Особенности формирования теплого промежуточного слоя Охотского моря Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

2010

Известия ТИНРО

Том 163

УДК 551.465(265.53)

И.Ф. Мороз*

Тихоокеанский научно-исследовательский рыбохозяйственный центр, 690091, г. Владивосток, пер. Шевченко, 4

ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ТЕПЛОГО ПРОМЕЖУТОЧНОГО СЛОЯ ОХОТСКОГО МОРЯ

Воды теплого промежуточного слоя (ТПС) между 400 и 1500 м заполняют всю южную глубоководную часть Охотского моря. Согласно сложившимся представлениям, ТПС формируют поступающие в море через северные курильские проливы глубинные воды Тихого океана. Основное место затока океанических вод — прол. Крузенштерна. Настоящее исследование, основанное на анализе большого фактического материала, позволило существенно уточнить представления об образовании и распространении ТПС, пространственно-временных изменениях характеристик его ядра. Подтверждено, что прол. Крузенштерна — основное, но не единственное место поступления вод ТПС в море. Показано, что ТПС формируется при смешении охотоморских вод с океаническими, их уплотнении и последующем заглублении. В зависимости от положения зоны смешения относительно островной гряды формирование характеристик охотоморского ТПС происходит или уже в море, что характерно для лета, или еще в океане, что происходит зимой. Это обстоятельство определяет сезонные различия термохалинных характеристик ТПС в районах моря, находящихся под непосредственным влиянием поступающих из зоны смешения вод.

Ключевые слова: теплый промежуточный слой, поступление, интрузия, ядро, формирование, зона смешения, уплотнение, заглубление, заток, Курильские проливы, распространение.

Moroz I.F. Some features of the warm intermediate layer formation in the Okhotsk Sea // Izv. TINRO. — 2010. — Vol. 163. — P. 379-387.

The warm intermediate water (IW) fills the layer between 400 and 1500 m in the whole southern deep-water part of the Okhotsk Sea. Following to modern concept, it is formed by pacific waters entered into the Okhotsk Sea through the northern Kuril straits, mostly through the Kruzenshtern Strait. The process of IW formation and distribution is considered in detail on the base of extensive observations, spacetime variations of temperature and salinity in its core are traced. There is confirmed that the Kruzenshtern Strait is the main source of IW, but not the only one. Mixing of the inflowing pacific waters with the proper Okhotsk Sea waters followed by the mixture densifying and sinking is important for the IW formation, too. In dependence on the mixing zone position relative to Kuril ridge, typical parameters of the Okhotsk Sea IW could be formed either on its Okhotsk side (usually in summer) or on the Pacific side (usually in winter). Accordingly, thermohaline parameters of IW change seasonally in the area adjacent to the mixing zone.

Key words: warm intermediate layer, water inflow, intrusion, core of water mass, water mass formation, water mixing zone, densifying, sinking, Kuril Straits, water properties distribution.

* Мороз Игорь Федорович, кандидат географических наук, ведущий научный сотрудник, e-mail: moroz@tinro.ru.

Введение

Как известно, отличительные признаки субарктической структуры — холодный и теплый промежуточные слои. Особенности формирования и распространения этих характерных слоев в Охотском море в общем виде впервые были рассмотрены А.Д. Добровольским и В.В. Тимоновым (1952) по материалам первого (1949 г.) рейса НИС «Витязь» в Охотское море. Тогда же холодный промежуточный слой (ХПС) был определен как собственно охотоморская водная масса, а теплый (ТПС) — как результат адвекции океанических вод. Формирование изначального термохалинного облика ХПС происходит в процессе осенне-зимней конвекции, а характеристики ТПС складываются еще в океане. Авторы указанной работы пришли к выводу, что поступление океанических вод происходит в основном через прол. Крузенштерна на глубинах 750-1000 м и в стрежне входящего в море потока характеризуется температурой от 2,2 до 2,4 "С.

