ВЕСТНИК ЮЖНОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА Том 11, № 2, 2015, стр. 45-52
НАУКИ О ЗЕМЛЕ
УДК 551.465(262.5)
МЕЛКОМАСШТАБНАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ ТЕРМОХАЛИННОЙ СТРУКТУРЫ ВЕРХНЕГО ПЕРЕМЕШАННОГО СЛОЯ СЕВЕРО-ВОСТОЧНОЙ ЧАСТИ ЧЕРНОГО МОРЯ
© 2015 г. Ю.И. Инжебейкин1
Поступила 28.11.2014
Район исследований относится к северо-восточному шельфу Черного моря, где берег преимущественно высокий и к морю местами вплотную подходят отроги Главного Кавказского хребта. Как для части моря, находящейся в умеренном климатическом поясе, для этого района характерен умеренный тип климата с преобладанием циклонического типа циркуляции умеренных (континентальных и морских) воздушных масс. Циклоническая деятельность усиливает меридиональный обмен воздушных масс над морем, в связи с чем резко возрастает роль адвекции, приводящей к большой временной и пространственной изменчивости в этой части моря всех метеорологических характеристик и погоды в целом. Циклоническая деятельность определяет увлажнение фронтальными осадками, особенно интенсивными на западных и юго-западных склонах Главного Кавказского хребта. Все это приводит к тому, что гидрологические поля в исследуемом районе характеризуются большой пространственно-временной изменчивостью различных масштабов, мелкомасштабный диапазон которых остается абсолютно неизученным.
В статье исследована мелкомасштабная изменчивость температуры воды и солености верхнего перемешанного слоя на северо-восточном шельфе Черного моря на основе данных, полученных с борта судна по определенной сетке станций с помощью малоинерционных высокоточных приборов. Поскольку изменения температуры и солености в выбранном пространственно-временном диапазоне представляют собой выраженный случайный процесс, то для их описания использовались методы вероятностного анализа и математической статистики. Определены параметры мелкомасштабной изменчивости на отдельных участках северо-восточной части Черного моря, оценен вклад мелкомасштабной изменчивости в общую дисперсию температуры воды и солености. Выполнено районирование северо-восточного побережья Черного моря по вкладу мелкомасштабной изменчивости в общую изменчивость гидрологических элементов в регионе. Проанализированы причины различий во вкладе мелкомасштабной изменчивости в общую изменчивость рассматриваемых гидрологических элементов на разных участках северо-восточного шельфа Черного моря.
Ключевые слова: океанология, температура воды, соленость, мелкомасштабная изменчивость, Черное море, северо-восточный шельф.
Изменчивость океанологических процессов формируется процессами чрезвычайно широкого спектра. Вклад в них в короткопериодном диапазоне неоднородностей - мелкомасштабных (с масштабами от долей миллиметров до десятков-сотен метров и периодами от долей секунды до десятков минут), мезомаштабных (с масштабами от сотен метров до километров и периодов от часов до суток) и синоптических (с масштабами десятки и первые сотни километров и периодами от суток до
1 Институт аридных зон Южного научного центра Российской академии наук (Institute of Arid Zones, Southern Scientific Centre, Russian Academy of Sciences), 344006, г. Ростов-на-Дону, пр. Чехова, 41.
месяцев) - весьма велик. Так, в некоторых морях вклад мелкомасштабной изменчивости температуры воды и солености в районе фронтальных зон достигает 30-35% от общей дисперсии процесса [1], а мезомасштабной в отдельных районах - 60-75%. В монографии [2] на примере северо-западной части Черного моря впервые была показана важная роль среднемасштабных неоднородностей структуры и адвекции вод в формировании реальной сложной картины гидрологических полей и процессов в Черном море. В работе [3] были исследованы синоптические и многолетние вариации климатического режима, механизмы их формирования и связи с внешними факторами, а также был выявлен
струйный характер и интенсивное меандрирование Основного черноморского течения с формированием среднемасштабных антициклонических и (реже) циклонических вихрей. В монографии [4] по результатам анализа наблюдений и математического моделирования наряду с межгодовой и сезонной представлены синоптические, инерционные и более высокочастотные виды изменчивости гидрофизических полей Черного моря.
В работах [5-11] по данным натурных наблюдений, а в трудах [12-14 и др.] на основе численного моделирования в синоптическом масштабе исследовалась высокая значимость прибрежных антициклонических круговоротов в гидрофизической природе Черного моря. В работе [6] были исследованы формирование и динамика синоптических вихрей в Черном море, дана их генетическая классификация. Было выявлено, что образующиеся в Черном море синоптические вихри имеют в 2-3 раза меньшие размеры и на 1-2 порядка меньшие запасы механической энергии по сравнению с океанскими из-за небольших размеров Черного моря и меньшего радиуса деформации Россби. В то же время в общем балансе энергии, массы и физико-химических свойств Черного моря их роль намного выше по сравнению с ролью подобных вихрей в океане, поскольку размеры вихрей примерно одного порядка с крупномасштабными элементами черноморской структуры и динамики вод и "равноправно" взаимодействуют между собой [15]. При этом в мелководной северо-западной части Черного моря формирование летом локальных вихревых структур вдоль берега между устьями Дуная и Днестра способствует развитию здесь застойных областей с заморными явлениями в придонных слоях вместе с повышенной эвтрофикацией и статической устойчивостью вод [4].
