|
НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМIЯ НАУК УКРАЇНИ
МОРСЬКИЙ ГІДРОФІЗИЧНИЙ ІНСТИТУТ
Ефремов Олег Iванович
УДК 551.465.15
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ
СПЕКТРАЛЬНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТОНКОЇ
ТЕРМОХАЛИННОЇ СТРУКТУРИ ВОД ОКЕАНУ
04.00.22 - геофізика
АВТОРЕФЕРАТ
Дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата фізико-математичних наук
Севастополь - 1999
Дисертація є рукописом.
Робота виконана в Морському гідрофізичному інституті Національної Академії наук України
Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор Пантелеєв Микола Олександрович, Морський гідрофізичний інститут НАН України, завідувач відділу турбулентності
Офіційні опоненти:
доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Богуславський Сергій Григорович, Експериментальне відділення Морського гідрофізичного інституту НАН України, головний науковий співробітник;
кандидат фізико-математичних наук Запевалов Олександр Сергійович, Севастопольський інститут ядерної енергії і промисловості Міністерства енергетики України, старший науковий співробітник
Провідна установа:
Одеський гідрометеорологічний інститут Міністерства освіти України м. Одеса
Захист відбудеться "24" грудня 1999 р. в14 год.00 хв.
на засіданні Спеціалізованої вченої ради Д 50.158.02 при Морському гідрофізичному інституті Національної Академії наук України
(99000, Севастополь, вул. Капітанська, 2)
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Морського гідрофізичного інституту Національної Академії наук України
Автореферат розісланий "18" листопада 1999 р.
Вчений секретар Спеціалізованої вченої ради
доктор фізико-математичних наук
О.М. Суворов
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ДИСЕРТАЦIЇ
Актуальнiсть. Тонка вертикальна структура гiдрофiзичних полiв в океанi мiстить iнформацiю про характеристики динамiчних процесiв, що беруть участь в її формуваннi. До числа таких вiдносяться внутрiшнi хвилi, адвективнi рушення i конвекцiя, що породжуються подвiйною дифузiєю. Однак впливи рiзних структуроутворюючих механiзмiв в кожнiй точцi профiлiв температури, солоностi i щiльностi пiдсумовуються складним, хаотичним чином, що утрудняє процес аналiзу. Труднощi урахування впливiв рiзних структуроутворюючих процесiв i впливу фонових умов приводять до того, що до теперiшнього часу лабораторне i чисельне моделювання в дослiдженнях тонкої структури океану мають обмежене застосування. Данi ж натурних вимiрювань, в переважнiй бiльшостi своїй у виглядi зондувань рiзними приладами, продовжують нагромаджуватися i представляють обширний матерiал для дослiджень.
Оскiльки зондування є одним з самих простих i малокоштовних видiв океанографiчних робiт, представляється важливим i своєчасним розвиток методiв, що дозволяють найбiльш повно використовивати результати вимiрювань, зокрема, для вивчення дрiбномасштабних динамiчних процесiв в океанi.
До теперiшнього часу головнi досягнення в цьому напрямi зводилися до розробки методiв класифiкацiї типiв тонкої вертикальної структури на основi деяких її параметрiв, фiксуючих вiдносну роль рiзних динамiчних чинникiв у формуваннi тонкоструктурних неоднорiднiстей. Класифiкацiя виконується на якiсному рiвнi, по мiри близькостi структури, що спостерiгається до тому або iншому модельному типу.
Звґязок роботи з науковими програмами, планами, темами. Змiст дисертацii цiлком вiдповiдає тематиці і напряму досліджень, що виконувалися протягом багатьох літ відділом турбулентності МГI НАН України, зокрема, в рамках:
Загальносоюзної комплексної програми досліджень і використання Світового океану (проект "Розрізи" 01.01.NР 0191.0044391);
Національної програми досліджень і використання ресурсів Азово-Чорноморського басейну, включеної до відомчого плану Національної Академії Наук України з фундаментальних досліджень ( проекти "Чорне море" N ДР 0195U012256 і "Динаміка екосистем" N ДР 0194U044413).
Мета роботи - створення методики, що дозволяє провадити кiлькiснi дослiдження дрiбномасштабних динамiчних процесiв, спираючись лише на матерiали вертикальних зондувань, а також вивчення за допомогою розробленої методики характеристик вертикального перемiшування, здiйснюваного вказаними процесами.
Основнi задачi, що вирiшуються в роботi:
- вивчення впливу аппаратурних перешкод на спектри тонкоструктурних флуктуацiї i розвиток тонкоструктурного пiдходу до оцiнки якостi зондiв, для використання при обробцi первинних даних вимiрювань;
- створення методики статистiчного роздiлення тонкоструктурних флуктуацiй за їх походженням, на основi сукупного аналiзу спектрiв температури, солоностi i щiльностi;
- розробка для цiлей порiвняння з експериментальними даними двокомпонентної слаботурбулентної моделi спектру пiднесень дрiбномасшабних внутрiшнiх хвиль;
- розробка програми одночасної спектральної обробки рядiв температури, солоностi i умовної потенцiйної щiльностi, що є базою для подальших модельних розрахункiв;
- проведення обробки масивiв зондувань в океанському термохалоклинi i в шарi чорноморських вод, розташованому нижче лiтнього мiнiмуму температури.
Наукова новизна роботи полягає в наступному:
- показано, що для порiвняння з тонкоструктурними даними придатна розроблена складена модель енергетичного спектру дрiбномасштабних внутрiшнiх хвиль, що являє собою комбiнацiю рiзних слаботурбулентних розподiлiв;
- показано, що сукупний аналiз спектрiв температури, солоностi i щiльностi дозволяє статистично видiлити кiлькiснi внески адвекцiї, внутрiшнiх хвиль i дводифузiйної конвекцiї у вiдповiдни тонкоструктурнi дисперсiї;
- аналiз спiввiдношення нахилiв спектрiв адвекцiї i сольових пальцiв в океанському термохалоклинi в середньому пiдтверджує можливiсть параметризацiї пальцьових потокiв тепла i солi з допомогою формальних коефiцiєнтiв дифузiї;
- показано, що хвилi компенсацiйного спектру в океанському термохалоклинi схильнi до додаткового дисипацiйному впливу конвекцiї сольових пальцiв, а ефективна в'язкiсть для хвиль колмогоровського спектру включає ще i складову хвильового перемiшування за рахунок бiльш дрiбномасштабних компонентiв з компенсацiйного iнтервалу;
- визначенi параметри середнього спектру хвильових пiднесень в океанському термохалоклинi;
- визначенi параметри хвильового спектру стометрового шару чорноморських вод, розташованого нижче лiтнього мiнiмуму температури; показано, що хвильова активнiсть в центральнiй частинi моря менше, нiж в окрайних областях.