Сложившиеся в 50-е гг. прошлого столетия представления о происхождении и характеристиках промежуточных слоев Охотского моря без сколько-нибудь существенных изменений сохранились до настоящего времени. Последующие исследования существенно дополнили и уточнили представления преимущественно о ХПС, тогда как информация о ТПС и в настоящее время в основном ограничивается сведениями о распространении и характеристиках слоя, особенностях циркуляции в его толще (Хен, Дудков, 2002).

Отсутствие более детальной информации о ТПС объясняется, по-видимому, значительной консервативностью параметров слоя — очень небольшими изменениями границ области распространения, глубины залегания и характеристик.

Совершенно очевидно, что источник охотоморского ТПС — промежуточные воды северо-западной части Тихого океана. Вместе с тем неясно, воды именно какого слоя участвуют в формировании ТПС, как происходит поступление образовавшихся вод в море и, наконец, есть ли другие, помимо прол. Крузенштерна, места поступления. Попытка рассмотрения этих и некоторых других связанных с ТПС Охотского моря вопросов является основной целью настоящей работы.

В основу работы положены материалы съемки южной части Охотского моря и прикурильского района Тихого окена, выполненной в октябре-ноябре 1993 г. НИС «Кайе-мару» (Япония). Материалы этой съемки наиболее полно отвечают задачам настоящей работы. Положение станций съемки показано на рис. 1. Кроме того, с целью выявления сезонных и межгодовых различий в условиях формирования и характеристиках ТПС Охотского моря к анализу привлекались материалы экспедиций 1949-2001 гг., в том числе судов ТИНРО («Новокотовск», 1986; «ТИНРО», 2001), НИС «Витязь» (1949, 1950) и НИС «Академик Шокальский» (1985). Следует заметить, что при использовании этих материалов во внимание принимались особенности расположения и числа станций, которые могли

Материалы и методы

50

не всегда соответствовать задачам настоящей работы.

48

Рис. 1. Схема станций НИС «Кайе-мару» 17-25 ноября

1993 г.

Fig. 1. Sheme о!

_к±_

1 46°

1 48°

150°

152°

1 54°

156°

RV ^уо-таш survey оп November 17-25, 1993

Анализ формирования ТПС и пространственно-временных изменений его характеристик предполагает установление района (или районов) поступления вод в море, определение их изначальных свойств, отслеживание последующей трансформации. Наиболее сложный и важный вопрос — установление районов поступления океанических вод в море — решался в процессе анализа карт и разрезов океанологических характеристик, в том числе и дефицита растворенного кислорода как показателя переноса. Распространение ТПС анализировалось по картам характеристик ядра слоя, а положение в водной толще — по вертикальным разрезам, пересекающим плоскость проливов. В качестве критерия обоснованности выводов принималось совпадение результатов анализов, выполненных по разным (независимым) характеристикам.

Результаты и их обсуждение

Общий характер взаимодействия глубинных вод Охотского моря и океана хорошо прослеживается по особенностям распределения температуры в проливах. Распределение температуры в слое 0-1000 м показывает, что взаимодействие морских и океанических вод определенно проявляется только с 300-400 м, но наиболее контрастно — в слое 800-1000 м. Взаимодействие разнородных вод проявляется в формировании в прилегающем к Курильским островам районе зоны повышенных градиентов температуры. Градиентная зона наиболее резко выражена между проливами Фриза и Головнина и в меньшей степени — у проливов Крузенштерна и Креницына. Формирование зоны высоких градиентов температуры обусловлено резким увеличением глубины промежуточных слоев, вызванным уплотнением при горизонтальном смешении взаимодействующих вод (Зубов, 1957). Такие изменения, характерные для проливов, хорошо видны на разрезах. Ниже показано распределение температуры на разрезах через южные и северные проливы Курильской гряды — соответственно Фриза и Буссоль, Крузенштерна и Креницына.

Поступление глубинных вод из океана, как это видно по распределению температуры на разрезах, происходит и на юге через прол. Фриза и на севере — через прол. Крузенштерна. Хорошо развитая интрузия прослеживается в виде своеобразного клина (заштрихован) теплых (> 3 °С) вод океанического ТПС (Радзиховская, Леонтьева, 1968). В прол. Фриза теплые воды океанического ТПС находятся в слое 200-600 м и в слое 200-700 м — в прол. Крузенштерна. В процессе смешения с охотоморскими их температура снижается до 2,5-2,2 °С, и именно эти воды формируют в Охотском море ТПС (рис. 2).

