ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ, 2014, том 41, № 4, с. 362-374
ГИДРОФИЗИЧЕСКИЕ ^^^^^^^^^^^^ ПРОЦЕССЫ
УДК 551.46
ВОССТАНОВЛЕНИЕ ГОДОВОГО ХОДА ТЕРМОХАЛИННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК И ЦИРКУЛЯЦИИ ВОД НА СЕВЕРО-ВОСТОЧНОМ ШЕЛЬФЕ САХАЛИНА © 2014 г. В. М. Пищальник*, В. С. Архипкин**, А. В. Леонов***
*Сахалинский государственный университет 693008 Южно-Сахалинск, ул. Ленина, 290 E-mail: vpishchalnik@rambler.ru **Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова 119991 Москва, ГСП-1, Ленинские горы E-mail: victor.arkhipkin@gmail.com ***Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН 117997Москва, Нахимовский просп., 36 E-mail: leonov@ocean.ru Поступила в редакцию 10.10.2013 г.
Методами статистического моделирования с помощью ГИС "Сахалинский шельф" восстановлен годовой ход температуры, солености и плотности воды от поверхности до дна на 60-ти стандартных океанографических станциях на северо-восточном шельфе Сахалина (общая продолжительность наблюдений ~40 лет). Методами численного моделирования с помощью океанической модели Бергенского университета выполнено пространственное восстановление полей температуры и солености воды на стандартных горизонтах в узлах регулярной сетки. В результате анализа расчетных данных выявлены новые черты гидрологического режима и впервые получены максимально детализированные термо-халинные поля для полного годового цикла, по которым рассчитана среднемесячная трехмерная циркуляция вод.
Ключевые слова: температура и соленость воды, пространственная и сезонная изменчивость термо-халинных характеристик, ГИС "Сахалинский шельф", океаническая модель Бергенского университета, циркуляция вод.
Б01: 10.7868/80321059614040129
На современном этапе изучения водных экосистем важными и эффективными методами исследования гидрологических, гидрохимических и гидробиологических процессов (помимо непосредственных наблюдений и натурных экспериментов) становятся системный анализ и математическое моделирование. Исследования механизмов поведения водных экосистем и оптимизации сложных многопараметрических нелинейных процессов, теоретическое и экспериментальное изучение которых в природных условиях или затруднено, или вовсе невозможно, наиболее эффективно выполняются с помощью системных моделей (или комплексных моделей, включающих в себя описание процессов переноса и трансформации веществ). Для решения этих задач необходимо располагать исходными данными с подробным пространственным разрешением. Накопленные к настоящему времени массивы гидрометеорологической
информации и теоретические разработки моделей позволяют решать подобные задачи на современном техническом уровне.
Данная статья — первая публикация в цикле работ по исследованию условий функционирования морской экосистемы восточного шельфа Сахалина. В ней впервые предпринята попытка смоделировать абиотическое состояние морской среды на северо-восточном шельфе Сахалина для полного годового цикла с месячной дискретностью. Это — логическое продолжение выполненных ранее исследований на западном шельфе острова (Татарский прол.) с использованием разработанной авторами методики последовательного применения трех специализированных электронных инструментов (ГИС "Сахалинский шельф", адаптированная версия океанической модели Бергенского университета (БОМ) и гидроэкологическая СМР8ьмодель), которые в конечном
итоге позволяют оценить условия функционирования морских экосистем практически в любом районе Мирового океана при отсутствии детализированной океанологической информации [6—8, 16-24, 26, 31, 35].
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ И МЕТОДЫ ИХ ОБРАБОТКИ
Начало и окончание проведения гидрологических работ на исследуемой акватории в основном лимитируются ледовой обстановкой. Первое появление льда вдоль северо-восточного побережья о. Сахалин фиксируется, как правило, в третьей декаде ноября. В суровые и мягкие зимы сроки начала ледообразования смещаются на 7-10 сут в сторону соответственно более ранних или более поздних дат. Дополнительное препятствие для выполнения гидрологических съемок в предзимье — продолжительные жестокие штормовые условия. Поэтому судовые наблюдения прекращались, как правило, в первой декаде ноября.
Очищение акватории над северо-восточным шельфом о. Сахалин ото льда происходит крайне неравномерно. Первым освобождается ото льда район 4 (рис. 1). Это событие отмечается в конце мая - начале июня и обусловлено двумя факторами: сменой направления муссона (следовательно, направления дрейфа льда) и термическим разрушением льда. Далее с задержкой примерно до недели последовательно происходит очищение районов 3, 2 и 1.
