CC BY
3УДК 551.465 Природные процессы в гидросфере
Особенности формирования холодного промежуточного слоя шельфовой склоновой зоны северо-восточной части Черного моря в период 2019-2022 гг.
Formation features of the cold intermediate layer in the shelf slope zone of the northeastern part of the Black Sea during the period 2019-2022
Куклев С.Б., Куклева О.Н.
Sergey B. Kuklev, Olga N. Kukleva
Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН (Москва, Россия)
В статье представлены результаты мониторинга развития гидрологической структуры вод шельфовой склоновой зоны северо -восточной части Черного моря за период 2019-2022 гг. За исследуемый период холодный промежуточный слой (ХПС) в своем классическом определении (слой воды, ограниченный изотермами 8°C) не формировался. Выявлен ряд аномалий в его динамике. Причинами выявленных феноменов стали теплые зимы и на фоне трендового роста температуры и солености верхнего слоя Черного моря.
Ключевые слова: Черное море; гидрофизический полигон; холодный промежуточный слой; шельфовая склоновая зона моря
Введение
Холодный промежуточный слой (ХПС) является важным структурным элементом гидрологии Черного моря, который оказывает значительное влияние на формирование гидрофизических процессов верхнего деятельного слоя, на динамику гидрохимических, биотических элементов морской экосистемы, а также на факторы, определяющие соотношение органической и карбонатной помп, углеродного баланса моря в целом. ХПС, с одной стороны, служит своеобразным барьером, защищающим верхний деятельный слой моря от насыщенных сероводородом анаэробных глубинных вод. С другой стороны, этот слой, являясь продуктом зимне-весеннего конвективного перемешивания, в период своего обновления насыщается кислородом, биогенными элементами, которые весной-летом за счет процессов турбулентного обмена поступают в верхний фотический слой, обеспечивая рост первичной биологической продукции.
© Куклев С.Б., Куклева О.Н., 2023
Поэтому исследования закономерностей формирования ХПС являются важной научной задачей. Актуальность этой задачи в последнее время существенно возросла в связи с глобальными климатическими изменениями, которые стали причинами перестройки как атмосферных, так и морских процессов. Эти изменения оказали влияние на состояние и динамику всех компонентов черноморской экосистемы. В частности, за последнее десятилетие выявлен трендовый рост температуры и солености верхнего 150- метрового слоя Черного моря (Зацепин, Куклев, 2018; Подымов и др., 2021). По данным измерений Полигона «Геленджик» (рис. 1) за период 2010-2022 гг. рост солености в среднем составлял около 0,05-0,06 PSU/год, температуры воды - 0,04°С. Незначительные в абсолютном выражении рост температуры воды и ее солености привели за последние 10 лет к существенной перестройке гидрологической структуры вод и аномалиям в формировании ХПС. Основными региональными причинами указанных феноменов стали потепление климата, уменьшения осадков над акваторией моря, уменьшение речного стока.
Рис. 1. Схема Полигона «Геленджик» На схеме обозначено: зеленые звездочки - донные станции в составе ADCP и термокосы (ближайшая к берегу станция обеспечена подводной оптоволоконной линией связи), зеленый кружок - станция профилаграфа «Аквалог», зеленый квадрат - морская метеостанция, красные молнии - радиолокационные измерения, оранжевая пунктирная ломанная - галсы судна для
измерения пространственной структуры течений буксируемым ADCP, зеленая штриховая линия - стандартный 9-ти мильный разрез мультидисциплинарных судовых мониторинговых
исследований
Согласно «конвективно-адвективной» гипотезе Овчинникова-Попова (Овчинников, Попов, 1987) основным фактором, оказывающим влияние на формирование ХПС в северо-восточной части Черного моря, является частота и интенсивность затока холодных воздушных масс на акваторию восточного циклонического круговорота. Данные, полученные на Полигоне «Геленджик», позволили подтвердить основные положения гипотезы (Куклев и др., 2019). В частности, в условиях «холодных зим» выявлена устойчивая статистическая связь между температурой атмосферного воздуха северо-восточной части Черного моря (в контрольных точках
г. Геленджика и центральной области восточного циклонического круговорота) и температурой вод ХПС над континентальным склоном в районе г. Геленджика. Также подтверждено одно из положений гипотезы о временном сдвиге в ~2 месяца между процессами вторжения холодных воздушных масс на акваторию Черного моря и появления вод развитого ХПС в прибрежной зоне в районе Геленджика.
В условиях «холодных зим» активизируются процессы конвективно-турбулентного перемешивания, которые приводят к формированию нового ХПС в его в «классическом» определении - слой инверсии температуры, ограниченный изотермами 8,00°С. Пример формирования такого «классического» ХПС приведен на рис. 2.
