ОКЕАНОЛОГИЯ, 2015, том 55, № 4, с. 514-525
= ФИЗИКА МОРЯ
УДК 551.465
СТРУКТУРА ТЕРМОХАЛИННЫХ И БИООПТИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ НА ПОВЕРХНОСТИ КАРСКОГО МОРЯ В СЕНТЯБРЕ 2011 г.
© 2015 г. П. О. Завьялов, А. С. Ижицкий, А. А. Осадчиев, В. В. Пелевин, А. Б. Грабовский
Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва e-mail: peter@ocean.ru Поступила в редакцию 03.06.2013 г., после доработки 01.07.2013 г.
В статье представлены данные измерений термохалинных и биооптических полей в поверхностном слое Карского моря, выполненных в сентябре 2011 г. в 59-м рейсе НИС "Академик Мстислав Келдыш". Измерения проводились на ходу судна с помощью проточной CTD-системы (температура и соленость) и ультрафиолетового флуоресцентного лидара (концентрации хлорофилла, общей взвеси и растворенных органических веществ), что позволило обеспечить высокое пространственное разрешение (порядка 10—100 м) по маршруту экспедиции. Приведены подробные карты распределений указанных величин по акватории моря, выделены фронтальные зоны, построены Г^-диаграммы для приповерхностной водной массы и определены базисные водные типы. Показано, что одним из главных факторов, влияющих на формирование свойств поверхностного слоя, является обско-енисейский пресноводный сток. Во второй части статьи предложена численная модель динамики материкового стока в Карском море. Модельные эксперименты проведены для реальных ветровых условий августа—сентября 2011 г. (реанализ NCAR/NCEP), выполнена валидация модели на основе полученных в рейсе натурных данных.
DOI: 10.7868/S0030157415040176
ВВЕДЕНИЕ
Достаточно посмотреть на географическую карту, чтобы предположить, что свойства вод Карского моря в решающей мере определяются взаимодействием трех существенно разных по происхождению и характеристикам водных масс: вод баренцевоморского происхождения, поступающих с запада через пролив Карские Ворота, вод арктического бассейна, вторгающихся с севера в районе желоба Св. Анны восточнее острова Новая Земля, и опресненных вод материкового стока из района устьев Оби и Енисея. Для поверхностного слоя материковые воды играют особенно важную роль, при этом характер их распространения по акватории моря характеризуется значительной межгодовой изменчивостью и определяется как величиной и изменчивостью речного стока, так и ветровыми воздействиями ([3, 11], см. также статью Зацепина и др. в этом выпуске).
Реки приносят в Карское море в среднем около 1350 км3 пресной воды в год [2] (напомним здесь для сравнения, что, например, средний годовой сток Дуная в Черное море составляет "всего" около 200 км3, а сток Волги в Каспийское — около 250 км3). Объем среднегодового стока в Карское море, отнесенный к площади его акватории, составляет слой толщиной 152 см [5]. Этот крайне значительный объем поступающих реч-
ных вод — обладающих собственным запасом тепла и импульса, несущих взвесь, растворенную органику и биогенные вещества — распространяется на обширной территории в сравнительно мелководном бассейне и оказывает определяющее воздействие на все системы Карского моря. При этом воздействие стока не сводится только к прямому обмену свойствами между смешивающимися речными и морскими водами. Не менее важны динамические эффекты, связанные со способностью стока формировать мощную плотностную стратификацию в приповерхностном слое моря, тем самым подавляя вертикальное перемешивание и эффективно "экранируя" нижележащую водную толщу от обменов теплом и импульсом с атмосферой. Закономерности переноса материковых вод в море под влиянием ветрового воздействия и морских течений во взаимодействии с окружающими водными массами не до конца изучены.
Исследования гидрологии и гидрофизики современного Карского моря представляют большой интерес в контексте изменений климата в окраинных арктических морях. Однако это море пока остается одним из наименее изученных и обеспеченных данными морей России. Принимая во внимание многоплановый характер происходящих здесь гидрофизических процессов, а также учитывая затрудненную доступность этой
части океана средствам дистанционного зондирования ввиду почти постоянного присутствия облачности, можно утверждать, что основным средством изучения Карского моря должны стать комплексные экспедиционные наблюдения. Именно такие работы были выполнены в ходе 59-го рейса НИС "Академик Мстислав Келдыш" в сентябре—октябре 2011 г.
В данной статье представлены результаты этой экспедиции в части измерений термохалинных и био-оптических параметров поверхностного слоя моря. На основе полученных данных мы опишем пространственные распределения гидрологических полей по акватории моря, выделим фронтальные зоны и основные водные массы и обсудим количественные характеристики смешения последних. Для интерпретации наблюдавшейся термохалинной структуры поверхностного слоя мы также представим численную модель, специально разработанную для воспроизведения переноса материкового стока в море, и применим ее к условиям, соответствующим периоду проведения экспедиции.
