Гидрология фронтальных зон Мирового океана тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 11.00.08, доктор географических наук в форме науч. докл. Грузинов, Владимир Михайлович

• Грузинов, Владимир Михайлович
• доктор географических наук в форме науч. докл.
• 1998

Оглавление диссертации доктор географических наук в форме науч. докл. Грузинов, Владимир Михайлович

Актуальность проблемы исследования фронтальных зон Мирового океана определяется их большой ролью в формировании гидрологических, гидрохимических и гидробиологических условий океана, влиянием на процессы в атмосфере и, как следствие, возможностью использования полученных результатов в целях разработки методов долгосрочных прогнозов / погоды и короткопериодных изменений климата.

Необходимость всестороннего и полного изучения фронтальных зон Мирового океана заключается в том большом значении, которое они имеют в процессах энергетического обмена между океаном и атмосферой, особенно в энергоактивных зонах океана. Процессы адвекции тепла, образование глубоких и устойчивых тепловых аномалий в океане, трансфронтальный обмен и другие процессы, протекающие на океанических фронтах, необходимо учитывать при построении адекватных моделей долгосрочных прогнозов погоды и короткопериодных изменений климата.

Вместе с тем в океанологической литературе долгое время не было обобщающих исследований главных (климатических) фронтальных зон Мирового океана. Монография автора (1975) была первой работой не только в нашей стране, но и за рубежом, в которой были систематизированы общие представления о процессах в океанических фронтальных зонах.

Особенности развивающейся в зоне фронта горизонтальной и вертикальной циркуляции, резкие горизонтальные градиенты гидрологических характеристик создают специфический облик этих районов, способствуют их .окой биологической продуктивности и, таким образом, определяют их |,и!«с рыбопромысловое значение. Это обстоятельство во многом обусловливает необходимость подробного изучения фронтальных зон Мирового океана.

Примечательным событием несомненно стала работа К.Н.Федорова (1983). Однако, публикации, которые содержали бы общий структурно-динамический анализ основных фронтальных зон Мирового океана, кроме вышедшей в свет в 1986 г. монографии автора «Гидрология фронтальных зон Мирового океана» , практически отсутствуют. Наиболее близки к рассматриваемой проблеме написанные В.Л.Лебедевым главы, посвященные районированию океанов, в многотомной монографии «География Мирового океана» (1981, 1982, 1984).

Цель работы заключается в систематическом исследовании географии и гидрологии главных (климатических) фронтальных зон Мирового океана, установлении их общих закономерностей и структурно-динамических особенностей, определении сезонной и межгодовой изменчивости, а также количественной оценке основных процессов, характерных для главных океанических фронтов. Подробное исследование процессов, протекающих во фронтальных зонах, позволило установить общие закономерности, присущие всем главным океаническим фронтам и выявить региональные отличия, связанные с особенностями физико-географических условий, в которых развивается фронтальная деятельность.

Многолетний характер работы по проблеме позволил автору реализовать широкий круг задач, имеющих значение не только для исследования климатических фронтальных зон Мирового океана, но и представляющих самостоятельный научный интерес. К их числу относятся:

-оценка возможности создания методов долгосрочных прогнозов аномалии температуры воздуха на европейском континенте с использованием критериев главных океанических фронтов;

-оценка влияния внутритропической зоны конвергенции (ВЗК) на процессы в океане, в том числе на положение фронтальных зон в экваториальной и тропической зонах океана;

-сравнительный анализ процессов взаимодействия океана и атмосферы ( на главных фронтах в южных и северных широтах;

-расчет адвекции тепла и теплового баланса океана в зоне экваториальных и тропических фронтов и на субполярных фронтах в северных частях Атлантического и Тихого океанов;

-расчет дрейфовой адвекции плотности и определение ее влияния на положение фронтальной зоны в синоптическом диапазоне масштабов;

-определение характера перемешивания в зонах климатических фронтов и его связь с устойчивостью вод;

-оценка общего теплового состояния океана и масштабов изменчивости г температуры воды в зонах климатических фронтов;

-оценка трансфронтального обмена и его влияния на тепловое состояние океана;

-анализ вертикальной структуры термохалинных полей в зоне климатических фронтов в связи с остаточными проявлениями фронтальных вихрей линзового характера.

Основные научные результаты и новизна исследования. Работа включает результаты исследования климатических фронтов Мирового океана, выполненных автором с 1958 года по настоящее время, с использованием материалов экспедиционных наблюдений в Атлантическом, Тихом, Индийском океанах и антарктических водах. В соответствии с поставленной целью был проведен подробный Т,8-анализ, рассчитаны и проанализированы элементы крупномасштабной динамики вод в зонах основных климатических фронтов, включая расчет геострофических течений и вертикальной скорости, конвективного и ветрового перемешивания, уплотнения при смешении взаимодействующих на фронте вод. На примере субполярного фронта в северной части Атлантического океана проведена оценка смешения фаун и изменения количества кормового зоопланктона во фронтальной зоне.

Расчет течений в зонах основных климатических фронтов показал, что образование фронтальных вихрей - основной элемент динамики вод на фронте, а меандрирование фронта и образование вихрей слева и справа от него - яркий пример порождения крупномасштабными климатическими фронтами фронтов синоптического масштаба. Установлено, что в районах климатических фронтальных зон происходит интенсивный трансфронтальный обмен. Полученные суммарные значения энтальпии вихревых образований свидетельствуют об огромном переносе тепла вихрями, при этом отрицательные аномалии тепла в циклонических вихрях соизмеримы с положительными аномалиями в антициклонических вихрях.

Результаты расчетов показывают, что боковой или трансфронтальный обмен необходимо учитывать при расчете интегральных величин, характеризующих перенос тепла течениями.

На основе прямых экспедиционных наблюдений на меридиональных разрезах в океанах, в том числе и тех, в которых принимал участие автор, была проанализирована зональность распределения гидрологических характеристик и намечена схема природных зон в океанах и климатических фронтов как естественных границ их разделяющих.

При этом, предложено главный фронт в океане именовать не по названию водной массы, связанной с фронтом, а по названию всей физико-географической зоны, которую ограничивает главный океанический фронт. Однако в двух случаях автор счел возможным отступить от этого правила и сохранить за соответствующими участками главных фронтов их названия: Гольфстрим и Куросио.

Специальный раздел работы посвящен экваториальным и тропическим фронтам и их связи с термодинамическими характеристиками тропической зоны атмосферы. Установлена сезонная изменчивость положения фронтов в этой части океана и их тесное взаимодействие с ВЗК.

При рассмотрении фронта Куросио получены количественные оценки термодинамических процессов в зоне фронта и установлены закономерности / колебаний температуры воды океана, связанные с особенностями развития процессов в этом районе.

Подробно рассмотрены фронтальные зоны Индийского океана и антарктических вод. Установлено, что фронты экваториальной и тропической зоны Индийского океана, также как в Атлантическом и Тихом океанах, тесно связаны с ВЗК, создающей термохалинные контрасты в верхнем слое океана и во многом определяются динамикой вод этой зоны.

В отличие от Атлантического и Тихого океанов, в Индийском океане в течение всего года четко выражен фронт, связанный с южной тропической ^ дивергенцией, располагающейся в районе 7-10°ю.ш. Этот фронт прослеживается в поле всех характеристик. Понижение здесь динамического рельефа связано с южным краем Экваториального противотечения, смещенного в Индийском океане в южное полушарие. Присутствие здесь интенсивной фронтальной зоны было отмечено автором еще в 1958 году по материалам наблюдений э/с «Обь», в том числе при расчете гидроакустических характеристик. Особенно ярко существование фронтальной зоны проявляется на карте топографии подводного звукового канала.

Тесное взаимодействие океана и атмосферы в зонах климатических / фронтов создает реальные предпосылки для разработки новых методов долгосрочных прогнозов аномалии температуры воздуха на европейской территории России. Об этом свидетельствует обнаруженная устойчивая корреляция между положением северного субполярного фронта в Атлантическом океане (расходом Гольфстрима и Северо-Атлантического течения) и сезонной аномалией температуры воздуха на европейской территории, особенно ярко проявившейся летом ¡972 года.

Монографиями автора (1975, 1986) и К.Н. Федорова (1983) до сих пор ограничиваются отечественные и зарубежные обобщающие работы, описывающие структуру и динамику вод в зонах главных (климатических) фронтов Мирового океана.

В цикле работ автора, вынесенных на защиту, решена важная научная проблема, имеющая существенное практическое значение - дан подробный ! анализ структуры и динамики климатических фронтальных зон, установлена их сезонная и межгодовая изменчивость, установлена связь атмосферы с положением и характером процессов на фронтах в океане, созданы предпосылки для разработки методов долгосрочных прогнозов аномалий температуры воздуха на Европейской территории России.

Основные результаты диссертации заключаются в следующем:

1.На основе расчетов термодинамических характеристик проведен количественный анализ процессов, протекающих в зонах главных климатических фронтов Мирового океана, дающий представление о единой природе образования и существования системы этих фронтов.

2.Установлено, что несмотря на кажущуюся линейность взаимодействия вод с различными характеристиками на климатических фронтах, их природа имеет хорошо выраженный вихревой характер, который четко проявляется при исследовании явления по всему каскаду масштабов притока энергии к океану.

3.Сопоставление положения фронтальных зон в конкретные годы со средним климатическим показало их квазистационарный характер. Вместе с тем, так же как и другие составляющие единой системы океан-атмосфера климатические фронты в океане смещаются зимой к экватору. Существенное влияние на положение главных фронтальных зон в синоптическом диапазоне масштабов имеет дрейфовая адвекция плотности.

4.Выявлены коррелятивные связи, указывающие на возможность разработки метода долгосрочного прогноза аномалий температуры воздуха на европейском континенте с использованием параметров климатического фронта в Северной Атлантике.

5.Установлена важная роль трансфронтального обмена в процессе передачи тепла на большие расстояния.

6.Показан ступенчатый характер перемешивания в зонах главных океанических фронтов, связанный с высокой устойчивостью слоев в зонах максимальных градиентов.

7.Установлено, что линзы (или ядра) являются неотъемлемым элементом термохалинной структуры фронта.

8.Расчеты показали, что вне зоны экстремальных градиентов характеристик уплотнение при смещении не является определяющей характеристикой динамики вод во фронтальной зоне. В областях резких температурных контрастов взаимодействующих вод уплотнение при смещении может иметь существенное значение.

9.Исследование субполярной фронтальной зоны в северной части Атлантического океана привело к обнаружению квазистационарного антициклонического вихря (КСАВ) в районе к юго-востоку от Большой Ньюфаундлендской банки.

10.Установлена связь положения фронтов в экваториальной и тропической зоне океанов с ВЗК в атмосфере, под влиянием которой океан отдает тепло, т.к. здесь поглощенная радиация меньше затрат тепла на испарение, турбулентный теплообмен и длинноволновое излучение, что приводит к образованию хорошо выраженных горизонтальных градиентов температуры в океане.

