Перевод: Тронь Александр Анатольевич

10.6 Пояснения к вопросу о геострофических течениях.

Теперь, после того как мы познакомились с тем, как рассчитываются геострофические течения по гидрографическим данным, рассмотрим некоторые ограничения теоретических основ этих расчетов и соответствующих алгоритмов.

Преобразование сдвиговой скорости в величину скорости. Из гидрографических данных получают геострофические течения относительно геострофического потока на определенном отсчетном уровне. Как отсюда получить скорость геострофического течения относительно земной системы отсчета?

1. Выбор поверхности нулевой скорости. Традиционно, океанографы предполагают существование неподвижной поверхности, иногда называемой поверхностью отсчета,, приблизительно на глубине 2000 м. Это предположение используется для получения скоростей течений в таблице 10.4. На этой глубине скорости полагаются нулевыми, и течения относительно этой поверхности получаются интегрированием вверх до поверхности и вниз – до дна, что дает зависимость скорости от глубины.

Существуют экспериментальные данные, подтверждающие существование такой нулевой поверхности для осредненных течений (см., например, Defant, 1961: 492).

Дефант рекомендует выбирать поверхность отсчета там, где сдвиг течения в вертикальном направлении принимает наименьшее значение. Обычно, это соответствует глубине около 2 км. На основе этого подхода составлены удобные карты поверхностных течений, поскольку эти течения, в среднем, имеют большие скорости, чем глубинные. На Рис. 10.9 представлены геопотенциальная аномалия и поверхностные течения в Тихом океане, полученные относительно уровня 1000 децибар по давлению.

Рис. 10.9. Средняя геопотенциальная аномалия относительно уровня 1000 децибар в Тихом океане, по данным 36356 наблюдений. Высоты аномалий приведены в геопотенциальных сантиметрах. Если бы скорость циркуляции на уровне 1000 децибар была равна нулю, то этот рисунок представлял бы собой топографическую поверхность Тихого океана. По данным Виртки (1979).

2. Использование известных течений. Параметры таких течений можно получить с помощью измерителей скоростей течений или по данным спутниковой альтиметрии.

При этом могут возникнуть проблемы, связанные с тем, что гидрографические данные, используемые для расчета течений, получены в разное время. Например, массив гидрографических данных может формироваться за время от месяцев до десятилетий, тогда как параметры течений могут измеряться в течении всего нескольких месяцев. Поэтому, гидрография может быть несовместимой с данными по измерениям течений. Иногда, течения и гидрография измеряются практически синхронно, как показано на Рис. 10.10. В этом примере течения непрерывно измерялись заякоренным измерителем (точки) в глубинном западном погранслое и рассчитывались по данным термоэлектрического измерителя,, полученным сразу после установки измерителей и непосредственно перед их поднятием (сглаженные кривые). Сплошная линия отображает течение в предположении существования нулевой поверхности на глубине 2000 м, штриховая – течение по данным измерителя, сглаженным по различным интервалам до и после сеансов термоэлектрических измерений.

Рис 10.10. Термоэлектрические измерения течений позволяют оценивать их изменения с глубиной, не прибегая к предположению о поверхности нулевой скорости. Сплошная линия: профиль скорости в предположении наличия нулевой поверхности на глубине 2000 децибар. Пунктирная линия: профиль согласованный с измерениями течений, сделанными за 1 – 7 суток до термоэлектрических гидрографических измерений. (Графики предоставлены Томом Витворфом, A&M Университет, Техас).

3. Используем законы сохранения. Данные цепочек гидрографических станций пересекающих пролив или покрывающих открытый бассейн, могут использоваться, вместе с уравнениями сохранения массы и солей, для расчета течений. Это пример обратной задачи (Вюнш, 1996, описывает применения методов обратных задач в океанографии). В работе Мерьсера etal. (2003) подробно описывается методика расчета поверхностной циркуляции в восточном бассейне южной Атлантики с использованием гидрографических данных Глобального эксперимента по океанической циркуляции и прямых измерений течений в рамках модели конечных элементов теории обратных задач.

Недостатки методики расчета течений по гидрографическим данным. Карты океанских течений, рассчитанных по данным гидрографии, используются с начала XX века. Тем не менее, важно проанализировать ограничения данной методики.

1. Гидрографические данные позволяют рассчитать течения только по отношению к течениям на уровне, принятом за базовый.

2. Геострофическое приближение не применимо к полосе 2^о около экватора, где параметр Кориолиса стремится к нулю, т.к. sin j → 0.

3. Геострофическое приближение не учитывает действие сил трения.

Точность. Струб et. al. (1997) показал, что скорости течений, рассчитанных по данным о наклонах морской поверхности, полученных из спутниковой альтиметрии, имеет точность ± 3 – 5 см/сек. Ушида, Имаваки и Ху (1998) сравнили скорости течений в системе Куросио, измеренные по данным дрейфующих буёв со скоростями, рассчитанными по спутниковым данным в предположении геострофического баланса.

Используя данные о наклонах морской поверхности вдоль трассы в 12.5 км, они оценили разность между двумя измерениями величиной ± 16 см/, для скоростей течений до 150 см/сек, т.е. около 10 %. Дхонс, Ваттс и Россби (1989) проводили измерения скорости течения Гольфстрим к северу от мыса Гаттерас и сравнивали свои результаты со скоростями, рассчитанными по гидрографическим данным в предположении геострофического баланса. Они установили, что скорости в центральных областях течения на глубинах до 500 м были на 10 – 25 см/сек больше, чем скорости полученные из геострофических уравнений, с использованием измерений на глубине 2000 м. Максимальная скорость в центре течения превышала 150 см/сек , поэтому погрешность составляла около 10%. После добавления поправки за кривизну траектории Гольфстрима, вносящую дополнительный член в выражение для ускорения в геострофических уравнениях, разница между рассчитанной и наблюденной скоростями упала до величины не превосходящей 5 – 10 см/сек ( ≈ 5% ).