CC BY
52
УДК 556.532.5.
ТЕРМИЧЕСКИЕ И ДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ОЗЕРЕ ПЛЕЩЕЕВО
С. А. Поддубный1, А. И. Цветков1, И. Н. Иванова2, А. А. Будников2, М. В. Цветкова1
1 Институт биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина РАН 152742 пос. Борок, Ярославская обл., Некоузскийр-н, e-mail: spod@ibiw.ru 2Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова, физический факультет, кафедра физики моря и вод суши.
119991, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 2, e-mail: aa.budnikov@physics.msu.ru Поступила в редакцию: 21.02.2020
Рассматриваются особенности формирования термической стратификации и динамические процессы в оз. Плещеево в вегетационный период. Проведен анализ многолетних изменений климатических характеристик бассейна озера. Особенности атмосферной циркуляции изучены с использованием многолетних суточных значений индекса Североатлантического колебания. На основе многолетних данных терморегистраторов, размещенных в толще воды, детально охарактеризованы фазы годового термического цикла озера. Определены периоды формирования и разрушения температурной стратификации, выявлены особенности динамики термоклина при различном ветровом воздействии. Охарактеризованы механизмы перемешивания отдельных слоев озера. Приведены результаты расчетов распределения по акватории водоема элементов ветровых волн. С использованием спектрального анализа рядов температуры воды показана возможность существования в озере внутренних волн различной природы. Оценен вклад ветровых и внутренних волн в перемешивание водной толщи. Ветровые течения рассчитываются на основе стационарной модели однородного водоема с учетом рельефа дна и ветрового воздействия. Оценивается возможность формирования в озере плотностных течений, вычисленных динамическим методом. Представлены результаты измерения течений на отдельных горизонтах профилографом RCM 9 LW (Aanderaa Instruments). Выявлен циркуляционный характер движения воды в озере, осложненный воздействием длиннопериодных внутренних волн.
Ключевые слова: термическая стратификация, ветровые волны, ветровые течения, плотностные течения, внутренние волны.
DOI: 10.24411/0320-3557-2020-10009
ВВЕДЕНИЕ
Крупномасштабные комплексные изучения состояния экосистемы оз. Плещеево стали проводиться ИБВВ АН СССР (РАН) в конце 70-х - начале 80-х годов ХХ века. Наряду с всесторонними гидробиологическими и ихтиологическими исследованиями, большое внимание уделялось изучению абиотических факторов среды и, в первую очередь, закономерностям формирования термического режима и структуры течений в озере.
Надо отметить, что исследование пространственно-временной изменчивости поля температуры в озере дает физическую основу для понимания особенностей проявления химических и биологических процессов. Температура воды в пресном водоеме определяет вертикальную плотностную структуру водной толщи и, соответственно, ее вертикальную устойчивость, обуславливает формирование различных циркуляционных течений и влияет на дрейфовый перенос воды [Бояринов, Петров, 1991 (Боуаппоу, Ре^оу, 1991)].
Плещеево озеро - димиктический водоем с весенней и осенней гомотермией и ярко выраженной температурной стратификацией в летний период. Обобщенные более ранние сведения о термическом режиме озера (ледо-
вые явления, сроки начала и окончания прогрева водоема, вертикальное и горизонтальное распределение температуры воды, параметры вертикальной термической структуры, динамика эпилимниона) приведены в монографии [Экосистема..., 1989 (Ekosistema..., 1989)] и работе [Поддубный, 1992 (Poddubnyi, 1992)]. Более поздние исследования термики и содержания растворенного кислорода в плане их воздействия на вертикальное распределение ряпушки проводились в 2014-2017 гг. с использованием самописцев температуры воды и многопараметрического портативного зонда [Малин и др., 2017 (Malin et al., 2017)].
Динамические процессы в озере (ветровые и внутренние волны, ветровые, стоковые и плотностные течения) являются основными факторами, определяющими функционирование абиотического звена его экосистемы. Отсутствие в 80-х годах прошлого века высокоточных портативных комплексов для регистрации параметров течений привело к единственно возможному пути изучения закономерностей формирования структуры течений в озере - математическому моделированию.
Применение стационарной модели однородного водоема позволило выявить особенно-
сти формирования горизонтальной циркуляции вод при различных гидрометеорологических условиях [Поддубный, Литвинов, 1983 (Pod-dubnyi, Litvinov, 1983)]. Впоследствии результаты моделирования течений были использованы для установления влияния циркуляции вод на распределение скоплений фито-, зоопланктона и пелагических рыб в озере [Поддубный и др., 1987 (Poddubnyi et al., 1987); Столбунова, 2006 (Stolbunova, 2006); Поддубный и др., 1983 (Poddubnyi et al., 1983)].
Детальные измерения параметров течений и ряда других гидрофизических характеристик были осуществлены спустя 30 лет кафедрой физики моря и вод суши физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова с применением многопараметрического зонда RCM 9 LW. На основе полученных данных был сделан предварительный анализ циркуля-
МАТЕРИАЛЫ
Для характеристики климатических условий в период исследований (2014-2017 гг.) использовались метеорологические восьми-срочные данные по метеостанции г. Переславль-Залесский [Булыгина и др., 2019 (Bulygina et al., 2019)]. Анализ особенностей атмосферной циркуляции проводился на основе многолетних суточных значений индекса Североатлантического колебания (САК или NAO) [National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), 2020]. Сезонная динамика термического режима озера изучалась с помощью самописцев температуры воды Onset HOBO Pendant Temperature/Light Data Logger 64K и Onset HOBO Water Temperature Pro v2 Data Logger, установленных на отдельных горизонтах на автономной буйковой станции (АБС) в центральной части озера (рис. 1). Интервал регистрации температуры воды составлял 5-15 мин. Кроме того, на постоянных гидрологических станциях температура и электропроводность воды измерялись многопараметрическим портативным зондом YSI 85 на горизонтах через 1 м глубины (рис. 1).
Регистрация скорости и направления течений осуществлялась с использованием про-филографа Aanderaa Data Instruments AS Sea
ции воды, внутренних волн, интрузии и переноса примесей в оз. Плещеево [Самолюбов и др., 2015 (Samolyubov et al., 2015)].
В настоящее время, располагая материалами натурных наблюдений над распределением гидродинамических и гидрофизических характеристик в водной массе оз. Плещеево появилась возможность более детального изучения особенностей проявления динамических процессов в период температурной стратификации. Надо отметить, что такой важный динамический процесс как ветровое волнение в озере ранее не обсуждался.
Цель настоящей работы - выявление закономерностей сезонных изменений термического режима, гидродинамических процессов (ветровых волн и течений), а также внутренних волн в оз. Плещеево в период открытой воды.
И МЕТОДЫ
Guard RCM 9 по установленной сетке станций (рис. 1). Плотностные течения вычислялись динамическим методом [(Зубов, Мамаев, 1956 (Zubov, Mamayev, 1956)].
Параметры ветровых волн (высота, длина, период, максимальная донная волновая скорость на мелководье, горизонтальная и вертикальная составляющие скорости орбитального движения частиц воды в волне на заданных горизонтах) рассчитывали по методике Н.А. Лабзовского. Средняя по вертикали скорость ветрового течения вычисляли согласно формулам А.С. Судольского. Указанные методики вошли составной частью в программный комплекс, разработанный для моделирования гидродинамических процессов в озерах и водохранилищах. Верификация комплекса программ осуществлена для условий водохранилищ Волжского каскада и озер бассейна Верхней Волги [Поддубный, Сухова, 2002 (Poddubnyi, Sukhova, 2002)].
Статистическая обработка временных рядов температуры воздуха, скорости ветра, индекса САК и температуры воды на отдельных горизонтах выполнялась с использованием программы "STATISTICA 10".
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Климатические особенности бассейна. Климат бассейна Верхней Волги, в пределах которого находится оз. Плещеево, умеренно-континентальный и складывается под воздействием морских и континентальных воздушных масс. Морские массы формируются над северными районами Атлантического океана и арктических морей, континентальные на Ази-
атской территории СНГ. Бассейн Верхней Волги пересекают полярные оси антициклонов, проходящие через Скандинавию, Исландию и Карское море, здесь же находится центр пересечения траектории циклонов из северной Атлантики и Средиземного моря [Бикбулатов и др., 2003 (В&ЬЫаЮу е; а1., 2003)].
56.820'
38.75°
38.80°
38.85°
56.7951
56.770е
56.745'
56.720е
^Х / \ -
1 1 1 "..................................................... \ \
I 18 1 Г * f 9 •
\ j ) \ 1 ' ( ' ! 1 7. AI . 0 \ \ \ ч, л ч \
{ 1 / 6* \ Ч \ \ V 1
) 1 1 • t л J 1 Ч Л Г 1 \ S * \ 1 \ \
1 н Ч 1 \ 2- \ \ 1 1
\ ч \ \
\\ Ч 1 / 1 ч | i S 1 г
\ \ ____________________________________________________________\.....\ \ .............. ; ) г t } 1 J /
X; л л f 11 / f
V V \ V ) / / У С
f* \
750
750 1500 2250 3000 м
Рис. 1. Схема гидрологических станций на оз. Плещеево в 2014-2017 гг. Fig. 1. Scheme of hydrological stations on the Lake Pleshcheyevo in 2014-2017.
