Подветренная антициклоническая циркуляция в бухте Суходол (Японское море) Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

2008

Известия ТИНРО

Том 154

УДК 551.46.062.8(265.54)

К.А. Рогачев, В.А. Горячев*

Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева ДВО РАН, 690041, г. Владивосток, ул. Балтийская, 43

ПОДВЕТРЕННАЯ АНТИЦИКЛОНИЧЕСКАЯ ЦИРКУЛЯЦИЯ В БУХТЕ СУХОДОЛ (ЯПОНСКОЕ МОРЕ)

Для определения доминирующих физических процессов, влияющих на жизненный цикл моллюсков и циркуляцию вод в бухте Суходол (зал. Петра Великого, Японское море), использованы прямые наблюдения за течениями. На основе этих измерений показано, что средние течения в бухте в теплое время года определяются южным или юго-восточным ветром и речным стоком. Прямые наблюдения выявили подветренную антициклоническую циркуляцию в бухте. Устойчивая антициклоническая циркуляция способна удерживать личинки планктона, поэтому она может определять благоприятные условия для оседания и завершения жизненного цикла моллюсков. Такие условия обусловливают необходимость поддержания режима охраняемой акватории в бухте.

Ключевые слова: ветровая циркуляция, течения, Уссурийский залив.

Rogachev K., Goryachev V. Leeward anticyclonic eddy in the Sukhodol Bay, Japan Sea // Izv. TINRO. — 2008. — Vol. 154. — P. 125-134.

Major physical processes influenced mollusks life cycle and there larvae accumulating in Sukhodol Bay are examinedon the base of direct measurements of currents, conductivity, and temperature. The hypothesis on zooplankton and mollusks larvae accumulation by wind-induced water circulation generated in the lee of headland was tested. Summer south winds formed an anticyclonic eddy in the south-western part of the Sukhodol Bay. Interacting with coastal currents, this eddy provided concentration and retention of plankton organisms. This feature could be used for aquaculture development in the Bay.

Key words: wind-induced water circulation, sea currents, northwestern Japan

Sea.

Введение

Бухта Суходол является мелководной частью Уссурийского залива (рис. 1). Часть бухты занята хозяйством "Марикультура", в котором культивируется приморский гребешок (Mizuhopecten yessoensis). Хозяйство было основано предпринимателем М.М. Косых в бухте Тихая Заводь с южной стороны бухты, в месте исторически известном скоплением моллюсков (Бирюлина, Родионов, 1972). М.Г. Бирюлина и Н.А. Родионов (1972) отметили также скопление водорослей в юго-западной части бухты, что особенно важно для оседания личинок гребешка.

* Рогачев Константин Анатольевич, ведущий научный сотрудник, e-mail: rogachev@poi.dvo.ru; Горячев Владимир Алексеевич, заведующий лабораторией, e-mail: goryachev@poi.dvo.ru.

Вместе с тем в 2007 г. была предпринята попытка создания в бухте угольного терминала компанией "Росуголь".

Согласно нашей гипотезе, существуют физические основания для естественного скопления гребешка в бухте. Поэтому хозяйство аквакультуры использует естественные благоприятные для популяции моллюсков условия, созданные, как мы пытаемся показать, особенностью циркуляции вод.

Рис. 1. Район исследований Fig. 1. Map of the study area

Гребешок производит миллионы яиц, но только одно из ~12 млн способно выжить. Личинки, перед тем как прикрепиться к водорослям остаются планктоном в течение около 2 нед. За это время они разносятся течениями, зачастую попадая в неблагоприятные условия, поэтому захват (удержание) личинок в области подветренного антициклонического вихря может быть важным фактором, поддерживающим популяцию. Кроме того, гребешок особенно чувствителен к качеству воды. Моллюск, который находится на дне, не способен фильтровать воду с большой концентрацией взвеси (особенно угольной пыли) и может находиться в закрытом состоянии непродолжительное время, поэтому далеко не любая часть залива благоприятна для его развития. Достаточно быстрое обновление воды в бухте является необходимым условием для успешного роста гребешка.

