geolike.ru

Фронтальные зоны апвеллингов мирового океана

Механизм образования апвеллинга

При изучении закономерностей циркуляции вод в шельфовой зоне следует иметь в виду, что наклон уровня, принимавшийся при рассмотрении профиля течений постоянным, на самом деле меняется по мере удаления от берега. В результате вдольбереговое течение не имеет одинаковой интенсивности, а меняется по мере удаления от берега. В свою очередь неоднородность горизонтальных течений вызывает соответствующие вертикальные перемещения воды, которые компенсируют отток поверхностных вод при их дивергенции или ликвидируют избыток вод при их конвергенции. Восходящий поток вод принято называть апвеллингом, а нисходящий – даунвеллингом.

В наиболее отчетливом виде проявляется зависимость вертикальных движений воды от направления ветра, создающего конвергенцию или дивергенцию горизонтальных потоков воды у берега. Характер такой циркуляции выявляется даже при рассмотрении только прибрежного пограничного слоя. Приближенно стационарные течения в нем, если берег прямолинейный и ось yнаправлена вдоль него, могут быть описаны уравнением

Vk=(u+iv);

K – коэффициент горизонтальной турбулентности.

При такой формулировке задачи считается, что на морской границе пограничного слоя течения за пределами поверхностного экмановского слоя переходит в географическое, а на берегу имеет место условие непротекания, т.е. Vk=0. Поскольку рассматривается влияние ветра на течения, то на поверхности моря выполняется условие

За пределами экмановского слоя происходит затухание дрейфовой скорости.

В данной системе координат, при которой берег находится с левой стороны и ось х направлена от него в сторону моря, ветер от берега (τу>0, τx>0) приводит к сгону воды, в результате чего возникает апвеллинг (Wo <0). Скорость восходящего потока уменьшается с расстоянием от берега по экспоненте.

В изложенной схеме прибрежной циркуляции не рассматривалось влияние уклона дна. В принципе оно такое же, как и для открытого океана. Из-за уменьшения глубины роль морфометрии шельфа больше, но общий характер циркуляции в шельфовой зоне она не меняет.

Несмотря на широкое распространение вдольбереговых течений, мощные переносы воды в океанах вдоль континентов имеют другую природу. Эти течения представляют собой звенья общей циркуляции океана и обусловлены не столько напряжением преобладающего ветра, сколько бароклинными эффектами. Их ширина существенно больше, чем соответствующего шельфа, и вызванные ими упорядоченные вертикальные перемещения масс воды располагаются часто не столько в пределах шельфа, сколько за ним. Так, например, апвеллинги в районах Калифорнийского и Перуанского течений распространяются далеко за пределы узких шельфов. Так же обширны апвеллинговые области, созданные Канарским, Гвинейским и Бенгельским течениями у запанных берегов Африки, где шельф узкий и глубины за ним большие. В Индийском океане относительно небольшая область устойчивого прибрежного апвеллинга находится в районе Западно-Австралийского течения.

В качестве примера апвеллинга, связанного с ветром, следует отметить сезонный подъем вод в районе Сомалийского течения и в Аравийском море, происходящий при развитом юго-западном муссоне. Такие же явления имеют место в азиатски морях Тихого океана.

Общая характеристика фронтов

Начнем с того, что дадим определение фронтальной зоны. Это зона, в которой пространственные градиенты океанических характеристик значительно обострены. Так же есть понятие фронтального раздела – это поверхность внутри фронтальной зоны совпадающая с поверхностью максимального градиента. Фронты имеют разную природу происхождения, а также разделяются по пространственным масштабам: климатические (с глобальным распределением характеристик), синоптические (процессы меньшего масштаба) и планетарного (процессы связанные с общей циркуляцией мирового океана) масштаба. Основные характеристики, по которым выделяют фронта это температура и соленость. Зоны от 10 м до 10 км с перепадами температуры на 10С и солености на 10 % . В настоящий момент сведения о следующих физических параметрах представляются наиболее важными для удовлетворительного физического описания фронтальных зон и фронтальных разделов:

– Ширина фронтальной зоны на поверхности океана или на любой характерной поверхности.

