ArticlePDF Available

Paleoreconstruction of the North Atlantic Hydrophysical fields in the Quaternary by numerical simulation method (In Russian)

Authors:
D. G. S E I D О V, V. Н. E N I К E E V f M. S. В A К A S H, N. S. О S К I N A
PALEORECONSTRUCTION OF THE NORTH ATLANTICS HYDROPHYSICAL
FIELDS IN THE QUATERNARY BY NUMERICAL SIMULATION METHOD
On the basis of num erical model of ocean circu lation and using re con struc tion of
surface paleotem perature by foraminife ra analy sis m ethod , a s imulation of the N orth
Atlantic p aleo circu lation in Q uate rna ry is carrie d out. Computations of hydrophysical
fields for m ode rn period and 18 000 years ago are com pared. I t is shown tha t the stru ctu re
of circu lations and hydro logical regim e in the last Glacial perio d is esse ntially different
from the m odern ones. The m ain differences are in a shift of all ocean climatic zone s to the
south, in tensific atio n of zonality of the N orth -Atlantic current, in creasin g a nd inte nsifica
tion of subpola r cyclone, v ertic al restru ctu rin g of h orizontal circula tions w ith inten
sification of deep-w ater un dercurre nts, a s well as in subpolar frontal zo ne sharp ening.
The su pposed to occure incre ase of the G ulf Stream tran sport in the Q uatern ary was
not found in the model.
ОКЕАНОЛОГИЯ
т. XXVIII 19 8 8 вып. 3
УДК 56(4/9) (261)
Д. Г. СЕИДОВ, В. X. ЕНИКЕЕВ, М. С. БАРАШ, Н. С. ОСЬ КИНА
ПАЛЕОРЕКОНСТРУКЦИИ ГИДРОФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ
СЕВЕРНОЙ АТЛАНТИКИ В ЧЕТВЕРТИЧНОЕ ВРЕМЯ МЕТОДОМ
ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
Выполнено исследование по имитации условий палеосреды Северной
Атлантики в четвертичное время с помощью численной модели океанской
циркуляции с привлечением реконструкций п алеотем пературы поверхности
океана методом фораминиферового анал иза. Сравниваются расчеты ги д
рофизических полей, современных и 18 ООО ле т назад. П ока зано, что
структу ра циркуляции и гидрологический реж им во вр емя ледникового
периода существенно отличались от современных. Главное различие состоя
ло в смещении всех климатических зон океана к югу, усилении зо нально
сти Северотлантического течения, увеличении и усилении субполярного
циклона, перестройке горизонтальной циркуляции по вертикали с усиле
нием глубинных противотечений и в обострении фронтальной зоны м ежду
субтропическим и субполярны м круговоротами. П редполагам ого увели че
ния расхода Гольф стрима в четвертичное время в модели не получено.
Введение. Распределение раковин современных и ископаемых видов
планктонных фораминифер в донных отложениях позволяет провести
климатическое районирование поверхностных слоев океана. Такое райо
нирование основано на том, что ареалы обитания климатических групп
видов планктонных фораминифер разделяются фронтальными поверх
ностями гидрологических полей (температуры, солености и, следова
тельно, плотности). Положение этих фронтальных разделов в свою оче
редь обусловлено циркуляцией океана. Вообще говоря, поверхностная
температура должна отражать как термические условия по обе стороны
поверхности океана, так и термодинамику всей толщи вод, поскольку
структура верхних слоев неразрывно связана со строением и циркуля
цией вод главного термоклина и, правда в меньшей степени, абиссали.
Современное климатическое районирование, выполненное по распре
делениям современных видов планктонных фораминифер, в целом удов
летворительно согласуется с имеющимися гидрологическими наблюде
ниями. С помощью фораминиферового анализа восстановлена поверх
ностная температура Северной Атлантики для периода последнего чет
вертичного оледенения (18 000 лет назад) [2, 3]. Эти реконструкции не
позволяют, однако, уверенно судить об изменениях в структуре океан
ской циркуляции в это время и об изменениях гидрологического режи
ма рассматриваемой акватории.
В последнее время для решения задачи реконструкции палеотечений
стали привлекаться методы численного моделирования. Еникеев и Сте
панов выполнили расчеты для четвертичной Северной Атлантики [5] по
модели [6, 7], использовав простую зональную модель атмосферы [4]
и зонально осредненные данные КЛИМАП [9] для восстановления
климата Северной Атлантики в период последнего оледенения.
В настоящей работе представляются результаты исследования изме
нений океанских гидрофизических полей, имевших место во время по
следнего оледенения, с использованием численной модели климата океа
на [6], результатов численных экспериментов [5] и данных форамини
ферового анализа и палеоклиматического районирования [2, 3].
