книги из ГПНТБ / Егоров Н.И. Физическая океанография
.pdfБлагодаря накопленным данным продолжительных и непрерыв ных наблюдений над температурой воды в различных районах Ми рового океана оказалось возможным для изучения пространствен но-временной изменчивости температуры воды применить аппарат теории вероятностей и, в первую очередь, аппарат теории корреля ционных и структурных функций. Больше всего имеется данных, позволяющих судить о временной изменчивости температуры. Для характеристики пространственной изменчивости в первом прибли жении может быть использовано соотношение r = vt, позволяющее перейти от временного интервала t к пространственному г, v —ско рость течения.
Характерные кривые корреляционных функций обычно опреде ляются законом,близким к экспоненциальному.
Распределение плотности. Распределение плотности морской воды определяется распределением температуры и солености. В от крытом океане характер распределения плотности зависит главным образом от распределения температуры. Наибольшие значения плотности отмечаются в высоких широтах, где на поверхности она достигает 1,0275 г/см3. К экватору плотность уменьшается, достигая наименьших значений в области термического экватора (1,0220 г/см3). Неравномерность распределения плотности по гори зонтали вызывает движение масс воды в направлении, благоприят ствующем выравниванию плотности. Поэтому поверхностные воды высоких широт опускаются и движутся в направлении экватора к горизонтам, на которых плотность воды одинакова с поверхност ной плотностью высоких широт. Вследствие этого глубинные и при донные воды во всем Мировом океане являются холодными. С глу биной плотность воды возрастает благодаря понижению темпера туры и увеличению давления, что создает устойчивость1слоев воды и препятствует вертикальным движениям вод океана. Особенно больших значений устойчивость достигает в слоях резкого увеличе ния плотности с глубиной — с л о я х с к а ч к а п л о т но с т и , которые обычно совпадают со слоями скачка температуры. Лишь в редких случаях слой скачка плотности создается благодаря обра зованию скачка солености. Однако в ряде случаев распределение солености по вертикали может способствовать увеличению градиен тов плотности в слое скачка, связанном со слоем скачка температуры.
Слой скачка плотности препятствует турбулентному перемеши ванию, а следовательно, и переносу тепла, количества движений, солей и газов по вертикали. В слое скачка зачастую сосредоточи вается большое количество мельчайших морских животных и расте ний (планктона), что затрудняет проникновение света и звука че рез этот слой. В связи с этим при изучении океанов и морей уде ляется большое внимание выявлению наличия слоя скачка, опреде лению его характеристик и условий образования и разрушения.
Характер пространственно-временной изменчивости плотности морской воды достаточно тесно связан с изменчивостью темпера
1 Определение устойчивости дается в гл. III.
80
туры. Поэтому приведенные данные об изменчивости температуры определяют в подавляющем большинстве случаев и изменчивость плотности.
§ 10. Водные массы Мирового океана
При исследовании физического состояния и динамики вод Ми рового океана оказалось целесообразным рассматривать не отдель ные их физико-химические характеристики (температуру, соле ность, содержание кислорода и др.), а комплексные, которые отра жали бы в определенной мере те процессы, которые протекают в океане. Такой метод, как известно, нашел широкое практическое применение в синоптической метеорологии, которая использует по нятие воздушной массы как комплексной характеристики физиче ского состояния достаточно большого объема воздуха, обладаю
щего однородностью |
значений |
основных |
физических |
параметров |
|
(температуры, |
влажности и др.). |
|
|
||
В океанографии нашло широкое применение идентичное поня |
|||||
тие— в о д н ые |
массы. Согласно ГОСТу, указанному во введе |
||||
нии, под водными |
массами |
понимаются |
большие, |
соизмеримые |
|
с размерами океана (моря) объемы воды, длительное |
время сохра |
няющие относительную однородность основных физических, хими ческих и биологических характеристик, сформированных в опреде ленных географических районах океана. В качестве основных фи зико-химических характеристик при выделении водных масс чаще всего используются их соленость и температура. Дополнительно привлекаются такие характеристики, как содержание газов, щелоч ность, оптические свойства, гидробиологические показатели и дру гие. Однако ограниченность данных о дополнительных характери стиках водных масс заставляет пользоваться в основном характери стиками солености и температуры.