В целом динамика атмосферной циркуляции может быть оценена с помощью индекса САК - одной из мод глобальной изменчивости, определяющей условия погоды над европейской частью России. Причем положительные отклонения САК указывают на усиление зональной циркуляции, тогда как в отрицательной фазе САК происходит усиление мери-дианального типа циркуляции воздушных масс [Лобанов, Тощакова, 2016 ^оЬапоу, Toschakova, 2016); Рыбак, Рыбак, 2005 ^уЬак, Rybak, 2005)].
Анализ среднесуточных значений САК за последнее десятилетие (2010-2018 гг.) выявил следующие особенности временного распределения индекса. В указанный период ме-
ридиональный перенос воздушных масс преобладал над широтным (54 и 46% соответственно). Причем, зональная циркуляция явно интенсифицировалась в середине весны и осенью. В конце весны и летом (май-август) погода определялась меридианальными потоками воздуха. Продолжительность положительной фазы САК варьировалась от 1 до 31 сут, отрицательной - от 1 до 58 сут (табл. 1).
Непосредственно в период наблюдений (апрель-октябрь 2014-2017 гг.) в положительной фазе САК преобладал зональный перенос воздушных масс. Вместе с тем, отрицательная фаза САК характеризовалась положительной температурной аномалией и несколько большим суммарным количеством осадков (в срав-
нении с положительной фазой САК). Также следует отметить, что в обеих фазах господствовали ветры западного и южного направлений (табл. 2).
Впоследствии спектральный анализ временного ряда САК с фильтрацией и исключением краевых областей низких и высоких частот позволил выделить 4 основных периода
Спектральный анализ внутрисезонной изменчивости скорости ветра и температуры воздуха для каждого рассматриваемого года показал, что более 50% в спектральную плотность вносят суточные колебания указанных параметров. Остальные наиболее значимые периоды колебаний скорости ветра: 27, 14, 9 и 5 сут, температуры воздуха - 30, 18, 10 и 6 сут.
колебаний индекса: 2.9, 1.6, 1.2 и 0.8 мес.
Таблица 1. Характеристика индекса Североатлантического колебания за период с 2010 по 2018 гг. Table 1. Characteristics of the North Atlantic Oscillation Index for the period from 2010 to 2018
Месяц month Положительная фаза Positive phase Отрицательная фаза Negative phase
n % AT, сут Тср, сут n % AT, сут ТСр, сут
Апрель 176 65 1-28 13.6 94 35 1-20 7.5
April Май 113 40 1-31 6.3 166 60 1-31 9.2
May Июнь 99 37 1-22 8.3 171 63 2-55 13.2
June
Июль 101 36 1-22 7.1 178 64 1-58 12.7
July Август 94 34 1-31 6.3 185 66 1-37 13.2
August Сентябрь 168 62 1-25 12.0 102 38 1-21 7.3
September Октябрь 138 50 1-22 7.0 140 50 1-27 7.0
October
Примечание. n - число наблюдений, ДТ - диапазон продолжительности фазы, Тср - средняя продолжительность фазы.
Note. n - is the number of observations, ДТ- is the phase duration range, Tav - is the average phase duration.
Таблица 2. Средние метеорологические характеристики по г. Переславль-Залесский (апрель-октябрь), соответствующие положительной и отрицательной фазам САК за период с 2014 по 2017 гг.
Table 2. Average meteorological characteristics for the city of Pereslavl-Zalessky (April-October), corresponding to the positive and negative phases of the NAO for the period from 2014 to 2017
Характеристика Фазы САК
Characteristic NAOphases
Положительная Отрицательная
Positive Negative
Направление ветра, %
Direction of the wind, %
Северное / North (315-45°) 20 23
Восточное / East (45-135°) 14 14
Южное / South (135-225°) 27 29
Западное / West (225-315°) 39 34
Широтная составляющая, % 53 48
Latitudinal component, %
Меридианальная составляющая, % 47 52
Meridional component, %
Средняя скорость ветра, м/с 1.9 1.8
Average wind speed, m/s
Максимальная скорость ветра, м/с 5.9 5.6
Maximum winds peed, m/s
Сумма осадков, мм 98 117
Amount of precipitation, mm
Температура воздуха, °C 10.1 13.3
Air temperature, °C
Суточные колебания обусловлены нагревом и охлаждением подстилающей поверхности в течение суток и соответственно возникновением дневных и ночных бризов. Колебания синоптического масштаба в пределах месяца связаны с прохождением крупных барических образований.
Отставание периодов колебаний температуры воздуха от скорости ветра может быть связано с первоначальным продвижением теплых или холодных воздушных масс и последующим постепенным прогреванием или охлаждением воздуха.
Несоответствие общим закономерностям распределения метеорологических характеристик в пределах двух фаз САК (в нашем случае отрицательной фазе индекса соответствовала положительная аномалия температуры воздуха, положительной фазе - отрицательная) может быть связано, во-первых, с коротким рядом наблюдений (всего 4 года), а во-вторых -
Таблица 3. Нормы и средние значения температуры воздуха Залесский
с необходимостью учета дополнительных индексов атмосферной циркуляции, определяющих погоду на Европейской части России.
Так, согласно современным исследованиям, считается, что для описания изменчивости характеристик циркуляции в атлантико-европейском регионе одного индекса САК недостаточно. Наряду с ним необходимо учитывать изменчивость траекторий циклонов, которая характеризуется индексом Восточноатлан-тического колебания (ЕА) [Нестеров, 2013 (Nesterov, 2013)]. Вероятнее всего положительная аномалия температуры воздуха в отрицательной фазе САК в период с 2014 по 2017 гг. формировалась в результате преобладающего прохождения влажных тропических циклонов. В целом средняя за вегетационный период температура воздуха в районе оз. Плещеево соответствовала или была несколько выше нормы (табл. 3).
с апреля по октябрь в разные периоды по г. Переславль-
Table 3. Norms and average values of air temperature from April to October at different periods in the city of Pereslavl-Zalessky
Годы Месяцы / Month Среднее
Years Апрель Май Июнь Июль Август Сентябрь Октябрь Average
April May June July August September October
1961-1990* 4.5 12.0 15.7 17.5 15.7 10.2 4.1 11.4
1971-2001* 5.0 11.8 16.2 17.7 15.6 10.1 4.1 11.5
1981-2010* 5.4 12.2 16.0 18.3 16.0 10.6 4.7 11.9
2014-2017** 5.0 12.8 15.2 18.0 17.4 11.5 3.2 11.9
Примечание. " " - периоды выделены согласно рекомендациям по определению норм температуры воздуха [Коршунова, Швець, 2014 (Korshunova, Shvets, 2014)], "**" - исследуемый период.
Note. "*" - periods are allocated according to recommendations for determining air temperature norms [Korshunova, Shvets, 2014], "**" - study period.
Годовой термический цикл. Температурный режим оз. Плещеево определяется его географическим положением, морфометрией, проточностью и минерализацией воды. Поскольку различия в последней не существенны, данное озеро можно отнести к категории голомиктических водоемов (не противоречит указанному ранее термину димиктическое озеро), которые регулярно или периодически перемешиваются до дна [Эдельштейн, 2014 (Edelstein, 2014)].
Годовой термический цикл озер умеренных широт состоит из двух периодов: весенне-летнего нагревания водной массы и осенне-зимнего её охлаждения. Периоды характеризуется последовательно меняющимися фазами. В весенне-летнем периоде - это подледная частичная циркуляция, полная циркуляция, формирование прямой стратификации. В осенне-зимнем периоде - это частичная
осенняя циркуляция, полная циркуляция, формирование обратной стратификации и зимняя подледная обратная стратификация [Эдель-штейн, 2014 (Edelstein, 2014)].
Рассмотрим более подробно годовой термический цикл оз. Плещеево на примере непрерывной регистрации температуры воды на горизонтах 2, 5, 7, 12, 15, 20 и 24 м на автономной буйковой станции с 28 апреля 2016 г. по 31 октября 2017 г. (рис. 2).
Весенне-летний период нагревания, фаза полной циркуляции. В 2016 г. разрушение ледяного покрова на озере зафиксировано 8 апреля. Положительные температуры воздуха с колебаниями от 2.4 до 13.5°С и средним значением 8 С в сочетании с периодически высокими скоростями ветра (до 13 м/с) привели к быстрому прогреву толщи воды и установлению вертикальной гомотермии. Температура воды в поверхностном слое к концу апреля
достигала 4.8-5.9°С, а в придонном - 4.0-4.8°С. Основным механизмом формирования гомотермии выступает конвективно-динамическое перемешивание. Температура воды в поверхностном слое до конца первой декады мая повышалась в среднем на 0.23°С/сут и достигала 10-11°С.
