ОКЕАНОЛОГИЯ, 2007, том 47, № 1, с. 49-58
= ФИЗИКА МОРЯ
УДК 551.465
ЭФФЕКТИВНОСТЬ КАСКАДИНГА ПЛОТНЫХ ШЕЛЬФОВЫХ ВОД НА МАТЕРИКОВОМ СКЛОНЕ АРХИПЕЛАГА СЕВЕРНАЯ ЗЕМЛЯ В МОРЕ ЛАПТЕВЫХ И ВОЗМОЖНОСТЬ ВКЛАДА В ВЕНТИЛЯЦИЮ ПРОМЕЖУТОЧНЫХ ВОД КОТЛОВИНЫ НАНСЕНА
© 2007 г. П. Н. Головин
Государственный научный центр Российской Федерации арктический и антарктический научно-исследовательский институт, Санкт-Петербург
Поступила в редакцию 16.05.2005 г., после доработки 07.02.2006 г.
Целевые системные натурные исследования гидрологических процессов в районе материкового склона архипелага Северная Земля (СЗ) в море Лаптевых, выполненные в виде последовательных полигонных съемок в осенне-зимне-весенний период, позволили идентифицировать сток плотных (холодных) шельфовых вод на склоне (каскадинг) и определить его пространственно-временную изменчивость [2]. В основу оценок элементов склоновой конвекции шельфовых вод - каскадинга были положены результаты лабораторных и теоретических исследований стока плотных вод на наклонном дне во вращающейся жидкости с источниками различной конфигурации. Оказалось, что в основном каскадинг плотных шельфовых вод на материковом склоне СЗ соответствует гладкому (геострофическому) режиму, однако анализ некоторых термохалинных и плотностных разрезов указывает на возможность развития волно-вихревого режима каскадинга и/или возникновения быстрых гравитационных волн в верхней части материкового склона. Наиболее репрезентативная оценка вклада каскадинга плотных шельфовых вод в северной части материкового склона СЗ в вентиляцию промежуточных вод котловины Нансена за пять зимних месяцев составляет -0.0614 Бу.
ВВЕДЕНИЕ
Натурные исследования 80-90х гг. прошлого века, которые проводились в окраинных арктических морях и Арктическом бассейне, подтвердили важность процесса стока плотных зимних шельфовых вод по материковому склону (каскадинга) в формировании циркуляции (вентиляции) промежуточных и донных вод в Арктическом бассейне [24-27]. Обобщенные выводы в этих исследованиях делались на основании единичных гидрологических разрезов, исключение составляют комплексные наблюдения в море Бофорта [20]. В связи с этим несомненный интерес представляет анализ целевых системных натурных исследований склоновых процессов в море Лаптевых в районе архипелага Северная Земля (СЗ), выполненных в виде четырех мезомасштабных гидрологических полигонов, один - осенью 1984 г. и три -весной 1985 г. [1, 2]. Они состоят из 25-35 станций -разрезы поперек материкового склона (см. рис. 1). Мезомасштабное пространственное разрешение не позволяет достаточно достоверно исследовать мелкомасштабную динамику вод на материковом склоне (в придонном погранслое). Тем не менее на основе этих натурных данных можно проанализировать: возможность или невозможность возникновения каскадинга плотных шельфовых вод на склоне; интенсивность и результат процес-
са каскадинга в зависимости от крупномасштабных гидрометеорологических и топографических факторов; пространственно-временную изменчивость и термохалинные особенности каскадинга, что и было выполнено в [1, 2]. Кроме того, эти натурные данные позволяют впервые сделать оценки некоторых элементов каскадинга на материковом склоне котловины Нансена в море Лаптевых (см. рис. 1), опираясь на результаты лабораторных [3, 5, 6, 8, 17, 30] и численных экспериментов [15, 28, 32] по исследованию гравитационных течений на наклонном дне во вращающейся жидкости.
Источник образования плотных шельфовых вод, которые участвуют в вентиляции промежуточных и глубинных вод в Южном океане и в Арктическом бассейне, является протяженным (фронтальным) вдоль бровки шельфа [7, 11, 12, 25, 26]. В Арктике, в частности - в районе СЗ, формирование фронта плотных вод на шельфе происходит в течение всего зимнего периода по мере достижения конвекцией все больших глубин и резко усиливается при периодическом вскрытии заприпайных полыней [19]. По мере накапливания плотной воды на шельфе во фронтальной зоне может возникать бароклинная неустойчивость, поэтому она носит сложный изрезанный (меандрирующий) характер [31-33]. Часть плотных вод может отрываться, распространяясь вниз
90° 100° 110°в.д.
Рис. 1. Схема гидрологических станций иа полигонах в районе материкового склона архипелага Северная Земля в море Лаптевых, выполненных осенью (октябрь) 1984 г., зимой (март-апрель) и весной (май) 1985 г. (см. [2]).
по шельфу и склону в виде придонного плотност-ного течения, как это наблюдается в море Бофорта [20]. В районе СЗ подобный сток плотных вод из мелководных частей шельфа к бровке шельфа под сезонным пикноклином начинается уже осенью (см. рис. 5 в [2]).
Зимний каскадинг в районе СЗ проявляется в первую очередь в термохалинных полях в виде повсеместного "отсечения" теплых атлантических вод от склона холодными и несколько менее солеными шельфовыми водами (см. рис. 7, 9, 10 в [2]). Однако чаще наблюдается не сам каскадинг, а его результат, который отражается в виде изо-пикнических термохалинных интрузий или линз более холодной воды в толще теплых атлантических вод или в главном термоклине (различие в температуре может достигать 1°С) на фоне гладкого горизонтального поля плотности, особенно в южной части СЗ, где шельфовые воды подтекают вниз под сохранившийся в течение зимы сезонный хало-пикноклин по пологому глубоководному плато на глубинах Н8 - 300-500 м (см. рис. 10 в [2]).
