Е.Г. Морозов, C.А. Щука, Н.Н. Голенко, В.С. Запотылько, Ж.И. Стонт

 Структура температуры в прибрежной зоне исследована по данным измерений буксируемым зондом NBIS в период гидрологической зимы Балтийского моря, а также в переходные периоды на разрезе к северу от Калининграда. Разрез выполнялся перпендикулярно от берега в сторону моря, начиная с глубин менее 20 м. Протяженность разреза более 50 км. Разрез повторно выполнялся в марте 2004, 2005 и 2006 гг., что является сезоном гидрологической зимы, а также в сезоны до наступления зимних холодов и в период прогревания моря. В марте 2006 г., зафиксировано более сильное перемешивание вод по вертикали и выхолаживание моря с берега.

Структура температуры в прибрежной зоне исследована по данным измерений буксируемым зондом NBIS в период гидрологической зимы Балтийского моря, а также в переходные периоды на разрезе к северу от Калининграда. Разрез выполнялся перпендикулярно от берега в сторону моря, начиная с глубин менее 20 м. Протяженность разреза более 50 км. Разрез повторно выполнялся в марте 2004, 2005 и 2006 гг., что является сезоном гидрологической зимы, а также в сезоны до наступления зимних холодов и в период прогревания моря.  В марте 2006 г., зафиксировано более сильное перемешивание вод по вертикали и выхолаживание моря с берега.

После очень холодной зимы 2005-2006 гг. на разрезе в марте 2006 года наблюдалась необычно холодная структура температуры, которая, связана с особенностями атмосферных процессов, поскольку эта холодная зима сопровождалась нескольким сильными штормами. Штормовое перемешивание и зимняя конвекция обусловили сильное охлаждение воды и вертикальное перемешивание. Данные измерений температуры на разрезе в различные периоды измерений позволяют прояснить детали пространственной изменчивости (рис. 1).

Если следовать определению верхнего перемешанного слоя согласно [4], то глубина квазиоднородного слоя определяется как глубина, на которой разность между поверхностной температурой и температурой на границе перемешанного слоя не превышает заранее заданного значения. Автор [4] задает такое значение равным 0.2°С. По такому критерию глубина верхнего перемешанного слоя на разрезе в марте 2006 г.равняется 48 м. Возможен выбор и другого критерия, например, 0.1°С. Тогда расчетная глубина верхнего перемешанного слоя будет немного отличаться.

Во время наблюдений в марте 2004, 2005 и 2006 гг. вблизи берега располагался полностью перемешанный по вертикали слой вод холодной температуры. При этом существовала значительная горизонтальная стратификация вод. Вблизи берега температура всегда была холоднее примерно на 0.5°С, чем в 15-20 км от берега. Однако горизонтальная структура температуры в разные годы сильно отличалась. В марте 2006 г., от берега распространяется полоса холодных вод с отрицательными температурами, доходящими до минус 0.4°С. На расстоянии от 10 до 15 км от берега над резким склоном дна располагался фронт смешения прибрежных охлажденных вод и мористых более теплых вод. В марте 2005 г., в прибрежной части разреза выделялось ядро более теплых вод с температурой почти на 1°С выше, чем соседние воды. Это ядро в марте 2006 г. не было обнаружено.

В зимний сезон различных лет и во все переходные сезоны прибрежная часть моря была холоднее, чем мористая часть.  Зимнее перемешивание достигало 50-метровых глубин. В октябре, после окончания летнего сезона, и начале выхолаживания поверхности, верхний однородный слой располагался на глубинах 30-40 м. При этом температуры в этом слое были близки к 14°С. Ниже этого слоя наблюдалась понижение температуры до глубин 50 м, где располагался холодный промежуточный слой, а еще глубже более теплая трансформированная вода североморского происхождения. Зимой за счет еще более сильно перемешивания, вызванного совместным действием ветра и конвекции, граница между полностью перемешанным и стратифицированным слоем понижается до 50 м.

Параметры перемешанного слоя определяются температурой воздуха в приводном слое, температурой воды у поверхности и скоростью ветра. В Таблице 1 приводятся значения этих метеорологических параметров для зимы 2004-2005 гг. и зимы 2005-2006 гг. За каждый зимний месяц приведены средний и максимальный ветер, а также средняя и минимальная температура воздуха. Измерения проводились на берегу в Клайпеде и на Куршской косе, а также на платформе в 25 км от берега.

По всем параметрам зима 2005-2006 гг. оказалась значительно холоднее, чем предыдущая. Поскольку глубина перемешанного слоя определяется совместным действием холодных температур на поверхности моря и сильными ветрами уместно привести метеорологические параметры для 20-21 января 2006 г., когда при штормовом ветре до 18 м/с минимальная температура воздуха равнялась -19°С. По всей видимости, при таких критических значениях температуры и ветра мог сформироваться самый глубокий перемешанный верхний слой моря.

Другим важным характерным различием температур на море и на берегу является тот факт, что температура воздуха и поверхности воды на береговых станциях всегда ниже, чем в открытом море. Этот факт отмечается как характерное свойство вод Балтийского моря в монографии [1] 

Таблица 1.