Быстрый рост температуры воды — другой важный фактор, определяющий его развитие (благоприятной является относительно низкая температура). Кроме того, поскольку размножение гребешка в Уссурийском заливе сильно зависит от плотности его скоплений, хозяйство аквакультуры, создавая условия для повышения концентрации моллюска, может существенно влиять на распространение личинок и молоди не только в самой бухте, но и на всей акватории залива.

Для того чтобы понять физические процессы, которые поддерживают популяцию моллюсков и являются основой ее высокой продуктивности, в 2007 г. в бухте были выполнены океанографические работы, которые включали измерение течений и термохалинных характеристик вод.

В бухту впадают две реки — Суходол и Петровка. Циркуляцию в мелких бухтах определяют разные процессы. Это прежде всего воздействие крупномасштабной циркуляции Уссурийского залива, ветер и речной сток. Наибольший годовой объем стока р. Суходол (площадь водозабора 443 км2) достигал 271 млн м3 (Гидрологический ежегодник, 1972). Наибольший среднегодовой расход воды — 8,6 м3/ с. Среднемесячный расход воды составлял 21 м3/с в апреле и 20,4 м3/с в сентябре 1979 г. Объем бухты при средней глубине 10 м ~210 млн м3. При среднемесячном расходе реки 21 м3/с этот объем будет заполнен стоком только одной р. Суходол в течение 4 мес. Учитывая значительный сток пресной воды, бухту можно рассматривать как район с сильным влиянием речного стока, поэтому можно полагать, что на течения в бухте (и время обновления воды)

значительное влияние оказывает эстуарная (гравитационная) циркуляция. Действительно, предыдущие океанографические наблюдения (Афейчук и др., 2004), выполненные также в летнее время, показали сильную стратификацию и струю вод низкой солености, связанную со стоком рек Петровка и Суходол. Однако, поскольку размеры бухты малы, даже слабый поток из Уссурийского залива способен полностью обновить воду в бухте за несколько дней.

Изменчивость структуры вод в бухте обусловлена не только влиянием речного стока, но и характером ветрового воздействия. В.Д. Будаева с соавторами (2006) считала, что природа течений в бухте в летнее время связана с летним муссоном, а циркуляция при южном ветре является циклонической. Кроме того, они полагали, что циркуляция в бухте является двуслойной. Вместе с тем экспериментальных исследований циркуляции бассейна до сих пор не проводилось. В настоящей статье мы представляем первые результаты наблюдений средней (остаточной) циркуляции вод в бухте. Результаты прямых наблюдений сопоставляются с существующими моделями, которые позволяют установить природу циркуляции и возможные последствия динамики вод на развитие моллюсков.

В летнее время наиболее устойчивый ветер дует с юга и юго-востока благодаря муссонному характеру климата. Проходящий циклон способен быстро изменить направление ветра с южного на северный или северо-западный. Такие изменения ветра происходят регулярно в течение теплого периода. Полусуточный прилив в бухте не вызывает сильных приливных течений, поэтому только медленные средние течения (~3—10 см/с) вносят эффективный вклад в обновление вод и перенос личинок биоты. Исследование потенциальной роли приливных течений в перемешивание водных масс и их влияние на общую циркуляцию не входило в нашу задачу.

Цель настоящей работы — определить циркуляцию вод в бухте и установить ее природу.

В работе приводятся результаты прямых измерений течений, которые указывают на существование антициклонической циркуляции в бухте, и рассматриваются последствия такой динамики вод для биоты.

Материалы и методы

Детальные наблюдения за течениями и гидрологической структурой были выполнены зондом Seabird 19 с использованием небольшой лодки. Течения были измерены путем постановки заякоренных буев с измерителями течений Мегосеап S4. Полевые работы проведены в 3 этапа: 18-30.07; 16-24.08 и 13-29.09.2007 г. На рис. 2 показаны места постановки буев и положение гидрологических станций в августе и сентябре. Данные о ветре на метеостанции Владивосток были получены из Приморского Гидрометцентра (www.primpogoda.ru).

