Прямые наблюдения эстуарной циркуляции вод в бухте Суходол и северной части Уссурийского залива (Японское море) Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

2012

Известия ТИНРО

Том 170

УДК 551.46.062.8(265.54) К.А. Рогачев, Н.В. Шлык*

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

прямые наблюдения эстуарной циркуляции вод в бухте суходол и северной части уссурийского залива (японское море)

На основе прямых наблюдений изучена динамика и термохалинная структура вод бухты Суходол и северной части Уссурийского залива. В Уссурийском заливе и в бухте Суходол в теплое время года формируется устойчивый антициклонический круговорот. Его причиной является бароклинный перенос, вызванный формированием прибрежного фронта под действием юго-восточного ветра. В теплое время года сток пресной воды приводит к увеличению придонного давления, что прямо указывает на развитие эстуарной циркуляции. Измерения течений показали ее развитие в бухте. Такая динамика вод особенно важна для переноса взвеси и личинок культивируемых моллюсков. Интенсивность эстуарной циркуляции определяет область распространения личинок моллюсков, поэтому сток пресной воды должен значительно влиять на область распространения и условия оседания спата моллюсков. При юго-восточном ветре в южной части бухты в верхнем слое поток направлен на запад. В промежуточном слое в центральной и северной частях бухты поток направлен на восток (в бухту). И в бухте, и в самом заливе развита поперечная циркуляция с такой же величиной скорости, как и продольная. Поперечная циркуляция формирует прибрежный фронт как в бухте, так и в самом заливе.

Ключевые слова: эстуарная циркуляция, бухта Суходол, Уссурийский залив.

Rogachev K.A., Shlyk N.V. Direct observations of estuarine circulation in the Sukhodol Bay and northern Ussuri Bay (Japan Sea) // Izv. TINRO. — 2012. — Vol. 170. — P. 210-219.

Water dynamics and thermochaline structure in the Sukhodol Bay and the northern part of the Ussuri Bays are investigated. Anticyclonic gyres are developed in both bays in warm season driven by baroclinic water transport along coastal front that forms under influence of on-shore southeastern wind. For example, the flow at the sea surface in the southern part of the Sukhodol Bay is directed westward, but the flow in the subsurface layer in the northern and central parts of the Bay is directed eastward (into the bay), with the front between these oppositely oriented currents. Bottom pressure (i.e. sea level height) increases in the Sukhodol Bay in summer due to fresh water discharge, and estuarine circulation forms. The flow effects the mollusks larvae distribution and their spat settling.

Key words: estuarine circulation, Sukhodol Bay, Ussuri Bay.

* Рогачев Константин Анатольевич, ведущий научный сотрудник, e-mail: rogachev@ poi.dvo.ru; Шлык Наталья Васильевна, кандидат географических наук, научный сотрудник, e-mail: [email protected].

Rogachev Konstantin A., leading researcher, e-mail: [email protected]; Shlyk Natalia V., Ph.D., researcher, e-mail: [email protected].

Бухта Суходол — одно из важных мест культивирования дальневосточного трепанга, мидии и приморского гребешка (Гаврилова и др., 2008, 2010). В северной части Уссурийского залива сохранилась также небольшая популяция анадары (Оли-фиренко, 2007; Седова и др., 2009). Вместе с тем динамика вод на шельфе зал. Петра Великого исследована недостаточно. Основной мотивацией для исследований стало развитие марикультуры в бухтах залива. Кроме того, важно понять процессы, определяющие вентиляцию вод, условия обитания моллюсков и пониженную концентрацию растворенного кислорода в придонном слое. Результаты расчетов циркуляции вод в бухте Суходол и Уссурийском заливе противоречат инструментальным наблюдениям (Афейчук и др., 2004; Будаева и др., 2006, 2010; Рогачев, 2010).В настоящее время нет долговременных прямых измерений течений, не определены характеристики циркуляции вод в Уссурийском заливе, особенно в его бухтах. Значительный сток пресной воды в Уссурийский залив в его северной части должен определять развитие эстуарной циркуляции в его бухтах. Такая динамика вод означает различие в направлении потока в разных слоях водной толщи. Однако до настоящего времени не было измерений придонного давления, величина которого характеризует развитие эстуарной циркуляции. Кроме эстуарной циркуляции, на динамику вод существенное воздействие оказывает ветер. По наблюдениям на одном горизонте достаточно сложно разделить эстуарный поток и ветровое течение. Один из способов выделения роли стока пресной воды — измерение придонного давления, что и проделано в данной работе.

