научная статья по теме РОЛЬ КВАЗИСТАЦИОНАРНОЙ ЗАПРИПАЙНОЙ ПОЛЫНЬИ В ФОРМИРОВАНИИ ПЛОТНЫХ ШЕЛЬФОВЫХ ВОД В ЗИМНИЙ ПЕРИОД И ИХ ПОСЛЕДУЮЩЕМ СКЛОНОВОМ КАСКАДИНГЕ (НА ПРИМЕРЕ МОРЯ ЛАПТЕВЫХ) Геофизика

Текст научной статьи на тему «РОЛЬ КВАЗИСТАЦИОНАРНОЙ ЗАПРИПАЙНОЙ ПОЛЫНЬИ В ФОРМИРОВАНИИ ПЛОТНЫХ ШЕЛЬФОВЫХ ВОД В ЗИМНИЙ ПЕРИОД И ИХ ПОСЛЕДУЮЩЕМ СКЛОНОВОМ КАСКАДИНГЕ (НА ПРИМЕРЕ МОРЯ ЛАПТЕВЫХ)»

УДК 551.465.41(268.53)

Роль квазистационарной заприпайной полыньи

в формировании плотных шельфовых вод в зимний период и их последующем склоновом каскадинге (на примере моря Лаптевых)

П. Н. Головин*

Шельфовые области в районе архипелага Северная Земля в море Лаптевых характеризуются существованием квазистационарной заприпайной полыньи, которая в течение всего зимнего периода периодически вскрывается под действием сильных отжимных ветров во время прохождения циклонов. В периоды открытой водной поверхности в полынье формируется приповерхностный турбулентный слой или слой вынужденной конвекции, в котором происходят интенсивное осолонение воды и повышение плотности, обусловленные активным объемным внутриводным ледообразованием. В результате под действием силы тяжести в нижележащих слоях развивается интенсивная трехмерная конвективная циркуляция. Она приводит к быстрой конвективной подстройке всей толщи воды, особенно в конце зимы, когда остаточная стратификация в районе полыньи ослаблена при суммарном действии осолонения, обусловленного фоновым статическим ЪМчфон и периодическим локальным внутриводным ледообразованием ЪМчвв. В целом за весь зимний период ЪМчж > ЪМчфоя в 3,4 раза, хотя при этом в течение одного месяца возможное время существования полыньи с открытой водной поверхностью составляет считанные сутки. Однако в эти периоды потоки соли при внутриводном ледообразовании превышают фоновые потоки соли в конже-ляционной полынье и фоновые потоки соли под толстыми льдами, ограничивающими полынью, в 10—80 раз. Распространяясь за пределы полыньи, плотные шельфовые воды формируют в районе полыньи мезомасштабную бароклинную циркуляцию, генерируя вначале интенсивный шельфовый каска-динг, а затем интенсивный склоновый каскадинг, который носит локальный и случайный характер. Полученные на основе результатов лабораторного моделирования некоторые оценки элементов бароклинной циркуляции конвективной природы в районе полыньи подтверждаются данными натурных наблюдений.

Введение

Квазистационарные заприпайные и прибрежные полыньи в зимний период в окраинных арктических морях оказывают большое влияние на гидрологические, динамические и ледовые условия в них [8, 16, 27—29, 33, 36, 41, 42, 44, 45, 47, 51]. Причиной вскрытия полыней чаще всего является сильный ветер, который отжимает дрейфующие льды от кромки припая или от берега [8, 16, 28, 29, 51]. В холодный период года полыньи с открытой водной поверхностью или молодыми формами льда являются локаль-

* Арктический и антарктический научно-исследовательский институт.

ными интенсивными источниками соли (отрицательной плавучести) в морской воде. Это обусловлено повышенной ледопродуктивностью при интенсивном внутриводном динамическом ледообразовании или быстром статическом нарастании молодого льда на нижней поверхности [8, 29, 32, 34, 46]. В результате в полыньях ветрового происхождения под турбулентным приповерхностным пограничным слоем или слоем вынужденной конвекции возникает интенсивная многоярусная гравитационная конвекция [8, 25, 31]. В условиях слабой остаточной зимней стратификации после быстрой конвективной подстройки всей толщи воды на шельфе до дна в районе полыньи формируются мезомасштабные гравитационные течения конвективной природы [28, 29, 42]. Таким образом, в районе существования заприпайной полыньи в периоды вскрытия происходит интенсивное формирование плотных шельфовых вод, которые, стекая по наклонному шельфу, участвуют в вентиляции промежуточных и глубинных вод Арктического бассейна [7, 9, 27, 33, 51].

Шельфовые районы в северной части архипелага Северная Земля в море Лаптевых характеризуются существованием квазистационарной за-припайной полыньи в течение каждого зимнего периода, а также гидрологическими условиями со слабой остаточной стратификацией, особенно в конце зимнего периода [7]. Поэтому при каждом вскрытии полыньи в этих районах Северной Земли происходит интенсивное формирование плотных вод. Они, распространяясь по наклонному шельфу к бровке шельфа, участвуют в материковом каскадинге, вентилируя промежуточные и глубинные воды котловины Нансена [9].

