Използване на Argo Drifters и
Използване на дрейфове Argo и данни от сателитна алтиметрия за извличане на циркулацията в северната част на Атлантическия океан ДИСЕРТАЦИЯ за получаване на степента на доктор по естествени науки д-р обратно нат. Факултет I (Физика/Електротехника) на представения от Фолк Рихтер Дата на колоквиума: 24.09.2010 г. 1. Рецензент: проф. Д-р Петер Лемке 2-ри рецензент: проф. Д-р Институт за полярни и морски изследвания Rüdiger Gerdes Alfred Wegener
Съдържание Въведение 1 1 Състояние на техниката 7 1.1 Моделиране. 7 1.2 Наблюдения и измервания. 10 2 Ситуация с данни 15 2.1 WorldOceanAtlas2005 (WOA05). 16 2.2 Сателитна алтиметрия. 18 2.3 Профили на автономните дрифтери (Argo). 19 2.4 Климатика на Gouretzki и Kolterman (GKK). 25 2.5 Напрежение на срязване на вятъра. 26 3 Модели и методи 29 3.1 Модел на океана с обратни крайни елементи (IFEOM). 30 3.1.1 Разходна функция. 32 3.1.2 T/SAdvection/Diffusion. 35 3.1.3 T/S фонова климатология. 36 3.1.4 Асимилация на арго. 37 3.1.5 Асимилация на алтиметрия. 40 3.1.6 Адаптиране към налягането в дълбоките води. 41 3.1.7 Развитие на разходите. 44 3.2 Гранични условия. 45 3.3 Обективен анализ. 46 4 Влияние на данните за арго и сателитна алтиметрия върху резултата от модела 49 4.1 Извършени симулации на модели. 49 4.2 Референтна симулация. 50 4.3 Комбинация от данни за арго и алтиметрия. 52 4.4 Влияние на данните за арго. 54 4.5 Взаимодействие на данни за арго и алтиметрия. 56 4.6 Влияние на данните за алтиметрията. 61 4.7 Доброта на пригодността на данните за арго и алтиметрия. 64 4.8 Заключение. 68 1
2 Съдържание 5 Оценка 69 5.1 Сравнение с обективен анализ. 69 5.2 Анализ на деформацията на повърхността. 75 5.2.1 Анализ на тенденцията на деформацията на повърхността. 77 5.2.2 Междугодишна променливост на деформацията на повърхността. 83 5.3 Анализ на топлинното съдържание. 88 5.4 Анализ на топлинния транспорт. 94 5.4.1 Анализ на тенденциите при пренос на топлина. 96 5.5 Оценка на атмосферния топлинен поток. 101 5.6 Оценка на грешката. 103 5.7 Заключение. 109 6 Резюме и перспективи 111 Библиография 115 Списък на фигури 122 Списък на таблици 124 Символи и съкращения 127 Индекс 129
24 Стойностите на ситуацията с данни от WOA05 са заменени. Чрез формиране на разликата (уравнение: 2.2), техният принос към DHA се пропуска. Тук се използва и критерият за 3 стандартни отклонения (σ). Ако уравнение 2.4 за (1 i N) измервания на Argo не е изпълнено, данните се отхвърлят. (DHAi SLA i) 2> 3 σ ((DHA i SLA i) 2) (2.4) С тази процедура почти никакви профили на Argo не са сортирани поради липсващите измервания на сателитна алтиметрия във високи географски ширини. Изключение въз основа на уравнение 2.4 може да се наблюдава само в района на Гълфстрийм. В регион, където могат да се открият високи временни и пространствени променливости, като мезомащабни вихри. (a) (b) (c) (d) Фигура 2.8: T (или S) и брой хоризонтално интерполирани профили Argo на точка на мрежата на дълбочина 120 m (например за 2005 г.): (a) Температура ( Т); (б) брой Т профили; (в) соленост (S) и (г) брой S-профили. Пространствената структура на T-Unds в Северния Атлантик е достатъчно представена от измерванията на Арго. Плътността на данните в югоизточната част на зоната на модела е много ниска и броят на измерванията на профила, взети предвид за всяка точка на мрежата на модела, рядко е по-голям от 5 (максимум 39).
26 Ситуация с данни 2.5 Напрежение на срязване на вятъра Хоризонталната сила на площ, която вятърът упражнява върху океанската повърхност, е известна като напрежение на срязване на вятъра и описва вертикалното предаване на компонента на хоризонталния импулс. По този начин импулсът се пренася от атмосферата в океана от напрежението на срязване на вятъра и може да се изчисли, както следва: 0,29 + 3,1/U 10 + 7,7/U τ = ρ A CD U 10 U 10 с 1000 CD = 10,2 за 3 m U s 10 6 m, s 0.6 + 0.07 U 10, за 6 m U s 10 26 m. s (2.5) където ρ A = 1.3kg/m 3 е средната плътност на въздуха, U 10 е скоростта на вятъра на височина 10 m, а CD е коефициентът на съпротивление (Trenberth et al., 1989; Harrison, 1989). (а) (б) (в) (г) Фигура 2.10: Стрес от вятър: (а) зонален (2005) с; б) стандартно отклонение във времето; (в) меридионален (2005) със, (г) стандартно отклонение във времето. Фигура 2.10а показва доминиращите западни ветрове, както и източните ветрове в субтропичния район на Северния Атлантик.
2.5 Напрежение на срязване на вятъра 27 В тази работа за изчисляване се използват напрежението на срязване на вятъра и скоростите на вятъра на повторната оценка на NCEP. Те се предоставят от NOAA/ESRL PSD 3 и са достъпни на www.esrl.noaa.gov/psd/. Допълнителна информация за тези данни може да се намери в Kalnay et al. (1996). Годишната средна стойност на зоналния и меридионалния стрес на вятъра (на височина 10 м) се изчислява от съответните месечни средни стойности. Продуктите за повторен анализ се основават на най-съвременна система за анализ и прогнозиране, която включва всички измервания на вятъра от 1948 г. до днес чрез асимилация на данни. За 10-те симулационни години (1999-2008 г.) се използват данните за зоналния и меридионалния стрес на вятъра, принадлежащи към годината. Фигура 2.10 показва пример за зоналния (2.10a) и меридионалния (2.10c) стрес на вятъра за 2005 г. Зоналният компонент показва доминиращите западни ветрове, както и източните ветрове в субтропичния район на Северния Атлантик. 3 Национална администрация за океаните и атмосферата, Лаборатория за изследване на земната система, Отдел за физически науки, Боулдър, Колорадо, САЩ
3.1 Модел на океана с обратен краен елемент (IFEOM) 43 (a) (b) (c) (d) Фигура 3.6: Баротропна токова функция (контурен интервал 5 Sv): (a) на еталонния пробег без ограничение на скоростите в дълбокия океан и, ( б) референтният пробег с ограничението на скоростите в дълбокия океан. По същия начин MOC (контурен интервал 2 Sv, 1 Sv, ако MOC