авторефераты диссертаций www.x-pdf.ru
БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
 

На правах рукописи

Степанова Наталья Борисовна

ВЕРТИКАЛЬНАЯ ТЕРМОХАЛИННАЯ СТРУКТУРА И МЕХАНИЗМЫ

ФОРМИРОВАНИЯ ХОЛОДНОГО ПРОМЕЖУТОЧНОГО СЛОЯ

БАЛТИЙСКОГО МОРЯ

Специальность 25.00.28 – Океанология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Москва ‒ 2015

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении

науки Институте океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук и

Московском физико-техническом институте (государственном университете)

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор

Жмур Владимир Владимирович

Официальные оппоненты:

Кошель Константин Валентинович,

доктор физико-математических наук, доцент,

заведующий

Лабораторией

геофизической

гидродинамики Федерального государственного

бюджетного учреждения науки Тихоокеанского

океанологического института им. В.И. Ильичева

Дальневосточного

отделения

Российской

академии наук

Архипкин Виктор Семенович,

кандидат географических наук, доцент,

доцент кафедры океанологии Географического

факультета

Федерального

государственного

бюджетного

образовательного

учреждения

высшего

профессионального

образования

«Московский государственный университет им.

М.В. Ломоносова»

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «Российский государственный

гидрометеорологический университет»

Защита состоится «14» декабря 2015 года в 12 ч. 00 мин. на заседании

Диссертационного совета Д 002.239.02 при Федеральном государственном

бюджетном учреждении науки Институте океанологии им. П.П. Ширшова

Российской академии наук по адресу: 117997, Москва, Нахимовский проспект,

д. 36.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте

http://ocean.ru/disser/ Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН.

Автореферат разослан «

»

2015 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат физико-математических наук

Гинзбург Анна Ивановна

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В структуре промежуточных слоев внутренних

морей находят отражение многие процессы: внешний водообмен, общая

динамика вод в масштабах самого бассейна, региональные пространственно-

временные особенности транспорта вод, локальные механизмы перемешивания

и обмена. Поэтому исследование их формирования и эволюции полнее

раскрывает различные аспекты динамики вод моря и является актуальным.

В целом, изучению механизмов генерации, регионов формирования,

объемов и характеристик промежуточных вод, путей их распространения в

разных морях посвящено множество публикаций (особенно детально – по

Средиземному и Чёрному морям). На этом фоне исследования промежуточного

слоя Балтийского моря выглядят крайне фрагментарно, и ни один из

перечисленных выше вопросов практически не обсуждается.

Принято считать, что балтийский холодный промежуточный слой (ХПС) –

это реликт зимнего верхнего квазиоднородного слоя, наблюдаемый в теплое

время года (Leppäranta and Myrberg, 2009). Однако вертикальные профили

основных физических характеристик в пределах ХПС довольно сложны: на

фоне квазиоднородности по солености, типичные профили температуры воды

имеют крайне неоднородную структуру, включающую в себя участки падения

и роста температуры воды, прослойки вод с температурой ниже температуры

максимальной плотности (Тмп), квазиоднородные и высокоградиентные по

разным параметрам прослойки. Это указывает на вклад многих механизмов и, в

целом, на комплексность происхождения промежуточных вод Балтийского

моря. Исследование структуры ХПС и анализ вероятных механизмов его

формирования и эволюции на основе экспедиционных натурных данных и

лабораторного

моделирования

позволяют

глубже

понять

общий

термохалинный водообмена в Балтийском море.

Принимая во внимание отмечавшийся в последние десятилетия, в период

между большими

затоками

североморских

вод,

нараставший дефицит

кислорода и сероводородное заражение глубинных вод Балтийского моря,

4

вопрос их вентиляции какими-либо альтернативными механизмами делает

исследование ХПС исключительно актуальным.

Целью

данной

диссертационной

работы

является

исследование

особенностей термохалинной структуры ХПС Балтийского моря и анализ

наиболее вероятных механизмов его формирования и эволюции. Для

достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1.

Предложить метод выделения ХПС, удовлетворяющий специфическим

условиям Балтийского моря, в котором температура и соленость вод в силу

географических особенностей заметно изменяются по горизонтали (вдоль

главной оси моря).

2.

Провести

анализ

экспедиционных

натурных

данных,

выявить

вертикальную

структуру

собственно

ХПС

по

различным

параметрам,

определить диапазоны изменения основных характеристик (температуры,

солёности, плотности), а также сезонно наблюдаемые и пространственные

закономерности вод ХПС.

3.

Выделить основные элементы вертикальной термохалинной структуры

ХПС и этапы его эволюции в сезонном цикле.

4.

Провести анализ вероятных механизмов перемешивания и транспорта,

способных сформировать наблюдаемые особенности структуры и обеспечить

их модификацию в сезонном цикле.

5.

Используя в качестве естественных трассеров при анализе натурных

данных солёность вод и аномально низкую температуру, привлекая результаты

лабораторных

исследований,

спутниковую

информацию,

известные

аналитические зависимости – оценить эффективность вкладов основных

механизмов перемешивания и транспорта в формирование и эволюцию ХПС

Балтийского моря.

Научную новизну исследования составляют положения, выносимые на

защиту:

1.

Установлено, что основными элементами вертикальной термохалинной

структуры холодного промежуточного слоя в основных бассейнах собственно

находящееся

подслоями.

при формировании ХПС в области границы между этими

2.

Показано, что неоднородность свойств вод в пределах ХПС в период

формирования (март–апрель) обеспечивается значительным вкладом адвекции.

