Текущее профилирование глубины вокруг глобального океана

Рис. 1: ADCP Teledyne RDI, прикрепленный к гидрографической упаковке перед погружением на большие глубины. Предоставлено: J. Lemus (U. Hawaii). https://goo.gl/VfvYn1

Три десятилетия высокого давления для пониженных ADCP

Вступление
Со времени неожиданных движений первых глубоко плывущих по течению океанографов работали над тем, чтобы поднять завесу на глубоких течениях. Измерения постоянного тока имеют различные формы. Нейтрально-плавучие поплавки и их профилирующее потомство выявили глубокие пути. Счетчики тока на причалах показали изменения во времени. Свободно падающие зонды позволили увидеть профиль - близко расположенные измерения, показывающие скорость потока воды в зависимости от глубины. А пониженные ADCP (LADCP) обеспечивают хорошо разрешенные, полные профили тока с начала 1990-х годов.

Глубокие течения хранят, переносят и перераспределяют важные свойства для жизни в море и за его пределами. Например, уровень кислорода и питательных веществ жизненно важен, когда глубокие воды поднимаются, чтобы снабжать пищевую цепь океана. И все же до середины 1970-х годов глубокие течения соперничали с темной стороной луны в поисках тайны. Воодушевленные результатами улучшенных наблюдений, в настоящее время наблюдается большой интерес к тому, как глубокие течения принимают участие в глобальной климатической системе. Особенно важными являются изменение тепла и содержания CO2 в глубоком океане.

Разработаны методы наблюдения за глубоким морем ниже верхнего сезонного слоя. Для измерения глубоких течений ученые во всем мире прикрепляют компактные ADCP к гидрографическим пакетам. Эти пакеты обычно опускаются на морское дно для отбора проб воды и измерения свойств воды.

В этом отчете мы рассмотрим различные результаты работы LADCP вокруг глобального океана. Измерения LADCP первоначально рассматривали глубокие течения в экваториальных регионах и в тропических и субтропических океанах. Особенности включали глубокие токи, подводные течения и вихри. Совсем недавно LADCP поддерживали научные исследования в высоких широтах, такие как изучение опрокидывающихся циркуляций в приполярной северной Атлантике и расчет широкого интенсивного перемешивания в Южном океане.

гидрография
Судовая гидрография измеряет свойства воды от поверхности до морского дна. Результаты приходят от понижения CTD непрерывного профилирования и сбора дискретных проб воды. Эти «гидро» отливки не имеют себе равных для наблюдения за глубоким океаном, особенно ниже 2000 м. В то же время этот метод также выявляет горячие точки для атмосферного обмена с океаном.

Гидрографические данные видят широкое применение. Их диапазон включает в себя свойства, процессы и пути океана. Долгосрочные записи существуют для углеродных компонентов, питательных веществ, пресной воды, тепла и многого другого. Эти записи показывают изменения в океане, связанные с атмосферными тенденциями - глобальное потепление и повышение уровня CO2.

Рис. 2: Вверх и вниз обращенные ADD Teledyne RDI (желтого цвета для высокого давления) прикреплены к гидрографическому пакету. Предоставлено: Т. Василевский (IFM Гамбург). https://goo.gl/q7XGKK

Профилирование скорости
Вертикальные профили скорости течения воды и сдвига показывают, как вода движется и смешивается. Они помогают описать, как свойства воды изменяются и рассеиваются. Эти свойства включают тепло и энергию, а также организмы, питательные вещества, химические вещества, мусор и загрязнители.

Для изучения глубоких течений ученые хотят, чтобы профили скоростей имели большой радиус действия, но в то же время сохраняют точную картину изменения течений с глубиной. Этот тип данных выявил морские грани от внутренних волн до струй, вихрей и подводных течений. И информация широко используется, от научных открытий до операций на морских буровых установках.

До ADCP для профилирования скорости требовались специализированные команды и инструменты. Использование судового времени и невосстановимого оборудования сделало измерения дорогими. Ученые искали метод, который был бы более экономичным, простым в использовании и доступным для более широкой аудитории.

В течение нескольких лет несколько экспертов адаптировали ADCP для удовлетворения этого спроса. Они разработали метод и обработку LADCP (https://goo.gl/1TGXBn). Ключевой вклад внесли сотрудники Гавайского университета и Геологической обсерватории им. Ламона Доэрти в США и IFM Kiel в Германии.

