Козлова О.И. Характеристики холодного промежуточного слоя в центральной части Балтийского моря после зим различной суровости

Научная статья

Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 149а различной суровости

Козлова О.И. fOlga may87@mail.ru)

Учреждение Российской академии наук институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН Атлантическое отделение

236022 г. Калининград, пр-т Мира, 1

1. Введение

Промежуточные слои различного происхождения формируются во многих крупных стратифицированных водоёмах, например, в Чёрном море, Тихом океане [2]. Холодный промежуточный слой (ХПС) Балтийского моря - это сезонное явление; он отчётливо выделяется по своей аномально низкой температуре на глубинах 40-60 м в тёплое время года в глубоководных районах моря [1]. Благодаря связи с Атлантическим океаном, глубинные воды Балтики в центральной части моря имеют в течение всего года температуру 7-8С, поверхностные воды летом прогреваются до 19-22 С, в то время как в промежуточном слое сохраняется температура 2-4С [1]. При всей типичности формирования промежуточных слоев в крупных стратифицированных водоёмах Земли, ХПС Балтики уникален: ни в одном другом водоёме не обнаружено холодного промежуточного слоя, воды которого были бы не только холоднее самых холодных вод на поверхности в данном месте (в зимнее время), но ещё и имели температуру ниже температуры максимальной плотности (Tmd).

Целью данной работы является выяснение диапазона естественной изменчивости характеристик вод внутри ХПС в центральной части Готландского бассейна после зим 2004/2005 и 2005/2006 гг., которые заметно отличались по своей суровости. Далее сначала проводится анализ метеорологических условий в эти зимы, а затем рассматриваются данные вертикальных CTD-зондирований в центральной части моря в начале тёплого времени года - в мае, когда ХПС уже отчётливо выделяется.

2. Используемые данные

Характеристика относительной суровости зим 2004/2005 и 2005/2006 гг. проводилась на основании данных натурных измерений, представленных на сайте Данные гидрофизических измерений в центральной части Готландской впадины в течение 2005-2006 гг. предоставлены сотрудниками Института исследований Балтийского моря

Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 150а

Рис. 1. Центральная часть Балтийского моря (в основе карты - данные IOW по батиметрии Балтийского моря 3.аа Результаты

3.1 .Анализ метеоизмерений.

Сравнение температуры воздуха в открытых и прибрежных областях.

На рис. 2 приведены графики температуры воздуха по данным станций Висбю и Клайпеда с 1.09.2005 по 1.09.2006, которые позволяют охарактеризовать различие между

Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 151а

Т,С

-ю

1.09.05-1.09.06

Висбю Клайпеда

-20

/у

с5а с5

-F -F

ov &

-30

& .^ .

I* л"0 d0 c^

ov ov

о*0

Даты

Рис. 2. Температура воздуха (измерения каждые 4 часа, сглаженные скользящим средним за двухнедельный период) на станциях Висбю и Клайпеда с 1.09.05 по 1.09.06 (по данным сайта Сравнение графиков температуры воздуха в прибрежной и открытой частях моря показывает вполне ожидаемую динамику. Изменения температуры происходят в целом синхронно, то есть обусловлены крупномасштабными причинами (прохождением циклонов и антициклонов). Размах колебаний температуры воздуха в течение года в открытой части моря меньше, в прибрежной - больше (по представленным данным - 35С и 45С, соответственно).

В тёплый период года в открытой части моря прохладнее, а в холодный период -теплее. Смена знака разности температур в рассматриваемый год происходила в третью неделю октября и четвёртую неделю февраля; таким образом, тёплый период (в смысле рассматриваемого физического процесса) длился 32 недели, а холодный - 20 недель. Средняя разность температуры воздуха за тёплый период года составила 0.3С, за холодный - 0.6С. Таким образом, разность температуры воздуха (в среднем) более заметна зимой. Абсолютные максимумы разности температуры воздуха море-берег составили -4/+12 (5 июня и 19 февраля, соответственно).

Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 152а Сравнение температуры воздуха в течение указанных зим по данным измерений на станции Клайпеда показали следующее (рис. 3).

Зима 2004/2005 г. была относительно мягкой, со средней температурой воздуха в Клайпеде за период 01.12.2004-01.03.2005 +0.25С, с плавным похолоданием и потеплением, начавшимся с 1 марта. Сумма отрицательных температур за зиму составила в Висбю - -149.4С, в Клайпеде - -245.2С.

Зима 2005/2006 г. была гораздо более холодной - со средней температурой воздуха в Клайпеде за период 01.12.2005-01.03.2006 -2.97С, с минимальной за рассматриваемые годы температурой воздуха -22.1С (20 января), возвратными морозами в марте и интенсивным потеплением, начавшимся относительно поздно - с 8 марта. Сумма отрицательных температур при этом над морской акваторией отличалась от предыдущего года незначительно и составила в Висбю -152С; при этом в Клайпеде она составила -338.9С, что отличается от мягкой зимы 2004/2005 почти на 100С. Длительность морозного периода в холодном, 2005/2006 году, составила 101 день (против 89 дней в 2004/2005).

и 20

rzо.

О)

с S

О)

Х10

-20

-30

Даты

ХУа .,-:<'а .-.Г-f-oS о^а .Й>аа .*аа ^а ,tS

tfа -:y

ffSSSS*s*s*s

Рис.а 3. Температура воздуха в Клайпеде за периода 1.09.04-1.09.06 (по данным сайта Помимо низких температур, холодная зима 2005/06 гг. характеризовалась повышенной активностью атмосферных процессов, включая несколько сильных штормов (см. Таблицу 1). Так, среднемесячная скорость ветра в январе и феврале 2005/06 гг. оказалась в 1.6 и 1.7 раза выше, чем в соответствующие периоды 2004/05 гг. В частности,

Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 153а

Таблица 1. Среднемесячные значения температуры воздуха, температуры воды на поверхности, среднемесячного и максимального в течение рассматриваемого периода значения скорости ветра по данным метеопоста в Клайпеде за зимние месяцы (декабрь-январь-февраль) 2004/05 и 2005/06 гг.

года

Т воздуха,

Т воды,

Ср. скорость ветра, м/с

Макс, скорое ть ветра, м/с

декабрь/январь/февраль 2004/05

2.4/0.9/-3.2

5.7/3.4/1.3

4.9/5.1/4.4

9.8/10.0/11.9

декабрь/январь/февраль 2005/06

0.2/-5.5/-3.9

5.1/3.2/0.1

4.2/8.2/7.6

10.0/15.2/13.5

Таким образом, и по температуре воздуха, и по характеристикам ветра зима 2005/06 гг. оказалась значительно суровее, чем предыдущая.

3.2.а Сравнение характеристик ХПС в центральной части Готландского бассейна после зим 2004/05 и 2005/06 гг.

Холодный промежуточный слой отчётливо выделяется на вертикальных профилях температуры в тёплое время года, когда верхние слои воды прогреваются солнцем. В то же время, поскольку, предположительно [3], он формируется в феврале-марте, и последующие события (шторма, внутренние волны) могут заметно влиять на его характеристики, для анализа были выбраны наиболее ранние профили тёплого периода -относящиеся к началу мая 2005 и 2006 г. (см. рис. 4).

Прежде чем приступить к анализу конкретных характеристик ХПС, необходимо его чётко определить. Хотя визуально (рис. 4) это сделать нетрудно, формальный критерий до сих пор не принят [3] В целях данного исследования, примем следующий формальный критерий [4]: будем считать холодным промежуточным слоем область между уровнями максимального градиента температуры воды по вертикали при её падении и при росте (рис.6), т.е. между термоклинном и анти-термоклином (аналогично [2], Чёрное море). Тогда, согласно этому критерию, в мае 2005 г. ХПС находился между горизонтами 22.5 и 67.5 м (толщина 45 м), а в 2006 г. - между 23.5 и 49.5 м (толщина 26 м). Характеристики вод, находящихся между этими горизонтами, приведены в Таблице 2.

Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 154 а

1 Iаа Jаа 4аа 1аа 4аа Iаа 1аа 1аа 10а LIа Uа LI

1					и
					U тпл 200^





М	/			А
	)				\а \ 1 1
	)				\
	1
	1
					\аа \
					\ \ \ 1
					\ \
					.
					\|
ш М
		Ч	г, с	su		.

;;;						it
'ы				ПА
ш				lid

1а ;а I 4 1 4 > жаа 1аа Иа IIаа IIа и

1		Г1-	"ма	-п
	/"Г		МЯл 2006



		X




		. V
		L

У





-------- т,с ---------- S.piu

N	.... ns*)

Рис. 4. Вертикальные профили температуры воды, солёности и условной плотности в Готланд ском бассейне в мае 2005 и 2006 гг. (по данным IOW,

Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 155а

ж0 8а О)аа 06а 0S -04а О]а 0Jа 01аа Оаа 01а 0}а 01а 04

15 мая 2005



ХПС
ХПС

чг



						,n.>аа J

					Wh Л

					п
					iso В

110

.-1 и

-dT/di

- dsigma/di

жdT/di ж dsigma/dz

Рис. 5. Градиенты температуры воды и плотности по вертикали в Готланд ском бассейне в мае 2005 и 2006 гг. ХПС определяется как слой между уровнями максимального отрицательного и максимального положительного градиента температуры воды по вертикали [4].

Таблица 2. Характеристики ХПС в мае в центре Готландской впадины

Характеристика

май 2005

май 2006

Глубина залегания термоклина, м, (dT/dz)mm, С/м

т, с

22.5 -0.76

4.37

23.5 -0.48

3.24

Эл

ектронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 156а

о, кг/мЗ S, psu

5.78

7.27

5.90

7.39

Глубина залегания антитермоклина, м, (dT/dz)max, С/м Т, С о, кг/мЗ S, psu

67.5 0.35 3.53 6.55 8.21

49.5 0.34 2.49 6.247 7.81

Глубина залегания пикноклина, м,

(dp/dz)max, кг/м /м

о, кг/м

S, psu

69.5 0.20 4.01 6.826

8.57

50.5(53.5) 0.127(0.128)

2.8

6.307 (6.606)

8.0-8.3

Толщина верхнего квазиоднородного

слоя, м,

(dp/dz)<...аа ,

о, кг/мЗ

S, psu

0.03

2.505

6.087

7.615

0.02

1.92

6.091

7.608

Мощность ХПС

-общая (между термоклинами), м

-однор./град. подслои

37.5/7.5

22.5/4.5 (7.5)

Теплозапас, Дж/м

5.9*108

2.27*108

Т средняя, С

3.128

2.109

Слой с T<Tmd, м

нет

30-48

Та Г

-1 mm,аа ^

d(Tmin), м

^(^min) o(Tmin)

2.51

7.615

6.087

1.592 41

7.538 6.020

Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 157а Проведённый в работе анализ позволяет проиллюстрировать влияние суровости зим на формирование холодного промежуточного слоя в Балтийском море. Так (см. Таблицу 2), после холодной и ветреной зимы 2006 года толщина ХПС в открытой части неожиданно оказалась значительно меньше (26 м), чем после относительно мягкой, теплой зимы 2005 года (45 м; их соотношение 45:26-1.7). Это однозначно говорит о том, что в его формировании вертикальное ветровое и конвективное перемешивание не играют ведущей роли. Более того, ядро ХПС (слой с минимальной температурой воды) после мягкой зимы расположено значительно глубже (60 м против 41 м; т.е. в 60:41-1.5 раза), так же как и основной пикноклин (на 70 м против 51м; глубже в 70:51-1.4 раза). К тому же, главный пикноклин после мягкой зимы оказался жёстче: максимальный градиент плотности по вертикали (dp/dz)max составил 0.20 кг/м /м против 0.13 кг/м /м после суровой зимы (в 0.20:0.13Ч1.5 раза). Это ещё раз подчёркивает, что более эффективное перемешивание в пределах верхнего слоя происходит в мягкую зиму, когда вертикальное ветро-волновая и конвективная компоненты слабее; значит - следует искать альтернативный механизм. Горизонтальный обмен конвективной природы между мелкими/прибрежными и глубокими областями вполне может играть эту роль.