Весенне-летний период нагревания, формирование прямой стратификации (летняя стагнация). Со второй декады мая в озере формируется термическая стратификация, интенсивность которой характеризуется показателем устойчивости (E, с-2) [Эдель-штейн, 2014 (Edelstein, 2014)]:
Е = а- х
р dz
где: д - ускорение силы тяжести, р - плотность воды, 2 - глубина. Погодные условия в мае -июне неустойчивые: периоды прогрева воздуха сменяются временными похолоданиями. Амплитуда колебаний температуры воздуха составляет 17.9°С (5.8-23.7°С). Средние максимальные скорости ветра - 7.5 м/с, с порывами до 10-11 м/с. Изменения температуры воды по вертикали достигают 5°С с максимальными градиентами (до 1.8°С/м) в слое 2-5 м. Вертикальная устойчивость водной массы изменяется в пределах 1.0-2.8 с-2. В придонных слоях озера (>18 м) она близка к нулю, или имеет отрицательные значения, что свидетельствует о плот-ностной неустойчивости слоев и их конвективном перемешивании.
2016
2017
J У J Vf _i V" I УП1 I IX I X I ХГ I ......... 111 I IV I V 1 vt ■ VII I VIII iix L x
■s
c.
я
£ —
га >i
a
12
20
24
Я 12 If. 1Я 22 22 21) If. 12 t 64 |
! 4 iS L2 Hi 21) 20 16 111С
* 6 4 I
Рис. 2. Сезонное распределение температуры воды на АБС в 2016-2017 гг. Fig. 2. The seasonal distribution of water temperature on the ABS in 2016-2017.
Рис. 3. Вертикальные профили температуры воды на АБС в 2016 г. 1 - 10.05, 2 - 12.05, 3 - 14.05, 4 - 16.05, 5 -17.05, 6 - 18.05, 7 - 20.05.
Fig. 3. Vertical water temperature profiles on the ABS in 2016. 1 - 05/10, 2 - 05/12, 3 - 05/14, 4 - 05/16, 5 - 05/17, 6 - 05/18, 7 - 05/20.
В периоды локальных похолоданий и усиления ветрового воздействия устойчивость верхних и средних горизонтов уменьшается в несколько раз (до 0.04-0.4 с-2). Преобладает конвективно-динамическое перемешивание, приводящее к уменьшению вертикальных градиентов температуры до 0.1-0.5°С/м и перемещению их в слой 18-20 м. Такое заглубление градиента на 12-13 м происходит в течение 2-3 часов. С ослаблением скорости ветра до 2 м/с максимальный градиент температуры восстанавливает свое положение в слое 2-5 м примерно через двое суток (рис. 3).
В дальнейшем с постепенным прогревом воздуха вертикальная устойчивость в верхних слоях воды достигает 3.5 с-2. Кратковременные усиления ветрового воздействия приводят к динамическому перемешиванию верхнего слоя воды и заглублению максимального градиента температуры на глубины 5-7 м. Толщина эпилимниона в этот период составляет в среднем 2-5 м. Температура воды в нем постепенно увеличивается от 12 до 23°С, тогда как в гиполимнионе - от 5 до 7°С. Максимальный прогрев воздуха с среднесуточными температурами 23-24°С приходится на конец июля и иногда захватывает начало августа. В это время наблюдается максимальный прогрев эпилимниона (до 25°С). Максимальные градиенты температуры воды находятся в слое 57 м и достигают 4-5°С/м. Здесь же отмечается
наибольшая вертикальная устойчивость водной массы (4.5-5.4 с-2). Этот период характеризуется, как правило, слабым ветровым воздействием, что способствует в сочетании с высокими температурами воздуха формированию в эпилимнионе суточных термоклинов. Сезонный термоклин в середине лета занимает слой от 5 до 18 м.
При кратковременных усилениях ветра (9-11 м/с) суточные термоклины могут разрушаться в течение 2-3 часов. Интенсивное динамическое перемешивание достигает верхней границы сезонного термоклина, происходит ее эрозия и сжатие, и как следствие - увеличение вертикальных градиентов температуры воды до 5°С и устойчивости слоев до 5.4 с-2. В средних слоях термоклина (глубже 9 м) плотност-ная устойчивость слоев резко снижается. В результате динамического воздействия в толще термоклина генерируются вертикальные колебания слоев воды. Так в начале августа, в течение суток амплитуда вертикальных перемещений нижней границы термоклина (изотерма 8°С) составляет 1-1.5 м. Амплитуда колебаний верхних слоев термоклина (изотерма 12°С) достигает величины 3.5 м (слои с пониженной плотностной устойчивостью на глубинах 7-9 м). В непосредственной близи к верхней границе термоклина колебания снова уменьшаются до 0.8-1.3 м (горизонты 6.5-7.8 м) (рис. 4).
Температура, "С / Température, "С 10 15 20
25
Е
о.
à 10
Зч «
% 15
20 25
Рис. 4. Вертикальные профили температуры воды на АБС 08.08.2016 г., время регистрации: 1 - 0100, 2 - 0700, 3 - 1000, 4 - 1900, 5 - 2200, амплитуда колебаний изотермы: A - 8°С, B - 12°С, С - 16°С.
Fig. 4. Vertical water temperature profiles on ABS 08.08.2016, registration time: 1 - 0100, 2 - 0700, 3 - 1000, 4 - 1900, 5 - 2200, isotherm oscillation amplitude: A - 8°C, B - 12°C, C - 16°C .
y
о
fc =
£ £
у
о q
s.
t -t a.
u
v
май нюнь июль август сентябрь
May June July August SEptEmbEr
Рис. 5. Среднесуточная температура воздуха с 1 мая по 10 октября (г. Переславль-Залесский). 1 - 2016 г., 2 -2017 г., 3 - тренд ряда 2016 г., 4 - тренд ряда 2017 г.
Fig. 5. The average daily air temperature is from May 1 to October 10 (Pereslavl-Zalessky). 1 - 2016, 2 - 2017, 3 - the trend of the 2016 series, 4 - the trend of the 2017 series.
—
w w
cx
(Л
s
i Q
&
о 0
/ I Ik - ,:
aJ L I ' HftuU'
28-04 Л 6 Ж 05.16 2 7.06.16 27.07.16
Даты / Dates
26.0fl.16
25.09.1G
Рис. 6. Средняя (1) и максимальная (2) за сутки скорость ветра с 28 апреля по 10 октября 2016 г. (г. Переславль-Залесский). 3, 4 - тренды рядов.
Fig. 6. The average (1) and maximum (2) per day wind speed from April 28 to October 10, 2016 (Pereslavl-Zalessky city). 3, 4 - series trends.
Осенне-зимний период охлаждения, частичная осенняя циркуляция (летняя стагнация). Во второй половине августа начинается устойчивое постепенное снижение среднесуточной температуры воздуха, а также увеличение средних и максимальных суточных скоростей ветра (рис. 5, 6). Интенсификация динамического перемешивания приводит к уменьшению максимальных вертикальных градиентов температуры воды до 1.5-2°С/м и их заглублению в слой 9-12 м. Толщина эпи-лимниона составляет 8-9 м. Положение верхней границы гиполимниона не претерпевает существенных изменений и варьирует на глубине ~18 м.
На рис. 7 показаны вертикальное распределение температуры, полученное на двух поперечных (точки 1-5 и точки 6-10) и продольном разрезе озера (точки 11-19) 2425 августа 2014 г. Здесь хорошо виден верхний
прогретый слой 8-10 м, в котором происходит вертикальное перемешивание. Ниже начинается зона устойчивого термоклина. В приповерхностном слое температура 21-22°С, в придонном слое температура уже 8.6-9.2°С. В зоне термоклина вертикальный градиент температуры составляет в среднем 1.5°С/м.
С середины сентября вертикальные градиенты температуры не превышают 1°С/м и постепенно занимают слой 12-18 м, а к концу сентября - перемещаются в придонный слой 20-24 м.
Вертикальная устойчивость толщи воды постепенно уменьшается, но еще сохраняет значения от 2 до 4.5 с-2. В верхних и нижних слоях она близка к нулю или имеет отрицательные значения, что свидетельствует о нахождении слоев в неустойчивом состоянии. Возникающее конвективно-динамическое перемешивание приводит к дальнейшему заглублению термоклина.
Рис. 7. Распределение температуры Т по глубине и длине водоема на поперечных разреза (a, b) и продольно-осевом (с), полученное 24-25 августа 2014 г.
Fig. 7. The temperature distribution T along the depth and length of the reservoir on the transverse section (a, b) and longitudinal-axial (c), obtained on August 24-25, 2014.
В этот период при усилении скорости ветра до 9-11 м/с, с последующим сохранением ее в пределах 6-8 м/с, придонный термоклин может совершать колебательные движения опускаясь до дна и разрушая гиполимни-
он. Восстановление первоначального профиля температуры происходит через 1.5 сут. Амплитуда колебаний верхней границы термоклина составляет 8, а нижней - 5 м (рис. 8).
Теипература, "С / Tempeiature, "С 17 7 12 17 7 12 17 7 12 17 7 12 17 7 12 17 7 12 17
22.09.16
21.0S. 16 7:00 23.00.16 13:00 23.09.16 17:30 24.09.16 1:00 24.09.16 5:30 24.09.16 10:00
Рис. 8. Вертикальные профили температуры воды на АБС с 22 по 24 сентября 2016 г. 1, 2 - огибающие верхней и нижней границ термоклина соответственно.
Fig 8. Vertical profiles of water temperature on the ABS from September 22 to September 24, 2016. 1, 2 are the envelopes of the upper and lower boundaries of the thermocline, respectively.
