Межгодовая изменчивость средних типовых термохалинных условий и течений в северной части Охотского моря весной (апрель–июнь)

Океанология

Вестник ДВО РАН. 2010. № 6

УДК 551.46.062(265.53) В.А.ЛУЧИН, И.А.ЖИГАЛОВ

Межгодовая изменчивость средних типовых термохалинных условий и течений в северной части Охотского моря весной

Рассмотрены океанологические условия северной части Охотского моря весной (апрель-июнь). Океанологические наблюдения выполнены в экспедициях ТИНРО-Центра в 1996-2009 гг. На основе обобщенных данных для типовых ситуаций анализируются пространственные изменения параметров в деятельном слое вод. Показано, что формирование термохалинной структуры вод на шельфе в послеледовый период может происходить по двум сценариям. В случае холодных зим весной наблюдается существенное повышение солености и плотности холодного подповерхностного слоя в прибрежных районах североохотского шельфа (восточный тип структуры вод), образуется Восточное Северо-Охотское течение. Когда соленость уменьшается по направлению к берегам, формируется течение западного направления (западный тип структуры вод).

Ключевые слова: океанологические наблюдения, температура, соленость, плотность, геострофические течения, межгодовая изменчивость.

Interannual variability of average typical thermohaline conditions and sea currents of the northern part of

the Sea of Okhotsk in spring (April-June). V.A.LUCHIN (V.I.Il'ichev Pacific Oceanological Institute, FEB RAS, Vladivostok), I.A.ZHIGALOV (Pacific Research Fisheries Centre (TINRO-Centre), Vladivostok).

This study is devoted to oceanological conditions of the northern part of the Sea of Okhotsk in spring (April-June) and is based on TINRO-Center oceanological data that were collected in 1996-2009. Based on generalized data for typical situations, spatial distributions of seawater characteristics within the active water layer are analyzed. It is shown that the formation of thermohaline structure of the shelf waters after the ice seasons may develop under two scenarios. In case of cold winter seasons, cold sub-surface waters are getting significantly saline and dense (eastern type of waters structure), there will be an eastward current at the northern shore of the sea in spring (Eest North-Okhotsk current). When the water salinity is reducing towards the shores, a westward near-shore current will generate (western type of waters structure).

Key words: oceanological observations, temperature, salinity, density, geostrophic currents, interannual variability

Формирование и изменение структуры вод в северной части Охотского моря в основном зависят от двух факторов: метеорологических, приводящих к прогреву или охлаждению толщи вод, образованию или разрушению ледяного покрова, и динамических -системы течений, подверженной сезонным и межгодовым колебаниям интенсивности и расположения отдельных ее ветвей.

Вертикальная трансформация толщи вод на шельфе моря происходит в течение всего года под воздействием сезонных изменений притока тепла, распреснения вод при таянии льда и их осолонения при льдообразовании. Значительное внимание исследователей в последнее время уделяется продукции морского льда и высокоплотных шельфовых вод в северной части Охотского моря, параметры которых существенно варьируют от года к

*ЛУЧИН Владимир Александрович - доктор географических наук, ведущий научный сотрудник (Тихоокеанский океанологический институт им. В.И.Ильичева ДВО РАН, Владивосток), ЖИГАЛОВ Игорь Анатольевич -кандидат географических наук, ведущий научный сотрудник (ТИНРО-Центр, Владивосток). *Е-шай: у1исЫп@ poi.dvo.ru

году [1, 6, 7, 12, 13]. На северо-западном шельфе моря продуцируется наибольшее количества льда и, соответственно, вод повышенной плотности [1, 11-14].