11.Важную роль в изучении главных (климатических) фронтальных зон Мирового океана имеют применяемые масштабы изучения явления. Только применение синоптического масштаба позволяет оценить роль ВЗК в образовании фронтов в экваториальной и тропической зонах океана, выявить вихревую природу климатических фронтов и дать количественную оценку динамических процессов в зоне фронта.

РОСеиЙСК'да гоо\

БйЕЯМОтг'л'

12.На примере фронтальной зоны НЭАЗО (Ньюфаундлендская энергоактивная зона) проведено исследование и установлены основные закономерности образования и эволюции фронтальных зон синоптического масштаба и их вклад в процессы взаимодействия океана и атмосферы.

Практическое значение результатов. Полученные результаты нашли применение в практике отечественных рыбохозяйственных организаций, использующих в своей работе данные по среднемноголетним и сезонным положениям фронтальных зон в промысловых районах Атлантического, Тихого, Индийского океанов и Антарктики. Так, судами Северного и Западного бассейнов были успешно освоены скопления морского окуня и анчоуса, которые были выявлены на основе работы автора по фронтальным зонам Северной Атлантики.

Результаты исследований автора используются при подготовке судоводительских кадров в высших морских учебных заведениях, в частности, в бывшем Мурманском высшем инженерном морском училище в дисциплинах «Навигационная и промысловая гидрометеорология», «Промысловая ихтиология и сырьевая база рыбной промышленности».

Результаты работы автора, опубликованные в монографиях и статьях, используются на кафедре океанологии Дальневосточного государственного университета в лекционных курсах «Региональная океанология» и спецкурсе «Тонкая термохалинная структура вод океана», в Одесском гидрометеорологическом институте в курсе лекций «Региональная океанология» и в Санкт-Петербургском гидрометеорологическом университете, а также в практической работе Гидрометцентра Росгидромета.

Монографии автора «Фронтальные зоны Мирового океана» (1975) и «Гидрология фронтальных зон Мирового океана» (1986) используются на Географических факультетах Московского и Санкт-Петербургского государственных университетов при подготовке специалистов океанологов.

Внедрение и использование результатов исследований автора подтверждено актами и справками о внедрении Ленинградского государственного университета, Санкт-Петербургского гидрометеорологического университета (бывшего Ленинградского гидрометеорологического института), Одесского гидрометеорологического института, бывшего Мурманского высшего инженерного морского училища и Дальневосточного государственного университета.

Личный вклад автора. Все основные работы, касающиеся постановки задачи исследования структуры и динамики фронтальных зон Мирового , океана, написаны без соавторов. В опубликованных с соавторами статьях автору принадлежит постановка задачи, теоретическое обоснование исследования, анализ результатов и формулировка выводов.

Под руководством и при участии автора была разработана и осуществлена специальная программа Долговременных исследований гидрометеорологических процессов в Атлантическом океане (ДИГМА), составной частью которых является исследование фронтальных зон.

Также под руководством и при участии автора научно-исследовательский флот Государственного океанографического института г выполнил длительные экспедиционные исследования в северной, центральной и тропической зонах Атлантического океана. Материалы этих экспедиций вошли в международную базу данных, которая используется для исследования океанических фронтов. При участии автора была подготовлена и реализована международная программа исследования Куросио (С8К), составной частью которой было изучение процессов во фронтальной зоне этого течения. Автор принимал непосредственное участие в экспедиционных работах во фронтальных зонах Атлантического и Тихого океанов, в том числе в качестве руководителя экспедиций. Автор был научным руководителем темы плана НИР и ОКР Госкомгидромета (программа ГКНТ 0.74.01) «Исследовать образование и эволюцию фронтальных зон синоптического масштаба и их вклад в процессы взаимодействия океана и атмосферы», в рамках которой были проведены экспедиционные исследования фронтальных зон Атлантического океана.

Автором лично написаны две монографии (1975 и 1986 гг.), в которых изложены основные результаты исследования главных фронтальных зон Мирового океана.

На защиту выносятся следующие результаты:

1 .Установлены закономерности положения, сезонной и межгодовой изменчивости главных климатических фронтов Мирового океана. Несмотря на кажущуюся стационарность, климатические фронты зимой смещаются в сторону экватора. При этом важную роль играет дрейфовая составляющая течений в адвекции плотности. Особенно четко эта закономерность проявляется в северных частях Атлантического и Тихого океанов.

2.Расчеты термодинамических процессов, протекающих в зонах основных климатических фронтов, позволили установить как общие закономерности, присущие всем климатическим фронтам, так и локальные отличия, связанные с особенностями процессов на конкретных фронтах. В том числе вихревую структуру фронтов, ступенчатый характер перемешивания, линзовые проявления (или ядра), четко прослеживающиеся на вертикальных разрезах во фронтальных зонах, особенности уплотнения при смешении вод, характер фронтальной активности в циклонических и антициклонических вихрях составляют общую основу закономерностей процессов в зонах климатических фронтов. В то же время характер проявления и острота процессов во многом различаются на конкретных фронтах.

3.Изучение зональности распределения гидрологических характеристик, выполненное автором на фактическом материале экспедиционных наблюдений на меридиональных разрезах от Гренландии до южных полярных широт в Атлантическом океане, в которых он лично участвовал, позволили выделить главные гидрологические фронты, как естественные границы океанических природных зон.

4.Сравнительный анализ структуры и динамики северного субполярного фронта (включая фронт Гольфстрима) в Атлантическом океане и северного субполярного фронта (включая фронт Куросио) в Тихом океане, в том числе количественная оценка мезомасштабной изменчивости температуры воды, позволили выявить существенное различие интенсивности процессов в этих фронтальных зонах.

5.На примере квазистационарного антициклонического вихря (КСАВ), впервые выделенного автором при исследовании горизонтальной циркуляции в зоне северного субполярного фронта в Атлантическом океане, проведен детальный анализ и оценены основные составляющие теплового баланса применительно к Ньюфаундлендской энергоактивной зоне, тесно связанной с фронтальной деятельностью в этом районе океана.

6.Количественно показано большое значение трансфронтального обмена в интегральном переносе тепла течениями во фронтальных зонах.

7.Выявлена единая система экваториально-тропических фронтов в Мировом океане и дана количественная оценка роли ВЗК в процессе их образования и существования.

При этом возможность получения надежных связей ВЗК с фронтами в этих районах океана связана с проведением прямых натурных метеорологических и актинометрических наблюдений в экспедициях, выполненных по программе Атлантический тропический энергоактивный полигон (АТЭП), и переходом к синоптическим масштабам исследования.

8.Установлены коррелятивные связи между положением климатических фронтов в северной части Атлантического океана и аномалией температуры воздуха на европейском континенте.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на Ученом совете Института океанологии РАН (1964), Ученом совете Государственного океанографического института (1964-1998), 1 съезде советских океанологов

Москва, 1977), Всесоюзной конференции по программе «Разрезы» (Одесса, 1984), Y съезде Географического общества Украины (Киев, 1985), II Всесоюзной конференции по программе «Разрезы» (Одесса, 1986), III съезде советских океанологов (Ленинград, 1987), на семинарах в Институте океанологии РАН, Государственном океанографическом институте, Дальневосточном научно-исследовательском институте и Гидрометцентре Росгидромета, Морском гидрофизическом институте АН Украины, Международном семинаре «Океанические фронты и связанные с ними явления» (С-Петербург, 1998), Международной конференции «Морские экспедиционные исследования Мирового океана и океанографические информационные ресурсы» (Обнинск, 1998).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 40 научных работ, в том числе две монографии (1975, 1986) и два обзора (1979, 1984). Общий объем опубликованных работ составляет более 60 печатных листов. Монография автора (1975), посвященная изучению фронтальных зон Мирового океана, была первой обобщающей работой по этой проблеме не только в нашей стране, но и за рубежом.

1. Общий обзор состояния исследований фронтальных зон океана

Анализ предпринимавшихся до сего времени подходов к решению проблемы океанических фронтальных зон и разделов позволяет оценить эволюцию связанных с ней взглядов и понятий.

Изначально фронты в океане справедливо представлялись как зоны раздела вод с различными характеристиками (Meyer, 1923, Wust, 1928, Defant, 1929, Uda, 1938). По мере развития представлений и интенсификации изучения явления выявились расхождения во взглядах на критерии определения фронтов и самой их природы. Стало ясно, что зоны максимальных градиентов гидрологических характеристик не всегда совпадают с зонами максимальных градиентов скорости (т.е. с динамическими фронтами). В работах Ю.А.Иванова и В.Г.Неймана (1965), автора (1975) и В.Г.Неймана (1986) показано, что динамические фронты являются вторичными по отношению к главным климатическим фронтам - границам между вертикальными структурами г водных масс различных широтных зон и основным границам физико-географических зон в океане и могут располагаться внутри одной структуры.

Терминологические вопросы, связанные с понятиями «фронтальный раздел» («фронт») и «фронтальная зона» были рассмотрены автором (1975, 1986) исходя из общей концепции фронта в океане, принимающей, что главные фронтальные зоны - это границы основных океанических круговоротов, каждый из которых содержит воды определенной вертикальной структуры.

Поэтому фронтальную зону в океане можно определить как квазистационарную зону взаимодействия вод с различными гидрологическими ( характеристиками и биологическими комплексами, проявляющуюся во всей толще термоклина по максимальным горизонтальным градиентам гидрологических характеристик и максимальным горизонтальным градиентам горизонтальной и вертикальной циркуляции вод. В работе К.Н.Федорова (1983) фронтальная зона определяется как зона значительного обострения градиентов основных термодинамических характеристик по сравнению со средним равномерным распределением между устойчиво существующими климатическими или иными экстремумами, а фронтальный раздел - это поверхность внутри фронтальной зоны, совпадающая с поверхностью ! максимального градиента одной или нескольких характеристик.

Настоящее исследование связано с главными фронтальными зонами открытого океана климатического масштаба.

Фронтальные зоны в океане являются следствием развивающейся в верхнем слое циркуляции вод разных масштабов. Под этим слоем понимается верхняя часть океанических вод, ограниченная снизу главным термоклином.

Поскольку циркуляция в этом слое океана отражает в общих чертах циркуляцию атмосферы над ним, то и географическое положение основных климатических фронтальных зон в океане в общем случае совпадает с положением основных атмосферных фронтов. Об этом свидетельствует сопоставление карт географического положения атмосферных и океанических фронтов.

В качестве примера можно привести карты атмосферных фронтов, опубликованные С.П.Хромовым (1940, 1950). Эти карты, составленные для января и июля, показывают, что атмосферные фронты находятся почти строго над климатическими фронтальными зонами океана.

Основным отличительным признаком фронта на поверхности и в глубинах океана обычно считаются максимальные горизонтальные градиенты гидрологических характеристик. Однако не только максимальные градиенты, особенно градиенты плотности, служат признаками фронта. Во фронтальных зонах существуют значительные градиенты горизонтальной и вертикальной скорости, также существенно различие между гидрологическими структурами встречающихся в этих зонах вод. Поэтому, вероятно, вся совокупность отмеченных признаков и должна определять климатический океанический фронт.

