Климат мирового океана

Размещено на http://www.allbest.ru/

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ПО РЫБОЛОВСТВУ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧЕРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«МУРМАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

МОРСКАЯ АКАДЕМИЯ

КАФЕДРА СУДОВОЖДЕНИЯ

Контрольная работа

«Климат мирового океана»

Выполнил:

Кошелев Н.О.

Мурманск

1. Климат океана

Процессы любого масштаба тесно связаны между собой, поскольку каждый цикл высшего порядка представляет собой результат развития процессов низшего порядка. Последовательная смена микропроцессов приводит к формированию определенной направленности мезопроцессов, которые в свою очередь обусловливают характер макропроцессов. При этом качественные особенности всякой более высокой категории процессов будут определяться количественными изменениями обмена энергии и веществ, происходящими в рамках более интенсивных, но менее продолжительных циклов. «В высокочастотной части синоптического интервала происходит каскадная передача энергии по спектру от крупномасштабных движений к мелкомасштабным вследствие гидродинамической неустойчивости квазигоризонтальных синоптических движений...; на низкочастотном конце синоптического интервала, по-видимому, имеет место передача энергии в противоположном направлении - от синоптических движений движениям еще более крупного масштаба» (А.С. Монин). Таким образом, климат, формируясь в результате последовательного развития циклов различных пространственно-временных масштабов, является фоном, на котором эти процессы развиваются.

Взаимосвязь гидрофизических процессов различных масштабов. Среди океанологов и специалистов, связанных с обеспечением различных нужд флота, довольно широко распространено мнение об отвлеченности средних климатических характеристик, о том, что они не дают представления о реальных условиях в океане. При этом далеко не всегда принимается во внимание, о каких временных и пространственных масштабах идет речь. Для микропроцессов такая «реальность» будет определяться методом анализа исходных рядов непосредственных измерений. Даже при наличии синхронных океанографических съемок трудно обойтись без сглаживания исходных данных. Исключением может явиться синоптическое картирование. Большей же частью необходимо обобщение наблюдений по часам, суткам, декадам, естественным периодам. Сказанное в полной мере относится и к методике анализа мезопроцессов. Для суждения о них применяется осреднение по различным временным и пространственным масштабам, а также всевозможные классификации по типам процессов. Изучение макропроцессов возможно только в многолетнем аспекте на основе использования всех имеющихся данных или какой-то их части, относящейся к определенной климатической эпохе. Только этим путем можно получить представление об общих закономерностях, свойственных океаносфере и атмосфере, - их климате.

Таким образом, без отвлечения от непосредственных измерений трудно получить представление об интересующих нас процессах и явлениях. Исключением могут быть лишь расчеты по теоретическим моделям; однако и при этом прослеживается стремление использовать те или иные натурные данные.

В каких же временных и пространственных масштабах получаемые результаты можно считать реально отражающими действительность? По-видимому, такая постановка вопроса неправомерна. Ведь даже непосредственное измерение, выполнение в океане или атмосфере, имеет сугубо относительную «реальность», поскольку в каждый предшествующий или последующий отрезок времени состояние среды было или будет иным. И напротив, явно выраженные сезонные условия можно зафиксировать и сопоставить на основе обобщения (осреднения) Длительных рядов наблюдений. То же следует сказать и о многолетней изменчивости вполне реальных периодов потепления, похолодания и т.п.