Межгодовая изменчивость системы течений северной части моря в весенний период зависит от сформированных зимой термохалинных полей и ледовитости моря [3, 6-9]. Следует отметить, что в указанных работах представлены только результаты расчетов пространственного распределения толщины слоя холодных придонных вод и аномалий температуры придонных вод [7], распространения ядра холодного промежуточного слоя, карты различий температуры и солености у дна между 1997 и 2000 гг. [9], осредненные по большим районам значения температуры и солености на шельфе [6], среднее многолетнее пространственное распределение температуры и солености для различных по ледовитос-ти лет, а также разность солености придонных шельфовых вод весной и осенью [8]. Однако все эти параметры не отражают в полной мере межгодовых изменений схемы течений в северной части Охотского моря, нет свидетельств связных закономерностей межгодовых изменений термохалинных полей и схем течений.

В настоящее время необходимо определить индикаторы изменения в термохалинной структуре вод шельфа зимой и в системе циркуляции вод весной. Как показано в работах [3, 7], связь между наиболее вероятным предиктором (ледовитость моря в предшествующий зимний период) и весенней системой течений оказалась не столь очевидной. Циркуляция вод в весенний период (апрель-май 1996-2009 гг.) имела существенные межгодовые различия, а соответствие между межгодовыми колебаниями ледовитости моря и динамикой вод отмечалось лишь в отдельные годы [3]. В данной статье мы сгруппировали годы в зависимости от особенностей горизонтальных течений: в первую группу отнесены годы, когда Западно-Камчатское течение в районе впадины ТИНРО отклонялось в западном направлении, отличительная особенность второй группы - течения восточного направления у северных берегов моря [3].

Цель настоящей работы - сравнительный анализ средних пространственных распределений температуры, солености и плотности, а также их вклад в формирование различий в схемах течений на североохотском шельфе весной (апрель-июнь) для двух типов режима вод.

Материалы и методы

Данные океанологических наблюдений получены в экспедициях ТИНРО-Цент-ра в северной части Охотского моря с апреля по июнь (см. таблицу). Наблюдения температуры и солености выполнялись зондами MARK-III, SBE-25 и SBE-19. Результаты измерений представлены с дискретностью 1 м от поверхности моря до дна (в глубоководной котловине - до горизонта 1000 м).

Экспедиции, данные которых использованы в работе

НИС Период | Количество станций

«Лесозаводск» 04.04-11.05.1996 г. 160

«ТИНРО» 27.04-21.06.1996 г. 311

15.04-08.06.1997 г. 236

12.04-11.06.1998 г. 251

01.04-10.06.1999 г. 275

«Профессор Кагановский» 10.04-07.06.2005 г. 348

07.04-23.05.2009 г. 332

Исследование межгодовой изменчивости температуры, солености и плотности морской воды, а также течений в северной части Охотского моря выполнены по двум массивам океанологических данных: за 1996, 1997 и 2009 гг., когда наблюдались понижения

отрицательных температур воздуха и турбулентного (контактного) теплообмена поверхности моря (1039 станций), и за 1998, 1999 и 2005 гг. с высокими значениями указанных параметров (914 станций). При их подготовке учитывались особенности весеннего развития горизонтальных течений на шельфе северной части Охотского моря, а также расчетные данные о межгодовых колебаниях накопленных сумм отрицательных температур воздуха и турбулентного (контактного) теплообмена поверхности моря на ГМС Магадан, которые более четко, чем ледовитость моря, согласуются с межгодовой изменчивостью системы течений [3]. Пространственное распределение данных представлено на рис. 1. На каждом горизонте вычислялись средние значения температуры, солености и плотности с дискретностью 0,5° по широте и долготе. В дальнейшем результаты осреднения по данным первого массива будут называться западным типом структуры вод, второго - восточным.

Расчет геострофических течений по осредненным данным выполнен динамическим методом Н.Н.Зубова [4] относительно 500 дб. Корректировка динамических высот в узлах сетки с глубинами менее 500 м проведена методом М.М.Сомова [5].

