CC BY
151
Вестник ДВО РАН. 2014. № 5
УДК 551.46 (265.4)
Ф.Ф. ХРАПЧЕНКОВ, Н.М. БЕЗОТВЕТНЫХ, И И. ГОРИН
Изменчивость течений и температуры воды в Амурском заливе Японского моря в 2005-2007 гг.
В результате продолжительных измерений течений и температуры воды в 6 точках Амурского залива (в вершине, центральной части и на выходе из него) получены новые сведения о сезонной изменчивости течений и температуры воды в заливе, о водообмене его с открытой частью зал. Петра Великого. Сезонная и синоптическая изменчивость атмосферных процессов приводит к изменениям в направлении течений и соответственно значительным колебаниям температуры воды. Особенно хорошо это прослеживается в зимний период. При длительном (несколько суток) действии южных или северных ветров течения в приповерхностном слое вдоль восточного и западного побережий направлены на юг и юго-запад, а в средней части залива течение меняется на противоположное — с северного на южное. При этом в центральной части залива на поверхности и у дна часто наблюдается разнонаправленность течений.
Ключевые слова: Амурский залив, изменчивость течений, колебания температуры воды.
Sea currents and water temperature variability in the Amur Bay of the Sea of Japan in 2005-2007.
F.F. KHRAPCHENKOV, N.M. BEZOTVETNYKH, I.I. GORIN (V.I. Il'ichev Pacific Oceanological Institute, FEB RAS, Vladivostok).
In the result ofpersistent measurements of currents and water temperature in 6 points of the Amur Bay (at the top of the bay, in the center and at the outlet of the bay) new data on seasonal variability of currents and water temperature in the Bay, water exchange between the Bay and the open part of the Peter the Great Bay were obtained. Seasonal and synoptic variability of atmospheric processes leads to changes in the currents direction and, accordingly, it leads to wide fluctuations of water temperature. Especially it is well seen in winter. On long effect of the north and south winds (up to several days) wind the currents in the near-surface layer along the east and the west coast are directed at the south and south-west and in the middle of the bay the current changes to the opposite one —from the north to the south. As this takes place, multidirectionality of currents is often seen in the central part of the Bay on the surface and at the bottom.
Key words: Amur Bay, variability of currents, water temperature fluctuations.
Амурский залив, расположенный в северо-западной части зал. Петра Великого Японского моря, в последние годы находится под угрозой антропогенного загрязнения. Причиной тому многочисленные проекты строительства и строительство различных объектов не только на побережье, но и в самой акватории. В связи с этим и в силу других причин в последнее десятилетие вновь возрос интерес к исследованию основных факторов, определяющих экологическую безопасность Амурского залива.
Динамика процессов загрязнения вод Амурского залива во многом обусловлена режимом его течений. До настоящего времени режим течений залива и условия его водообмена с открытой частью зал. Петра Великого исследованы недостаточно. Основные измерения течений максимальной продолжительностью 7 сут. были проведены в 1979-1984 гг. в летнее время [4], что позволило оценить приливные гармоники и выполнить численное
*ХРАПЧЕНКОВ Фёдор Фомич - кандидат географических наук, ведущий научный сотрудник, БЕЗОТВЕТНЫХ Надежда Михайловна - старший инженер, ГОРИН Игорь Иванович - ведущий инженер (Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичёва ДВО РАН, Владивосток). *Е-таП: [email protected]
моделирование течений для Амурского залива [2]. До сих пор схемы течений в заливе в основном базируются на численных моделях. Инструментальные измерения течений в зимний период практически отсутствовали, поэтому в 2005-2007 гг. лабораторией физической океанологии ТОИ ДВО РАН были начаты длительные (продолжительностью до года) измерения течений и температуры воды в Амурском заливе для оценки их сезонной и синоптической изменчивости. Эти измерения продолжаются и в настоящее время, в первую очередь в прол. Босфор Восточный, Уссурийском заливе и зал. Посьета. Результаты измерений течений и температуры воды в верхнем слое и на придонных горизонтах по сезонам, выполненных на 17 автономных буйковых станциях в Амурском заливе и прол. Босфор Восточный, приведены в работе [3].
В предлагаемой статье детально анализируются данные по течениям и температуре воды, полученные в 2005-2007 гг. в ходе продолжительных измерений на 6 автономных буйковых станциях (АБС) в разных частях Амурского залива.