Квазиоднородный по солёности подслой ХПС в этот период составляет около

2/3 общей мощности ХПС; он формируется в пределах чаш отдельных

бассейнов механизмами, связанными с действием ветра и дифференциальным

прогревом вод при наличии близких берегов. Градиентный по солёности

подслой составляет около 1/3 общей мощности ХПС. Мощность однородных и

по температуре, и по солёности прослоек – потенциальных остатков зимнего

вертикального перемешивания – уже в мае составляет не более 10% мощности

ХПС.

3.

Для периодов развития вертикальной конвекции разработан метод оценки

величины теплообмена между прибрежной и глубокой частями бассейна по

температуре поверхности воды с учетом особенностей топографии дна в

прибрежной зоне, показавший, что в квазистационарном режиме обмена,

возникающего в результате дифференциального прогрева прибрежных вод,

около 50% тепла, уходящего через поверхность всей прибрежной зоны,

компенсируется теплообменом с глубоким морем.

Достоверность научных результатов и выводов работы обеспечивается

проведением детального анализа многочисленных экспедиционных натурных

данных

в

совокупности

с

использованием

результатов

лабораторных

экспериментов. Данные контактных измерений были получены с помощью

современных приборов, широко используемых в мировой практике, или взяты

из

международных

открытых

баз

данных

(NEST,

ICES).

Результаты

5

Балтийского моря являются: (1) квазиоднородный по солености подслой с

солёностью вод, характерной для ВКС данного региона в зимний период, и

температурой, нерегулярно изменяющейся с глубиной; (2) нижележащий

градиентный по солености подслой, характеризующийся ростом солености с

глубиной и низкой температурой; (3) ядро ХПС (минимум температуры воды),

6

проведенного лабораторного эксперимента – картина течений и поля

температуры

воды

хорошо

согласуются

с

ранее

опубликованными

результатами других авторов, также изучавших водообмен между прибрежной

и глубокой частями водоема. Определенной гарантией достоверности выводов

работы является их публикация в престижных рецензируемых зарубежных и

отечественных журналах.

Научная и практическая значимость работы. Результаты, полученные в

настоящей

работе,

углубляют

понимание

процессов,

влияющих

на

модификацию промежуточного слоя вод Балтийского моря, что может быть

важным для изучения переноса примесей в водоеме. Достигнутый прогресс в

понимании причин эволюции характеристик промежуточных слоев собственно

Балтийского моря и важности вклада в их модификацию не только

вертикального перемешивания, но и механизмов адвективного происхождения

является важным шагом в изучении общего водообмена Балтийского моря.

Необходимо отметить, что работа посвящена собственно Балтийскому

морю,

не

включая

Ботнический

и

Финский

заливы.

Бóльшая

часть

обработанных данных собрана российскими судами в Юго-Восточной Балтике,

данные из остальных регионов собственно Балтийского моря почерпнуты из

открытых международных баз данных. Это связано как с тем, что натурные

исследования с участием автора были ограничены Юго-Восточной Балтикой,

так и с тем, что гидрологические режимы исключенных районов имеют

отличия от собственно Балтийского моря.

Личный

вклад

автора.

Автор

участвовала

в

работе

научно-

исследовательских экспедиций в Балтийском море, в ходе которых были

частично получены натурные данные, использованные в диссертационной

работе. Автор самостоятельно создала программу автоматизации обработки

вертикальных CTD-профилей, выполнила обработку данных измерений за

исследуемый период и проанализировала вертикальную структуру и свойства

вод ХПС, предложила интерпретацию полученных результатов. Автор

участвовала в подготовке и проведении серии лабораторных экспериментов,

7

направленных на изучение тепло- и водообмена между прибрежной и глубокой

частью водоема, провела обработку данных, в результате чего оценила

величину теплообмена шельфа с глубокой частью моря в периоды развития

вертикальной

конвекции.

Автор

обеспечила

подготовку

полученных

результатов к опубликованию в ведущих российских и зарубежных журналах, а

также представляла их на российских и международных конференциях и

семинарах.

Апробация работы. Основные результаты диссертации представлялись на

заседаниях Ученого совета Физического направления Института океанологии

им. П.П. Ширшова РАН (январь, май 2015 г.), научном семинаре Лаборатории

прибрежных систем Атлантического отделения Института океанологии им.

П.П. Ширшова РАН (2014 г.), заседаниях секции физики моря на 50, 52, 53, 54,

55, 56, 57 научных конференциях МФТИ (2008, 2009, 2010, 2011, 2012, 2013,

2014 гг.), XI, XII, XII международной научно-технической конференции

«Современные методы и средства океанологических исследований» (Москва,

2009, 2011, 2013 гг.), Генеральной ассамблее Европейского геофизического

союза в Вене, Австрия (2010, 2013 гг.), международной конференции

«Динамика прибрежной зоны бесприливных морей» (2008, 2010, 2014 гг.),

BSSC (2007, 2011, 2013, 2015 гг.), XXV IUGG General Assembly (2011 г.).

Публикации по теме диссертации. Материалы диссертации полностью

изложены в работах, опубликованных соискателем. По теме диссертации

опубликовано 15 работ, в том числе 3 статьи в ведущих российских и

зарубежных рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК, 5 статей в

других журналах и сборниках научных трудов и 7 тезисов докладов на

российских и международных конференциях.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4-х

глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Объем

работы составляет 192 страницы. Текст исследования иллюстрирован 93

рисунками и 12 таблицами. Библиографический список включает в себя 126

наименований, в том числе 83 на иностранных языках.

