в интерпретации ре­ зультатов наблюдений в виде графиков вертикального распределения гидрологических элементов на станциях и разрезах, карт их географического распределения. На основании анализа этих графиков и карт устанавлива­ ются основные типы водных масс и их границы.

Проверка правильности отнесения вод к тому или иному типу, вычисление средних экстремальных харак­ теристик, определение процентного содержания вод раз­ личных типов, установление границ и объемов, запаса тепла и солей, а также качественная и количественная оценка процессов их взаимодействия и трансформации

выделения и анализа водных масс, но и неотъемлемой частью физической океанографии в целом.

Основы метода Т, 5-анализа вод Мирового океана.

Формулы смешения. В основу метода Т, S-анализа за­ ложено в значительной степени условное, но тем не ме­ нее весьма удачное представление о водных массах как о некоторых дискретных объемах морской воды, кото­ рые до смешения обладали четко отличающимися инди­ видуальными свойствами. Если смешиваются различные массы морской воды с различными значениями гидроло­ гических характеристик, то их массы сложатся арифме­ тически, а средневесовое значение каждой характеристи­

169

и после смешения, то пропорция смешения может быть

температурой 7 = 20°. Пропорция смешения должна быть равна

т. е. в смешении участвовало три объема воды с тем­ пературой 18° и два объема воды с температурой 23°.

Так как смешение сопровождается изменением и

при отсутствии внешних влияний (нагрева или охлажде­ ния, осолонения или распреснения) в результате пол­ ного смешения водных масс в некоторой пропорции вся­ кой солености смеси соответствует вполне определенная

170

(3.113) массы выразить в долях единицы, полагая, что піі + т 2 + т 3 + . . .= 1, то при полном смешении несколь­ ких вод температура и соленость смеси будут опреде­ ляться формулами смешения, представляющими собой

не выдерживается, то можно сделать вывод, что в фор­ мировании данной водной массы принимала участие до­

полнительная, неучтенная водная масса или она под­ вергалась внешним влияниям. Следовательно, Т, S-соот­ ношение может быть применено при решении вопроса о происхождении водных масс для большинства рай­ онов Мирового океана, кроме тех поверхностных вод со

значительным годовым ходом температуры и солености, где влияние внешних факторов преобладает над про­ цессами перемешивания.

Т, 5-кривые вод океана. Т, S-кривая представляет собой график распределения температуры и солености морской воды по глубине. Для ее построения по оси абсцисс графика откладывают значения солености, по оси ординат — значения температур, полученные из на­ блюдений на океанографической станции на всех стан­ дартных и дополнительных горизонтах. По этим дан­ ным в поле Т, S-диаграммы наносят точки и проводят через них плавную кривую, называемую Т, S-кривой. Около точек подписывают глубины, соответствующие значениям температуры и солености на этих горизонтах.

На рис. 30 приведена Т, S-кривая, построенная для значений температуры и солености, полученных из на­

Так как температура и соленость являются функция­

то саму Т, S-кривую в Т, S-координатах можно рассма­ тривать как кривую некоторой функции

172

Тогда выражения (3.116) представляют параметриче­ ское задание Т, 5-кривой, а функция (3.117) есть, та­ ким образом, функция явная. Т, 5-кривая по парамет­ ру Z может быть названа Т, 5, Z-кривой или по пара­ метру р — Г, 5, р-кривой [39].

Такой метод интерпретации гидрологических наблю­ дений был введен норвежским ученым Б. Гелланд-Ган- зеном в 1918 г., а затем получил широкое распростране­ ние не только благодаря значительно большей емкости Т, 5-диаграммы по сравнению с обычными графиками распределения Т и S по глубине, но и благодаря их свойству сохранять подобие формы кривой на значитель­ ных акваториях, имеющих однородную структуру по вертикали. Иными словами, Т, 5-кривые являются своего рода образами водных масс, и к тому же более стабильными, чем кривые распределения Т и 5 по глу­ бине. Именно поэтому Т, 5-кривая как кривая функции Т= / (5) в методе Т, 5-анализа использована в качест­ ве индикатора при выделении водных масс и исследова­ нии процессов их вертикального перемешивания.

В наиболее общем случае смешение водных масс в реальных условиях Мирового океана — это вертикальное перемешивание двух, трех и более положенных одна на другую водных масс.

Очевидно, если водная масса по вертикали однород­ на (температура и соленость с глубиной не меняются), то на Т, 5-диаграмме такая водная масса будет харак­ теризоваться точкой.

Две однородные массы, расположенные одна над другой, в случае отсутствия между ними процессов пе­

ляющие состояние водных масс в Т, S-координатах, на­ зываются термохалинными индексами. Вследствие не­ прерывного перемешивания у границы водных масс об­ разуется их смесь. Характеристики этой смеси будут связаны с характеристиками перемешиваемых водных масс соотношением (3.115). В поле Т, S-диаграммы ре­ зультат смешения изобразится прямой AB, называемой прямой смешения и представляющей собой геометриче­ ское' место точек, расстояния которых от концов пря­ мой А я В определяются отношением mx/m2 (рис. 31,6).

173

Иными словами, каждая пара соприкасающихся вод­ ных масс вместе с результатом их перемешивания в Т, S-координатах изображается прямой смешения.

