В книге проведено обобщение математической постановки задачи о главном термоклине с учётом важного элемента плотностной структуры океана — верхнего квазиоднородного слоя. Аналитически продемонстрированы некоторые закономерности формирования крупномасштабных полей океана — диффузионная природа процессов в сезонном термоклине и доминирующая роль адвекции в главном термоклине. Построена примерная схема годовых изменений температуры в этих слоях. С помощью точных решений и численных экспериментов рассмотрены модельные примеры эволюции аномалий плотности в термоклине, её волновых колебаниях с годовым периодом, влияния ветра, теплообмена с атмосферой и рельефа дна на формирование климатической циркуляции океана.

Для специалистов-океанологов, климатологов, аспирантов и студентов старших курсов высших учебных заведений гидрометеорологического профиля.

После того как в конце 50-х годов в классических работах А. Робинсона, Г. Стоммела и П. Веландера […] была сформулирована задача нелинейной теории термоклина и в 60-х годах был в основном разработан её математический аппарат (предложены различные классы точных решений системы уравнений теории, методы получения приближённых решений, способы упрощения математической задачи), главным направлением развития теории стало изучение процессов формирования крупномасштабных полей плотности и течений.

Основные итоги этой работы изложены в фундаментальной монографии П. С. Линейкина, В. С. Мадерича […]. Следует отметить, что в настоящее время уже проведены численные эксперименты с моделями циркуляции всего Мирового океана с учётом рельефа дна, реальной береговой линии, сезонных изменений влияющих на океан метеорологических факторов. Теория термоклина же до сих пор использует упрощённые математические уравнения, абстрактно представляет форму и рельеф дна океанов, применяет другие упрощения. Тем не менее, именно высокоидеализированные математические модели этой теории часто позволяют дать конкретный ответ на вопрос: как и почему в термоклине происходят те или иные процессы.

В книге […] подробно изложены результаты исследований основополагающих вопросов теории термоклина. В ней рассмотрены проявления конечной глубины в циркуляции океана (в частности, с помощью «бароклинного приближения» охарактеризовано влияние срединно-океанического хребта на интегральную по вертикали картину течений), приведены математические модели процессов, формирующих вертикальную структуру поля плотности в крупномасштабных циклонических и антициклонических круговоротах, создающих в бароклинном океане пограничный слой у западного берега. Большой раздел книги посвящён моделированию нестационарных процессов, которое проясняет природу регулярной сезонной изменчивости полей в главном термоклине и позволяет предвидеть черты эволюции крупномасштабных аномалий плотности. В ней также нашли отражение и некоторые другие вопросы теории.

Вместе с тем ряд существенных проблем не имеет и сейчас окончательного решения. Среди них можно назвать проблему оценки роли адвекции и турбулентности в формировании характерной вертикальной структуры плотности в циклонических и антициклонических круговоротах. В частности, из результатов исследований, приведённых в […], следует, что структура поля плотности в этих круговоротах принципиально различна, как и основные факторы, её создающие.

До сих пор не ясно, к каким изменениям в климатическом распределении плотности приводит рельеф дна. Предложенное в 1970 г. «бароклинное приближение» позволяет в первом приближении не учитывать влияние рельефа на поле плотности в термоклине. Оно основано на предположении, что характерный наклон дна имеет порядок отношения средней глубины океана к его горизонтальному масштабу. Естественно, что для отдельных областей наклоны дна оказываются значительно большими и это допущение становится несправедливым. Неоднозначно решается также вопрос о влиянии рельефа дна на циркуляцию океана. С одной стороны, известно, что интегральная по вертикали циркуляция в значительной степени регулируется «совместным эффектом бароклинности и рельефа дна» (СЭБИР) […], с другой стороны, ни один из способов обоснования роли СЭБИР нельзя признать абсолютно безупречным. При диагностических расчётах циркуляции нет полной уверенности в том, что взятые поля плотности и распределение рельефа являются приспособленными друг к другу решениями общей задачи, в то время как прогностические расчёты на установление квазистационарного режима температуры глубинных слоёв оказываются до сих пор чересчур дорогостоящими, так как интегрирование уравнений (в тех моделях, для которых стационарное решение существует) необходимо продолжать слишком долго.