В настоящее время можно указать на следующие основные ме тоды выделения водных масс: метод ГЗ-кривых, метод общего ана лиза, метод выделения по градиентам гидрологических характери стик, метод изопикнического анализа.
Метод ГЗ-кривых. Этот метод предложен Гелланд-Гансеном, а его теория дана В. Б. Штокманом и развита А. В. Ивановым.
Он основан на том, что характеристики температуры и солености водных масс одного и того же происхождения достаточно согласо; ванно располагаются на ГЗ-диаграмме. ГЗ-диаграмма представляет бланк с прямоугольными осями координат — температура — Т и со леность— S, на который могут быть нанесены кривые равного зна чения плотности (изопикны) или удельного объема (изостеры). На эту диаграмму по данным наблюдений на океанографических станциях над соленостью и температурой наносят точки, около ко торых указывается глубина измерений. Точки соединяются плавной кривой и на основе ее анализа судят о характеристике водных масс.
На рис. 2.15 приведен пример анализа ГЗ-кривых при выделе нии водных масс в процессе их вертикального перемешивания.
6 Заказ № 115 |
81 |
Верхняя часть рисунка относится к смешению двух, а нижняя — трех водных масс. Слева даны кривые вертикального распределения
температуры и солености па различных этапах перемешивания — А,.
Б и В.
На рис. 2.15Л показана 75-кривая до начала перемешивания двух однородных водных масс, одна из которых расположена в слое 200—600 м и имеет 7 = 10° С и 5 = 34,8%0, вторая расположена в слое 600—1000 м и имеет Т= 2° С и 5 = 34,0%0. На этом этапе мы видим на диаграмме только две точки.
На рис. 2.15 Б показан первый этап перемешивания, когда слои 200—400 и 800—1000 м еще не охвачены перемешиванием. Точки
Рис. 2.15. rS -соотношения при вертикальном перемешивании водных масс.
Наверху — смешение двух однородных водных масс; внизу — смешение трех однородных водных масс; слева — распределение температуры и солености по вертикали в начальной стадии (Л) и в двух стадиях дальнейшего перемешивания — (Б) и (В); справа — три стадии н перемешивания (Л. Б, В) на TS-диаграмме.
на прямой, соединяющей первоначальные водные массы, относя щиеся к горизонтам 500, 600 и 700 м, характеризуют значения тем пературы и солености водных масс для этих горизонтов на первом этапе перемешивания. Отношение расстояния этих точек от началь ных к общему расстоянию между начальными точками характери зует, в какой пропорции смешаны в данный момент водные массы. Так, например, точка, относящаяся к глубине 500 м, отстоит от на
чальной на |
Следовательно, |
на этой глубине водная масса обра |
||
зована путем |
смешения 12,5% |
воды |
5 = 34,0%о и 7 = 2,0° |
и 87,5% |
воды 5 = 34,8%0 и 7=10,0°. На |
рис. |
2.15В показан более |
поздний |
этап перемешивания.
В нижней части на рис. 2.15 показан аналогичный процесс сме шения трех водных масс. В этом случае 75-кривая (рис. 2.15 В) оказывается более сложной. Однако любую сложную 75-кривую можно заменить ломаной, как показано пунктиром в нижней части рис. 2.15 В. Конечные точки ломаной линии и точка излома опре
82
деляют начальные значения температуры и солености водных масс, участвовавших в перемешивании.
Приведенный на рис. 2.15 пример является идеализированной схемой, показывающей процесс формирования водных масс.
