ОКЕАНОЛОГИЯ, 2004, том 44, № 6, с. 837-842
= ФИЗИКА МОРЯ
УДК 551.524.34
ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ ВОЗДЕЙСТВИЯ ТЕРМИЧЕСКОГО
И ДИНАМИЧЕСКОГО ФАКТОРОВ АТМОСФЕРЫ НА ГИДРОЛОГИЧЕСКУЮ СТРУКТУРУ ВОД ЧЕРНОГО МОРЯ
© 2004 г. В. Б. Титов
Южное отделение Института океанологии им.П.П. Ширшова РАН, Геленджик Поступила в редакцию 22.07.2003 г., после доработки 12.01.2004 г.
Введены понятия термического и динамического факторов атмосферы, и установлена взаимосвязь между ними. Показано, что зимние атмосферные термические условия над акваторией Черного моря во многом определяются ветровым режимом, тогда как летние термические условия, главным образом, радиационным фактором. Определена роль каждого фактора в формировании гидрологической структуры Черного моря. Оценка совместного действия термического и динамического факторов показывает, что наиболее благоприятными для экологии Черного моря являются холодные зимы, а неблагоприятными -теплые. В летние сезоны, особенно в аномально теплые, экологическое состояние вод ухудшается.
Климатические условия являются главным фактором формирования гидрологической структуры Черного моря. Многолетняя изменчивость климата обусловливает адекватные изменения параметров гидрологической структуры. Из всего комплекса элементов климатической системы наибольшее влияние на гидрофизические процессы оказывают температура воздуха (термический фактор) и направление и сила ветра (динамический фактор).
Роль термического фактора наиболее ярко проявляется в период осенне-зимнего выхолаживания поверхности моря, когда температура воздуха ниже температуры воды (с сентября по февраль). Охлаждение поверхности моря под воздействием более низкой температуры воздуха возбуждает вертикальную плотностную конвекцию, в результате которой формируются верхний однородный конвективный слой (ОКС) и холодный промежуточный слой (ХПС). Межгодовая изменчивость зимних термических условий вызывает адекватные изменения параметров ОКС и ХПС [3-7, 9].
В период весенне-летнего прогрева формируется тонкий (порядка 10-20 м) теплый верхний квазиоднородный слой (ВКС), под которым образуется мощный термо-хало-пикноклин, препятствующий перемешиванию и распространению тепла вглубь. Главным фактором формирования летней гидрологической структуры является приток солнечной радиации. Вклад атмосферных термических условий здесь невелик, но все же он существует, т.к. температура воздуха (с апреля по июль) выше температуры воды. Более существенная роль летних термических условий проявляется не в формировании, а в межгодовой изменчивости параметров летней структуры (ВКС, сезонный термо-хало-пикноклин) [9].
Роль и значение динамического фактора (ветер) состоит прежде всего в возбуждении (наряду
с халинными факторами [1]) генеральной циклонической циркуляции вод и Основного черноморского течения [ОЧТ]. Вследствие циклонической циркуляции происходит динамический подъем глубинных вод (апвеллинг) в центральной зоне дивергенции (ЦЗД) и опускание их (даунвеллинг) в прибрежной зоне конвергенции (ПЗК). Даунвеллинг в ПЗК усиливается за счет нисходящего движения в центрах прибрежных антициклонических вихрей (ПАВ) [2, 5, 6]. Вследствие этого все изоповерхности имеют наклон от центра моря к берегу. Опускание вод в ПЗК компенсируется их подъемом в ЦЗД через механизм поперечной циркуляции [10]. Кроме того, ветер развивает волнение, которое наряду с конвекцией способствует перемешиванию и формированию ОКС зимой, а летом создает перемешивание верхнего квазиоднородного слоя и образование сезонного термо-хало-пикноклина.
Несмотря на стабильность притока солнечной радиации (изменения солнечной постоянной не превышают 1.5%), межгодовая изменчивость сезонных атмосферных термических условий достаточно велика [8]. Так, разности средней зимней температуры воздуха между аномально теплыми (АТ) и аномально холодными (АХ) зимами составляют от 5.7-5.9°С в юго-восточной части Черного моря (Сочи, Батуми), до 12.0-12.4°С в северо-восточной и западной частях (Феодосия, Николаев), а разности средней летней температуры между АТ и АХ летом - от 3.4-3.5°С (Поти, Батуми) до 5.0-5.2°С (Керчь, Николаев). Эти колебания (при стабильном притоке солнечной радиации) обусловлены перераспределением воздушных масс с их различными термическими характеристиками, циркуляционным механизмом атмосферы и соответствующими изменениями ветрового режима в конкретных географических регионах. Колебания
С СВ В ЮВЮЮЗ 3 СЗ С СВ В ЮВЮЮЗ 3 сз
VII
VIII
III
IV
Та = 11.2°
^ Та = 23.5° \
- IX
- -а = 19.6°\
X
- / -а = 14.5° \
- XI /
: 10.4°
V
VI
Рис. 1. Отклонения температуры воздуха АТа°С от нормы Та °С (помесячно) при различных направлениях ветра.
(Горизонтальные линии (ось) - норма Та °С (среднее за 80 лет), относительно которой отсчитываются отклонения ДТа°С. Под горизонтальной осью указаны
численные значения месячных норм Та °С).
продолжительности действия (повторяемость) и скорости ветров тех или иных направлений, переносящих воздушные массы с их термическими характеристиками, обусловливают изменчивость атмосферных термических условий. Таким образом, термический и динамический факторы атмосферы взаимосвязаны между собой.