Наконец, множество вопросов возникает при исследовании годового цикла изменений гидрофизических полей в термоклине и эволюции крупномасштабных аномалий плотности. И анализ натурных данных, и теоретические решения показывают, что сезонная (и межгодовая) изменчивость полей в термоклине связана с образованием длинных бароклинных волн Россби соответствующего периода […]. Но каковы основные факторы, генерирующие эти волны (изменчивость вихря ветра, атмосферного давления, вертикальные прибрежные движения, колебания тепломассообмена с атмосферой), не ясно. Следует также подробнее рассмотреть механизмы, возбуждающие движения в окрестности возмущения плотности, влияние на него средней циркуляции. Эти результаты могут оказаться полезными при изучении типичных форм распространения пятен воды с аномальной температурой.

Изучение названных вопросов и послужило темой данной работы. Разумеется, каждый из них имеет большое собственное значение, рассматривался в специальных исследованиях, большей частью с помощью упрощённых постановок задачи. Тем не менее, некоторые новые результаты, приведённые ниже, были получены именно за счёт использования общей исходной постановки задачи и совместного анализа указанных вопросов.

Наиболее принципиальными оказались обобщения исходной постановки задачи с учётом характерной вертикальной структуры поля плотности (верхнего квазиоднородного слоя) и нестационарности. Они позволили рассмотреть основные механизмы, формирующие сезонную эволюцию полей плотности и течений в деятельном слое океана и главном термоклине, и обосновать существенные упрощения исходной системы уравнений для анализа стационарных задач. При этом стало понятным, как из общей постановки задачи теории термоклина рождаются постановки для изучения некоторых её отдельных проблем, каковы сфера применения различных моделей термоклина (в том числе «чисто-адвективных») и возможности точных частных решений уравнений теории. Подтверждается также корректность ряда физических выводов, полученных на основе точных решений. Однако большая часть работы посвящена именно исследованию нестационарных процессов.

Поскольку в задачу работы входил не детальный расчёт крупномасштабных гидрофизических полей, а лишь анализ основных механизмов их формирования, автор счёл себя вправе отказаться от записи переменных в сферической системе координат и использовал более наглядную локальную декартову. Первоначальный вид и преобразования уравнений иногда объясняются словесно, если их строгий математический вывод либо очевиден и занимает много места, либо сделан в других работах.

ВВЕДЕНИЕ

Книги на ту же тему

1. Динамика верхнего слоя океана. — 2-е изд., испр. и доп., Филлипс О. М., 1980
2. Динамика и прогноз крупномасштабных аномалий температуры поверхности океана (статистический подход), Питербарг Л. И., 1989
3. Явления на поверхности океана, Монин А. С., Красицкий В. П., 1985
4. Моделирование и прогноз верхних слоёв океана, Краус Э. Б., ред., 1979
5. Микроволновая диагностика поверхностного слоя океана, Райзер В. Ю., Черный И. В., 1994
6. Прогноз температуры воды в океане, Глаголева М. Г., Скриптунова Л. И., 1979
7. Проблемы общей циркуляции атмосферы: Труды 3-й Всесоюзной конференции по общей циркуляции атмосферы, Погосян Х. П., ред., 1972
8. Спектральные модели общей циркуляции атмосферы и численного прогноза погоды, Машкович С. А., 1986
9. Математическое моделирование общей циркуляции атмосферы и океана, Марчук Г. И., Дымников В. П., Залесный В. Б., Лыкосов В. Н., Галин В. Я., 1984
10. Климат и циркуляция океана, Манабе С., Брайен К., 1972
11. Математические модели циркуляции в океане, Марчук Г. И., Кочергин В. П., Саркисян А. С., Бубнов М. А., Залесный В. Б., Климок В. И., Кордзадзе А. А., Кузин В. И., Протасов А. В., Сухоруков В. А., Цветова Е. А., Щербаков А. В., 1980