ОКЕАНОЛОГИЯ, 2004, том 44, № 3, с. 354-357
= ФИЗИКА МОРЯ
УДК 551.465:062.5
ФОРМИРОВАНИЕ ВЕРХНЕГО КОНВЕКТИВНОГО СЛОЯ И ХОЛОДНОГО ПРОМЕЖУТОЧНОГО СЛОЯ В ЧЕРНОМ МОРЕ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ СУРОВОСТИ ЗИМ
© 2004 г. В. Б. Титов
Южное отделение Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Геленджик
Поступила в редакцию 09.06.03 г.
Рассмотрена изменчивость зимних термических условий за последние 50 лет. Для каждого типа зимы вычислены средние значения гидрофизических характеристик верхнего конвективного слоя (ВКС) и холодного промежуточного слоя (ХПС). Впервые получены оценки объемов вод ВКС и ХПС и рассмотрена их изменчивость в зависимости от суровости зимних термических условий.
ВВЕДЕНИЕ
Деятельный слой (ДС) представляет собой элемент верхней гидрологической структуры Черного моря, подверженный термическому и динамическому воздействию приводного слоя атмосферы. Глубина, на которую проникает воздействие внешних (атмосферных) факторов, определяет толщину ДС. Обычно за нижнюю границу ДС принимают главный (глубинный) пикноклин, глубже которого воздействие атмосферных факторов, как правило, не проникает [2, 6].
В зимней структуре ДС Черного моря различают два элемента: верхний конвективный слой (ВКС) и холодный промежуточный слой (ХПС). ВКС формируется в верхнем слое моря на всей его акватории в осенне-зимний сезон при понижении температуры воздуха. Основным процессом формирования ВКС является плотностная конвекция и дополнительным - ветровое (волновое) перемешивание. В центральной области моря (центральная зона дивергенции - ЦЗД), где главный пикноклин приподнят в виде купола, плотностная конвекция и образуемый ею ВКС достигают глубины пикноклина. Отсюда аномально холодные и плотные воды адвективно распространяются над пикноклином к периферии моря. При этом они подтекают под менее плотный верхний слой воды и образуют ХПС. Таким образом, в ЦЗД структура ДС монослойная (ВКС), а в периферийных областях - двухслойная (ВКС и ХПС) [2, 3, 5, 6].
Экологическая роль ВКС и ХПС в Черном море чрезвычайно велика. В ЦЗД, где зимний ВКС достигает пикноклина и поверхностные холодные и насыщенные кислородом воды непосредственно контактируют с глубинными сероводородными водами, происходит интенсивная аэрация и окисление сероводорода, а также поступление биогенов в верхний продуктивный слой. В периферийных районах моря, где плотностная конвекция, как правило, не проникает до глубинных вод, единственным источником и поставщиком
кислорода является адвекция вод ХПС. Таким образом, ХПС является своеобразным щитом, препятствующим проникновению глубинного сероводорода в верхний продуктивный слой и сохраняющим его биопродуктивность [4, 5].
Очевидно, что экологическое состояние вод и их биопродуктивность зависят от объемов и характеристик ВКС и ХПС, определяемых интенсивностью плотностной конвекции, которая зависит от интенсивности выхолаживания поверхности моря, т.е. от зимних атмосферных термических условий. Несмотря на довольно высокую степень изученности Черного моря, оценки объемов ВКС и ХПС в зависимости от суровости зим отсутствуют. Известна единственная оценка объема ХПС (около 2000-2100 км3), безотносительно к каким-либо конкретным зимним климатическим условиям [3, 12]. Поэтому в настоящей работе предпринята попытка оценить объемы и характеристики вод ВКС и ХПС в зависимости от зимних атмосферных термических условий над акваторией Черного моря.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ
Для оценки зимних атмосферных термических условий использовался банк данных, который содержит вековые ряды измерений температуры воздуха на морских гидрометеорологических станциях (ГМС) Черного моря (от Одессы до Батуми). Ранее по этим данным были получены оценки суровости зимних термических условий, а также установлено, что однотипные по суровости зимы наблюдаются на всей акватории моря одновременно (в одни и те же годы), т.к. определяются они одними и теми же крупномасштабными синоптическими процессами [7-11]. Однако необходимые для совместного анализа гидрологические данные (с точки зрения их количества и особенно -качества) имеются лишь с начала 50-х гг. прошлого века. Поэтому для иллюстрации зимних термических условий приводится хронологический график отклонений средних зимних температур АТа°С от
средней многолетней Тн °С (норма) за 1950-2002 г. (ГМС Геленджик) в градациях шкалы относительно величины их среднего квадратического отклонения
а (рисунок, (Т"н = 5.0°С, у = ±1.6°С)1. Принятые градации шкалы: отклонения от нормы в пределах ±0.5 а оцениваются как средние или нормальные (Н) зимы, отклонения в диапазоне от ±0.5а до ±1.5а характеризуют соответственно теплые (Т) и холодные (X) зимы, а при ДТа°С > ±1.5а - аномально теплые (АТ) и аномально холодные (АХ) зимы (рисунок).
Как видно из графика, за указанный период было 24 средних по термическим условиям зим, 15 теплых и 10 холодных зим, две аномально теплых (1966 и 1981 гг.) и две аномально холодных (1954 и 1993 гг.) зимы. Некоторая взаимная асимметрия в повторяемости теплых и холодных зим связана с преобладанием теплого цикла многолетней изменчивости температуры в период 1951-1970 гг. Соответственно распределению зимних термических условий (рисунок ) подбирались гидрологические данные для оценки объемов и характеристик ВКС и ХПС (табл. 1).
