التنميط المتعمق الحالي حول المحيط العالمي

الشكل 1: Teledyne RDI ADCP يعلق على حزمة الهيدروغرافية قبل خفضها إلى أعماق كبيرة. الائتمان: J. Lemus (U. Hawaii). https://goo.gl/VfvYn1

ثلاثة عقود من الضغط العالي لخفض ADCPs

المقدمة
منذ الحركة غير المتوقعة للعوامات العميقة العميقة الأولى ، عمل علماء المحيطات على رفع الحجاب على التيارات العميقة. لقد جاءت قياسات التيار المباشر بمظاهر مختلفة. كشفت العوامات الطافية المحايدة ونسلها عن ملامح عميقة. وأظهرت العدادات الحالية على المراسي التغييرات في الوقت. سمحت المسابير السقوطية الحرة برؤية عرض جانبي - قياسات متقاربة المسافات تبين سرعة تيار الماء مقابل العمق. وخفض ADCPs (LADCP) قدمت ملامح جيدة الحالية ، وعميقة كاملة منذ أوائل 1990s.

تقوم التيارات العميقة بتخزين وحمل وإعادة توزيع خصائص مهمة للحياة داخل البحر وخارجه. على سبيل المثال ، تعتبر مستويات الأكسجين والمغذيات حيوية عندما تكون المياه العميقة في مقدمة السلسلة الغذائية في المحيط. ولكن حتى أواسط سبعينيات القرن العشرين ، كانت التيارات العميقة تنافس الجانب المظلم من القمر لغزا. تحفز النتائج التي توصلت إليها الملاحظات المحسنة ، الآن اهتمام شديد بكيفية مشاركة التيارات العميقة في نظام المناخ العالمي. أهمية خاصة هي الحرارة المتغيرة ومحتوى ثاني أكسيد الكربون من أعماق المحيطات.

يتم إنشاء طرق مراقبة البحر العميق تحت الطبقة الموسمية العليا. لقياس التيارات العميقة ، يقوم العلماء في جميع أنحاء العالم بربط ADCPs المدمجة بالحزم الهيدروجرافية. يتم تخفيض هذه الحزم بشكل روتيني إلى قاع البحر لصيد عينات المياه وقياس خصائص المياه.

ﻓﻲ ھذا اﻟﺗﻘرﯾر ﻧﻧظر ﻓﻲ ﻧﺗﺎﺋﺞ ﻣﺧﺗﻟﻔﺔ ﻣن ﻋﻣل LADCP ﺣول اﻟﻣﺣﯾط اﻟﻌﺎﻟﻣﻲ. كانت قياسات LADCP تبحث في البداية في التيارات العميقة في المناطق الاستوائية وفي المحيطات الاستوائية وشبه الاستوائية. وشملت الميزات التيارات العميقة ، التيارات السفلى ، والدوامات. وفي الآونة الأخيرة ، دعم برنامج LADCPs دراسات علمية على خطوط العرض المرتفعة ، مثل استكشاف تقلبات الدوران في القطب الشمالي N. الأطلنطي وحساب الخلط الشديد المنتشر في المحيط الجنوبي.

الهيدروغرافيا علم وصف المياه
يقيس الهيدروغرافي القائم على السفن خصائص المياه من السطح إلى قاع البحر. النتائج تأتي من خفض CTD المستمر التنميط وجمع عينات المياه المنفصلة. هذه القوالب "المائية" منقطعة النظير لرصد المحيطات العميقة - خاصة تحت 2000 م. وفي نفس الوقت ، تكشف هذه الطريقة أيضًا عن بقع ساخنة للتبادل الجوي مع المحيط.

البيانات الهيدروغرافية ترى استخدامات واسعة النطاق. ويشمل امتدادها خصائص المحيطات وعملياتها ومساراتها. توجد سجلات طويلة الأجل لمكونات الكربون ، والمغذيات ، والمياه العذبة ، والحرارة ، وأكثر من ذلك. تكشف هذه السجلات عن تغيرات محيطية تعزى إلى الاتجاهات الجوية - الاحترار العالمي ومستويات معززة من ثاني أكسيد الكربون.

الشكل رقم 2: اتصال Teledyne RDI المرتفع والنازل (RDI ADCPs) (أصفر ملون من أجل تصنيف الضغط العالي) ملحقة بحزمة هيدروغرافية. الائتمان: T. Wasilewski (IFM Hamburg). https://goo.gl/q7XGKK

السرعة التنميط
تظهر الملامح الرأسية لسرعة تيار الماء والقص كيف تتحرك المياه وتختلط. وهي تساعد في وصف كيف تتغير خصائص المياه وتتفرق. وتشمل هذه الخصائص الحرارة والطاقة بالإضافة إلى الكائنات الحية والمغذيات والمواد الكيميائية والحطام والملوثات.