В монографии [16] проведено подробное количественное сопоставление параметров черноморских прибрежных синоптических и мезомасштаб-ных движений по данным взаимно адаптированных наблюдений и математического моделирования. В пространственно-временном спектральном составе изменчивости уровня Черного моря, определенном в этой работе в широком диапазоне периодов (от часов до года), вклад сезонной изменчивости уровня в суммарную дисперсию составил 52-58%; в синоптическом интервале (с общим вкладом в суммарную дисперсию 36-40%) преобладали 16,7-суточные баротропные волны с амплитудой до 0,18 м и фазовыми скоростями 1,5-3 м • с-1 с вкладом 15-20%. В изменчивости течений были выделены бароклинные береговые захваченные волны с периодами 4-7 суток и длинами 20-50 км, баротропные шельфовые волны с
периодами 1,5-3 суток, длинами 30-100 км и фазовыми скоростями 0,3-0,5 м • с-1, инерционно-гравитационные волны (17-19 часов). В работах [17; 18] были обнаружены проявления береговых захваченных волн и высказано предположение об их возможном взаимодействии с волнами Россби. Результат такого взаимодействия в виде гибридных Россби-береговых захваченных волн был получен в модели среднемасштабной динамики вод круглого бассейна [19].
В работах [20; 21] показано, что под воздействием вдольбереговой составляющей ветров южных румбов при наличии плотностной стратификации на северо-восточном шельфе Черного моря генерируются береговые захваченные волны с длиной около 60 км, с поперечным в направлении к берегу масштабом около 29 км и с фазовой скоростью около 0,8 м • с-1. Сопровождаясь в прибрежной зоне чередующимися зонами апвеллинга/даунвеллин-га, они могут внести существенный вклад (например для температуры воды до 30-55% от среднего многолетнего значения размаха ее сезонных колебаний) в изменчивость поверхностной температуры и солености воды, а также колебаний уровня и течений на периодах от суток до недель. В то же время в широком диапазоне короткопериодной изменчивости гидрологических полей их мелкомасштабная изменчивость на северо-восточном шельфе Черного моря до сих пор остается малоисследованной областью. По другим районам Мирового океана достигнуты успехи в описании и параметризации вклада мелкомасштабной турбулентности и внутренних волн в вертикальное перемешивание, например в работах [22; 23].
В Южном научном центре РАН проводились исследования отдельных сторон мелкомасштабной изменчивости в других морях [24; 25], а на северовосточном шельфе Черного моря нами были предприняты исследования гидрологической структуры вод в различные сезоны 2007-2008 гг. на научно-исследовательском судне "Денеб" по приведенной на рисунке 1 сетке станций. В настоящей работе приводятся результаты исследований последних.
Мелкомасштабная изменчивость температуры воды и солености в морях и океанах формируется главным образом мелкомасштабными процессами взаимодействия океана и атмосферы, которые лежат в пределах пограничных слоев, распространяющихся на высоту и глубину в интервале 10-20 м, в горизонтальной плоскости до 10-100 м и во времени от минут до часов. В пределах этого пространства осуществляется обмен энергией и веществом через пограничные поверхности. Будем считать, что мелкомасштабные колебания в районе исследований связаны с мелкомасштабной
Рис. 1. Сетка океанографических станций в Черном море: а - апрель 2007 г.; б - июль 2007 г.; в - апрель 2008 г.; г - октябрь 2008 г.
турбулентностью, вертикальной микроструктурой, поверхностными и высокочастотными внутренними волнами, а в пределах верхнего перемешанного слоя (ВПС) - обрушением поверхностных волн и вертикальными сдвигами скорости в этих волнах, создающими неустойчивость и генерацию турбулентности. Поэтому диапазон возможных временных масштабов в ВПС - от периодов поверхностных волн до колмогоровского микромасштаба турбулентности.
Изменения температуры и солености в выделенных пространственно-временных диапазонах представляют собой выраженный случайный процесс, поэтому для их описания мы будем использовать методы вероятностного анализа и математической статистики.
Исследования термохалинной структуры вод Черного моря по сетке станций (см. рис. 1) выполняли посредством вертикального зондирования с помощью STD-зонда БЕАСАТ ББЕ-19, отсчет значений температуры и солености (электропроводности) обеспечивался через каждые полсекунды. Для анализа использовали только данные, получаемые в ходе опускания инструмента, поскольку при подъеме зонда на показания датчиков влияют возмущения водной толщи от корпуса прибора, которые возникли в процессе опускания. Скорость
о
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.