Материал и методика
Длительные замеры проводились с помощью автономных измерителей течений и температуры воды «Поток» и электромагнитного датчика параметров течений «S4A» (Interocean, USA). АБС находились в притопленном состоянии, на глубине от 5 до 7 м от поверхности моря [3]. Первые измерения, проведенные с июля по октябрь 2005 г., были связаны с возможным строительством нефтяного терминала в бух. Перевозная и выполнялись на 4 станциях: в середине Амурского залива (точки 1-3, на горизонтах 7 и 28 м) и на выходе из него (точка 4, на горизонте 5 м). В точках 1 и 4 наблюдения были продолжены с 25 октября 2005 г. по август 2006 г. В этот же период осуществлялись наблюдения в точке 6. С осени 2006 г. по август 2007 г. измерения велись в точках 2 и 6 (рис. 1). В точке 5 полноценные измерения на двух горизонтах имеются только для 10 сут, в остальное время оба прибора работали на дне, и данные есть только по температуре воды на дне.
Графические построения осуществлялись с помощью программы «Surfer 8», для построения векторов использовалась программа «Векторное поле», созданная П.Е. Щербининым (ТОИ ДВО РАН). Статистическая обработка данных проводилась с помощью программы «StatSoft».
Рис. 1. Схема постановки АБС в Амурском заливе. Слева - расположение района исследований в Японском море
Результаты и обсуждение
Статистический анализ данных измерений позволил ранее вычленить синоптическую и приливную составляющие течений [3]. В синоптическом диапазоне спектры изменчивости скорости течений во все сезоны и во всех частях Амурского залива имеют сходную квазидискретную структуру с общими выразительными максимумами на 5-6-й и 7-9-й дни и менее выразительными максимумами на 3-й и 4-й дни. Для спектров изменчивости модуля скорости ветра и давления над заливом также характерны сходные квазидискретные структуры с общими выразительными максимумами на 3-6-й и 9-10-й дни. Спектральный анализ приливной изменчивости за весь период измерений на всех станциях показал, что спектры изменчивости скорости течения имеют максимумы на периодах около 12 ч (11-14 ч), которые соответствуют полусуточному приливу. Значительный вклад вносят инерционные составляющие на периодах около 8 ч (7-9 ч) и 18 ч (16-20 ч). Иногда на спектрах выделяется слабо выраженный максимум на периоде около 24 ч, соответствующий суточному приливу. В большинстве случаев преобладает полусуточная приливная составляющая, т.е. в основном наблюдается неправильный, полусуточный прилив.
В годовом ходе температуры воды в Амурском заливе (рис. 2) выделяются два периода: когда вода прогревается до максимальных и когда она охлаждается до минимальных значений.
Рис. 2. Изменчивость температуры воды в 2005-2006 гг. в Амурском заливе: а - в северной части (точка 6); б - в центральной части (точка 1); в - на выходе из залива (точка 4)
Первый период начинается в конце июля и заканчивается в конце сентября-начале октября. В это время температура воды в центральной части залива на глубине 7 м выше 18 °С, а на глубине 26 м выше 10 °С. На выходе из залива на глубине 5 м она превышает 21 °С, иногда даже 24 °С. В августе температура воды достигает 15,2 °С на глубине 28 м и 22 °С на глубине 7 м. Резкие колебания температуры воды в подповерхностном и придонном слоях связаны с усилением течений северного и южного направлений под воздействием южных и северных ветров, соответственно. Так, в центральной части залива при сильном южном ветре в конце июля и начале августа скорость течения увеличивается до 40 см/с (на глубине 7 м), что приводит к резкому росту температуры воды. И наоборот, в середине августа при сильном северном ветре скорость течения в подповерхностном слое достигает 48 см/с, что влечет за собой понижение температуры воды на 3-4 °С на верхнем и на 6 °С на нижнем горизонте.
Примерно такие же изменения температуры воды происходят и вблизи бухты Алексеева у западного побережья о-ва Попова. Скорости течения здесь в основном не превышают 30 см/с, только 18 августа 2005 г. максимальные значения скорости течений юго-западного направления на глубине 7 м достигали 56 см/с. У мыса Ломоносова максимальные течения отмечены в начале августа при южном и в середине августа при северном ветре. В это время фиксировался минимум температуры воды (16 °С), при этом колебания температуры достигали 8 °С.
На выходе из Амурского залива летом наблюдались значительные колебания как температуры, так и скоростей течения. Температура воды в августе и сентябре колебалась в пределах 22-24 °С, ненадолго увеличиваясь до 25,5 °С. Максимальные скорости течения измерены 18 августа (до 70 см/с) при сильном северном и 17 сентября (63 см/с северовосточного направления) при южном ветре.