180
100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320
Дни, с начала года
Рис. 2. Временная изменчивость вертикального распределения температуры воды по данным судовых мониторинговых наблюдений в 2017 г. По оси Х отложены дни с начала года.
Как следует из представленного результата, слой ХПС был сформирован в середине апреля. Его дальнейшая трансформация происходила в основном за счет теплообмена с вышележащим деятельным слоем моря. Она выражалась в уменьшении температуры и толщины слоя. Наиболее активный теплообмен происходил в периоды интенсификации динамических атмосферных процессов и развития Основного черноморского течения (ОЧТ).
Отметим, что 2017 был последним годом современного цикла, когда произошло активное обновление вод ХПС. Последующие годы характеризовались «теплыми» зимами, и формирования ХПС в его «классическом» представлении не наблюдалось.
Особенности формирования ХПС в 2019 году
Как было отмечено ранее, процессы обновления вод ХПС в исследуемом районе во многом определяются температурным режимом над северо-восточной акваторией Черного моря и интенсивностью затока холодных воздушных масс в зимне-весенний период. Зима 2019 года, как и в предшествующий 2018 год, была относительно теплой. Теплые зимы способствовали слабому обновлению вод ХПС. На рис. 3 показана временная изменчивость вертикального распределения температуры воды по данным судовых мониторинговых наблюдений в 2019 г.
200 | : | : : | г : I ^п : I : : I I : I : г
80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300
Дни, с начала 2019 года
Рис. 3. Временная изменчивость вертикального распределения температуры воды по данным судовых мониторинговых наблюдений в 2019 г.
Как следует из результатов, представленных на рис. 3, ХПС в его «классическом» определении не сформировался. Наблюдалась инверсия температуры в границах изотерм 8,6°С. Температурный минимум, отмеченный в начале мая в слое 65-75 м, находился в пределах 8,1-8,2°С. Последующий летний прогрев привел к росту температуры всего слоя.
Особенности формирования ХПС в 2020 году
Как и в предшествующий период, зима 2020 г. была теплой. При этом в течение года наблюдался нехарактерный прогрев воды, который был связан с аномальным температурным режимом атмосферного воздуха над акваторией моря. По данным ГМС Геленджика прогрев воды начался во второй половине марта и продолжался до середины июля, после чего среднесуточная температура сохранялась на примерно одном и том же уровне (25-28°С) практически до середины сентября. Традиционное похолодание, наблюдаемое обычно в середине-конце сентября, в 2020 г. отсутствовало. Фактически весь сентябрь сохранялась температура воды и воздуха, обычно соответствующая концу августа, и лишь с начала октября началось постепенное остывание.
Необычный температурный режим привел к дальнейшему росту температуры воды в ХПС. На рис. 4 показана временная изменчивость вертикального распределения температуры воды по данным судовых мониторинговых наблюдений в 2020 г.
Также, как и в предшествующий год, ХПС в своем «классическом» определении не сформировался. Температурный минимум, отмеченный 11.06.2020 г. на глубине 81 м, составил 8,6°С. При этом сам ХПС ограничен изотермами 8,7°С.
Рис. 4. Временная изменчивость вертикального распределения температуры воды по данным судовых мониторинговых наблюдений в 2020 г.
Особенности формирования ХПС в 2021 году
Как и в предыдущие три года, ХПС в своем «классическом» определении в 2021 г. не был сформирован. Температурный минимум, отмеченный 29.04.2021 г. апреля на глубине 85 м на предпоследней станции мониторингового разреза, составил 8,53°С. Временная изменчивость вертикального распределения температуры воды по данным судовых мониторинговых наблюдений в 2021 г. показана на рис. 5.
-г-—г
180 200 220 240 Дни, с начала 2021 года
Рис. 5. Временная изменчивость вертикального распределения температуры воды по данным судовых мониторинговых наблюдений в 2021 г.
Следует отметить, что, хотя мы для предшествующих лет указывали на отсутствие слоя в его «классическом» определении, сам феномен ХПС при этом вполне наблюдался, только с более высокой температурой границ. Однако постоянный рост его температуры привел к аномальному распределению гидрологических параметров. К апрелю 2021 г. ХПС перестал существовать вовсе - температура равномерно понижалась с глубиной примерно до редокс-слоя и глубже начинала расти. Инверсия температуры, характерная для ХПС, отсутствовала. При этом температурные колебания в слое 140-200 м были весьма незначительными и находились в пределах 0,1°С. Причинами выявленного феномена, по нашему мнению, стали: 1) активные локальные процессы зимнего конвективного перемешивания, связанные с длительными периодами затока холодных воздушных масс над акваторией района исследований; 2) уменьшение вертикальных градиентов температуры в деятельном слое моря слое и слабое обновление ХПС в предшествующие теплые зимы.