Пониженный метод ADCP
Глубокое текущее профилирование ниже акустического диапазона установленных на корабле профилировщиков. Прикрепленные к пониженной гидрографической упаковке, компактные автономные ADCP проходят через толщу воды. Во время спуска и подъема ADCP продолжает измерять профили тока с диапазоном до 100 м. Позднее эти короткие сегменты с их мелким вертикальным разрешением сшиваются вместе для получения профиля полной глубины.

Тщательная обработка данных LADCP включает в себя различные входные данные. Текущие профили от установленных на судне ADCP используются для проверки профилей LADCP, где они перекрываются. Внесены исправления для дрейфа судна и изменения положения и движений опущенной упаковки. Около нижней части гипса акустическое эхо, рассеянное по морскому дну, показывает движение ADCP. Часто используются двойные ADCP - взгляды вверх и вниз.

Одним из ключевых преимуществ метода LADCP является то, что он не увеличивает время доставки и эксплуатационные расходы; профиль скорости завершается во время запланированных гидро-бросков. Специализированные технические специалисты не требуются, хотя успешная эксплуатация LADCP влечет за собой обучение и усердие. Компас ADCP должен быть тщательно откалиброван.

Рис. 3: Профили ADCP сшиты, чтобы сформировать профиль полной глубины. Скорость (см / с). Фото: М. Висбек (ГЕОМАР, 2002). https://goo.gl/kftcJ3

Ветер перемен
Добавление ADCP в гидротолки привело к изменению моря. Глубокое текущее профилирование было доступно гораздо большему сообществу. Сбор данных был регулярным и широко распространенным. И дополнительную информацию о глубоких течениях сообщили другие исследования, такие как измерения трассера.

LADCP получили тягу в гидрографических круизах во время эксперимента по циркуляции Мирового океана (WOCE, 1990-2002). К началу 2000-х улучшилось качество данных LADCP благодаря усовершенствованным методам измерения и обработки. И последние два десятилетия видели обычное использование метода LADCP вокруг глобального океана.

Обширные коллекции этих полных измерений глубины доступны. И накопление разделов LADCP от многих круизов открыло дверь для статистических описаний. Короче говоря, LADCP предоставляют уникальную и развивающуюся картину для изучения мирового океана - от крупномасштабной циркуляции до мелкомасштабного смешивания.

Глубокие подводные течения
Ключевой мотивацией для получения дополнительной информации о глубоких течениях является прояснение глобальной термохалинной циркуляции. Вдоль западного края всех основных океанических бассейнов на глубине наблюдались узкие быстрые подводные течения. Они имеют отличные водные свойства и противостоят сильным поверхностным потокам.

Используя LADCP от южной части Африки, британские ученые обнаружили неизвестный подводный ток. Значительный подземный ток Агульи, который на удивление не проявляется в гидроданных, течет в экваторе на глубине 1200 метров. Обнаруженный вдоль континентального склона, этот глубокий поток в десять раз превышает объем самой большой реки в мире. Более поздние исследования подтвердили открытие Undercurrent и его неожиданные свойства воды.

Многие из этих подводных течений охватывают крутой рельеф континентального склона. На этих сайтах профили LADCP полной глубины могут быть особенно ценными. На крутых склонах транспортные оценки для глубоких течений, рассчитанные по полю плотности, могут быть низкими из-за пробелов в данных. Токи LADCP обеспечивают решение.

Кроме того, данные LADCP являются двумерными векторами скорости, а не просто компонентом поперечного следа. Эта разница становится более важной, когда гидросекция обрезает текущее поле под косым углом.

Рис. 4: Глубокое подводное течение, экваториальное (оранжевое), вдоль крутого континентального склона. Единицы: Глубина (м), Расстояние (град). Предоставлено: Hall et al. (2004) https://goo.gl/4QB6xs

Глубокие Потоки
Британские ученые также обнаружили, что станции LADCP полезны у берегов Подводного течения. Сигнал скорости основного течения Агульи сохраняется на большой глубине. Глубокие потоки без сдвига не проявляются в токах, рассчитанных по гидрографическим сечениям. В результате традиционный метод может недооценивать объемы воды, транспортируемые глубокими течениями. Решение этой проблемы было распространенным ранним использованием данных LADCP.