Рис. 2. Температура на разрезах в проливах Фриза (A) и Крузенштерна (Б) Fig. 2. Water temperature on the sections along the Vries (A) and Kruzenshtern (Б) Straits

Судя по распределению температуры, в поверхностном и подповерхностном слоях обмен между океаном и морем имеет двухслойный характер. Выражается это в том, что примерно до 100 м перенос прогретых вод направлен из океана в море, а холодных (1-2 °С) в слое 100-400 м — из моря в океан. В плоскости разреза сток холодных вод просматривается прерывистым, как бы пульсирующим потоком. Это хорошо видно, например, на разрезах в прол. Креницына и

381

объясняется меандрированием проходящего через пролив потока относительно

Рис. 3. Температура на разрезах в проливах Буссоль (А) и Креницына (Б)

Fig. 3. Water temperature on the sections along the Bussol (A) and Krenitsin (Б) Straits

В распределении температуры на разрезе поступление океанических вод обычно прослеживается в виде термической интрузии в промежуточном слое, как в проливах Крузенштерна, Буссоль, Фриза, и реже в виде развитого в толще однонаправленного переноса от поверхности до 600-700 м, как, например, в прол. Креницына (см. рис. 2, 3). Поэтому существующее в литературе деление проливов на питающие (северные) и стоковые (южные) достаточно условно и возможно только на основе оценки расхода в проливе. Действительно в прол. Буссоль (рис. 3, А) при хорошо развитом в верхнем (0-400 м) и глубинном слоях стоке холодных (< 2 °С) вод в океан в слое 400-700 м прослеживается поступление теплых (> 3 °С) вод из океана. Без данных по расходу определить роль этого пролива в водообмене невозможно. Напротив, в прол. Креницына в слое 0-700 м океанические воды (> 3 °С) явно доминируют, и преимущественно питающая роль этого пролива очевидна (рис. 3, Б).

Таким образом, изложенные выше данные показывают, что осенью 1993 г. заток вод, участвующих в образовании ТПС Охотского моря, происходил через все глубокие проливы Курильской гряды. Об этом свидетельствуют не только результаты анализа термической структуры вод в проливах, но и распределение дефицита растворенного кислорода (рис. 4). Заток океанических вод с большим дефицитом кислорода (дефицит > 6,0 мл/л заштрихован) прослеживается почти на всем протяжении Курильской гряды, за исключением района прол. Буссоль, через который на этих глубинах происходит сток в океан охотоморских вод с меньшим дефицитом кислорода. Поступающие в море океанические воды, смешиваясь с охотоморскими, несколько снижают дефицит кислорода, в то время как охотоморские, выходя в океан, его увеличивают. Хорошо видно, что в 1993 г. наиболее интенсивный заток вод из океана происходил через северные проходы. Дальнейшее распространение этих вод в глубоководной части моря наблюдалось по циклонической траектории с выходом на материковый склон восточного Сахалина, что сопровождалось ростом дефицита кислорода (> 8,0 мл/л) в этом районе. Отметим, что подобный характер распространения вод ТПС в южной части моря, отражающий структуру поля дефицита кислорода, соответствует схеме переноса вод ТПС, основанной на данных по теплозапасу ТПС (Мороз, 2008).

Понятно, что различие условий в районе взаимодействия морских и океанических вод предопределяет разную интенсивность смешения. О характере взаимодействия вод — интенсивности смешения, уплотнения и последующего заглубления — косвенно можно судить по особенностям топографии (крутизне свала глубин) ядра ТПС и изменению (величине градиентов) температуры. Зона смешения почти на всем протяжении островной гряды выражена четко, а на некоторых участках — особенно резко. К последним относится район между проливами Фриза и Головнина (45-47° с.ш.), что указывает на интенсивное

с.ш.