– Направление ее простирания, протяженность и пределы по глубине.

– Общая T, S-характеристика фронтальной зоны. Средние горизонтальные градиенты температуры и солености поперек зоны. Взаимное расположение изопикн, изотерм изогалин в поперечном сечение фронтальных зон.

– Число фронтальных разделов во фронтальной зоне.

– Характеристики фронтальных разделов:

– Угол наклона фронтального раздела.

– Горизонтальные градиенты температуры и солености поперек фронта на разных уровнях.

– Глубина, до которой фронтальный раздел различим.

– T, S-характеристика вертикальных структур по обе стороны каждого фронтального раздела и под ним.

– Поле скоростей в районе фронтального радела и в особенности характерные значения вертикальных и горизонтальных сдвигов скорости поперек фронтального раздела.

– Длина волны меандрирования фронта (или число меандров на 100 км) на разных горизонтах или изопикнических поверхностях.

– Радиус кривизны наиболее искривленных участков фронта.

– Скорость и направление общего перемещения фронтального раздела.

– Скорость и направление перемещения меандров.

– Наблюдающаяся тенденция к обострению или релаксации фронтального раздела.

– Фактическое время фронтогенеза, если процесс наблюдается.

– Статические и физические характеристики тонкой вертикальной термохалинной структуры вблизи фронтальных разделов и на периферии фронтальной зоны.

Все перечисленные выше характеристики в принципе можно получить прямыми измерениями в океане. Некоторые характеристик легче получить с помощью дистанционных методов (например, со спутника), нежели с помощью судов. На основе перечисленных выше характеристик могут быть получены косвенные оценки других, не менее важных, но не поддающихся измерению физических параметров, таких, на пример, как вертикальные составляющие скорости движения на фронтальном разделе или коэффициенты турбулентного переноса тепла и соли через поверхность фронтального раздела и т.д.

В данной роботе мы будем рассматривать фронты, которые ограничивают пятна интенсивного локального апвеллинга в различных районах мирового океана.

Особенности фронтов мировых апвеллингов

Орегонский апвеллинг.

Существование хорошо выраженных фронтов в зоне Орегонского апвеллинга неоднократно отмечался в литературе, причем термические фронты на поверхности хорошо различимы на спутниковых ИК изображениях. Общий температурный контраст в период интенсивного апвеллинга может достигать здесь 6–8 С в прибрежной зоне ширенной всего 20–30 миль. Фронтальные разделы в этом районе являются ярко выраженными зонами конвергенции, что подтверждается экспериментами с поверхностными и подповерхностными поплавками. Фронты в этом районе сопровождаются интенсивными интрузиями теплых прослоек с инверсиями температуры, устойчивость которых достигается повышением солености. Значение горизонтальных градиентов температуры, достигающие вблизи поверхности океана 1–4 С/км, и солености, достигающие там же 0,7–2,0 % /км, являются типичными для данного района и самыми высокими в сравнении с другими областями прибрежных подъемов глубинных вод. Тот факт, что значения этих градиентов в период интенсивного апвеллинга всегда отрицательно коррелированы друг с другом, делает горизонтальные градиенты плотности на фронтах в этом районе также самыми резкими из всех известных в зонах прибрежного апвеллинга.

Наблюдаемая в районе Орегонского апвеллинга резкость фронтальных разделов обусловлена следующими факторами:

– комбинация в ближайшем к поверхности пикноклине резкой солевой стратификации с противоположной по знаку термической стратификацией.

– существенная приглубость берега (глубина моря 150 м достигается уже на расстояние 20 км от берега), способствующая возникновению струйных геострофических вдольфронтовых течений.