Второй период, когда температура воды становится отрицательной (до -1,8 °С), продолжается с начала декабря до апреля в северной части, с середины декабря до конца марта в центральной части и с конца декабря до конца марта на выходе из Амурского залива. К началу декабря температура воды в верхнем слое снижается до таких же значений, что и в нижнем (2-3 °С). После этого на обоих горизонтах она плавно уменьшается и к 25 декабря достигает отрицательных значений, которые сохраняются в верхнем горизонте до начала, а в нижнем до конца апреля. В подповерхностном слое в южной части залива в январе и феврале в моменты усиления течений северных направлений температура воды повышалась до 0 °С. Скорости течения в этот период не превышали 30 см/с.
В северной части Амурского залива измерения проведены только в холодные сезоны 2005/06 и 2006/07 гг. (рис. 2а). В конце октября-начале ноября 2005 г. отмечены резкие колебания температуры воды от 4,5 до 7,5 °С, скорости течений преимущественно северных направлений не превышали 13 см/с. В первой декаде декабря температура воды быстро понизилась с почти 4,0 до 0 °С, а к 14 декабря до минимального значения -1,8 °С. Под ледовым покровом температура воды в декабре-январе изменялась в пределах -1,82.. .-0,57 °С. С конца января до середины марта 2006 г. вода медленно остывала до -1,7 °С, после чего рост температуры воды возобновился. Нулевая отметка была достигнута в конце первой декады апреля, в это же время отмечены и максимальные скорости течения.
Несколько иная картина наблюдалась зимой 2006/07 г. Переход через 0 °С состоялся примерно на неделю позже, а минимальные значения были достигнуты после 28 декабря, т.е. на две недели позже, чем в предыдущую зиму. Изменчивость температуры воды в январе в придонном слое была несколько меньше (от -1,8 до -0,8 °С). При этом до начала второй декады февраля на фоне минимальных скоростей течений происходит и увеличение солености. После этого до середины марта температура воды медленно понижается до минимальных значений. Устойчивый обратный переход через нулевую температуру отмечен примерно в то же время, что и в предыдущую зиму - 12 апреля.
Анализ распределения направлений течений в северной части Амурского залива в придонном слое в холодные периоды 2005/06 и 2006/07 гг. показал, что до установления
постоянного ледяного покрова в первую зиму преобладали течения на север (в сумме 61 %) максимальной скоростью 14 см/с, а во вторую зиму - южных и юго-восточных направлений (в сумме 67 %) максимальной скоростью до 15 см/с. Подо льдом в эти годы также наблюдались разные по направлениям течения. В 2005/06 г. перенос вод был преимущественно юго-западным (78 %) со скоростью не более 10 см/с, а в следующую зиму -восточным (75 %) максимальной скоростью до 13,6 см/с. Весной 2006 и 2007 гг. фиксировались течения всех направлений, с небольшим преобладанием северных (максимальная скорость 21 см/с) и южных (максимальная скорость 16 см/с).
Наибольший интерес, однако, представляют данные измерений в период с 13 декабря по 15 февраля, когда в отдельные моменты во время образования постоянного ледяного покрова и уже подо льдом температура воды в придонном слое повышалась на 1 °С и более. На рис. 3 представлены данные по атмосферному давлению (ГМС «Владивосток»), распределению направлений течений и температуре воды. В начале зимнего сезона 2005/06 г. под воздействием сильных северных ветров усилились течения южного направления (до 16 см/с), а температура воды понизилась до минимального за весь зимний
Рис. 3. Изменчивость атмосферного давления (а), направления и скорости течений (б) и температуры воды (в) в северной части Амурского залива в период с 13 декабря 2005 г. по 15 февраля 2006 г. (А) и в период с 13 декабря 2006 г. по 15 февраля 2007 г. (Б)
период значения (-1,82 °С). Такая же температура воды кратковременно отмечена в конце декабря. С 14 по 21 декабря температура воды постепенно повысилась до -0,57 °С. Это произошло при постоянном действии северных ветров: ослабление ветра вызывало понижение, а усиление - повышение температуры воды. Колебания температуры воды при этом составляли до 0,6 °С. Смена ветра с северного на южный 24 декабря привела к тому, что уже на следующий день температура воды резко уменьшилась почти на 1 °С, при этом наблюдались слабые течения юго-западного и западного направлений. В течение следующих 10 дней отмечалась тенденция к незначительному росту температуры воды с кратковременными ее повышениями на 0,6-0,7 °С при смене течений на северное направление или их отсутствии. С 4 по 13 января, во время интенсивного роста толщины льда, у дна залива температура воды увеличилась примерно на 1 °С, кратковременные колебания составляли 0,4 °С. 14 января при южном ветре температура воды в придонном горизонте вновь опустилась до -1,7 °С, и в дальнейшем наблюдался плавный ее рост до -1,2 °С вплоть до 5 февраля с кратковременными резкими изменениями на 0,6-0,7 °С.