Средние взвешенные значения температуры, солености и плотности в заданном слое рассчитывались по формуле:

Рис. 1. Пространственное распределение данных: а - при западном, б - при восточном типах структуры вод

где в - средние взвешенные значения параметра, I . - среднее значение параметра г-го слоя, АН. - толщина г-го слоя (к ,кн - верхняя и нижняя границы слоя, в котором определялись средние взвешенные значения параметра). Если глубина в точке наблюдений была меньше нижней границы слоя, то расчет производился от верхней границы слоя до дна.

Результаты и обсуждение

К настоящему времени на северном шельфе Охотского моря из-за льда и суровых метеорологических условий, препятствующих проведению океанологических работ, зимние наблюдения не проводились. Как известно, весеннее распределение температуры, солености и плотности на подповерхностных горизонтах (в слое остаточных зимних вод) хорошо отражает зимнее состояние вод шельфа. Ранее установлено, что холодный подповерхностный слой отличается значительной консервативностью и слабой изменчивостью термохалинных параметров [10].

Главная особенность распределения температуры воды на подповерхностных горизонтах - это существенно меньшее пространственное распространение переохлажденных вод в северной части моря при западном типе структуры вод (рис. 2а, в), чем при восточном (рис. 2б, г). Это хорошо видно по положению выделенных изотерм -1°С на горизонтах 50 и 100 м. В зал. Шелихова постоянные повышенные значения температуры

Рис. 2. Распределение температуры воды на горизонтах 50 (а, б) и 100 м (в, г) при западном (а, в) и восточном (б, г) типах структуры вод в северной части Охотского моря. Здесь и на рис. 3: 1 - глубины меньше, чем на рассматриваемом горизонте

в глубоководном желобе (рис. 2) являются следствием адвекции теплых вод Западно-Камчатским течением. Напротив, на прибрежных мелководных участках залива, как было отмечено ранее, ежегодно формируются области с низкой температурой воды, вызванной интенсивной осенне-зимней конвекцией (за счет суровых метеорологических условий), проникающей до придонных горизонтов [7, 8].

При западном типе структуры вод в прибрежных районах северной и северо-западной частей шельфа Охотского моря на подповерхностных горизонтах соленость меньше, чем в мористых районах моря (рис. 3 а, в). При этом максимальные значения солености наблюдались в южной и восточной частях исследуемой акватории, где на структуру вод воздействуют трансформированные тихоокеанские воды. Нарушение распределения солености отмечалось лишь на придонных горизонтах севернее и северо-западнее Сахалинского залива из-за повышенного льдообразования в районе от Шантарских островов до Сахалинского залива. В районе Шантарских островов происходят интенсивные динамические процессы (приливные и непериодические течения, формирование разводий и торошение льда), что на фоне суровых метеорологических условий дополнительно увеличивает объем образующегося льда.

При восточном типе структуры вод зимой за счет более низкой температуры воздуха и высокой скорости ветра интенсивно выхолаживаются морские воды, образуется много льда, что приводит к росту солености на мелководных участках шельфа, так при льдообразовании выделяется соль. Район повышенной солености хорошо выделяется на прибрежных участках шельфа от Сахалинского залива и Шантарских островов на западе Охотского моря до Тауйской губы на востоке. При восточном типе структуры вод на мелководных участках рассматриваемой акватории соленость придонных вод более высокая, чем при западном (см. положение изолиний 33,2-33,4 на рис. 3б, г).

Отметим, что повышенные значения солености, существенно более низкая температура воды и различные пространственные размеры областей, занятых переохлажденными водами, не являются достаточным условием для перестройки системы течений на рассматриваемой акватории. Определяющими критериями могут быть только значения и знаки пространственных градиентов характеристик. Как следует из рис. 2, пространственные градиенты температуры, определенные по конфигурациям изолиний, могут способствовать формированию только антициклонической схемы движения вод в прибрежных районах северной части Охотского моря.