8

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении представлена общая характеристика работы, включающая

обоснование актуальности темы, основную цель исследования, поставленные

задачи,

основные

положения,

выносимые

на

защиту,

достоверность

полученных результатов, научную и практическую значимость, личный вклад

автора, апробацию результатов исследования.

Глава 1 содержит обзор литературы по исследуемым проблемам. В

разделе 1.1 приводится обзор механизмов перемешивания в природных

водоемах. Рассматривается влияние границ и топографии, плотностной

стратификации. Отдельно описывается ветровое перемешивание. Обсуждаются

временные масштабы перемешивания. В разделе 1.2 на основании обширного

обзора литературы описаны промежуточные слои Черного, Средиземного,

Аральского морей и залива Св. Лаврентия. Подробно освещено развитие

научных

представлений

о

различных

особенностях

формирования

промежуточных слоев. В разделе 1.3 дается обобщенная характеристика

термохалинной структуры вод Балтийского моря, отдельный пункт посвящен

обзору современного состояния научных исследований его

холодного

промежуточного слоя.

В разделе 1.4 дается описание используемых в работе данных, полученных

различными организациями в прибрежно-шельфовой и глубоководной частях

собственно Балтийского моря. В первую очередь, это данные Института

Исследований Балтийского Моря в Варнемюнде (IOW) за 2005–2006 гг.,

полученные по программе HELCOM на стандартном разрезе экологического

мониторинга Балтийского моря [http://www.io-warnemuende.de] и доступные

для использования в научных целях по запросу. Для анализа сезонного хода

вертикальной термохалинной структуры, структуры ХПС, сравнительного

анализа свойств шельфовых и промежуточных вод использовались данные

гидрофизических измерений 8 экспедиций на НИС «Профессор Штокман»,

проводившихся в юго-восточной части Балтики в различные сезоны (март, май,

июль) с 2004 по 2008 гг. В анализе процесса формирования ХПС в весенний

9

период ключевую роль играли данные экспедиций Лаборатории прибрежных

систем АО ИО РАН в прибрежно-шельфовой зоне Юго-Восточной Балтики в

2006–2013 гг. Это данные с регулярно повторяемого CTD-разреза от берега до

изобаты 65–70 м (с шагом вдоль разреза 500 м). Частично использовались

открытые базы данных по Балтийскому морю (NEST - Baltic Environmental

Database; ICES).

Для верификации одной из гипотез, используемых в работе, была

проведена серия лабораторных экспериментов в гидролотке АО ИО РАН и

анализировались

спутниковые

SST-изображения

радиометров

MODIS

(спутников Aqua и Terra), как мгновенные снимки, так и недельные композиты.

Помимо

используемых

натурных

данных,

в

данном

разделе

обосновывается и описывается применяемая методика выделения ХПС как слоя

от глубины, где температура имеет максимальный отрицательный градиент

по

вертикали,

до

глубины,

где

температура

имеет

максимальный

положительный градиент по вертикали. Приводится изложение методики

обработки данных вертикальных зондирований с помощью созданной автором

программы обработки.

В разделе 1.5 содержатся выводы по первой главе.

Результаты обработки и анализа данных приведены в Главе 2,

посвященной описанию структуры и эволюции холодного промежуточного

слоя в юго-восточной части Балтийского моря.

В

разделе

2.1

приводится

анализ

характеристик

холодного

промежуточного слоя в Юго-Восточной Балтике в весенне-летний период в

2004–2008 гг. Описываются сезонные изменения вертикальной термохалинной

структуры

и

временные

рамки

существования ХПС. Сопоставительно

анализируются 11 вертикальных CTD-профилей разных лет, содержащих в

своей структуре холодный промежуточный слой (подобного анализа ранее не

проводилось). В разделе 2.2 описывается термохалинная структура вод в

прибрежной зоне Юго-Восточной Балтики в весенний период, проводится

сопоставительный анализ характеристик прибрежных вод с характеристиками

10

вод холодного промежуточного слоя в регионе в летний период. Проводится

сравнительный анализ данных после зим различной суровости. В разделе 2.3

проводится обобщение проведённого анализа: даны общие характеристики

ХПС в Гданьском бассейне в 2004–2008 гг., положение верхней и нижней

границ, мощность ХПС; описана его вертикальная структура. Детально

рассмотрен процесс возникновения ХПС и эволюция его структуры в сезонном

цикле. Обсуждается сезонная модификация T,S-характеристик вод, образующих

ХПС в Гданьском бассейне, а также роль процессов перемешивания в области

температур, близких к Тмп.

В разделе 2.4 выделяются элементы структуры ХПС (рис. 1). К основным

(т.е. обнаруживаемым на всех без исключения вертикальных CTD-профилях)

элементам структуры холодного промежуточного слоя, можно отнести:

· квазиоднородный по солености подслой,

· градиентный по солености подслой,

· ядро ХПС (минимум температуры), располагающееся в области границы

между ними.

Рисунок 1. Элементы структуры ХПС: квазиоднородный по солёности подслой

(синим), градиентный по солености подслой (оранжевым), ядро ХПС

(звездочка), однородные по всем параметрам прослойки (красным)

К

важным,

характерным,

но

лишь

эпизодически

встречающимся

элементам структуры относятся:

· прослойка с TTмп,

· однородные по всем параметрам прослойки,

11

· небольшая (0.1–0.3) ступенька по солености в области верхней границы

ХПС,

· признаки интрузий (ступеньки) в нижней части ХПС.