Исследования фронтальных зон Мирового океана начались сравнительно недавно. Но представление о фронтах как зонах раздела вод с различными характеристиками существует давно. Одним из первых явление фронта в проливе Лаперуза исследовал адмирал С.О.Макаров (1895 и 1896 гг.). Х.Мейер (1923) предложил схему фронтальных зон в Атлантическом океане, использовав для этой цели карты поверхностных течений. Для того, чтобы объяснить возникновение фронта, А.Дефант (1924) применил разработанную В.Бьеркнесом теорию пограничной поверхности к условиям в океане. Большое значение имели работы М.Уды (1938), связанные с исследованием явления «сиоме» - локального фронта.

Исследования фронтальных зон в океане значительно усилились в конце

50-х годов нашего столетия, когда появились работы И.Х.Буйницкого (1956), Ю.А.Иванова (1959, 1961), К.Китано (1959), Ю.А.Иванова и В.Г.Неймана (1965).

В 1960 году вышла работа В.Н.Степанова (1960), в которой была сделана попытка установить географическое положение основных фронтальных зон Мирового океана и определить их названия. А.Дефант (1961) рассмотрел механизм образования фронтальных зон в океане. Следует отметить также работы В.К.Агенорова (1944), В.Н.Ботникова (1963, 1964), Н.П.Булгакова (1972), В.А.Буркова (1968), В.В.Клепикова (1969), Е.И.Баранова (1971), Е.В.Солянкина (1972), В.Л.Лебедева (1979,1980).

Во фронтальной зоне вступают во взаимодействие воды с различными гидрологическими характеристиками. При этом, в процессе фронтогенеза, образуется сложное деформационное поле, в котором механизм взаимодействия вод существенно осложняется наличием боковой и поперечной циркуляции, подъемом и опусканием вод по обеим сторонам фронта, изопикническими движениями вод различной плотности.

Некоторые процессы, протекающие во фронтальных зонах, рассмотрены в работах В.А.Бубнова (1960), М.Н.Кошлякова (1961), Г.Дитриха (1964), Ю.А.Иванова и В.Г.Неймана (1965) и других.

Однако при этом обнаружилось несовпадение критериев определения фронтов и фронтальных зон в океане.

Одни авторы в качестве основного критерия выделения фронта принимали высокие горизонтальные градиенты гидрологических характеристик, другие - выделяли фронт по динамическим признакам. В работах автора (1975, 1986) дается обобщенная характеристика фронта в океане, опирающаяся на всю совокупность факторов, определяющих существование фронтальной зоны.

По аналогии с метеорологией автором введено понятие главной фронтальной зоны в океане или климатического фронта. Это понятие предполагает квазистационарную зону определенного гидрологического фронта (например, фронта Гольфстрима или фронта Куросио).

Главная фронтальная зона в атмосфере (по Хромову) - это зона, в которой в данный сезон года чаще всего возникают главные фронты определенной категории (арктический, полярный, тропический и т.д.). Климатологически главная фронтальная зона обладает статистической реальностью в том смысле, в каком обладают ею барические центры действия на климатических картах.

Следует уточнить также понятие фронтальной зоны и фронта. Фронтальная зона представляет собой некоторое пространство, в котором происходит взаимодействие различных по своим характеристикам вод и которое может быть определено как пространство, расположенное в пределах границ, в которых происходят сезонные и межгодовые изменения положения фронта.

В отличие от фронтальной зоны гидрологический фронт - это наклонная поверхность раздела между водами с различными физико-химическими и динамическими характеристиками, пересечение которой с любой горизонтальной поверхностью, в том числе и с поверхностью океана, образует линию фронта.

Главные фронтальные зоны или климатические фронты Мирового океана являются границами между вертикальными структурами водных масс и основными границами физико-географических зон в океане.

В отличие от климатических фронтов в океане можно выделить и фронтальные зоны, расположенные в пределах крупномасштабных океанических круговоротов, внутри одной и той же структуры водных масс. К ним, в первую очередь, относятся зоны конвергенции и дивергенции.

Вертикальные движения, развивающиеся в зонах конвергенции и { дивергенции, вызывают перенос свойств по вертикали и, следовательно, формирование их горизонтальных градиентов. Образующиеся таким образом фронты связаны с локальными динамическими причинами. Причем в некоторых случаях они имеют большую пространственную протяженность и по своим признакам могут быть отнесены к категории главных океанических фронтальных зон.

Первый опыт полного представления о положении фронтальных зон в океане, вероятно, следует связывать с работой Г.Шотта (1912), в которой делается попытка выделения естественных районов в Атлантическом океане и ( их границ на основе распределения температуры воды и воздуха, течений и ветровых потоков. И.Джонсон (1923), Е.Маркус (1931) и снова Г.Шотт (1942) предприняли попытки выделить естественные природные области Мирового океана, исходя из однородности климатических и гидрологических процессов на их акватории.

A.M. Муромцев (1951), положив в основу классификации единство климатических и гидрологических процессов, осуществил районирование Мирового океана и выделил естественные географические районы, генетически связанные с географическими зонами в океане. Он определил также границы ( этих районов, которые с некоторой степенью приближения можно связать с гидрологическими фронтами.

В дальнейшем были предприняты попытки выделения структур водных масс в различных океанах и границ, их разделяющих. А.Д.Добровольский и др. (1960), приняв в качестве основы для районирования структуру водных масс, а В.А.Бурков (1960) - положение границ основных круговоротов в поле горизонтальной циркуляции, выделили основные географические зоны и их границы в центральной части Тихого океана.

К.А.Бродский, К.К.Марков и В.И.Шильников (1959) рассмотрели положение природных зон и границ между ними в умеренных и высоких широтах южного полушария. В основу районирования (и определения положения фронтальных разделов) указанными авторами был положен комплекс различных признаков: гидрологических, метеорологических и биологических. Авторы старались учесть и динамические признаки, положив в основу выделения границ имевшиеся к тому времени схемы горизонтальной циркуляции антарктических вод. В более поздних работах, например А.Г.Наумова и др. (1962) положение этих зон и границ между ними было уточнено.

В.А.Бурков, В.С.Арсеньев и И.М.Овчинников (1960) рассмотрели положение северного и южного тропического фронтов в Тихом океане, положив в основу выделения фронтальных зон как динамические признаки, так и критерии максимальных градиентов гидрологических характеристик. Сравнение результатов работ В.А.Буркова и др. (1960), А.Д.Добровольского и др. (1960) показывает, что фронты, отождествленные с границами течений, не совпадают с границами структур водных масс. Это связано не только с тем, что первые отражают более изменчивую циркуляцию вод, рассчитанную по материалам наблюдений, проведенных в достаточно непродолжительный период времени, а структуры водных масс формируются в течение длительного времени и значительно менее изменчивы в пространстве и во времени, но также и с тем обстоятельством, подмеченным много позднее Г.Роденом (1974), что высокие значения градиентов температуры и солености и градиенты плотности не совпадают между собой. Поэтому сильные потоки течений могут быть обнаружены на некотором расстоянии от фронта.

Весомый вклад в решение общей проблемы географической зональности в океанах и установление границ между ними внес В.Л.Лебедев, который последовательно в 1981, 1982 и 1984 годах в специальных разделах, включенных в серию сводных монографий «География Мирового океана» дал подробную схему физико-географического районирования верхнего слоя

Тихого, Индийского и Атлантического океанов, учитывающую комплекс океанологических, метеорологических и биологических признаков.

Вероятно, эту классификацию географической зональности в океанах следует считать сейчас наиболее полной.

Ю.А.Иванов и В.Г.Нейман (1965) использовали понятие динамического фронта, понимая под этим термином зоны конвергенции и дивергенций в океане. В связи с этим динамический фронт определялся ими как район, в котором дивергенция горизонтальной составляющей полного потока имеет экстремум, что соответствует экстремуму вертикальной составляющей скорости. При этом вертикальные движения, вызывающие образование динамического фронта, ведут к образованию горизонтальных градиентов свойств по обеим сторонам фронта.

Проведенный в работе автора (1975) анализ подтвердил, что динамические фронты - это фронты, связанные, как правило, с осями круговоротов и развивающимися на них восходящими или нисходящими движениями. Но в некоторых случаях, например, в Южном океане, это правило не соблюдается. Динамические фронты могут располагаться внутри одной структуры водных масс и поэтому вторичны по отношению к главным океаническим фронтам, расположенным на границах основных круговоротов в поле горизонтальной циркуляции, которые в общих чертах соответствуют и границам различных структур.

Фронтальные зоны в океане можно разделить на три категории:

1 крупномасштабные квазистационарные фронты климатического происхождения;

2)мезомасштабные фронты или фронты синоптического характера;

3)мелкомасштабные фронты локального происхождения.

Почти все вышеперечисленные нами фронты относятся к первой категории.

К настоящему времени накопилось уже достаточно сведений и о фронтах второй категории. Они не отличаются стабильностью, перемещаются в пространстве, возникают, разрушаются и регенерируют за отрезки времени, сравнимые с синоптическим масштабом применительно к океану (Монин, 1969), иногда их появление имеет сезонный характер.

Фронты меньшего масштаба могут быть связаны со стоком большого количества речных вод в океан, сбросом в море термальных вод от электростанций, с конвергенцией приливных течений в узкостях и проливах или с приливным перемешиванием. Ширина таких фронтов находится в пределах 10-100 м, а протяженность зависит от местных условий (конфигурации берега, рельефа дна и т.д.).

Субполярный фронт в Северной Атлантике является наиболее изученным фронтальным образованием Мирового океана. Его исследования начались в 1875 г. с проведения первой специальной экспедиции на э/с «Валяроус» и в 1889 г. на э/с «Националы), выполнившем океанографический разрез от южной оконечности Гренландии до Большой Ньюфаундлендской банки. Это выдающееся природное явление в наиболее судоходной части Атлантики не могло не привлечь к себе внимание таких исследователей как Г.Вюст (1936), А.Дефант (1936), В.А.Березкин (1938), Г.Шотт (1942) и др.

Существенным этапом изучения южной части субполярного фронта там, где он переходит во фронт Гольфстрима явился выход монографии Г.Стоммела «Гольфстрим» (1963). Большой вклад в изучение Гольфстрима и связанного с ним фронта внес Е.И.Баранов (1988). Несмотря на то, что различные аспекты структуры и динамики фронта в северной части Атлантического океана достаточно хорошо изучены, сложность происходящих здесь процессов, особое значение фронта в формировании климата Европейского континента, заслуженно ставят его изучение в число важнейших задач.

В отличие от фронтов Северной Атлантики, климатические фронты Тихого океана за исключением фронта Куросио (японские авторы, Булгаков,

1967, 1972 и другие), изучены не столь полно. Наиболее детально систему главных фронтов северной части Тихого океана исследовали Н.П.Булгаков (1972) и Г.Роден (1972, 1974, 1975), рассмотревший в комплексе фронтальные зоны, связанные с течениями Куросио, Ойясио, субполярную и субтропическую фронтальные зоны. Роден показал, что особенности строения субполярной и ! субтропической фронтальных зон во многом обусловлены полем ветра и потоками энергии через поверхность океана. Эти факторы он относит к числу основных, определяющих фронтогенез в океане.