Каждая категория гидрометеорологических процессов отражает объективность, свойственную данному пространственно-временному масштабу. Для иллюстрации сказанного можно обвиться к данным о течениях. Так, непосредственные измерения дают представления о мгновенной характеристике потока. На основании длительных измерений можно получить дисперсию течения по направлению и скорости. С этой целью строят течений; такой статистический анализ дает возможность получить векторную гистограмму распределения, выбрать из нее преобладающее (модальное) результирующее направление (конечный перенос по всем перемещениям за рассматриваемый отрезок времени) и скорость, среднее их значение, устойчивость и пр. По исследованиям Р.П. Булатова, средняя годовая скорость течений, определенная по всем потокам Атлантического океана, равна 54 см•с^-1. Такова же она (56см•с^-1) по геострофическим расчетам в одноградусном масштабе осреднения данных (температуры и солености), уменьшаясь в пятиградусном в 2 раза (28 см•с^-1) и снова сокращаясь вдвое (14 см-с^-1) при десятиградусном. Одноградусное осреднение для Флоридского течения дало скорость 140 см•с^-1, для Гольфстрима - 80, для Североатлантического - 50, для Прибрежного антарктического - только 8 см•с^-1. По В.А. Буркову (1980), максимальная скорость Гольфстрима зимой составила 355, а летом - 334 см•с^-1; при обобщении материалов по сезонам она уменьшается приблизительно в 3 раза (до 118 - зимой и 134 см•с^-1летом). Следовательно, рассчитанную по косвенным данным для одноградусных трапеций среднюю за год скорость 80 см•с^-1можно считать вполне приемлемой для определения годового переноса вод Гольфстрима. Соответствующие значения могут быть использованы для расчета сезонного и максимально возможного переноса.

Весьма важно и то, как сказывается изменение масштабов осреднения исходных данных на представлениях о течениях в рассматриваемом регионе. Такие исследования были проведены Р.П. Булатовым (1971). Он рассчитал геострофическую циркуляцию вод Атлантического океана (от условной поверхности 1500 м) при одноградусном, пяти-, десяти- и сорокаградусном осреднении всех имеющихся сведений о температуре и солености. При этом было выявлено, что общие закономерности переноса вод проявляются в каждом случае, однако с различными особенностями.

При одноградусном масштабе осреднения макроциркуляционные системы сильно затушевываются множеством мезомасштабных вихрей. Наличие их можно связать как с самой природой циркуляции вод, так и с недостаточным количеством исходных данных, за счет чего появляются отдельные кольцеобразные изолинии. Надо полагать, что ограниченность сведений играет второстепенную роль, поскольку вихри прослеживаются, пожалуй, в еще большей степени и в пределах акваторий с большим количеством наблюдений (северо-западные и северо-восточные части океанов). Таким образом, можно считать, что одноградусный масштаб осреднения сравнительно слабо «отфильтровывает» мезомасштабные вихри, являющиеся важнейшей чертой циркуляции вод. Тем самым значительно затемняются общие закономерности, проявляющиеся в сочетании макроциркуляционных систем циклонического и антициклонического характера, последовательно сменяющихся в направлении от экватора к полюсам.

При пятиградусном масштабе осреднения мезомасштабные вихри практически целиком исчезают и с наибольшей четкостью проявляются все важнейшие закономерности циркуляции вод океана. Отдельные небольшие круговороты, по-видимому, следует считать не мезомасштабными образованиями, а частями макроциркуляционных систем. Пятиградусный масштаб является оптимальным для выявления основных закономерностей, свойственных всем гидрофизическим и гидрохимическим полям океана.

Десятиградусный масштаб осреднения позволяет проследить самые главные особенности циркуляции вод океана. К их числу следует отнести и весьма наглядное представление об увеличении интенсивности циркуляции в умеренных широтах, проявляющемся по сгущению изолиний динамического рельефа. Вместе с тем скорости отдельных течений существенно отличаются от непосредственно замеренных. Несмотря на это, их не следует считать «фиктивными», так как они дают среднюю величину, характерную для десятиградусной трапеции (со сторонами, превышающими 1000 км); по ним можно получить перенос вод в пределах всей трапеции за тот отрезок времени, по которому проводилось обобщение исходных данных.

Сорокаградусный масштаб осреднения априорно неприемлем при изучении циркуляции вод. Однако в методическом отношении для понимания того, что может дать использование различных градаций обобщения первичных данных, этот эксперимент Р.П. Булатова вполне оправдан. Тем самым удалось показать, что даже при столь, казалось бы, нелепом масштабе осреднения не возникают несуразные представления и все еще проявляются самые важные черты глобальной циркуляции вод; особенно четко прослеживается перенос вод между полушариями.

Основные черты геострофической циркуляции вод в процессе взаимодействия океана с атмосферой сохраняются в продолжение всего года; с переходом от лета к зиме лишь несколько повышается интенсивность циркуляции, о чем свидетельствует увеличение горизонтальных градиентов динамического рельефа. Исследования Р.П. Булатова показали, что при осреднении исходных данных по времени и пространству «отфильтровываются» процессы низших категорий и выявляются основные особенности явлений более крупного масштаба.