Практична значущiсть роботи обумовлюваеться значною методичною цiннiстю отриманих результатiв, оскiльки вони iстотно розширюють можливостi дослiдження дрiбномасштабних процесiв в океанi. Велике значення має та обставина, що розроблена методика розрахована на використання рiзних CTD-зондiв i з невеликими змiнюваннями може застосовуватися для практично будь-яких масивiв досить докладних даних зондувань. Оцiнки просторової роздiльної здатностi зондiв є корисними для розробникiв нових пристроїв. Розрахованi середнi характеристики вертикального обмiну, здiйснюваного дрiбномасштабними нелiнiйними хвилями i процесамi подвiйної дифузiї, вiдкривають шлях для детальних i географiчно бiльш локальних дослiджень динамiки перемiшування водної маси i потокiв рiзних домiшок на основi даних зондувань, що важливо для завдань екологiчного монiторингу.
Особистий внесок здобувача. Автор дисертацiйної роботи приймав безпосередню участь у розробцi вимiрювальної апаратури, проведеннi натурних експериментiв в експедицiях, у створеннi нових програм i обробцi даних зондувань. Аналiз i iнтерпретацiя отриманих результатiв виконувались автором самостiйно.
Апробацiя роботи i публiкацiї по темi дисертацiї. Окремi результати роботи докладалися на Ш з'їздi радянських океанологiв (Ленiнград, 1987 р.), на Третiй всесоюзнiй конференцiї "Вихори i турбулентнисть в океанi" (Светлогорськ, 1990 р.), на конференцiї " Дiагноз стану екосистеми Чорного моря i зони сполучення сушi i моря " 29 вересня - 3 жовтня 1997 р., Севастополь - Кацивелi (Крим).
По темi дисертацiї опублiкованi 15 робiт, в тому числi одна як роздiл монографiї, три статтi в наукових журналах, чотири в збiрниках наукових праць, одна в тезах конференцiї i шiсть депоновано в ВIНIТI, Москва.
Структура дисертацiї. Дисертацiя складається з вступу, чотирьох роздiлiв, висновку i списку використаних джерел. Загальний обсяг становить 181 сторiнок, з них 35 малюнкiв на 35 листах i 3 таблицi на 6 листах. Список використаних джерел включає 77 найменувань.
ОСНОВНИЙ ЗМIСТ ДИСЕРТАЦIЇ
У вступi обгрунтована актуальнiсть роботи, вказаний її зв'язок з науковими програмами, планами, темами, визначенi мета i задачi дослiджень, наукова новизна, практична значущiсть дисертацiї.
У першому роздiлi розглядаються всi питання апаратурного характеру.
Порiвняльнi характеристики рiзних зондiв. При сучасному рiвнi морського приладобудування данi практично будь-якого зонду можуть бутивикористанi для дослiдження характеристик тонкої вертикальної структури. Однак, такому застосуванню повинен передувати ретельний аналiз можливостей приладу, обмежень по дiапазону вертикальних масштабiв i параметрам явища, що саме дослiджується. Перелiк зондiв, данi яких зазнали тонкоструктурну обробку. включає:
гiдролого-гидрохiмiчний зонд ИСТОК-7; комплекс гiдрологiчний буксируємо-зондувальний МГI 1201 (Мiнiзонд); тонкоструктурний зонд Комплекс - 1; тонкоструктурний зонд Комплекс - 1М; зонд Н. Брауна Марк Ш.
За методикою проведення вимiрювань перерахованi зонди досить рiзнорiднi. Бiльшiсть з них мають силовий кабель-тросовий зв'язок з судном, що має свої достойностi i недолiки. До достойностей належать вiдсутнiсть проблем з електроживленням занурюваного пристрою i передачею iнформацiї, до недолiкiв - вплив качання на процес i результат вимiрювань. Зонди Комплекс-1 i Комплекс-1М в процесi вимiрювання ковзають уздовж ранiше витравленого кабеля-троса, iнформацiя при цьому передається на борт судна через iндуктор. До переваг цього методу вiдносяться виключення впливу качання i велика рiвномiрнiсть вiдлiкiв по глибинi.
Простий аналiз технiчних характеристик рiзних зондiв не дозволяє з'ясувати, який з приладiв є бiльш придатним для дослiджень тонкоструктурних неоднорiднiстей. Якщо точнiстнi параметри первинних вимiрювальних каналiв великого значення не мають, вiдносно величини квантування по рiвню i дискретностi даних можно апрiорно передбачати, що вони повиннi бути по можливостi меншими, хоч навiть самий грубий з приладiв, Мiнiзонд МГI 1201, формальне здавалося би, є придатним для вимiрювання неоднорiднiстей метрового масштабу. Потрiбнi бiльш детальнi оцiнки, щоб виявити конкретнi переваги тонкоструктурних зондiв у порiвняннi з прив'язними.
Вплив качання. Був розглянутий окремий випадок спотворення лiнiйного профiлю синусоїдальним качанням, обмежуючись вивченням наслiдкiв тимчасових затримок, оскiльки в сучасних СТD-системах розмiри датчикiв звичайно малi. Вiдхилення вiд лiнiйностi вертикального профiлю Т(z) мають циклоїдальний характер, але в двох випадках лiнiйность зберiгається: а) якщо постiйнi часу температурного каналу i каналу тиску обидвi рiвнi нулю, що загалом зрозумiло, але нереалiзуємо; б) якщо цi постiйнi рiвнi мiж собою. Реальним є шлях максимально можливого зменшення всiх постiйних часу, з тим, щоб їх рiзниця також була малою.
