ОКЕАНОЛОГИЯ, 2014, том 54, № 5, с. 594-604
= ФИЗИКА МОРЯ
УДК 551.465
ПРИМЕНЕНИЕ МОДЕЛЕЙ ИНТЕРЛИВИНГА ДЛЯ ОПИСАНИЯ ИНТРУЗИОННОГО РАССЛОЕНИЯ НА ФРОНТАХ ГЛУБИННОЙ ПОЛЯРНОЙ ВОДЫ ЕВРАЗИЙСКОГО
БАССЕЙНА (АРКТИКА)
© 2014 г. Н. П. Кузьмина1, Н. В. Журбас1,2, М. В. Емельянов3, М. Л. Пыжевич4
1Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва, Россия 2Московский физико-технический институт, Москва, Россия 3Институт морских наук, Барселона, Испания 4Московский автодорожный институт, Москва, Россия e-mail: kuzmina@ocean.ru Поступила в редакцию 18.03.2013 г., после доработки 09.12.2013 г.
Модели интерливинга чисто термохалинной и бароклинной фронтальных зон применяются для описания интрузий на фронтах, зарегистрированных в верхней области слоя Глубинной Полярной воды (ГПВ) при абсолютно устойчивой стратификации. Предполагается, что основным механизмом образования интрузий является дифференциальное перемешивание. Рассчитываются важные параметры интерливинга, такие как скорость роста, вертикальный масштаб и наклон максимально неустойчивых мод к горизонтали. Получено, что модель интерливинга для чисто термохалинного фронта удовлетворительно описывает важные параметры наблюдавшихся во фронтальной зоне интрузий. В случае бароклинного фронта удовлетворительное согласие по всем параметрам расслоения между расчетами по модели и наблюдениями достигается при условии, если вертикальный коэффициент обмена импульсом значительно превышает соответствующий коэффициент обмена массой. При определенных (разумных) ограничениях на величину вертикального коэффициента импульсом максимально растущая мода имеет вертикальный масштаб приблизительно в два—три раза меньше толщины наблюдавшихся на бароклинном фронте интрузий. Представлена подробная дискуссия полученных результатов.
DOI: 10.7868/S0030157414050104
1. ВВЕДЕНИЕ
Анализ гидрологических параметров фронтальных зон на основе большого объема СТЭ-данных, представленный в [6, 10], показал, что верхняя часть слоя Глубинной Полярной воды (ГПВ)
Евразийского бассейна изобилует фронтами, которые могут характеризоваться интенсивным ин-трузионным расслоением и иметь различную тер-мохалинную структуру: так, в [10] были описаны бароклинные фронты, фронты смешанного типа и чисто термохалинные фронты. Учитывая, что фронты являются зонами раздела различных водных масс, описание интрузионного расслоения представляется важным для изучения процессов перемешивания в океане и вентиляции океанского термоклина (см., например, [3, 9, 15]).
В отличие от интрузионного расслоения верхнего слоя Евразийского бассейна, которое, как правило, регистрируется в условиях стратификации, неустойчивой по температуре или солености, интенсивное интрузионное расслоение в слое ГПВ в диапазоне глубин ~600—1300 м наблюдается в условиях абсолютно устойчивой стра-
тификации [10, 16, 17]. В связи с этим, классические линейные модели интерливинга (см., например, [5, 19, 20]) с параметризацией двойной диффузии в данном случае не применимы. Более того, так как двойная диффузия при абсолютно устойчивой стратификации может явиться причиной расслоения фронта только в случае интенсивных начальных возмущений, создающих инверсии на вертикальных профилях температуры и солености, маловероятно, что инициация неустойчивости фронта благодаря действию двойной диффузии является типичной для всей верхней области слоя ГПВ. К другим механизмам расслоения фронта (подробнее см. [6, 10]) можно отнести дифференциальное перемешивание. Действительно, незначительное превышение диффузии тепла над диффузией соли в слаботурбулентной среде может привести к неустойчивости фронта даже при малых начальных возмущениях поля температуры и солености.
Модель интерливинга с параметризацией дифференциального перемешивания впервые была применена к описанию интрузий, которые наблюдались в зоне чисто термохалинного арктического
фронта, Меррифилдом [14]. Расчеты показали хорошее согласие между вертикальным масштабом максимально неустойчивой моды и средней толщиной интрузий. Однако интрузии больших вертикальных масштабов наблюдаются и на баро-клинных фронтах верхней области слоя ГПВ [6, 10]. Интересный пример расслоения бароклинно-го фронта, наблюдающегося в условиях абсолютно устойчивой стратификации, приведен в работе [10]. Авторы данной работы обратили внимание на то, что наклон интрузий к горизонтали превышает соответствующий наклон изопикнических поверхностей. Этот эмпирический факт был объяснен на основе двумерной модели интерливинга бароклинного фронта в предположении, что вертикальный обмен обусловлен дифференциальным перемешиванием.
Теоретические рассмотрения [10] применялись также и для оценивания коэффициентов обмена на чисто термохалинном фронте, подробные исследования которого представлены в [6]. В обоих случаях основным параметром сравнения результатов теории и натурных данных являлся наклон максимально неустойчивой моды к горизонтали и в соответствие с ним — наклон наблюдаемых интрузий. Однако важным параметром является также вертикальный масштаб максимально растущей моды, которому соответствует толщина интрузии. В связи с этим данная работа посвящена расчетам всех важных параметров интерливинга на основе моделей неустойчивости чисто термохалинной и бароклинной фронтальных зон применительно к эмпирическим результатам наблюдения фронтов, подробно описанных в [6, 10].
2. КРАТКОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ЭМПИРИЧЕСКИХ ДАННЫХ
Для удобства изложения дальнейшего материала представим здесь в общих чертах характеристики чисто термохалинного и бароклинного фронтов, оцененные на основе эмпирического анализа [6, 10].
CTD-данные были получены во время проведения международных полярных экспедиций на судах "Polarstern" в 1996 (PS-96) и "Oden" в 1991 (Oden-91) годах. Измерения были выполнены зондом Нила Брауна (Neil Brown Mark III b). Подробнее с описанием данных можно ознакомиться в работах [7, 8, 17, 18].
Пример чисто термохалинного фронта. На рис. 1 представлены сглаженное (вверху) и несглажен-ное поля солености, построенные на основе станций 27—38 (экспедиция Oden-91). Сглаженное поле было построено на основе осредненных профилей солености, которые были получены с
помощью низкочастотной фильтрации с параметром фильтра 100 м.
Согласно рис. 1 (нижний фрагмент), характерный вертикальный масштаб прослойки (область возмущения, где соленость увеличивается с глубиной) равен приблизительно 10 метрам, толщина слоев (область возмущения, где соленость уменьшается с глубиной) в некоторых случаях достигает 30 метров.
Оценивание гидрологических параметров, проведенное в [6], показало, что фронт, зарегистрированный на станциях 32—34, является практически чисто термохалинным (бароклинность в зоне фронта мала). В этой же работе на основе анализа Т, ¿-диаграмм получено, что теплые и соленые (пресные и холодные) интрузии, пересекая изопикны под малыми углами, заглубляются (поднимаются) относительно изопикнических поверхностей в соответствии с предположением о механизме дифференциального перемешивания.
Пример бароклинного фронта. На рис. 2 представлены разрезы поля солености (верхний фрагмент — среднее поле; параметр фильтра — 100 метров; нижний фрагмент — несглаженное поле) в диапазоне глубин 600—1050 м для станций 36—50, выполненных в экспедиции Р8-96.
На резких фронтах в области абсолютно устойчивой стратификации (800—1050 м) наблюдается интенсивное интрузионное расслоение. Вертикальный масштаб высокоградиентных прослоек (где соленость возрастает с глубиной) равняется 10 м, в то время как слабоградиентные слои (где соленость спадает с глубиной) имеют толщины, приблизительно в три раза большие (30—40 м).
Когерентность интенсивных интрузий в области абсолютно устойчивой стратификации особенно высока на станциях 40—42. Согласно эмпирическому анализу [6, 10], интрузии, зарегистрированные на этих станциях, пересекают изопикнические поверхности, причем теплые и соленые (холодные и пресные) интрузии по мере продвижения через фронтальную зону между двумя водными массами становятся более (менее) плотными. При этом угол наклона интрузий к горизонтали превышает соответствующий угол наклона изопикнических поверхностей.
По оценкам гидрологических параметров, представленных в [6, 10], фронт, зарегистрированный на станциях 40—42 ниже 800 метров, является существенно бароклинным (соленостным) с преобладающим вкладом температуры в среднее вертикальное распределение плотности.
3. ПРИМЕНЕНИЕ МОДЕЛЕЙ К ОПИСАНИЮ ИНТРУЗИЙ НА ФРОНТАХ
Для описания интрузионного расслоения на рассмотренных выше фронтах будем использо-
38 36 34 32 30 28
800 900
1000
1100 И, м
0 100 200 300 400 500 600 700 800 Ь, км
800
900
1000
1100 И, м
Ь, км
Рис. 1. Осредненное (вверху) и неосредненное (внизу) поля солености в зависимости от расстояния Ь и глубины И; разрез 0(!еп-91. Расположение СТО-станций показано на разрезе осредненного поля солености (верхняя ось абсцисс). Термохалинный фронт располагается в пределах станций 32—34.
к* — эффективный коэффициент турбулентного перемешивания; и, V — компоненты возмущений
горизонтальной скорости; п = 10-6 м2/с, кт = 1.4 х х 10-7 м2/с, к8 = 1.5 х 10-9 м2/с — молекулярные коэффициенты вязкости, диффузии тепла и соли соответственно; а — коэффициент теплового расширения морской воды; Рг — число Прандтля, характеризующее отношение между турбулентно/волновым обменом импульсом и турбулентной диффузией тепла; Т и р — возмущения температуры и плотности воды соответственно; г — вертикальная координата.
В термоклине, где турбулентность имеет перемежающийся характер, коэффициент к* может быть больше или меньше молекулярного коэффициента тепла кт. Действительно, если эффективный коэффициент диффузии тепла Кт — кт + к* значительно превышает кт, то должно выполняться условие к* > кт, но если коэффициент Кт близок по величине к коэффициенту кт, то имеет место следующее неравенство к* < кт.
Если задать коэффициент к* в виде некоторой степенной функции, обратно пропорциональной
вать модифицированные для случая дифференциального перемешивания 3Э-модель неустойчивости чисто термохалинного
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.