Микропроцессам свойственны высокая интенсивность, небольшие временные и пространственные масштабы; для процессов более высоких категорий характерно уменьшение интенсивности и увеличение их масштабов. Пространственное или временное осреднение данных позволяет выявить взаимосвязь между процессами различных масштабов. Объединяя ряды наблюдений, выполненных в течение определенного отрезка времени, мы получаем представление о характере изучаемого явления в пределах интересующего нас периода. С предельной простотой это можно проследить при сопоставлении элементарных синоптических процессов с многолетними их преобразованиями. С переходом к процессам более высоких категорий закономерно уменьшаются получаемые средние величины (соответственно понижению их интенсивности). При обобщении материалов по все более крупным пространственным масштабам происходит «отфильтровывание» микропроцессов и возникают представления об особенностях, характерных для макропроцессов. Тем самым оказывается возможной замена временного масштаба пространственным.

Специальные исследования, проведенные Арктическим и антарктическим научно-исследовательским институтом в океанографических экспедициях, подтвердили, что пространственное осреднение гидрофизических полей является приемлемой заменой временных масштабов. Так, обобщение данных по температуре воды и теплосодержанию по трапециям размером около 2,5° (150x150 миль) соответствует изменяющимся функциям времени без проявления флуктуации в продолжение 2-3 месяцев. Эти выводы являются репрезентативными и для пятиградусных трапеций (с линейными размерами 300х300 миль). Таким образом, путем осреднения данных, относящихся к синоптическим и другим процессам малых временных масштабов, получены представления о пространственно-временных явлениях высших (крупномасштабных) категорий.

Необходимо затронуть и вопрос о выборе картографической проекции для правильного представления об изучаемом явлении. Несмотря на всю банальность положений, которые поэтому поводу могут быть высказаны, по каким-то непонятным причинам они полностью игнорируются. Наиболее ярким примером в этом отношении являются атласы, посвященные океанам и отдельным их частям. Как в нашей стране, так и в иностранных изданиях картографической основой для них обыкновенно выбирается проекция Меркатора. Оправдание тому находят в том, что она привычна для моряков. Довод малопонятный, поскольку карты таких атласов не могут использоваться в навигационных целях. Какой же тогда смысл приучать моряков к неправильным представлениям об условиях, свойственных среде, о которой они должны иметь самые точные и достоверные сведения?

При всех навигационных достоинствах проекции Меркатора общеизвестны даваемые ею огромные искажения площадей: тогда как размер одноградусной трапеции у экватора несколько превышает 12 тыс. км², в умеренных широтах (60°) он меньше в 2 раза, а в полярных (80°) - в 6 раз. Сколь же грандиозны будут искажения при сопоставлении даже относительно небольших акваторий! Уже в рамках десятиградусной трапеции площадь ее в умеренной зоне в 20 раз меньше, чем в приэкваториальных областях. Отсюда ясно, как велики искажения природных условий в тех случаях, когда в проекции Меркатора представляется весь океан, северные или южные его части, расположенные по обе стороны от экватора. А ведь нередко эта проекция применяется и для Мирового океана, давая совершенно неправильные суждения о соотношении площадей и, следовательно, о происходящих явлениях.

Наглядным примером того, как искажает такая проекция рассматриваемое явление, могут служить карты циркуляции вод океанов. Так, в частности, за счет вытянутости проектируемой акватория в меридиональном направлении линии динамического рельефа Циркумполярного антарктического течения получают весьма значительные волнообразные искривления. Может быть сделано заключение, что этому потоку свойственно сильное меандрирование, которое, следовательно, должно играть вихреобразующую роль. В равноплощадной же проекции Циркумполярное течение проявляется с хорошо выраженной зональностью с преобладанием протяженности линий тока в широтном направлении. Поскольку закономерности изучаемых полей выявляются в картографическом их представлении, выбор проекции сказывается на делающихся выводах. Все это весьма тривиально и потому, казалось бы, не достойно внимания, если бы не было столь широко распространено (несмотря на всю очевидность необходимости правильного выбора картографических проекций для каждого конкретного случая). В свете всего сказанного следует указать, что в книге используется равно-площадная проекция Главного управления геодезии и картографии, построенная для Мирового океана; она дает правильные представления о площадях в пределах тех возможностей, которые допустимы при отображении шарообразной формы Земли на плоскости.