Прилад ИСТОК-7 має фT не бiльше за 0,05 с, i при амплiтудi качання D = 1 м i частотi щ = 1 с-1 (перiод to приблизно 6 секунд) середньоквадратичне значення паразитного пiднесення буде Dh ~ 3,5 см. Це значно нижче середнього рiвня природних хвильових пiднесень, який в iнтервалi масштабiв компенсацiйного спектру становить 0,25 м. Паразитнi пiднесення такого рiвня можна отримати при амплiтудi качання D = 2м i фT = 0,2 с. На профiлях можуть виявлятися регулярнi сходинки.
Важливою перевагою тонкоструктурних зондiв є вiдсутнiсть циклоидальних спотворень вiд качання самих первинних, тимчасових рядiв параметрiв, що вимiряються, що полегшує подальшу обробку. Пiсля интерполяцiї на еквiдистантнi по глибинi вiдлiки прив'язнi зонди можуть давати порiвняннi результати, але при умовi малостi тимчасових затримок всiх вимiрювальних каналiв, включаючи канал тиску, постiйна часу якого звичайно не регламентується. При тонкоструктурнiй обробцi рiвень перешкод вiд качання може бути врахований, якщо вiдомi її параметри i тимчасовi затримки вимiрювальних каналiв.
Вплив дискретнiсти. Тимчасовi ряди первинних параметрiв - температура, електропровiднiсть, тиск можуть бути вимiрянi з досить малою шумовою погрiшнiстю, що визначається, по сутi, цiною одиницi молодшого розряду. Для температурного каналу Мiнiзонда цiна кванта рiвна 0,01 oС , що на порядок бiльше, нiж для зонда Комплекс-1. Вiдповiдно дисперсiя шумiв температурного каналу Мiнiзонда на два порядки бiльше,нiж у Комплексу-1. Мiнiмальний масштаб тонкої структури температурного поля, який доступний дослiдженню за допомогою Мiнiзонда при, що часто зустрiчається, середньому градiєнтi ТZ = 0,01 oC м -1 , буде лT ~ 3,5 м. Ще гiрше йде справа з полем солоностi. Шуми температури через електропровiднiсть перераховуються в солонiсть з коефiцiєнтом приблизно -1 o/oo oС-1, а характернi середнi градiєнти солоностi в океанi на порядок менше температурних. У результатi граничний масштаб по солоностi виходить лS ~ 15 м .
Iстотно кращi характеристики має зонд Комплекс-1. При величинi кванта по температурi 0,001 oС i середнiй дискретностi по глибинi 7,5 см, для температурного градiєнта ТZ = 0,01 oCм -1 одержується граничний масштаб лT ~ 0,45 м, а лS ~ 2,0 м при градiєнтi солоностi 1,0.10 -3 o/ oo м-1. Вiдповiдно для приладу Комплекс-1М, у якого квант по температурi 5,0.10 -4 oС i дискретнiсть 2,5 см, лT ~ 0,2 м i лS ~ 1 м. У зонда ИСТОК-7 температурний квант також 5,0 .10 -4 oС, а дискретнiсть по глибинi порядку 10 см, що дає лT ~ 0,6 м i лS ~ 2,8 м. Зонд Н. Брауна Марк Ш по цих параметрах близький до Комплексу-1М.
Роздiлення по параметрах, що обчисляються. Є специфiчний вигляд погрiшностей, виникаючих при обчисленнях солоностi i щiльностi повимiряним значенням температури i електропровiдностi. Такi обчислення репрезентативнi тiльки за умов узгодження просторово-тимчасових характеристик вказаних вимiрювальних каналiв. Об'ектiвною мiрою такого узгодження є когерентнiсть i фаза мiж температурою i електропровiднiстю, розрахованi в шарах, де мiнливiсть температури велика, а солонiсть варiює слабо.
Апаратурний зсув фази мiж температурою i електропровiднiстю в областi високої когерентностi приводить до "просочення" температурних флуктуацiй до каналу солоностi. У багатьох випадках зсув фази мiж температурою i електропровiднiстю може бути рiзко зменшений на етапi попередньої обробки шляхом штучного змiщення рядiв на фiксоване число вiдлiкiв. Всi iншi характеристики каналiв, за виключенням фазового зсуву, при цьому зберiгаються. Величина змiщення визначається розташуванням максимума взаємної кореляцiйної функцiї.
Апаратурний звал когерентностi мiж температурою i електропровiднiстю неможливо скоректувати попередньою обробкою, i саме це явище в найбiльшiй мiрi визначає дозволяючу здiбнiсть СТD - систем по параметрах, що обчисляються. Вертикальний масштаб апаратурного звалу когерентностi залежить в основному вiд конструкцiї датчику електропровiдностi. Зонд Н. Брауна Марк Ш оснащений мiнiатюрним контактним датчикм електропровiдностi, завдяки чому забезпечується висока когерентнiсть з температурним каналом до вертикального масштабу порядку 10 см, так що потенцiйно в спектрi можуть дослiдитися двадцятисантиметрови масштаби.
У зондах Комплекс-1, Комплекс-1М, ИСТОК-7 застосовується iндуктивно-трансформаторний датчик електропровiдностi, що має великi розмири, чим контактний, i звал когерентностi починається вже на масштабi порядку одного метру. Оскiльки обчислення солоностi i щiльностi за межами областi когерентнiсти не мають сенсу, вiдлiки, що отримуються, треба осередняти, причому на початковому етапi обробки, до обчислення повторних параметрiв.
Другий роздiл присвячений спецiальнiй методицi дисперсiйно-спектрального аналiзу тонкоструктурних даних.
Роздiлення дисперсiї тонкоструктурних флуктуацiй на складовi, сполучнi з рiзними динамiчними процесами. Важливим для роздiлення внескiв окремих механiзмiв до сумарної дисперсiї флуктуацiї температури, солоностi i щiльностi є та обставина, що кожний з формообразуючих процесiв проводить цi флуктуацiї в рiзних вiдношеннях, що визначаються своєю фiзичною природою. Комбiнуючи цi спiввiдношення з умовами адитивностi, можна складати системи рiвнянь для невiдомих внескiв рiзних механiзмiв генерацiї в дисперсiї тонкоструктурних флуктуацiй.