В разделе 2.5 даны выводы по второй главе.

Глава 3 посвящена серии лабораторных экспериментов, поставленных в

бассейне с наклонным дном, с целью более детального изучения одного из

механизмов, дающих свой вклад в формирование ХПС: адвективного переноса

вод из шельфовой зоны в промежуточные слои глубокой части в результате

формирования дифференциального прогрева/выхолаживания прибрежных вод.

Исследуется теплообмен между прибрежной и глубокой частью моря в

периоды развития вертикальной конвекции. В разделе 3.1 описывается

лабораторная установка, наблюдаемые в ходе экспериментов циркуляции и их

развитие, обсуждаются вертикальные профили температуры воды и скорости

течений, обосновывается необходимость анализа изменения теплосодержания

воды бассейна в течение всего эксперимента. В разделе 3.2 приводится вывод

зависимости температуры поверхности воды в области с наклонным дном от

расстояния от берега. Далее теоретический профиль сравнивается с данными

лабораторного эксперимента и с SST-профилями над подводными склонами

Юго-Восточной Балтики в весенний и осенний периоды.

Раздел 3.3 посвящён обсуждению собственно процесса теплообмена

между шельфом и глубоким морем. Рассматривается физика процесса, на

основе чего предлагается метод оценки величины теплообмена между

прибрежной и глубокой частями водоема в период развития картины

дифференциального прогрева/выхолаживания, используя только данные о

топографии

дна

и

легкодоступную

спутниковую

информацию.

Идея

предлагаемого

метода

исключительно

проста:

располагая

картинами

дифференциального

прогрева

над

известным

полем

глубин

в

два

последовательных момента времени, можно по изменению интегрального

теплосодержания

вод

прибрежной

области

вычислить

величину

«обогревающего» действия обмена с глубоким морем. Действительно,

12

интегральный теплозапас (теплосодержание) прибрежной зоны изменяется в

результате совместного действия теплообмена (1) через поверхность и (2) через

границу с открытым морем. Зная соотношение теплообмена через поверхность

в прибрежной и глубокой зонах, можно получить оценку его величины из

изменения температуры воды в глубокой области. Далее, зная изменение

теплозапаса прибрежной зоны и теплообмен через её поверхность, можно

получить

интегральную

оценку

теплообмена

с

морем

за

выбранный

промежуток

времени.

Принципиальная

схема

задачи

и

необходимые

обозначения приведены на рис. 2.

Рисунок 2. Схематичное представление области над склоном и глубокого моря,

границы между ними L(t), толщины ВКС D(t), профиля глубин d(x, t) и

температуры поверхности воды в области над подводным склоном T(x, t),

разности температур между прибрежной зоной и глубоким морем ΔТ(t),

потоков тепла (Н0, Нsea) и массы (Qsea)

Результаты лабораторного эксперимента показали, что в среднем 50%

тепла, уходящего из прибрежной зоны путем теплообмена с атмосферой,

возвращается

в

результате

теплообмена

с

морем.

Оценка

величины

теплообмена между шельфом и глубоким морем в юго-восточной части

Балтики с помощью представленного метода [Chubarenko et al., 2013] показала,

что теплообмен с глубоким морем компенсирует порядка 40–60% потерь тепла

через поверхность всей прибрежной области. Эта («тепловая») часть метода

даёт адекватную оценку при транспорте тепла не только конвективной, но и

любой природы, при наличии вертикального перемешивания, позволяющего

определить положение «границы прибрежной зоны».

13

Анализ формы и изменчивости по времени реальных SST-профилей

указывает, что между шельфом и глубоким морем водообмен значительно

больше, чем в квазистационарном режиме (т.е. больше, чем может обеспечить

горизонтальный транспорт только конвективной природы). Следовательно,

влияние ветровых, компенсационных и других течений не только присутствует

(что очевидно), но и существенно увеличивает обмен шельфов с глубоким

морем в реальных ситуациях, и форма профиля температуры поверхности воды

от берега в глубокое море – удобный индикатор этого обмена.

В разделе 4.1 Главы 4 рассматриваются механизмы перемешивания и

транспорта в стратифицированных бассейнах, затрагивающие промежуточные

слои. Проводится общий анализ механизмов и описывается их приложение к

Балтийскому морю. В отдельных параграфах рассматриваются: реакция

бассейна с пикноклином на ветровое воздействие, вертикальная конвекция и

штормовое ветро-волновое перемешивание, влияние эстуарийного градиента

плотности, признаки послойной термической конвекции в Балтийском море,

признаки послойной конвекции по типу солевых пальцев, а также возможность

поступления вод в промежуточный слой по механизму «демона Стоммела».

В разделе 4.2 рассматривается формирование основных элементов

структуры ХПС в его связи с определенными механизмами перемешивания и

транспорта. В процессе эволюции ХПС в сезонном цикле выделяются четыре

существенно неравных по времени и различных по общефизической сути

этапа его модификации (рис. 3).

На I Этапе (мартапрель), ранней весной (март), температура воды

служит естественным трассером происходящих процессов, мало влияя на

плотность воды. При этом, однако, значительную роль играет смена режима

вертикального перемешивания при переходе температуры воды через Тмп (если

она опустилась ниже за прошедший зимний период). Эволюция вертикальных

профилей температуры воды в период до достижения Tмп указывает, что

максимальную в течение года толщину и ВКС, и ХПС обеспечивает отнюдь не

зимнее (ветро-волновое плюс конвективное) перемешивание, а условия в период

14

ранневесеннего прогрева. Оказалось, что плотность прибрежных вод в регионе

ранней весной попадает в диапазон плотностей ХПС (в глубокой части моря в

летний период) и соответствует его верхней части; однако T,S-характеристики

предполагают их потенциальное продвижение в промежуточных слоях к

северу, где соленость вод в целом ниже.