Пространственные градиенты солености, если следовать распределению изолиний на рис. 3, свидетельствуют о том, что в западной и северной частях шельфа для рассматриваемых типовых ситуаций выделяются различия не только в значениях солености, но и в знаках их пространственных градиентов. Распределение температуры и солености на

Рис. 3. Распределение солености воды на горизонтах 50 (а, б) и 100 м (в, г) при западном (а, в) и восточном (б, г) типах структуры вод в северной части Охотского моря

прибрежных акваториях в северной части моря (рис. 2, 3) позволяет предположить, что к западу от Тауйской губы в межгодовую изменчивость плотности воды доминирующий вклад вносит соленость. Следует отметить, что в этом районе наблюдаются незначительные межгодовые колебания температуры воды и небольшие пространственные градиенты температуры. Увеличение (или уменьшение) плотности прибрежных вод здесь происходит в основном за счет выделения солей при льдообразовании.

В зал. Шелихова в прибрежных акваториях соленость всегда выше, а температура воды ниже, чем в центральной части. Следовательно, особенности полей температуры и солености для двух типов структуры вод (рис. 2, 3) могут способствовать формированию антициклонического движения вод в зал. Шелихова [8].

Геострофические течения, как известно, отражают интегральное состояние толщи вод и соответствующие неоднородности поля плотности. Для морской воды между температурой и плотностью существует обратная зависимость (понижение температуры приводит к увеличению плотности), а между соленостью и плотностью - прямая (рост солености приводит к росту плотности). Рассмотрим распределение средних взвешенных значений температуры и солености в холодном промежуточном слое (20-200 м), параметры которого слабо зависят от весеннего прогрева (рис. 4).

Следует отметить хорошее соответствие между пространственными распределениями температуры и солености на отдельных горизонтах (рис. 2, 3) и их средним взвешенным распределением. Это свидетельствует о том, что во всей толще холодного подповерхностного слоя (для двух выделенных типов) сохраняется однородное для всех горизонтов распределение параметров вод, сформированное предшествующими осенне-зимними процессами. Распределение средних взвешенных значений температуры, как и температуры на отдельных горизонтах (рис. 2, 4), не может изменить картину течений, поскольку в прибрежных районах средняя взвешенная температура в слое 20-200 м всегда ниже, чем в мористых районах (рис. 4а, б). Это хорошо видно по положению выделенных изотерм -1°С.

Напротив, распределение средних взвешенных значений солености (рис. 4в, г), может быть причиной существенной перестройки схемы течений. При западном типе структуры вод в прибрежных районах средняя взвешенная соленость существенно ниже, чем в мористых районах (рис. 4в). Отметим также, что в этом случае пространственные градиенты температуры в прибрежных районах моря невысоки, поэтому пространственное распределение солености при западном типе структуры вод может вызывать только циклоническое движение вод вблизи берегов северной части Охотского моря. При восточном типе структуры вод (рис. 4г) средняя взвешенная соленость у берегов в слое 20-200 м существенно выше, чем в мористых районах, следовательно, даже незначительные пространственные градиенты температуры и солености способствуют формированию антициклонического движения вод вблизи берегов северной части Охотского моря.

"т-г»—,-,-,— -,-Чш^^™ '-Г™ I |1 *-1-У1-1-1-

140 142 144 146 148 150 152 154 156 158 140 142 144 146 148 150 152 154 156 158 "в.д.

Рис. 4. Средняя взвешенная температура (а, б) и соленость (в, г) в слое 20-200 м при западном (а, в) и восточном (б, г) типах структуры вод в северной части Охотского моря

Представленная выше картина пространственного распределения средних взвешенных значений температуры и солености нарушается только в районе к югу от Тауйской губы и полуостровов Кони и Пьягина. Здесь всегда наблюдаются однотипные пространственные распределения параметров: температура и соленость в мористых районах выше, чем в прибрежных, значительные пространственные градиенты температуры образуются в результате контакта теплых вод Западно-Камчатского течения и холодных прибрежных вод. Резкое понижение температуры уменьшает динамический уровень вблизи полуостровов Кони и Пьягина, что приводит к возникновению течения восточного направления у северных берегов моря.