Перша модель - адвекцiя i хвилi. Найпроста модель передбачає участь тiльки двох структурообразуючих механiзмiв - iзопiкничної адвекцiї i дрiбномасштабних внутрiшнiх хвиль. Складається система рiвнянь для чотирьох шуканих величин: двох складових дисперсiї флуктуаацiї температури, що викликаються хвилями DТВ и адвекцiєю DТA , i вiдповiдно для солоностi DSВ и DSA . Система дозволяє розрахувати внески внутрiшнiх хвиль i адвекцiї в загальну по всьому спектру дисперсiю флуктуацiї кожного з параметрiв, а також для будь-якої окремої спектральної смуги. Початковими даними є дисперсiя температури DТ , солоностi DS , умовної потенцiйної щiльностi Dу (або вiдповiднi значення спектральних складових), а також градiєнти Тz , Sz , уz i середнi по дiльницi профiлю значення коефiцiєнтiв температурного розширення б i солоностної стисливостi в.
Модельнi розрахунки виконувалися на основi даних, отриманих з попотужнiстю зонда Комплекс-1 в тропiчнiй зонi Пiвнiчної Атлантiки. Дiльницi профiлiв вiдносилися до областi океанського термохалоклину, де температура i солонiсть одночасно меншають з глибиною. Хвильова складова щiльностi в переважнiй бiльшостi випадкiв була iстотно менше загальної дисперсiї щiльностi, причому "надлишок" не може бути пояснений впливом шумiв апаратури.
Друга модель - внесок сольових пальцiв. У термохалоклинах сольовi пальцi завжди являють собою один з конкуруючих механiзмiв формування тонкої структури, посилення або ослаблення дiї якої вiдбувається локально в рiзних областях вибраної дiльницi вертикального профiлю. Модель, що забезпечує роздiлення внескiв iзопiкничної адвекцiї, дрiбномасштабних внутрiшнiх хвиль i конвекцiї сольових пальцiв, мiстить вiсiм рiвнянь.
У порiвняннi з попередньою моделлю тут додаються внески конвекцiї сольових пальцiв в дисперсiю температури DTП , в дис1персiю солоностi DSП , в дисперсiю умовної потенцiйної щiльностi DуП . Справдi виявилося, що характерний для першої моделi щiльностний залишок (його можна визначити як DуA1) в основному поглинається пальцьовим внеском DуП .
Третя модель - облiк неiзопiкничностi. Можна побудувати модель роздiлення дисперсiй, в якiй сольовi пальцi вiдсутнi, а надлишок флуктуацiї щiльностi вважається викликаним неiзопiкничнiстю. Ця система мiстить сiм рiвнянь i дозволяє розрахувати показник iзопiкничностi RA , який має статистичне значення i визначає переважання адвектiвних внескiв солоностi або температури в флуктуацiї щiльностi. Третя модель задовiльно працює при малих надлишках щiльностi DуA1, якщо ж цей надлишок великий, виходять понадмiрнi значення RA . У цьому випадку бiльш ефективною виявляється друга модель, що враховує дiю сольових пальцiв. Натуральним було бажання позбутися обох iдеалiзацiй i розробити для термохалоклину бiльш реальну модель, в якiй одночасно були присутнiмi би сольовi пальцi i неiзопiкничнiсть.
Четверта модель - сольовi пальцi i неiзопiкничнiсть. Нажаль, повна система в цьому випадку мiстить десять невiдомих, а бiльше дев'ятьох незалежних спiввiдношень отримати не вдається. Один з способiв вирiшення проблеми - штучне введення в систему параметра iзопiкничностi RA , що отримується з яких-небудь iнших мiркувань, наприклад, шляхом комбiнування результатiв розрахункiв по перших трьох моделях. Вибiр робиться на користь того варiанту четвертої моделi, який забезпечує позитивнi рiшення системи рiвнянь у всьому дiапазонi, що дослiджується, масштабiв тонкої вертикальної структури.
У розробленiй схемi тонкоструктурної обробки вертикальнi спектри профiлiв температури, солоностi i щiльностi мають допомiжне значення i служать матерiалом для модельних розрахункiв. Наприклад, в четвертiй моделi кожний з вказаних спектрiв розчленовується на три складовi, вiдповiднi внескам дрiбномасштабних внутрiшнiх хвиль, неiзопiкничної адвекцiї i конвекцiї сольових пальцiв, так що в результатi виходить дев'ять спектральних характеристик.
У третьому роздiлi розглядаються результати розробки слаботурбулентних спектрiв дрiбномасштабних внутрiшнiх хвиль, придатних для практичного застосування при обробцi даних вимiрювань.
Спектр колмогоровського типу. Основою апарату теорiї слабої турбулентнiсти є кiнетичнi рiвняння, що описують баланс числа хвиль nk з хвильовим вектором k . Число хвиль - характеристика енергiї хвильових процесiв без урахування їх частоти щk . Найбiльш складний елемент кiнетичного рiвняння - iнтеграл зiткнень, показуючий собою результат взаємодiї хвиль, що характеризуються хвильовим вектором k , з всiма хвилями iнших довжин i напрямiв поширювання.
Для рiшення кiнетичного рiвняння необхiдно виконати складнi перетворення iнтеграла зiткнень або в частотнiй областi, або в просторi хвильових чисел. Разом з тим у випадку повної автомодельностi рiшення, що отримуються, закономiрно спiвпадають з найденими з мiркувань розмiрностi, оскiльки останнi використовуються при визначеннi вигляду матричного елемента взаємодiї. У вiдсутностi генерацiї i поглинання може iснувати нерiвноважне рiшення, що перетворює iнтеграл зiткнень в нуль. При цьому iснує постiйний потiк енергiї по спектру Q, що визначає, нарiвнi з локальною частотою Вяйсяля-Брента N, рiвень енергетичного спектра. Iнтегрування по горизонтальним складовим хвильового числа дає шуканий спектр вiд kz :
E (kz) = 6.8 (QN)1/2 kz -2
Постiйнiсть потоку енергiї по спектру може порушуватися дисипацiєю хвиль, наприклад, за рахунок молекулярної в'язкостi н . Умовне дрiбномасштабним кордоном спектру kzг можна вважати хвильове число, на якому втрати вiд дисипацiї досягають 3/4 Q:
kzг = 0,1 н -1 (Q/N) 1/2
При середньому значеннi потоку Q=1,8.10 -6 см2/с3 i середнiй величинi N ~ 2 ц/год в'язкостний кордон спектру колмогоровського типу (з постiйним потiком енергiї) знаходиться на масштабi приблизно 40 см. Однак вже на масштабах порядку десяти метрiв нахил вертикального спектру змiнюється на мiнус три.
