ОКЕАНОЛОГИЯ, 2015, том 55, № 4, с. 502-513
= ФИЗИКА МОРЯ
УДК 551.465
РАСПРОСТРАНЕНИЕ И ТРАНСФОРМАЦИЯ ВОД ПОВЕРХНОСТНОГО ОПРЕСНЕННОГО СЛОЯ В КАРСКОМ МОРЕ
© 2015 г. А. Г. Зацепин1, В. В. Кременецкий1, А. А. Кубряков2, С. В. Станичный2, Д. М. Соловьев2
Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва e-mail: zatsepin@ocean.ru 2Морской гидрофизический институт, Севастополь Поступила в редакцию 16.05.2013 г., после доработки 26.06.2013 г.
Предложен новый метод расчета распространения опресненных вод от Обско-Енисейского взморья по акватории Карского моря на основе совместного учета влияния ветрового дрейфа и геострофических течений. Этот метод базируется на расчете течений в верхнем перемешанном слое с использованием средней динамической топографии морской поверхности, регулярных данных спутниковой альтиметрии об аномалиях уровня моря и параметризации ветрового дрейфа. Он уже использовался ранее для описания поверхностных течений в Черном море [7, 12]. Данный метод успешно верифицируется на основе сопоставления с данными натурных наблюдений в Карском море и спутниковыми изображениями морской поверхности в поле хлорофилла.
DOI: 10.7868/S0030157415040152
ВВЕДЕНИЕ
Одной из основных гидрологических структур Карского моря, ярко выраженных в летний период, является поверхностный опресненный слой (ПОС) [5]. Начало формирования этого слоя связано с паводком Оби и Енисея. В июне в море сбрасывается около 30% суммарного годового стока этих рек [17]. В результате перемешивания речных вод с морскими, на обширном Обско-Енисейском взморье образуется ПОС, соленость которого составляет 10—25 епс, а толщина — 5—15 м.
Дальнейшее распространение ПОС по акватории Карского моря происходит под влиянием ветрового дрейфа и геострофических течений [6]. Выделяют три типа распространения: "западный", "центральный" и "восточный" [8, 9]. Западный тип характеризуется перемещением значительной части вод ПОС на запад и юго-запад. При этом воды ПОС в августе—сентябре достигают восточного берега Новой Земли. Такой тип распространения осуществлялся в 1993, 2007 и 2011 гг., когда в Карском море проводились экспедиционные исследования ИО РАН на НИС "Дмитрий Менделеев" (49-й рейс, 1993 г.) [1] и НИС "Академик Мстислав Келдыш" (54-й рейс, 2007 г. и 59-й рейс, 2011 г.) [2, 4, 5]. При центральном типе распространения воды ПОС перемещаются, главным образом, на север, а при восточном — на восток вдоль сибирских берегов к морю Лаптевых.
Гипотеза о том, что реализация того или иного типа распространения ПОС определяется межгодовыми различиями в ветровом воздействии, высказывалась различными авторами (см., например, [16]), однако первая попытка количественного исследования перемещения ПОС вследствие ветрового дрейфа была предпринята в [4]. В этой работе, в предположении, что весь интегральный экмановский дрейф сосредоточен в ПОС и происходит под углом 90° вправо от направления ветра, было показано, что доминировавший в июле-августе 2007 г. северный ветер мог вызвать наблюдавшийся западный перенос вод ПОС. Однако такой упрощенный подход к оценке перемещения вод ПОС, не учитывающий того, что: 1) дрейф ПОС не вполне экмановский [3]; 2) существенное влияние оказывают геострофические течения, - не позволяет описать реальную конфигурацию области ПОС и ее пространственно-временную изменчивость.
В то же время в [5] было высказано предположение, что существенную роль в транспорте опресненных вод может играть самоорганизующаяся динамика вод ПОС, обусловленная увеличением уровня моря над областью опреснения. Вследствие этого, во фронтальной зоне ПОС в результате геострофического приспособления должна наблюдаться антициклоническая циркуляция, а сама область опресненных вод должна представлять собой большую поверхностную антициклоническую линзу, подобную той, что моделировалась в лабораторных экспериментах [11].
Основные течения (Ямальское, Восточно-Но-воземельское, течение в желобе Святой Анны), возможно, тоже играют некоторую роль в транспорте вод ПОС, главным образом, на северо-восток. В области Новой Земли динамическая фронтальная зона, связанная с Восточно-Ново-земельским течением и с течением в желобе Святой Анны, по-видимому, ограничивает распространение вод ПОС на север [5, 6].
Совместный учет влияния ветрового дрейфа и геострофических течений, как фоновых, так и самоорганизующихся в области ПОС, на распространение опресненных вод от Обско-Енисей-ского взморья по акватории Карского моря может быть реализован в рамках нового подхода к расчету течений в верхнем перемешанном слое, основанном на знании средней динамической топографии морской поверхности, регулярных данных спутниковой альтиметрии об аномалиях уровня моря (АУМ) и параметризации ветрового дрейфа. Этот подход уже использовался ранее для описания поверхностных течений в Черном море [7, 12]. Применению этого подхода к описанию динамики ПОС в Карском море, его верификации на основе сопоставления с данными натурных наблюдений и анализу полученных расчетных результатов посвящена данная статья.