Важную роль в формировании (зарождении) ХПС играют локальные

процессы: локальное вертикальное перемешивание и горизонтальная адвекция

вод близкой к локальной солёности. Вертикальное перемешивание (ветро-

волновое плюс конвективное), строго говоря, оставляет свой след в водах ХПС

лишь однажды: только последний акт перемешивания (и не обязательно при

T=Tмп) остается надолго «заморожен» в верхней части ХПС. После этого

нижняя часть ХПС начинает интенсивно замещаться еще более холодными

водами близкой к локальной солёности, рожденными, видимо, на ближайших

мелководьях и подводных склонах, которые поступают в промежуточные слои

благодаря действию нагонного ветра или горизонтальной конвекции над

склонами [Чубаренко Н., 2009; Чубаренко И., 2010а; Степанова, 2013]. Этот

период развития интрузий с ближайших наклонных границ также короток и

заканчивается, когда разовьется достаточно жесткий летний термоклин,

ограничивающий глубину проникновения прибрежных вод.

В этот же период отмечается также повышение активности интрузий в

нижней (градиентной по плотности/солёности) части ХПС, в области

пикноклина и ниже [Kuzmina et al., 1999]. Судя по свойствам вод интрузий,

обновляющих воды в градиентной прослойке ХПС (очень низкой температуры

и повышенной солёности), они были сформированы в верхнем слое

Борнхольмского и/или Арконского бассейнов. С этого времени (конец апреля –

май) воды ХПС оказываются «законсервированы» в промежуточных слоях, и

аномально низкие температуры воды в нем сохраняются на весь тёплый сезон

без радикальных изменений.

На основании соотношения мощности отдельных прослоек приводится

соотношение вкладов основных процессов формирования ХПС в марте–апреле.

15

Так,

вертикальное

ветро-волновое

и конвективное

перемешивание,

оставляющее в вертикальной термохалинной структуре вод однородные

прослойки по всем параметрам, в среднем формируют до 10% от общей

мощности (толщины) ХПС. Квазиоднородный по солености подслой со

значениями солености, характерными для ВКС данного региона в зимний

период,

преимущественно

формируется

за

счет:

(1)

горизонтальной

конвекции с ближайших шельфов при дифференциальном прибрежном

прогреве (до 1015% мощности ХПС); (2) ветрового перемешивания и нагона

у берегов (при продолжительном действии ветра) – порядка 30%. Обмен

масштаба

бассейна

из-за

градиента

плотности

по

горизонтали,

формирующий градиентный по солености подслой ХПС, даёт порядка 30%

мощности ХПС.

II

Этап

(апрельмай).

Описанный

выше

комплексный

процесс

формирования ХПС неизбежно приводит к неоднородности свойств его вод как

по вертикали, так и по горизонтали и, следовательно, к необходимости

дальнейшего приспособления и отдельных пятен в окружающем поле

плотности, и всего слоя в целом – в масштабах моря. Очевидно, что процесс

должен быть длительным, так что физически важным становится влияние

вращения Земли и стремление течений к достижению геострофического

равновесия. Как следует из анализа изменений структуры вертикальных

профилей и T,S-свойств вод ХПС, на этапе приспособления родившегося слоя к

общей плотностной

структуре

моря

в промежуточных слоях должен

существовать как процесс локального интерливинга [Kuzmina et al., 2005;

Zhurbas and Paka, 1999], так и более интегральный перенос в масштабах всего

ХПС. Анализ данных показал, что однородные прослойки составляют на этом

этапе не более 6% от общей мощности ХПС, их толщина не превышает 3 м.

III Этап (июньавгуст). К наступлению летнего периода ХПС уже

изолирован термоклином от процессов на поверхности. Его мощность – от 23 м

до 61 м (в среднем 48±10 м), что составляет 4.7 тыс. км3 – порядка 1/3 объема

вод собственно Балтийского моря (13.5 тыс. куб. км; вычисления – по

16

гипсографической кривой [Savchuk and Wulf, 2001]). Однородные по вертикали

прослойки либо размываются полностью, либо остаются на нижних горизонтах

(40/50/60 м), суммарно не превышая 4% от мощности ХПС. Градиентная по

солёности прослойка холодных вод в нижней части ХПС составляет в этот

период порядка 10% его мощности. Минимальная температура в ядре ХПС

повышается незначительно, а, следовательно, диффузия тепла не играет

существенной роли. Солёность вод ХПС медленно увеличивается по всей его

глубине (это уже отмечалось в [Гидрометеорология и гидрохимия…, 1992]).

Изменение T,S-характеристик вод в нижней части ХПС от весны к осени

предполагает дрейф с юго-запада на северо-восток, поскольку промежуточные

воды в юго-западной части моря заметно солонее промежуточных вод северо-

восточной части. Таким образом, «вверх по эстуарию» в Балтике может

продвигаться не только нижний тёплый и соленый слой вод североморского

происхождения, но и нижняя часть ХПС, отличающаяся температурой воды

значительно ниже океанской. Очевидно, что эта гипотеза требует верификации

на бóльшем количестве натурных данных, но на рассмотренной выборке такая

эволюция очевидна.