Собственно характеристики вод внутри ХПС после зим различной суровости также различны. Минимальная температура воды в ядре ХПС после мягкой зимы составила 2.51С (что выше Tmd, см. рис. 4) - против 1.59С (ниже Tmd) после холодной зимы. Однородная по плотности прослойка внутри ХПС после мягкой зимы толще -38м против 23 (в 1.7 раза), в то время как градиентная прослойка осталась такой же (7.5 м). Важно отметить диапазон естественной изменчивости характеристик вод ХПС (Т : S : о) в центральной части Балтийского моря (см. Таблицу 2): после мягкой зимы (4.37-3.53)С : (7.27-8.21) psu : (5.78-6.55) кг/м3, после суровой (3.24-2.49)С : (7.39-7.81) psu : (5.9-6.25) кг/м .

В целом, после мягкой зимы формируется более мощный по толщине ХПС с большим теплозапасом и температурой воды выше Tmd, отделённый от нижележащих слоев более жёстким пикноклином. После суровой (холодной и ветреной) зимы ХПС тоньше, холоднее (температура воды ниже Tmd, меньше общий теплозапас), но основной пикноклин под ним - мягче. Таким образом, воды ХПС формируются каждую зиму, только лусловия жизни такой воды разные.

Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 158а Исследования проводятся в рамках работы Лаборатории прибрежных систем Института океанологии РАН (Атлантическое отделение) по проектам РФФИ 10-05-00540-а и 10-05-00472-а. Автор выражает благодарность Чубаренко Ирине Петровне за идею и помощь в написании статьи.

итература

Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР. Т. 3. Балтийское море. - Л., Гидрометеоиздат, 1992.
Морозов Е.Г., С. А. Щука, Н. Н. Голенко, B.C. Запотылько, Ж. И. Стоит Структура температуры в прибрежной зоне Балтийского моря // Доклады Академии Наук, Том 416, стр. 115, номер 1, 2007
Прокопов О.И. 2000. Формирование структуры холодного промежуточного слоя в Чёрном море //Метеорология и гидрология. №5. С.76-85.
Чубаренко И.П. Горизонтальная конвекция над подводными склонами. Дис. на соиск. степ, доктора физ.-мат. наук. Калининград, АО ИО РАН. 2009. 291 с.
Chubarenko IP Probable response of the Baltic sea Cold Intermediate Layer to climate warming: field data analysis and numerical modeling. Abstr. Int. Conf. on Climate Change The environmental and socio-economic response in the southern Baltic region, 2009, p. 31-32.

Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 149а различной суровости

Козлова О.И. fOlga may87@mail.ru)

Учреждение Российской академии наук институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН Атлантическое отделение

236022 г. Калининград, пр-т Мира, 1

1. Введение

2. Используемые данные

Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 150а

3.1 .Анализ метеоизмерений.

Сравнение температуры воздуха в открытых и прибрежных областях.

Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 151а

Т,С

-ю

1.09.05-1.09.06

Висбю Клайпеда

-20

/у

с5а с5

-F -F

ov &

-30

& .^ .

I* л"0 d0 c^

ov ov

о*0

Даты

и 20

rzо.

О)

с S

О)

Х10

-20

-30

Даты

ХУа .,-:<'а .-.Г-f-oS о^а .Й>аа .*аа ^а ,tS

tfа -:y

ffSSSS*s*s*s

Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 153а

года

Т воздуха,

Т воды,

Ср. скорость ветра, м/с

Макс, скорое ть ветра, м/с

декабрь/январь/февраль 2004/05

2.4/0.9/-3.2

5.7/3.4/1.3

4.9/5.1/4.4

9.8/10.0/11.9

декабрь/январь/февраль 2005/06

0.2/-5.5/-3.9

5.1/3.2/0.1

4.2/8.2/7.6

10.0/15.2/13.5

3.2.а Сравнение характеристик ХПС в центральной части Готландского бассейна после зим 2004/05 и 2005/06 гг.

Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 154 а

1 Iаа Jаа 4аа 1аа 4аа Iаа 1аа 1аа 10а LIа Uа LI

1					и
					U тпл 200^





М	/			А
	)				\а \ 1 1
	)				\
	1
	1
					\аа \
					\ \ \ 1
					\ \
					.
					\|
ш М
		Ч	г, с	su		.

;;;						it
'ы				ПА
ш				lid

1а ;а I 4 1 4 > жаа 1аа Иа IIаа IIа и

1		Г1-	"ма	-п
	/"Г		МЯл 2006



		X




		. V
		L

У





-------- т,с ---------- S.piu

N	.... ns*)

Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 155а

ж0 8а О)аа 06а 0S -04а О]а 0Jа 01аа Оаа 01а 0}а 01а 04

15 мая 2005



ХПС
ХПС

чг



						,n.>аа J

					Wh Л

					п
					iso В

110

.-1 и

-dT/di

- dsigma/di

жdT/di ж dsigma/dz

Таблица 2. Характеристики ХПС в мае в центре Готландской впадины

Характеристика

май 2005

май 2006

Глубина залегания термоклина, м, (dT/dz)mm, С/м

т, с

22.5 -0.76

4.37

23.5 -0.48

3.24

Эл

ектронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 156а

о, кг/мЗ S, psu

5.78

7.27

5.90

7.39

Глубина залегания антитермоклина, м, (dT/dz)max, С/м Т, С о, кг/мЗ S, psu

67.5 0.35 3.53 6.55 8.21

49.5 0.34 2.49 6.247 7.81

Глубина залегания пикноклина, м,

(dp/dz)max, кг/м /м

о, кг/м

S, psu

69.5 0.20 4.01 6.826

8.57

50.5(53.5) 0.127(0.128)

2.8

6.307 (6.606)

8.0-8.3

Толщина верхнего квазиоднородного

слоя, м,

(dp/dz)<...аа ,

о, кг/мЗ

S, psu

0.03

2.505

6.087

7.615

0.02

1.92

6.091

7.608

Мощность ХПС

-общая (между термоклинами), м

-однор./град. подслои

37.5/7.5

22.5/4.5 (7.5)

Теплозапас, Дж/м

5.9*108

2.27*108

Т средняя, С

3.128

2.109

Слой с T<Tmd, м

нет

30-48

Та Г

-1 mm,аа ^

d(Tmin), м

^(^min) o(Tmin)

2.51

7.615

6.087

1.592 41

7.538 6.020

итература

Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР. Т. 3. Балтийское море. - Л., Гидрометеоиздат, 1992.
Морозов Е.Г., С. А. Щука, Н. Н. Голенко, B.C. Запотылько, Ж. И. Стоит Структура температуры в прибрежной зоне Балтийского моря // Доклады Академии Наук, Том 416, стр. 115, номер 1, 2007
Прокопов О.И. 2000. Формирование структуры холодного промежуточного слоя в Чёрном море //Метеорология и гидрология. №5. С.76-85.
Чубаренко И.П. Горизонтальная конвекция над подводными склонами. Дис. на соиск. степ, доктора физ.-мат. наук. Калининград, АО ИО РАН. 2009. 291 с.
Chubarenko IP Probable response of the Baltic sea Cold Intermediate Layer to climate warming: field data analysis and numerical modeling. Abstr. Int. Conf. on Climate Change The environmental and socio-economic response in the southern Baltic region, 2009, p. 31-32.

Все научные статьи

Blog

Козлова О.И. Характеристики холодного промежуточного слоя в центральной части Балтийского моря после зим различной суровости