Результаты и их обсуждение

Гидрологическая структура

Бухта Суходол является районом с сильным воздействием пресной воды. Бухта имеет ширину 4,5 км и длину около 5,0 км с глубинами до 20 м (см. рис. 1, 2). На южном берегу расположен узкий мыс Красный с крутыми берегами, который закрывает юго-западную часть бухты от южного ветра, скорость которого значительно ослабевает с подветренной стороны мыса.

Распределение температуры, солености и плотности на продольных и поперечных разрезах в бухте показано на рис. 3, 4. Вертикальная структура вод указывает на сильную стратификацию в бухте, которая заметно отличается от структуры в открытой части залива. Различие заключается в более высокой температуре промежуточного слоя в Уссурийском заливе. Такое различие, скорее всего, связано с большей скоростью ветра в заливе, чем в бухте.

127

Рис. 2. Карта станций, выполненных в июле-сентябре 2007 г.

Fig. 2. Stations conducted in July-September, 2007

24.0 i.2007

\ 1

M Jl

_ jy J

1 a

S, psu

Расстояние, км

-

£

сЗ tt

-

£

сЗ tt

Tpot-0, °C

. Sr . 1 '■■ ГЛ \

M

i

E ^- A

Ш A 1 6 1

Расстояние, км Sigma-0, кi Лi;

Л E ...... — % \ <Z_

¥ \ fr^ j Г■ x Л W >, - _ _

i__j V^z; / - '

X A

L \ — \ A

si A 1 г

Расстояние, км

Рис. 3. Поперечный разрез в бухте Суходол 24 августа 2007 г. (а) и распределение потенциальной температуры (б), солености (в) и плотности воды (г)

Fig. 3. Axial section in Sukhodol Bay in August 2007 (a), potential temperature (б), salinity (в) and sigma-theta (г)

43,22'N

43.2"N

43.18*N

43.16'N

-

4 10-1

15-

132.3"E

132.35'E

S, psu

132.4'E

—32 > -

h С ^л

д В

Расстояние, км Siiiina-0. кг/м-

-

s

4

а

ч

2 3 4 5 Расстояние, км

2 3 4 5

Расстояние, км

Рис. 4. Продольный разрез в бухте Суходол 24 августа 2007 г. (а) и распределение потенциальной температуры (б), солености (в) и плотности воды (г)

Fig. 4. Transverse section in Sukhodol Bay in August 2007 (a), potential temperature (б), salinity (в) and sigma-theta (г)

Распределение гидрологических характеристик сильно зависит от стока пресной воды реками, впадающими в бухту. Изопикна ов = 23 кг/м3 отделяет стратифицированный верхний слой низкой солености от нижнего слоя (рис. 3, 4, г). Глубина изопикны 23 кг/м3 составляла 2-4 м во время первой съемки 18 июля. Глубина изопикны ов= 23 кг/м3 в период второй съемки 24 августа увеличилась до 4-6 м (изопикна заглублялась к северному берегу, рис. 3, г). В сентябре эта изопикна была заметно заглублена до 7-10 м благодаря сильному речному стоку и понижению солености верхнего слоя. Соленость верхнего слоя понизилась на 4 ед до 28 psu у северного берега. Толщина слоя низкой солености была достаточно мала и составляла около 4 м. Положению термоклина и халок-лина хорошо соответствовало положение пикноклина (рис. 3, а, б). Вода низкой плотности со значительным влиянием речного стока распространялась только вдоль северного берега бухты.

Поток относительно холодной и соленой воды с плотностью ов > 23,6 кг/м3 наблюдался в глубоком канале бухты, указывая на то, что соленая вода проникает в бухту из глубокой части Уссурийского залива и создает устойчивую стратификацию. Наблюдения за течениями подтвердили, что соленая вода проникает в бухту в ее глубокой части с запада (рис. 5). Однако в верхнем слое поток был направлен на запад в южной части бухты 18-23 и 25-28 июля 2007 г. (рис. 6). При слабом ветре плотная вода не появляется в верхнем слое и остается в

-20000 —

t/2 'TN

-40000 —

-5000

50000 —1

40000 —

t/3

'TN

20000 —

B3aS13

w

5000

1 Г"

10000 15000

E-W, M

20000

1.5 Дб ИЮЛЬ 2007

B1

-20000 E-W, M

-10000

придонном слое. Значительное понижение температуры произошло в юго-западной части бухты в короткий период усиления западного и северо-западного ветра. Такая смена ветра произошла 22 августа. На рис. 7 показано быстрое понижение температуры и рост солености во время смены ветра и обновления воды в бухте. Резкое изменение термоха-линных характеристик произошло во время смены ветра на западный-северо-западный.