В апреле-июне среднемесячная скорость ветра над северной частью Охотского моря не превышает 3-5 м/с [2, 3]. Это свидетельствует о том, что основным фактором, определяющим направление и скорость непериодических течений на североохотском шельфе, являются пространственные градиенты плотности морской воды. В связи с этим рассмотрим пространственное распределение средних взвешенных значений плотности и соответствующих им геострофических течений в северной части Охотского моря (рис. 5). Межгодовые особенности пространственного распределения плотности морской воды являются основной причиной различий в схемах горизонтальной циркуляции вод [3, 7, 8].

При западном типе структуры вод в прибрежных районах северной части моря (шельф западной Камчатки и обширная область от полуостровов Кони-Пьягина на востоке до Шантарских островов на западе) средняя взвешенная плотность морской воды в слое 20-200 м была существенно ниже, чем в мористых районах. Данное пространственное

140 142 144 146 148 150 152 154 156 158 140 142 144 146 148 150 152 154 156 158 °в.д.

Рис. 5. Средняя взвешенная плотность морской воды в слое 20-200 м (а, б) и геострофические течения (в, г) при западном (а, в) и восточном (б, г) типах структуры вод в северной части Охотского моря. 1 - глубины меньше 20 м

распределение плотности может сформировать только циклоническое движение вод вблизи берегов северной части Охотского моря.

Действительно, при западном типе структуры вод преобладали западные и северо-западные направления потоков (рис. 5в), вдоль северных берегов моря (от полуостровов Кони и Пьягина до пос. Охотск) наблюдалось западное течение (аналог летних Ямского и Северо-Охотского течений), в северо-западной части направления течений носили переменный характер. К северу от о-ва Сахалин Амурское течение после огибания мыса Елизаветы распространялось в южном направлении, давая начало Восточно-Сахалинскому течению.

При восточном типе структуры вод, как правило, средняя взвешенная плотность морской воды в слое 20-200 м была существенно выше, чем в мористых районах (рис. 5б). Поэтому пространственные градиенты плотности способствовали формированию антициклонического движения вод вблизи берегов северной части Охотского моря. Исключением является локальный район к югу от полуостровов Кони и Пьягина, где рассчитанные значения средней взвешенной плотности морской воды вблизи берега ниже, чем на мористых акваториях. Тем не менее в этом районе отмечается антициклоническая завихренность течений, а изолинии динамических высот не замкнуты только у берегов полуостровов Кони и Пьягина, что, наиболее вероятно, связано с недостатком данных в прибрежной части этого района (рис. 1; 5б, г).

Следует отметить, что общими элементами схем циркуляции для двух выделенных типов структуры вод являлись хорошо выраженный северный поток Западно-Камчатского течения над материковым склоном п-ова Камчатка; циклонический круговорот вод в районе впадины ТИНРО; антициклонический круговорот вод в зал. Шелихова [8]; антициклоническая завихренность течений в районе к северо-западу от северных берегов о-ва Сахалин (рис. 5в, г).

Выводы

Океанологические условия северной части Охотского моря в весеннее время развиваются по двум сценариям: с формированием западного и восточного типа структуры вод, у которых за счет изменения пространственных градиентов солености и плотности различаются особенности пространственного распределения термохалинных характеристик и направления прибрежных течений.

При западном типе структуры вод западные течения в северной части моря формируются после относительно мягких зим и раннего наступления весенне-летних процессов, в результате за счет пониженных значений солености и плотности на прибрежных акваториях повышается динамический уровень у берегов. При восточном типе структуры вод весной (май-начало июня) у северных берегов Охотского моря возникает течение восточного направления (Восточное Северо-Охотское течение), что приводит к понижению динамического уровня.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гладышев С.В., Аржанова Н.В., Налетова И.А., Сапожников В.В. Межгодовая изменчивость скорости формирования осолоненных вод в полыньях Охотского моря и их влияние на гидрохимическую структуру шельфа // Океанология. 1998. Т. 38, № 6. С. 857-862.