Компенсацiйний спектр. Спектр з нахилом мiнус три також може бути отриманий з кiнетичного рiвняння, якщо врахувати генерацiю i поглинання. Для випадку автомодельного поглинання вводиться безрозмiрний параметр г = 2|гk|/щk , що характеризує вiдносну швидкiсть втрат на кожнiй частотi. Пiсля iнтегрування по горизонтальним хвильовим числам отримуємо вираження для вертикального спектру енергiї в iнтервалi автомодельного поглинання:
Е (kz) = 1,8 г N2 kz -3
Спектр автомодельного поглинання визначається вираженням:
Eп (kz) = 1,6 г2 N3 kz -3
При дiленнi на N2 виходить спектр "втрат пiднесення", вiдповiдний спектру коефiцiєнта вертикального обмiну K(kZ), здiйснюваного слабонелiнiйними дрiбномасштабними внутрiшнiми хвилями в iнтервалi автомодельного поглинання. Iнтеграл в межах цього iнтервалу дає величину коефiцiєнта хвильового обмiну Kв :
Kв = 0,8 г2 N ko -2
Тут ko вiдповiдає лiвому кордону iнтервалу поглинання.
Аналогiчнi вирази виходять для спектру автомодельної генерацiї, в якому енергiя передається у зустрiчному напрямi, вiд малих масштабiв до великих. Джерелом енергiї служить поле швидкостi течiї.
Iснують, таким чином, двi системи дрiбномасштабних внутрiшнiх хвиль: в однiй з них енергiя витягується з поля швидкостi течiї i передається вiд менших масштабiв до великих за рахунок процесу iндукованого розсiяння на частках; в iншiй - енергiя, навпаки, передається вiд бiльш довгих хвиль до коротких завдяки звичайним трихвилевим взаємодiянням, з втратами на перемiшування. У стацiонарному випадку швидкостi генерацiї i дисипацiї повиннi бути рiвнi, i вiдповiдно ми приходимо до висновку про рiвнiсть енергiй хвиль в цих двох системах.
Описаний спектр скорочено можна назвати компенсацiйним, вiдображуваючи тим самим його основну властивiсть - баланс мiж генерацiєю i поглощiнням. Хвильове число kzo , на якому швидкiсть генерацiї дорiвнюється молекулярної дисипацiї, визначається вираженням:
kzo = 0,62 (гN/н)1/2 .
Четвертий роздiл роботи мiстить результати застосування розробленої методики тонкоструктурного спектрального аналiзу до даним зондувань. Описана схема тонкоструктурної обробки даних розвивалася i випробовувалася в основному на масивi даних, отриманих в 39 рейсi НДС "Академiк Вернадський" за допомогою зонда Комплекс-1. Зондування виконувалися в тропiках, попутно зi зйомкою Амазонського полiгона, в основному при постановках i зйомi буйкових станцiй. Географiчна прив'язка мiсця робiт вiдповiдає точцi з координатами 6 о п. ш. i 46 о з. д. Другий, бiльш обширний масив тонкоструктурних даних був отриманий за допомогою зонда Комплекс-1М в 43 рейсi НДС "Академiк Вернадський", на полигонi в районi островiв Мадейра.
Застосування методики роздiлення тонкоструктурних флуктуацiй на складовi, пов'язанi з рiзними динамiчними процесами, надає бiльш обширний матерiал дла аналiзу в порiвняннi з вихiдними спектрами вертикальних профлв температури, солоностi i щiльностi. Цiкавi висновки дозволяє зробити, зокрема, спiльний аналiз спектрiв адвекцiї i сольових пальцiв.
Вплив пальцьового перемiшування на крутiсть спектрiв адвекцiї. Було помiчено, що спектр адвекцiї спадає iз зростанням хвильового числа бiльш круто, нiж спектр сольових пальцiв. Зв'язок мiж нахилами цих спектральних функцiй можна виявити, встановлюючи залежнiсть вiд хвильового числа потоку солоностi FS (k) i градiєнта солоностi в интрузiях SZ (k), на основi вираження:
FS = KSF SZ (1)
Тут KSF - пальцьовий коефiцiєнт сольового обмiну, що не залежить вiд хвильового числа. Якщо пальцьова складова спектра солоностi PSП (k) має степiнню форму, PSП (k) ~ km , то дисперсiя пальцьових флуктуацiй DSП ~ km+1 , а поток солоностi, FS (k) ~ k4/3(m+1). Нехай адвектiвна складова спектра солоностi Psа (k) також має степеневу форму, Psа ~ kn , тодi SZ (k) ~ kn+2. Оскiльки в (1) KSF не залежить вiд хвильового числа, маємо 4/3 (m + 1) = n + 2, або
m = 3/4 n + 1/2 (2)
Нахили пальцьової складової спектра солоностi PSП (k) ~ km , i адвектiвної складаючої Psа (k) ~ kn визначалися для п'ятнадцяти зондувань приладом Комплекс-1 на Амазонському полiгонi i чотирнадцяти приладом Комплекс-1М на полiгонi в районi островiв Мадейра. Отриманi значення загалом непогано групуються бiля розрахункової прямої, вiдповiдної параметрiзацiї пальцьових потокiв солоностi з допомогою деякого коефiцiєнта обмiну. Середнє значення вiдношення mи / mр , де mи - вимiряний нахил пальцьового спектра, mр - розрахований по вираженню (2), для 29 зондувань виявилося рiвним 0,96. Можна зробити вивiд, що для крупномасштабних задач параметрiзацiя пальцьових потокiв з допомогою вiдповiдних коефiцiєнтiв обмiну прийнятна.
Структура спектрiв хвильових пiднесень, її зв'язок з характеристиками перемiшування. Тонкоструктурний хвильовий спектр описується п'ятьма параметрами: потоком енергiї Q на дiльницi з нахилом k -2 i граничною довжиною хвилi цiєї дiльницi л1 = 2р/kZГ, лiвим кордоном дiльницi з нахилом k -3, л2 = 2р / kо , показником нелiнiйностi л i правим кордоном компенсацiйного спектра л3 = 2р / kZO.
