книги из ГПНТБ / Монин А.С. Изменчивость мирового океана

А. С. МОНИН, В. М. КАМЕНКОВИЧ, В. Г. КОРТ

ИЗМЕНЧИВОСТЬ

МИРОВОГО

ОКЕАНА

ГИ Д Р О М Е Т Е О И З Д А Т ЛЕНИНГРАД о 1974

УДК 551.46

ЧИТУ....•->, .ОГО ЗАЛА J

В книге освещается круг актуальных вопросов океа­ нологии, объединенных общей идеей и единым назва­ нием «изменчивость океана». Дается систематический об­ зор фактических данных и современных теорий в этой области. Рассматривается изменчивость океана в связи с интересами ряда отраслей народного хозяйства и развитием долгосрочных прогнозов погоды, излагается механизм взаимодействия атмосферы и океана, дается классификация неустановившихся процессов и обсужда­ ются методы их наблюдений. Излагаются перспективы исследования океанской изменчивости с помощью гло­ бальных наблюдений и численного моделирования.

Рассчитана на широкий круг читателей (океаноло­ гов, метеорологов, климатологов, специалистов рыбного промысла и др.).

A variety of modern problems in oceanology united by a general idea and under a single title "The variability of the ocean" is elucidated. A systematic review is given of the observational data and modern theories in this field. The variability of the ocean is considered in con­ nection with economic problems and developments of long-term weather forecasts; the mechanism of the air— sea interaction is described; the classification of the nonstationary processes in the ocean is given and methods of their observation are discussed. Possibilities are des­ cribed of the investigation of the ocean variability with an aid of global observations and numerical modelling.

The book is intended for various specialists in ocea­ nology, meteorology, climatology, fishery etc.

© Гидрометсоиздат, 1974 г.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Океанологическими наблюдениями последних лет обна­ ружена столь значительная синоптическая и междугодичная измен­ чивость динамического и термодинамического состояния океана (течений и полей температуры и солености), что стала ясной необ­ ходимость в синоптической службе наблюдения и прогнозирования этой изменчивости для обслуживания ряда видов деятельности че­ ловека на океане. Создание такой службы потребует проведения широких океанологических исследований,, технических разработок и организационных мероприятий. При планировании этой работы желательно исходить из сводки имеющихся фактических данных и теоретических представлений о важнейших нестационарных про­ цессах в океане. Составление такой сводки и является целью на­ стоящей книги.

Направленность к крупным, хотя бы и кажущимся далекими, практическим целям научно-технического прогресса человечества, достижение которых требует глубокого проникновения в законы природы, — это и есть, по нашему мнению, определение фундамен­ тальных научных исследований. Представляется, что такая целеуст­

Знания и средства, необходимые для достижения крупной цели, об­ разуют промежуточные цели, им в свою очередь предшествуют цели третьего порядка и т. д., и план решения фундаментальной научной проблемы приобретает характер сетевого графика, который, может быть, и изменится в результате новых открытий, но составлять его необходимо. Этой методологии мы и пытались придерживаться в на­ стоящей книге.

Рассматривая как основной объект Мировой океан в целом, мы во всех главах анализируем условия в открытом (глубоком)

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ

Смысл нижеследующих обозначений не меняется на протяжении всей книги.

Д — оператор Лапласа в пространстве Д/j—оператор Лапласа на плоскости х, у

—оператор Лапласа на поверхности сферы единичного ра­ диуса

V — оператор градиента в пространстве

VA—оператор градиента на плоскости х, у div — оператор дивергенции в пространстве

rot — оператор ротора, или вихря, в пространстве (правое вра­ щение)

rotz — вертикальная компонента вектора вихря g — ускорение силы тяжести

Q — вектор угловой скорости вращения Земли

Q — |Q| —величина угловой скорости вращения Земли

/— параметр Кориолиса

Р— широтное изменение параметра Кориолиса N — частота Вайсала—Брента

ц— вектор скорости

U,V,VJ—соответственно зональная, меридиональная и вертикальная

о> — частота

5

1

Г Л А В А

ВВЕДЕНИЕ

иным образом отражаются на деятельности человека. Это относится

рыбы (причем они составляют в настоящее время около трех чет­ вертей хозяйственных доходов от океана [1]), по-видимому, суще­ ственны процессы образования и эволюции неоднородностей тонко­ слойной вертикальной микроструктуры океана, поскольку, по Вино­ градову, Гительзону и Сорокину [2], лишь наличие неоднородностей обеспечивает существование зоопланктона, являющегося необхо­ димым звеном в пищевых цепях для более крупных морских живот­ ных (при однородном распределении своей пищи — фитопланк­ тона— рачки зоопланктона должны были бы затрачивать на пере­ мещения в поисках пищи больше энергии, чем эта пища может дать).

Турбулентность, существующая внутри слоев вертикальной мик­ роструктуры, вызывает более быстрое, чем молекулярная диффузия, распространение в морской воде всевозможных примесей, как по­ лезных (растворенные газы и минеральные соли, нужные для раз­ вития фитопланктона), так и вредных (радиоактивные загрязнения, нефтепродукты, ДДТ, свинец). Поверхностные волны создают серь­ езные помехи морскому транспорту, и в СССР даже выработана оперативная система оптимального выбора маршрутов судов по ма­

в прибрежной зоне моря и может разрушать береговые сооруже­ ния. В то же время имеются некоторые перспективы инженерного использования энергии волнения; так, например, в Японии созданы образцы волновых генераторов электропитания для морских буев.