لدراسة التيارات العميقة ، يريد العلماء أن تكون لمحات سرعة الوصول طويلة مع الحفاظ على عرض دقيق لكيفية تغير التيارات مع العمق. كشف هذا النوع من البيانات عن جوانب المحيط من الأمواج الداخلية إلى النفاثات والدوارات والهزات السفلية. وتستخدم المعلومات على نطاق واسع ، من الاكتشافات العلمية إلى العمليات على متن حفارات بحرية.

قبل ADCPs ، تحتاج ميزة تحديد السرعة إلى فرق وأدوات متخصصة. استخدامهم لوقت السفينة والمعدات غير القابلة للاسترداد جعل المقاييس باهظة الثمن. سعى العلماء إلى طريقة كانت أكثر اقتصادية وأسهل في الاستخدام ومتاحة لجمهور أوسع.

على مدى عدة سنوات ، قامت حفنة من الخبراء بتكييف ADCPs لتلبية هذا الطلب. ابتكروا طريقة LADCP ومعالجتها (https://goo.gl/1TGXBn). وجاءت المدخلات الرئيسية من الموظفين في جامعة هاواي والمرصد الجيولوجي لامونت دوهرتي في الولايات المتحدة الأمريكية و IFM كيل في ألمانيا.

خفضت أسلوب ADCP
تدابير التنميط الحالية العميق دون النطاق السمعي من بروفيلر محمولة على السفينة. وعند ربطه بحزمة هيدروغرافية منخفضة ، يمر خط ADCP المرتبط بذاته عبر عمود الماء. أثناء النزول والصعود ، يواصل ADCP قياس التوصيفات الحالية بنطاقات تصل إلى 100 متر. في وقت لاحق ، يتم تجميع هذه المقاطع القصيرة - باستخدام الدقة العمودية الدقيقة - معًا لإنشاء صورة كاملة العمق.

وتتضمن المعالجة الدقيقة لبيانات برنامج LADCP مدخلات مختلفة. يتم استخدام ملفات التعريف الحالية من ADCPs المحملة على السفن للتحقق من صحة ملفات تعريف LADCP حيث تتداخل. تصحيحات لانجراف السفينة والموقف المتباين والحركات من الحزمة المخفضة. بالقرب من قاع الزهر ، تكشف صدى الصوت المتناثر في قاع البحر عن حركة ADCP. في كثير من الأحيان ، يتم استخدام ADCPs مزدوجة - البحث صعودا وهبوطا.

وتتمثل إحدى المزايا الرئيسية لطريقة LADCP في أنها لا تضيف وقت الشحن وتكاليف التشغيل ؛ اكتمال صورة السرعة خلال يلقي المائية المجدولة. لا يشترط وجود فنيين متخصصين على الرغم من أن تشغيل برنامج LADCP بنجاح يتطلب التدريب والحرص. يجب معايرة بوصلة ADCP بعناية.

الشكل 3: يتم لصق ملفات تعريف ADCP لتشكيل صورة كاملة العمق. السرعة (سم / ق). Credit: M. Visbeck (GEOMAR، 2002). https://goo.gl/kftcJ3

رياح التغيير
تسبب إضافة ADCPs إلى يلقي المائية تغيير البحر. كان التنميط الحالي العميق متاحًا لمجتمع أكبر بكثير. كان جمع البيانات منتظمًا ومنتشرًا. والمعلومات التكميلية حول التيارات العميقة أبلغت دراسات أخرى ، مثل قياسات التتبع.

اكتسبت LADCPs ثباتًا على الرحلات البحرية الهيدرولوجية خلال تجربة التداول العالمية للمحيطات (WOCE ، 1990-2002). بحلول أوائل عام 2000 ، جاءت جودة بيانات LADCP المحسنة من طرق محسنة للقياس والمعالجة. وقد شهد العقدين الأخيرين الاستخدام الروتيني لطريقة LADCP حول المحيط العالمي.

تتوفر مجموعات واسعة من هذه القياسات كاملة العمق. وتراكم أقسام LADCP من العديد من الرحلات البحرية فتحت الباب للأوصاف الإحصائية. باختصار ، توفر LADCPs وجهة نظر فريدة ومتطورة لدراسة المحيط العالمي - من التداول على نطاق واسع إلى الاختلاط على نطاق صغير.