Метеорологические параметры в районе измерений

Ближе к берегу вода всегда холоднее, чем на расстоянии 15-20 км от берега. Зимой полностью перемешанный от поверхности до дна слой воды у берега выхолаживается сильнее, чем на больших глубинах, поскольку на больших глубинах при перемешивании с более глубокими слоями воды, где температура воды выше поверхностной температуры, верхний однородный слой получает приток тепла снизу. Вблизи берега, такого притока тепла из нижних слоев нет из-за наличия дна. Даже при равных температурах воздуха вблизи берега и над морем слой воды около берега при полном перемешивании должен выхолаживаться сильнее. Реально, температура воздуха и поверхности воды вблизи берега всегда холоднее, чем над морем. Это видно из таблицы при сравнении температуры поверхности воды и воздуха на платформе в 25 км от берега, на Курсшкой косе и в Клайпеде в разные годы.

В отдельные периоды времени прибрежное формирование перемешанного слоя холодной воды происходит настолько интенсивно, что происходит заглубление этого слоя в районе увеличения глубин на свале шельфа. В результате такого механизма формирования однородного слоя над мелководным шельфом, над свалом шельфа образуется фронтальная зона. В 2004-2005 гг., зима была теплее, чем в 2005--2006 гг., поэтому такого резко выраженного термостатированного слоя не обнаруживалось.

Н.Н. Зубов в монографии “Льды Арктики” [2] объясняет механизм зимней вертикальной циркуляции и приводит формулы для расчета глубины проникновения зимней конвекции в отсутствии ветра и количества тепла, отданного поверхностью моря при конвективном перемешивании. Для того, чтобы зимнее конвективное перемешивание дошло до данного горизонта, удельный объем верхних перемешанных конвекцией слоев должен стать равным удельному объему на данном горизонте до начала перемешивания, то есть в конце летнего сезона. По данным измерений в октябре глубина верхнего однородного слоя (с однородной температурой и соленостью) равняется примерно 35-40 м. Следует отметить, что этот слой образуется, в основном за счет ветрового перемешивания в конце летнего сезона. В случае формирования зимнего однородного слоя невозможно разделить действие механизмов ветрового и конвективного перемешивания, поскольку каждый из них обеспечивает перемешивание примерно до 40 м. Более соленая вода североморского происхождения (со значительно большей плотностью), располагающаяся глубже этого горизонта, препятствует более глубокому перемешиванию.

Оценка глубины верхнего слоя, перемешанного конвекцией, можно получить из масштаба Монина-Обухова [3]. На основании параметров, приведенных в Таблице 1, этот масштаб оценивается величиной 50 м. Расчет проводился по программе библиотеки Matlab (stresslp) приведенной в разделе взаимодействия океана и атмосферы на сайте http://woodshole.er.usgs.gov/operations/sea-mat/.

Весной, начинается прогревание поверхности, и море становится стратифицированным за счет ветрового перемешивания. Перемешивание за счет ветра и волн достигает глубин около 50 м, однако полностью перемешанного слоя в мае не формируется. На глубинах 50--60 м образуется холодный промежуточный слой. В ядре этого слоя температура не превышает 3°С. Однако ядро холодного промежуточного слоя не достигает склона, где вертикальные движения более ярко выражены, и за счет этого наблюдается более сильное перемешивание вышележащих вод с нижележащими.

Летом, структура вод, сформированная к маю, практически сохраняется. Отличия заключаются лишь в более высоких температурах у поверхности, которые могут достигать 22°С.  Образуются один-два термоклина на глубинах от 5 до 30 м. Различия наблюдений в мае 2005 г. и в марте 2006 г. заключаются в том, что в мае на разрезе во всей толще вод обнаружены внутренние волны, которые генерированы ветровым возбуждением моря с поверхности и способствуют перемешиванию. В марте 2006 г. термоклин располагался не на 20 м как в мае, а на 48 м, и ветровое возбуждение не смогло генерировать интенсивные внутренние волны сквозь толщу однородного слоя.

К осени, при усилении ветров штормовое перемешивание достигает 30-40 м. При этом температуры еще не понизились до зимнего уровня. Поэтому за счет перемешивания формируется толстый верхний однородный слой. Вблизи берега, из-за более низких температур этот слой выхолаживается быстрее, чем в мористой части разреза. Более того, на октябрьском разрезе видно, как однородный слой охлажденной воды опускается вниз по склону на большие глубины, чем глубина шельфа.   

Работа выполнена в рамках программы производственно-экологического мониторинга Лукойл-Калининград-Морнефть. Работа проводилась при поддержке РФФИ (грант 06-05-65295), ФЦП «Мировой Океан», программы 17 «Фундаментальные проблемы океанологии: физика, геология, биология, экология» Президиума РАН. Авторы благодарят К.Д. Сабинина за полезное обсуждение результатов.

Список литературы

1. Добровольский А.Д., Залогин Б.С., Региональная океанология. Издательство Московского Университета. 1992. 224 с.

2. Зубов Н.Н., Льды Арктики. Издательство Главсевморпути. 1945. 354 с.

3. Филлипс О.М., Динамика верхнего слоя океана, Гидрометеоиздат, 1980, 319 с. (O.M. Phillips, The Dynamics of the Upper Ocean, Cambridge University Press, Cambridge, 1977).

4. Thompson R., Climatological models of the surface mixed layer of the ocean // J. Phys. Oceanogr. 1976. V. 6. P. 496-503

Е.Г. Морозов, C.А. Щука, Н.Н. Голенко, В.С. Запотылько, Ж.И. Стонт

 Temperature Structure in the Coastal Zone of the Baltic Sea

E.G. Morozov, S. A. Shchuka, N. N. Golenko, V. S. Zapotylko, J. I. Stont