В данной статье анализируются метеорологические условия, способствующие регулярному вскрытию заприпайной полыньи в районе Северной Земли, и сопоставляются с данными ледовых наблюдений, в результате которых устанавливается факт существования полыньи. На основе определяемых суммарных теплопотерь с открытой водной поверхности в установленные периоды вскрытия полыньи рассчитываются эффективные потоки соли (отрицательной плавучести) в воду вследствие внутриводного динамического ледообразования, а также фоновые потоки соли в воду в результате статического роста льда на нижней поверхности в конжеляционной полынье и под толстыми льдами. В течение всего зимнего периода определяется вклад фонового статического и внутриводного динамического ледообразования в осолонение шельфовых вод. По результатам многочисленных лабораторных и теоретических исследований определяются элементы конвективной динамики в полынье с открытой водной поверхностью, а также некоторые элементы мезомасштабной бароклинной динамики конвективной природы в районе полыньи с открытой водной поверхностью, которые затем сопоставляются с данными натурных наблюдений.

Метеорологические условия, способствующие образованию и существованию квазистационарной заприпайной полыньи в районе Северной Земли в море Лаптевых

Для определения характерных метеоусловий, при которых происходит отжимание от припая дрейфующих льдов (вскрытие и поддержание полыньи с открытой водной поверхностью в районе Северной Земли в море

С. Ш.

80

.0

с. ш.

80

90° в. д.

100

110

Рис. 1. Сборная карта ледовой обстановки в районе архипелага Северная Земля в море Лаптевых и котловины Нансена по данным ледовых авиаразведок 16—21 марта 1985 г., которые проводились в период наблюдений на гидрологическом полигоне (рис. 1 в [9]).

1) 2—5 см (нилас); 2) 10—15 см; 3) 15—30 см; 4) 30—70 см; 5) 70—120 см; 6) 120—180 см (однолетний толстый лед); 7) > 200 см (старый лед).

Лаптевых), проанализированы срочные метеорологические наблюдения, выполненные на прибрежной метеостанции на м. Песчаный на о. Большевик во второй половине марта 1985 г. В этот период в районе моря Лаптевых проводился комплекс гидрологических (полигонная съемка) и ледовых наблюдений [6, 7, 9]. Данные ледовых авиаразведок, проведенных в период 16—21 марта 1985 г., на основе которых составляются сборные декадные карты ледовой обстановки, подтверждают существование в этот период заприпайной полыньи вдоль всего восточного побережья Северной Земли в море Лаптевых шириной от 10 до 30 км (рис. 1). Очевидно, причиной вскрытия полыньи явился циклон, который приблизился к Северной Земле с запада 19 марта 1985 г. (рис. 2). В периферийной части циклона на фронтальных разделах ветер достигал 15—17 м/с (рис. 2 и 36). В период прохождения циклона направление ветра в целом носит отжимной характер относительно генерального направления кромки припая. Лучше это видно на рис. 4, где показана изменчивость вектора скорости приземного ветра относительно кромки припая.

Согласно продолжительным наблюдениям, в районе прибрежной полыньи на о. Святого Лаврентия в Беринговом море периодическое вскрытие полыньи происходит при отжимных ветрах со скоростью 10 м/с [28, 29]. Однако существует мнение, основанное на многочисленных наблюдениях

на полыньях, что вскрытие прибрежной полыньи возможно при отжимном ветре 5 м/с [28, 51]. Когда существует припай шириной несколько десятков километров, предполагается, что вскрытие запри-пайной полыньи становится возможным при отжимном ветре скоростью 10 м/с. Совместный анализ срочных метеоданных и данных наблюдений за льдом в районе Северной Земли в море Лаптевых за весь зимний период 1984—1985 гг. подтверждает это предположение (рис. 1—4). Вскрытие заприпайных полыней в юго-восточной части моря Лаптевых также проходит при подобных метеоусловиях (рис. 1 и 2 в [8]). Важно, что, как правило, при прохождении циклона на фронтальных разделах происходит резкое усиление ветра до штормового (с 2—5 до 12—17 м/с) в течение одного срока наблюдений — 6 ч (рис. 36), а также резкое повышение температуры воздуха (с -35...-39 до -23...-27°С) (рис. 3а). Определить однозначно порог скорости ветра, при котором происходит вскрытие заприпайной или прибрежной полыньи, сложно.

Таким образом, необходимым условием для вскрытия североземельской заприпайной полыньи и поддержания открытой водной поверхности является ветер отжимных направлений. При генеральном направлении кромки припая ~ 320° (рис. 1 и 2) диапазон направлений ветра, при котором возможно вскрытие полыньи, составляет 160—310° (рис. 3в и 4). А достаточным условием является скорость ветра « 10 м/с (но > 5 м/с). На основе определенных необходимых и достаточных метеоусловий во второй половине марта 1985 г. можно выделить два периода, когда на полынье сильным отжимным ветром может поддерживаться открытая вода, — это 16 марта и 19—22 марта 1985 г. (рис. 3 и 4). Существование полыньи в период 19—22 марта подтверждается ледовыми авиаразведками (рис. 1), а с 24 марта, когда направление ветра резко изменилось на прижим (рис. 3в), полынья "захлопнулась", что также подтверждается наблюдениями. Для дальнейшего анализа и расчетов был выбран подтвержденный факт существования полыньи 19—22 марта. Причиной выбора явилось начало гидрологических наблюдений (рис. 4) на полигоне в районе Северной Земли в море Лаптевых (рис. 1 в [7]), и именно 21 марта был выполнен 1-й разрез полигона, шельфовая станция которого (станция 1) находится в непосредственной близости от полыньи (на расстоянии 10—12 км (рис. 1)).

90° в. д. 100 110

Рис. 2. Поле атмосферного давления и ветровые условия в районе архипелага Северная Земля в море Лаптевых, которые способствовали вскрытию севе-роземельской заприпайной полыньи при подходе циклона 19 марта 1985 г.

Заштрихованная область — припай.

Расчет теплопотерь в полынье с открытой водной поверхностью

Сильный отжимной ветер, поддерживая пространство открытой воды в

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.

Показать целиком