Частiше за все в доступному спектральному вiкнi найбiльш чiтко зображено область компенсацiйного спектра з нахилом мiнус три. Довгохвильова дiльниця, вiдповiдна колмогоровському спектру з нахилом мiнус два, плавно перекриваючись, переходить в компенсацiйний спектр з нахилом мiнус три. Цей перехiд, коли дрiбномасштабний зрiз колмогоровського спектра накладається на довгохвильовий максимум компенсацiйного, може бути розшифрований з видiленням зазначених вище масштабiв ?1 i л2. Якщо л1 iстотно бiльше л2, в сумарному спектрi може утворитися невдача, що роздiляє областi колмогоровського i компенсацiйного спектрiв.
Були розрахованi середнi значення кожного з п'яти хвильових параметрiв:
л1 л2 л3 Q г
8,4 м 6,8 м 2,4 м 1,6.10 -6см2с-3 5,0.10 -2
До цих характеристик полю дрiбномасштабних внутрiшнiх хвиль необхiдно додати найважливiший фоновий параметр - середню частоту Вяйсяля-Брента N, яка рiвна 3,6.10 -3 с -1, або приблизно 2 цикли / год.
Були розрахованi значення KВ для 24 зондувань, якi мали в спектрах хвильової складової компенсацiйний iнтервал з нахилом мiнус три, а також: формальнi пальцьови коефiцiєнти обмiну сiллю KSF i щiльнiстю KсF; ефективний коефiцiєнт в'язкостi для хвиль компенсацiйного спектра Kе; ефективний коефiцiєнт в'язкостi для хвиль колмогоровського спектра не. Внаслiдок осереднення вийшло: KВ= 13,7.10-2 см2/с; KSF = 14,8.10-2 cм2/с; Kе = 10,3.10-2 cм2/с; KсF= 5,9.10-2 cм2/с; не = 28,9.10-2 cм2/с. Ефективна в'язкiсть для хвиль компенсацiйного спектра Kе лягає точне в середину мiж значеннями KSF i KсF i набагато перевищує значення молекулярної в'язкостi. Можна зробити висновок, що сольовi пальцi надають iстотне диссипативне дiяння на дрiбномасштабнi внутрiшнi хвилi. Ефективна в'язкiсть для хвиль колмогоровського спектра nэ виявляється приблизно рiвнiй сумi KВ i KSF. Мабуть, бiльш довгомасштабнi хвилi колмогоровського спектра зазнають дисипативне дiяння не тiльки з боку сольових пальцiв, але i вiд бiльш дрiбномасштабних компонентiв з iнтервалу компенсацiйного спектра.
Особливостi тонкої термохалинної структури вод Чорного моря. Параметри, що характеризують форму спектра пiднесень дрiбномасштабних внутрiшнiх хвиль, показували достатню стабiльнiсть в шарi, що дослiджується. Дисипативний кордон колмогоровського спектра л1 i масштаб максимума компенсацiйного спектра л2 виявили невеликi коливання бiля середнеї величини 3,3 м, розрахований масштаб в'язкої диссипацiї компенсацiйного спектра л3 во всiх випадках був менше одного метра, тобто находився за межами спектрального вiкна.
Параметри, що характеризують рiвень спектра, потiк енергiї Q i показник нелiнiйностi ? - навпаки, дали велику рiзницю значень. Середнє значення потоку енергiї по спектру хвиль колмогоровського интервала Q виявилося рiвним 4,4.10-6 см2с-3, що майже в три рази бiльше, нiж в океанському термохалоклину. Середня величина показника генерацiї- поглинання хвиль компенсацiйного спектра ? у шарi, що дослiджується, ? = 4,9.10-2, практично спiвпала з його значенням для термохалоклину, ? = 5,0.10-2. Мiнливiсть коефiцiєнту вертикального хвильового обмiну КВ , при досить стабiльних N i kо , майже цiлком залежить вiд рiзницi значень показника нелiнiйностi ? . У середньому КВ виявилося рiвним 10,9.10-2 см2с-1, що декiлька менше його значення для океанського термохалоклину КВ= 13,7.10-2см2с-1.
Була виконана тонкоструктурна обробка результатiв двох лiтнiх СТD- зйомок Чорного моря 1991-92 рокiв. Для дисперсiйного аналiзу вибиралася дiльниця профiлю протяжнiстю 100 м, що розташована нижче лiтнього мiнiмуму температури. У цьому шарi розраховувалися значення градiєнтiв температури TZ i солоностi SZ, для середньої точки шара розраховувалися коефiцiєнти солонiстної стисливостi в i температурного розширення б. Отриманi значення служили початковими даними для розрахункiв хвильових i адвективних складаючих тонкоструктурних дисперсiй температури i солоностi. По хвильовiй складаючiй дисперсiї солоностi DSB для кожного зондування розраховувалося среднеквадратичне пiднесення дрiбномасштабних внутрiшнiх хвиль Dz, Dz = (DSB / SZ2)1/2.
Серединна частина моря характеризується меншою хвильовою активнiстю. Найбiльш обширна зона пiдвищеної iнтенсивностi розмiщується в пiвденнiй частинi, iншi локальнi областi збiльшення хвильових пiднесень розташованi на периферiї глибоководної частини моря. Потрiбно вiдмiтити непогану мiжрокову повторюванiсть зон пiдвищеної хвильової активностi, що може свiдчити про наявнiсть стацiонарних джерел енергiї типу вихрових формувань.
ОСНОВНI РЕЗУЛЬТАТИ I ВИСНОВКИ
1. З тонкоструктурної точки зору найбiльш важливими конструктивними параметрами зондiв є мiра впливу качання, цiна кванта по рiвню i частота даних, а також когерентнiсть i фаза мiж каналами температури i електропровiдностi. Розроблена методика дозволяє видiлити для кожного зонда дiапазон вертикальних масштабiв, в которому спектри, що розраховуються, є достовiрними для конкретних умов вимiрювання.
2. Сукупний аналiз спектрiв температури, солоностi i щiльностi дозволяє статистично видiлити кiлькiснi внески адвекцiї, внутрiшнiх хвиль i дводифузiйної конвекцiї у вiдповiднi тонкоструктурнi дисперсiї. Розробленi чотири моделi роздiлення передбачають весь дiапазон можливих гiдрологiчних ситуацiй.