Холодный сезон 2006/07 г. отличался от предыдущей зимы повышенным фоном атмосферного давления и частой сменой направления ветров. При этом средние скорости ветра были несколько меньше, а максимальные больше. Возможно, в связи с этим основные направления течений у дна были противоположны зафиксированным в предыдущую зиму, а максимальные скорости течения измерены в начале января и середине февраля уже подо льдом, во время резких колебаний атмосферного давления. Температура воды начиная со второй декады декабря постепенно понижалась от 0 °С до своего минимума в конце декабря (-1,82 °С), когда и установился постоянный ледяной покров. Кратковременные ее повышения в этот период на 0,5-0,8 °С сопровождались уменьшением солености воды на 0,5 %о. С 29 декабря по 5 января наблюдался плавный рост температуры (до -1,3 °С) и солености (на 1,0 %). Во время резкого падения, а затем резкого роста атмосферного давления 7-8 января при усилении течения северо-восточного направления до 14 см/с и температура, и соленость резко уменьшились. В дальнейшем до середины февраля фиксировались плавный рост температуры воды (до -0,9 °С), солености (почти до 34,0 %о) и незначительные кратковременные их колебания, связанные с приливными течениями. Колебания атмосферного давления и усиление течений восточного направления до 14 см/с в середине февраля привели к резкому снижению температуры и солености воды.
Увеличение температуры воды в придонном слое северной части Амурского залива в холодный период года, по-видимому, связано с накоплением тепла в донных осадках (илах) в летний период, что подтверждается результатами наблюдений, приведенными в работе [1]. За счет сохранения тепла в придонном слое поддерживается активная биологическая деятельность в зимний период на достаточно больших глубинах, а слабая вентиляция придонных вод способствует созданию локальных положительных температурных аномалий.
На рис. 4 показаны векторы преобладающих течений в приповерхностном и придонном слоях в летний и зимний периоды.
В средней части Амурского залива и летом, и зимой наблюдаются течения противоположных направлений на обоих горизонтах. Так, летом на горизонте 7 м преобладали течения на север (75 %) максимальной скоростью 42 см/с, а на нижнем горизонте (28 м) -течения от западного до южного направлений (в сумме около 70 %) скоростью до 21 см/с. Осенью течения имели северо-западное направление на обоих горизонтах и скорости около 20 см/с. Максимальные скорости течений (до 61 см/с) западного и юго-западного направлений отмечены осенью и зимой на нижнем горизонте. Весной в приповерхностном слое основными были течения северного направления при значительной доле западных и восточных течений. Максимальные скорости течений южного и восточного направлений достигали 30 см/с. На глубине 28 м преобладали восточные с максимальной скоростью 42 см/с и северо-восточные течения при сохранении значительной доли южных.
Рис. 4. Преобладающие направления течений в летний (а, в) и зимний (б, г) периоды в приповерхностном (а, б) и придонном (в, г) слоях вод Амурского залива
На выходе из залива в зимний период наблюдается такая же картина, как и в средней его части: в верхнем горизонте течения чаще направлены на север, а в придонном - на юг, скорости течений не превышают 24 и 20 см/с, соответственно. При этом летом в верхнем горизонте максимальные скорости течений имели северо-восточное (59 см/с) и западное (48 см/с) направления. Осенью для обоих горизонтов характерны северные течения (в сумме более 75 %) максимальной скоростью 20 см/с.
У западного (п-ов Ломоносова) и восточного (бухта Алексеева) побережий Амурского залива на верхнем и нижнем горизонтах преобладали течения южных и юго-западных направлений максимальной скоростью до 56 см/с.
Изменчивость течений в Амурском заливе при длительном действии ветров разных направлений рассмотрена для двух разных синоптических ситуаций (рис. 5, 6). Установлено, что 1-2 августа 2005 г. при сильном (7-13 м/с) южном ветре у восточного берега залива на глубине 7 м преобладают течения южного и западного направлений со скоростями не более 20 см/с. Такая же картина наблюдается и у западного берега, только скорость течения здесь значительно больше - до 56 см/с. В центре залива на такой же глубине течение направлено на север и имеет скорость до 50 см/с, в то время как на глубине 26 м течение со скоростью до 20 см/с направлено на юг, юго-запад.
