CC BY
43
4. Математическое моделирование
УДК 51-73
©В.И. Баранов, Н.Н. Голенко, Л.А. Компаниец, В.Т. Пака, Т.В. Якубайлик
ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОЗЕРА ШИРА В СЕЗОНЕ НАБЛЮДЕНИЙ 2011-2012 ГГ.1
В работе обсуждаются новые данные, полученные в результате натурных наблюдений летом 2012 г. на озере Шира, которые дополняют исследования в течение трех летних сезонов 2009-2011 гг. Описываются приборы, которыми проводились измерения, приводятся результаты натурных измерений.
Ключевые слова: стратифицированное озеро, натурные наблюдения, гидрологические характеристики.
© V.I. Baranov, N.N. Golenko, L.A. Kompaniets, V.T. Рака, T.V. Yakubaylik
SPATIAL AND TEMPORAL VARIABILITY OF THE MAIN CHARACTERISTICS OF LAKE SHIRA IN THE SEASON OF OBSERVATIONS 2011-2012
This paper discusses the new data obtained from field observations in the summer of 2012 at Lake Shira, which supplement research over three summer seasons of 2009-2011. The instruments used for measurements are described, as well as the results of field measurements.
Keywords: stratified lake, field observations, hydrological characteristics.
Введение
В 2012 г. продолжались натурные измерения основных гидрологических характеристик озера Шира (максимальная глубина 25 м) [1]. При этом основное внимание уделялось измерениям, позволяющим воссоздать картину непрерывного распределения определяющих величин в вертикальных разрезах, например вдоль малой оси озера. В частности, были проведены измерения по нескольким разрезам таких величин, как температура, соленость, плотность, скорость течения, а также измерения колебаний теплозапаса в фиксированной точке разреза, предположительно обусловленных колебаниями термоклина. При анализе временных рядов и измерений на разрезах были использованы метеоданные с ближайшей к оз. Шира метеостанции.
1. Методы измерений основных гидрологических величин
Измерения температуры и солености озера проводились CTD зондом YSI (Д.Ю. Рогозин, сотрудник ИБФ СО РАН, канд. физ.-мат. наук) и зондом IDRONAUT (В.И. Баранов, сотрудник АОИО РАН им. П.П. Ширшова). Положение разреза в 2011 г. показано на рис. 1.
'Работа выполнена при финансовой поддержке междисциплинарного интеграционного проекта СО РАН №56.
Рис. 1. Точки гидрологических измерений в 2011 г.
Измерения вектора скорости течения проводились профилографами ADCP Workhorse Sentinel 600 кГц и 1200 кГц, коммутированными с полевым компьютером Panasonic Touchbook с установленным программным обеспечением для сбора, контроля, накопления и обработки информации. Измерения производились путем буксировки ADCP с борта маломерного судна с подвесным мотором, обеспечивающим необходимый для измерений малый ход. За день 4 августа 2012 г. было пройдено 8 промерных галсов с расстоянием примерно 1 км между ними. На рис. 2 показаны галсы буксировки ADCP, а также положение гидрологических разрезов 2012 г., которое практически совпадало с галсами буксировки ADCP. Галс, соответствующий номеру 5 в 2012 г., почти совпадает с разрезом, на котором проводились измерения в 2011 г.
Рис. 2. Точки гидрологических измерений в 2012 г.
Также проводились длительные измерения путем постановки ЛБСР на дно в центральной точке озера. Прибор ЛБСР 600 был установлен в мае и июне 2012 г.
Измерение колебаний теплозапаса в фиксированной точке проводилось с использованием автономных распределенных датчиков температуры (РДТ), отличающихся от обычных точечных датчиков тем, что его чувствительный элемент вытянут в линию, располагаемую вертикально и пересекающую слой температурного скачка. РДТ регистрирует среднюю температуру в выбранном интер-
вале глубин, пропорциональную теплозапасу, который реагировал главным образом на вертикальные смещения слоя температурного скачка. Автономные приборы на заякоренных буях обеспечивают продолжительные измерения в выбранном районе. В нашем распоряжении имелось три таких датчика (один в виде гирлянды последовательно соединенных термисторов и два в виде длинного медного провода), которые были установлены в наиболее глубокой части озера.
2. Обсуждение полученных данных
2.1. Формула для определения плотности
CTD зонды наряду с другими величинами измеряют электропроводность воды, на основании которой по встроенным в зонд формулам вычисляются соленость и плотность.
Зонд YSI недостаточно удобен для экспресс-съемки, для этого был использован Idronaut, который хотя и дает систематическую погрешность при расчете солености и плотности по океанским формулам, но тем не менее, позволяет оперативно строить разрезы, которые отражают динамику водоема.
Сотрудником ИБФ СО РАН канд. физ.-мат. наук Д.Ю. Рогозиным были проведены опытные исследования для определения солености в оз. Шира. Им рекомендована формула, которую он вывел в 2011 г.