В северной части СЗ (см. рис. 1), где топографические и гидрометеорологические условия образования плотных шельфовых вод более благоприят-
ные [2] термохалинные особенности каскадинга выражены ярче, а в поле плотности на бровке шельфа и в верхней части склона наблюдается горизонтальный градиент плотности (см. рис. 7, 8, 9 в [2]). Его наличие является еще одним из признаков, позволяющим говорить о существовании склонового каскадинга плотных шельфовых вод по данным натурных наблюдений [16, 29, 32]. Периодическая неустойчивая деформация фронта плотных вод и последующий их сток по шельфу и склону проходит на фоне постоянного геострофического приспособления. При взаимодействии с теплыми атлантическими водами результат зимнего каскадинга проявляется в виде: интрузи-онного расслоения в толще вод на бровке шельфа, термохалинной деформации верхней границы атлантических вод и последующего компенсационного апвелинга, которые наблюдаются при анализе пространственно-временной изменчивости термохалинных и плотностных полей в районе СЗ (см. рис. 9 в [2]). Подобный анализ, проведенный в [1, 2], впервые дает дополнительные основания для идентификации каскдинга при мезомас-штабном пространственном разрешении натурных наблюдений, хотя при анализе единичного разреза может возникать неопределенность.
7 8 9 10 6 7 8 9 10
№ ст. № ст.
Рис. 2. Разрезы температуры и плотности поперек материкового склона в районе архипелага Северная Земля в море Лаптевых в апреле 1985 г. (а и б) и в мае 1985 г. (в и г). Стрелками показаны возможные движения в плоскости разреза, обусловленные различными процессами в районе материкового склона, в том числе и каскадингом плотных и холодных шельфовых вод (а и б).
0
-100-: -200-300-S -400-g -500-ю -600£ -700-800-900-1000
0
—100: -200 -300-400 ^ -500600
(а)
Температура,°С, апрель 1985 г. -?-г
(б)
Плотность, кг/м3, апрель 1985 г.
а
н
i -700-^ -800-900-1000-
(в)
Температура,°С, май 1985 г.
0
-100 -200 -300400 500-
(г)
Плотность, кг/м3, май 1985 г.
Данная статья посвящена оценке некоторых элементов каскадинга плотных шельфовых вод на материковом склоне СЗ в море Лаптевых, а также оценке его возможного влиянии на вентиляцию промежуточных вод котловины Нансена.
ПРИМЕНЕНИЕ НЕКОТОРЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ ЛАБОРАТОРНЫХ И ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ СТОКА ПЛОТНЫХ ВОД НА НАКЛОННОМ
ДНЕ ВО ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ЖИДКОСТИ ДЛЯ ОЦЕНОК ЭЛЕМЕНТОВ СКЛОНОВОГО КАСКАДИНГА ПЛОТНЫХ ШЕЛЬФОВЫХ ВОД ПО ДАННЫМ НАТУРНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ
Во многих лабораторных экспериментах для исследования динамики стока плотных вод на наклонном дне использовались точечные постоянные источники плавучести на конусе, на вершине конуса или на плоском склоне [4, 5, 6, 30, 34]. Од-
нако параметризации гравитационных течений на склоне полученные в этих лабораторных исследованиях, качественно согласуются с подобными параметризациями, но для протяженного источника плавучести на вершине плоского склона [8, 9, 17, 21]. Очевидно, что этот аспект в сравнении результатов различных лабораторных исследований между собой является важным при их применении для оценок элементов склонового каскадинга плотных вод на основе данных натурных наблюдений.
В соответствии с результатами лабораторных экспериментов [5, 6, 10, 17, 21, 30] сток плотных вод по наклонному дну начинается в виде баро-клинного фронта или плюма (гравитационного течения) плотных вод в зависимости от типа источника (протяженного или точечного соответственно) с преобладающей геострофической составляющей скорости распространения вдоль изобат (или вдоль кромки шельфа). При этом основной поток плотной жидкости (плавучести)
вниз по склону осуществляется в придонном эк-мановском слое - ке — (2у//)05 [6], или в слое с толщиной не более 1.8ке, особенно в квазистационарном состоянии [28, 29]. Здесь, для натурных условий V ~ 5 х 10-3-10-2 м2/с - вертикальный коэффициент турбулентной вязкости [29, 32],/— — 1.4 х 10-4 с-1 - параметр Кариолиса для района моря Лаптевых. Таким образом, ке — 12 м, следовательно, 1.8ке — 18 м.
При существовании горизонтального градиента плотности на бровке шельфа или в верхней части склона, т.е. при существовании горизонтально протяженного (или локального) вдоль бровки шельфа фронта плотных вод физически значимым горизонтальным масштабом нестационарного начального движения после неустойчивости фронта (или плю-ма) плотных вод на наклонном дне является внутренний радиус деформации Россби [30]:
—. (1)
Здесь 5 — tg 0 — АН/Ь - уклон дна, АН - разность глубин между изобатами, а Ь - горизонтальное расстояние между изобатами по нормали; £ = = (Ар^/р)^ - редуцированное ускорение свободного падения, Арх = |рс - р5| - горизонтальный перепад плотности поп
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.