Условно-холодная вода начала поступать в ХПС в последней декаде апреля примерно на той же глубине, что и обычно (80-100 м). При этом процесс обновления вод происходил аномально - под новым ХПС был выявлен ранее никогда не наблюдавшийся температурный минимум, как остаточное явление активного локального зимнего перемешивания. В результате сформировался своеобразный «слоеный пирог», где под новым ХПС был слой более теплых вод. А под этим теплым слоем расположенный глубже еще один температурный минимум. Абсолютная разница между температурными минимумами и максимумами по всем этим слоям составляла менее 0,4°С.
Рост температуры в нижних слоях, расположенных ниже условного ХПС, в 2021 г. продолжил тренд последних 10 лет. Нижняя изотерма 8,7°С, по которой мы отслеживали динамику прогрева в предыдущие годы, фактически исчезла в 2021 г., и нижний прогрев в какие-то моменты практически пересекался с верхним. По сути можно сказать, что в 2021 г. ХПС представлял собой остатки от холодного промежуточного слоя, сформированного в 2020 г. Как гидрологический элемент он представляет собой двухслойную структуру, разделенную и ограниченную изотермами 8,8°С.
Особенности формирования ХПС в 2022 году
Обновление и трансформация ХПС в 2022 г. происходило на фоне особенностей в гидрологической структуре вод, сформировавшихся в предшествующие годы теплых зим. Зимне-весенний период 2022 г. также был теплым, и формирования ХПС (в его «классическом определении») не наблюдалось. Слоистая структура предшествующего года преобразовалась в относительно однородное распределение с отдельными линзами холодных вод (рис. 6).
Продолжительные интенсивные норд-осты в марте-апреле привели к формированию линзы с температурой воды ниже 8°С. Первый приток свежей холодной воды в слой 90-140 м наблюдался 21 марта 2022 г. Этот короткий заток был практически сразу (в течение суток) перемешан, и следующее поступление холодной воды произошло уже в начале апреля, в довольно обширном слое 60-150 м. Порции новой холодной воды поступали до конца июня.
Но весенне-летний прогрев привел к размыву этого холодного слоя, и в последующие месяцы температур ниже 8°С в слое ХПС не наблюдалось. В целом можно сказать, в 2022 г. ХПС продолжил свое существование как слой, ограниченный изотермами 8,8°С с отдельными линзами вод с более низкой температурой.
Рис. 6. Временная изменчивость вертикального распределения температуры воды по данным судовых мониторинговых наблюдений в 2022 г.
Заключение
Незначительный в абсолютном выражении рост температуры воды, ее солености привели за последние 10 лет к существенной перестройке гидрологической структуры вод. Перестройка гидрологической структуры вод оказывает существенное влияние на развитие всех процессов: гидродинамических, гидрохимических, развитие биоформ. За последние 5 лет ХПС, вследствие теплых зим, не обновлялся (в его «классическом определении»). Выявлен ряд аномалий в процессах его формирования. В целом можно сказать, что гидрологический элемент ХПС в 2022 г. продолжает свое существование, но в новом определении - как слой инверсии, ограниченный изотермами 8,8°С.
Реакция морской прибрежной экосистемы на внешние изменения оказалась более масштабной, чем предполагалось ранее. Основными причинами указанных феноменов является потепление регионального климата, уменьшение осадков над акваторией моря, уменьшение речного стока. Точное объяснение выявленных особенностей требует более глубокого анализа и дополнительных данных, которые предполагается получить в ходе дальнейших исследований.
Работа выполнена в рамках темы государственного задания № FMWE-2021-0013 при поддержке в рамках темы государственного задания FMWE-2023-0001.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов, требующего раскрытия в данной статье.
Список литературы
1. Зацепин А.Г., Куклев С.Б. Некоторые результаты комплексной прибрежной экспедиции «Черное море - 2017» на МНИС «Ашамба» // Экспедиционные исследования на научно-исследовательских судах ФАНО России и архипелаге Шпицберген в 2017 г. - Севастополь: ФГБУН МГИ РАН, 2018. - С. 136-146.
2. Куклев С.Б., Зацепин А.Г., Подымов О.И. Формирование холодного промежуточного слоя в шельфовой склоновой зоне северо-восточной части Черного моря // Океанологические исследования. 2019. Т. 47, №3. С. 58-71. DOI: http://dx.doi.org/10.29006/1564-2291JOR-2019.47(3).5
3. Овчинников И.М., Попов Ю.И. Формирование холодного промежуточного слоя в Черном море // Океанология. 1987. Т. 27, № 5. С. 739-746.
