Динамика атмосферы и океаны - Гилл А.
Скачать (прямая ссылка):
Рис. 12.7. (а) Изолинии среднегодовых геострофических переносов («свердруповский» минус «экмановский») в Северной Атлантике в мегатоннах за секунду (свердрупах). Значения получены интегрированием меридиональных геострофических расходов вдоль кругов широты от восточной границы либо до западной, либо до той долготы, на которой вихрь напряжения ветра обращается в нуль, (б) Карта динамической топографии поверхности 100 дбар (что приблизительно соответствует глубине 100 м) относительно поверхности 1500 дбар. Изолинии даны в динамических миллиметрах. (Оба рисунка взяты из работы [441, рис. 4].)
рии. Существует целый ряд факторов, которые могут способствовать увеличению расхода. К ним, в частности, относится совместный эффект стратификации и топографии континентального шельфа [700, 332, 727]. Он приводит к смещению глубинного противотечения южного направления к берегу относительно северных течений в верхних слоях. Однако основным фактором, видимо, является вихреобразование, связанное с неустойчивостью течений (см. гл. 13). Оказывается, что модели с достаточно хорошим разрешением, способные воспроизвести спонтанную генерацию вихрей (см. [333]), демонстрируют сходные с наблюдаемыми [869, 874] области замкнутых циркуляций, вихревая статистика которых также соответствует результатам наблюдений [706]. Динамика подобных систем была рассмотрена в работе [664].
Антарктическое циркумполярное течение уникально. Оно является единственным течением, которое обтекает целиком земной шар. (Это хорошо видно по траекториям дрейфующих буев (см. [230].) Это обстоятельство оказывает большое влияние на его динамику, ибо, как отметил Хаф [357], вдоль кругов широты (или изолиний функции ср///, где ср — широта, а Н — глубина) стационарные течения могут течь абсолютно свободно, а пересекать эти линии могут только под действием вынуждающих сил. Хаф также показал, что если меридиональные перегородки отсутствуют или действует зонально симметричная вынуждающая сила, то реакция океана будет линейно нарастать ¦со временем до тех пор, пока не установится баланс с силой трения. На этом основывались ранние модели циркумполярного течения (см., например, [579]). Течения в них считались сосредоточенными в зональном канале. В действительности же, хотя перегородок у этого канала на самом деле нет, сильные течения можно ожидать при слабом трении только на тех широтах, где естественные границы отсутствуют (например, на широтах пролива Дрейка). На других широтах континентальные границы (Южная Америка или Антарктический полуостров) приведут к образованию свердруповского режима течений с малыми скоростями, величины которых с уменьшением трения возрастать не будут. Таким образом, возникает вопрос, как переходят друг в друга два этих решения. Для случая однородного океана постоянной глубины он был рассмотрен в работе [237]. Однако поскольку пролив Дрейка не такой глубокий, как другие районы океана, он оказывается более серьезным препятствием для течения, чем это можно было заключить с помощью модели океана постоянной глубины. Простая модель, предназначенная для учета этого эффекта, предложена Стоммелом [752].
Специфичные черты динамики циркумполярного течения делают особенно интересным исследование реакции океана в этом районе с помощью численных моделей. Обзоры моделей приве-
дены в работах [238, 638, 333, 98, 16], а обзор используемых в них методов — в работе [97]. В модели Кокса [140], например, было обнаружено, что если океан предполагается однородным, то из-за влияния рельефа дна поток через пролив Дрейка оказывается слабым. Стратифицированный же океан значительно менее чувствителен к влиянию рельефа, и переносы в нем оказываются значительными. Интересно отметить, что Хаф [357] объяснил тот факт, что в общем-то течения не следуют изолиниям функции sin ф/Я (где ср — широта, а Я— полная глубина). Он установил, что в стратифицированном океане течения одного отдельного слоя придерживаются изолиний функции sincp/6Я (где 6Я —толщина слоя), и пришел к выводу, что единственное место, где они должны следовать изолиниям sincp/Я, есть экватор, поскольку для любого слоя решением здесь будет зональный поток.
Более детальное исследование эффектов геометрии бассейна предпринято в работе Гилла и Брайена [250]. Интересные результаты были получены в случае, когда на дне моделирующей пролив Дрейка бреши в меридиональной границе задавалось некоторое препятствие — стенка. В частности, было установлено, что она приводит к накоплению холодных вод у дна к востоку от барьера (что соответствует наблюдениям). Накопление вод создает ниже уровня порога зональный градиент давления, который усиливает поток циркумполярных течений. Позднее Маквильямс с соавторами [511] исследовали модели течения, которые продемонстрировали возможную роль вихрей в циркуляции. В статье [835], посвященной изучению результатов измерения давления в проливе Дрейка, было показано, что колебания переноса с периодом более 30 суток тесно коррелируют с проинтегрированными по Южному океану колебаниями напряжения ветра.
