ОКЕАНОЛОГИЯ, 2015, том 55, № 1, с. 32-43
= ФИЗИКА МОРЯ
УДК 551.465
СТРУКТУРА И ЭВОЛЮЦИЯ ХОЛОДНОГО ПРОМЕЖУТОЧНОГО СЛОЯ В ЮГО-ВОСТОЧНОЙ ЧАСТИ БАЛТИЙСКОГО МОРЯ ПО ДАННЫМ НАТУРНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ В 2004-2008 гг.
© 2015 г. Н. Б. Степанова1, 2, И. П. Чубаренко3, С. А. Щука1
Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва 2Московский физико-технический институт, Долгопрудный 3Атлантическое отделение Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Калининград
e-mail: nata_chu@mail.ru Поступила в редакцию 03.01.2014 г., после доработки 02.04.2014 г.
На сериях вертикальных CTD-профилей, полученных в 2004—2008 гг. в Гданьском бассейне Балтийского моря, выделен холодный промежуточный слой (ХПС), определяемый как слой между максимальными абсолютными значениями градиента температуры воды по вертикали при ее падении (в сезонном термоклине) и росте (в области постоянного халоклина). Внутри ХПС имеются как однородные, так и высокоградиентные (по различным параметрам) прослойки, в том числе вплоть до июля может наблюдаться прослойка аномально холодных вод с температурой ниже температуры максимальной плотности. В сезонном цикле развития ХПС выделены три этапа: формирование локальными механизмами (март—апрель), геострофическое приспособление в общей термохалинной структуре моря и медленная модификация (май—август), и разрушение (сентябрь—январь). Максимальную в течение года толщину верхнего квазиоднародного слоя и мощность ХПС обеспечивает отнюдь не зимнее вертикальное перемешивание, а условия в период ранневесеннего прогрева (начало марта). Сложность структуры и характер изменчивости во времени однозначно указывают на существенную роль адвекции в формировании и эволюции ХПС Балтики.
Б01: 10.7868/80030157415010153
ВВЕДЕНИЕ
В вертикальной термохалинной структуре многих средиземных и окраинных морей выделяются промежуточные слои, характерно отличающиеся по температуре или солености от выше- и нижележащих (например, Средиземное, Черное, Балтийское, Охотское, Японское и другие моря). В большинстве своем эти слои имеют адвективное происхождение, являясь результатом приспособления вод, пришедших из других (вполне определенных) регионов, к плотностной стратификации рассматриваемой акватории, как, к примеру, промежуточные воды Японского моря, Левантийские воды Средиземного моря и т.д. Чуть особняком стоят постоянно существующие или возникающие только в теплую часть года над постоянным пикноклином холодные промежуточные слои: их формирование может быть объяснено как адвекцией из других регионов, так и локальной вертикальной термо-гравитационной конвекцией в зимнее время. Примерами могут служить ХПС Черного, Охотского, Балтийского морей. Представляется очевидным, что промежуточный слой каждого бассейна индивидуален не
только географически, но и в смысле сочетания формирующих его процессов.
В целом, изучению механизмов генерации, регионов формирования, объемов и характеристик промежуточных вод, путей их распространения посвящено множество публикаций (см., например, обзоры работ по левантийским промежуточным и глубинным водам Средиземного моря [8, 20]; по Черному морю [9, 10, 22], Мировому океану [1, 11]). На этом фоне исследования промежуточного слоя Балтийского моря выглядят крайне фрагментарно, и ни один из перечисленных выше вопросов практически не обсуждается. Несмотря на то, что многие экспедиционные исследования впрямую указывают на наличие множества интрузий в области основного пикноклина [19, 24], выводы о динамичности промежуточных слоев Балтики в целом (и ХПС в частности) не звучат; соответственно, не обсуждаются и их причины. Принято считать, что балтийский ХПС — это реликт локального зимнего верхнего квазиоднородного слоя (ВКС), наблюдаемый в теплое время года (например, см. [21]); часто он рассматривается как "промежуточная" водная масса — результат смешения верхнего распресненного и нижнего более соленого слоев Балтики. Альтернативная
19.0 19.5 20.0 20.0 21.0 °в.д.
Рис. 1. Поле глубин в юго-восточной части Балтийского моря и расположение станций 7, 12 и 22 (звездочки) экологического мониторинга "ЛУКОЙЛ-КМН".
гипотеза — об адвективном происхождении ХПС — рассматривается в работах [5, 12, 16]. В них обсуждаются особенности ХПС, не находящие объяснения ни в рамках его описания как водной массы, ни с позиций "остатка ВКС". Указывается, в частности [16], что, возможно, балтийский ХПС было бы более корректно рассматривать даже не как явление, сезонно наблюдаемое в поле температуры, а как постоянно текущий процесс приспособления термохалинной структуры крупного стратифицированного водоема к сезонно меняющимся внешним условиям.
Цель данной статьи проста: продемонстрировать на сериях конкретных СТЭ-профилей, полученных в юго-восточной части Балтийского моря, сложность вертикальной структуры вод ХПС как в период его формирования, так и при дальнейшей модификации в течение теплого сезона, что однозначно говорит о влиянии адвекции на его происхождение. Проводимый при этом сопоставительный анализ характеристик вод глубоких и прибрежных, после мягкой и после суровой зимы, в различные сезоны — призван прояснить детали возможных механизмов формирования балтийского ХПС.