В настоящее время нам не известны прямые наблюдения за изменением придонного давления и течениями в бухте Суходол. К тому же на течения в северной части Уссурийского залива в теплое время года оказывает воздействие муссон с преобладающим юго-восточным ветром. Поток вод на шельф прямо связан с присутствием мезомасштабных вихрей на континентальном склоне. Известно, что мезомасштабные вихри существенно меняют циркуляцию и термохалинную структуру вод (Rogachev, 2000; Rogachev et al., 2007; Рогачев, Шлык, 2009). Наблюдения показывают, что процесс формирования вихрей в заливе может отражать изменение ветрового воздействия (Рогачев, Шлык, 2011). Кроме того, спутниковые наблюдения указывают на то, что сток пресной воды оказывает существенное влияние не только в северной части Уссурийского залива. Для определения доминирующих физических процессов, влияющих на динамику вод в заливе, в работе использованы прямые наблюдения за термохалинной структурой вод, течениями и придонным давлением. Также приведены временные ряды температуры, солености, компонент скорости течения и аномалий придонного давления в бухте Суходол в холодное время года. Аномалия придонного давления должна характеризовать интенсивность эстуарной циркуляции в период стока пресной воды. Развитие эстуарной циркуляции в бухте Суходол означает, что область распространения личинок моллюсков и оседания спата должна сильно зависеть от ее интенсивности или от величины стока пресной воды.

материалы и методы

Для исследования динамики вод были выполнены измерения придонного давления, течений, температуры и солености. Для измерения придонного давления использовался измеритель уровня моря WLR Aanderaa. Измерения были выполнены в центральной части Уссурийского залива и бухте Суходол в течение полугода. По этим данным были вычислены приливные гармоники. Из временного ряда наблюдений за придонным давлением был вычтен прилив и сделана поправка на изменение атмосферного давления. Для регистрации течений использовались электромагнитные измерители течений S4 Interocean, выставленные на заякоренных буях. Зондирования выполнялись СТД зондом SBE-19 с датчиками температуры, электропроводности и давления. Наблюдения проводились в 2007-2011 гг. в период с апреля по ноябрь. Постановка буев

с измерителями течений позволила определить основные характеристики течений Уссурийского залива. Район работ и положение выставленных буев с измерителями течений, а также часть станций, выполненных в 2007-2011 гг., показаны на рис. 1-2. Глубина постановки буя в бухте Суходол в 2010-2011 гг. составляла 13 м, а измерителя давления в центральной части Уссурийского залива (отмеченного символом w-08-09 на рис. 1) — 43 м. Поскольку инструмент S4ADW в бухте располагался на глубине 7 м, его данные отражают течение в промежуточном слое. Показатели о скорости ветра, атмосферном давлении и температуре воздуха получены с сайта www.rp5.ru.

Рис. 1. Район исследований, положение буев с измерителями течений и гидрологических станций в 2008-2011 гг. Звездочками показано положение буев с измерителями течений и измерителем уровня моря

Fig. 1. Scheme of surveyed area in 2008-2011 with oceanographic stations location and position of buoys with current meters and water level recorder (stars)

Рис. 2. Положение станций и буев в бухте Суходол Fig. 2. Detailed scheme of oceanographic stations and buoys (crosses) position in the Sukhodol Bay

Рост придонного давления

Измерения придонного давления были выполнены в двух местах (в центральной части Уссурийского залива и в бухте Суходол, рис. 3, а-г). На рис. 3 (а) показано изменение аномалий придонного давления в бухте Суходол с ноября 2010 по май 2011 г. Несмотря на значительные вариации придонного давления зимой, связанные с изменением силы ветра, хорошо выражен рост придонного давления в апреле на величину около 45 мбар. Рост давления начался в конце марта и совпал с периодом быстрого роста температуры воды, воздуха и уменьшения солености (рис. 4, а-в). Измерение придонного давления в центральной части Уссурийского залива с ноября 2008 по май 2009 г. показало, что на этой станции такого заметного роста давления в апреле не наблюдалось (см. рис. 3, в).

