ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2014, № 5, с. 50-67
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ О ЗЕМЛЕ
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ ВЫХОЛАЖИВАНИЕ НАД ПРИБРЕЖНЫМИ ПОДВОДНЫМИ СКЛОНАМИ ЮГО-ВОСТОЧНОЙ БАЛТИКИ В ОСЕННИЙ ПЕРИОД ПО ДАННЫМ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ © 2014 г. Е. Е. Есюкова*, И. П. Чубаренко, Е. С. Гурова
Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Атлантическое отделение, Калининград
*Е-таИ: elena_esiukova@mail.ru Поступила в редакцию 27.09.2013 г.
На основе анализа данных спектрорадиометров МОБК/Адиа, полученных в октябре—ноябре 2002, 2004, 2005 и 2009 гг., исследованы характеристики профилей температуры поверхности моря (ТПМ) в периоды интенсивного выхолаживания над береговыми подводными склонами юго-восточной части Балтийского моря. Типичная форма профилей, демонстрирующая дифференциальное выхолаживание до расстояний 10—20 км от берега, позволяет установить положение зоны выхода термоклина на подводный склон, что (при известной батиметрии) дает информацию о текущей толщине верхнего квазиоднородного слоя (ВКС). Форма профиля ТПМ довольно консервативна, малочувствительна к уклонам дна, особенностям батиметрии, интенсивности выхолаживания и даже ветровым условиям, указывая на устойчивость общей картины теплообмена между шельфом и открытым морем. Падение температуры воды при приближении к берегу составляет 2—3°С и практически не зависит от толщины ВКС и крутизны склона. Сравнение форм реальных профилей с некоторыми теоретическими решениями указывает, что водообмен между шельфом и глубоким морем значительно больше, чем может обеспечить горизонтальный транспорт только конвективной природы (т.е. движимый только наблюдаемой разностью температур), и влияние течений другой природы (ветровых, компенсационных и т.д.) существенно увеличивает тепло- и водообмен шельфов с глубоким морем в Балтике.
Ключевые слова: дистанционное зондирование, осеннее выхолаживание, береговой подводный склон, теплообмен, температура поверхности моря, Балтийское море
Б01: 10.7868/80205961414040058
ВВЕДЕНИЕ
Устойчивое понижение или повышение температуры воды по мере приближения к берегу (дифференциальный прибрежный прогрев), формирующееся в суточном, синоптическом, сезонном масштабе времени — типичное явление прибрежных зон крупных озер, морей и Мирового океана. Оно обусловлено, главным образом, изменением глубины вод над прибрежными подводными склонами, в результате чего даже при одинаковых условиях теплообмена через поверхность возникают градиенты температуры воды по горизонтали (Чубаренко, 2010а), кроме того, добавляется и влияние суши на общие условия теплообмена прибрежных вод с атмосферой. Действительно, в глубокой части водоема в результате теплообмена через поверхность формируется вертикальная стратификация вод, примерно одинаковая на значительных акваториях: при положительном потоке плавучести через поверхность —
это устойчивая прямая (летняя) или обратная (зимняя) стратификация верхнего слоя примерно одной толщины, ограниченного снизу термо-клинном; при отрицательном потоке плавучести (т.е. в периоды возникновения ночного, синоптического, сезонного конвективного перемешивания) — верхний слой перемешивается до некоторой (примерно одинаковой) глубины вертикальной термо-гравитационной конвекцией. Там же, где локальная глубина воды d меньше, чем глубина залегания термоклина (глубина проникновения вертикального перемешивания) в глубокой части Б, условия теплообмена через поверхность ощущаются до самого дна, перераспределение тепла происходит по меньшей, чем в открытом море, глубине — и температура воды в пределах верхнего слоя становится отличной от температуры вод глубокого моря, т.е. наблюдается дифференциальный прогрев (рис. 1). Наиболее четко эти различия проявляются у выровненных, а не у
х
Рис. 1. Принципиальная схема исследуемого физического процесса: дифференциальное выхолаживание над подводным склоном формируется в результате совместного эффекта охлаждения через поверхность, вызывающего вертикальную конвекцию, и обмена теплом с глубоким морем.
изрезанных берегов, а также над ровными и пологими подводными склонами (Чубаренко, 2010а).
Наличие таких, поддерживаемых внешними условиями теплообмена, градиентов температуры/плотности между открытым морем и прибрежной зоной приводит к возникновению медленного обмена вод, неоднократно наблюдавшегося и описанного как "дневная/ночная циркуляция" (например: "термический сифон" (Monismith et al., 1990; Farrow, 2004); медленное сезонное сползание более плотных вод по прибрежным подводным склонам (Fer et al., 2002; Hill et al., 1988; Ivanov et al., 2004; Tomczak, 1985); отток более легких прибрежных вод в море (Чубаренко и др., 2013)). Очевидно, что этот адвективный перенос
вносит свой вклад в формирование поля температуры воды в прибрежной зоне, так что наблюдаемая картина дифференциального прогрева или охлаждения в прибрежной зоне формируется в результате совместного действия вертикального и горизонтального переноса тепла.