При сильном северном ветре на горизонте 7 м на востоке залива сначала наблюдалось слабое течение на юг (17 августа 2005 г.), затем течение повернуло на запад и к концу дня 18 августа его скорость достигала 56 см/с. В последующие два дня (19 и 20 августа)
Рис. 5. Векторы и скорости течений в точках 1, 2 и 3 в Амурском заливе в дни с максимальным (7-13 м/с) южным ветром. 1-2 августа 2005 г.
Рис. 6. Векторы и скорости течений в точках 1, 2 и 3 в Амурском заливе в дни с максимальным (5-12 м/с) северным ветром. 17-20 августа 2005 г.
при умеренном ветре течение вновь ослабло и повернуло на юг. В середине залива в первые два дня течения в основном направлены на север, северо-восток на обоих горизонтах и только при самом сильном ветре (вторая половина 17 августа) течения приобретают противоположное направление: наверху - на юг, внизу - на север. 19-20 августа при умеренном ветре течение на горизонте 7 м постепенно усилилось до 48 см/с и повернуло на восток, в это же время на нижнем горизонте течение со скоростью не более 15 см/с было направлено на юго-запад. В западной части залива 17 августа течение скоростью до 36 см/с было южным, юго-западным, затем к середине дня 18 августа оно повернуло на север и сохранялось до конца дня. В последующие два дня течение сменило направление сначала на восточное, а затем на южное и юго-западное. Таким образом, можно предположить, что при сильном северо-восточном ветре в восточной части Амурского залива образуется антициклоническая, а в западной - циклоническая циркуляция.
Выводы
Установлено, что поля скоростей течений и температуры воды в Амурском заливе формируются под воздействием сезонной и синоптической изменчивости атмосферных процессов. В центральной части залива (между о-вом Попова и бухтой Перевозная) летом и на выходе из залива зимой наблюдались разнонаправленные течения: в приповерхностном слое - на север, в придонном - на юго-запад. Осенью течение на обоих горизонтах направлено на северо-восток, а зимой имеет разные направления: на горизонте 7 м - на северо-восток, на горизонте 28 м - на юг. При этом преобладающими направлениями течений вдоль западного и восточного побережий летом 2005 г. были южные и юго-западные. Такие же направления течений наблюдались у бухты Алексеева в зимний сезон 2006/07 г.
При продолжительном (несколько суток) действии южного ветра в приповерхностном слое в середине залива течение направлено на север, а вдоль восточного и западного побережий - на юг и юго-запад. При сильном северном ветре в центральной части и вдоль западного и восточного побережий залива течение в приповерхностном слое приобретает южное, юго-западное, в придонном - северное направление.
Увеличение температуры воды в придонном слое северной части залива в холодный период года связано с накоплением тепла в донных осадках (илах) в летний период. Слабая вентиляции придонных вод способствует созданию локальных положительных температурных аномалий. За счет этого обеспечивается поддержание активной биологической деятельности в зимний период на достаточно больших глубинах.
ЛИТЕРАТУРА
1. Буров Б.А., Лазарюк А.Ю., Пономарёв В.И., Свининников А.И. Динамика потока тепла в слое осадков мелководной части Амурского залива в холодный период (октябрь-апрель) года // Физика геосфер: материалы докл. Пятого всерос. симпоз., Владивосток, 3-7 сент. 2007 г. Владивосток, 2007. С. 132-136.
2. Общая схема циркуляции вод Амурского и Уссурийского заливов по результатам численного моделирования / Н.И. Савельева; ТОИ ДВНЦ АН СССР. Владивосток, 1989. 29 с. Деп. ВИНИТИ 10.03.1989 г., № 2268-В89.
3. Храпченков Ф.Ф., Горин И.И., Сергеев А.Ф., Дулова Н.М. Долговременные измерения течений и температуры воды в заливе Петра Великого в 2004-2007 гг. // Современное состояние и тенденции изменения природной среды залива Петра Великого Японского моря. М.: ГЕОС, 2008. С. 9-57.
4. Яричин В.Г., Рыков Н.А. Постановка автономных буйковых станций на акватории залива Петра Великого. Препр. Владивосток: ДВГУ, 2003. 24 с.