ПОВЕРХНОСТНЫЙ ХЛОРОФИЛЛ КАК МАРКЕР ВОД ПОС
Верификация метода расчета распространения вод ПОС на основе сопоставления с натурными данными имеет существенное временное ограничение, поскольку экспедиционные исследования в Карском море и в 2007, и в 2011 гг. проводились в сентябре. Поэтому представляется весьма важным найти достаточно хороший маркер, определяемый со спутников, с помощью которого можно прослеживать распространение области ПОС. Таким маркером, по-видимому, является поверхностный хлорофилл "а" (хл "а"), концентрация которого измеряется со спутников (далее — "спутниковый хлорофилл"). Следует отметить, что в данном случае нас не интересует, насколько хорошо концентрация спутникового хлорофилла соответствует концентрации хлорофилла, измеряемого in situ.
Связь спутникового хлорофилла с поверхностной соленостью области ПОС была обнаружена еще при анализе данных 2007 г. [5], однако не была исследована и описана. В данной статье мы восполняем отмеченный пробел. Предположение о существовании устойчивой связи между спутниковым хлорофиллом и поверхностной соленостью в области ПОС базируется на том обстоя-
тельстве, что пресные речные воды приносят в Карское море большое количество биогенных веществ, которые поддерживают продукцию фитопланктона в этом слое на протяжении всего периода его существования. Поэтому акватория, охваченная ПОС, должна характеризоваться более высоким уровнем содержания хл "а" и желтого вещества, по сравнению с не охваченными ПОС акваториями, за исключением зон апвеллинга и фронтальных зон, что и наблюдается в действительности.
На рис. 1 показаны карты спутникового хлорофилла, средние за сентябрь 2007 г. и сентябрь 2011 г., с наложенными на них контурами фронтальной зоны ПОС в поле поверхностной солености (изолиния 24 епс), построенными по данным экспедиционных исследований в сентябре 2007 г. и сентябре 2011 г. соответственно. К сожалению, карты спутникового хл "а" за сентябрь не вполне репрезентативны из-за маскирующего влияния облачности. Тем не менее, видно, что западная граница области повышенной концентрации хлорофилла приблизительно совпадает с изолинией 24 епс (в [17] и в ряде других работ в качестве границы области ПОС используется изолиния 25 епс).
Основываясь на этом совпадении, а также на результатах судовых измерений флуоресценции хлорофилла и поверхностной солености, свидетельствующих о повышенной концентрации хл "а" в области ПОС по сравнению с фоновыми значениями [4], будем считать, что спутниковый хлорофилл является маркером вод ПОС. В этом нас убеждает анализ карт спутникового хлорофилла (М0DIS AQUA, MERIS-Envisat) за период с июня по сентябрь 2011 г., позволяющий проследить распространение области вод с повышенной его концентрацией от Обь-Енисейского взморья до восточного берега Новой Земли. Высокую корреляцию между концентрацией спутникового хлорофилла и соленостью в области фронтов ПОС демонстрирует также рис. 2, на котором приведена корреляционная зависимость между концентрацией спутникового хлорофилла, измеренного вдоль судовых галсов при пересечении фронтов ПОС, и поверхностной соленостью, измеренной на тех же галсах, выполненных в сентябре 2011 г. (59-й рейс НИС "Академик Мстислав Келдыш"). При построении зависимости использовались спутниковые данные с разрешением 4 км, осред-ненные за 3 дня и интерполированные на точки измерений с судна (приблизительно с интервалом 300 м).
В дальнейшем будем использовать карты спутникового хлорофилла для сопоставления с результатами расчета конфигурации области ПОС в разные месяцы его существования.
Рис. 1. Карты спутникового хлорофилла в Карском море за сентябрь 2007 г. (а) и за сентябрь 2011 г. (б) с наложенными на них контурами фронтальной зоны ПОС в поле поверхностной солености, построенными по данным экспедиционных исследований в сентябре 2007 г. и сентябре 2011 г. соответственно. Справа — шкала концентраций хлорофилла в мг/м3.
РАСЧЕТ ГЕОСТРОФИЧЕСКИХ ТЕЧЕНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МДТ И АУМ
Для расчета геострофической скорости поверхностных течений в Карском море использовались карты полной динамической топографии, полученные из архива AVISO (http://www.avi-so.oceanobs.com). Динамическая топография определялась как сумма картированных аномалий уровня моря, рассчитанных по комбинированным вдольтрековым измерениям современных спутниковых альтиметров с помощью алгоритмов, разработанных в [13—16], и средней динамической топографии из работ [14, 19]. Временное разрешение картированных данных — 7 дней, пространственное — 0.25°.
Поверхностные геострофические скорости течений рассчитывались из уравнения геострофического баланса:
ug = —
' dh f dy'
g dh f dx
(1)
CH, мг/м3
10
8 -
6 -
15
20
25
30
S, епс
Здесь и, V — геострофические скорости, к — динамическая топография, , — ускорение свободного падения, / — параметр Кориолиса.
Осредненные помесячно геострофические карты для 2007 и 2011 гг. за сентябрь представлены на рис. 3 совместно с контурами границы области ПОС (изолиния 24 епс), построенной на основе данны
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.