Модель. Физико-математическая модель циркуляции океана Ш
состоит из системы уравнений термогидродинамики океана, начальных
и граничных условий. Решение уравнений модели позволяет воспроизво
дить эволюцию гидрофизических полей — температуры, солености, ско-
7* 45!
рости течений в результате действия на поверхности океана ветра и об
мена океана с атмосферой теплом и влагой. Решить соответствующие
уравнения можно только с помощью быстродействующих электронно-
вычислительных машин. Следовательно, необходимо дискретизировать
пространство и время в модели, а сами уравнения, представляющие со
бой дифференциальные уравнения в частных производных, заменить их
конечно-разностными аналогами и решать на дискретной сетке, интегри
руя их с конечным шагом по времени по той или иной численной схеме.
Поскольку модель, численная схема и примеры расчетов подробно рас
сматривались в ряде работ [5—8], мы не будем обсуждать эти аспекты
настоящего исследования. Отметим только, что для реконструкции па
леоклимата четвертичной Северной Атлантики использовались два ва
рианта модели [5].
В первом варианте модель океанской циркуляции дополнена упро
щенным блоком для расчета атмосферных параметров (температуры,
влажности и скорости ветра, предполагаемых зональными) [5], а во вто
ром модель используется в ее обычном виде [6], с заданной на поверх
ности соленостью и температурой. В настоящее время в модели океана
пять горизонтов: 0, 500, 1500, 2500 м и дно. Расчеты выполнялись на
сетке 2X3°, где шаг по широте 2°. Модель позволяет имитировать обра
зование и таяние морского льда. На поверхности кроме температуры
или потока тепла нужно задать или вычислять поток влаги или задать
поле поверхностной солености.
Исходные данные. Поскольку нас интересуют относительные сдвиги
в циркуляции и гидрологическом режиме четвертичной Северной Атлан
тики по сравнению с современными, следует рассчитать современные
поля течений и гидрологии, пользуясь эквивалентной современной и па
леоинформацией. При воспроизведении в модели современного климата
Северо-Атлантического океана использовались данные по температуре
и солености из «Атласа океанов» [1]. Если использовалась совместная
модель зональным атмосферным блоком), то значения Tw емпера
туры поверхности океана) из Атласа осреднялись по широте и исполь
зовались в атмосферном блоке как нижнее граничное условие для расче
та зонального поля ТА (температуры атмосферы). После этого ТА был
уже входным параметром океанского блока и температура как в толще
океана, так и на его поверхности рассчитывалась по ТАTw (поток теп
ла через поверхность океана пропорционален разности ТАTw, где ТА
фиксирована, a 7V рассчитывается по модели). Д ля периода оледенения
аналогичная процедура проделывалась с данными КЛИМАП [9]. Со
леность поверхностного слоя или разность осадков и испарения остают
ся неизменными в расчетах палеотечений по сравнению с современной.
Более подробно о расчетах по совместной модели см. в работе [5].
Другая группа численных экспериментов, обсуждение результатов
которых составляет основную тему настоящей работы, основана на дан
ных палеотемпературного анализа, выполненного Барашом и Оськиной
[2,3].
Результаты расчетов. Модель воспроизводит основные характерные
особенности современной циркуляции. В поле полных потоков сильно
развитый субтропический антициклон отделен от субполярного цикло
нического круговорота Северо-Атлантическим течением, стрежень кото
рого направлен с запада на северо-восток и течение в среднем заключе
но между 50 и 60° с. ш. Скорости течения в Гольфстриме на поверхности
достигают значений 30 см/с, в пассатной зоне — до 10 см/с. С глубиной
течения затухают, а иногда меняют направление на обратное. Значения
скоростей заметно занижены по сравнению с наблюдениями из-за гру
бости расчетной сетки и приближенности ональности) поля ветра.
Расход Гольфстрима всего 30-106 м3против 80— 100-106 и3 по наблю
дениям. Нас, однако, интересуют качественные изменения, происходя
щие в условиях оледенения, т. е. сравнительные характеристики клима
тов океана. Для этих целей имитация современной циркуляции и гидро
логического режима вполне удовлетворительна.
452
^ A. ^ A
> P’Xt» >>Л.Л^^уу^
> ,<7 i > & <3 < < < .d <a
Д Ь!>Ч7"7.С7-'3<<<3
'S 5 ^ H ac^ t l *3 <3 «3 < 1 < <3
t> [>>/>{>£
Vk
f? < « 3 d d ^ 4 ^
£ > Л - (> ■ > Й ^ <
Рис. 1. Поле скорости на поверхности ок еана в настоящее время (а) и 18 000 л ет н а
зад )
Д лина в ект ора о тр аж ае т с кор ост ь те чен ия, см/ с; / —30; 2—20; 3— 10
Отличия в структуре средней по всей толще циркуляции, имевшие
место в период последнего оледенения (18 000 лет назад), проявились
прежде всего в смещении к югу центра субтропического антициклона.