25000

Рис. 5. Прогрессивная векторная диаграмма для буев B1 (1,5 м) и B3aS13 (8,0 м), показывающая антициклоническую циркуляцию. Цифры на кривой — дата (буй В1 — в июле, буй B3aS13 — в сентябре)

Fig. 5. Anticyclonic circulation shown as progressive vector diagrams for moorings B1 and B3aS13. Numbers on lines show day of July (for mooring B1) and day of September (for mooring B3aS13)

Течения

Измеренные средние течения указывают на потоки противоположного направления в центральной (глубокой) части и у юго-западного берега бухты. Средний поток в глубоком канале в нижнем слое был направлен во внутреннюю часть бухты (измерения на двух буях в августе и сентябре 2007 г., например, B3aS13, см. рис. 2, 5). Его средняя скорость на глубине 8 м за период наблюдений в августе составила ~6 см/с. Наблюдения в августе 2007 г. на буе В2А16 показали входящий в бухту поток со средней скоростью около 5 см/с.

В южной части с подветренной стороны мыса Красного (буй В1) в июле наблюдался устойчивый западный поток вод в верхнем слое со средней скоростью ~9 см/с. Южный и юго-восточный ветер 19 июля достигал 15 м/с между

тех

Скорость Е-\У, см/с

Скорость, см/с

го £

ю Е. о\

3

то

ф

3 "я

ф 3 ф

ф

3 Ф'

О- С/1

о\ ф

сс к

ю о

о о н

I

о к=

-о

из

^ о

тз

о

ф я

ф СП

чз хз

Й ™

-о г

Е ®

ГО^

- Я о С5\ о н

к

о Р

з

5 (И о 3 Я 2- з з -о (и о о. -> —• „ ж

з о к=

а

' С/5 N

ОГС)

р3 Ч

3 о 3

„ з ^ 3

3 (".ТО ф

о 3. СЛ

2 о г-1- Ф □ . О С -I

3 3 аЖ

ф с/>

н 3 Е

о Я о -о о о

со о

3

СО

Еа сг 3 ч о 3 3'

ст>

0

Зэ '<

м СО

е « § 2

1 2

Соленость, рэи

Температура, °С

сроками с максимальными порывами до 20 м/с. В период наблюдений за течениями с 18 по 30 июля устойчивый юго-восточный ветер сменился на умеренный северо-западный. Это привело к смене направления течения в верхнем слое на буе В1 (рис. 5, 6). Следовательно, при любом направлении ветра поток вод направлен во внутреннюю часть бухты в ее глубоком канале или южной части. Наблюдения в сентябре после значительного стока пресной воды также выявили юго-восточный поток в нижнем слое (11 и 13 м) в глубокой части (буй В3аS13, рис. 5) и северный поток в нижнем слое (8 м) на восточном буе (B3bS13). Наблюдения, выполненные в мае 2008 г., снова показали антициклоническую циркуляцию при южном и юго-восточном ветре. Таким образом, прямые наблюдения указывают на антициклоническую завихренность с подветренной стороны мыса Красного. Мы предполагаем, что эта завихренность может быть создана двумя процессами: первый из них и, по-видимому, основной — это поток воды из Уссурийского залива, второй — подветренная антициклоническая циркуляция за мысом Красным.

Подветренная антициклоническая циркуляция за мысом Красным

Наблюдения показывают, что стратификация определяется речным стоком, но как верхний, так и нижний слои воды в бухте находятся под сильным воздействием ветра. Вместе с тем как в нижнем, так и в верхнем слое средние течения могут определяться гравитационной циркуляцией. Скорость течения гравитационной циркуляции меньше, чем скорость течения во время действия умеренного ветра. Однако гравитационная циркуляция работает длительное время, поддерживается разностью уровня между глубокой и мелкой частями бухты и поэтому особенно важна для обмена вод и установления времени обмена вод бухты. Эс-туарная, или гравитационная, циркуляция — устойчивая средняя циркуляция, представляющая собой концепцию идеальной циркуляции. В реальности многие другие факторы меняют гравитационную циркуляцию, создают разное распределение плотности и, следовательно, поток вод.