التيارات العميقة
الدافع الرئيسي لمعرفة المزيد عن التيارات العميقة هو توضيح الدوران الحراري العالمي. على طول الحافة الغربية لجميع أحواض المحيط الرئيسية ، تم ملاحظة تيارات ضيقة وسريعة في العمق. لديهم خصائص مائية متميزة ومضاد تدفق للتيارات السطحية القوية.

باستخدام LADCPs قبالة جنوب أفريقيا ، حدد علماء بريطانيون تيار غير معروف. فواقي أجولهاس الكبير الذي لا يتضح بشكل مفاجئ في البيانات المائية يتدفق على عمق 1200 م. تم العثور على جانب المنحدر القاري ، هذا التيار العميق يحمل عشرة أضعاف حجم أكبر نهر في العالم. أكدت الدراسات اللاحقة اكتشاف Undercurrent وخصائصها المائية غير المتوقعة.

العديد من هذه التيارات تحتضن التضاريس الحادة للمنحدر القاري. في هذه المواقع ، يمكن أن تكون ملفات LADCP الكاملة العميقة ذات قيمة خاصة. على المنحدرات الشديدة ، يمكن أن تكون تقديرات النقل للتيارات العميقة المحسوبة من حقل الكثافة منخفضة بسبب الفجوات في البيانات. توفر تيارات LADCP حلاً.

علاوة على ذلك ، فإن بيانات برنامج LADCP عبارة عن ناقلات السرعة ثنائية الأبعاد - وليس فقط المكون المتقاطع المسارات. يصبح هذا الاختلاف أكثر أهمية عندما يقطع المقطع المائي الحقل الحالي بزاوية مائلة.

الشكل 4: تيار متدفق عميق عميق (برتقالي) على طول منحدر قاري حاد. الوحدات: العمق (م) ، المسافة (درجة). الائتمان: هول وآخرون. (2004) https://goo.gl/4QB6xs

تيارات بعيدة المدى
وجد علماء المملكة المتحدة أيضا محطات LADCP مفيدة في الخارج من التيار. وتستمر إشارة السرعة الخاصة بتيار أجولهاس الرئيسي إلى عمق كبير. التدفقات العميقة دون القص لا تظهر في التيارات المحسوبة من الأقسام الهيدروغرافية. ونتيجة لذلك ، يمكن للطريقة التقليدية التقليل من حجم المياه المنقولة بواسطة التيارات العميقة. وكانت معالجة هذه القضية استخداماً شائعاً في وقت مبكر لبيانات برنامج LADCP.

أما في أقصى الشمال في المحيط الهندي ، فإن التغيرات المحيطية المذهلة تتبع بداية الرياح الموسمية الجنوبية الغربية. يحدث انعكاس معروف للتيارات السطحية القوية في التيار الصومالي. تم العثور على طائرات مرصعة من التيارات ذات الاتجاهات المتعارضة في العمق. بالإضافة إلى ذلك ، تدور صراع شرس كبير خارج الصومال على مدى شهر. تُسمى الدوامة العظيمة ، التي يبلغ عرضها 500 كم. ويستمر لمدة ثلاثة أشهر ، ثم يتبدد بسرعة تفكيكها.

ميزة مثيرة للإعجاب من العجلة الكبرى هي عمقها إلى 3000 متر. جمع علماء أمريكيون بيانات LADCP على زيارتين مفصولة 3 أشهر خلال WOCE. ازداد عمق تيارات العوامة الكبرى من 200 م إلى 2500 م. بسبب الامتداد العميق لهذه التيارات ، فإن حجم المياه المتحركة في العجلة الكبرى يتطابق مع تدفق تيار الخليج قبالة كيب هاتيراس. الوصول العميق للدوار الكبير هو أحد التفسيرات المقترحة للانعكاسات في الدوران السحيق أدناه. وقد لوحظت هذه أيضا مع LADCPs.

مزج البيانات
استكشف علماء المحيطات طرقًا جديدة لدمج معلومات LADCP مع خصائص المياه التي تمت ملاحظتها أثناء القوالب المائية. التيارات المحيطية تنقل خصائص المياه. بالنسبة للمنطقة المغلقة ، يجب أن يستوفي تبادل خواص المياه قوانين الحفظ ، مثل الحفظ الشامل. تدمج تقنية التحليل التي تسمى النمذجة العكسية أنواع بيانات مختلفة تخضع لهذه القوانين.