Важнейшие особенности формирования, изменчивости и взаимосвязи климатических полей океана. Исследования, выполненные в свое времяв отделе физической океанографии Института океанологии АН СССР, позволили выявить крайне интересные и исключительно важные в научном и прикладном отношениях закономерности формирования и изменчивости гидрофизических полей. Они имеют прямое отношение и к взаимосвязи процессов различных масштабов. зучению подвергались северные части Атлантического и Тихого океанов, в пределах которых собрано около 90% всех данных, накопленных по Мировому океану; это позволило провести наиболее полное и всестороннее климатолого-статистическое исследование. Главное внимание было уделено тем параметрам, которые особенно важны при рассмотрении формы кривой вероятности распределения и отражают ее основные точки и размеры. К ним относятся средние, модальные (преобладающие, получаемые по середине интервала наибольшей повторяемости), минимальные и максимальные величины, выбранные из всего ряда наблюдений. Сюда же относятся такие параметры распределения, как стандартное отклонение и коэффициент вариации, позволяющие оценить изменчивость в абсолютном и относительном выражении. В некоторых случаях использовались и другие статистические параметры. В океанографии в виде полей они почти не рассматривались. Большое внимание уделено сезонной и экстремальной изменчивости, а также статистической генерализации гидрофизических полей. В столь широком аспекте гидрофизические поля не изучались ни в нашей стране, ни за рубежом.

Самым интересным и важным результатом проведенного исследования явилось удивительное подобие средних, модальных и экстремальных полей; оно проявляется в однотипности конфигурации изолиний, прослеживающихся не только в общих чертах, но и в большинстве деталей. В качестве примера здесь приводятся поля температуры (отличающиеся наибольшей природной изменчивостью) на поверхности Северной Атлантики. То же характерно для полей солености, плотности, электропроводности, скорости звука и др. Столь хорошо выраженная закономерность прослеживается во всей толще вод северных частей Атлантического и Тихого океанов, по которым проводились климатолого-статистические исследования.

Поле средней (вверху) и модальной (внизу) температуры (°С) на поверхности океана. Заштрихована акватория, в пределах которой температура выше средней, полученной для всей Северной Атлантики.

Для количественной оценки взаимосвязи гидрофизических полей использовались коэффициенты корреляции, которые оказались поразительно высокими. По Северной Атлантике для верхней пятисотметровой толщи вод Галеркиным Л.И. были рассчитаны 45 коэффициентов корреляции между средними, модальными и экстремальными полями. Самый низкий из них в одном случае составил 0,68, в другом - 0,69; меньше 0,80 он встретился только 8 раз (в 17,8% от всех полученных величин), тогда как от 0,80 до 0,90 - 19 раз (42%), а выше 0,90 - 18 раз (40%), причем 5 раз коэффициенты корреляции составили 0,97, а 4 раза - 0,98.

Поле минимальной (вверху) и максимальной (внизу) температуры (°С) на поверхности океана. Заштрихована акватория, в пределах которой температура выше средней, полученной для всей Северной Атлантики

Особенно тесная связь обнаружена по температуре, несколько меньше она у солености и еще ниже по плотности. При этом по температуре и солености самые высокие коэффициенты корреляции получены между средними и модальными (преобладающими) характеристиками; немного слабее связь с минимальными полями и еще меньше с максимальными. По плотности воды взаимосвязь между средними и модальными величинами также велика, однако на различных уровнях теснота связи с экстремальными полями может меняться, оказываясь большей то с максимальными, то с минимальными характеристиками. С удалением от поверхности океана коэффициенты корреляции по температуре в целом становятся немного ниже, а по солености и плотности немного растут. По сравнению с северной частью Тихого океана связь между полями Северной Атлантики в целом несколько выше.