На рис. 2.16 приведены 75-кривая гидрологической станции, вы полненной в Гренландском море в августе 1956 г., и заменяющая ее
ломаная. Конечные точки лома |
|||
ной Я и Д характеризуют значе |
|||
ния температуры и солености по |
|||
лярной |
(7 = —1,2°; 5 = 30,60%о) и |
||
донной |
(7 = —1,10°; |
5 = 34,96%0) |
|
воды соответственно, а точки из |
|||
лома Пр и А — температуру и со |
|||
леность |
двух других |
водных |
|
масс —■промежуточной |
верхней |
||
воды Арктического бассейна (7 = |
|||
= 1,6°; S = 3Zl(700/oo) и |
атлантиче |
||
ской (7 = 3,0°; 5 = 35,00%0). |
|||
Для |
определения |
вертикаль |
|
ных границ между водными мас |
|||
сами достаточно разделить попо |
|||
лам отрезки ломаной ППр, ПрА, |
|||
АД. В приведенном примере эти |
|||
границы |
следующие: |
для поляр |
|
ной водной массы 0—23 м, проме |
|||
жуточной— 23—200 м,атлантиче |
|||
ской — 200—386 м, |
|
донной — |
|
386—1500 м. |
|
|
|
Следует отметить, что метод |
|||
75-кривых непригоден |
для ана |
||
лиза поверхностных |
вод в райо |
нах с заметными годовыми коле |
Рис, 2.16. rS -кривая гидрологической |
баниями температуры и солености, |
|
которые обусловливают конвек |
станции, выполненной в Гренландском |
море (август 1956 г.). |
|
цию и изменение характеристик |
|
водных масс под воздействием внешних факторов. Однако в некото рых районах Мирового океана и, в частности, в зонах конверген ции, где наблюдается достаточно интенсивное горизонтальное пере мешивание благодаря значительным горизонтальным градиентам температуры и солености, также может быть применен метод 75кривых; в этом случае кривая строится по значениям температуры
исолености, измеренным не по вертикали, а вдоль изопикничеекой поверхности.
Метод общего анализа водных масс. Для анализа водных масс
иих трансформации В. Т. Тимофеевым был предложен метод, наз ванный им методом общего анализа. Он основан на использовании 75-кривых с привлечением дополнительных характеристик.
Сущность метода заключается в следующем. На основе анализа данных о температуре и солености, полученных при выполнении
6* |
83 |
гидрологических разрезов, устанавливаются основные типы вод ных масс и их характеристики. Анализ производится на основе построения разрезов, карт географического распределения темпера туры и солености, ГЗ-кривых с учетом распределения других фи зико-химических свойств (pH, 0 2, щелочности и др.).
После установления основных типов водных масс для данного
водоема |
строится |
|
в |
поле |
^-диаграммы |
треугольник |
(треуголь |
|||||||
ники), |
вершинами которого |
(которых) являются средние из экстре |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
мальных величин |
солено |
||||
с о , |
-2 |
О |
2 |
I |
4 |
6 |
8 |
Ю |
сти и |
температуры |
выб |
|||
/°0 |
I |
I I | |
I |
I I |
I |
I I I |
I |
ранных типов вод. Пра |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
вильность выбранных ха |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
рактеристик определяется |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
путем |
нанесения |
на эту |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ГЗ-диаграмму |
отдельных |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
характерных точек по на |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
блюденным крайним зна |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
чениям температуры и со |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
лености |
на гидрологиче |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ских станциях. |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Если |
преобладающее |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
большинство точек распо |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
лагается внутри треуголь |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ника, значение температу |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ры и солености для |
выб |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ранных типов вод опреде |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
лено правильно. Содержа |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ние |
выбранных |
|
типов |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
водных |
масс в вершинах |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
треугольника |
принимает |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ся за 100%. Далее строит |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ся 7Д-номограмма для оп |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ределения процентного со |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
держания типов вод в лю |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
бой точке моря. Пример |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
такой |
|
номограммы |
для |
случая трех водных масс приведен на рис. 2.17.