Режимы вертикального перемешивания водной толщи. В заглубление и динамику эпилимниона вносят вклад три основных фактора: воздействие ветра на поверхность озера, сдвиг скорости на границе раздела плотности между эпилимнионом и сезонным термоклин-ном, вызываемый сейшевыми движениями и конвективное перемешивание за счет гравитационной неустойчивости, возникающей при охлаждении поверхностных слоев воды [Боя-ринов, Петров, 1991 (Boyarinov, Petrov, 1991)].
Причем первые два фактора относятся к главным механизмам генерации турбулентной кинетической энергии при ветровом воздействии, обуславливающим увеличение в толщине
верхнего квазиоднородного слоя. Надо отметить, что скорость продвижения турбулентного фронта уменьшается при достижении границы раздела плотности и определяется величиной вертикальной устойчивости пикнокли-на. Зависимость же турбулентности от устойчивости вод характеризуется числом Ричардсона (Л/), которое для перемешанного слоя можно определить из следующего соотношения [Поддубный, 1992 (Poddubnyi, 1992)]:
Ш-1 = и2 / д кэ,
где кэ- мощность эпилимниона, и = -Jrjp -динамическая скорость, xs = yW2 - касательное напряжение ветра у = 0.00325 кг/м3 [Фель-
зенбаум, 1960 ^екепЬаит, 1960)], Ж - скорость ветра, м/с, д = Ь.рд/р- скорректированное ускорение ускорение силы тяжести, Ар - градиент плотности на границе раздела эпи- и гиполимниона).
На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований [Spigel, 1т-Ье^ег, 1980] была предложена классификация реакции озера в ответ на ветровое воздействие, отражающая в соответствии со значениями Яг четыре его режима. С учетом морфометриче-ских показателей озера (Ь - длины, м; максимальной глубины Н, м и мощности гиполимниона - кг, где Н = Нэ +Иг) границы режимов можно записать в общем и конкретно для озера видах (табл. 4).
1. Яг < 1. Водная масса однородна в подавляющем большинстве случаев. Большая амплитуда перемещений границы разделы плотностей. Интенсивное вертикальное перемешивание подавляет образование внутренних волн.
2. 1 < Яг < (Ь/2кэ)^~НЙ~Г. На границе раздела слоев имеется сдвиг скорости. Быстрое заглубление эпилимниона сопровождается большими перемещениями границы раздела слоев. В течение одного ветрового цикла может произойти полное вертикальное перемешивание. Внутренние волны больших масштабов не наблюдаются.
3. (Ь/2кэ)^ Н/кг<ЯК(Ь2/4к2)(Н/кг). Большая часть энергии, тратящаяся на заглубление границы раздела, поступает с кинетической энергией, генерируемой на поверхности. Сильный ветер вызывает заметные колебания на границе раздела слоев. Преобладают внутренние сейши, тогда как внутренние волны имеют второстепенное значение. Полное перемешивание водной толщи происходит очень редко.
4. Я1>(Ь2/4кЭ;)(Н/кг). Доминируют силы плавучести. Внутренние волны имеют короткий период и малые амплитуды. Граница раздела слоев сохраняет острую форму. Полное вертикальное перемешивание за один синоптический цикл не происходит.
Оценки значений Яг проведены для периода стратификации с 10 мая по 10 октября 2016 г. Касательное напряжение ветра рассчитано на продольную ось озера, совпадающую с его длиной (Ь): = у(Ш2Б1па1), где -угол между направлением ветра и продольной осью озера. В результате вычислений получены значения Яг отдельных слоев, изменяющиеся в достаточно широких пределах -от (-650) до 5.3*105. Сравнение фактических значений Яг с диапазонами их изменений (табл. 4) позволило определить возможные режимы перемешивания в озере.
Таблица 4. Диапазоны изменения числа Ri для различных режимов перемешивания в оз. Плещеево в зависимости от его морфометрических характеристик
Table 4. The ranges of changes in the number Ri for various mixing modes in Lake Pleshcheyevo depending on its morphometric characteristics
Слой, м Режимы
Layer, m Modes
1 2 3 4
2-5 <1 1- -30000 1320-2^106 >2-106
5-7 <1 1- 16400 900-6.3-105 >6.3105
7-12 <1 1 -9300 640-4.Ы05 >4.1 •Ю5
12-18 <1 1 -4660 520-2.7-105 >2.7-105
18-20 <1 1 -2750 550-3^105 >3-105
20-24 <1 1 -1490 410-5.6-105 >5.6405
Первый режим, характеризующийся интенсивным вертикальным перемешиванием, проявляется в кратковременные периоды начала формирования и разрушения температурной стратификации (первая декада мая и первая декада октября). Второй режим перемешивания преобладает во второй и третьей декадах мая, когда при относительно небольших градиентах плотности и повышенном ветровом воздействии наблюдаются значительные перемещения границы раздела слоев до 12-13 м (рис. 3). Возможно полное вертикальное перемешивание водной толщи. В летние месяцы и
в начале осени вплоть до разрушения стратификации в озере преобладает совместное действие второго и третьего механизмов перемешивания. В заглублении эпилимниона играет роль, как ветровое перемешивание, так и сдвиг скорости на границе раздела слоев. После прекращения ветрового воздействия в термоклине теоретически могут формироваться внутренние волны короткой амплитуды и длиннопе-риодные внутренние сейши. Четвертый режим перемешивания в оз. Плещеево практически не выражен (табл. 5).
Таблица 5. Вклад в динамику эпилимниона режимов ветрового перемешивания по числу Ri (%)
Table 5. Contribution to the dynamics of the epilimnion of the regimes of wind mixing by the number Ri (%)
Месяц / Month Число случаев Number of cases Режимы Modes
1 2 3 2, 3 4
Май / May 21 24 52 5 19 -
Июнь / June 29 - 21 24 55 -
Июль / July 29 - - 21 79 -
Август / August 25 - - 24 76 -
Сентябрь / September 30 - 13 13 67 7
Октябрь / October 9 11 - 33 56 -
AW^ м/с m/s 1.2-7.2 2.4-9.0 0.2.-2.9 1.0-8.4 0.3
W№ м, м/с m/s 3.8 5.4 1.4 3.9 0.3
Перемешивание ветровыми и внутренними волнами. Как уже отмечалось выше, одним из факторов, воздействующих на поверхность озера, является ветер. Созданное им волнение турбулизирует верхний слой воды, создавая поток турбулентной энергии вглубь эпилимниона. Расчет характеристик ветровых волн для преобладающих направлений ветра со скоростями 50 и 1% обеспеченности (3.5 и 12 м/с соответственно) выявил следующие особенности. Северо-западный ветер скоростью 3.5 м/с формирует волновое поле с максимальными высотами 0.23 м, длинами волн -
3.9 м и периодами - 1.6 с. Горизонтальные и вертикальные орбитальные скорости глубже 2 м не проявляются.
Усиление скорости ветра до штормовых значений приводит к увеличению высот волн до 1 м. Соответственно их длина возрастает до 12.8 м, а период - до 2.9 с. Орбитальные скорости (Со) уменьшаются с глубиной (2)
по экспоненте: С0 = 67.255 е-0,461г. При юго-западном ветре, из-за более короткой длины разгона, характеристики ветровых волн уменьшаются в 1.2 раза (рис. 9).
(а)
(Ь)
ветер
Рис. 9. Распределение высот волн в оз. Плещеево при ветре 12 м/с: a - 315°, b - 225°.
Fig. 9. The distribution of wave heights in Lake Pleshcheyevo with a wind of 12 m/s: a - 315°, b - 225°.
Изменение с глубиной орбитальных скоростей описывается уравнением вида: С0 = 61.266e-0,564z. Амплитуда волн с увеличением глубины быстро уменьшается по экспоненциальному закону: rz = Го е , где г0 - амплитуда волн на поверхности. На глубине А/2 амплитуда волн составляет 4% от г0 и в расчетах может быть не учтена [Эдельштейн, 2014 (Edelstein, 2014), Cossu et al., 2017]. С глубиной
также быстро уменьшается кинетическая и потенциальная энергия волн, имеющая равные величины и зависящая от амплитуды волны:
Е =1 pgrz2 [Боуден, 1988 (Bowden, 1988)].
При средних по силе ветрах энергия волн на поверхности составляет 32, а на глубине 2 м -всего 0.1 Дж/м2. В случае штормового ветра энергия волн изменяется от 690 Дж/м2 на поверхности до 1 Дж/м2 на глубине 6 м.
Таким образом, в начале установления стратификации и в период ее интенсификации при толщине эпилимниона ~6 м в его верхних слоях при средних по силе ветрах перемешивание обуславливается энергией ветровых волн. Штормовой ветер способствует проникновению волнового перемешивания практически до границы раздела слоев плотности. Однако в прилегающем к границе раздела плотности нижнем слое эпилимниона, более значимый вклад в перемешивание должны вносить сдвиг скорости, вызванный ветровым течением и внутренней сейшей. Вклад последней в перемешивание наибольший в конце периода стратификации, когда толщина эпилимниона —12-18 м и плотностная устойчивость водной массы понижена.