Работы И.М.Овчинникова (1961), Ю.А.Иванова и В.Г.Неймана (1965), В.Г.Корта (1968, 1977), А.Д.Щербинина (1976), В.А.Головастова, В.В.Покудова и др.(1982), В.Г.Неймана (1970, 1975, 1986) внесли серьезный вклад в общую картину структуры и динамики вод Индийского океана. В последние годы работы И.М.Белкина и Гордона (1996), существенно дополнили общую схему положения фронтальных зон в этом океане. И, наконец, В.Г.Нейман, / В.А.Бурков и А.Д.Щербинин (1997) дали подробную схему основных фронтов и фронтальных зон Индийского океана.

Из работ посвященных изучению тропических и экваториальных фронтов можно отметить (Сготше1, 1953; Рак, 7апеуе!с1, 1974; ^/уПку, 1965; Wooster, 1969; Белевич, 1989).

В Южном океане характерной чертой общей структуры являются связанные с Антарктическим циркумполярным течением южный субполярный и южный полярный фронты (Иванов, 1959, 1961; Иванов и Нейман, 1965; Афанасьев и др., 1974; Нейман, 1986; Белкин, Гордон, 1996). ( Особое место в общей проблеме исследования фронтальных зон занимают немногочисленные работы, связанные с изучением механизма взаимодействия океана и атмосферы в зоне фронта. К их числу относятся работы Н.Дональдсона и Р.Стюарта (1984), С.С.Лаппо и др. (1989), С.К.Гулева и А.В.Колинко (1990) и некоторые другие.

При этом наибольшую ценность представляют работы, опирающиеся на натурные наблюдения в океане. Именно такие исследования были проведены в ходе крупного межведомственного эксперимента по диагнозу взаимодействия пограничных слоев океана и атмосферы «НЬЮФАЭКС-88» в зоне субполярного гидрологического фронта Северной Атлантики. Анализ полученных результатов позволил С.С.Лаппо и С.К.Гулеву (1990) установить механизм крупномасштабного взаимодействия океана и атмосферы, оценить реальные величины теплоотдачи из океана в атмосферу при прохождении циклона и выявить закономерности, обеспечивающие самоподдержание значительных трансфронтальных градиентов. Эти выводы имеют большое значение для разработки практических методов долгосрочных прогнозов погоды.

Океанические фронты - глобальное явление, связанное с циркуляцией вод Мирового океана, оказывающее существенное влияние не только на термодинамические процессы в океане и атмосфере, но и на биосферу океана. Между тем, как показывает обзор состояния исследований процессов во фронтальных зонах, ни объем имеющейся фактической информации, ни уровень наших знаний еще недостаточны для осуществления диагноза, а тем более прогноза во фронтальных зонах с точностью, удовлетворяющей практические требования. Поэтому установление географических особенностей фронтов, изучение процессов, протекающих здесь и их пространственно-временной изменчивости по-прежнему остается важной и актуальной задачей.

Полный обзор исследований климатических фронтов в океане содержится в работах автора (1975, 1979, 1984,1986).

2. Фронтальные зоны и проблема географической зональности в океанах

Зональность Мирового океана - это основная закономерность распределения всех свойств в водах Мирового океана, проявляющаяся в смене географических поясов в верхнем бароклинном слое. Наиболее ярко зональность проявляется в деятельном слое океана. Естественными границами природно-климатических районов океана служат климатические фронты. В географическом плане они представляют собой особый тип барьерного ландшафта.

Попытки выделить естественные географические районы в Мировом океане предпринимались многими исследователями.

Как уже указывалось, наиболее полно проблема географической зональности в океанах рассмотрена в работах В.Л.Лебедева (1981, 1982, 1984).

В связи с уточнением положения главных фронтальных зон автором еще в 1960 году и затем в 1965 и 1975 годах на основе экспедиционных наблюдений на меридиональных разрезах от Гренландии до южных полярных широт, в которых он участвовал, проведено уточнение границ основных природных зон в Атлантическом океане и была предложена следующая схема географических природных зон: северная полярная зона; северная субполярная зона, северная ( умеренная зона, северная субтропическая зона, северная тропическая зона. Тропическая зона ограничена с юга северной тропической дивергенцией, южнее которой до южной тропической дивергенции расположена экваториальная зона. Далее к югу: южная тропическая зона, южная субтропическая зона, переходящая в умеренную зону южного полушария; южная субполярная зона, ограниченная с севера южным субполярным (субантарктическим) фронтом, а с юга - южным полярным фронтом, южнее которого расположена южная полярная зона.

Таким образом, структура главных океанических фронтов ( представляется следующей: 1) северный полярный фронт; 2) северный субполярный фронт; 3) северный тропический фронт; 4) южный тропический фронт; 5) южный субполярный фронт; 6) южный полярный фронт. Как уже отмечалось, в океанах постоянно присутствуют динамические фронты или зоны конвергенций и дивергенций. К ним относятся: 1) субполярная дивергенция;

2) северная субтропическая конвергенция; 3) северная тропическая дивергенция; 4) северная тропическая конвергенция; 5) экваториальная дивергенция; 6) южная тропическая конвергенция; 7) южная тропическая дивергенция; 8) южная субтропическая конвергенция; 9) субантарктическая дивергенция; 10) антарктическая конвергенция; 11) антарктическая дивергенция.

Для иллюстрации природной географической зональности подробно рассмотрены гидрофизические характеристики на разрезе по 30° з.д. в Атлантическом океане.

3. Структура и динамика субполярного фронта в северной части Атлантического океана

Анализ распределения гидрологических характеристик в зоне субполярного фронта в теплый и холодный сезоны года позволил установить, что фронт отчетливо проявляется до глубин около 1000 м в поле температуры, солености и плотности. Экстремальные значения градиентов характеристик локализуются на глубинах 200-300 м. Это подтверждают построенные карты градиентов характеристик. В теплый период года фронт, вследствие прогрева, маскируется с поверхности и начинает отчетливо проявляться с глубин порядка 150 м, в период усиления конвекции фронт хорошо прослеживается и в приповерхностном слое. Наибольшей интенсивности в поле горизонтальных градиентов температуры фронт достигает в конце периода охлаждения. Осенью и зимой фронт смещается к югу относительно весеннего положения на 2-2,5°, что обусловлено сезонной изменчивостью поля дрейфовой циркуляции.

Субполярный фронт служит границей между североатлантической и субарктической структурами водных масс. Североатлантическая структура формируется четырьмя типами вод: поверхностными, североатлантическими центральными, промежуточными водами арктического происхождения и глубинными водами. Субарктическая структура состоит из трех типов водных масс: поверхностной, субарктической промежуточной и глубинной. Таким образом, субполярный фронт представляет собой выклинивающуюся на поверхность границу между центральными североатлантическими и промежуточными субарктическими водами. Эти выводы подтверждаются проведенным T,S и изопикническим анализом.

Поле горизонтальной циркуляции в зоне фронта анализируется на / основе скоростей геострофических течений. Положение нулевой поверхности, определенное по А.Дефанту, составляет здесь 1200-1500 м. Расчеты показали, что весной основной поток Северо-Атлантического течения на западе направлен на север, а от 42° з.д. поворачивает на восток-юго-восток. Скорость на поверхности в стрежне течения около 16-20 см/с, на 400 м падает до 11-14 см/с, причем структура потока сохраняется. Осенью течение интенсифицируется, его скорость в стрежне - около 30 см/с.

Важным элементом фронтальной термодинамики является впервые обнаруженный автором при исследовании горизонтальной циркуляции вод в / зоне субполярного фронта квазистационарный антициклонический вихрь (КСАВ) (Грузинов, 1964). В дальнейшем (Манн, 1967) была предложена подробная схема, отражающая закономерности крупномасштабной циркуляции вод к юго-востоку от Большой Ньюфаундлендской банки (БНБ).

А.С.Саркисян (1966) показал, что чисто дрейфовая адвекция плотности играет важную роль в перестройке поля плотности под действием ветра. Структура поля плотности в поверхностных слоях океана во многом зависит от дрейфовой циркуляции, а значит, и максимальных горизонтальных градиентов плотности, т.е. субполярный фронт в этих слоях меняет свое положение в ! зависимости от направления дрейфовых течений.

Поэтому становится понятным смещение фронта в его центральной части осенью и зимой на юг, с учетом того, что и дрейфовая циркуляция в холодный сезон имеет здесь хорошо выраженное южное направление.

Расчет поля вертикальных скоростей показал, что вдоль фронта расположена граница погружающихся и поднимающихся вод. Эта картина осложняется вертикальными движениями, обусловленными конвергенцией экмановских потоков. Порядок скоростей вертикальных движений составляет 5-10'4 см/с. Суммарный расход вод, погружающихся в области субполярного фронта, оценивается величиной около 50-Ю6 м3/с.

Анализ наклона фронтальной поверхности, рассчитанный по соотношению Маргулеса, показал, что наклон в среднем составляет около 10 и его сезонные изменения незначительны.

Характер распространения осенне-зимней конвекции и формирования сезонного термоклина, а значит и характер развития процессов перемешивания в области фронта проанализирован на основе вычислений вертикальной устойчивости и числа Ричардсона. При довольно пестрой картине пространственного распределения устойчивости обращает на себя внимание то, что зона фронта всюду характеризуется повышенными значениями величин вертикальной устойчивости. Осенью, в конце периода прогрева поверхностные слои характеризуются высокой устойчивостью, а весной, в конце периода охлаждения, воды могут перемешиваться до глубин порядка 800 м.

Масштабы распространения зимней конвекции уточнены расчетами, проведенными по методике Н.Н.Зубова. В центрально-атлантической водной массе к югу от фронта глубина зимней конвекции достигает 400-500 м, а к северу от фронта - около 100 м.

Характерной чертой распределения глубины конвективного перемешивания в зоне фронта является ее ступенчатый характер, с ярко выраженным уменьшением глубины конвекции при пересечении фронта. Таким образом, получило фактическое подтверждение предположение В.Л.Лебедева, высказанное им в работе (Лебедев, 1984).

Оценка уплотнения при смешении вод, которое должно наиболее эффективно проявляться в зоне фронта, показала, что при смешении субарктических и северо-атлантических вод эффект не превышает 0,04-0,05 ед. условной плотности и, по существу, мало значим.

Исследования гидробиологических условий на субполярном фронте позволяют заключить, что для фронтальной зоны характерно одновременное развитие различных биологических сезонов, а это, в сочетании с индивидуальными комплексами планктона в различных водных массах, обеспечивает в течение всего года устойчивую кормовую базу и определяет высокое рыбопромысловое значение фронтальной зоны.

Подробные исследования, выполненные судами ГОИНа в 1982-1984 гг. в районе Ньюфаундлендской энергоактивной зоны (НЭАЗО) по программе / «Разрезы», дали возможность проследить фронтальные образования в синоптическом диапазоне масштабов. Характер горизонтальной циркуляции в этом районе, включающей КСАВ, вызывает интенсивное вихреобразование. Пространственное распределение величин внешнего теплового баланса и суммарной теплоотдачи хорошо согласуется с особенностями термодинамических характеристик. В районе циклонических вихрей наблюдается пониженная теплоотдача, а в антициклонических - повышенная. Синоптическая изменчивость термодинамических процессов в районе субполярного фронта определяется взаимодействием основных потоков , течений. Положение основного фронта и вторичных фронтов в районе НЭАЗО находится в зависимости от квазистационарного антициклонического вихря.

