文摘

温度和速度波动在斯瓦尔巴群岛和解释为以范Mijen峡湾内波引起的波动显示的存在短周期内波的振幅约1米,一段约5 - 10分钟,与同期的冰盖波动的振幅几毫米。

1。介绍

我们分析测量的温度、速度和压力研究底部内波在冰雪覆盖的影响。“刚性盖子”近似理论研究中使用的几乎总是冰盖下的内波,甚至没有它。这个近似过滤器表面模式,充分描述了属性的内波在无冰的条件和长期内波在冰盖(1,2]。在“刚性盖子”近似,表面的垂直速度被认为是等于零;因此,由于运动条件下,内波不能造成任何冰盖的垂直位移。然而,这样的结论是不一致的与实验数据获取相对较深的部分北冰洋(3- - - - - -6和也与理论结果7,8),根据内波的波动可以反映在冰盖在频率可比Brunt-Vaisala频率。Shirshov海洋学研究所的科学家们(俄罗斯科学院)和大学中心的斯瓦尔巴特群岛(uni)进行海洋研究浅Van Mijen峡湾的斯瓦尔巴特群岛进行实验测试的理论结论有关的可能影响短期内波的波动紧凑的冰盖。

2。内波在一个冰雪覆盖的简要理论

在理论方法中,海洋表面的冰层覆盖弹性薄板可以看作一种漂浮在海面上。冰盖的理论描述波动应该考虑冰的弹性板,压缩力,和冰惯性。如果冰盖内的过程被忽略的主要方程和边界条件冰盖应该类似于方程和条件的情况下的海面是免费的冰。

唯一的例外是动态条件下可能表达常数冰层厚度h在以下表格7- - - - - -11]:

在这里, 的压力, 冰表面偏转, 重力加速度, 海水的密度边界的冰, 时间, 水平拉普拉斯算子

在这里, 冰的圆柱形刚性, 杨氏模量, 泊松比,K冰的压缩系数, const冰密度、和 const冰层厚度。

在(1成正比),加式 , , 由于各自的弹性冰属性,惯性力,和压缩力,影响冰层覆盖。特征值(2)冰如下(12,13]: , , , , 。与冰层厚度 观察在实验中,我们得到以下估计系数: , , 。在无冰表面的情况下,当 ,因此, 、动态条件(1)获得的标准形式 。

我们指定特征波运动的水平扩展 。比较被加数(1),它描述了贡献的压力由弹性冰盖(被加数与圆柱冰刚度成正比B) ,重力势的值在液体的表面 ,我们发现这些加式的顺序相同 ,在那里

我们假设波在弹性板的属性特征的长度 ,接近这些参数与自由表面波在液体中,和冰盖无关紧要的海里的波浪运动的影响。与此同时,与长度短的波浪 板的弹性力量战胜重力的力量。

让我们比较重力势 压力由压缩力量决定的冰盖(加式成正比 )。我们获得他们的顺序相同 ,在那里

如果冰厚度 ,我们得到 ;因此,对于冰覆盖厚度超过 的不平等 是有效的。弹性的贡献力量 相当与压缩部队如果运动特征尺度是什么 ,在那里

因为不平等 冰层厚度大于有效吗 ,然后 。尽管如此,在 ,冰压缩力超过弹性力、重力波动似乎是决定性的。在 ,确定角色要么属于时的重力 或弹性 。

通常我们可以忽略惯性力的作用在紧凑的冰盖。然而,我们注意到,由于(1)波长的增加伴随着无限增长的压力下冰边界。为了排除其无限增长,冰偏转应该倾向于零同时减少波长。我们还要注意,估计是在假设获得的水平面运动的统一。横向边界和附近的尖底地形梯度的情况下,这些估计应该修正。

前面的定性结果有效期为紧凑的冰层覆盖下的任何类型的波,而获得的定量数据现在flexure-gravity波(7上面的直海岸附近),边缘波倾斜的底部(11沿着冰原边缘[],电波传播14,15),和内波7,8]。我们强调三个问题,这是重要的描述内波盆地水分层时允许Brunt-Vaisala频率 被认为是常数。(1)这种波的色散方程采用以下形式: 在哪里 内波的频率, 波数的大小, 常量池深度 模式数字。(2)冰层厚度 对色散方程提供了一个微不足道的影响(6)[7,8];因此,它可以提供高精度的古典形式: (3)一个可以显示内波传播方向横向振幅的冰偏转 的模式 数量和压力振幅 在深度 由以下关系[相连7,8]:

如果 ,下面的关系之间存在着冰偏转和底部的压力: :

关系 可以解释为一个传递函数,用来决定的校正因子底部的静水压力之间的关系和冰偏转。

传递函数的依赖性 表现自然实验的条件和获得上述值系数 , , (图1(一))和(描述的条件10)(图1 (b))如图1。传递函数的形式 明显取决于盆地的深度(盆地,越深越接近最大Brunt-Vaisala传递函数的频率)和压缩系数 (后者越大,越大的最大传递函数)。我们注意到,立即Brunt-Vaisala频率附近时,内波非常短,传递函数趋近于零的原因(10);也就是说,在这个频率范围内,冰盖应该变平。