Внутренние волны также являются одним из главных источников перемешивания толщи воды. Согласно Н.Н. Филатову [Филатов, 1991 (Filatov, 1991)], среди внутренних волн могут быть выделены: длинные гравитационные, короткие и длинные инерционно-гравитационные (Пуанкаре) с периодом Тиг<Ти, инерционные при Тин ~ Ти, волны Кельвина с периодом больше инерционного. Трансформация волн Кельвина в прибрежной зоне может привести к образованию широкого спектра короткопериодных волн. Формирование внутренних волн Кельвина в слабосоленом оз. Шира по морфометрии схожем с оз. Плещеево было показано на основе модельных расчетов с применением трехмерной термогидродинамической модели [Якубайлик, Компаниец, 2015 (Yakubaylik, Kompaniyets, 2015)]. Важное значение в динамике озера имеют и внутренние сейши. Применительно к оз. Плещеево инерционный период составляет Ти « 12/sin^~ 14.4 час, где ф - широта, равная 56°. Период внутренней сейши, рассчитываемый по формуле:
рг 1/1 1 VI1/2 Тс = 2L —--1 — + —)
\-Рг- РэЗ^э Пг/1 в зависимости от интенсивности стратификации изменяется от 19 до 40 час. Возможность существования длинных волн Кельвина определяется внутренним радиусом деформации Россби:
1/2
R = [в(.Рг- Рэ) KK/f2 Рг (К + К)] (где f - параметр Кориолиса), который должен быть в несколько раз меньше горизонтальных размеров водоема. Для оз. Плещеево он составляет 1.5 км, что дает вероятность возникновения здесь этого типа волн.
Спектральный анализ непрерывных ре-гистраций температуры воды на АБС с дис-
кретностью 30 мин на горизонтах 2, 5, 7, 12, 18, 20 и 24 м с мая по октябрь 2014-2016 гг. выявил достаточно обширный набор разнопе-риодных колебаний (рис. 10).
Так, во всей толще воды, прослеживаются колебания температуры воды с периодами от 3 до 17 сут, обусловленные синоптическими изменениями. В металимнионе (глубины 5-18 м) отмечены колебания с периодами в диапазоне 9.6-19 час и 1-1.9 сут, которые могут быть вызваны гравитационными и инерционными внутренними волнами, а также внутренними сейшами. В последнем случае это отчетливо видно на рисунке 8. Кроме того, по данным измерений скорости и направления течений в августе 2014 г., зарегистрирована внутренняя волна с горизонтальной длиной 4 км, вертикальной длиной Нг = 2[Н-для низшей моды, фазовой скоростью С„ = 0.20.3 см/с, периодом 3.6 ч, горизонтальной составляющей скорости ищ от -5 до 5 см/с (где 2Т = 5-13 м - высота термоклина [Самолюбов и др., 2015 ^ато1уиЬоу et а1., 2015)]). Слабые колебания температуры воды с периодом 3.3-3.5 ч были отмечены в слое 7-24 м в 2016 г.
Осенне-зимний период охлаждения, полная циркуляция. Период летней стагнации завершается в начале второй декады октября при температуре водной толщи 9-10°С. Постепенное снижение температуры воздуха и конвективно-динамическое перемешивание способствуют дальнейшему охлаждению водной массы озера. Температуры наибольшей плотности вода достигает в середине первой декады ноября. Вплоть до установления ледостава (в 2016 г. - это 2 декабря) вода постепенно охлаждается до температуры 0.2-0.3°С. Обратная температурная стратификация формируется спустя несколько дней после покрытия льдом озера и сохраняется практически до конца ледостава. Температура нижних слоев озера (18-24 м) за счет теплоотдачи донных грунтов к середине марта прогревается до 2°С. С разрушением ледяного покрова в апреле годовой термический цикл озера повторяется.
Следует отметить, что из-за более холодных погодных условий в весенний период 2017 г. начало стратификации отодвинулось на третью декаду мая, т.е. с задержкой по сравнению с 2016 г. на две недели (рис. 2, 5).
Структура течений. Течения в оз. Пле-щеево в период открытой воды формируются в результате совместного действия ветра, плотностного расслоения водной толщи и рельефа дна. Вклад колебаний уровня и притока в водоем из-за крайне малых величин незначителен.
Рис. 10. Спектры температуры воды на отдельных горизонтах в оз. Плещеево в период стратификации 2016 г.: a - май-июнь, гор. 5 м; b - июнь-июль, гор. 7 м; c - июль-август, гор. 7 м; d - июль-август, гор. 12 м; e - высокочастотная часть спектра, июль-август, гор. 7 м; f - высокочастотная часть спектра, июль-август, гор. 12 м. Цифры на спектрах - периоды колебаний в час.
Fig. 10. Water temperature spectra at individual horizons in Lake Pleshcheevo during the period of stratification 2016: a - May-June, horizon 5 m; b - June-July, horizon 7 m; c - July-August, horizon 7 m; d - July-August, horizon 12 m; e - the high-frequency part of the spectrum, July-August, horizon 7 m; f - high-frequency part of the spectrum, July-August, horizon 12 m. The numbers on the spectra are the periods of oscillations per hour.
В баротропном случае (середина апреля - первая половина мая и октябрь-ноябрь) наблюдаются ветровые течения. В этом случае их скорость и направление на отдельных горизонтах, а также характер интегральной циркуляции водной массы достаточно репрезентативно рассчитываются с применением простой гидродинамической модели однородного водоема [Фельзенбаум, 1960 (Felsenbaum, 1960)]. Предыдущими расчетами была показана возможность формирования в озере двух-трех разнонаправленных циркуляционных образований, охватывающих всю толщу воды. В вертикальном плане течения представляли собой двухслойную структуру: верхний слой примерно до 1/3 глубины озера перемещался по ветру,
глубже наблюдалось компенсационное течение противоположного направления [Поддубный, Литвинов, 1983 (Poddubnyi, Litvinov, 1983)]. Аналогичные расчеты проводились и в период температурной стратификации. Причем, в одном из вариантов моделирования в качестве рельефа дна принималась верхняя граница термоклина из предположения, что ветровая циркуляция воды в большей степени проявляется в верхнем однородном слое. Косвенным подтверждением правомерности указанного подхода служило достаточно хорошее соответствие распределения скоплений фитопланктона с элементами горизонтальной циркуляции вод в эпилимнионе [Поддубный и др., 1987 (Poddub-nyi et а1., 1987)]. Такое же допущение принима-
лось рядом авторов при моделировании распределения фито- и зоопланктона в эпилимнионе небольших стратифицированных водоемов в Канаде и Великобритании [Blukacz et al., 2009; Verhagen, 1994; Webster, 1990].
В период стратификации определенный вклад в формирование структуры течений вносит поле плотности воды. Из-за небольших размеров озера горизонтальные градиенты плотности невелики и могут оказывать наибольшее влияние на скорости и направления течения при перекосе термоклина в результате ветрового нагона, внутренних сейш и внутренних волн. Так, инструментальными исследованиями в 2014 г. было выявлено течение, вызванное низшей модой сейши с вертикальной длиной равной удвоенной средней глубине озера в его пелагиали (23 м). Эта составляющая во время измерений на разрезе, которое составляло четверть ее периода, изменялась по модулю с высотой над уровнем дна до 2 см/с у поверхности воды [Самолюбов и др., 2015 (Samolyubov et al., 2015)].
В настоящее время существует ряд сложных трехмерных математических моделей для изучения динамики вод в разнотипных стратифицированных озерах [Филатов, 1991 (Filatov, 1991); Якубайлик, Компаниец, 2015 (Yakubaylik, Kompaniyets, 2015)]. Применительно к оз. Плещеево такие модели не использовались. Вместе с тем, при изучении особенностей структуры течений в данном озере и механизмов их обуславливающих, необходимо оценить вклад плотностных различий водной массы в формирование горизонтальной циркуляции воды. В первом приближении наиболее простым методом расчета плотностных течений в водоеме является динамический метод [(Зубов, Мамаев, 1956 (Zubov, Mamayev, 1956)]. Схема расчета включает выбор основной станции с глубиной, равной средней для всех глубин остальных станций, расчет плотности по уравнению состояния пресной воды с учетом ее температуры и электропроводности, вычисление динамических высот основной станции, расчет динамических высот остальных станций и приведение их к основной станции, построение динамических карт для отдельных горизонтов, вычисление скорости течения по разности динамических высот между станциями. Для расчета динамических высот в оз. Плещеево использовались данные измерений гидрофизических параметров на станциях, совмещенных с регистрацией течений профилографом (рис. 1).
Дальнейшее выявление особенностей структуры течений в озере целесообразно про-
вести на основе сравнения разных методов оценки параметров циркуляции вод. В нашем случае - это модельные расчеты ветровых течений по модели однородного водоема, расчет плотностных течений динамическим методом и непосредственная регистрация течений про-филографом 23-24 августа 2014 г.