Проведенные расчеты позволили получить подробную схему баланса вод на полигоне в НЭАЗО, оценить сезонную и межгодовую изменчивость структуры КСАВ и его роль в общем, энергетическом балансе этого района океана в соотношении с фронтальной активностью.

4. Структура и динамика фронта Гольфстрима

Фронт Гольфстрима - это классический пример климатического ( фронтального раздела, равно как и течение Гольфстрим - классический пример западного пограничного течения. Его изучению издавна уделялось первостепенное внимание и это не удивительно. Перенося в умеренные широты северо-восточной части Северной Атлантики огромное количество теплых и ( более соленых субтропических вод, Гольфстрим оказывает существенное влияние на климатические и погодные условия Европы.

Фронтальная зона Гольфстрима представляет собой южную часть северного субполярного фронта Атлантического океана. Она распространяется от района Флориды на север до Большой Ньюфаундлендской банки, далее переходя собственно в северный субполярный фронт. Фронтальная зона Гольфстрима разделяет холодные склоновые воды пониженной солености и теплые и высокосоленые воды Саргассова моря. С фронтом Гольфстрима сопряжен фронтальный раздел, разделяющий склоновые воды и воды шельфа. ( Анализ гидрологических характеристик показывает, что ширина фронтального раздела на поверхности, совпадающего с положением сгущения изотерм 12-18°, колеблется в поле температуры; зимой градиенты температуры резко обостряются. На внешнем крае фронта Гольфстрима часто образуются мощные очаги распресненных склоновых вод.

Исследование водных масс фронтальной зоны Гольфстрима позволяет выделить центральную атлантическую (саргассовоморскую) водную массу, лабрадорскую водную массу и прибрежные шельфовые и склоновые воды.

Течение Гольфстрим распространяется от поверхности океана /■ практически до дна. В стрежне потока скорости составляют 100-400 см/с, а на глубине 3000 м - около 40 см/с. Существенным элементом течения является его меандрирование с амплитудой меандров порядка 300-400 миль. Положение стрежня довольно устойчиво и в среднем на поверхности амплитуда изменений его положения составляет 100 миль, причем в июле-октябре фронт наиболее близко подходит к шельфу, что обусловлено уменьшением расхода воды.

В результате смыкания и отрыва меандров образуются ринги - вихревые образования фронтального характера: циклонические - к югу от фронта, антициклонические - к северу. Мощность фронтов в рингах на ранних стадиях соизмерима с мощностью основного фронта.

В молодых циклонических вихрях фронтальные разделы наиболее четко прослеживаются от поверхности до глубины 250-300 м, ширина фронтальной зоны колеблется в пределах 30-80 миль и увеличивается с глубиной. ( Горизонтальные градиенты достигают 0,3-0,4° С/милю и 0,02-0,07 °/00/милю, а наклон изотерм составляет 1/70-1/200, что соответствует значениям, вычисленным по формуле Маргулеса. Вихри оказывают существенное влияние на формирование структуры деятельного слоя Саргассова моря. Размывание циклонических рингов происходит в течение немногим более полугода и завершается формированием резкого термоклина на глубинах порядка 100-200 м.

Антициклонические ринги имеют форму «воронки» с горизонтальными градиентами на поверхности в среднем 0,5°С/милю и 0,2°/оо/милю, а наклон ( поверхности - в среднем 1/100-1/250. При перемещении антициклонических рингов к северу они могут взаимодействовать с фронтом склоновых (шельфовых) вод, формируя замкнутые очаги. В дальнейшем, выходя на мелководье, ринги разрушаются, либо вторично присоединяются к фронту Гольфстрима.

Спектральный анализ горизонтальной изменчивости поля температуры и солености позволил наряду с синоптическими образованиями рингового характера обнаружить вихри меньшего масштаба, с размерами порядка тридцати миль. Отделяющиеся ринги и мелкомасштабные вихри осуществляют / механизм трансфронтального обмена свойствами. Оценка общего количества тепла, переносимого через фронт вихрями в течение года, составляет 1,6 1016 мДж. При этом образуется от 14 до 20 циклонических и антициклонических вихревых образований.

Наряду с этими механизмами, трансфронтальный обмен осуществляется и на более мелкомасштабном уровне, путем формирования в области фронта хорошо развитой интрузионной структуры. Анализ данных тонкоструктурного зондирования в зоне фронта Гольфстрима дает основание считать, что количество энергии, переносимой в результате интрузионного обмена через фронт, соизмеримо с переносом, осуществляемым вихревыми образованиями.

Переход к более мелкому масштабу, осуществленный в специальном эксперименте с использованием непрерывных измерений через фронт в верхнем 500-метровом слое зондирующей аппаратурой с борта дрейфующего судна (под научным руководством автора в мае 1984 года), позволил подробно рассмотреть процессы образования и эволюции гидрологических фронтальных зон в синоптическом масштабе на периферии Гольфстрима, в районе его перехода в Северо-Атлантическое течение.

Вертикальные разрезы температуры показали исключительно сложное строение фронтальной зоны. Механизмы локальной динамики фронта вызвали здесь резкое обострение градиентов физических свойств. Максимальный вертикальный градиент температуры воды составил 0,9°С-м"', горизонтальные градиенты температуры на горизонте 70 метров достигали 10°С на милю. В зоне обострения горизонтальных градиентов отмечалось локальное усиление скорости течения в навигационном слое (от 75 до 120 см-с"1).

Во фронтальной зоне наблюдалось множество инверсий интрузионного происхождения, проявление линз и прослоек. В этих условиях, существенную роль приобретает уплотнение при смешении, которое может вызвать вертикальную скорость до 0,2 см-с"1.

Таким образом, изменение масштабов рассматриваемого явления позволяет выявить сложный многофакторный характер процессов во фронтальной зоне.

Так, внутреннее строение зоны фронта имеет перемежающуюся структуру: в ней кроме основного фронтального раздела, различаются несколько вторичных разделов («ленточное» строение фронта). Фактическая ширина основного фронтального раздела Гольфстрима, по данным учащенных измерений, составила около 500 метров, горизонтальная протяженность интрузий мощностью 10-30 метров поперек фронта имеет масштаб 1-2 мили.

Экспериментальные работы, выполненные судами ГОИНа в НЭАЗО в 1983-1984 гг. по специальной программе учащенных океанографических, метеорологических и аэрологических наблюдений, позволили установить тесное взаимодействие субполярного гидрологического фронта и атмосферных фронтов в этом районе. Из 21 случая пересечения субполярного гидрологического фронта в 16 случаях атмосферный фронт прослеживался непосредственно над гидрологическим, в двух случаях он находился на 90 миль южнее и в трех случаях атмосферный фронт не был обнаружен. При этом аэрологические наблюдения (четыре раза в сутки) показали, что даже в однородной воздушной массе и при отсутствии ярко выраженного атмосферного фронта гидрологический фронт вызывает горизонтальные градиенты температуры воздуха до высоты 1 км. Вероятно, эту высоту можно принять за верхнюю границу атмосферного пограничного слоя, где проявляется влияние субполярного гидрологического фронта.

Для получения количественных связей взаимодействия океана и атмосферы в зоне фронта был выполнен корреляционный анализ рядов внешнего теплового баланса и суммарной теплоотдачи с рядами разности температуры поверхностного слоя океана и температуры воздуха, разности насыщающей и фактической упругости водяного пара и скорости ветра. Анализ показал, что зимой в районе фронта основной вклад в формирование суммарной теплоотдачи вносит разность температуры воды и воздуха. С.С.Лаппо и С.К.Гулев (1990), исследуя механизм локального взаимодействия океана и атмосферы в зоне субполярного гидрологического фронта в Северной Атлантике, установили, что при движении циклона вдоль гидрологического фронта отмечаются экстремально высокие потоки тепла и влаги из океана в атмосферу в узкой прифронтальной области над теплой водой и аномально интенсивные осадки в узкой прифронтальной полосе над холодной водой. Этот механизм приводит к локальному нагреванию атмосферы при прохождении циклонических образований вдоль субполярного гидрологического фронта, которое оценивается величиной 280-360 Вт/м2. Интегральные оценки дают величину притока тепла в атмосферу за счет циклонической деятельности на фронте зимой, составляющую 5-8% примерной теплоотдачи Северной Атлантики в атмосферу в зоне 35-60°с.ш. и более 30% теплоотдачи в Ньюфаундлендской энергоактивной области.

Указанный механизм имеет важные последствия и для гидрологического фронта, связанные с тем, что интенсивные осадки над холодной водой и сильное испарение над теплой приводят к обострению градиентов солености и в конечном итоге вызывают самоподдержание фронта.

При анализе макромасштабного взаимодействия, была проверена гипотеза К.Айзлина (1940), поддержанная Г.Стоммелом (1963), которые считали потепление климата Европы в периоды увеличения расхода Гольфстрима наименьшим. Это связывалось с тем, что увеличение расхода Североатлантического круговорота должно сопровождаться одновременным углублением термоклина в центральной Атлантике и радиальным сжатием системы течений. В этом случае теплая поверхностная вода будет оттеснена с севера и европейский климат станет холоднее. И наоборот, продвижение фронта Гольфстрима на север ведет к увеличению объема теплой воды и потеплению в Европе, что и происходит в последние полтора-два десятилетия.

В доказательство этой гипотезы Стоммел приводит факты, свидетельствующие о повышении температуры воды в Норвежском море и приближении к поверхности океана изотермы 10°С в Саргассовом море за последние тридцать лет.

В.В.Россов и А.Г.Кисляков (1971) установили, что северное положение фронта летом 1958 и 1961гг. соответствовало теплой зиме в Европе 1958-1959 гг. и 1961-1962 гг., и наоборот, южное положение фронта летом 1968 года связано с холодной зимой в Европе 1968-1969 гг.

Проведенный автором анализ расходов Гольфстрима показал, что минимальный расход за все время наблюдений (при максимальном расходе в 99-106м',/сек) отмечался в ноябре 1971 года (63,9-106м3/сек), с чем напрямую можно связать исключительно сильную засуху в Европе летом 1972 года.

Кроме того, И.М.Соскин и др. (1976) установили, что в 1972 году отдача тепла в атмосферу с поверхности Северной Атлантики была максимальной за весь предшествующий период наблюдений, начиная с 1950 года.

И, наконец, говоря о потеплении климата в Европе можно обратить внимание на тот факт, что фронт Гольфстрима, начиная с 1972 года, занимает более северное, чем многолетнее положение (Баранов, 1988). С иных позиций, но к аналогичным результатам пришел А.А.Кутало (1987), рассматривавший положение климатического фронта в Северной Атлантике как индикатор состояния вод океана. В частности, он отметил, что максимальный расход системы течений в Северной Атлантике тесно связан с увеличением площади океана, занятого льдом (и наоборот, минимальный расход - с уменьшением ледовитости северных морей).