Одновременное изучение целой совокупности гидрофизических полей, построенное на анализе одного и того же исходного материала, позволило провести их сопоставление и выявить свойственные им общие закономерности. Важнейшими факторами, обусловливающими формирование гидрофизических полей, являются обмен энергии и веществ, а также циркуляция вод. Перенос масс в пределах отдельных квазистационарных макроциркуляционных систем, сменяющих друг друга по широтным зонам, способствует сохранению зональных свойств. Вместе с тем при значительной меридиональной составляющей отдельных течений нарушается широтное положение изотерм, изогалин, изопики и других изолиний, определяющих характер свойств вод.

Проведенное исследование показало, что гидрофизические поля представляют собой единую взаимосвязанную систему, формирование и изменение которой определяется глобальным обменом энергии и веществ.

При преобладании зональных условий в приповерхностных слоях океаносферы и атмосферы меридиональные градиенты гидрофизических и метеорологических свойств (определяющих основные закономерности свойств обеих сред) оказываются значительно больше широтных градиентов. При высокой плотности океанических вод это приводит к исключительно большой устойчивости гидрофизических и гидрохимических полей (структуры и стратификации, их характеристик, циркуляции вод и пр.). При значительно меньшей плотности воздуха по сравнению с водой закономерности, вскрытые для океаносферы, не всегда приложимы к атмосфере. вода океан атлантика климатический

Тем самым становится понятным то, что в системе «океан - атмосфера - суша» Мировому океану принадлежит ведущая роль в планетарном обмене энергии, масс и веществ, а, следовательно, в формировании и изменении природы всего земного шара.

При наибольшей изменчивости солнечной радиации в направлении от экватора к полюсам и соответствующем характере обмена энергии и веществ меридиональные градиенты гидрофизических полей оказываются ведущим климатообразующим фактором. Они перекрывают воздействие всех других процессов, в том числе сезонные и межгодовые колебания; возмущающее влияние последних значительно меньше меридиональной изменчивости свойств вод. Таким образом, становятся понятными причина широтной протяженности изолиний гидрофизических полей, их отклонение в пределах отдельных акваторий сильными течениями и большое сходство между средними, модальными и экстремальными полями. Следовательно, главные особенности формирования и изменчивости гидрофизических полей определяются меридиональными градиентами, за счет чего изменчивость во времени в каждой точке океана существенно меньше пространственной изменчивости. Поскольку эта общая закономерность была выявлена в процессе климатолого-статистических исследований северных частей Атлантического и Тихого океанов, можно полагать, что она справедлива и для Мирового океана в целом.

Гидрофизические поля при сохранении общих черт, вполне понятно, различаются по абсолютным величинам, сравнительно близким у средних и модальных, но весьма существенно различных у минимальных и максимальных значений. Выделение областей выше и ниже средней, полученной для всей исследуемой акватории, дает представление о положительных и отрицательных аномалиях термогалинных полей и к тому же очень наглядно отражает особенности их перестройки по вертикали. Статистическому анализу подвергались воды верхней пятисотметровой толщи океана. Глубже количество исходных данных начинает быстро уменьшаться и статистические характеристики оказываются менее надежными. Однако, основываясь на увеличении гомогенности вод с глубиной, можно полагать, что взаимосвязь между средними, модальными и экстремальными полями должна оставаться высокой. Верхняя пятисотметровая толща вод океана подвергается наибольшей изменчивости, и если в ее пределах выдерживается тесная зависимость между средними, модальными и экстремальными полями, то она не может не иметь места во всей толще океана, поскольку с глубиной повсеместно возрастает однородность вод.

Средние годовые, модальные (преобладающие) и экстремальные температуры (°С) воды (1), полученные по всей Северной Атлантике по многолетним данным, а также разности между наибольшими и наименьшими величинами (2) в пределах рассматриваемой акватории