Стрежень Северо-Атлантического течения в это время практически сов
падает с кругом широты и смещен почти на 12° к югу по сравнению с
его современным положением. Усиления Гольфстрима не было, но пере
нос вод к северу резко уменьшался, поскольку меридиональная компо
нента в зоне Северо-Атлантического течения была почти равна нулю.
В то же время это течение было более узким с большими зональными
скоростями. Некоторое уменьшение расхода субтропического круговоро
та было связано с развитием глубинных противотечений.
Наиболее показательной для сравнительного анализа климата океа
на является структура гидрофизических полей в поверхностном слое и
в термоклине. На рис. 1 показано поле скорости современной ) и лед
никовой (б) Северной Атлантики на поверхности океана (температура
поверхности задана и здесь не приводится; см. указанные выше источни
453
ки). Легко видеть огромные различия в циркуляции поверхностных вод,
особенно в средних и высоких широтах. В субполярных широтах во вре
мя последнего оледенения доминировал субполярный циклон, стрежень
струи Северо-Атлантического течения не только смещался к югу и был
повернут по часовой стрелке, но это течение имело даже некоторую юж
ную составляющую вблизи стрежня. Усиливался подъем вод в центре
субполярного круговорота, что приводило к дополнительному охлажде
нию высоких широт.
Температура в термоклине (на горизонте 500 м) показана на рис. 2
для современной (а) и ледниковой (б) Северной Атлантики. Во время
оледенения нулевая изотерма смещалась к югу более чем на 15°. Резко
усиливался гидрологический фронт между субтропическим и субполяр
ным круговоротами. Ядро теплых вод в субтропиках заметно сжималось
в меридиональном направлении. В то же время структура термоклина
в тропиках оставалась почти без изменений. Подъем изотерм к экватору
практически не уменьшался, а температура в полосе 0—10° с. ш. даже
слегка повышалась. Это и понятно, поскольку теплые воды в районе пас
сатного течения не выносились к северу с такой скоростью, как в совре
менном океане, что способствовало, вероятно, появлению слабого тренда
к нагреву. Вопрос о компенсации этого тренда подъемом холодных вод
снизу и общим похолоданием верхних слоев в субтропиках требует спе
циальных исследований. В целом произошло резкое смещение климати
ческих зон в океане к югу с усилением контрастов во фронтальной зоне
системы Гольфстрима.
Заключение. Основные результаты исследования мож но сформулировать следую щим
образом. 18 000 лет н азад ц иркуляция вод Северного А тлантического океана существен
но отличалась от современной. Главны е структурны е различияоттеснение на юг С е
веротлантического течения и усиление его зональности, усиление циклонического су б
полярного круговорота и перестройка полей течений по вертикали с усилением противо
течений. Уменьшение объема вод, вовлеченных в антициклонический крупн омасштаб
ный круговорот, приводило к снижению расхода в струе палео-Гольф стрим а. В поле
палеотемпературы в термоклине остается четко выраж енным , хотя и сильно сжатым в
меридиональном направлении ядро теплых вод в антициклоне. П одтверждаю тся общие
представления об изменении климатической зональности верхних слоев океана, с вязан
ном с изменениями структуры циркуляции, вы двигавш иеся при палеотемпературном
анализе поверхностного слоя.
Представленное и сследование явл яется первым примером объединения реко нструк
ций палеотемпературы на поверхности океана палеоэкологическим методом и рекон
струкции гидрофизических полей оке ана методом численного мод елирования и предпо
лагает, конечно, большие дальнейшие усилия в этом направлении. В частности, предпо 
ла гается более подробное рассмотрение палеоокеанологии времени вюрмского о ледене
ния, сравнение реконструкций для Северной Атлантики и северной части Тихого океана,
а такж е моделирование других отрезков геологической истории океана в четвертичное
время. ЛИТЕРАТУРА
1. А тлас океанов. Т. 2. Атлантический океан. М.: И зд-во МО ССС Р, 1977. 306 с.
2. Бараш М. С. Клим атическая зональность Атлантического океана в четвертичное
время (по планктонным фораминиферам)//Климати ческая зональность и ос адкооб
разование. М.: Наука , 1983. С. 126—139.
3. Бараш М. С., Осъкина Н. С. Палеотемпер атуры Атлантического океана 18 000 и
40 000 лет наза д (по планктонным фораминиферам )//Океаноло гия. 1979. Т. 19.
Вып. 1. С. 93— 101.