Таким образом, отмеченные закономерности могут в определенной степени служить предпосылкой для развития соответствующих ( прогностических методик.

5. Фронтальные зоны Тихого океана

Наиболее значительная фронтальная зона северной части Тихого океана - фронтальная зона Куросио, аналог фронтальной зоны Гольфстрима в Атлантическом океане. Этот фронт четко прослеживается в поле температуры и солености. Его характерной особенностью является наличие двух фронтов: северного, в слое 0-100 м, и южного, расположенного на глубинах от 100 до ( 500-700 м. Такая структура фронтальной зоны характерна для всех сезонов. Второй отличительной чертой является исключительная устойчивость положения меандров Куросио. Эти особенности позволяют считать гипотезу Баркли о существовании в зоне фронта Куросио сложной устойчивой вихревой системы достаточно обоснованной.

В рассматриваемой фронтальной зоне взаимодействуют три водные массы: теплая (Куросио), холодная (Ояйсио) и глубинная. В циклоническом меандре наблюдается повышенное процентное содержание глубинной водной массы, а после выхода из него - теплой. Такой характер взаимодействия вод позволил предположить возможную активность уплотнения при смешении. Расчеты показали, что в верхних слоях океана уплотнение достигает 0,02-0,08 единиц условной плотности, а на поверхности <т, = 26,7 - 0,09 - 0,10 единиц.

Проведенные оценки расхода воды показали, что он составляет здесь примерно 30 10 м с . Угол наклона фронта Куросио не превышает 5' , т.е. в два раза меньше, чем на субполярном фронте в Северной Атлантике.

Оценка тепловых процессов в верхнем слое океана во фронтальной зоне проведена на основе расчетов энтальпии в слое 0-150 м. Расчеты показали высокую стабильность поля энтальпии как при сезонных, так и при межгодовых масштабах изменчивости. В работе автора (1986) подробно рассмотрена пространственно-временная изменчивость поля энтальпии фронтальной зоны Куросио и показаны возможные причины этой изменчивости. i Спектральный анализ временных рядов, полученных с помощью автономных буйковых станций в зоне фронта, выявил наличие значимого пика на частотах, соответствующих инерционным колебаниям.

Рассматривая продолжение фронта Куросио -северный субполярный фронт в Тихом океане, можно заметить, что он в значительной мере подвержен взаимодействию поля ветра и связан с зоной конвергенции дрейфовых течений. Особенно большие термохалинные градиенты наблюдаются там, где зона конвергенции совпадает с северным краем продолжения Куросио.

Отличительной чертой субполярного фронта (продолжения Куросио) от основного фронта Куросио является отсутствие плотностного фронта в верхнем 100-метровом слое, что объясняется почти полным балансом между резкими горизонтальными градиентами температуры и солености. Ниже 100 м такой баланс не соблюдается и отмечается плотностной фронт умеренной интенсивности, имеющий слабый наклон к югу.

Так же как и наверномбполярном фронте в Атлантическом океане, к характерным чертам фронта Куросио и его продолжения -бполярного фронта относятся линзы (или ядра) на глубинах 400-500 м, отчетливо проявляющиеся на трех параллельных разрезах по 151°, 153° и 155° в.д., на которых было рассчитано процентноедержание вод Куросио, Курильского течения и глубинных вод. Аналогичное проявление ядер можно встретить и на разрезах в работе Г.Родена (1975) на различных фронтах. Особенно четко линза воды повышеннойлености проявилась на вертикальном разрезе по 133° з.д., примерно на 11°10"ш. на глубине 50 м. Эти и многие другие факты дают основаниеитать линзы (или ядра) неотъемлемой частью общего термохалинного облика фронтальной зоны в океане.

Расчет конвективного перемешивания в зоне фронта Куросио и его продолжения отразил ступенчатый характер слоя проникновения конвекции в этом районе, с хорошо выраженным уменьшением глубины перемешивания непосредственно на фронте (до 200-250 м), тогда как к северу и к югу от фронта глубина перемешивания достигает 350-400 м.

Таким образом, можно считать доказанным положение о ступенчатом характере перемешивания на главных океанических фронтах.

Автором, совместно с А.М.Муромцевым и Е.В.Борисовым (1970), были исследованы тепловые процессы в верхнем слое океана и мезомасштабные изменения температуры воды в зоне фронта Куросио. Это позволило установить подробную картину связи тепловых и динамических процессов на фронте и оценить основные периодичности изменчивости температуры.

На основании спектрального анализа удалось определить, что в рассматриваемом диапазоне мезомасштабных колебаний температуры (от 6 до 30 часов) в зоне фронта в течение года (зимой и летом) наиболее часто в ( верхнем слое океана встречаются колебания температуры с периодом около 8, 12 и 20 ч. При этом на горизонтах 0 и 10 м максимальные пики на спектре связаны с периодом, приблизительно равным 20 ч. В более глубоких слоях (от 75 до 100 м) основной период колебаний температуры около 11.5 ч. Максимальная когерентность температуры с ветром обнаруживается на низких частотах. Такая особенность характерна в зоне фронта для всех горизонтов, включая поверхность. До глубины слоя скачка эта связь существенна для диапазона периодов 10-26 ч. Глубже она сохраняется только для периодов около 20 ч и более. Очевидно, что слой скачка служит здесь своеобразным ( экраном, играющим роль низкочастотного фильтра.

Анализ этих процессов содержится в работе автора (1986).

Положение и структура фронта субтропической конвергенции в Тихом океане в большей степени определяется полем ветра и потоком энергии через поверхность океана.

В центральной части океана фронт, связанный с субтропической конвергенцией, расположен примерно вдоль оси гребня высокого давления. В связи с тем, что поток энергии через поверхность океана во многом зависит от ветра, границы ветровых потоков часто совпадают с границами потоков ! энергии и во многом определяют положение фронтальной зоны.

На востоке северной части Тихого океана положение фронта субтропической конвергенции в значительной степени определяется взаимодействием холодных, имеющих низкую соленость вод Калифорнийского течения, с теплыми и высокосолеными водами Северного экваториального течения.

Субтропический фронт претерпевает существенные изменения от сезона к сезону - от температурно-соленостного фронта зимой и весной до чисто соленостного фронта летом и осенью. Сезонные изменения прослеживаются в верхнем 100-метровом слое, расположенном выше максимума гидростатической устойчивости. Ниже этого слоя температурные и соленостные фронты обычно совпадают.

В период сильных и постоянных ветров фронт имеет тенденцию к / разделению по глубине на верхнюю и нижнюю части: фронт в слое высокой устойчивости сдвинут относительно фронта в верхнем перемешанном слое к югу почти на 200 км. Это явление связано с тем, что верхний перемешанный слой перемещается к северу под действием дрейфового переноса.

Работы последнего времени существенно продвинули общее понимание процессов, протекающих во фронтальных зонах Тихого океана. Многие из них докладывались на состоявшемся в Санкт-Петербурге в мае 1998 года симпозиуме «Океанические фронты и связанные с ними явления».

6. Фронтальные зоны Индийского океана

В океанографической литературе довольно долго не было описания гидрологии фронтальных зон Индийского океана. Можно упомянуть лишь работу Г.Шотта (1942), французских авторов (в частности, Лакомб, 1951). В 1958 году автор, использовав накопленные к тому времени данные гидрологических наблюдений, рассчитал геострофические течения для всей акватории Индийского океана. Полученные схемы динамической топографии уже тогда позволили выявить динамические особенности, которые можно было ' интерпретировать как прямое указание на положение фронтальных зон.

Однако, основной вклад в изучение фронтальных зон южной части Индийского океана внесли Ю.А. Иванов и В.Г.Нейман. В частности, Иванов (1959) на основании расчетов поля вертикальной скорости по данным о тангенциальном напряжении ветра выделил субантарктическую дивергенцию (или южный субполярный фронт).

В дальнейшем А.Д.Щербинин (1976), В.Л.Лебедев (1982), В.А. Головастое и др. (1982), И.М.Белкин и А.Гордон (1996), В.Г.Нейман и др.(1997) дали достаточно подробное описание положения фронтальных зон в этом океане. При этом В.Л.Лебедев связал положение основных фронтов с физико-географическим районированием океана.

Если следовать с юга на север, от Антарктиды к экватору, то здесь / выделяются Антарктическая дивергенция, которая расположена примерно на 61°-65° ю.ш., представляющая собой чередующиеся области подъема и погружения вод и проявляющаяся в вертикальном поле гидрологических характеристик по распределению солености. Как отмечают В.Г.Нейман и др. (1997), положение зоны антарктической дивергенции совпадает с ложбиной в динамическом рельефе изобарических поверхностей, разделяющей Антарктическое циркумполярное течение восточного направления и Антарктическое прибрежное течение западного направления.

Все расчеты течений, выполненные для южной части Индийского ( океана, включая карты автора, полученные в 1958 году, выделяют Антарктическое циркумполярное течение (АЦТ) в зоне от 60°ю.ш. до 40°ю.ш. на всем протяжении от Африки до Австралии, которое прослеживается в виде сильного единого потока без каких-либо отклонений от общего восточного направления (в климатических масштабах исследования).

Максимальные горизонтальные градиенты скорости служат прямым указанием на наличие здесь примерно на 50°-55° ю.ш. конвергенции, располагающейся в восточной части океана южнее, чем в западной. Южный полярный фронт, отождествляемый с Антарктической конвергенцией четко ( прослеживается по резким горизонтальным градиентам океанографических характеристик.

Интересно отметить, что выделение единого практически линеаризированного потока АЦТ, а следовательно, и структуры южного полярного фронта, прямым образом связаны с выбранным масштабом исследования. При переходе к синоптическому масштабу (Саруханян, 1980), проявляется вихревой характер потока. Таким образом, строение и динамика вод южного полярного фронта гораздо сложнее тех упрощенных представлений, которые часто встречаются при его описании. Квазисинхронные наблюдения одновременно на нескольких судах, непрерывные измерения зондирующей аппаратурой, использование дрейфующих буев позволили выявить сложную структуру этого фронта. На основании проведенных в эксперименте "ПОЛЕКС-ЮГ-79" работ была установлена существенная незональность струй АЦТ, присутствие крупномасштабных волн и вихрей, перемещающихся в основном потоке течения. Система АЦТ, располагаясь в широтной полосе 45°-55° ю.ш. состоит из нескольких потоков, центральный из которых проходит между 47°-51° ю.ш. и совпадает с положением южного полярного фронта.

Обработка материалов наблюдений д/э «Обь» позволила автору обнаружить выход к поверхности субтропических вод в районе 37°ю.ш.-40° Ю.ш. (на 100° в.д.) и связать это явление с положением субантарктической дивергенции - южным субполярным фронтом (Грузинов, 1986, стр.196). Интересно отметить, что и южный полярный фронт и южный субполярный фронт, особенно четко проявляются в поле акустических характеристик, отражающих суммарное влияние гидрологических условий на их структуру. Рассчитанные автором горизонтальные градиенты скорости звука, топография оси подводного звукового канала и другие акустические характеристики дают возможность четко проследить положение этих фронтальных зон, а анализ термохалинных полей - установить их структурно-динамические характеристики.