3. Для порiвняння з тонкоструктурними даними розроблена складена модель енергетичного спектра дрiбномасштабних внутрiшнiх хвиль, що являє собою комбiнацiю рiзних слаботурбулентних розподiлов. У довгомасштабний областi потiк енергiї по спектру постiйний, короткохвильова частина формується на основi балансу мiж локальною генерацiєю хвиль i їх поглинанням. Дисипативна гiлка такого компенсацiйного спектру вiдповiдальна за перемiшування, що описується коефiцiєнтом вертикального хвильового обмiну.
4. Аналiз спiввiдношення нахилiв спектрiв адвекцiї i сольових пальцiв в океанському термохалоклинi в середньому пiдтверджує можливiсть параметризацiї пальцьових потокiв тепла i солi з допомогою формальних коефiцiєнтiв дифузiї.
5. Хвилi компенсацiйного спектру в океанському термохалоклинi схильнi до додаткового дисипативного впливу конвекцiї сольових пальцiв. Середнє значення коефiцiєнту ефективної пальцьової в'язкостi знаходитья мiж формальними коефiцiєнтами сольового i щiльностного обмiну. Ефективна в'язкiсть для хвиль колмогоровського спектру включає ще i складову хвильового перемiшування за рахунок бiльш дрiбномасштабних компонентiв з компенсацiйного iнтервалу.
6. Середнiй спектр хвильових пiднесень в океанському термохалоклинi має таки параметри: потiк енергiї в колмогоровському iнтервалi Q = 1,6 10-6 см2/с3, дисипативний його кордон розташовується на масштабi л1 = 8,4 м. Наступну дiльницю, до л2 = 6,8 м, займає перехiдна область, потiм йде компенсацiйний спектр, що характеризується показником генерацiї-поглинання г = 5,0 10-2. Дисипацiя хвиль компенсацiйного спектру в середньому вiдбувається на масштабi л3 = 2,4 м. Коефiцiєнт хвильового обмiну рiвний КВ = 13,7 10-2 см2/с.
7. Хвильовий спектр стометрового шара чорноморських вод, розташованого нижче лiтнього мiнiмуму температури, не мiстить перехiдної области мiж колмогоровським i компенсацiйним дiапазонами, i ?1 = л2 = 3,3 м. Показник нелiнiйности л того ж порядку, що i в океанському термохалоклинi, середнiй потiк енергiї на колмогоровськiй дiльницi Q = 4,4 10-6 см2/с3. Середнiй коефiцiєнт хвильового обмiну КВ = 10,9 10-2 см2/с. Хвильова активнiсть в центральнiй частинi моря менше, нiж в окраїних областях.
Список опублiкованих праць здобувача за темою дисертацiї
1. Аретинский Г.Ю., Дыкман В.З., Ефремов О.И., Киселева О.А. Тонкая вертикальная структура температурного поля в зоне вихревых образований // Синоптические вихри в океане.- Киев: Наук. думка,1980.-С.167-177.
2. Дыкман В.З., Киселева О.А., Ефремов О.И. Исследование энергии внутренних волн в синоптических вихрях по структуре поля температуры // Океанология.- 1981.- 21. вып. 3.-С. 441-446.
3.Ефремов О.И., Пантелеев Н.А. Экспериментальные оценки характеристик вертикального перемешивания в океанском термохалоклине на основе тонкоструктурных спектров адвекции, солевых пальцев и мелкомасштабных внутренних волн.// Морской гидрофизический журнал. -1998.-N2-С.30-55.
4.Ефремов О.И. Характеристики перемешивающего воздействия мелкомасштабных внутренних волн в верхнем слое Черного моря по данным тонкоструктурных зондирований // Морской гидрофизический журнал.-1998.-N3.-С.3-12.
5. Дыкман В.З., Ефремов О.И., Коротаев Г.К., Пантелеев Н.А. Исследование пульсационного движения в океане в области масштабов коротких внутренних волн // Исследования турбулентной структуры океана".-Севастополь: МГИ АН УССР,1975.- С. 30-40.
6. Дыкман В.З., Ефремов О.И., Пантелеев Н.А. Зондирующий комплекс для исследования тонкой вертикальной структуры океана. // Экспериментальные методы исследования океана.- Севастополь: МГИ АН УССР, 1978.- С.105-136.
7. Ефремов О.И., Дыкман В.З. Зондирующий комплекс "Зонд-СТ" // Приборы для научных исследований и системы автоматизации в АН УССР.- Киев: Наук. думка, 1981.-С. 239-241.
8. Ефремов О.И. Об интервале насыщения в спектре поверхностных волн // Внутренние волны и турбулентность.-Севастополь: МГИ АН УССР, 1984.- С.126-137.
9. Ефремов О.И. Оценка вертикального обмена, вызываемого нелинейными внутренними волнами, по данным зондирований // Тезисы докладов Третьей Всесоюзной конференции "Вихри и турбулентность в океане".- Калининград, 1990.- С.79.
10. Ефремов О.И., Козлов А.Н., Петров В.А. Тонкоструктурный зонд "Комплекс-1" // "Исследования вертикальной тонкой структуры гидрофизических полей в Тропической и Субтропической зонах Атлантики в 49 рейсе НИС "Михаил Ломоносов".- Деп. рукопись N 378-В89.- М.: ВИНИТИ,1989.-С.56-60.
11. Ефремов О.И., Чекалин И.А., Евгущенко А.Г. Взаимосвязь полей характеристик мелкомасштабного вертикального волнового обмена с полями фоновых гидрофизических параметров стратификации в основном пикноклине Тропического полигона Северной Атлантики // "Гидрофизические исследования в 37 рейсе НИС "Академик Вернадский".- Деп. рукопись N 3491-B90.- М.: ВИНИТИ , 1990.- С.164-180.
12.Ефремов О.И. Разделение дисперсий флуктуаций тонкоструктурных профилей температуры, солености и плотности в океане на составляющие, связанные с различными динамическими процессами // Депон. рукопись N 2660-B97.-М.:ВИНИТИ,1997.- 21с.
13.Ефремов О.И. Слаботурбулентные спектры мелкомасштабных внутренних волн в океане, их связь с тонкоструктурными спектрами // Депон. рукопись N 2661-B97.-М.:ВИНИТИ,1997.-29с.