Ветровые условия перед съемкой и в период ее проведения отличались неустойчивостью. Так, 21 и 22 августа преобладал южный ветер со среднесуточной скоростью 1.4 м/с. Средняя максимальная скорость ветра составила 4.9 м/с. К 23 ч 22 августа ветер усилился до 10-12 м/с и постепенно стал менять направление на западное. 23 августа сохранялся западный-северо-западный ветер со средней максимальной скоростью 4.5 м/с. На следующий день ветер стал стихать, а направление вернулось к юго-западному. Ранее было показано, что при скорости ветра ~4 м/с время установления течений может составлять ~15 ч [Поддубный, Литвинов, 1983 (Poddubnyi, Lit-vinov, 1983)]. Следовательно, к середине дня 23 августа в озере могла установиться циркуляция воды, соответствующая воздействию ветра северо-западных румбов. Проведенные расчеты течений по модели однородного водоема для двух направлений ветра (180° и 287°) скоростью 4.5 м/с показали формирование в водоеме двух круговоротов воды: циклонического - справа и антициклонического - слева от действия ветра (рис. 11а, Ь). Сильный ветер северо-западных румбов вызвал нагон воды у южного берега озера и заглубление максимального градиента температуры на 3 м. Вместе с тем, на продольном разрезе в центральной части водоема был зафиксирован купол температуры с перепадом глубины залегания верхней границы термоклина в 2 м. Течения, вызванные неоднородностями поля плотности, в слое от поверхности до дна представляли собой один циклонический круговорот (рис. 11с, d). Скорости переноса воды составляли от 0 до 16 см/с и были сравнимы по величине с измеренными профилографом (табл. 6). Поскольку наилучшее совпадение скоростей течения наблюдается в слое термоклина (8-12 м), следует предположить, что здесь преобладающий вклад в формирование структуры течений вносит поле плотности воды. На основе данных измерения параметров течений были построены схемы интегральной циркуляции воды в слое от поверхности до дна, а также отдельно в эпи-, мета- и гиполимнионе (соответственно слои 0-8, 8-12 и >12 м). Показано, что интегральный горизонтальный перенос воды в озере по данным непосредственных измерений с большой веро-
ятностью может представлять собой два круговорота воды: антициклонический в восточной половине озера и меньший по размерам циклонический вихрь - в западной части водоема. Выделенные циркуляционные образования в целом соответствуют круговоротам воды, рассчитанным по модели при ветре северозападных румбов. Такие же круговороты отмечаются и в эпилимнионе (рис. 11а, 12а, Ь).
В металимнионе вероятно образование также двух круговоротов, но обратной по сравнению с вихрями эпилимниона направленности. Причем, циклонический круговорот в восточной части озера частично соответствует аналогичной циркуляции, рассчитанной динамическим методом (рис. 1Ы, 12с). В гиполимнионе согласно данным измерения течений формируется один антициклонический круговорот (рис. 12d).
Таблица 6. Скорости рассчитанных плотностных течений (Уп) и измеренных профилографом (Уи) 23-24 августа 2014 г. в оз. Плещеево (см/с)
Table 6. The velocities of the calculated density flows (Уп) and measured by the porfilier (Уи) on August 23-24, 2014 in Lake Pleshcheyevo (cm/s)_
Разрезы между станциями
Горизонты, м Horizons, m
Transects between stations 2 4 6 8 9 10 11 12 14 16 18
2-3: Vn 0.4 0.7 1.8 2.9 3.4 2.5 0.4 0.7 - - -
Уи 4.8 4.1 2.9 4.3 3.5 3.6 6.9 - - -
3-4: Уп 11.0 11.3 11.5 11.6 8.4 4.6 3.5 2.5 0.7 0.0 0.0
Уи 6.3 2.4 4.0 2.5 5.1 4.3 3.5 4.3 3.5 3.5 6.6
4-5: Уп 9.5 9.7 10.1 10.4 8.0 4.1 2.5 2.2 - - -
Уи 2.2 5.9 4.7 3.5 4.3 4.1 4.9 2.2 - - -
7-8: Уп 0.4 0.3 0.6 1.1 1.9 2.3 2.4 2.1 0.6 0.5 -
Уи 7.5 7.0 1.4 7.0 9.1 4.2 3.5 2.0 2.7 2.1 -
8-9: Уп 4.9 5.1 2.1 0.1 0.9 0.5 0.7 1.1 0.4 0.3 -
Уи 7.8 6.3 5.0 7.6 4.2 7.0 1.3 1.1 0.7 2.0 -
12-3: Уп 1.4 1.5 1.5 1.4 0.5 3.4 4.9 4.6 1.5 - -
Уи 7.0 3.5 2.5 1.2 2.9 3.7 0.8 4.8 3.3 - -
3-14:V: 5.8 6.4 6.8 7.1 4.3 0.7 0.2 0.4 0.4 0.7 0.3
Уи 4.1 2.5 2.7 2.1 3.5 4.7 4.4 2.5 4.5 2.1 4.0
14-15: Уп 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.8 2.5 1.9 1.1 0.4 0.2
Уи 9.6 1.6 2.0 1.8 3.5 4.9 5.0 3.6 1.5 1.1 0.2
15-16: Уп 3.7 3.9 3.7 2.7 1.5 0.7 0.1 0.2 0.8 1.1 0.7
Уи 6.6 2.5 0.8 2.6 4.0 4.4 4.2 1.9 4.2 0.6 2.3
16-7: Уп 4.9 5.5 5.9 4.3 1.1 0.7 1.6 2.5 2.5 1.6 0.3
Уи 5.3 5.3 2.5 3.9 7.3 4.7 4.8 1.6 0.8 3.0 4.0
7-18: Уп 15.5 15.3 15.7 14.0 9.3 5.5 3.5 1.6 0.1 0.1 0.4
Уи 7.1 5.3 1.7 7.2 7.8 6.0 6.3 3.6 1.1 5.0 4.3
18-9: Уп 9.9 9.8 8.8 7.2 5.8 3.9 2.4 1.2 0.1 0.0 -
Уи 7.2 4.1 4.9 7.3 1.1 4.3 4.2 4.4 4.3 3.5 -
Примечание. Жирным шрифтом выделены значения, имеющие одинаковые или близкие величины, прочерк -отсутствие данных.
Note. Bold text indicates values that have the same or similar values, a dash indicates lack of data.
В вертикальном плане на продольном разрезе озера течения на каждой станции пред-
ставляют собой сложную картину реверсивного переноса воды. На мелководных участках преобладает ветровое течение в результате воздействия западного-северо-западного ветра. В верхнем 2-х м слое эпилимниона течение в основном ветровое южного направления. На горизонтах от 2 до 4-х м прослеживается
компенсационное течение северного направления, что соответствует действию предшествующего съемке ветра южных румбов. В средней части эпилимниона и в термоклине перенос воды в целом южного направления. Гиполимнион в северной части озера охвачен южным переносом воды, тогда как в южной половине озера прослеживается компенсационное течение северного направления. Кроме то-
го, структура течений осложняется наличием зон конвергенций и дивергенций течений, которые образуются в результате формирования внутренних сейш и внутренних волн (рис. 13).
Таким образом, проанализировав в сравнении рассмотренные выше схемы циркуляции воды, попытаемся сформулировать возможный алгоритм формирования течений в оз. Пле-щеево в период с 23 по 24 августа 2014 г. Воздействие преобладающего южного и юго-западного ветра на протяжении 10 дней перед съемкой течений привело к установлению в озере горизонтальной циркуляции воды, состоящей из двух разнонаправленных круговоротов (рис. 11Ь). В вертикальном плане сформировался двухслойный перенос воды: в верхних слоях эпилимниона - в северном направлении, в средних и придонных слоях -в южном направлении.
Воздействие сильного ветра северозападных румбов накануне съемки привело
(а)
к перестройке течений в верхнем слое эпилим-ниона. Однако глубже в пределах большей части водоема еще сохранялась структура течений, сформированная ветром южных румбов. В результате нагона воды у южного берега озера и заглубления термоклина в гиполим-нионе стало формироваться компенсационное течение северного направления. В результате перекоса термоклина и возникновения горизонтальных градиентов плотности воды в ме-талимнионе, образуется плотностное течение, отчасти зафиксированное профилографом. Интегральная циркуляция воды, рассчитанная по модели однородного водоема при ветре 287°, до конца не устанавливается, но частично соответствует переносу воды, полученному в результате измерений. Ослабление ветра на второй день съемки приводит к возникновению в озере внутренних сейш и внутренних волн, усложняющих вертикальную структуру течений.
(Ь)
1 _ ■■ _— 2Я1 --.■ ,
Г
О 1 км
/
N
(с)
(d)
3 км
Рис. 11. Интегральная циркуляция воды при ветре 287° (a) и 195° (b) скоростью 4.5 м/с, положение максимального градиента температуры воды (c) и динамическая топография поверхности (мм) оз. Плещеево.
Fig. 11. Integral water circulation with winds of 287° (a) and 195°(b) at a speed of 4.5 m/s, the position of the maximum water temperature gradient (c) and the dynamic surface topography (mm) of Lake Pleshcheyevo.
(а) (Ь)
0 3 им
Рис. 12. Схемы полей течений, измеренных в оз. Плещеево 23-24 августа 2014 г.: a - осредненные по всей толще воды, b - в эпилимнионе (слой 0-8 м), c - в металимнионе (слой 8-12 м), d - в гиполимнионе (слой >12 м). Прямые стрелки - векторы переноса воды, прерывистые линии - наиболее вероятная циркуляция воды в каждом слое.
Fig. 12. Schemes of the current fields measured in Lake Pleshcheyevo in August 23-24, 2014: a - averaged over the entire water column, b - in the epilimnion (layer 0-8 m), c- in the metalimnion (layer 8-12 m), d - in the hypolimnion (layer >12 m) The straight arrows are the water transfer vectors, the dashed lines are the most probable water circulation in each layer.