Приливные течения в Уссурийском заливе не являются определяющими процессами. Прилив является неправильным полусуточным. Диапазон колебаний уровня

Рис. 3. Аномалия придонного давления у южного берега бухты Суходол с ноября 2010 по май 2011 г. (а); прилив в бухте Суходол по данным наблюдений (б); аномалия придонного давления в центральной части Уссурийского залива (в); прилив в Уссурийском заливе, рассчитанный по данным наблюдений (г)

Fig. 3. Bottom pressure anomaly in the southern Sukhodol Bay in 2010-2011 (а); observed tides in the Sukhodol Bay (б); bottom pressure anomaly in the central Ussuri Bay (в); predicted tides in the Ussuri Bay (г)

Рис. 4. Изменение солености (а); температуры воды (б) в бухте Суходол и температуры воздуха во Владивостоке (в). Данные о температуре воды и солености получены по наблюдениям измерителя течений S4. Вертикальная серая линия указывает дату смены знака температуры воды, которая совпадает с понижением солености в бухте

Fig. 4. Time series of salinity (а) and water temperature (б) in the Sukhodol Bay and air temperature in Valdivostok (в)

моря в глубокой части Уссурийского залива (буй w-08-09) достигает 45 см и превышает диапазон изменений уровня моря в бухте Суходол. Отношение амплитуд суточных (К1 и 01) и полусуточных (М2 и S2) гармоник составляет 1,05 в Уссурийском заливе и 1,20 в бухте Суходол. Выраженный двухнедельный цикл изменений уровня моря связан с модуляцией двух суточных гармоник. Этот двухнедельный цикл подавляется льдом в бухте Суходол зимой, но остается хорошо выраженным в северной части Уссурийского залива, не покрытого льдом (рис. 3, б, г).

На рис. 5 (а) показаны векторы скорости течений в бухте Суходол в промежуточном слое (на глубине 7 м) в холодный период года. Хорошо выражены две характерные особенности: 1) поток со скоростью около 12 см/с направлен в бухту при устойчивом северном ветре в январе-феврале (рис. 5, б); 2) поперечная компонента скорости направлена против ветра на север и имеет амплитуду около 8 см/с, т.е. имеет такую же величину, как и продольная компонента. При юго-восточном ветре поперечная компонента скорости в промежуточном слое направлена к южному берегу, а продольная компонента в верхнем слое — на запад, т.е. из бухты. На рис. 6 (а, б) представлены зональная и меридиональная компоненты скорости, полученные по этим наблюдениям. В холодное время года поток со скоростью около 10 см/с направлен в бухту. При этом поперечная компонента скорости положительна только при северном ветре. Для сравнения с холодным периодом года на рис. 7 (а) показана зональная компонента скорости в бухте в верхнем слое в июле 2007 г. Векторы скорости ветра показаны на рис. 7 (б). Выделяются два периода с сильным юго-восточным ветром: 18-20 июля и 27-28 июля, которым соответствуют периоды с отрицательными значениями зональной

U (см/с)

Рис. 5. Векторы скорости течения в промежуточном слое на станции B11 у южного берега бухты Суходол (а) и скорости ветра (б) зимой 2010/11 г.

Fig. 5. Vectors of current in the subsurface layer in the southern Sukhodol Bay (a) and wind (б) in winter 2010/11

S

o.

Э o

Рис. 6. Компоненты скорости течения на восток (а) и на север (б) в 2010-2011 гг. Fig. 6. Zonal (a) and meridional (б) components of current velocity in 2010-2011

07/18/07 07/20/07

Рис. 7. Зональная компонента скорости течения в бухте Суходол у южного берега в верхнем слое (глубина инструмента 2 м) (а), серым цветом выделено направление на запад при юго-восточном ветре; ветер во Владивостоке (б)

Fig. 7. Zonal component of current velocity at the sea surface (2 m depth) in the southern Suk-hodol Bay (а) and wind speed in Vladivostok (б)

компоненты скорости (поток на запад) с величиной до 21 см/с, что в два раза больше зимних значений скорости.

Формирование фронта, наклон термоклина и изменение стратификации

в Уссурийском заливе

Наблюдения за термохалинной структурой вод в Уссурийском заливе указывают на формирование прибрежного фронта в его восточной части в теплое время года. Формирование фронта в данной работе связывается с развитием поперечной циркуляции. Например, под действием юго-восточного ветра в сентябре 2008 г. сформировался наклон изопикн, которые заглублялись с поверхности на восточном берегу Уссурийского залива у мыса Лифляндского до дна на его западном берегу. Такой же наклон изопикн наблюдался в бухте Суходол (рис. 8, а-г). Разрез, показанный на рис. 8, был выполнен в период действия юго-восточного ветра. Изопикна 22,5 о0 опускается с поверхности на южном берегу до 7 м на северном берегу бухты. Наклон изопикн в бухте определяет формирование фронта плотности с высокими значениями на южном берегу и низкими значениями — на северном. Такой фронт плотности приводит к западному потоку у южного берега.