Южный полярный и южный субполярный фронты в индоокеанском секторе связаны с многоструйностью геострофически сбалансированного Антарктического циркумполярного течения. Рассматривая динамические характеристики этих фронтов, В.Г.Нейман и др.(1997) сделали важный вывод о том, что сама многоструйность АЦТ «формируется за счет скачкообразного изменения среднего по глубине модуля меридионального градиента давления» (Нейман, Бурков, Щербинин, 1997, стр.187).

Не останавливаясь подробно на двух динамических фронтах, присутствующих в Индийском океане к северу от южного субполярного фронта, отметим, что первый из них -южная субтропическая конвергенция -это динамическая граница между северной ветвью АЦТ и периферией глубинного западного переноса. Динамическое происхождение этого фронта было отмечено во многих работах, в том числе А.Д.Щербинина, 1976; В.Г.Неймана, 1989 и других.

Что касается южной тропической конвергенции (по терминологии Неймана и др., 1997), то схема геострофических течений, рассчитанная автором еще в 1958 году на весьма ограниченном материале и приведенная в монографии (Грузинов, 1986 г., стр.196), отчетливо показала существование конвергенции, протягивающейся через весь Индийский океан от Южной Африки до Северной Австралии, расположенной между направленным на северо-восток потоком Южно-Индийского течения и направленным на запад ' Южным пассатным течением. Эта конвергенция была впервые выделена В.Г.Нейманом и В.А.Бурковым в 1989 году, которые показали ее положение вдоль больших осей вытянутых в зональном направлении вихревых образований. Она расположена внутри субтропического антициклонического круговорота и не является границей раздела различных структур водных масс, не имеет резких горизонтальных градиентов субстанций и ограничена относительно тонким слоем океана. Но ее существование всегда отмечается при расчете течений в Индийском океане.

При разработке гидролого-акустической характеристики Индийского 1 океана автором было дано описание одной из основных фронтальных зон этого океана - южного тропического фронта, расположенного между 5°-10° ю.ш. Фронт ограничивает движение на север промежуточных антарктических вод,

I что четко прослеживается на вертикальных разрезах солености. По динамическим признакам - это граница между северным краем Южного пассатного течения и Экваториальным противотечением (зимой) и восточным Муссонным течением (летом). Фронт хорошо прослеживается по характерному изменению типов Т, Б - кривых.

Таким образом, между 5°-10° ю.ш. в Индийском океане существует хорошо выраженный гидрологический барьер, разделяющий воды северного происхождения (из Аравийского и Красного морей) и воды антарктического происхождения.

В экваториальной зоне Индийского океана выделить фронты по циркуляционным признакам довольно сложно. Это обстоятельство отметил В.Л.Лебедев (1982), высказавший предположение, что «внутреннее устройство экваториального региона прорезано множеством квазипараллельных температурных фронтов». Привлечение к анализу экваториальных фронтов в Индийском океане расчетов динамической топографии, отразило всю сложность происходящих здесь процессов и необходимость четкого разделения пространственно-временных масштабов. Динамика:-. вод здесь настолько изменчива, что осредненная картина циркуляции и поперечные (через экватор) профили динамического рельефа дают невсем полное представление о характере и положении динамически неустойчивых фронтальных разделов. Стандартные расчеты общейемы поперечной циркуляции показываютществование на экваторе дивергенции (между 3° ю.ш.-3°с.ш.), однако, расчеты В.А.Бубнова (1990) показали, что в период летнего муссона ложбина на экваторееняется гребнем иема поперечной циркуляции между 3° ю.ш. и 3°ш. во многомязананаправленным на югвернее экваторальным дрейфовым потоком, который определяет появление летомверного полушария на экваторе конвергенции и опускания вод.

Эта схема во многом осложняется взаимодействием дрейфового потока с геострофическим, направленным на север и северо-восток.

Положение фронтальных разделов в экваториально-тропической зоне Индийского океана, так же как и в других океанах, во многом находится под влиянием ВЗК. Спутниковые измерения показали, что в Индийском океане отмечается попеременное развитие то северной, то южной ВЗК (Романов, 1994), что, по аналогии с экваториальной зоной Атлантического океана, приводит к изменению теплового баланса океана и появлению границ температурных контрастов, также попеременно изменяющих свою активность.

Для изучения структурных особенностей вод тропической и экваториальной областей Индийского океана были использованы сведения об энтальпии. За основу приняты расчеты, приведенные в работе В.А.Головастова и др. (1982).

Сезонное распределение энтальпии поверхностных, подповерхностных и промежуточных вод в Индийском океане наглядно показывает, что в течение всего года в экваториальной и тропической областях Индийского океана наиболее резко выражена фронтальная зона южной тропической дивергенции.

Все отличительные черты фронтальных зон в Индийском океане четко прослеживаются на графиках межгодовой изменчивости энтальпии, построенных по разрезу вдоль 65° в.д., которые иллюстрируют положение всех основных фронтальных зон океана. Положение фронтальных зон связано с областями максимальных горизонтальных градиентов энтальпии, которые наиболее резко выделяются в подповерхностных водах, поскольку радиационный прогрев нивелирует температурные контрасты на поверхности океана.

Распределение энтальпии выявляет и другие характерные особенности положения фронтов Индийского океана: присутствие зоны субтропической конвергенции на 15-20° ю.ш. (повышенные значения энтальпии), зоны экваториального фронта (повышенные значения горизонтальных градиентов энтальпии).

Таким образом, можно заключить, что экваториальная область Индийского океана - это фронтальный пояс (по терминологии Лебедева, 1982), включающий в себя несколько фронтальных разделов, перемежающихся ( областями подъема и опускания вод.

Сложность процессов, протекающих в экваториально-тропических фронтальных зонах океанов, заставил выделить их рассмотрение в отдельный раздел.

7. Экваториально-тропические фронтальные зоны океанов

Эти фронтальные зоны представляют собой одно из наиболее примечательных явлений Мирового океана. Они играют большую роль в ! процессах, протекающих в системе океан-атмосфера-материк.

Совместный анализ процессов в океане и атмосфере, анализ гидрологических характеристик в меридиональной плоскости на разрезах через экватор, расчет динамической топографии и определениеответствующей ей поверхностной и подповерхностной циркуляции, привлечение данных по тепловому балансу океана вязиположением ВЗК и, наконец, количественная оценкаедних климатических параметров фронтов а этой зоне всей очевидностью показали, что в Мировом океане в широтной полосе примерно от 10°ш. до 10° ю.ш. постоянноществует многофронтальная Iстема,стоящая изеняющих друг друга областей конвергенции и дивергенции, располагающихся в полеожной зональной разнонаправленной циркуляции и поперечной циркуляции в верхнемое океана. При этом в Индийском океане на эту общуюему накладываютсязонные различия,язанныеизменением характера муссонной циркуляции.

При всей сложности процессов, протекающих здесь, последние исследования (в частности, Бубнов, 1990) показали, что в экваториальной зоне Атлантического океана на поверхности преобладает западный перенос, связанныйсеверной (2°ш.) и центральной (4°ю.ш.) ветвями южного пассатного течения и расположенным между ними летом Межпассатным противотечением (5°-8°с.ш.) На подповерхностных глубинахема циркуляции определяется главным образом Южным экваториальным подповерхностным противотечением (~5°ю.ш.).

В Тихом океане на поверхности преобладает западный перенос, связанный с Южным пассатным течением. В отличие от Атлантического океана здесь в течение всего года на поверхности отмечается Межпассатное противотечение (~5°с.ш.). Схема подповерхностных течений связана с направленными на восток Северным экваториальным подповерхностным противотечением (~5°с.ш.), течением Кромвелла (на экваторе) и Южным экваториальным подповерхностным противотечением (~5°ю.ш.).

В Индийском океане - Зимнее муссонное течение (западный перенос) в /' широтном поясе от экватора до 5°-7°ш. и Летнее муссонное течение -восточный перенос в широтной полосе 5° ю.ш. и 5°ш.; экваториальное противотечение аналог течений Ломоносова и Кромвелла в Индийском океане - течение Тареева - направлено на восток на глубинах от 100 до 180 метров.

Именно с таким характером поверхностной и подповерхностной циркуляции связана поперечная циркуляция в экваториальной зоне (в меридиональной плоскости), имеющая наибольшее значение для поддержания фронтальной активности в этом районе Мирового океана.

В целом общий характер динамической топографии на разрезах через экватор показывает, что во всех океанах на экваторе существует экваториальная дивергенция (или экваториальная ложбина по Бубнову, 1990), к югу от нее примерно на 5° ю.ш. расположена южная тропическая конвергенция, примерно на 10° ю.ш. расположена тропическая дивергенция и на 15°-18°ю.ш. — субтропическая конвергенция. К северу от экватора фронтальная система включает северную тропическую конвергенцию (~5°с.ш.), северную тропическую дивергенцию (~10°-14°с.ш.) и северную субтропическую конвергенцию (~15°-18°с.ш.).

В Индийском океане эта схема осложняется тем, что в период летнего муссона в полосе от 5°ю.ш. до 5°с.ш. располагается гребень динамической топографии (Бубнов, 1990), который приводит к изменению характера I циркуляции, в том числе к нисходящим потокам в верхнем слое океана.

Детально характер структуры и динамики экваториальной фронтальной системы были рассмотрены на примере Атлантического океана.

Для этого были проанализированы материалы более двадцати разрезов температуры и солености, а также проведены расчеты динамической топографии, энтальпии и вертикальных скоростей, которые послужили основой для выделения зон конвергенций и дивергенций в экваториально-тропической области океана. Анализ результатов этих расчетов показал, что в экваториальной зоне Атлантического океана почти полностью соблюдается / общая для всех океанов схема структуры экваториальных фронтов. Некоторые отличия связаны с тем, что экваториальная дивергенция здесь состоит из северной и южной ветвей и расположенной между ними конвергенции. Расчет вертикальных движений вод в экваториальной Атлантике позволил выделить положение оси тропической дивергенции, расположенной примерно на 7 ю.ш., и оценить порядок скоростей подъема и опускания вод в верхнем слое океана (Ы0"2-10"3 см/с).

Положение осей конвергенции и дивергенции, а также распределение толщины слоя гомотермии, солености, энтальпии и вертикальных скоростей / показал, что фронтальные разделы располагаются здесь неравномерно и монотонно, а ограничивают сложные очаги различной интенсивности и резких контрастов характеристик. Поэтому линейность положения фронтальных разделов - это результат осреднения и недостаточности материалов наблюдений. Реальная картина, как и в других районах Мирового океана, во многом связана с вихревыми образованиями различных масштабов.

Сезонная изменчивость положения фронтальных разделов составляет примерно 1° для экваториальной дивергенции, 1,5° для южной и северной тропических конвергенции; 2,6° для северной тропической дивергенции и 3,5° для северной субтропической конвергенции. С увеличением широты амплитуда , сезонной изменчивости возрастает.

В Атлантике, как и в других океанах, процессы на экваториальных фронтах летом протекают примерно в 1,5 раза интенсивнее, чем зимой.