4. Вербицкий М. Я., Чаликов Д. В. Одн омерная модель атмосф еры к ак блок клима
тической системы океан атмосфера — льды //Изв. АН СССР. Физ. атм. и океана.
1982. Т. 18. № 10. С. 1011— 1017.
5. Еникеев В. X., Степанов В. Н. Моделирование климати ческой системы о кеан — а т
мосф ера в период оледенен ия//Моделирование гидрофизических полей и процессов
в океане. М.: Наука, 1986. С. 24—30.
6. Сеидов Д. Г. Модель глобальной ц иркуляции вод в океанах//И зв. АН С ССР. Физ.
атм. и океана. 1984. № 4. С. 287—296.
7. Сеидов Д. Г. Моделирование синоптической и клим атической изменчивости океана.
Л.: Гидрометеоиздат, 1985. 206 с.
8. Сеидов Д. Г., Еникеев В. X. Численное моделирование палеоциркуляции в океанах
позднего мезозоя и кайнозоя/кеанология. 1984. Т. 24. Вып. 4. С. 656—663.
9. C LIMAP Project Members. Seasona l re con structions of the E arth’s surface a t the g la
cial maximum //Geol. Soc. Arner. Map a nd C hart Ser. 1981. MC-36.
Институт океанологии им. П. П, Ш иршова Поступила в редакцию
АН С ССР, М осква 20.11.1987
454
ResearchGate has not been able to resolve any citations for this publication.
Климатическая зональность Атлантического океана в четвертичное время (по планктонным фораминиферам)//К лиматическая зональность и осадкооб разование. М.: Н аука
  • М С Бараш
Бараш М. С. Климатическая зональность Атлантического океана в четвертичное время (по планктонным фораминиферам)//К лиматическая зональность и осадкооб разование. М.: Н аука, 1983. С. 126-139.
Палеотемпературы Атлантического океана 18 000 и 40 000 лет н азад
  • М С Бараш
  • Н С Осъкина
Бараш М. С., Осъкина Н. С. Палеотемпературы Атлантического океана 18 000 и 40 000 лет н азад (по планктонным ф ораминиферам)//О кеанология. 1979. Т. 19. Вып. 1. С. 93-101.
Одномерная модель атмосферы как блок клим а­ тической системы океан — атмосфера — льды
  • М Я Вербицкий
  • Д В Чаликов
Вербицкий М. Я., Чаликов Д. В. Одномерная модель атмосферы как блок клим а­ тической системы океан — атмосфера — льды //И зв. АН СССР. Физ. атм. и океана. 1982. Т. 18. № 10. С. 1011— 1017.
М оделирование климатической системы океан -ат мосфера в период оледенения//М оделирование гидрофизических полей и процессов в океане. М.: Н аука
  • В X Еникеев
  • В Н Степанов
Еникеев В. X., Степанов В. Н. М оделирование климатической системы океан -ат мосфера в период оледенения//М оделирование гидрофизических полей и процессов в океане. М.: Н аука, 1986. С. 24-30.
Модель глобальной циркуляции вод в океанах//И зв. АН СССР. Физ. атм. и океана
  • Д Г Сеидов
Сеидов Д. Г. Модель глобальной циркуляции вод в океанах//И зв. АН СССР. Физ. атм. и океана. 1984. № 4. С. 287-296.
Численное моделирование палеоциркуляции в океанах позднего мезозоя и кайнозоя//Океанология
  • Д Г Сеидов
  • В X Еникеев
Сеидов Д. Г., Еникеев В. X. Численное моделирование палеоциркуляции в океанах позднего мезозоя и кайнозоя//Океанология. 1984. Т. 24. Вып. 4. С. 656-663.
S easonal reconstructions of the E a rth 's surface at the g la cial maximum
  • Clim Ap P Roject M Embers
CLIM AP P roject M embers. S easonal reconstructions of the E a rth 's surface at the g la cial maximum //Geol. Soc. Arner. Map and C hart Ser. 1981. MC-36.
Одномерная модель атмосферы как блок клим а тической системы океан -атмосфера -льды //И зв. АН СССР. Физ. атм. и океана. 1982. Т. 18. № 10
  • М Я Вербицкий
  • Д В Чаликов
Вербицкий М. Я., Чаликов Д. В. Одномерная модель атмосферы как блок клим а тической системы океан -атмосфера -льды //И зв. АН СССР. Физ. атм. и океана. 1982. Т. 18. № 10. С. 1011-1017.
М оделирование синоптической и климатической изменчивости океана. Л .: Гидрометеоиздат
  • Д Г Сеидов
Сеидов Д. Г. М оделирование синоптической и климатической изменчивости океана. Л.: Гидрометеоиздат, 1985. 206 с.