Здесь Я соответствует полярной водной массе, А — атлантиче ской, Д — донной. Для любой другой водной массы т того же моря наносят на диаграмму точку по ее температуре и солености. На сто ронах треугольника отсчитывается процентное содержание в ней основных водных масс. По определенному таким путем процентному содержанию основных водных масс в различных точках моря и на разных горизонтах строятся вертикальные разрезы процентного со держания основных водных масс и их географическое распределе ние. Такие карты позволяют судить об очагах формирования основ ных водных масс, их перемещении и интенсивности процессов перемешивания.
84
Выделение водных масс по градиентам гидрологических ха рактеристик. В этом методе, предложенном В. К. Агеноровым, водные массы определяются по значениям градиентов гидрологиче ских характеристик. Агеноров выделяет водные массы первого рода, у которых градиент гидрологических характеристик близок к нулю, и второго рода, у которых этот градиент постоянен. При взаимо действии двух водных масс между ними устанавливается линия фронта, по обе стороны от которой располагаются фронтальные зоны, а за ними зоны трансформации.
Фронтальная зона определяется как зона, где наблюдается рост градиента гидрологической характеристики, а фронт — как линия с максимальными градиентами гидрологической характеристики.
Метод может оказаться полезным при исследовании зон сопри косновения водных масс: зоны сходимости (конвергенции) и расхо димости (дивергенции) течений.
Метод изопикнического анализа водных масс, предложенный А. Е. Парром, основан на предположении, что движение вод проис ходит вдоль поверхностей равных значений плотности — изоиикнических поверхностей. Поэтому, выбрав определенную характери стику водной массы (соленость, содержание кислорода, щелочность и др.), называемую отождествительным свойством, и исследуя ее изменения в пространстве вдоль изопикнической поверхности, мо жно установить траекторию движения водной массы, определить границы между водными массами различного происхождения и су дить о степени их перемешивания.
Вместе с определенными преимуществами этот метод обладает и известными недостатками. Так, например, позволяя определи!ь истинные траектории движения частиц, он нс дает возможности су дить об их скорости. Далее, учитывая, что в процессе анализа ис пользуется только одно отождествительное свойство, метод позво ляет определить географическое распределение только двух типов водных масс, обладающих максимальным и минимальным значе ниями отождествительного свойства. Между тем, каждая из этих двух типов водных масс может, в свою очередь, быть результатом смешения других водных масс, установить которые рассматривае мым методом не представляется возможным. Для устранения по следнего недостатка В. Т. Тимофеевым был предложен прием вы деления первоначальных водных масс на основе изопикнического анализа с использованием ^-диаграмм, применяемых в методе об щего анализа водных масс.
Основные типы водных масс Мирового океана. Различие в ме тодах анализа водных масс приводит и к различию в определении типов водных масс реального моря или океана и их характеристик. Это тем более логично, что само понятие водной массы в известной мере условно, а поэтому ее характеристики будут зависеть от при нятого определения водной массы и выбранного параметра для ее оценки. Так, например, применяя метод изопикнического анализа, можно выделить только два типа водных масс в рассматриваемом районе, а если исходить из метода градиентов гидрологических
85
характеристик, нельзя проводить анализы водных масс в случае переменной величины градиента гидрологической характеристики.
При выделении водных масс морей и океанов чаще используется метод ТЗ-кривых и тесно с ним связанный метод общего анализа водных масс. Метод пзопикнического анализа используется обычно для исследования перемешивания и динамики водных масс, а не для их выделения.