Весьма своеобразны условия формирования интрузионной тонкой структуры на фронтальных разделах Орегонского апвеллинга. Так, например, часто возникает теплая прослойка на промежуточных глубинах ниже основного пикноклина является положительно коррелированной Т, S-аномалией на фоне общей отрицательной T, S-корреляции термохолинной изменчивости. Возникновение теплых интрузий в этом районе можно объяснить опусканием «под фронт» вдоль поверхности фронтального раздела вод апвеллинга, слегка прогревшихся за время пребывания вблизи поверхности при их оттоке от берега в приповерхностном дрейфовом потоке.

Южно-Африканский (Кейптаунский) апвеллинг.

Интенсивные термические фронты Южно-Африканского апвеллинга детально описаны Бангом. Горизонтальные градиенты температуры, достигающие на этих фронтах характерных значений от 0,5 до 1.0 С/км и более (около 10 С/км) ставят этот район на один уровень с Орегонским. Наличие тонкой термохолинной структуры интрузионного характера на профилях и разрезах, делает условия в этой фронтальной зоне еще более похожими на условия вблизи Орегонского побережья. Однако в отличии от условий стратификации в верхнем слое вдоль Тихоокеанского побережья Северной Америки, вертикальные градиенты температуры и солености в этом слое вблизи Атлантического побережья Южной Африки имеют один и тот же знак. Это определяет существенную положительную корреляцию горизонтальных изменений температуры в зоне Южно Африканского апвеллинга. К тому же воды течения Мыса Игольного, подходящие к этому району с юга, имеют значения кА температуры, так и солености, в отличии от распресненных речным стоком вод, текущих с севера вдоль всего Тихоокеанского побережья Северной Америки. Именно эти два обстоятельства и делают горизонтальные градиенты плотности на фронтах Южно-Африканского апвеллинга менее резкими, чем на фронтах Оригонского апвеллинга, несмотря на больший общий перепад температуры вблизи Кейптауна, достигающий 8–10С в прибрежной зоне шириной всего лишь 10–20 миль. С другой стороны, положительная T, S-корреляция не мешает горизонтальным градиентам температуры на фронтах быть здесь столь же резкими, как и в районе Орегонского апвеллинга.

Общая положительная T, S-корреляция термохолинной изменчивости в рассматриваемом районе существенно облегчает формирование на фронтальных разделах термохалинных интрузий с инверсиями температуры за счет доступной энергии «термоклинности». По-видимому, в данном случае для их формирования не нужны те несколько специальные условия (прогрев с поверхности), которые требуются для формирования теплых интрузионных прослоек у побережий Орегона и Калифорнии.

Еще одной любопытной особенностью Южно-Африканского апвеллинга является дополнительная зона дивергенции и подъема глубинных вод, располагающаяся на 30–35 миль мористее прибрежной зоны, т.е. на расстоянии 50–60 миль от берега. Глубины океана в этом месте достигают 1000 м, так что возникновение этой зоны едва ли можно связать с рельефом дна. Эту дивергенцию так же трудно связать с экмановским оттоком от берега в приповерхностном слое. Расстояния между дивергенцией и прибрежным фронтальным разделом слишком велико. Банг предполагает, что эта зона и прилегающие к ней со стороны открытого океана фронтальные разделы и струйные течения связаны с крупномасштабной общей циркуляцией.

Бразильский апвеллинг. (район мыса Кабу-Фриу).