Трехмерная циркуляция в бухте может быть разделена на продольную (по оси бухты) и поперечную. Продольная циркуляция важна прежде всего для переноса планктона и соленой воды из Уссурийского залива. Многие исследования показывают, что структура течений в области сильного влияния стока пресной воды является трехмерной (Wong, 1994; Fujiwara et al., 1997; Kasai et al., 2000). Именно поэтому поперечная структура течений важна так же, как и продольная циркуляция. Например, японские исследователи (Kasai et al., 2000) показали, что картина течений сильно зависит от числа Экмана. Для малых значений числа Экмана (E < 0,01) геострофический поток становится основным. В этом случае в верхнем слое формируется антициклоническая циркуляция. Однако такая картина наблюдается при доминировании гравитационной циркуляции. Если основным является ветровое воздействие, то картина циркуляции будет сильно зависеть от неравномерности скорости ветра. С подветренной стороны мыса следует ожидать особой циркуляции, связанной с отрывом потока от мыса Красного и формированием подветренной завихренности.

Можно ожидать, что юго-восточный ветер создает в Уссурийском заливе (по крайней мере на относительно широком шельфе к югу от мыса Красного) поверхностное течение на север. Вместе с тем измеренные течения в бухте направлены от мыса Красного (рис. 5). Схема такого потока приведена на рис. 8. Наблюдения также показывают, что остаточное (среднее) течение слабее модуля скорости дрейфового течения. Это означает, что сильный поток в Уссурийском заливе, скорее всего, определяет течения и циркуляцию вод в бухте.

Кроме того, у выдающегося в море мыса при определенных условиях может формироваться отрывное течение. В этом случае за мысом образуется подветренная антициклоническая завихренность. Рассмотрим условия формирования такой завихренности.

Рис. 8. Схема течений в нижнем слое по данным измерений

Fig. 8. Schematic of circulation based on mooring's data

Равномерный поток без учета придонного трения испытывает значительное изменение скорости при достижении им мыса. За границей пограничного слоя (слой между глубокой областью и берегом) поток ускоряется, когда достигает мыса, но замедляется, как только

проходит его оконечность. Поэтому максимальная скорость достигается вблизи оконечности мыса, благодаря чему здесь понижается давление. Локальный минимум давления создает способствующий потоку градиент давления и противный потоку градиент давления после прохождения потоком оконечности мыса. В пограничном слое градиент давления (в направлении потока) поддерживает его. После прохождения потоком оконечности мыса противный градиент давления, наоборот, противодействует ему. Вблизи мыса глубина достаточно мала и придонное трение важно. В этом случае сила градиента давления уравновешивает силу трения о дно (Geyer and Signell, 1990):

g дП = -с Uu, d h

где U0 — скорость течения далеко от мыса; ul — скорость течения вблизи мыса; h — глубина; n, g, Cd — соответственно уровень моря, продольная координата, ускорение силы тяжести и коэффициент трения.

Уравнение показывает, что скорость течения ut должна иметь противоположный градиенту давления знак. Это означает, что сила трения о дно должна привести к отрыву потока, как только устанавливается противный градиент давления.

Для небольшого мыса, у которого длина меньше ширины, условие безотрывного течения можно записать в виде соотношения для радиуса кривизны мыса R:

h _ R >-. Для глубины h = 15 м и Cd = 2,5 10 3 R >3 км. Радиус кривизны мыса

должен быть больше 3 км для безотрывного течения. Отрыв будет быстрее для узкого и длинного мыса, так, как это наблюдается для мыса Красного.