При трех водных массах, расположенных одна над другой, на Т, S-диаграмме появится еще одна точка — С (Ts, S3), образуя «треугольник смешения», вершины ко­

Рис. 31. Графическое изображение водных масс в поле T u S

масса, полностью перемешиваясь с выше- и нижележа­ щими, меняет свои характеристики во всей толще, то ломаная АВС на Т, S-диаграмме превращается в кри­ вую, закругление которой (экстремум) будет соответст­ вовать характеристике промежуточной водной массы (рис. 31, в). Результат полного смешения трех водных масс будет изображаться точкой с координатами (Т, S), лежащей внутри треугольника смешения.

Таким образом, в случае полного смешения двух или трех водных масс Т, S-индекс смеси будет лежать на прямой смешения AB или внутри треугольника смеше­ ния АВС [73].

Количественная оценка процессов смешения бази­ руется на аналитических теориях Т, S-кривых, задачей

174

которых является совместное решение уравнений, опре­ деляющих пространственное распределение температу­ ры и солености в океане и его изменения во времени.

Для обоснования термохалинного анализа водных масс могут быть применены следующие уравнения теп­ лопередачи и диффузии, выражающие изменение тем­ пературы Г и солености S во времени t при турбулент­ ном обмене в вертикальном направлении внутри каждой водной массы:

В. Б. Штокман и А. В. Иванов (1938—1949 гг.) полу­ чили ряд практических выводов, позволяющих путем несложных графических построений на Т, S-диаграмме определять:

—количество водных масс;

—глубины залегания границ и центров («ядер») промежуточных водных масс;

—их Т, S-индексы как в момент наблюдений, так и

вначальный момент (до смешения).

Главными из этих выводов-правил являются сле­ дующие.

1. До смешения Т, S-кривая представляет собой ло­ маную, которая состоит из отрезков прямых, соединяю­ щих Г, S-точки, характеризовавшие каждую водную массу в начальный момент.

2.Точки Т, S-кривой, соответствующие «ядрам» про­ межуточных водных масс, являются точками экстрему­ ма кривой.

3.В точках Т, S-кривой, достаточно удаленных от границ промежуточной водной массы, касательные к Т,

S-кривой практически совпадают с прямыми, соединяв­ шими Т, S-точки в начальный момент, т. е. со сторона­ ми треугольников смешения.

4. Точки, характеризующие центр промежуточной водной массы в последовательные моменты времени, ле­

175

ницам промежуточной водной массы, определяются пе­ ресечением побочных медиан с Т, 5-кривой (побочной медианой названа прямая, соединяющая середины сто­ рон треугольника смешения). .

Применение этих правил для Т, 5-анализа водных масс покажем на рассмотренном выше примере (Т, 5- кривая на рис. 30).

1.Количество водных масс устанавливается по пра­ вилам 1 и 2. Данная кривая изображает четыре водные массы: двум из них соответствуют закругленные части кривой (экстремумы), двум другим — начало и конец кривой.

2.Начальные характеристики водных масс могут быть найдены по правилам 1 и 3 проведением касатель­ ных к прямолинейным участкам кривой. Координаты точек пересечения касательных (В и С) дадут темпера­ туру и соленость водных масс до начала перемеши­ вания.

3.Глубины залегания и характеристики центров про­ межуточных водных масс определяются по правилу 4 построением треугольников смешения АВС и BCD и проведением медиан BE и CF. Точки пересечения ме­ диан с закругленными частями Т, 5-кривой будут соот­ ветствовать центрам промежуточных водных масс. Ко­ ординаты этих точек (В' и С') определят их темпера­

туру и соленость; глубина залегания центров может быть определена приближенно, интерполяцией на глаз между соседними горизонтами (100 и 150, 250 и 300 м).

4. Глубины залегания границ водных масс определя­ ются по правилу 5 проведением побочных медиан (GE, НЕ, FI) в треугольниках смешения. Точки, соответст­ вующие границам водных масс, будут лежать в пересе­ чении побочных медиан с Т, 5-кривой.

Из рассмотренного примера следует, что вертикаль­ ная структура четырех различных типов водных масс в данной точке Мирового океана характеризуется дан­

176

температуры и солености могут служить целям критиче­ ского анализа гидрологических наблюдений, так как точки, не согласующиеся с общим ходом Т, 5-кривой,

Рис. 32. График распределения водных масс, температуры и солености по глубине

могут свидетельствовать о промахах в наблюдениях на океанографической станции.

Построение треугольников смешения для выделения водных масс. Пусть в данном районе имеется несколько водных масс с сугубо индивидуальными физико-хими­ ческими показателями. Для построения треугольников смешения необходимо предварительно подвергнуть ана­ лизу выполненные в данном районе наблюдения темпе­ ратуры и солености' и на каждой океанографической станции выбрать те горизонты, на которых температура

Рис. 33. П остроени е треугольника смеш ения

и соленость имеют экстремальные значения. Эти точки (горизонты), подлежащие дальнейшему анализу, нано­ сят на Т, S-диаграмму. После этого по преобладающему расположению точек вписывают один (если выявлены три типа водных масс) или два (если выявлены четыре типа водных масс) треугольника, абсциссы и ординаты вершин которых будут соответствовать соленостям и температурам наименее смешанных водных масс. Срав­ нивая полученные значения Т, S-индексов с известными

178