растворенного кислорода (мл/л) на горизонте 800 м

oxygen utilization (ml /1) at the depth 800 m

Fig. 4. Apparent

Рис. 4. Дефицит

46'

50'

48'

_IlL

146°

148'

150'

1 52

154

1 56

развитие смешения и уплотнения вод в этом районе. Однако это обстоятельство не может быть безусловным признаком места мощного (объемного) затока глубинных вод в море. Установлено, что при равных условиях водообмена через курильские проливы решающим фактором всегда становится их орография (Добровольский, Тимонов, 1952).

В общем виде процесс формирования охотоморского ТПС можно представить следующим образом. Теплые (> 3 °С) воды океанического ТПС всегда присутствуют в прикурильском районе северо-западной части Тихого океана. Здесь, на некотором удалении от проливов, эти воды вступают во взаимодействие с морскими. В процессе смешения и уплотнения образуются воды, которые заглубляются до 800-1000 м и распространяются в море как ТПС.

Наибольшее уплотнение при горизонтальном смешении наблюдается в областях фронтальных разделов, где взаимодействуют воды разного происхождения. В данном случае своеобразным фронтальным разделом между морскими и океаническими водами является Курильская островная гряда. Величина уплотнения тем больше, чем больше различие показателей температуры и солености взаимодействующих вод и чем более сопоставимы (близки) их объемы (Зубов, 1957). Поэтому заглубление при смешении, что видно на разрезах температуры и солености, начинается не в верхнем слое, где различия характеристик вод невелики, а в промежуточных слоях, примерно с 300-400 м, где они существенно выше (см. рис. 2, 3).

Уплотнение при смешении и последующее заглубление более плотных вод формируют в топографии ТПС свал глубин, где ядро слоя с 300-400 м на океанской стороне проливов заглубляется до 800-1000 м на охотоморской. При этом температура ядра изменяется соответственно с 3,5-3,1 до 2,4-2,1 °С, соленость — с 33,934,1 до 34,2-34,4 V и плотность — с 27,0-27,2 до 27,3-27,4 усл. ед. (рис. 5).

Поступление образовавшихся при смешении вод хорошо прослеживается по аномально высоким для охотоморского ТПС температурам (2,6-2,8 °С), пониженным значениям солености (34,1 %о) и плотности (27,2 усл. ед.). По распространению вод смешения можно судить об особенностях их поступления и формирования ТПС. Так, мощное поступление вод, формирующих ТПС, через северные проливы (Крузенштерна, Креницына) обусловливает замедленную трансформацию термохалинных индексов его ядра, в частности солености (рис. 5, В). Величина уплотнения здесь явно ниже, чем в районе южных проливов, и связано это с мощным затоком океанических вод, что становится совершенно очевидным при сопоставлении изначальных характеристик взаимодействующих вод. Температура и соленость морских и океанических вод в зоне проливов соотносятся в прол. Фриза как 2,3 к 3,3 °С и 34,2 к 33,9 V, в прол. Буссоль — 2,4 к 3,4 °С и 34,2 к 34,1 V, в прол. Крузенштерна — 2,4 к 3,5 °С и 34,3 к 34,0 V и в прол. Креницына — 2,6 к 3,1 °С и 34,4 к 34,1 V. Таким образом, во всех проливах, кроме прол. Креницына, влияние температурного контраста — основного фактора, определяющего величину уплотнения, — одно и то же, но градиенты температуры и солености, крутизна свала глубин ТПС наиболее резко выражены в зоне

с.ш.

с.ш.

50"

48"

46"

50"

48"

46"

146" 148" 150" 152" 154" 156" в.д. 146" 148" 150" 152" 154" 156" в.д.

Рис. 5. Глубина (А), температура (Б), соленость (В) и плотность (Г) ядра ТПС

Fig. 5. Depth (A), temperature (Б), salinity (В), and density (Г) of the core of warm intermediate layer (IW)

прол. Буссоль. Следовательно, некоторая размытость зоны смешения в районе северных проливов — следствие объемного притока в зону смешения вод из океана.