В самом общем виде водные массы можно разделить на два типа. К первому типу относятся теплые поверхностные воды, охва тывающие слой, в котором наблюдается годовой ход физико-хими
ческих характеристик водной |
массы, |
называемый, по |
аналогии |
|
с атмосферой, о к е а н и ч е с к о й т р о п о с ф е р о й . |
|
|||
Ко второму типу относятся холодные глубинные и донные воды, |
||||
заполняющие всю остальную часть океана, |
называемую о к е а н и |
|||
ч е с к о й с т р а т о с ф е р о й . |
Деление |
на |
тропосферу |
и страто |
сферу применимо только для районов низких и умеренных широт. В высоких широтах (в полярных и субполярных районах) холодные воды выходят на поверхность. Двигаясь в сторону экватора, они встречаются с теплыми водами, следующими к полюсам, и благо даря большей плотности погружаются на глубины. В субтропиче ских зонах отмечается опускание и теплых, но более соленых вод, которые также оказываются более плотными. Опускание и переме шивание поверхностных вод приводит к формированию глубинных и придонных вод умеренных и высоких широт. Зоны встречи течений н опускания вод — зоны к о н в е р г е н ц и и (сходимости) показаны на карте поверхностных течений, приведенной в приложении 9.
Зоны конвергенции тесно связаны с о к е а н о г р а ф и ч е с к и м и ф р о н т а м и , которые, так же как и атмосферные фронты, пред ставляют собой зоны раздела между водными массами с различ ными свойствами.
В зонах фронтов отмечаются наибольшие вертикальные гради енты температуры и солености, а следовательно, и плотности воды, заметные вертикальные течения, направленные вниз.
На рис. 2.18 представлено распределение температуры, солено сти и плотности на вертикальном разрезе в зоне фронта. Так как в океане не может происходить только опускание вод, а должен су ществовать и компенсационный подъем вод, то наряду с зонами конвергенции отмечаются и зоны дивергенции (расходимости) те чений, где осуществляется подъем вод. В открытых частях океанов (см. приложение 9), зоны дивергенции выражены слабее. В связи с этим следует полагать, что более интенсивный подъем вод проис ходит у берегов континентов, что подтверждается наблюдаемыми резкими понижениями температуры воды вдоль некоторых из них.
В отличие от метеорологических фронтов и воздушных масс океа нические фронты и водные массы отличаются стабильностью гео графического положения. Характер вертикального распределения температуры и солености вод океанов позволяет выделить в средних и низких широтах следующие водные массы: поверхностные, подпо верхностные, промежуточные, глубинные и донные.
86
Рис. 2.18. Распределение температуры /, солености S, плотности СГ( и ано малий удельного объема в 105 на разрезе, указанном в левой нижней части рисунка, перпендикулярно Гольфстриму, по данным наблюдений экспедиции
«Атлантика (19—23 IV 1932 г.).
Ввысоких широтах водные массы, как отмечено выше, отли чаются достаточно большой однородностью значений температуры
исолености по вертикали. Тем не менее и в этих районах можно выделить характерные водные массы.
ВАрктическом бассейне В. Т. Тимофеев выделяет три типа вод ных масс: арктическую (поверхностную), атлантическую (глубин ную) и донную. Арктическая водная масса охватывает слой 0—50 м
и характеризуется значениями температуры от —1,65 до —1,75° С и значениями солености менее 32,0%0.
Атлантическая водная масса располагается в слое от 50 до 2000—2500 м и имеет четко выраженный максимум температуры на горизонте 300—400 м, составляющий в приатлантической части бас сейна 2,0-^3,0° С, а в притихоокеанской +0,5-1-0,6° С при солености всей толщи воды 34,7—34,9'%о- Донная водная масса заполняет ос тальную часть бассейна и имеет температуру около —0,80° С и со леность около 34,90%о.
Для других океанов первая общая характеристика водных масс дана Г. Свердрупом, а затем Г. Дитрихом и В. Н. Степановым.
В настоящее время наиболее полной является характеристика вод Мирового океана, данная О. И. Мамаевым, основные выводы которого приведены ниже. Классификация водных масс дана им на основе анализа обобщенных ^-соотношений вод океана.