Эстуарная циркуляция в бухте Суходол

Эстуарии имеют различную стратификацию и рельеф дна. Степень стратификации определяется отношением разности солености верхнего и нижнего слоев к средней солености. Поток в эстуарии обычно меняет свое направление с глубиной. Простая

Tpat(X)

132.3‘Е 132.35°Е 132.4°Е 0 12 3

Расстояние (км)

Условная плотность Соленость (еле)

0 1 2 3 4 5 0 1 2 3 4 5

Расстояние (км) Расстояние (км)

Рис. 8. Карта станций (а); поперечные разрезы потенциальной температуры (б), условной плотности (в) и солености (г) в бухте Суходол 24 августа 2007 г. Наклон изотерм, изопикн и изохалин с поверхности до глубины 6 м. Широкими стрелками показана схема поперечной циркуляции при юго-восточном ветре

Fig. 8. Scheme of oceanographic section in the Sukhodol Bay in August, 2007 (a); sections of potential temperature (б), specific density (в), and salinity (г). Water circulation at the section is plotted by wide arrows

модель циркуляции в прямоугольном канале представляет поток, который меняет направление с глубиной (Officer, 1976). Уравнение сохранения момента импульса тогда записывается в виде

-Iе - ^ (1)

р0 дх dz

где х — продольная координата вниз по эстуарию, z — вниз с глубиной, p — давление, p — плотность, и — продольная компонента скорости, Az — коэффициент вертикального перемешивания.

Это уравнение отражает баланс между градиентом давления и вертикальным сдвигом скорости. Градиент давления можно разделить на баротропную и бароклин-ную части:

1 др дп g др

о ^, (2)

р0 дх дх р дх

где п — средняя за приливной цикл аномалия уровня; g — ускорение силы тяжести; др

— средний за приливной цикл горизонтальный градиент плотности, который при-

дх

нимается независимым от глубины.

Для того чтобы рассматривать только эстуарную циркуляцию, граничные условия для прямоугольного канала включают отсутствие напряжения на поверхности:

и отсутствие скорости на дне (z = Н):

U = 0L н. (3)

Уравнение неразрывности дает

н

J udz = 0.

о

Решение уравнения (1) с граничными условиями уравнения (3) было получено Officer (1976), согласно которому поток у дна поднимается вверх по эстуарию, а в верхнем слое поток направлен вниз по эстуарию. В случае если рельеф дна отличается от прямоугольного, модель дает другое распределение скорости. Вместо двухслойного распределения скорости гравитационная циркуляция будет иметь поперечную структуру, при которой поток вверх по эстуарию концентрируется в глубоком канале в центральной части, а поток вниз — вдоль мелкой прибрежной части. Тогда смена направления потока с глубиной заметна только в небольшой области поперечного разреза.

Рост придонного давления, обнаруженный в теплое время года, отражает усиление стока пресной воды двумя реками, впадающими в бухту Суходол, — Суходол и Петровка. Действительно, средний месячный расход воды в р. Суходол имеет выраженный максимум в апреле (например, в 1979 г.) или в мае (в 1980 г.), однако сильно зависит от суммы осадков. В летние и зимние месяцы сток значительно меньше. Таким образом, рост придонного давления, обнаруженный нами в бухте Суходол, прямо указывает на развитие гравитационной циркуляции в бухте. Такая циркуляция особенно важна для переноса взвеси и личинок культивируемых моллюсков. К тому же сток пресной воды должен значительно влиять на область распространения и условия оседания спата моллюсков.

Фронт плотности как причина циркуляции в бухте и заливе

Мы рассматриваем фронт плотности как причину циркуляции в дополнение к ветровому воздействию. При этом само существование фронта плотности прямо связано с ветровым воздействием. В простой модели такой циркуляции зададим у — расстояние от северного берега, и — продольная скорость вдоль берега на запад. h — толщина слоя низкой солености, f — параметр Кориолиса, g — ускорение силы тяжести, Ар — перепад плотности через пикноклин. Предполагая геострофический баланс для скорости, получим

где индекс у о значает частную производную в направлении у. Из этого уравнения мы можем вычислить перенос вод такой циркуляцией, интегрируя uh от берега. Полагая, что область воды низкой солености ограничена, т.е. на расстоянии у = у h = 0, перенос вод будет

где h — толщина верхнего слоя у северного берега бухты и перенос вод V отрицателен, поскольку поток направлен на запад. Мы используем наши наблюдения для расчета

лять около 30 см/с. Это значение согласуется с прямыми наблюдениями за течениями, приведенными в работе.

С помощью проведенных наблюдений за придонным давлением выявлен его рост в период усиленного стока пресной воды на величину около 45 мбар, который прямо указывает на развитие гравитационной циркуляции в бухте и далее в северной части Уссурийского залива. Такая циркуляция должна оказывать значительное воздействие на область распространения личинок моллюсков и условия оседания спата. Например, в периоды слабого стока пресной воды область распространения личинок будет ограниченна.