IV Этап (сентябрьфевраль). С началом осеннего разрушения сезонного

термоклина (конец августа) начинается завершающий этап жизни ХПС:

эпизоды

локального

ветро-волнового

и

конвективного

вертикального

перемешивания,

постепенно

разрушая

сезонный

термоклин,

облегчают

интрузиям от берегов проникновение на все большие глубины в ХПС, так что,

одновременно с изъятием верхних слоев «законсервированного» на лето ХПС в

ВКС, происходит и размывание вертикального профиля температуры воды по

всей толщине ХПС. Остатки ХПС на глубинах 60–70 м обнаруживаются вплоть

до конца зимы. Разрушение ХПС к концу зимнего периода и формирование

свойств ранневесеннего ВКС может рассматриваться и как «preconditioning

phase» – создание условий/фона для рождения ХПС следующего года. Выводы

Главы 4 суммируются в разделе 4.3.

17

Рисунок 3. Сезонная эволюция вертикальных профилей температуры воды в юго-восточной части Балтийского моря по

измерениям с НИС Профессор Штокман (ст. 12): в фазе прогрева (рейсы ПШ-59, 60, 62, март – июль 2004 г.) и в фазе

охлаждения (июль 2004 г. – март 2005 г.); сплошной линией показан профиль температуры максимальной плотности,

вычисленной для профиля солёности в марте (2004 и 2005 гг. соответственно) с учётом влияния давления

18

В Заключении представлены полученные в результате исследования

основные выводы.

1.

Как показал проведенный анализ, ХПС Балтики – сложное по структуре и

динамичное образование. Отсутствие до настоящего времени общепринятого

формального критерия определения его границ не позволяло выявлять его

характеристики, поднимать вопрос о его происхождении и модификации.

Введение уже простейшего подходящего в условиях Балтики критерия

определения границ ХПС – по максимальным абсолютным значениям

градиента температуры воды по вертикали – позволило выявить его основные

структурные

черты,

указать

диапазон

изменений

температуры/солености/плотности его вод, описать его сезонный цикл и

указать вероятные механизмы его формирования.

2.

ХПС собственно Балтийского моря, выделенный с помощью выбранного

критерия, по рассмотренному массиву экспедиционных CTD-данных (май–

июль 2004–2008 гг.) в целом характеризуется следующими параметрами (на

верхней / нижней границах): диапазон температуры воды – 4.7–11.6 / 3.0–6.3°С;

минимальная температура воды (ядро ХПС) – 1.3–4.1°С; диапазон солёности –

7.14–7.37 / 8.00–10.91; диапазон условной плотности – 5.42–6.04 / 6.71–8.92

кг/м3; верхняя и нижняя границы ХПС в среднем располагались на 25.5 и 74.5 м

соответственно. Слой динамичен, и в разные сезоны и годы, в различных

районах моря эти характеристики могут заметно варьироваться.

3.

К

основным

элементам

структуры

ХПС

следует

отнести:

(1)

квазиоднородный по солености/плотности подслой с солёностью вод, близкой к

локальной; (2) градиентный по солености/плотности подслой и (3) ядро ХПС

(минимума температуры), располагающееся в период формирования ХПС

вблизи границы между ними. Температура воды в пределах ХПС крайне

изменчива; имеются многочисленные участки роста и падения температуры с

глубиной, в том числе (после умеренных и холодных зим) вплоть до июля–

августа могут наблюдаться одна или несколько прослоек с температурой воды

ниже температуры максимальной плотности. К важным, но лишь эпизодически

19

встречающимся элементам структуры ХПС можно отнести: (1) прослойки с

TTмп, (2) однородные прослойки по всем параметрам, (3) небольшая (0.1–0.3)

ступенька по солености в области верхней границы ХПС, (4) признаки

интрузий более солёных вод в нижней части ХПС.

4.

Эволюция вертикальной структуры вод ХПС в сезонном цикле в

соответствии с динамическим режимом может быть разделена на четыре этапа:

(I)

формирование

(март–апрель:

поступление

поверхностных

вод

в

промежуточные слои), (II) приспособление (апрель–май: приспособление

неоднородных прослоек и пятен в пределах ХПС к общему полю давления, и

всего слоя в целом – в общем поле плотности моря), (III) медленная

модификация (июнь–август) и (IV) разрушение/preconditioning phase (сентябрь–

февраль: изъятие верхних слоёв ХПС в растущий ВКС, размытие вертикальной

структуры).

5.

Однородный

по

солёности

подслой

формируется

в

результате

вертикального

ветро-волнового

плюс

конвективного

перемешивания

и

адвекции

с

близлежащих

шельфов,

поддерживаемой

действием

продолжительных

ветров

и

горизонтальной

конвекцией

из-за

дифференциального прибрежного прогрева/выхолаживания. Градиентный по

солености

подслой

сформирован

водами,

T,S-характеристики

которых

соответствуют характеристикам вод верхнего квазиоднородного слоя юго-

западных акваторий моря (Борнхольмского и Арконского бассейнов) в период

начала весеннего прогрева. Продвижение этих вод в нижнюю часть

распреснённого слоя собственно Балтийского моря обусловлено, по-видимому,

эстуарийного градиента солёности/плотности вдоль главной оси

наличием

моря.

6.