Таким образом, всего использовано в обработке 680 станций. Наибольшее количество гидрологических данных приходится на холодные зимы (347 станций), меньше - на средние и теплые зимы (127 и 93 станции соответственно) и минимальное количество (62-51 станции) - на аномальные зимы.
ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ
В процессе обработки гидрологических данных по каждой станции определялись следующие характеристики: для ВКС - мощность (толщина Нм) и его
средние температура (Тк °,С), соленость (5 %е) и
условная плотность (а,, усл. ед.). За критерий однородности слоя принималась величина вертикальных градиентов, не превышающая 0.01 величины на метр. Для ХПС определялись его толщина (НХПС) между верхней и нижней изотермами
8°С, минимальная температура (Т°тп, С) и ее глубинное положение (^ ), а также средняя температура слоя (Т°ХПС С). Затем для каждого типа зимы найденные характеристики осреднялись по всей акватории моря.
Для расчета объемов вод ВКС и ХПС использовались известные морфометрические параметры Черного моря: общая площадь поверхности 413490 км2 и объем 529955 км3 [1]. Поскольку воды ХПС из зоны их формирования (ЦЗД) в мелковод-
Год
и 1950 1960 1970 1980 1960 2000
1 Средние зимние температуры получены их осреднением за
декабрь, январь и февраль [11].
- 1.5 а »
0.5 а
X
1.5 а
Хронологический график отклонений средних зимних температур воздуха (ДТа°С) от среднего многолетнего значения ( Тн = 5.0°С) за 1950-2002 гг. по данным ГМС Геленджик.
ДТа°С - а = ±1.6°С - среднее квадратическое отклонение зимней температуры воздуха. Шкала суровости зим: Н -нормальная (средняя) зима; Т - теплая; X - холодная; АТ - аномально теплая; АХ - аномально холодная зима.
ную северо-западную часть моря не поступают [2, 3], то ее площадь, составляющая 57720 км2, была исключена из общей площади моря. С учетом этого расчетная площадь поверхности моря равна 355770 км3.
ОБСУЖДЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ
Результаты обработки экспериментальных данных, соответствующих тем или иным зимним термическим условиям, представлены ниже.
Как видно из табл. 2, толщина ВКС слабо зависит от зимних термических условий, хотя и обнаруживает определенную тенденцию к увеличению. Наиболее существенно изменяющейся характеристикой ВКС является его средняя температура, которая в диапазоне от АХ до АТ - зим уменьшается на 1.85°С. Средняя соленость ВКС по мере усиления суровости зим медленно возрастает, хотя и не зависит непосредственно от атмосферных термических условий. Объясняется это, с одной стороны, тем, что в теплые зимы над акваторией моря и на побережье выпадает больше осадков, способствующих распреснению ВКС. С другой стороны, в холодные зимы вторжение сухих и холодных воздушных масс на акваторию моря и усиление ветра увеличивают испарение и осолонение верхнего слоя [2, 3]. Плотность ВКС, вследствие уменьшения его температуры и увеличения солености, возрастает, главным образом, за счет понижения температуры.
Параметры ХПС обнаруживают ярко выраженную зависимость от суровости зимних термических условий (табл. 2). Средняя толщина ХПС в температурном диапазоне от АТ- до АХ-зим возрастает более чем в 2.5 раза. Одновременно его минимальная температура снижается на 1.5°С, а средняя температура - на 1.1°С. При этом глубина залегания ядра ХПС с минимумом температуры уменьшается, приближаясь к очагу выхолаживания (поверхность моря).
356 ТИТОВ
Таблица 1. Перечень гидрологических данных
Тип зимы Район и время работ НИС Количество станций
АТ Съемка северо-восточной части Черного моря. Март 1981 г. "Профессор Штокман" 62
Т 1. 200-мильный разрез "берег-центр моря" в северо-восточной части:
а) февраль 1984 г. "Рифт" 11
б) март 1984 г. "Гидробиолог" 11
в) март 1984 г. "Витязь" 9
2. Стандартный 100-мильный разрез "берег-центр "Акванавт" 25
моря" в северо-восточной части: март 2000 г.
3. Съемка всей акватории: февраль 1986 г. "Я. Гаккель" 37 £ = 93
Н 1. Стандартный 100-мильный разрез "берег-центр моря" в северо-восточной части моря:
а) февраль 1994 г. "Акванавт" 12
б) март 1998 г. "Акванавт" 17
2. Комплексная съемка всей акватории: "Гидролог" 35
февраль-март 1988 г. "ГС-86" "Я. Гаккель" 38 25 £ = 127
Х 1. Комплексная межведомственная съемка всей акватории: февраль-март 1957 г. "Гонец" "Контакт" "ТЩ" 14 14 32
2. Съемка всей акватории: П-Ш.1985 г. "Я. Гаккель" 59
3. Трехкратная съемка северной половины "Витязь" 228
и западной части моря: февраль-март 1991 г. £ = 347
АХ 1. Стандартный 100-мильный разрез "берег-центр моря" в северо-восточной части:
а) февраль-март 1954 г. "Ак. С. Вавилов 6
б) март 1993 г. "Акванавт" 12
2. Съемка всей акватории: февраль 1993 г. "Бугаев" 33 £ = 51
Таблица 2. Обобщенные параметры ВКС и ХПС
Тип зимы
ВКС
ХПС
Н, м Т °С 5, %с <5г, усл.
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.