14.Ефремов О.И. Аппаратурно-методические аспекты исследования тонкой вертикальной структуры океана // Депон. рукопись N 2662-B97.-М.:ВИНИТИ,1997.-21с.
15.Ефремов О.И. Экспериментальные оценки перемешивающего воздействия солевых пальцев и мелкомасштабных внутренних волн в океанском термохалоклине по данным тонкоструктурных зондирований // Депон. рукопись N 2659-В97.-М.:ВИНИТИ,1997.-31с.
Ефремов О.І. Експериментальне дослідження спектральних характеристик тонкої термохалинної структури вод океану.- Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 04.00.22 - геофізика.-Морський гидрофізичний інститут НАН України, Севастополь, 1999.
Дисертація присвячена питанням дослідження дрібномасштабних динамичних процесів в океані на основі даних зондувань. У роботі розвивається метод диференціального підходу до спектрального складу тонких термохалинних неоднорідністей в океані, в залежності від формуючих механізмів. Показано, що сукупний аналіз спектрів температури, солоності і щільності дозволяє статистично виділити кількісні внески адвекції, внутрішніх хвиль і дводифузійної конвекції в відповідні тонкоструктурні дисперсії. Визначені параметри середнього спектру хвильових піднесень в океанському термохалоклині і в стометровому шарі чорноморських вод, розташованому нижче літнього мінімуму температури; розраховані конкретні характеристики вертикального обміну, здійснюваного дрібномасштабними нелінійними хвилями і процесами подвійної дифузії. Розроблена методика може застосовуватися для практично будь-яких масивів досить докладних даних зондувань різними CTD-зондами.
Ключові слова: тонка структура, СТD-зондування, спектральний аналіз, внутрішні хвилі, адвекція, подвійна дифузія, вертикальний обмін.
Ефремов О. И. Экспериментальное исследование спектральных характеристик тонкой термохалинной структуры вод океана.- Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 04.00.22 - геофизика.- Морской гидрофизический институт НАН Украины, Севастополь, 1999.
Цель работы заключается в создании методики, позволяющей проводить количественные исследования мелкомасштабных динамических процессов, опираясь лишь на материалы вертикальных зондирований, а также в получении с помощью разработанной методики характеристик вертикального перемешивания, осуществляемого указанными процессами. Изучение влияния аппаратурных помех на спектры измеряемых флуктуаций показало, что с тонкоструктурной точки зрения наиболее важными конструктивными параметрами зондов являются степень влияния качки, цена кванта по уровню и частота съема данных, а также когерентность и фаза между каналами температуры и электропроводности. Разработанный тонкоструктурный подход к оценке качества зондов использовался при обработке первичных данных измерений.
В работе показано, что совокупный анализ спектров температуры, солености и плотности позволяет статистически вычленить количественные вклады адвекции, внутренних волн и двухдиффузионной конвекции в соответствующие тонкоструктурные дисперсии. Разработанные четыре модели разделения перекрывают весь диапазон возможных гидрологических ситуаций. Для сравнения с тонкоструктурными данными разработана составная модель энергетического спектра мелкомасштабных внутренних волн, представляющая собой комбинацию различных слаботурбулентных распределений. В длинномасштабной области поток энергии по спектру постоянен, коротковолновая часть формируется на основе баланса между локальной генерацией волн и их поглощением. Диссипативная ветвь такого компенсационного спектра ответственна за перемешивание, описываемое коэффициентом вертикального волнового обмена.
Анализ соотношения наклонов спектров адвекции и солевых пальцев в океанском термохалоклине в среднем подтверждает возможность параметризации пальцевых потоков тепла и соли с помощью формальных коэффициентов диффузии. Показано, что волны компенсационного спектра в океанском термохалоклине подвержены дополнительному диссипативному влиянию конвекции солевых пальцев, а эффективная вязкость для волн колмогоровского спектра включает еще и составляющую волнового перемешивания за счет более мелкомасштабных компонентов из компенсационного интервала.
Определены параметры среднего спектра волновых возвышений в океанском термохалоклине и в стометровом слое черноморских вод, расположенном ниже летнего минимума температуры; рассчитаны конкретные характеристики вертикального обмена, осуществляемого мелкомасштабными нелинейными волнами и процессами двойной диффузии.
Полученные результаты расширяют возможности исследования мелкомасштабных процессов в океане. Большое значение имеет то обстоятельство, что разработанная методика рассчитана на использование различных CTD-зондов и с небольшими изменениями может применяться для практически любых массивов достаточно подробных данных зондирований.
Оценки пространственной разрешающей способности зондов являются полезными для разработчиков новых зондирующих устройств. Рассчитанные средние характеристики вертикального обмена, осуществляемого мелкомасштабными нелинейными волнами и процессами двойной диффузии, открывают путь для детальных и географически более локальных исследований динамики перемешивания водных масс и потоков различных примесей на основе данных зондирований, что важно для задач экологического мониторинга.
Ключевые слова: тонкая структура, СТD-зондирования, спектральный анализ, внутренние волны, адвекция, двойная диффузия, вертикальный обмен.
Efremov O. I. Experimental research of spectral characteristics of fine thermohaline structure of ocean waters .- Manuscript.
Thesis for a candidate`s degree by speciality 04.00.22 - geophysics. - Marine Hydrophysical Institution of National Academy of Science of Ukraine, Sevastopol, 1999.
The dissertation is devoted to a research of small scale dynamic processes in the ocean on basis of soundings data. The work develops a method of differential approach to spectral composition of ocean fine thermohaline structure, which depends from physical processes that cause fine structure. It is shown, that joint spectral analysis of temperature, salinity and density allows to separate statistical contributions from advection, internal waves and doubl diffusive convection in proper fine structure dispersions. The parameters of average wave elevations spectrum in oceanic thermohalocline and in hundredmetre layer of Black Sea waters situated beneath summery minimum temperatures are defined; the concrete characteristics of vertical fluxes effectuated by small scale nonlinear waves and double diffusion processes are calculated. The worked up methods can used in practice for any sufficiently detailed soundings data from different CTD-probes.
Key words: fine structure, СТD-sounding, spectral analysis, internal waves, advection, double diffusion, vertical exchange.
| 