S = 0,8286-^25 + 0,1937. (1)
Кондуктивность Cond, измеренная в озере при температуре in situ, пересчитывалась в кондуктив-ность при постоянной температуре 25°С (K25) по формуле K25=Cond/(1+0.0202(t-25)).Тогда значения солености, полученные по формуле (1), для натурных наблюдений 2011 г. в полтора раза превосходят значения, полученные по стандартным формулам.
Рис.3. Графики температуры и солености в трех центральных точках озера на 27.06.11 г.
Для подсчета плотности воды соленого озера по известной температуре и солености надо проверить допустимость использования формул для плотности океанской воды. Озеро неглубокое, и в уравнении состояния можно не учитывать зависимость от давления. Мы использовали формулу Бус-синеска
P(T,S) = Pi
т
S
£l+sn--------h £• ,
v Т0 S0 j
где Pi =1,02541 г/см ;
T0 = n,5°C,So=35psu; s1 =0,97529. e2 =-0,00317. £3 = 0,02737
Рис. 4. Плотность по формуле Буссинеска в трех точках озера в соответствии с рис.3.
В придонном слое вклад изменения солености в изменение плотности сильнее вклада изменений температуры, поэтому за счет солености в озере возникает устойчивая плотностная стратификация.
В первом приближении можно считать, что структура распределения плотности по глубине "трехслойная".
Верхний квазиоднородный слой простирается в 2011 г. до 4,5 м. Слой скачка плотности располагается на глубине от 4,5 до 10 м. После этого идет слой почти постоянной температуры.
В 2012 г. квазиоднородный слой опускается до 6 м, слой скачка температуры заканчивается на 13 м.
2.2. Распределение гидрологических величин по разрезам
Рис. 5. Гидрологический разрез в оз. Шира 01.07.2011 г.
Главной гидрологической особенностью озера является соленость, распределение которой определяет распределение плотности, а также температуры и остальных гидрологических характеристик. Верхний слой распреснен осадками и талыми водами. Ветро-волновое перемешивание происходит только в верхнем слегка распресненном слое, он быстрее и равномернее нагревается и обогащается кислородом. Гипоксия в придонном слое с резким оксиклином и скачком редокс-потенциала свидетельствуют о слабом перемешивании глубинных вод и наличии поглотителей кислорода. Видно, что для всех полей, кроме кислорода, прослеживается однотипная структура, повторяющая структуру
распределения температуры с выделением верхнего квазиоднородного слоя и слоя скачка. У кислорода присутствуют две зоны скачка - 5 и 12 м. В последнем измерении (появление сероводорода в придонном слое) зона скачка приходится на глубину 12 м.
0 6 10 15 20253035404550 10.04 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 5С~
Овіалсе. лУІОО I_10 Озипс*. т/100
Рис. 6. Гидрологический разрез в оз. Шира 05.08.2012 г.
Зоны скачка кислорода в 2012 г. спустились до 6 и 14 м.
2.3. Горизонтальные циркуляции в озере
В 2011-2012 гг. проведены измерения величины и направления скорости течения в центральной точке озера (рис. 7-12).
Рис. 7. Направление горизонтальной скорости (июль 2011 г.)
Рис. 9. Направление горизонтальной скорости (май 2012 г.)
Рис.10. Величина вектора скорости (май 2012 г.)
Рис.11. Направление горизонтальной скорости (июль 2012 г.)
Рис. 12. Величина вектора скорости (июль 2012 г.)
При всех измерениях наблюдаются горизонтальные циркуляции.
При измерениях в июле 2011 г. (рис. 7), мае 2012 г. (рис. 9) и июле 2012 г. (рис. 11) полный поворот направления скорости в точке измерений происходит во всех точках вертикали, лежащих ниже 5 м, с периодом около 12 часов.
При буксировании прибора ЛБСР 600 вдоль малой оси озера в августе 2012 г. также наблюдались горизонтальные циркуляции.
Например, при прохождении 4-го галса (рис. 2) получено следующее распределение характеристик скорости течения по глубине.
Рис. 13. Величина вектора скорости вдоль 4-го галса
Рис. 14. Направление горизонтальной скорости течения
При данном измерении выделяются глубоководная и прибрежная зоны. В прибрежной зоне есть поверхностный слой до 7 м, где скорости по направлению перпендикулярны направлению течения воды в глубоководной зоне.
3. Исследование колебаний интегральной температуры водяного столба
Исследование колебаний интегральной температуры (ИТ) водяного столба проводилось с использованием распределенных датчиков температуры (РДТ).
Поскольку РДТ измеряет интегральную температуру, то по его показаниям можно судить о колебаниях, обусловленных смещением термоклина вследствие внутренних волн различного периода.
43200 44640 46080
Рис. 15. Растяжки записи интегральной температуры, июль 2011 г.
На рис. 15 показана растяжка записи ИТ одного из РДТ. Каждый участок занимает 4 часа. Отмечены следующие особенности (см. пронумерованные кружки).