Доминирующие механизмы перемешивания и транспорта, ответственные

за изменение свойств ХПС, связаны с этапами его эволюции. Интрузии

локальных

шельфовых

вод,

вызванные

действием

ветра

и/или

дифференциальным прогревом (механизмы, работающие условно «поперёк»

главной оси моря), и циркуляция вод в пределах верхнего распреснённого слоя

20

основной чаши моря из-за наличия эстуарийного градиента солёности

(механизм, работающий условно «вдоль» главной оси моря) доминируют на

первом и четвертом этапах; стремление к геострофическому балансу в условиях

значительной неоднородности вод по горизонтали существенны на втором и

третьем этапах.

7.

Анализ основных физических характеристик вод собственно Балтийского

моря в годовом цикле показал, что ХПС Балтики, в отличие от ХПС Чёрного и

Средиземного морей, полностью обновляется ежегодно, его структура

формируется при значительном вкладе адвекции.

8.

Оценки вклада основных механизмов перемешивания и транспорта в

формирование

вод

ХПС

(апрель–май)

дают

следующие

величины:

вертикальные: ветро-волновое и конвективное перемешивания – не более 10%

от общей мощности (толщины) ХПС; горизонтальные: конвекция с ближайших

шельфов из-за дифференциального прибрежного прогрева – не более 10–15%,

ветровые компенсационные течения в результате нагона у берегов при

продолжительном действии ветра – порядка 30%, обмен масштаба бассейна из-

за градиента плотности по горизонтали – порядка 30%.

9.

Исследование проявлений водообмена между прибрежной и глубокой

частями моря в Балтике привело к разработке оригинального метода оценки

величины теплообмена между ними, применимого в периоды развития

вертикальной конвекции: поток тепла между глубокой и прибрежной частями

вычисляется по особенностям картины дифференциального прибрежного

прогрева и полю глубин в прибрежной зоне. Результаты лабораторных

экспериментов

в

бассейне

с

наклонным

дном

показали,

что

при

квазистационарном обмене конвективной природы порядка 50% тепла,

уходящего через поверхность всей прибрежной зоны, компенсируется

теплообменом с глубоким морем.

В Приложении для сохранения возможности дополнительного анализа

данных

представлены

вертикальные

профили

основных

физических

характеристик в мае и июле 2004–2008 гг.

21

Благодарности. Автор благодарит своего научного руководителя д.ф.-

м.н., профессора В.В. Жмура за последовательное руководство и ценные

рекомендации; выражает глубокую признательность д.ф.-м.н. И.П. Чубаренко

за поддержку, помощь и чуткое консультирование. Д.ф.-м.н., профессору В.М.

Журбасу, д.ф.-м.н. А.Г. Зацепину и д.ф.-м.н., профессору В.А. Гриценко автор

признательна

за

содействие

при

подготовке диссертационной

работы.

Сотрудники коллектива Лаборатории прибрежных систем АО ИО РАН оказали

автору существенную поддержку при проведении лабораторного эксперимента.

Плодотворной была совместная работа с к.г.н. Е.Е. Есюковой по численному

моделированию и анализу спутниковых снимков Балтийского моря.

Автор

особенно

признательна

лекторам

и

профессорам

кафедры

термогидромеханики океана МФТИ за приобретенные научные знания в

области основных направлений в океанологии и к.ф.-м.н. С.А. Щуке за

приобщение к экспедиционной жизни. Отдельную благодарность автор

выражает

к.ф.-м.н.,

заведующему

Лабораторией

прибрежных

систем,

заместителю директора по науке АО ИО РАН Б.В. Чубаренко, без которого

работа не могла быть выполнена в срок; автор сердечно признательна ему за

ценные советы, поддержку и помощь в преодолении возникавших трудностей.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в научных изданиях, рекомендованных ВАК:

1.

Степанова Н. Свойства холодного промежуточного слоя в Юго-

Восточной Балтике по экспедиционным данным 2004–2008 гг. и возможность

его вентиляции водами шельфа в весенний период / Н. Степанова // Труды

МФТИ. – 2013. – Т. 5. – № 3. – С. 187–195.

2.

Chubarenko I. Down-slope cascading modulated by day/night variations of

solar heating / I. Chubarenko, E. Esiukova, N. Stepanova, B. Chubarenko, H.

Baudler // J. Limnol. – 2013. – Vol. 72. – № 2. – P. 240–252.

3.

Степанова Н.Б. Структура и эволюция холодного промежуточного слоя

в юго-восточной части Балтийского моря по данным натурных измерений

22

2004–2008 гг. / Н.Б. Степанова, И.П. Чубаренко, С.А. Щука // Океанология. –

2015. – Т. 55. – № 1. – С. 32–43.

Работы, опубликованные в других изданиях:

4.

Чубаренко Н.Б. Анализ натурных данных к вопросу о возможности

возникновения ранневесеннего каскадинга с прибрежных подводных склонов

Балтийского моря. Исследования Балтийского региона / Н.Б. Чубаренко //

Вестник Института Балтийского региона РГУ им. Им. Канта. – 2009. – № 2. – С.

52–55.

5.

Чубаренко И.П. О влиянии наличия берегов на формирование сезонной

вертикальной термохалинной структуры вод Балтийского моря / И.П.

Чубаренко, О.И. Козлова, Н.Б. Степанова // Физические проблемы экологии

(экологическая физика). Сб. научн. трудов. Под ред. В.И. Трухина, Ю.А.

Пирогова, К.Н. Показеева. – М.: МАКС Пресс, 2010. – № 17. – С. 475–486.

6.