Измерения течений показали сезонную изменчивость потока в бухту. В бухте и в самом заливе в теплый период года формируется антициклоническая циркуляция. При северном (юго-восточном) ветре поток у южного берега бухты направлен на восток (запад) в верхнем слое (рис. 9). При этом поперечная циркуляция имеет такую же величину скорости течения, как и продольная. Поперечная циркуляция связана с формированием прибрежного фронта у восточного побережья в заливе и у южного берега в бухте Суходол. Наблюдения показали, что скорость потока подо льдом значительно меньше, чем в теплое время года, и его направление определяется преобладающим ветром.

Авторы признательны П.А. Салюку за помощь в море и П.Е. Щербинину за по-

лезные советы при обработке данных. Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ-ДВО 11-05-98508-р_восток_а.

величины этого потока. Предполагая, что h = 7 м, --------= 3 10 3, получим значение

с Р

переноса вод V = 0,75 км3день '. При этом характерная скорость потока будет состав-

АР

Заключение

43.25

43.225 —

43.175 —

43.2 —

р. Петровка

Рис. 9. Схема циркуляции, построенная по данным наблюдений. Широкой серой стрелкой показан поток при юго-восточном ветре, тонкой черной — при северном ветре. Поперечная циркуляция показана на рис. 8 (в)

43.15

Fig. 9. Scheme of anticyclonic circulation in the Sukhodol Bay based on the data of observations; wide grey arrow - the flow under southeastern wind, thin black arrow - the flow under northern wind

132.25 132.275 132.3 132.325 132.35 132.375 132.4 132.425

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.

Будаева В.д., зуенко ю.И., макаров В.г. Структура и динамика вод залива Петра Великого в условиях сильного летнего распреснения (2008-2009 гг.) // Тр. ДВНИГМИ. — 2010.

— Юбил. вып. — С. 158-172.

будаева В.д., зуенко ю.И., макаров В.г. Структура и циркуляция вод в бухте Суходол (Уссурийский залив Японского моря) // Изв. ТИНрО. — 2006. — Т. 146. — С. 226-234.

гаврилова г.с., Кучерявенко А.В. Товарное выращивание дальневосточного трепанга Apostichopus japonicus в заливе Петра Великого: методические особенности, результаты работы хозяйства марикультуры в бухте Суходол // Изв. ТИНРО. — 2010. — Т. 162. — С. 342-354.

гаврилова г.с., Кучерявенко А.В., Косых м.м. Восстановление скоплений дальневосточного трепанга методами марикультуры на примере бухты Суходол (залив Петра Великого, Японское море) // Современное состояние водных биоресурсов : мат-лы науч. конф., посвящ. 70-летию С.М. Коновалова. — Владивосток : ТИНРО-центр, 2008. — С. 717-720.

Олифиренко А.Б. Условия формирования поселений двустворчатого моллюска Anadara broughtoni в зал. Петра Великого (Японское море) // Изв. ТИНРО. — 2007. — Т. 149. — С. 122-137.

Рогачев К.А. Антициклоническая циркуляция Уссурийского залива Японского моря и ее воздействие на биоту // Изв. ТИНРО. — 2010. — Т. 160. — С. 236-244.

Рогачев К.А., Шлык Н.В. Антициклоническая циркуляция вод Амура в Сахалинском заливе по спутниковым и морским наблюдениям // Исследование Земли из космоса. — 2011.

— № 6. — С. 73-79.

Рогачев К.А., Шлык Н.В. Изменение характеристик халоклина и рост температуры в Камчатском течении и Ойясио // Океанол. — 2009. — Т. 49, № 6. — С. 814-819.

седова л.г., Калинина м.В., соколенко д.А. Влияние запрета промысла на состояние поселения анадары в Уссурийском заливе (залив Петра Великого, Японское море) // Изв. ТИН-РО. — 2009. — Т. 159. — С. 101-108.

Officer C.B. Physical Oceanography of Estuaries. — N.Y. : Wiley, 1976. — 457 p.

Rogachev K.A. Rapid thermohaline transition in the Pacific western subarctic and Oyashio fresh core eddies // J. Geophys. Res. — 2000. — Vol. 105(C4). — P. 8513-8526.

Rogachev K.A., Shlyk N.V., Carmack E.C. The shedding of mesoscale anticyclonic eddies from the Alaskan Stream and westward transport of warm water // Deep-Sea Res. P. II: Topical Studies in Oceanography. — 2007. — Vol. 54, № 23-26. — P. 2643-2656.

Поступила в редакцию 20.06.12 г.