Таковы основные особенности формирования охотоморского ТПС. Естественно, межгодовые, и особенно годовые (сезонные), изменения океанологических условий в прикурильском районе могут вносить определенные изменения в этот процесс. Анализ материалов, собранных в разные годы, показал, что наиболее существенное изменение в формировании ТПС связано с изменением положения, относительно проливов, очага формирования ТПС — зоны смешения морских и океанических вод. Именно положение зоны смешения влияет на термическую структуру вод непосредственно в проливах и определяет стартовые характеристики поступающих в море вод ТПС. Так, при нахождении зоны смешения в непосредственной близости к проливам в море поступают воды, температура и соленость которых не характерны для охотоморского ТПС. Положение зоны смешения можно определить по положению ядра (> 3 °С) океанического ТПС.

Зимой почти на всем протяжении Курильской гряды ядро океанического ТПС находится на удалении 60-120 миль от проливов (рис. 6). Смешение, судя по некоторой размытости свала глубин ТПС, развивается замедленно, что связано с небольшим различием температуры смешивающихся вод. Заток в море вод смешения происходит через северные проливы, сброс в океан — через южные, в основном через проливы Буссоль и Фриза. Поступающие в море воды по своим термохалинным характеристикам, по существу, никак не выделяются.

Весной смешение морских и океанических вод, как и зимой, происходит на некотором удалении от проливов (рис. 7). Воды смешения частично поступают в море через проливы Надежда, Головнина и в основном Крузенштерна. Здесь перед проливами Надежда и Головнина зона смешения наиболее близка к проливам и здесь же в топографии ТПС наиболее резко выражен свал глубин — признак энергично идущего уплотнения. Перед южными и северными проливами взаимодействие морских и океанических вод происходит явно вне района съемки, но питающая роль северных проливов, судя по распределению температуры, очевидна. В топографии ТПС этот заток, из-за удаленности зоны смешения, не прослеживается. Через южные проливы происходит сток холодных (< 2 °С) охотоморских вод в океан.

Рис. 6. Глубина (А) и температура (Б) ядра ТПС в марте 1990 г. Fig. 6. Depth (A) and temperature (Б) of the IW core in March, 1990

С.Ш. С.Ш.

Рис. 7. Глубина (А) и температура (Б) ядра ТПС в мае 1985 г.

Fig. 7. Depth (A) and temperature (Б) of the IW core in May, 1985

Однако анализ материалов за июнь 1986 г. показывает, что ситуация, сложившаяся в мае 1985 г., по-видимому, типична скорее только для начала весны. Различия условий существенны, но не ясно, связаны ли они только с развитием перехода от зимних условий к летним или это влияние межгодовых изменений (рис. 8).

Рис. 8. Глубина (А) и температура (Б) ядра ТПС в июне 1986 г. Fig. 8. Depth (A) and temperature (Б) of the IW core in June, 1986

К особенностям топографии и структуры поля температуры ТПС в июне 1986 г. надо отнести хорошо выраженные между проливами Фриза и Крузенштерна свал глубин и зону повышенных градиентов температуры. Наиболее резко эти структурные образования выражены между проливами Буссоль и Головнина

и несколько размыто — перед проливами Крузенштерна и Креницына. В целом в конце весны определенно происходит смещение зоны смешения к проливам, а структура зоны смешения в течение весны существенно не изменяется: сток из моря происходит через южные проливы, поступление из океана — через северные.

Годовые изменения положения зоны смешения заканчиваются летом ее приближением непосредственно к проливам. В августе 2001 г. наиболее близко к проливам зона находилась севернее 46-47° с.ш. Это стало причиной поступления и распространения в море вод с аномально высокими температурами ТПС — до 2,6-2,7 °С. Летом через южные проливы (Фриза, Буссоль) идет сток охото-морских вод. Зона смешения занимает здесь более мористое положение, ее структура размыта (рис. 9).

Рис. 9. Глубина (А) и температура (Б) ядра ТПС в августе 2001 г.

Fig. 9. Depth (A) and temperature (Б) of the IW core in August, 2001

В конце лета — начале осени, о чем можно судить по материалам экспедиции НИС «Витязь» (Добровольский, Тимонов, 1952), начинается смещение зоны смешения от проливов в океан (рис. 10). Наиболее определенно это заметно в южной части прикурильского района, в то время как в северной части положение зоны смешения вблизи проливов определяет, как и в августе, присутствие в глубоководной части моря аномально теплых (2,6-2,7 °С) вод ТПС. Очевидно, такое положение зоны смешения и аномально высокие температуры ТПС в этой части моря — характерная особенность формирования ТПС в летнее время.