(一)
(一)
(b)
(b)
图1
传递函数确定静压的校正系数的振幅之间的关系表明压力和冰偏转冰层的厚度 和海洋深度(a) 和(b) 。

3所示。内波的测量冰层覆盖下范Mijen峡湾

2008年,内波和压力的同时测量海底反映冰盖的波动进行了范Mijen峡湾。图2展示了研究区域的位置。


图2
示意图测量站点地图。灰色显示浅(< 1米)地区。黑色表示土地。圆圈表示测量的地点。

温度分析器SBE 39高精度压力传感器和电流表(SonTek副词海洋探测)现场工作期间使用。SBE 39分析器测量温度分辨率为0.0001°C和0.002%的压力的压力解决规模20 dbar,对应于一个压力解决0.004 dbar(或者,大约0.4毫米的深度)。三个速度分量的难以测量仪器提供数据的分辨率为0.01 cm / s。使用仪器测量进行了冰下安装在一个垂直支撑杆与三脚架站在冰(图3)。


图3
示意图的位置测量装置(M对应于当前计量点)。

压力计SBE 39是位于底部测量冰层覆盖的波动。冰下的测量进行了50 - 60厘米厚在该地区强劲的潮流:大潮的身高达到2米,最大潮流速度高达10 cm / s。在观察期间,水温度接近冰点(大约−1.9°C)。无关紧要的垂直温度梯度(1×10−3°C / m)和高盐度(0.05事业单位/ m)梯度特征的测量。图4说明了垂直分布的温度、盐度、密度以及Brunt-Vaisala频率。的密度几乎重复盐度,这表明下行密度变化是由盐度的变化决定的。研究地区Brunt-Vaisala频率大约是15 - 25×10−3幕布/ s与双重的向下变化。

(一)
(一)
(b)
(b)
图4
垂直温度分布(T)、盐度(年代),密度(σt),Brunt-Vaisala频率(N在研究地区)。

最具代表性的测量结果在现场得到了短周期内波与坐标77°52.79′N和16°43.73′E和深度约10米的水下边坡基材之间的深和浅的部分湾。光谱的计算表明,温度波动频率超过Brunt-Vaisala频率,增加频率的频谱大幅减少,同时,在浮力频率,频率略低于几个山峰。让我们分析波动的时期。

温度波动的光谱范围的短周期振荡(图5(一个))的特点是两个峰值频率的0.0015和0.003幕布/ s,它对应于大约10和5.5分钟的时间;速度波动的光谱特征是相似的模式,虽然很大只观察到的频率峰值0.003幕布/秒或5.5分钟(图5 (b))。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图5
(一)温度波动在高频范围内的频谱;(b)的频谱流速波动在高频范围内;(c)频谱高频底部的压力波动的范围。

压力波动也计算的光谱的数据bottom-located计SBE 39。它遵循从(9负责),这些压力变化波动的冰盖。图5 (c)演示了光谱的压力波动,特点是高峰时期的大约5.5分钟(频率0.003幕布/ s)。这样的波动也报道(16]。底部的压力波动的振幅与这样的一段时间是0.005 - -0.006 dbar相对应,根据(10),大约5 - 6毫米的振幅波动的冰盖。

4所示。讨论和结论

短的强烈的内波可以打破冰层覆盖。事实上,根据关系(1)在冰的下表面的压力 ,或 的价值关系 增加内部波长减小。换句话说,对压力的弹性和compression-tension力量应用于冰盖增长。以下公式最大压力 在弯曲的表面弹性板可以用来估计冰内波分解: [13朗道Lifshits]。在我们的例子中, , , 和 (波长大约是20米)根据色散方程(7), 和 。冰压力 被估计为0.38 MPa。这个值接近海冰的挠曲强度17]。因此,短期内波可以打破冰覆盖。

可以观察到这样的现象在探险的R / V“极地斯特恩号”1986年在威德尔海18,75页)在固体冰盖厚度0.8米突然坏了(10]。附近的一个类似的事件发生在1988年春天的萨哈林岛(19]。根据数据的观测,内波生成的显然是一个强烈的飓风。

因此,短期内波的研究非常重要,因为他们可以影响冰面。大气和海洋的影响过程,特别是内波的稳定冰盖和冰盖消耗目前观察到的在北极地区在夏季极地气象学和海洋学的热点问题2,20.]。冬天的测量温度、速度和压力波动在冰下的频率范围内波在斯匹次卑尔根浅北极峡湾证明温度和速度波动时间5 - 10分钟,内波的振幅略低于1米的波动与同期的冰盖和几毫米的振幅。这些结果与理论一致。

确认

作者感谢教授f .流行病学(uni)和k·约翰森帮助开展该领域的研究。这项工作是支持的俄罗斯基础研究基金会(项目号。08-05-00120,08-05-00124,09-05-00599,10-08-01010,11-05-00448,11-08-00076,,12-05-00889)。作者也感谢匿名审稿人的宝贵的言论。