Обобщенные 75-соотношения вод океана — соотношения, кото рые рассматриваются ниже, представляют основной материал для 75-анализа в том смысле, что являются основой для дальнейшего изучения вод и картирования их характеристик: вертикальной и го ризонтальной протяженности, путей распространения, процентного соотношения и других показателей взаимодействия, количествен ного сопоставления результатов термохалинного анализа с другими показателями динамики вод, а также со «вторичными» признаками вод (скажем, с распределением различных форм планктона и его биомассой). Наконец, весьма важной задачей является определение по обобщенным типам 75-кривых коэффициентов вертикального и горизонтального турбулентного перемешивания. Знание таких ко эффициентов совершенно необходимо для изучения планетарных процессов обмена теплом и солями и последующего решения других геофизических и географических проблем. Имея в виду связь между 75-диаграммой и коэффициентами обмена, можно сказать, что ко эффициенты обмена являются своеобразным параметром состояния природных вод океана и каждой точке 75-диаграммы соответствует по крайней мере одно значение коэффициента, привязанного, в свою очередь, к определенному типу 75-кривой.
Затрагиваемый вопрос не нов. Как отмечено выше, обобщенные 75-соотношения водных масс Мирового океана (исключая припо верхностный 100-метровый слой) были определены Свердрупом и Дитрихом. Эти диаграммы показаны в приложениях 3 и 4 соответ ственно. Известные 75-соотношения Свердрупа показаны на диа грамме области, где укладываются основные типы 75-крнвых Ми рового океана; по приложению 3 можно отметить тот или иной вид
88
определенной 75-кривой в разных районах океана. Однако схема Свердрупа страдает известным недостатком, так как не охватывает целых групп 75-кривых между основными типами и соответствую щих районам, переходным по отношению к тем, указания на кото рые имеются на рисунке. Для характеристики указанного недо статка приведем такой пример: область центральных вод восточной части северной половины Тихого океана переходит, если следовать по меридиану, па юг, в область экваториальных вод; этому «пере ходу» соответствует постепенное, плавное изменение формы ^ -к р и вой от одного типа к другому даже при переходе через фронтальные области. Однако на схеме Свердрупа между типовыми 75-полосами имеется значительный разрыв, и неясно, какую форму принимают «промежуточные» 75 -кривые.
Осредненная 75-диаграмма Дитриха (приложение 4) в извест ной мере устраняет отмеченные недостатки диаграммы Свердрупа, так как в 75-области, соответствующей каждому из океанов, укла дываются все возможные для этих областей 75-кривые. Однако картина слишком генерализована, и мы лишаемся возможности судить об их форме, так как основные типы здесь не определены, и в пределах каждой из заштрихованных 75-областей мы можем, вообще говоря, вообразить 75-кривую любой формы. Конечно, схема Дитриха тоже подсказывает нам преобладающую конфигу рацию 75-кривых, однако, глядя, например, на 75-область, соот ветствующую Индийскому океану, с трудом можно представить себе вероятность почти 75-прямой, характерной для водных масс юж ной части Бенгальского залива, где с глубиной наблюдается почти полная гомохалинпость.
В работе В. II. Степанова рассматриваются основные типы структур вод Мирового океана, проводится их классификация, а также приводятся типовые 75-кривые, соответствующие основ ным структурам.
Таким образом, представляется необходимым уточнение кар тины 75-соотношений основных водных масс; на них, помимо основ ных «вееров», «пучков» и других совокупностей 75-кривых, должны быть изображены и термохалинные индексы (значения температуры и солености) первоначальных водных масс (в том числе и «точеч ных»), а также основные треугольники смешения, чтобы анализ 75-соотношений можно было существенно дополнить выводами, следующими из аналитических теорий 75-кривых. Кроме того, не обходима известная систематизация 75-индексов основных водных масс. Эта задача была решена О. И. Мамаевым.
Видоизмененные 75-соотношения основных водных масс Атлан тического, Индийского, Тихого и Южного океанов, построенные О. И. Мамаевым, даны в приложениях 5—8 соответственно. В ос нову этих обобщенных 75-соотношений положена схема Свердрупа (приложение 3), и в известной степени они могут рассматриваться как модификация последней. Кроме того, при построении этих соот ношений, помимо 75-диаграммы Свердрупа, были использованы се
89