وبعيدًا عن السواحل ، يمكن القول أن التيارات المتغيرة ببطء يمكن وصفها إلى حد كبير بالبيانات الهيدروغرافية. لكن التفسير يمكن أن يكون ملتبسًا بسبب الخيارات الذاتية حول الاقتراحات العميقة. عند إضافتها إلى نموذج معكوس ، فإن بيانات LADCP تقيد الحلول الممكنة للتيارات العميقة المفقودة.

اﻟﺸﻜﻞ: 5 ﺗﻈﻬﺮ ﺑﻴﺎﻧﺎت LADCP اﻟﻤﺪى اﻟﻌﻤﻴﻖ ﻟﻠﺪورة اﻟﻌﻈﻴﻤﺔ ، وهﻲ ﺟﺮﻋﺔ ﻣﻜﺜﻔﺔ آﺒﻴﺮة ﻣﻦ اﻟﺼﻮﻣﺎل. اﻟﻴﻮﻧﺎت: اﻟﻌﻤﻖ (m) ، اﻟﺒﻌﺪ (deg). الائتمان: T. Chereskin (Scripps Inst. علم المحيطات) https://goo.gl/WsmhuV

أقسام طويلة الأجل
على مدى عقدين من الزمن ، قام باحثون ألمان بمراقبة التيارات الحدودية قبالة كندا عند 53 درجة شمالاً. وعبر قسمهم الثابت الذي تم تحديده بواسطة المراسي 3-5 ، كرر العلماء 12-15 محطة LADCP خلال 13 رحلة بحرية. ونتيجة لذلك ، استكملت البيانات الواردة من 150 محطة LADCP المراسي لوصف المساهمة المتأخرة من بحر لابرادور. شوهدت التيارات القوية على مستويات مختلفة. وعلى وجه الخصوص ، أظهرت بيانات برنامج LADCP نواة عالية السرعة بالقرب من قاع البحر العميق. مياهه نشأت في بحر الشمال.

تكون لمحات LADCP كاملة العمق حسنة العمودي ويمكن أن يكون لها تباعد أفقي أدق من مصفوفة الراسية. تتيح مرونة مواقع LADCP تعريفًا أفضل للحواف الداخلية والخارجية لحدود التيار. وبالتالي يمكن للعلماء حساب عمليات نقل أكثر دقة من البيانات الراسية. عند 53 درجة شمالاً ، كان التيار الحدودي بعرض 120 كم وله بنية مكانية مستقرة. بلغ حجم المياه العميقة التي تم تصديرها جنوبًا 30 مليون متر مكعب في الثانية ، وهو نفس معدل النقل عبر مضيق فلوريدا لتوفير تيار الخليج.

الشكل 6: حزمة هيدروغرافية مع Dual Teledyne RDI ADCPs (أصفر) في العمل قبالة جرينلاند. الائتمان: C. Nobre (WHOI). https://goo.gl/HJLq5m

أقسام المحيط واسع
تحمل المبادرة البحثية الدولية المستمرة لعدة سنوات عنوان "الانقلاب في البرنامج الأطلسية الفرعية" (OSNAP). العمل عبر عرض المحيط الأطلسي في خطوط العرض الشمالية العالية ، يشمل OSNAP العديد من الباحثين ببرامج سابقة في المنطقة. وينصب تركيزهما المشترك على نقل المحيطات والمياه العذبة على نطاق المحيطات كجزء من نظام المناخ العالمي.

وﺻف ﺗﻘرﻳر ﺣدﻳث ﻣوﺿوﻋﻳن ﻟﻘﺳم ﻫﻳدروﺟرافي ﻣرﻛب ﻋﻠﻰ ﻣﺳﺗﻌرض اﻟﻣﺣﻳط ﻓﻲ ﻋﺎم 2014 و 2016. وﺗﻣﺗد اﻷﻗﺳﺎم ﻋدة أﺣواض ﺗظﻬر ﺗﻳﺎرات ﺣدودﻳﺔ ﻗوﻳﺔ. دمجت نتائج مجال السرعة العميقة التيارات من حقل الكثافة مع سرعة مرجعية عميقة من بيانات LADCP.

وأشار الباحثون إلى أن بيانات برنامج LADCP ذات قيمة خاصة في تيارات الحدود الضيقة والهياكل السفلية. يعتمد دقة قياس هذه الميزات على الدقة الأفقية العالية ؛ يميلون إلى التقليل من شأنهم واستهلاكهم من خلال الخيارات الساتلية. في الواقع ، حدد التقرير هذا التناقض الكمي للنقل المشترك للتيارات العميقة حول الجيروسكوب القطبية.