6

Роль приливов общеизвестна — с ними нельзя не считаться в ра­ боте портов и в навигации и рыболовстве в прибрежных районах. Несмотря на большие и медленно окупающиеся капиталовложения, вЧ>тдельных районах могут быть перспективны приливные электро­ станции; приливный цикл их работы можно использовать для при­ бавления мощностей к единым энергетическим системам в часы пик.- Опыт их сооружения и эксплуатации имеется во Франции, где

400 кВт на Кольском полуострове, сооруженная из блоков, достав­ ленных на плаву по методике инженера Бернштейна). Оценка прак­ тического значения внутренних волн еще остается делом будущего. Приливные и инерционные колебания вносят заметный вклад в из­ менчивость течений, что иногда полезно учитывать в навигационной практике.

Наибольшее внимание в настоящее время следует уделить круп­ номасштабной (синоптической, внутригодичной и междугодичной) изменчивости океана, в прогнозах которой уже сейчас нуждаются

нужда будет расти с увеличением длительности их пребывания под водой. Между тем даже имеющиеся немногочисленные и отрывоч­ ные фактические данные уже теперь решительно свидетельствуют о том, что размах синоптической изменчивости течений вполне мо­ жет быть сравним с самими течениями не только в известных райо­ нах меандров сильных течений, но, возможно, и почти всюду в Ми­ ровом океане (см. на рис. 1.1.1 пример синоптической изменчивости Северного Пассатного течения). Очевидно, что при столь сильной изменчивости нельзя ориентироваться на средние течения, изобра­ жаемые на климатических картах в атласах океанов, и нужны си­ ноптические (многонедельные) прогнозы течений. Для такого прог­ нозирования потребуются, во-первых развитие гидродинамической теории синоптических процессов в океане (по-видимому, прежде всего волн Россби), для чего еще сильно недостает фактических данных об этих процессах, и, во-вторых, оперативное получение на­ чальных данных, т. е. синоптическое глобальное наблюдение Миро­ вого океана. Решение этих двух задач является одной из важней­ ших проблем современной океанологии.

Синоптические прогнозы течений, температуры и солености верх­ них слоев океана нужны и морскому рыболовству, но требования последнего шире — оно нуждается также и в более краткосрочных прогнозах концентрации рыбных косяков, и в прогнозах междуго­ дичной изменчивости ряда океанологических полей, являющихся экологическими факторами динамики популяций промысловых рыб. Этими вопросами занимается промысловая океанология, ко­ торую Беренбейм [6] определяет, как науку о влиянии океанологи­ ческих факторов на урожайность, численность и поведение морских

7

температурные различия с точностью до 0,03° С. Температура вли­ яет на созревание половых продуктов рыб и потому на сроки и места

Рис. 1.1.1. Пятимесячная последовательность сред­ них суточных векторов скорости течения (км/сутки) на глубине 50 м в центре гидрофизического поли­ гона 1970 г. в тропической Атлантике (16° 30' с. ш., 33° 30' з. д.) (по Бреховских и др. [5]).

нереста, на сроки инкубации икры (приблизительно обратно про­ порциональные температуре), на выживаемость личинок (растущую с температурой), на развитие планктонной кормовой базы рыб, на их кормовую активность, обмен веществ и рост (снижающиеся при температурах выше оптимальной). Сильные скачкообразные изме­ нения температуры могут приводить к массовым заморам рыбы.

По-видимому, у каждого вида рыб имеются оптимальные темпе­ ратуры их существования, разные на различных стадиях их разви­ тия, которые вместе с полями концентрации пищи определяют рай­ оны и глубины наибольшей концентрации рыбных косяков (причем может возникать вопрос о выборе между наиболее благоприятными температурами и количеством и качеством кормов, который, веро-

8

ятно, разрешается со значительным статистическим разбросом). В качестве примера на рис. 1.1.2 указаны оптимальные температуры для ряда промысловых рыб у берегов Японии, по данным Уда [8].

градиенты температуры (и в «карманах», или прослойках, холод­ ной воды, образующихся, например, при обособлении меандров на

Треска

Минтай

Палтус Камчатский краб Сельдь Лосось

Одноперый терпиг Криль Сардина Кальмар

Тихоокеанская скумбрия Желтохвост Морской лещ Сайра

Синий тунец Длинноперый тунеи, Меч-рыба Большеглазый тунец Полосатый марлин Полосатый тунец

Желтоперый тунец

1 I > I I I I I I I I

Рис. 1.1.2. Оптимальные температуры для наиболее ценных промысло­ вых рыб у берегов Японии (по Уда [8]).

ные участки). Температурный диапазон, указанный косой штриховкой, наи­ более благоприятен для субпопуляций (размер, возраст и т. д.) (составлено на основании [8] и личного сообщения проф. Уда).

термических фронтах), — там часто и обнаруживаются косяки пе­ лагических рыб (см. на рис. 1.1.3 пример из работы Вялова [9]). В настоящее время на основе разработанной Фельзенбаумом [10] теории ветровых течений в мелких морях создан практический ме­ тод прогноза скоплений рыб в Азовском море [11], внедрение кото­ рого в оперативную практику позволило уже в 1970 г. увеличить эффективность промысла тюльки в 1,3 раза и добыть дополни­ тельно 140000 ц рыбы [12].

9