2. Дашко Н.А. Метеорологический режим // Гидрометеорология и гидрохимия морей. Т. 9. Охотское море. Вып. 1: Гидрометеорологические условия. СПб.: Гидрометеоиздат, 1998. С. 25-75.

3. Жигалов И.А., Лучин В.А. Межгодовая изменчивость горизонтальной циркуляции вод северной части Охотского моря // Изв. ТИНРО. 2010. Т. 161. С. 212-228.

4. Зубов Н.Н. Динамическая океанология. Л.: Гидрометеоиздат, 1947. 430 с.

5. Сомов М.М. Вычисление скоростей течения динамическим методом между гидрологическими станциями различной глубины // Метеорология и гидрология. 1937. № 8. С. 111-114.

6. Фигуркин А.Л. Ледовитость как индикатор термического состояния придонных вод северной части Охотского моря // Изв. ТИНРО. 2006. Т. 145. С. 259-270.

7. Фигуркин А.Л., Жигалов И.А., Ванин Н.С. Океанологические условия в Охотском море в начале 2000-х гг. // Изв. ТИНРО. 2008. Т. 152. С. 240-252.

8. Фигуркин А.Л. Океанологические условия шельфа и склона Охотского моря в холодную половину года и их влияние на нерест минтая: автореф. дис. ... канд. геогр. наук. Владивосток, 2003. 24 с.

9. Хен Г.В., Ванин Н.С., Фигуркин А.Л. Особенности гидрологических условий в северной части Охотского моря во второй половине 90-х гг. // Изв. ТИНРО. 2002. Т. 130. С. 24-43.

10. Чернявский В.И. Особенности формирования термики деятельного слоя Охотского моря // Океанол. основы биол. продуктивности северо-западной части Тихого океана. Владивосток: Изд-во ТИНРО, 1992. С. 91-104.

11. Alfultis M.A., Martin S. Satellite pasive microwave studies of Okhotsk ice cover and its relation to oceanic processes, 1978-1982 // J. Geophys. Res. 1987. Vol. C92, N 12. Р. 13-28.

12. Martin S., Drucker R., Yamashita K. The production of ice and dense shelf water in the Okhotsk Sea polynyas // J. Geophys. Res. 1998. Vol. 103, N C12. P. 27771-27782.

13. Oshima K.I., Nakanowatari T., Nihashi S. et al. Sea ice production in the Okhotsk Sea and its relation to inter-annual variability of Okhotsk Sea and North Pacific Intermediate Water // Proc. of the 21st Int. Symp. on Okhotsk Sea & Sea Ice., Febr. 2006, Mombetsu, Hokkaido, Japan. Mombetsu: Proc. publ. by OSCORA, 2006. P. 29-32.

14. Wakasutchi M. Natural condition of the Sea of Okhotsk // New Era in Far East Russia & Asia. Tokyo, 2006. P. 159-180.

Новые книги

Бугаев В.Ф. Нерка реки Камчатки (биология, численность, промысел).

Петропавловск-Камчатский: Камчатпресс, 2010. - 232 с. - ISBN 978-5-9610-0112-9.

Камчатский филиал Тихоокеанского института географии ДВО РАН

683083, Петропавловск-Камчатский, ул. Партизанская, 6

Fax: (4152) 11-24-64. E-mail: helm@mail.ru

В популярной форме представлены научные данные о нерке бассейна реки Камчатки. С учетом изученности приводятся справочные сведения о распределении, особенностях биологии, состоянии запасов и хозяйственном использовании нерки. Книга прекрасно иллюстрирована.

Предназначена для широкой общественности: жителей и гостей полуострова Камчатка, школьников, студентов, биологов, ученых, административных работников и руководителей рыбохозяйственных предприятий, сотрудников рыбоохраны и других природоохранных ведомств.