Совместный анализ результатов всех расчетов показал, что экваториальная дивергенция представляет собой границу между ячейками поперечной циркуляции в зональных потоках двух ветвей Южного пассатного течения, а северная тропическая конвергенция (~5°ю.ш.) и северная тропическая дивергенция (~10°ю.ш.) - это границы Межпассатного противотечения. Интересно отметить, что положение указанных фронтальных ( разделов совпадает с положением ВЗК, областью отрицательного теплового баланса океана и в течение всего года их можно проследить на картах климатических фронтов в северной части Атлантического океана (Грузинов, Сычев, 1987).

Аналогичная схема ( с некоторыми отличиями) характерна и для Тихого, и для Индийского океанов. Так же как в Атлантическом океане, в Тихом океане экваториальная дивергенция связана с меридиональным дрейфовым переносом, направленным от экватора к полюсам, вызываемым восточными пассатными ветрами. При этом поскольку дрейфовый перенос сильнее геострофического, ! результирующий поток также направлен к полюсам. Северная тропическая конвергенция и северная тропическая дивергенция связаны с Межпассатным противотечением. Оба фронта хорошо видны на сезонных картах климатических фронтов, полученных по максимальным горизонтальным градиентам температуры поверхности океана. Так же как и в Атлантическом океане на положение этих фронтальных разделов существенное влияние оказывает северная ветвь ВЗК. Исследуя экваториальные фронты северной части Тихого океана, Г.Роден (1974) отметил их связь как с границами ветровых потоков, так и границами потоков энергии в пределах зоны внутритропической конвергенции.

Структура и динамика экваториальных фронтов Индийского океана были рассмотрены в предыдущем разделе. Здесь можно лишь отметить, что характер поперечной циркуляции зимой так же как и в других океанах связан с / экваториальной дивергенцией в верхнем 200-метровом слое и интенсивным подъемом вод. Вместе с тем, здесь не наблюдается экваториальный минимум температуры, что, вероятно, объясняется влиянием зональной адвекции тепла поверхностными течениями. Летом положение областей подъема и опускания вод на экваторе значительно усложняется и характеризуется чередованием локальных областей подъема и опускания, что, естественно, создает пеструю картину положения фронтальных разделов.

Таким образом, в приэкваториальной полосе Мирового океана в полосе примерно от 10°ю.ш. до 10°ш.ществуетстема фронтальных разделов, /ставляющая единую хорошо выраженную фронтальную зону.

Интересно отметить, что градиенты в поле температуры поверхности океана, полученные со спутников (Кайюла, Корнильон, 1998), показывают, что максимальными по своей протяженности и контрастности являются именно экваториальные фронты, особенно в восточной части Тихого океана.

8. Фронтальные зоны антарктических вод

Эти фронтальные зоны частично рассматривались в разделе 6, когда речь шла о южной части Индийского океана. Основным результатам их исследования посвящена специальная

глава в монографии автора (1986).

Анализ большого числа гидрологических разрезов в антарктических водах отчетливо показывает существование здесь двух главных океанических фронтов - южного полярного фронта, расположенного примерно на 50°ю.ш. и южного субполярного фронта, находящегося примерно на 40°ю.ш. Южный полярный фронт связан с антарктической конвергенцией, образование которой вызывается поперечной неоднородностью зонального восточного переноса и располагается слева от южной ветви АЦТ.

Обширная акватория Южного океана между этими фронтами занята субантарктическими водами. В области южного полярного фронта формируется антарктическая промежуточная водная масса, которая ( прослеживается во всех океанах. Погружающиеся в зоне этого фронта воды имеют температуру около 2,2°С, соленость - 33,00°/оо и условную плотность -27,02. Южная субполярная фронтальная зона выражена менее резко, чем южная полярная. Она разделяет субантарктические и умеренные воды южного полушария.

Проведенные расчеты (Иванов, 1961; Иванов и Нейман, 1965 и другие) показали наличие в зоне южного полярного фронта интенсивных вертикальных движений. Как и в других фронтальных зонах, здесь хорошо развиты процессы перемешивания. Глубина конвективного перемешивания достигает здесь 500! 600 м, а ветрового - около 100 м. /

Сезонная изменчивость полярных фронтов невелика, имеющиеся данные позволяют говорить о квазистационарном положении этих фронтов в антарктическом районе Мирового океана.

В последние годы существенно увеличилось количество работ, связанных с исследованием локальных особенностей антарктических фронтов. Так, появились описания структуры и динамики фронтальных зон в море Уэддела (Антипов и др., 1998; Данилов, 1998). И.М.Белкин и А.Гордон (1996) на основе анализа меридиональных разрезов показали положение главных < фронтов в Южном океане от меридиана Гринвича до Тасмании, Ю.В.Артамонов и др. (1998) показали положение южного полярного фронта в проливе Дрейка и западной части моря Скотия.

Появились описания фронта, связанного с Антарктической дивергенцией (Антипов, Клепиков и др., 1998). Эти и другие работы, в частности, работа Э.И.Саруханяна (1980) по Антарктическому циркумполярному течению существенно продвинули изучение фронтальных зон в антарктических водах и в совокупности с работами Ю.А.Иванова и

B.Г.Неймана дают достаточно полное представление о структуре и динамике этих фронтальных зон.

Следует отметить, что анализ уже упоминавшихся материалов спутниковых измерений градиентов температуры поверхности океана / позволяет выделить в полосе между 40° ю.ш. и 60°ю.ш. широкий пояс фронтальных разделов разного масштаба, многочисленность которых и сложность конфигурации требуют проведения специальных исследований.

Можно отметить, что положение южного полярного фронта надежно выделяется по комплексу критериев. Среди этих критериев следующие: северная граница подповерхностной температурной инверсии, северная граница изотермы 1°С в слое температурного минимума, ось пояса минимума солености на глубине 200 м, положение края слоя температурного минимума или резкого изменения его глубины, положение градиента температуры воды /' на поверхности океана более 2°С на 0,5° широты и некоторые другие (Белкин, Гордон, 1996). Положение же южного субполярного фронта (или субантарктического фронта), во многом связано с субантарктической дивергенцией. Южный субполярный фронт отождествляют с субтропической конвергенцией (или субтропическим фронтом), но последние работы

C.Петерсона и Т.Вайтворта (1989), И.М.Белкина и А.Гордона (1996), В.Г.Неймана и др.(1997) показали, что, несмотря на то, что в некоторых случаях субтропическая конвергенция близко примыкает к субантарктической дивергенции (например, между 70° в.д. и 75° в.д. в Индийском океане), южный субполярный фронт хорошо выделяется по максимальным градиентам температуры на поверхности океана в интервале 5°-9°С (Барлинг, 1961), максимальным градиентам температуры воды в интервале между 3°-8°С на глубинах 100-400 метров, промежуточному минимуму солености сразу к северу от фронта, положению изохалины 34,4-34,5°/00 на глубинах 100-400 метров.

Важным моментом для анализа положения этого фронта является появление устойчивого однородного слоя (термостада) на глубинах свыше 400 м, особенно в восточной части Индийского океана, сразу севернее южного субполярного фронта.

9. Климатология океанических фронтов северного полушария

Получение достоверных оценок среднемноголетнего состояния гидрофизических полей Мирового океана с высокой степенью детализации осложняется значительной пространственно-временной нерегулярностью данных наблюдений, которые к тому же неоднородны по качеству. При получении климатических характеристик крупномасштабной изменчивости эти трудности удается обойти применением методов статистических оценок. Наиболее значительной работой в этом направлении является создание Климатологического атласа Мирового океана в Принстонском университете (Левитус, 1982) и его последующие дополнения. ( На основе этих материалов была сделана оценка среднеклиматического сезонного положения и изменчивости климатических фронтальных зон на примере северных частей Атлантического и Тихого океанов (Грузинов, Сычев, 1987, рис. 1 -2).

Анализ проводился по сезонным полям горизонтальных градиентов температуры на горизонте 100 м, нормированных на максимальный градиент. Привлекались также данные диагностических расчетов глобальной циркуляции вод Мирового океана, проведенных А.С.Саркисяном, Ю.Л.Деминым и др. (1986), использовавших в качестве исходного массив Принстонского ( университета.

Горизонт 100 метров выбран для того, чтобы исключить влияние выборочной изменчивости, наиболее высокой в пределах верхнего квазиоднородного слоя. В то же время климатические фронты на этом ( горизонте сохраняют свои наиболее важные особенности.

На рис. 1-2 (приложение) представлено положение климатических фронтов в северных частях Атлантического и Тихого океанов на фоне изолиний нормированных градиентов температуры для четырех сезонов года. Пунктиром даны участки, соответствующие 0,1 максимального градиента.

Северная часть Атлантического океана. В северо-западной части хорошо выделяются северный субполярный фронт, формируемый двумя ветвями: фронтом Лабрадорского течения и фронтом Гольфстрима.

Эти фронты смыкаются в районе пятидесятого градуса северной I широты и сорокового градуса западной долготы. Восточнее интенсивность единого фронта быстро снижается и на северо-востоке он прослеживается лишь по основной оси Северо-Атлантического течения. Фронт вновь возникает в поле градиентов температуры в Норвежском море. Ослабление градиентов можно объяснить, с одной стороны, уменьшением интенсивности фронта и с другой - усилением меандрирования. Вероятно, имеют значение обе эти причины.

Достаточно хорошо прослеживается фронт, расположенный вдоль продольной оси Атлантического антициклонического круговорота, и связанный { с северной субтропической конвергенцией.

Экваториально-тропическая фронтальная зона имеет сложную структуру и хорошо выделяется двумя ветвями, соответствующими, осям северной тропической конвергенции и северной тропической дивергенции, образуемых сложной системой динамики вод в этом районе (раздел 7).

В северной части Тихого океана субполярный фронт представлен обширной и интенсивной фронтальной зоной (особенно в западной части), внутри которой на всем протяжении выделяются два фронтальных раздела. Эта двухфронтальная структура постоянно фиксируется к востоку от Японии.

Фронт, соответствующий северной субтропической конвергенции, / расположен вдоль широтной оси Тихоокеанского антициклонического круговорота и подобно его атлантическому аналогу наиболее резко выражен в западной части океана.

Фронтальная зона,ответствующая экваториально- тропическойстеме фронтов, полностью расположена в полосе океана от 0 до 10°ш. Внутри этой фронтальной зоны выделяются две ветви,ответствующие (как и в Атлантическом океане)верной тропической конвергенции (~5°с.ш.) иверной тропической дивергенции (-10°ш.).

Обращает внимание тот факт, что на востоке и в центральной части / экваториальной области весной и летом градиенты обострены и характер фронтальных процессов существенно интенсивнее, чем в западной части экваториальной области. Осенью и зимой фронтальная деятельность активизирована в зоне тропической конвергенции, а тропическая дивергенция в поле среднемноголетних горизонтальных градиентов температуры выражена слабо.

Полученные результаты позволили рассмотреть сезонную изменчивость системы климатических фронтов и проследить отклонения положения фронтальных зон от среднемноголетнего расположения в конкретные годы.