الشكل 7: جزء من المحيط الشمالي / الجنوبي في Subpolar N. Atlantic في عام 2016. تيارات: شمال (أحمر) ، جنوب (أزرق). الوحدات: العمق (م) ، المسافة (كم). الائتمان: Holliday وآخرون. (2018) https://goo.gl/3YAE8X

تقديرات الاختلاط في المحيط
كما استخدم العلماء أيضًا ملفات LADCP للبحث عن الموجات الداخلية. وبشكل أكثر تحديدًا ، فقد أرادوا تحديد تأثيرات انهيار الموجات الداخلية.

كان تحفيز هذا الجهد رغبة في الحصول على مزيد من البيانات حول الاختلاط في المحيط. وقد نظري الخلط ليكون عاملا هاما في الحفاظ على المظهر الحراري للمحيط. غير أن دراسات الاختلاط في المحيط كانت محدودة بعدد قليل من الفرق والأدوات المتخصصة. وهذه النتائج لا يمكن استقراءها لتمثيل المحيط العالمي.

في أواخر التسعينات ، اختبر العلماء القص الناتج عن بروفايل LADCP كمدخل في وصف إحصائي للاختلاط في المحيط. تمزج الطريقة القص مع سرعة البيانات التكميلية من ملفات CTD المتزامنة. ولحساب الاختلاط عبر مناطق أكثر انتشاراً ، كان التوزيع الجغرافي لمواصفات LADCP من WOCE جذاباً. وعلى وجه الخصوص ، كانت بيانات برنامج LADCP متوافرة في النقاط الساخنة المتوقعة لخلط حيث لم يقيس الخبراء.

كان المحيط الجنوبي هدفا رئيسيا. وباستخدام الطريقة التي تعتمد على برنامج LADCP ، أفاد فريق دولي عن نتائج الاختلاط الشديد المنتشر بالقرب من Drake Passage. شوهدت معدلات عالية على التضاريس الوعرة لآلاف الكيلومترات. المعنى الضمني هو أن الخلط هو عامل أساسي في دوران الانقلاب الواسع النطاق عند خطوط العرض الجنوبية العالية.

وقد اكتسب استخدام بيانات LADCP في دراسات الخلط هذه ، حتى "انفجرت" في ورقة حديثة. على سبيل المثال ، اقترحت مجموعة من العلماء مقاربة بديلة لتحديد الخلط. وتضمنت بيانات LADCP من خمسة أنظمة ديناميكية متنوعة: المياه الاستوائية ، ارتفاع شرق المحيط الهادئ ، مضيق لوزون ، جنوب المحيط الهادئ ، وممر دريك.

انخفاض ADCPs: تحت ضغط كبير
يوفر التنميط بالسرعة رؤية دقيقة لكيفية تغير تيارات المحيط بعمق. بدأت الطريقة بفرق وأدوات متخصصة. تم تخفيض ADCPs في وقت لاحق المدمجة إلى قاع البحر. على مدى عدة سنوات ، ابتكر جهد تعاوني بين الخبراء وصقل طريقة LADCP ومعالجتها.

لقد انتشر ADCP المنخفض ليكون تقنية قياسية تستخدم في جميع أنحاء العالم من قبل مجتمع أبحاث المحيطات. لقد استخدموه لرفع الحجاب على التيارات العميقة من الأمواج الداخلية إلى النفاثات والدوارات والخنازير. وبعد ثلاثة عقود من التجميع ، تمتد سويات سرعة LADCP الكاملة للمحيط العالمي. يتم تطبيقها في مجموعة واسعة من القضايا: من النطاق المحلي إلى النطاق العالمي ، ومن أيام إلى عقود من الزمن.

اعتمادات البيانات
التين. 3: م. Visbeck (2002) التنميط سرعة العميق باستخدام خفض الصوتي الحالي Doppler Profiler: المسار السفلي والحلول العكسيّة. DOI 10.1175 / 1520-0426 (2002) 019 <0794: DVPULA> 2.0.CO ؛ 2

الشكل 4: MM Hall ، و TM Joyce ، و RS Pickart ، و WM Smethie Jr. ، و DJ Torres (2004) ، و Zonal circulation عبر 52 ° W في شمال المحيط الأطلسي. https://doi.org/10.1029/2003JC002103

Figs.5: LM Beal و KA Donohue (2013)، The Great Whirl: Observations of its season development and internual variability. https://doi.org/10.1029/2012JC008198

الشكل 7: NP Holliday، S. Bacon، SA Cunningham، SF Gary، J. Karstensen، BA King، F. Li، El Mcdonagh (2018)، Subpolar North Atlantic Turning and Gyre-Scale Circulation in the Summers of 2014 and 2016 https://doi.org/10.1029/2018JC013841