Средняя дата смены зимнего муссона для береговых гидрометеорологических станций, независимо от типа зимы, — 1 мая [29]. Над водной поверхностью (НГДП Моликпак, 52°—53° с.ш.) смена меридиональной составляющей направления ветра весной происходит на 10—15 сут раньше, или во второй — третьей декаде апреля [31]. В малоледовитые зимы процесс смены направления муссона явно не выражен и может продолжаться с конца марта до конца июля [15]. Над акваторией северо-восточного шельфа в мае—июне, помимо смены муссона, дополнительными факторами, определяющими характер перераспределения льда, служат разрушение ледяной дамбы на северном фарватере Амурского лимана и приливные явления, обусловливающие транзит льда из Сахалинского зал. на акваторию у восточного Сахалина [5, 35]. В отдельные годы остатки ледяного массива в районе 1 могут сохраняться до конца июня, поэтому гидрологические наблюдения в весенний период здесь начинались не ранее второй декады июня.
Для восстановления временного хода температуры воды (7^) и ее солености были исполь-
144° 146° в. д.
Рис. 1. Районирование акватории северо-восточного шельфа для вычисления средних океанологических станций. 1 — границы районов, 2 — границы расчетной сетки, 3 — разрез, 4 — стандартная океанографическая станция, 5 — номер района.
зованы их среднемесячные значения по сети стандартных океанографических разрезов для безледного периода (с мая по ноябрь включительно), полученные с помощью ГИС "Сахалинский шельф" [21]. Сеть станций наблюдений из семи разрезов была сформирована на северо-восточном шельфе Сахалина в начале 1950-х гг. и состоит из 60-ти глубоководных гидрологических станций (рис. 1). К середине 1990-х гг. практически все регулярные океанографические наблюдения на стандартных разрезах были прекращены. По
Количество глубоководных наблюдений за отдельными параметрами морской среды в северо-восточной части шельфа о. Сахалин за 1948—1996 гг. (в числителе — на всей акватории, в знаменателе — на стандартных разрезах) [21]
Т, °C S, %0 О2, мл/л рН PO4, мкг Р/л NO2, мкг N/л SiO3, мг Si/л
4394 4364 1 979 1 864 794 847 8 62
1 293 1 1 54 789 485 1 79 226 250
оценкам [20, 22], всего за период наблюдений на акватории северо-восточного шельфа о. Сахалин было выполнено ~4.4 тыс. глубоководных наблюдений, из которых ~1.3 тыс. — на стандартных разрезах (таблица).
Поскольку в период с начала декабря до конца мая инструментальные гидрологические наблюдения на стандартной сети станций никогда не проводились, то для их восстановления в холодный период года была применена следующая технология. По современным представлениям о физических процессах, происходящих при охлаждении вод в Охотском море, нижняя граница деятельного слоя на восточном шельфе Сахалина расположена на глубине 100—150 м [11—13]. Другими словами, начиная с этой глубины нельзя достоверно отделить ряды средних многолетних распределений показателей друг от друга. В связи с этим ниже горизонта 150 м значения Tw и Sw задавались на основе среднемноголетних данных. Для верхнего слоя они рассчитывались с помощью бикубического сплайна по значениям этих параметров во временных реперных точках (начало и конец ледового сезона), а в промежутке между ними задавалась температура замерзания и среднемноголетние значения Sw для горизонта 150 м с учетом фазового запаздывания по глубине. После расчетов выполнялся экспертный контроль графиков годового хода значений Tw и Sw для всех горизонтов на каждой станции. Для контроля восстановления временного хода гидрологических параметров в ледовой период использовались STD-измерения (предоставленные Sakhalin Energy Investment Company Ltd), которые были проведены в начале 2000-х гг. (в конце ноября, в декабре и мае) по специальным программам на акваториях морских нефтегазовых месторождений.
Для восстановления значений Tw и Sw в узлах регулярной сети использовалась трехмерная нестационарная нелинейная численная океаническая модель БОМ в ст-координатах [33]. Входными данными для нее послужили вычисленные статистическими методами среднемесячные многолетние значения Tw и Sw на океанографических станциях стандартных разрезов. При моделировании атмосферное давление, ветровое напряже-
ние и потоки тепла и солей не задавались. На жидких границах для скоростей течений, Тк и Sw было выбрано условие Неймана. Шаг по оси х — 10 км, а по оси у — 25 км. По вертикали от поверхности до дна задавалось 35 ст-горизонтов.
Как было отмечено в [25], применение математических океанических моделей для восстановления океанографических полей позволяет избежать их рассогласования, в отличие от статистических методов, где каждый параметр рассчитывается отдельно. Суть такого подхода заключается в том, что значения Тк и Sw на стандартных океанографических станциях сохраняются постоянными в течение всего времени моделирования. В узлах регулярной сетки, не совпадающих с положением станций, значения параметров вычисляются с учетом заданных значений на этих станциях и рассчитанной на данном шаге циркуляции вод с учетом рельефа дна и конфигурации бассейна. Расчет прекращается при достижении стационарных значений уровня моря и течений во всех узлах регулярной сетки. По восстановленным океанографическим полям в узлах регулярной сетки было проведено районирование исследуемой акватории. Критериями районирования послужили изменчивость параметров и их средние и абсолютные величины [25]. Для выделенных районов были рассчитаны средние океанографические станции, которые затем использовались для ана
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.