Заключение

В работе рассмотрена роль воздействия ветра и стока пресной воды в небольшой бухте Японского моря. Анализ этих доминирующих процессов выполнен с использованием прямых наблюдений за течениями, гидрологической струк-

132.275 132.3 132.35 132.4

турой вод и аналитической моделью. Наблюдения, выполненные в период устойчивого летнего муссона и сильной стратификации в июле-сентябре 2007 г., позволили детально рассмотреть основные события: усиление ветра разного направления и значительный речной сток в период ливневых дождей. Значительный сток пресной воды заметно воздействует на верхний слой (~5 м), понижая соленость до 28 psu. Обнаружена хорошо выраженная асимметрия структуры вод относительно оси бухты. Высокая соленость наблюдалась в глубоком канале бухты и ее юго-западной части, а низкая — в северной.

Свежий ветер развивает течение в бухте до 30 см/с. Такой поток может обновить воду в бухте в течение 1 дня. Умеренный ветер, дующий в устойчиво стратифицированной бухте, вызывает опускание прибрежных вод (так называемый даунвеллинг) у северного берега бухты, но при этом не вызывает полного перемешивания. Поперечная циркуляция создает горизонтальную конвергенцию в придонном слое, у юго-западного берега бухты. Это может привести к скоплению организмов, находящихся в этом слое. Приведенные наблюдения показывают антициклоническую циркуляцию в бухте Суходол. При этом наиболее вероятными процессами, определяющими остаточные течения, являются: поток вод из Уссурийского залива и подветренная циркуляция в бухте.

Остаточные течения в бухте являются ветровыми с определенным воздействием гравитационной циркуляции. Здесь хорошо выражен фронт температуры, плотности и солености, сформированный потоком вод, поступающих из Уссурийского залива, и эстуарными водами. Стратификация в бухте отличается от стратификации прилегающих вод Уссурийского залива из-за стока пресной воды и различий скорости ветра. При юго-восточном ветре в юго-западной части бухты развивается подветренная антициклоническая циркуляция, средняя скорость течения в которой ~9 см/ с. Такая циркуляция может удерживать личинки моллюсков до их оседания. Кроме того, она поддерживает быстрый обмен воды в юго-западной части бухты, что создает благоприятные условия для моллюсков. Это обусловливает необходимость поддержания в бухте режима охраняемой акватории.

Авторы признательны М.М. Косых и сотрудникам ООО "Марикулъту-ра" за помощь при проведении полевых работ.

Список литературы

Афейчук Л.С., Зуенко Ю.И., Рачков В.И., Раков В.А. Экологические условия воспроизводства и распределения анадары Броутона (Anadara broughtonii) в бухте Суходол (Уссурийский залив, Японское море) // Бюл. Дальневост. малакол. о-ва. — 2004. — Вып. 8. — С. 43-60.

Бирюлина М.Г., Родионов Н.А. Распределение, запасы и возраст гребешка в заливе Петра Великого // Вопросы гидробиологии некоторых районов Тихого океана. — Владивосток : ТОЙ ДВНЦ АН СССР, 1972. — С. 33-41.

Будаева В.Д., Зуенко Ю.И., Макаров В.Г. Структура и циркуляция вод в бухте Суходол (Уссурийский залив Японского моря) // Йзв. ТЙНРО. — 2006. — Т. 146. — С. 226-234.

Гидрологический ежегодник. 1970 г. / под ред. В.Н. Глубокова, Й.С. Быкадо-рова. — Владивосток, 1972. — Т. 9, вып. 6. — 210 с.

Fujiwara Т., Fukui S., Sanford L.P. et al. Anticyclonic circulation driven by the estuarine circulation in a gulf type ROFI // J. Mar. Sys. — 1997. — № 12. — P. 83-99.

Geyer W.R. and Signell R. Measurements of tidal flow around a headland with shipboard acoustic Doppler current profiler // J. Geophys. Res. — 1990. — № 95(C3). — P. 3189-3198.

Kasai A., Hill A.E., Fujiwara T. and Simpson J.H. Effect of the Earth's rotation on the circulation in regions of freshwater influence // J. Geophys. Res. — 2000. — № 105(C7). — P. 16961-16969.

Wong K.-C. On the nature of transverse variability in a coastal plain estuary // J. Geophys. Res. — 1994. — № 99. — P. 14209-14222.

134