Наличие фронтов в этом районе можно констатировать по опубликованным результатам непрерывных измерений на ходу судна автоматическим регистратором температуры и солености. Анализ данных дает характерные значения горизонтальных градиентов температуры на этих фронтах не более 0,5 С/км, что ставит район Бразильского апвеллинга на третье место. В области апвеллинга весной существует подповерхностный максимум солености на горизонте 50 м, обусловленный тем, что вблизи поверхности с запада имеет место приток распресненных речным стоком прибрежных вод. Эта ситуация является причиной отрицательной T, S-корреляцией в пятнах холодной воды и на фронтах неглубокого апвеллинга в этом сезоне. В остальное время года T, S-корреляция пространственной изменчивости температуры и солености в районе Бразильского апвеллинга положительна. При более интенсивном апвеллинге, поднимающем воду с глубины 100–200 м, даже весной T, S-корреляция в пятнах апвеллинга становится положительной на значительных площадях. В результате плотностные контрасты на фронтах не могут достигать тех значений, которые имели место при отрицательной T.S-корреляции. В данном районе на локальную динамику фронтов наибольшее значение оказывает температура по сравнению с соленостью. Сказанное относится непосредственно к району апвеллинга возле мыса Кабу-Фриу. Несколько западнее, в районе о. Илья-Гранди, где из залива Баия-де-Сепетиба имеет место вынос вод, распресненных до 33 % , наблюдаются чисто соленосные фронты с горизонтальными градиентами до 1,0–1,6 % /км. Температурных контрастов не наблюдается. Эти фронты, однако, едва ли имеют отношение к процессу апвеллинга.

Канарский (Западно-Африканский) апвеллинг.

На основе имеющихся данных наблюдений и измерений можно прийти к выводу, что непосредственно в зоне Канарского апвеллинга (100–200 км от побережья) термические фронты встречаются не часто, а горизонтальные градиенты температуры на них слабы, что подтверждается и спутниковыми данными, и лишь в исключительных случаях достигают 0,5 С/км. На краях пятен интенсивного апвеллинга горизонтальные градиенты температуры, как правило, не превышают 0,1–0,5 С/км. Термохалинная изменчивость на поверхности океана в этом районе характеризуется переменным знаком T, S-корреляции: отрицательным – при переходе от лета к осени, положительным – все остальное время. Вертикальная стратификация у побережья Африки значительно слабее, чем у Орегонского побережья, вследствие чего весь диапазон изменений температуры в зоне интенсивного апвеллинга не превышает 5 С. Слабость фронтов в зоне Канарского апвеллинга связана в первую очередь со следующими факторами:

– С преобладающей положительной T, S-корреляцией пространственной термохалинной изменчивости при относительно малом диапазоне изменений температуры ΔТ≈5 С.

– С относительно широким и мелководным шельфом, влияние которого исключает формирование зоны конвергенции вблизи берега, а также препятствует возникновению вдольберегового струйного геострофического течения.

Вследствие этого горизонтальные градиенты плотности на фронтах Канарского апвеллинга очень слабы.

Не исключено, что более резкие фронты располагаются на границе более широкой (1000 км) зоны климатического апвеллинга между водами с температурой 20–22 С, окружающими Канарские острова и о-ва Зеленого Мыса и поверхностными водами тропической Атлантики с температурой 25–27 С. На это указывает высокая концентрация точек наблюдения толчеи и сулоя вдоль меридиана 25 з.д. между 20 и 5 с.ш. Эта зона, видимо, схожа со вторичной зоной апвеллинга, наблюдающейся мористее Южно-Африканского прибрежного подъема вод.

Перуанский апвеллинг.

Этот наиболее типичный и широко известный район подъема глубинных вод отличается размытостью горизонтальных градиентов температуры и видимым отсутствием фронтов. Наиболее резкие локальные горизонтальные градиенты температуры при этом не превышают 0,1 С/км. Спутниковые ИК измерения в этом районе дают значения «фронтальных» градиентов ТПО не более 0,2 С/км. Многочисленные данные контактных измерений поля температуры Перуанского апвеллинга в разные годы свидетельствует о том же самом. Интрузионных прослоек с инверсиями температуры на вертикальных профилях здесь также не наблюдается.