Аналитическое описание даже общей динамики горизонтальных обменных движений (Farrow, 2004; Hughes, Griffith, 2008) представляет значительные трудности, как и его численное моделирование (Есюкова, Чубаренко, 2011; Чубаренко, 2010а, б; Chubarenko et al., 2013; Farrow, 2004), однако важность этого обмена для вентиляции вод в прибрежной зоне, переноса биогенов, взвеси или загрязняющих веществ из прибрежной зоны в мо-
ре или обратно отмечается все чаще. Попыток использования спутниковой информации для характеристики картины дифференциального прибрежного прогрева (того или иного знака) и сопоставления ее с динамикой вод авторам не известно, хотя к настоящему времени космическое дистанционное зондирование (ДЗ) предоставляет в этом плане все новые возможности (Гурова, Иванов, 2011; Журбас и др., 2004; Gurova, СИи-Ъагепко, 2012; Ко2^ е! а1., 2012), в том числе и для рассматриваемого класса задач.
Цель данной работы — исследование закономерностей и особенностей поля температуры воды в прибрежной зоне юго-восточной части Балтийского моря (ЮВБ) при осеннем выхолаживании, а также сопоставление характеристик наблюдаемых профилей температуры поверхности моря (ТПМ) от берега в глубокую часть с некоторыми теоретическими решениями. Основной мотивацией и перспективной целью исследований является создание метода оценки величины водообмена между шельфом и открытым морем по картине ТПМ над подводными склонами при сезонном осенне-зимнем выхолаживании.
Выбор для исследования именно периода осеннего выхолаживания обусловлен спецификой действующих физических механизмов. Во-первых, в этот период вертикальная конвекция и ветровое перемешивание создают мощный верхний квазиоднородный слой (30—40—50 м толщины в различных частях Балтийского моря), так что условия теплообмена через поверхность "чувствуются до дна" на значительных акваториях (до 40—50% площади моря), и дифференциальный прибрежный прогрев устойчиво наблюдается в прибрежной полосе шириной 10—20 км. Во-вторых, вертикальное перемешивание "работает" гораздо быстрее, чем горизонтальный обмен: характерные времена составляют единицы-десятки минут против нескольких десятков часов при обсуждаемых условиях (Чубаренко, 2010а). Это позволяет разделить их вклады в формирование картины дифференциального охлаждения и тем самым попытаться оценить величину горизонтального обмена между шельфом и глубоким морем с помощью простых аналитических моделей. Иными словами, можно как бы попытаться "просветить" с помощью быстрого вертикального перемешивания процессы горизонтального тепло- и массопе-реноса в прибрежной зоне.
Прибрежные подводные склоны ЮВБ выбраны в качестве объекта также не случайно — именно эта часть Балтики характеризуется самыми ровными и пологими склонами и относительно выровненными участками береговой линии, так что картина дифференциального прибрежного прогрева регулярна, устойчива, часто и легко наблюдаема.
РАЙОН ИССЛЕДОВАНИЙ
Район исследований охватывает российский сектор в юго-восточной части Балтийского моря — побережье Калининградской обл. у Сам-бийского п-ова, Куршской и Вислинской кос (рис. 2). В регионе повсеместно вдоль берегов имеются пологие прибрежные подводные склоны с глубинами до 20—25 м, преимущественно выровненные и осложненные лишь небольшими подводными валами и грядами, которые постепенно переходят в субгоризонтальные подводные плато, расположенные на глубинах 30—60 м. Уклоны дна в регионе составляют в среднем 1—4 м/км (рис. 2).
ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДАННЫЕ
Спутниковые данные
Для анализа использовались данные спектро-радиометра MODIS (Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer) со спутника Aqua с разрешением 1 км, полученные над ЮВБ 07.11.2002 (11:20 UTC), 13.10.2004 (11:10 UTC), 30.10.2005 (11:20 UTC) и 03.11.2009 (11:20 UTC) (рис. 3). Оригинальные спутниковые данные MODIS уровня обработки L1A были получены из архива LAADS (Level 1 and Atmosphere Archive and Distribution System). Дальнейшая обработка производилась в программном обеспечении Seadas 6.2 и включала в себя атмосферную коррекцию по алгоритму MUMM (Ruddick et al., 2000) и расчет карт распределений ТПМ (Brown, Minnett, 1999). Горизонтальные профили ТПМ строились с использованием программных продуктов VISAT 4.9 и MS Excel.
Метеоданные
В осенний период (октябрь—ноябрь) большая часть акватории ЮВБ покрыта облаками, и ситуации интенсивного и длительного похолодания, предпочтительные для данных исследований, нечасто сопровождаются необходимыми спутниковыми изображениями. Для анализа были выбраны распределения ТПМ (рис. 3), соответствующие периодам окончания эпизодов значительного снижения температуры воздуха и соответственно формирования ясной картины дифференциального выхолаживания вод над прибрежными подводными склонами. Календарно, все снимки приходятся на вторую половину октября—начало ноября (разница во времени между крайними изображениями — 26 дней), причем три из них — 30 октября, 3 и 7 ноября - характеризуют практически одну неделю. Диапазоны изменения температуры воздуха и темпы ее снижения в эти периоды времени по данным метеопоста Балтийск (рис. 2; арх
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.