(a) (b)
Рис. 13. Составляющие вектора скорости течения на продольный разрез оз. Плещеево (а) и осредненные по слоям (эпи-, мета- и гиполимнион) векторы переноса воды (б) по измерениям 23-24 августа 2014 г. 1 - границы металимниона, 2 - возможный профиль внутренней волны, пунктирные стрелки - возможные вертикальные движения воды.
Fig. 13. The components of the vector of the current velocity to the longitudinal section of the Lake Pleshcheyevo (a) and averaged over the layers (epi-, meta-, and hypolimnion) water transfer vectors (б) as measured on August 23-24, 2014. 1 - boundaries of the metalimnion, 2 - possible profile of the internal wave, dashed arrows - possible vertical movements water.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Результаты исследований показывают, что годовой термический цикл оз. Плещеево характерен для небольших достаточно глубоких естественных водоемов умеренных широт. Климатические особенности конкретного года могут приводить к смещению сроков наступления основных периодов и отдельных фаз годового термического цикла. Горизонтальная и вертикальная структура поля температуры воды, а также процессы, обуславливающие ее пространственно-временную изменчивость во многом сходны с таковыми в крупных глубоких озерах.
Преобладающие динамические процессы в озере - ветровое волнение и ветровые течения. Плотность воды оказывает локальное влияние на формирование поля течений и проявляется в большей степени в пределах термоклина. Важную роль в динамике водной толщи озера играют внутренние сейши и широкий спектр внутренних волн.
На данный момент остаются не выясненными следующие вопросы.
1. Не известна амплитуда колебаний границ термоклина у наветренного берега при сильном ветровом воздействии, причинами которых могут быть нагон воды и, соответственно, заглубление термоклина, а также сейшевые колебания поверхности раздела плотностей воды в случае прекращения ветрового воздействия.
2. Отсутствие длительных рядов наблюдений за структурой течений при различных ме-
теорологических условиях не позволяют однозначно определить установление и затухание той или иной циркуляции воды, формирующейся при длительном ветровом воздействии одного направления. Приведенные результаты исследований показали лишь сложную структуру течений в горизонтальном и вертикальном плане в случае быстро меняющегося по направлению ветра.
3. Не выяснена возможность формирования в эпилимнионе продольной циркуляции воды, образующейся в результате наклона термоклина - "гипотеза конвейерной ленты" (conveyor belt hypothesis) [Blukacz et al., 2009; Verhagen, 1994; Webster, 1990]. Такая циркуляция воды является основным механизмом переноса фито- и зоопланктона в верхнем однородном слое вдоль продольной оси озера.
4. Не выяснена возможность существования в озере внутренних волн Кельвина, распространяющихся вдоль контура берега и вызывающих колебание границ термоклина.
5. До конца не выяснена роль гидродинамических факторов в вертикальном и горизонтальном распределении отдельных видов гидробионтов.
Для получения ответа на поставленные вопросы необходимы стационарные наблюдения на водоеме с установкой ряда АБС, а также использование современной аппаратуры для мобильной регистрации параметров течений в пределах акватории озера.
БЛАГОДАРНОСТИ
Авторы выражают благодарность научному сотруднику лаборатории гидрологии и гидрохимии ИБВВ РАН А.В. Законновой за помощь в подготовке первичных материалов.
Работа выполнена в рамках государственного задания № АААА-А18-118012690104-3 и № ААААА18-118012690106-7 при финансовой поддержке Национального парка "Плещеево озеро" (тема НИР "Комплексное исследование экосистемы оз. Плещеево").
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ Бикбулатов Э.С., Бикбулатова Е.М., Литвинов А.С., Поддубный С.А. Гидрология и гидрохимия озера Неро.
Рыбинск: Изд-во ОАО "Рыбинский Дом печати", 2003. 192 с. Боуден К. Физическая океанография прибрежных вод: Пер. с англ. М.: Мир, 1988. 324 с.
Бояринов П.М., Петров М.П. Процессы формирования термического режима глубоких пресноводных водоемов. Л.: Наука, 1991. 176 с.
Булыгина О.Н., Разуваев В.Н., Александрова Т.М. Описание массива данных суточной температуры воздуха и количества осадкой на метеорологических станциях России и бывшего СССР (TTTR). Свидетельство о государственной регистрации базы данных № 2014620942 / ВНИИГМИ-МЦД. Обнинск, 2019. URL: Й1р://те1ео.шМаЫ162-1етрега1игергеарйайоп#описание-массива-даннь1х (дата обращения: 17.10.2019). Зубов Н.Н., Мамаев О.И. Динамический метод вычисления элементов морских течений. Л.: Гидрометеорологическое издательство, 1956. 116 с. Коршунова Н.Н., Швець Н.В. Изменение норм основных климатических параметров на территории России за последние десятилетия. Труды ВНИИГМИ-МЦД, выпуск 178, 2014. URL: http://meteo.ru/publications/126-trudy-vniigmi/trudy-vniigmi-mtsd-vypusk-178-2014-g/526-izmenenie-norm-osnovnykh-klimaticheskikh-parametrov-na-territorii-rossii-za-poslednie-desyatiletiya (дата обращения: 17.10.2019).
Лобанов В.А., Тощакова Г.Г. Особенности и причины современных климатических изменений в России. Географический вестник. 2016. № 3 (38). С. 79-87.
Малин М.И., Борисенко Э.С., Герасимов Ю.В., Цветков А.И. Проблема придонной гипоксии озера Плещеево и вертикальное распределение ряпушки в этот период "Особо охраняемые природные территории: состояние, проблемы и перспективы развития: Всерос. научно-практич. конфер. (с международным участием) 2326 сентября 2018 г.". Ярославль: Филигрань, 2018. С. 124-128.
Нестеров Е.С. Североатлантическое колебание: атмосфера и океан. М.: Триада, лтд, 2013. 144 с.
Поддубный С.А., Балонов И.М., Краснопер Е.В. О влиянии горизонтальной циркуляции вод на распределение фитопланктона в оз. Плещеево. Водные ресурсы. 1987. № 2. С. 119-123.
Поддубный С.А. Особенности термической стратификации и вертикального перемешивания в озере Плещеево. Труды Всероссийской научной конференции, посвященной 300-летнему юбилею Отечественного флота. Переславль-Залесский 30 июня-2 июля 1992 г. Вып. 3. Переславль-Залесский, 1992. С. 20-27.
Поддубный С.А., Базаров М.И., Фурса Н.Н. Роль течений в распределении пелагических рыб в озере Плещеево. Функционирование озерных экосистем. Рыбинск, 1983. с. 159-164.
Поддубный С.А., Литвинов А.С. О горизонтальной циркуляции вод в оз. Плещеево. Функционирование озерных экосистем. Рыбинск, 1983. С. 13-18.
Поддубный С.А., Сухова Э.В. Моделирование влияния гидродинамических и антропогенных факторов на распределение гидробионтов в водохранилищах (руководство для пользователей). Рыбинск: Изд-во ОАО "Рыбинский дом печати", 2002. 120 с.
Рыбак Е.А., Рыбак О.О. О спектральной структуре североатлантического колебания. Метеорология и гидрология. 2005. № 3. С. 69-77.
Самолюбов Б.И., Иванова И.Н., Будников А.А., Цветков А.И. Циркуляция, внутренняя волна, интрузия и перенос примесей в озере. ВМУ. Серия 3. Физика. Астрономия. 2015. № 6. С. 107-111.
Столбунова В.Н. Зоопланктон озера Плещеево. М: Наука, 2006. 152 с.
Фельзенбаум А.И. Теоретические основы и методы расчета установившихся морских течений. М.: Наука, 1960. 127 с.
Эдельштейн К.К. Гидрология озер и водохранилищ. М.: Издательство "Перо". 2014. 399 с.
Экосистема озера Плещеево. Л.: Наука, 1989. 264 с.
Якубайлик Т.В., Компаниец Л.А. Моделирование ветровой циркуляции и температурной стратификации в озере Шира в летний период. Труды Международной конференции "Актуальные проблемы вычислительной и прикладной математики - 2015". Новосибирск. 19-23 октября 2015 г. [Электрон. ресурс] http://conf.nsc.ru/amca15. Новосибирск: Абвей, 2015. С. 879-887.
Blukacz E.A., Shuter B.J., Sprulesc W.G. Towards understanding the relationship between wind conditions andplankton patchiness. Limnol. Oceanogr. 2009. Vol. 54. № 5. P. 1530-1540.
Cossu R., Ridgway M.S., Li J.Z., Chowdhury M.R., Wells M.G. Wash-zone dynamics of the thermocline in Lake Sim-coe, Ontario. Journal of Great Lakes Research. 2017. Vol. 43. P. 689-699.
National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) Center for Weather and Climate Prediction [электронный ресурс, последнее посещение 23.10.2020]
Spigel R.H., Imberger J. The classification of mixed-layer dynamic in lake of small to medium size. J. Phys. J. Oceanogr. 1980. Vol. 10. № 7. P. 1104-1121.
Verhagen Jan H.G. Modeling phytoplankton patchiness under the influence of wind-driven currents in lakes. Limnol. Oceanogr. 1994. Vol. 39. № 7. P. 1551-1565.