Вместе с тем обращает на себя внимание практически полная идентичность уклона дна в Перуанском прибрежном районе уклону дна в районе Орегонского побережья. Фоновый климатический апвеллинг в районе Перу, пожалуй, является самым интенсивным из всех известных (за исключением периодов Эль-Ниньо) и ощущается в широкой полосе, простирающейся по меньшей мере на 1000 км от берега, как и районе Канарского апвеллинга. Самое главное, что отличает гидрологический режим Перуанского апвеллинга от условий в других районах, это – практически полное отсутствие соленосной стратификации. Полный диапазон изменений солености в зоне интенсивного апвеллинга между Кальяо и Чикама обычно не превышает 0,1–0,3 % . В аномальные годы этот диапазон может возрастать до 0,3–0,5 %  в районе Талары. Столь малая изменчивость солености обуславливает в районе Перуанского апвеллинга самые высоки значения отношения α׀ΔT׀/(β׀ΔS׀), колеблющиеся в пределах от 3 до 22 при общей положительной T, S-корреляции. В этих условиях и следует искать причину размытости фронтальных зон Перуанского апвеллинга. Объяснение со всей наглядностью вытекает из модели Маквина и Вудса и связано с малой степенью «термоклинности» местной стратификации. Под «термоклинностью» Маквин и Вудс понимают угол наклона изотермических поверхностей к изопикническим. В районе Перуанского апвеллинга, где поле плотности почти целиком определяется температурой, этот угол близок к нулю. Вследствие этого фронтогенетический эффект преобладающих в толще вод изопикнических движений также близок к нулю.

Сводная таблица характеристик апвеллингов

Фронты органических веществ в районах апвеллинга

По спутниковым снимкам с помощью программы Bilko3 были получены данные о концентрации хлорофилла в районах апвеллинга. В данной работе мы рассмотрим два района апвеллинга Орегонский и Канарский.

Для Орегонского апвеллинга в его самый интенсивный период (конец июля) значения концентрации хлорофилла составила 0,29 мг/м³ в центре апвеллинга. В остальной, окружающей его территории концентрация составляет 0,01 мг/м³. Такое довольно резкое изменение концентрации хлорофилла формирует фронтальную зону вокруг района апвеллинга. Ширина фронта не одинакова, ее среднее значение составила 333 км. Основное изменение происходит от 0,27 до 0,03 мг/м³. От сюда можно посчитать градиент который равен 0,00072 мг/м³км. Среднее значение концентрации хлорохила на рассмотренном участке равно 0,17 мг/м³. В наименее не интенсивный период (февраль) данные будут следующими. Максимальная концентрация в центре апвеллинга 0,28 мг/м³. В окружающей его территории 0,01 мг/м³. Ширина фронтальной зоны намного больше чем предыдущего 1554 км. Ярко выраженный градиент наблюдается только в узкой полосе шириной 111 км и изменение значения составило от 0,12 мг/м³ до 0,04 мг/м³, значение градиента составило 0,0007 мг/м³км. Среднее значение равно 0,11 мг/м³.

Второй рассматриваемый район апвеллинга Канарский. Этот район менее интенсивный чем предыдущий но значения примерно те же. В наиболее интенсивный период (апрель) максимальное значение концентрации составило 0,28 мг/м³ в центре апвеллинга. В окружающей его территории значение концентрации равно 0,02 мг/м³. Ширина фронтальной зоны составила 999 км. Причем градиенты выражены в двух местах. Первый от центра апвеллинга и на 222 км в сторону его значение составило 0,0008 мг/м³км. Второй на разделе апвеллинга и окружающей его водой, его значение 0,001 мг/м³км. Среднее значение концентрации составило 0,14 мг/м³. В наименее интенсивный период (май) максимальное значение концентрации хлорофилла составило 0,16 мг/м³ в центре апвеллинга. Минимальное значение окружающей воды 0,03 мг/м³. Ширина фронтальной зоны составила 1110 км. Градиент ярко вырожен только на разделе зоны апвеллинга с окружающей его средой и равен 0,0002 мг/м³км. Среднее значение составило 0,12 мг/м³.