Для установления взаимосвязи между термическими и ветровыми условиями по данным многолетних (1922-2002 гг.) метеорологических наблюдений в Геленджике вычислялись (помесячно) повторяемость направлений ветра (в процентах), его средняя скорость и средняя температура воздуха для каждого из 8 румбов. Результаты представлены на рис. 1, где показана связь величины и знака отклонения температуры воздуха от нормы (среднее за 80 лет) с направлением ветра. Видно, что ветры северной половины горизонта (СЗ, С, СВ и В) почти во все месяцы года приносят понижение
температуры (за исключением небольших положительных отклонений (от 0.1-0.3 до 0.9-1.2°С) в апреле-июле при северо-восточном ветре и в марте-июне при восточном ветре).
Ветры южной половины горизонта (ЮВ, Ю, ЮЗ и 3) почти всегда сопровождаются положительными отклонениями температуры (только в июне-июле южные ветры создают незначительные (0.1-0.8°С) отрицательные отклонения).
Наибольшие отрицательные отклонения температуры воздуха зимой (до 5-5.5°С ниже нормы) приносит северо-восточный ветер, а наибольшие положительные отклонения (до 3.5-4.0°С) - южный ветер. Следовательно, соотношение повторяемости ветров северных и южных румбов определяет суровость зимних термических условий. Летние термические условия изменяются незначительно (обычно в пределах ±1°С от нормы) и не имеют определенной взаимосвязи с направлением ветра (рис. 1).
Для установления более четкой взаимосвязи между термическим и динамическим факторами были вычислены их интегральные характеристики: суммарная повторяемость направлений ветров северных (ХРс% = СЗ + С + СВ + В) и южных (ХРю% = ЮВ + Ю+ЮЗ + З) румбов, их средние
скорости (Ус и Ую) и средние температуры воздуха при северных (Т с °С) и южных (Т ю°С) ветрах для зимнего и летнего сезонов. Результаты представлены на рис. 2.
Как видно из рисунка, в АТ зимы повторяемость ветров северных румбов (33%) и их средняя скорость (3.4 м/с) минимальны (рис. 2а), в то же время повторяемость и средняя скорость южных ветров максимальны (соответственно - 62% и 6.2 м/с; рис. 26). Вследствие почти двукратного преобладания южных ветров над северными наступают аномально теплые зимы (средняя температура воздуха равна 9.2°С).
С увеличением повторяемости и средней скорости северных ветров (рис. 2а) и одновременном уменьшении повторяемости и средней скорости южных ветров (рис. 26) зимние термические условия становятся все более суровыми. При максимальной повторяемости (73%) и средней скорости (4.9 м/с) северных ветров (рис. 2а) и одновременно - минимальной повторяемости (21%) и средней скорости ветра (3.8 м/с) южных ветров наступают АХ зимние термические условия. Вследствие преобладания северных ветров над южными как по повторяемости (в 3.5 раза), так и по средней скорости (в 1.3 раза) средняя зимняя температура воздуха опускается до (-2.4)°С (рис. 2а).
Таким образом, экстремальные зимние термические условия определяются режимом ветра: при многократном преобладании северных ветров над южными наступают АХ зимы и, наоборот, преобладание южных ветров над северными приводит к АТ
Та = 15.
интегральный эффект воздействия
8 7
-У. 6 £
I ^ 5 4 3
10
8 6
и
20
40
Он
60
АТ
I—
Т
н
X
АХ
(а)
-У 4 £
' ^ 3
0-
-2- 80
Г 26 Г 30
"и24 О -'^22 40 С о- -И 50
20 60
8
7 #6
I ^ 5 4 3
10 8 6
и
20
40
- 2 О, Н
60
АТ
г
Т
н
X
839 АХ
^ 3
АТ
I—
Т
н
X
АХ
(в)
4
' 1 *
- ^ 3
0
-2 80
Г 26 Г 30
-и24 О § 22 - ^ 40 2 -И 50
20 60
АТ
г
Т
н
X
АХ
Рис. 2. Взаимосвязь между термическими и ветровыми условиями зимой (а, б) и летом (в, г). (Интегральные характеристики северных (а, в) и южных (б, г) ветров: 1 - суммарная повторяемость ветра средняя температура (Та °С); 3 - средняя скорость ветра (ДУ м/с).
Шкала термических условий: АТ - аномально теплые, Т - теплые, Н - нормальные (средние), X - холодные, мально холодные.
2
(ЕР%); 2 -АХ - ано-
4
4
2
2
5
5
зимам. Зимы с нормальными (средними) термическими условиями складываются при близких по величине характеристиках северных и южных ветров.
Летние термические условия, в отличие от зимних, не обнаруживают столь явной и четкой зависимости от ветровых условий. Так, при изменении термических условий от АТ (25-2б°С) до АХ (19.8-20.5°С) повторяемость северных ветров немного уменьшается - от 54 до 48%, а их средняя скорость возрастает от 3.4-3.6 до 4.0 м/с (рис. 2в). Повторяемость южных ветров, наоборот, незначительно возрастает от 41-43 до 46%, а их средняя скорость изменяется от 2.6-2.8 до 3.2-3.5 м/с (рис. 2г).
Далее рассмотрим примеры воздействия термического и динамического факторов атмосферы на гидрологическую структуру в северо-восточной части Черного моря. На рис. 3 представлены обобщенные вертикальные профили температуры воды при различных атмосферных термических условиях зимой в ЦЗД (а) и пЗк (б), а в табл. 1 приведены численные значения некотор
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.