Привлечение статистических методов позволяет получить в сжатой и обобщенной форме обширную информацию о пространственной и временной структуре гидрофизических полей. Однако, в условиях когда основная масса имеющихся океанографических материалов представляет собой совокупность данных, неравномерно располагающихся во времени и пространстве, возникает вопрос о том, допустимо ли вообще привлечение статистической обработки. Определение в таких условиях минимальной величины исходных рядов наблюдений, при которой возможно применение статистического анализа, заведомо бесполезно. Априори совершенно ясно, что обширнейшие открытые пространства океана не обеспечены должным количеством данных. В таком случае расчет статистических характеристик все же можно проводить, сопровождая его определением погрешностей рассчитываемых гидрофизических параметров. Полученные доля погрешностей как самого параметра, так и его стандартного отклонения показали, что ошибки расчета увеличиваются в соответствии с природной изменчивостью гидрофизических условий и уменьшением количества данных. Сочетание их и определяет поля погрешностей. Однако в целом ошибки уменьшаются с удалением от поверхности океана за счет повышения устойчивости состояния среды. Как правило, погрешности малы, оказываясь существенно меньше средней природной изменчивости, оцениваемой по стандартному отклонению. Максимальная изменчивость по экстремальным величинам много больше.

В качестве примера могут быть рассмотрены материалы, относящиеся к полю температуры Северной Атлантики, природная изменчивость которого особенно велика. Так, оказалось, что погрешность вычисления средней температуры на поверхности океана уменьшается от 0,3-0,5° в центральной его части до 0,1-0,2° в прибрежных районах. Ошибки расчета стандартного отклонения еще меньше, изменяясь в тех же пределах - от 0,2-0,3° до 0,1-0,05°. В то же время стандартное отклонение самого поля температуры на поверхности океана от 0,5-1,0 в тропиках нарастает до 2,0-3,0° на севере, достигая максимальных значений 5,0-6,0° в районе Гольфстрима. Сезонная изменчивость по разности между экстремальными средними месячными температурами от 1-2° в экваториальной зоне увеличивается приблизительно до 6° в субарктических широтах, доходя у берегов Северной Америки до 10-16°. Разность между экстремальными величинами, выбранными из всего ряда имеющихся данных, очень велика, составляя в низких широтах 2-5°, в высоких - 5-10°, а в районе Гольфстрима - 15-25°. С удалением от поверхности океана гидрофизические условия становятся более однородными и соответственно уменьшаются ошибки расчета статистических параметров, но они всегда значительно меньше природной изменчивости. Те же закономерности свойственны солености, плотности и, следовательно, прочим физико-химическим свойствам океаносферы.

Возможность использования ограниченных исходных данных для климатолого-статистического изучения гидрофизических полей определяется также исключительно высокой устойчивостью процессов в океане, нарастающей по мере удаления от побережий и от поверхности ко дну. За счет устойчивости условий возможно получение в первом приближении оценки изменчивости средних многолетних гидрофизических полей по всей изучаемой акватории. Критерием допустимости использования каждой полученной оценки является то, как она ложится во всем поле анализируемых величин.

Проведенные исследования показали также несостоятельность широко распространенных представлений об отвлеченности средних климатических характеристик, о том, что они не дают сколько-нибудь близкого представления о реальных условиях в океане. Большое сходство гидрофизических полей и исключительно высокие коэффициенты корреляции между ними (как правило, выше 0,8-0,9) позволяют сделать вывод о том, что формирование и изменение гидрофизических полей происходит по единому закону, определяющему их пространственную и временную взаимосвязь и изменчивость. Следовательно, среднее состояние (климат) Мирового океана отражает объективную реальность, связанную с каждым отдельным моментом, через посредство микро- и мезомасштабных процессов.

Обобщая, можно написать о том, что среднее многолетнее состояние океана не представляет собой некое отвлеченное чисто фиктивное и формальное понятие. Это состояние отражает объективную реальность, более или менее близкую к каждому отдельному моменту, определяющемуся общими закономерностями формирования и изменчивости гидрофизических полей. Оно является тем главным фоном, который обусловливает основные особенности развития микро- и мезопроцессов, поскольку они не выходят за рамки экстремальных величин, взаимосвязанных со всеми другими характеристиками гидрофизических полей. Более того, основываясь на этой взаимосвязи, можно по одной из имеющихся характеристик, полученных даже по ограниченным исходным данным, провести ориентировочную оценку других.

В условиях, когда основная масса океанографических наблюдений представляет собой совокупность данных, неравномерно располагающихся во времени и пространстве, климатолого-вероятностный метод дает возможность связать процессы различных пространственно-временных масштабов.

Размещено на Allbest.ru