Дальше на север в Индийском океане впечатляющие изменения в океане следуют за началом юго-западного муссона. Хорошо известное изменение сильных поверхностных течений происходит в сомалийском течении. Сложенные струи течений с противоположными направлениями находятся на глубине. Кроме того, большой интенсивный круговорот вращается вокруг Сомали в течение месяца. Называется Великий Вихрь, ширина круговорота достигает 500 км. Он сохраняется в течение трех месяцев, а затем рассеивается так же быстро, как и раскручивается.

Впечатляющей особенностью Большого Вихря является его глубокая протяженность до 3000 м. Американские ученые собрали данные LADCP о двух посещениях, разделенных на 3 месяца во время WOCE. Глубина великих вихревых течений увеличилась с 200 до 2500 метров. Из-за глубокого охвата этих течений объем воды, движущейся в Великом Вихре, совпадает с потоком Гольфстрима у мыса Хаттерас. Глубокая досягаемость Великого Вихря - одно из предложенных объяснений изменений в круговороте пропасти ниже. Это также наблюдалось с LADCP.

Смешивание данных
Океанографы исследовали новые способы объединения информации LADCP со свойствами воды, наблюдаемыми во время гидролитьев. Океанские течения передают свойства воды. Для замкнутого региона обмен свойствами воды должен удовлетворять законам сохранения, таким как сохранение массы. Метод анализа, называемый обратным моделированием, смешивает различные типы данных, подчиняющиеся этим законам.

Вдали от берегов медленно изменяющиеся течения можно в значительной степени описать гидрографическими данными. Но интерпретация может быть двусмысленной из-за субъективного выбора глубоких движений. При добавлении в обратную модель данные LADCP ограничивают возможные решения для отсутствующих глубоких токов.

Рис. 5: Данные LADCP показывают глубину Большого Вихря, большого интенсивного круговорота от Сомали. Единицы: Глубина (м), Расстояние (град). Предоставлено: Т. Черескин (Институт океанографии Скриппса) https://goo.gl/WsmhuV.

Долгосрочные Секции
В течение двух десятилетий немецкие исследователи контролировали граничные течения у Канады при 53 ° с.ш. Через их постоянный участок, определенный 3–5 причалами, ученые повторили 12–15 станций LADCP во время 13 круизов. В результате данные от 150 станций LADCP дополнили причалы, чтобы описать опрокидывающий вклад Лабрадорского моря. Сильные токи были замечены на разных уровнях. В частности, данные LADCP показали высокоскоростное ядро вблизи глубоководного дна. Его воды возникли в северных морях.

Профили LADCP на всю глубину хорошо разрешены по вертикали и могут иметь более мелкий горизонтальный интервал, чем заякоренный массив. Гибкость расположения LADCP позволяет лучше определять внутренние и внешние края граничного тока. Таким образом, ученые могут рассчитывать более точные переносы по данным, пришвартованным При 53 ° с. Ш. Пограничный ток имел ширину 120 км и имел устойчивую пространственную структуру. Объем глубокой воды, экспортируемой на юг, составлял 30 миллионов кубометров в секунду - примерно столько же, сколько транспортируется через Флоридский пролив для подачи Гольфстрима.

Рис. 6: Гидрографический пакет с двумя АТЦП Teledyne RDI (желтый) в действии в Гренландии. Предоставлено: C. Nobre (WHOI). https://goo.gl/HJLq5m

Секции по всему океану
Продолжающаяся многолетняя международная исследовательская инициатива называется «Переворачивание» в рамках подполярной Североатлантической программы (ОСНАП). Работая по всей ширине Атлантики в высоких северных широтах, OSNAP включает в себя множество исследователей с предыдущими программами в регионе. Их общая задача - перенос тепла и пресной воды по всему океану как части глобальной климатической системы.

В недавнем отчете описаны два пересечения составного гидрографического разреза, охватывающего весь океан, которые наблюдались в 2014 и 2016 годах. Эти разрезы охватывают несколько бассейнов, которые показывают сильные граничные течения. Результаты для глубокого поля скоростей слиты тока от поля плотности с глубокой опорной скоростью от данных LADCP.