8° 150°

Рис. 10. Глубина (А) и температура (Б) ядра ТПС в сентябре-октябре 1949 г.

Fig. 10. Depth (A) and temperature (Б) of the IW core in September-October, 1949

Изменения положения зоны смешения относительно Курильских островов и обусловленные ими изменения характеристик ядра ТПС имеют сезонную периодичность. Изменения положения зоны смешения определенно связаны с изменениями в структуре течений в промежуточных слоях, например с пространственным смещением течений, в результате которого взаимодействие морских и океанических вод летом происходит непосредственно вблизи островов и на удалении от них — зимой. В первом случае это обусловливает поступление в море нетран-

сформированных вод смешения, во втором — уже трансформированных. Годовые различия характеристик ТПС наиболее заметны в районах распространения таких вод. По величине годовые изменения характеристик ТПС невелики — не выше 0,2-0,3 °С по температуре и 0,10-0,15 %о по солености, но прослеживаются на значительном удалении от проливов.

Заключение

Теплый промежуточный слой Охотского моря формируют не собственно океанические воды, а образовавшиеся в процессе их смешения с морскими. Образование вод ТПС происходит в прилегающем к Курильским островам районе океана. В зависимости от положения этого района относительно островной гряды формирование термохалинных характеристик ТПС начинается или еще в океане, что происходит зимой, или уже в море — летом. Пространственные смещения зоны определенно отражают годовые изменения кинематической структуры циркуляции промежуточных вод северной части Тихого океана.

В поле температуры район взаимодействия (зона смешения) морских и океанических вод структурно выделяется как зона высоких градиентов. Формирование градиентной зоны сопровождается заглублением ТПС, обусловленным уплотнением при смешении вод разной температуры и солености. На всем протяжении зоны смешения величины градиентов температуры и крутизна образовавшегося свала глубин различны. Это обстоятельство отражает характер взаимодействия вод, который зависит не только от различия их свойств, но во многом и от сопоставимости их объемов. По этой причине зона образования ТПС перед прол. Крузенштерна всегда выражена не так резко, как перед проливами Буссоль и Головнина. Положение зоны формирования ТПС в течение года изменяется. Летом зона находится в непосредственной близости от проливов, зимой — удалена. Изменения положения зоны влияют на годовые различия характеристик ТПС, наиболее заметные в летнее и зимнее время.

Результаты анализа многолетних материалов подтверждают обоснованность предположения А.Д. Добровольского и В.В. Тимонова (1952) о признании прол. Крузенштерна основным источником поступления глубинных океанических вод в Охотском море. Вместе с тем приведенные выше данные показывают, что поступление таких вод происходит и через другие проливы, но в существенно меньших объемах, и носит, по-видимому, сезонный характер.

Список литературы

Добровольский А.Д., Тимонов В.В. Отчет о работах гидрологического отряда // Отчет комплексной океанографической экспедиции на э/с «Витязь». Т. 1 : Работы в Охотском море в 1949 г. — М. : АН СССР, 1952. — С. 24-55.

Зубов H.H. Уплотнение при смешении морских вод разной температуры и солености : монография. — Л. : Гидрометеоиздат, 1957. — 87 с.

Мороз И.Ф. Формирование теплозапаса и особенности динамики элементов структуры бароклинного слоя Охотского моря // Изв. ТИНРО. — 2008. — Т. 152. — С. 271-281.

Радзиховская М.А., Леонтьева В.В. Структура вод и водные массы // Гидрология Тихого океана. — М. : Наука, 1968. — С. 20-68.

Хен Г.В., Дудков С.В. Гидрология теплых глубинных вод Охотского моря в сентябре-ноябре 2002 г. // Изв. ТИНРО. — 2002. — Т. 130. — С. 140-147.

Поступила в редакцию 2.06.10 г.