РАЙОН ИССЛЕДОВАНИЙ, НАТУРНЫЕ ДАННЫЕ И КРИТЕРИЙ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГРАНИЦ ХПС
В работе анализируются данные гидрофизических измерений, выполненных с 2004 по 2008 гг. в российской зоне юго-восточной части Балтийского моря в различные сезоны года; в общей сложности это восемь рейсов НИС "Профессор Шток-ман": ПШ-60, 62, 68, 75, 78, 87, 93 и 95. Измерения выполнялись в рамках экологического мониторинга района нефтяного месторождения Кравцовское (Д6) по программе ООО "ЛУКОЙЛ-КМН", любезно предоставившего данные для научных исследований. Карта района, поле глубин и положение станций приведены на рис. 1. Прибрежную область характеризуют данные, полученные на ст. 7 (55°14' с.ш., 20°53' в.д., глубина 10-12 м), глубоководную — данные зондирований на станциях 12 (55°35' с.ш., 20°2' в.д., глубина 80 м) и 22 (54°52' с.ш., 19°20' в.д., глубина 108 м).
Для анализа использованы данные вертикальных CTD-зондирований (зонд Neil Brown Mark III), имеющие разрешение по вертикали 0.1—0.2 м. Точность измерений, обеспечиваемая прибором, такова: давление — 0.5 децибар, температура — 0.005°С, электропроводность — 0.005 мСм/см, частота сбора данных — 33 Гц, постоянная времени
"быстрого" датчика температуры — 0.03 с. Плотность воды в зависимости от температуры, солености и давления р(?, S,р) вычислялась по формуле [23], применимой в диапазоне температур от —2 до 40°С, солености — от 0 до 42 р8и, давления — от 0 до 1000 бар.
В качестве критерия, определяющего границы ХПС в районах, где глубина моря превышает глубину постоянного пикно-халоклина, как и в работах [4, 5, 12], принят максимум модуля градиента температуры воды по вертикали: верхней границей ХПС считается слой, где градиент максимально отрицателен (температура воды максимально быстро падает с глубиной; термоклин), нижней — где градиент максимально положителен (температура воды максимально быстро растет с глубиной; антитермоклин; термин введен в [10] для Черного моря). При всех недостатках этого формального подхода, он позволяет однозначно и довольно легко выделять ХПС на профилях различной степени сложности, а это, в свою очередь, дает возможность перейти к числовому и статистическому анализу его характеристик.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Общие характеристики ХПС в Гданьском бассейне в 2004—2008 гг. Процесс возникновения ХПС в вертикальной термохалинной структуре вод юго-восточной части Балтийского моря и его дальнейшей модификации в годовом цикле может быть охарактеризован серией вертикальных профилей температуры воды (рис. 2), построенных по данным СТЭ-зондирований в глубокой части Гданьского залива (рис. 1, ст. 12, глубина 80 м) с марта 2004 г. по март 2005 г. Видно, что к концу зимнего периода (а среднемноголетнее начало весеннего потепления в регионе приходится на первую декаду марта [2]) под влиянием интенсивного ветроволнового перемешивания и вертикальной конвекции формируется мощный ВКС, достигающий глубин порядка 60—70 м (см. рис. 2 — профили для начала марта 2004 и 2005 гг.), и холодный промежуточный слой еще отсутствует. По среднемноголетним данным [2], температура воды в ВКС данной акватории составляет 1—3°С, причем у берегов она может понижаться до 0°С на поверхности и ниже, как, например, это было в марте 2006 г. (рис. 3а, ст. 7--0.3°С). В этот период температура глубинной воды выше температуры верхнего слоя и составляет 4—6°С. Температура максимальной плотности (ТтА) в верхнем (однородном по солености) слое составляет 2.3—2.4°С; вертикальные профили ТтА для марта 2004 г. и марта 2005 г. также приведены на рис. 2. После суровых и нормальных зим температура воды оказывается ниже ТтА в верхнем слое на всей акватории моря [4, 18]. После мягких и теплых зим температура в глубокой части может оставаться
выше ТтА в течение всей зимы, но у берега она опускается ниже ТтА практически в любую зиму (см., например, ст. 7 на рис. 2 в марте 2004 г. и в марте 2005 г. — обе зимы были умеренными).
Весной, летом и осенью ХПС отчетливо выделяется на вертикальных профилях температуры воды (рис. 2) на глубинах от 20 до 65 м, и использование выбранного формального критерия позволяет вычислить его средние характеристики. На основе 11 вертикальных СТЭ-профилей, полученных в Гданьском заливе в весенне-летний (май, июль) период 2004—2008 гг., были определены положение верхней и нижней границ, мощность ХПС и характеристики его вод. Примеры профилей для мая и июля 2004 г. приведены на рис. 2. Анализ показал следующее.
Границы и мощность ХПС. Как правило, на вертикальных профилях температуры воды в верхних 20—30 метрах имеется не один, а 2—4 слоя с заметно повышенным значением вертикального градиента температуры, что, по-видимому, отражает историю прогрева верхнего слоя (суточный термоклин, сезонный термоклин, термоклин прошедшего шторма или эпизода интенсивного прогрева и т.п.). Тем не менее, именно в сезонном термоклине, интересном в данном случае, гра
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.