Исследователи отметили, что данные LADCP особенно ценны в узких граничных токах и подводных течениях. Точное измерение этих характеристик зависит от высокого горизонтального разрешения; они, как правило, недооцениваются и не решаются с помощью спутниковых вариантов. Фактически, в отчете количественно определено это расхождение для комбинированного переноса глубоких подводных токов вокруг подполярного круговорота.

Рис. 7: Участок северных / южных течений в Приполярном регионе Северной Атлантики в 2016 году по всему океану. Течения: север (красный), юг (синий). Единицы измерения: Глубина (м), Расстояние (км). Предоставлено: Holliday et al. (2018) https://goo.gl/3YAE8X

Оценки смешивания в океане
Ученые также использовали профили LADCP для наблюдения за внутренними волнами. Более конкретно, они хотели количественно оценить эффекты разрушения внутренней волны.

Мотивация этих усилий была желанием получить больше данных о смешивании в океане. Предполагалось, что смешивание является важным фактором поддержания теплового профиля океана. Тем не менее, исследования смешивания в океане были ограничены несколькими специализированными командами и инструментами. И эти результаты не могут быть экстраполированы для представления глобального океана.

В конце 1990-х годов ученые проверили сдвиг по профилям LADCP в качестве входных данных для статистического описания перемешивания в океане. Метод смешал сдвиг скорости с дополнительными данными из параллельных профилей CTD. Для расчета микширования по более распространенным регионам было привлекательным географическое распределение профилей LADCP от WOCE. В частности, данные LADCP были доступны в ожидаемых горячих точках для смешивания, где эксперты не измеряли.

Южный океан был главной целью. Используя метод, основанный на LADCP, международная группа сообщила о результатах широко распространенного интенсивного перемешивания вблизи пролива Дрейка. Высокие показатели были замечены по грубой топографии за тысячи километров. Подразумевается, что смешивание является существенным фактором крупномасштабной опрокидывающейся циркуляции в высоких южных широтах.

Использование данных LADCP в таких исследованиях микширования получило популярность - даже «взорвалось» в недавней работе. Например, одна группа ученых предложила альтернативный подход для количественной оценки смешивания. Они включали данные LADCP по пяти различным динамическим режимам: экваториальные воды, Восточно-Тихоокеанский подъем, пролив Лусон, Южный Тихий океан и пролив Дрейка.

Пониженные ADCP: отлично под давлением
Профилирование скорости обеспечивает точное представление о том, как океанские течения изменяются с глубиной. Метод начался со специализированных команд и инструментов. Позднее компактные ADCP были спущены на морское дно. В течение нескольких лет совместными усилиями экспертов разрабатывался и совершенствовался метод и обработка LADCP.

Пониженный ADCP стал стандартной техникой, используемой во всем мире сообществом исследователей океана. Они использовали его, чтобы поднять завесу на глубоких потоках от внутренних волн до струй, вихрей и подводных токов. И после трех десятилетий сбора профили скоростей LADCP на всю глубину охватывают мировой океан. Они применяются по широкому кругу вопросов: от локальных до глобальных по масштабам и от нескольких дней до десятилетий.

Кредиты данных
Рис. 3: М. Висбек (2002). Глубокое профилирование скорости с использованием пониженного акустического доплеровского профилировщика тока: нижняя дорожка и обратные решения. DOI 10.1175 / 1520-0426 (2002) 019 <0794: DVPULA> 2.0.CO; 2

Рис. 4: Холл М.М., Джойс Т.М., Пикарт Р.С., Смети-младший В.М., Торрес ди-джей (2004), Зональная циркуляция через 52 ° W в Северной Атлантике. https://doi.org/10.1029/2003JC002103

Рис. 5: Л.М. Бил и К.А. Донохью (2013). Великий водоворот: наблюдения за его сезонным развитием и межгодовой изменчивостью. https://doi.org/10.1029/2012JC008198

Рис. 7: Н. П. Холлидей, С. Бэкон, С. А. Каннингем, С. Ф. Гэри, Дж. Карстенсен, Б. А. Кинг, Ф. Ли, Э. Л. Макдонах (2018), субполярное североатлантическое переворачивание и циркуляция шкалы гироскопа в летние месяцы 2014 и 2016 гг. https://doi.org/10.1029/2018JC013841