АППАРАТУРА И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ
В ходе 59-го рейса НИС "Академик Мстислав Келдыш" выполнялась непрерывная регистрация термохалинных характеристик поверхностного слоя моря по ходу судна с помощью проточной CTD-системы. Отбор воды осуществлялся с помощью всасывающего центробежного насоса Grundfos JP-6 мощностью 1.5 кВт через гибкий витой шланг длиной 9 м, выведенный за борт с рабочей палубы. На ходу судна заборный конец шланга удерживался системой свинцовых грузов и растяжек на глубине 0.5—1 м под поверхностью воды. Фактическая производительность насоса — до 0.8 л/c. Вода подавалась в укрепленный на палубе специальный закрытый контейнер объемом 70 л с установленным в нем CTD-зондом SeaBird SBE911. Данные зондирования передавались по кабелю на компьютер в лаборатории вместе с данными судовой системы GPS. Частота первичных измерений зондом SBE911 — 24 зондирования в секунду при частоте опроса судовой системы GPS 2 Гц. Однако время обновления воды в баке составляло около 100 с. При скорости судна 10 узлов это соответствует пространственному масштабу "сглаживания" данных около 500 м.
При движении судна выполнялось также дистанционное зондирование поверхности моря флуоресцентным сканирующим лидаром. Лидар УФЛ-9 предназначен для экспрессных определений концентрации в морской воде растворенной органики, хлорофилла фитопланктона и взвеси. Основные технические характеристики лидара следующие: длина волны лазера — 354 нм, частота зондирования — 2 Гц, энергия импульса — 2 мДж,
длительность зондирующего импульса — 10 нс, входная апертура приемника — 140 мм, количество спектральных каналов — 11. Лидар был размещен в носовой части судна на планшире правого борта палубы надстройки, на высоте 7.5 м над поверхностью моря. Зондирующий луч направлялся на поверхность воды под углом 45 градусов к вертикали в область водной поверхности, свободную от пены. Проникающий в воду на глубину 1—3 м ультрафиолетовый лазерный импульс индуцирует флуоресценцию растворенных в этом столбе воды либо находящихся на поверхности органических веществ, а также испытывает комбинационное (рамановское) рассеяние непосредственно водой. Лазерное и флуоресцентное излучения в спектральном диапазоне 354—685 нм принимаются и анализируются спектроанализирующим блоком лидара. Интенсивности излучения в разных отрезках этого спектрального интервала затем пересчитываются в концентрации хлорофилла, взвеси и растворенной органики согласно методикам, описанным в работах [1, 6].
На станциях и в отдельных точках на переходах также отбирались пробы морской воды, которые затем фильтровались и консервировались. Одной из целей отбора проб было определение суммарной концентрации сестона в весовых единицах для последующего сопоставления с оптическими лидарными данными. Пробы отбирались с поверхности ведром. Фильтрация производилась через стекловолокнистые фильтры фирмы Whatman марки GF/F (размер пор — 0.7 мкм) и ядерные мембранные фильтры (размер пор — 0.45 мкм).
АНАЛИЗ ДАННЫХ НАБЛЮДЕНИЙ
На основе данных проточной зондирующей системы удалось построить достаточно детальные горизонтальные распределения солености и температуры на поверхности акватории Карского моря в сентябре и начале октября 2011 г. (рис. 1а, 1б).
По представленным выше данным можно условно оконтурить область опресненных поверхностных вод. С нашей точки зрения, для этой цели наилучшим образом подходит изохалина 19 епс. При таком допущении линза опреснения распространяется от енисейского взморья в узкой полосе на восток и в более широкой — в центральную часть моря, достигая северной оконечности острова Новая Земля. Следует отметить, что эта область довольно существенно отличается от соответствующей линзы опреснения, наблюдавшейся нами здесь в сентябре 2007 г. Тогда она состояла из двух отделенных друг от друга частей: одна была расположена вблизи устья, а другая была изолирована у центральной части Новой Земли [3]. Таким образом, положение, размер и состояние стоковой линзы обладают значительной изменчивостью в масштабах от синоптического (см.
°с.ш.
50 55 60 65 70 75 80 85 °в.д. °с.ш.
Рис. 1. (а) — Распределение температуры (°С) на поверхности Карского моря в сентябре-октябре 2011 г.: (б) — распределение солености (епс) на поверхности Карского моря в сентябре—октябре 2011 г., (в) — схематическое изображение выделенных фронтальных зон на фоне изолиний поверхностной солености (епс).
следующий раздел) до межгодового, связанной, по нашему предположению, прежде всего с влиянием ветрового воздействия.
Можно выделить несколько высокоградиентных зон, разграничивающих различные водные массы в поверхностном слое моря (рис. 1в):
1) фронт между водами баренцевоморского происхождения восточнее пролива Карские Ворота и водами, опресненными материковым стоком в центральной части моря на рис. 1в);
2) фронт между арктическими водами и водами, опресненными материковым стоком в северо-восточной части моря у южной оконечности желоба Св. Анны на рис. 1в);
3) внешний стоковый приустьевой фронт реки Енисей севернее о-ва Сибирякова и его продолжение на восток у п
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.