Степанова Н.Б. Сравнительный анализ характеристик прибрежных вод в

ранневесенний период и вод холодного промежуточного слоя в Юго-Восточной

Балтике / Н.Б. Степанова, И.П. Чубаренко // Физические проблемы экологии

(экологическая физика). Сб. научн. трудов. Под ред. В.И. Трухина, Ю.А.

Пирогова, К.Н. Показеева. – М.: МАКС Пресс, 2011. – Т. 18. – С. 280–290.

7.

Степанова Н.Б. Анализ термохалинной структуры вод в прибрежной

зоне Балтийского моря и характеристик его холодного промежуточного слоя /

Н.Б. Степанова // Электронный научный журнал «Исследовано в России». –

2012. – № 56. Статья 006 – http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2012/006.pdf.

8.

Есюкова Е.Е. Дифференциальное выхолаживание над прибрежными

подводными склонами Юго-Восточной Балтики в осенний период по данным

спектрорадиометров MODIS / Е.Е. Есюкова, И.П. Чубаренко, Е.С. Гурова, Н.Б.

Степанова // Физические проблемы экологии (экологическая физика). Сб.

научн. трудов. Под ред. В.И.Трухина, Ю.А. Пирогова, К.Н. Показеева. – М.:

МАКС Пресс, 2012. – Т. 19. – С. 190–199.

Тезисов докладов на конференциях:

23

9.

Степанова Н.Б. Факторы и физические механизмы, определяющие

формирование и трансформацию вод в водоёмах с учетом границ / Н.Б.

Степанова // Труды 55-й научной конференции МФТИ «Современные

проблемы фундаментальных и прикладных наук». Долгопрудный, 19–25 ноября

2012 г. – М.: МФТИ, 2012. – Т. 2. – С. 48–49.

10.

Stepanova N. Development of differential coastal cooling above sloping

bottom: laboratory and numerical modelling / N. Stepanova // Geophysical Research

Abstracts. – 2013. – Vol. 15. – EGU2013-502

11.

Stepanova N. Sea-shelf water exchange, deduced from changes in integral heat

content: laboratory experiments / N. Stepanova // Abstr. 9th Baltic Sea Science Congr.

(BSSC2013). 26–30 August 2013. Klaipeda, Lithuania. – 2013. – P. 250.

12.

Степанова

Н.Б.

Исследование

водообмена,

вызываемого

дифференциальным прибрежным охлаждением в бассейне с наклонным дном:

лабораторное и численное моделирование / Н.Б. Степанова // Современные

методы

и

средства

океанологических

исследований:

Материалы

XIII

Международной научно-технической конференции «МСОИ-2013». – Москва,

ИО РАН, 14-16 мая 2013 г.– М.: АПР, 2013. – Т. 1. – С. 156–158.

13.

Stepanova N. Heat transport due to differential coastal heating / N. Stepanova

// Materials of PERSEUS Training Course. Summer school ”Challenge for good

environmental status in coastal waters” and 3-rd International Seminar ”Dynamics of

the coastal zone in the non-tidal seas”. 30 June – 4 July 2014. – Gelendzhik, Russia. –

2014. – P. 131–133.

14.

Stepanova N. Seasonal evolution of the cold intermediate layer of the Baltic

sea / N. Stepanova // Abstr. 10th Baltic Sea Science Congr. (BSSC2015). 15–19 June

2015. Riga, Latvia. – 2015. – P. 130.

15.

Chubarenko I. Role of intermediate layers in the thermohaline сirculation of

the Baltic Sea / I. Chubarenko, N. Stepanova //Abstr. 10th Baltic Sea Science Congr.

(BSSC2015). 15–19 June 2015. Riga, Latvia. – 2015. – P. 24.



Похожие работы:

«Богданов Святослав Вадимович КУЛЬТУРОТВОРЧЕСКИЙ И ВОСПИТАТЕЛЬНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ ДВИЖЕНИЯ ВОЕННО-ИСТОРИЧЕСКОЙ РЕКОНСТРУКЦИИ В РОССИИ 24.00.01 – Теория и история культуры Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата культурологии Саратов 2015 Научный руководитель: Официальные оппоненты: Ведущая организация: доктор философских наук, профессор Волошинов Александр Викторович Мезин Сергей Алексеевич, доктор исторических наук, профессор, заведующий кафедрой истории...»

«Евглевский Дмитрий Анатольевич ЛЕЧЕБНО-ПРОФИЛАКТИЧЕСКИЕ ПРЕПАРАТЫ НА ОСНОВЕ ТОКСИН-ПРОДУЦИРУЮЩИХ МИКРООРГАНИЗМОВ ДЛЯ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА 06.02.02 – ветеринарная микробиология, вирусология, эпизоотология, микология с микотоксикологией и иммунология, АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени доктора ветеринарных наук Щёлково– 2015 1 премий РФ, Заслуженный деятель науки РФ Анатолий Яковлевич Самуйленко Официальные оппоненты: Букова Наталия Константиновна –...»

«ПАВЛОВ Виталий Вячеславович ФОТОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В КРИСТАЛЛАХ LiCaAlF6, LiYxLu1-xF4 И SrAlF5, АКТИВИРОВАННЫХ ИОНАМИ Ce3+ Специальность 01.04.05 – оптика АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Казань — 2015 Работа выполнена на кафедре квантовой электроники и радиоспектроскопии ФГАОУВПО Казанский (Приволжский) федеральный университет Научный доктор физико-математических наук, в.н.с. НИЛ руководитель: Магнитной...»





 
© 2015 www.x-pdf.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.