4. Подымов О. И., Зацепин А. Г., Очередник В. В. Рост солености и температуры в деятельном слое северо-восточной части Черного моря с 2010 по 2020 год // Морской гидрофизический журнал. 2021. Т. 37, №3. С. 279-287. DOI: http://dx.doi.org/10.22449/0233-7584-2021-3-279-287
Статья поступила в редакцию 02.10.2023; после доработки: 26.10.2023; принята к публикации 06.11.2023
Сведения об авторах
Куклев Сергей Борисович - к.г.н., заведующий лабораторией гидрофизики и моделирования, Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва, Россия (Shirshov Institute of Oceanology, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia), Южное отделение; kuklev@ecologpro.ru; ORCID -https://orcid.org/0000-0003-4494-9878
Куклева Ольга Николаевна - научный сотрудник, Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва, Россия (Shirshov Institute of Oceanology, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia), Южное отделение, лаборатория гидрофизики и моделирования; kukleva-ola@mail.ru; ORCID -https://orcid.org/0000-0002-8703-6588
Корреспондентский адрес: 117997, Российская Федерация, Москва, Нахимовский проспект, 36.
Formation features of the cold intermediate layer in the shelf slope zone of the northeastern part of the Black Sea during the period 2019-2022
Sergey B. Kuklev, Olga N. Kukleva
Shirshov Institute of Oceanology, Russian Academy of Sciences (Moscow, Russia)
The article presents the results of monitoring of the hydrologic structure development in the northeastern Black Seashelf slope zone during 2019-2022. Over the study period, the cold intermediate layer (CIL) in its classical definition (a water layer bounded by isotherms of 8°C) did not form. A number of anomalies in its dynamics were identified. Warm winters and a background trend of temperature and salinity increase in the upper layer of the Black Sea are the reasons for the observed phenomena.
Keywords: Black Sea; hydrophysical polygon; cold intermediate layer; shelf slope zone of the sea
References
1. Kuklev S.B., Zatsepin A.G., Podymov O.I Formation of the cold intermediate layer in the shelf-slope northeastern part zone of the Black Sea. Journal of Oceanological Research. 2019. V.47. No.3. P. 58-71. DOI: http://dx.doi.org/10.29006/1564-2291.roR-2019.47(3).5 (in Russ.)
2. Ovchinnikov I.M., Popov Yu.I. Formirovanie holodnogo promezhutochnogo sloya v Chernom more [Formation of a cold intermediate layer in the Black Sea]. Okeanologiya [Oceanology]. 1987. T.27. No.5. P. 739746. (in Russ.)
3. Podymov O.I., Zatsepin A.G., Ocherednik V.V. Rost solenosti i temperatury v deyatel'nom sloe severo-vostochnoj chasti CHernogo morya s 2010 po 2020 god [Increase in salinity and temperature in the active layer of the northeastern part of the Black Sea from 2010 to 2020]. Morskoj gidrofizicheskij zhurnal [Marine Hydrophysical Journal]. 2021. V.37. No.3. P. 279-287. DOI: http://dx.doi.org/10.22449/0233-7584-2021-3-279-287 (in Russ.)
4. Zatsepin A.G., Kuklev S.B. Nekotorye rezul'taty kompleksnoj pribrezhnoj ekspedicii "Chernoe more - 2017" na MNIS "Ashamba" [Some results of the complex coastal expedition "Black Sea - 2017" on the international research vessel "Ashamba"]. Ekspedicionnye issledovaniya na nauchno-issledovatel'skih sudah FANO Rossii i arhipelage Shpicbergen v 2017 g. [Expeditionary research on research vessels of the FANO of Russia and the Spitsbergen archipelago in 2017]. FGBUN MHI RAS, Sevastopol, 2018. P. 136-146. (in Russ.)
ССЫЛКА:
Куклев С.Б., Куклева О.Н. Особенности формирования холодного промежуточного слоя шельфовой склоновой зоны северо-восточной части Черного моря в период 2019-2022 гг. // Экология гидросферы. 2023. №1 (9). С. 26-33. URL: http://hydrosphere-ecology.ru/382
Kuklev S.B., Kukleva O.N. Formation features of the cold intermediate layer in the shelf slope zone of the northeastern part of the Black Sea during the period 2019-2022. Hydrosphere Ecology. 2023. №1 (9). P. 26-33. URL: http://hydrosphere-ecology.ru/382
DOI - https://doi.org/10.33624/2587-9367-2023-1(9)-26-33 EDN -YMQEAT