Webster I.T. Effect of wind on the distribution of phytoplankton cells in lakes. Limnology and Oceanography. 1990, Vol. 35, № 5. P. 989-1001.
REFERENCES
Bikbulatov E.S., Bikbulatova Ye.M., Litvinov A.S., Poddubnyy S.A. Gidrologiya i gidrokhimiya ozera Nero [Hydrology and hydrochemistry of Lake Nero]. Rybinsk: Izd-vo OAO "Rybinskiy Dom pechati", 2003, 192 p. [In Russian].
Bowden K.F. Physical oceanography of coastal waters. New York, 1988, 324 p.
Boyarinov P.M., Petrov M.P. Protsessy formirovaniya termicheskogo rezhima glubokikh presnovodnykh vodoyemov [The processes of formation of the thermal regime of deep freshwater reservoirs]. L.: Nauka, 1991, 176 p. (In Russian).
Bulygina O.N., Razuvayev V.N., Aleksandrova T.M. Opisaniye massiva dannykh sutochnoy temperatury vozdukha i kolichestva osadkoy na meteorologicheskikh stantsiyakh Rossii i byvshego SSSR (TTTR). Svidetel'stvo o gosu-darstvennoy registratsii bazy dannykh № 2014620942 / VNI-IGMI-MTSD [Description of the data array of daily air temperature and precipitation at meteorological stations in Russia and the former USSR (TTTR). Certificate of state registration of the database No. 2014620942 / VNI-IGMI-WDC]. Obninsk, 2019. URL: http://meteo.ru/data/162-temperatureprecipitation#opisaniye-massiva-dannykh (data obrashcheniya: 17.10.2019). (In Russian).
Edel'shteyn K.K. Gidrologiya ozer i vodokhranilishch [Hydrology of lakes and reservoirs]. M.: Izdatel'stvo "Pero". 2014, 399 p. (In Russian).
Ekosistema ozera Pleshcheyevo [The ecosystem of Lake Pleshcheyevo]. L.: Nauka, 1989, 264 p. (In Russian).
Fel'zenbaum A.I. Teoreticheskiye osnovy i metody rascheta ustanovivshikhsya morskikh techeniy [Theoretical foundations and methods for calculating steady sea currents]. M.: Nauka, 1960, 127 p. (In Russian).
Korshunova N.N., Shvets' N.V. Izmeneniye norm osnovnykh klimaticheskikh parametrov na territorii Rossii za posled-niye desyatiletiya [Changes in the norms of the basic climatic parameters in Russia over the past decades]. Trudy VNIIGMI-MTSD, 2014, vol. 178. (In Russian). Lobanov V.A., Toshchakova G.G. Osobennosti i prichiny sovremennykh klimaticheskikh izmene-niy v Rossii [Features
and causes of modern climatic changes in Russia]. Geograficheskiy vestnik, 2016, no. 3(38), pp. 79-87. (In Russian). Malin M.I., Borisenko E.S., Gerasimov YU.V., Tsvetkov A.I. Problema pridonnoy gipoksii ozera Pleshcheyevo i ver-tikal'noye raspredeleniye ryapushki v etot period. Osobo okhranyayemyye prirodnyye territorii: sostoyaniye, prob-lemy i perspektivy razvitiya: Vseros. nauchno-praktich. konfer. (s mezhdunarodnym uchastiyem) 23-26 sentyabrya [The problem of bottom hypoxia of Lake Pleshcheyevo and the vertical distribution of vendace in this period]. Yaroslavl': Filigran', 2018, pp. 124-128. (In Russian). Nesterov Ye.S. Severoatlanticheskoye kolebaniye: atmosfera i okean [North Atlantic Oscillation: atmosphere and
ocean]. M.: Triada, ltd, 2013, 144 p. (In Russian). Poddubnyi S.A. Osobennosti termicheskoy stratifikatsii i vertikal'nogo peremeshivaniya v ozers Pleshcheyevo [Features of thermal stratification and vertical mixing in the lake Plescheyevo]. Trudy Vserossiyskoy nauchnoy knferentsii, posvyashchennoy 300-letnemuyubileyu Otechestvennogo flota Pereslavl-Zalessky June 30-July 2, 1992, vol. 3, pp. 20-27. (In Russian). Poddubnyi S.A., Balonov I.M., Krasnoper Ye.V. O vliyanii gorizontal'noy tsirkulyatsii vod na raspredeleniye fitoplank-tona v oz. Pleshcheyevo [On the effect of horizontal water circulation on the distribution of phytoplankton in Lake Pleshcheyevo]. Vodnyye resursy, 1987, no. 2, pp. 119-123. (In Russian). Poddubnyi S.A., Bazarov M.I., Fursa N.N. Rol' techeniy v raspredelenii pelagicheskikh ryb v ozere Pleshcheyevo [The role of currents in the distribution of pelagic fish in Lake Pleshcheyevo]. Funktsionirovaniye ozernykh ekosistem. Rybinsk, 1983, pp. 159-164. (In Russian). Poddubnyi S.A., Litvinov A.S. O gorizontal'noy tsirkulyatsii vod v oz. Pleshcheyevo [On the horizontal circulation of
water in the lake Pleshcheyevo]. Funktsionirovaniye ozernykh ekosistem. Rybinsk, 1983, pp. 13-18. (In Russian). Poddubnyi S.A., Sukhova E.V. Modelirovaniye vliyaniya gidrodinamicheskikh i antropogennykh faktorov na raspredeleniye gidrobiontov v vodokhranilishchakh (rukovodstvo dlya pol'zovateley) [Modeling the influence of hydrody-namic and anthropogenic factors on the distribution of hydrobionts in reservoirs (user manual)]. Rybinsk: Izd-vo OAO "Rybinskiy dom pechati", 2002, 120 p. (In Russian). Rybak Ye.A., Rybak O.O. O spektral'noy strukture severoatlanticheskogo kolebaniya [On the spectral structure of the
North Atlantic Oscillation]. Meteorologiya i gidrologiya, 2005, no. 3, pp. 69-77. (In Russian). Samolyubov B.I., Ivanova I.N., Budnikov A.A., Tsvetkov A.I. Tsirkulyatsiya, vnutrennyaya volna, intruziya i perenos primesey v ozere [Circulation, internal wave, intrusion and transport of impurities in the lake]. VMU. Seriya 3. Fizi-ka. Astronomiya, 2015, no. 6, pp. 107-111. (In Russian). Stolbunova V.N. Zooplankton ozera Pleshcheyevo [Zooplankton Lake Pleshcheyevo]. M: Nauka, 2006, 152 p. (In Russian). Yakubaylik T.V., Kompaniyets L.A. Modelirovaniye vetrovoy tsirkulyatsii i temperaturnoy stratifikatsii v ozere shira v letniy period [Modeling of wind circulation and temperature stratification in the Shira lake in summer]. Trudy Mezhdu-narodnoy konferentsii "Aktual'nyye problemy vychislitel'noy i prikladnoy matematiki - 2015 ". Novosibirsk. 19-23 ok-tyabrya 2015 g. [Elektron. resurs] http://conf.nsc.ru/amca15. Novosibirsk: Abvey, 2015, pp. 879-887. (In Russian). Zubov N.N., Mamayev O.I. Dinamicheskiy metod vychisleniya elementov morskikh techeniy [A dynamic method for calculating elements of sea currents]. L.: Gidrometeorologicheskoye izdatel'stvo, 1956, 116 p. (In Russian).
THERMAL AND DYNAMIC PROCESSES IN LAKE PLESHCHEVO
S. A. Poddubny1, A. I. Tsvetkov1, I. N. Ivanova2, A. A. Budnikov2, M. V. Tsvetkova1
1 Papanin Institute for Biology of Inland Waters Russian Academy of Sciences, Borok, Nekouzski raion, Yaroslavl oblast, 152742, Russia, e-mail: spod@ibiw.ru 2Department of Marine and Inland Water Physics, Faculty of Physics, Lomonosov Moscow State University, Moscow 119991, Russia, e-mail: aa.budnikov@physics.msu.ru
The features of the formation of thermal stratification and dynamic processes in the Lake Pleshcheyevo during the growing season are considered. The analysis of long-term changes in the climatic characteristics of the lake basin is carried out. The features of atmospheric circulation were studied using long-term daily values of the North Atlantic Oscillation Index. Based on long-term data from temperature recorders located in the water column, the phases of the annual thermal cycle of the lake are described in detail. The periods of formation and destruction of temperature stratification are determined, and the features of the thermocline dynamics under various wind effects are revealed. The mixing mechanisms of individual layers of the lake are characterized. The results of calculations of the distribution over the water area of elements of wind waves are presented. Using spectral analysis of water temperature series, the possibility of the existence of internal waves of various nature in the lake is shown. The contribution of wind and internal waves to the mixing of the water column is estimated. Wind currents are calculated on the basis of a stationary model of a homogeneous reservoir, taking into account the bottom topography and wind exposure. The possibility of forming density currents calculated by the dynamic method in the lake is estimated. The results of measuring currents at individual horizons with an RCM 9 LW profilier (Aanderaa Instruments) are presented. The circulating nature of the movement of water in the lake is revealed, complicated by the action of long-period internal waves.
Keywords: thermal stratification, wind waves, wind currents, density flows, internal waves