154
1 - пример низкой активности внутренних волн. Предполагаем штилевые условия.
2 - резкий скачок ИТ, и вслед за ним - цуг правильных короткопериодных внутренних волн. Можно предположить прохождение ударной волны (гидроудар). Похожие явления, но слабее, отмечены номерами 3 и 4.
5 - пример беспорядочной толчеи внутренних волн, возникшей предположительно после предшествующих когерентных движений (одиночных волн) после начала сильного ветра.
6 - пример возвращения волнового поля к спокойному состоянию.
Рис. 16. Растяжки записи интегральной температуры 13-15 августа 2012 г., каждый участок занимает 3 часа
Последний рисунок соответствует периоду, когда в районе оз. Шира наблюдался сильный (14 м/с) ветер.
Заключение
В рамках натурного изучения термохалинной структуры и течений озера в 2011-2012 г. получены следующие результаты.
1. Картина течения в оз. Шира сложная и нестационарная. Устойчивая стратификация и переменная ветровая картина предрасполагают к появлению сейш, их распространению и исчезновению.
2. Устойчивая стратификация имеет место даже для сильных (14 м/с) ветров (толщина перемешанного слоя возрастает, но вблизи дна сохраняется более высокая плотность).
3. Структура распределения плотности неглубоких озер может иметь специфику, связанную с тем, что здесь область постоянной плотности ниже слоя главного термоклина мала или отсутствует вовсе. Это означает, что при исследовании внутренних волн необходимо учитывать тонкую структуру или даже микроструктуру распределения плотности по глубине.
Различие в поведении внутренних волн для сезонов 2011-2012 гг. может быть объяснено следующим образом. В обоих случаях в первом приближении структура распределения плотности по глубине трехслойная. В рамках трехслойной структуры распределения плотности упрощенные математические модели [2] дают максимальные колебания изотерм в середине области скачка (для озера Шира это приблизительно 7-8 м в 2011-2012 гг.). Это соответствует наблюдениям 2012 г., но не соответствует наблюдениям 2011 г., когда максимальные колебания изотерм наблюдались на глубине 12 м. Детальный анализ тонкой структуры распределения плотности в 2011 г. показывает, что, в отличие от 2012 г., распределение плотности в области пикноклина в этом случае можно трактовать как многоволноводную систему. В случае многоволноводной системы возможно появление частот, где групповая скорость достигает экстремальных значений, и в окрестности этих частот могут возникать мощные цуги волн (волны Эйри), что и иллюстрируют наблюдения 2011 г. Кроме того, в многоволноводной системе возможен переход энергии из одного волновода в другой, что могло привести в 2011 г. к варианту течения, когда максимальные колебания изотерм наблюдались на глубине 12 м.
Литература
1. Компаниец Л.А., Якубайлик Т.В., Володько О.С. Анализ характеристик озера Шира на основе натурных наблюдений // Вестн. Бурят. гос. ун-та. - 2012. - Вып. 9. - С. 167-176.
2. Waves and oscillations in the ocean and in lakes. In Continuum mechanics in environmental science and geophysics / edited by K.Hutter - Springer-Verlag. Berlin, New York, 1993. - 434 p.
Баранов Владимир Иванович, инженер АО ИО РАН, г. Калининград, тел. (4012) 956911, e-mail: baranovwlad@mail .ru.
Голенко Николай Николаевич, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник АО ИО РАН, г. Калининград, тел. (4012) 956911.
Компаниец Лидия Алексеевна, кандидат физико-математических наук, доцент, старший научный сотрудник ИВМ СО РАН, г. Красноярск, тел. (3912) 498811, e-mail: [email protected].
Пака Вадим Тимофеевич, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией АО ИО РАН, г. Калининград, тел. (4012) 956911, e-mail: [email protected].
Якубайлик Татьяна Валерьевна, младший научный сотрудник ИВМ СО РАН, г. Красноярск.
Baranov Vladimir Ivanovich, engineer, Atlantic Department of P.P.Shirshov Institute of Oceanology RAS (Kaliningrad), e-mail: [email protected]
Golenko Nikolay Nikolaevich, candidate of physical and mathematical sciences, ^ief researcher, Atlantic Department of P.P.Shirshov Institute of Oceanology RAS (Kaliningrad), e-mail: [email protected].
Kompaniets Lidiya Alekseevna, candidate of physical and mathematical sciences, senior researcher, Institute of Computational Modeling SB RAS (Krasnoyarsk), (3912) 498811, [email protected].
Рака Vadim Timofeevich, doctor of physical and mathematical sciences, professor, head of the laboratory, Atlantic Department of P.P.Shirshov Institute of Oceanology RAS (Kaliningrad), e-mail: [email protected]
Yakubaylik Tatiana Valerevna, junior researcher, Institute of Computational Modeling SB RAS (Krasnoyarsk).
