Формирование Приморского прибрежного течения под действием стока пресной воды

Вестник ДВО РАН. 2015. № 6

УДК 551.465

К.А. РОГАЧЕВ, Н.В. ШЛЫК

Формирование

Приморского прибрежного течения под действием стока пресной воды

Спутниковые и прямые наблюдения указывают на поток морских вод вдоль побережья Приморья с северо-востока на юго-запад в период усиления стока пресной воды. Источником пресной воды в прибрежной зоне являются многочисленные реки, стекающие в Японское море. Вода низкой солености формирует очень узкий (шириной менее 1 км) прибрежный фронт и геострофический поток, создающий Приморское прибрежное течение. Для определения характеристик этого течения мы использовали спутниковые (NOAA, Aqua, Terra, Suomi NPP) и океанографические наблюдения высокого разрешения и данные буев Арго. Прямые наблюдения указывают на формирование потока пресной воды в этом течении в период сильных дождей на приморском побережье. Тем самым мы показываем, что Приморское прибрежное течение формируется под действием стока пресной воды. При ослаблении прибрежного потока течение распадается на антициклонические вихри диаметром около 40 км.

Ключевые слова: Приморское прибрежное течение, воздействие стока пресной воды на прибрежное течение, осадки и сток пресной воды на приморском побережье.

Primorye coastal current formation under the impact offreshwater discharge. K.A. ROGACHEV, N.V. SHLYK (V.I. Il'ichev Pacific Oceanological Institute, FEB RAS, Vladivostok).

Satellite and direct observations point to the flux of low salinity waters along the Primorye coast from the north-east to the south-west during the increase of a freshwater discharge. The source of the fresh water in coastal area is numerous rivers entering the Sea of Japan. Low salinity water forms narrow (width is less than 1 km) coastal front and geostrophic c current that forms Primorye coastal flow. In order to determine the major features of the coastal current we used satellite data (satellites NOAA, Aqua, Terra, Suomi NPP) and high-resolution oceanographic observations as well as data of Argo buoys. Direct observations point to the formation of fresh-water stream in this current during the heavy rains on the Primorye coast. Thus we show that Primorye coastal current forms under the influence of fresh water discharge. When the coastal current is weak the current falls into anticyclonic eddies of about 40 km in diameter.

Key words: Primorye coastal current, impact of freshwater discharge on coastal current, precipitations and freshwater discharge on the Primorye coast.

Введение

Японское море является окраинным морем, которое соединяется с Тихим океаном тремя мелкими проливами. Основная часть тихоокеанских вод поступает в море через Цусимский (Корейский) пролив и стекает затем в Сангарский пролив и прол. Лаперуза. Поток вод через эти проливы определяется разностью уровня моря по разные стороны проливов [6]. Приморское течение - важный элемент циркуляции Японского моря, оно переносит холодную воду низкой солености вдоль побережья. Приморское течение называлось по-разному в ряде работ: течение Лимана, или Лиманское (к северу от 47° с.ш.),

* РОГАЧЕВ Константин Анатольевич - доктор географических наук, ведущий научный сотрудник, ШЛЫК Наталья Васильевна - кандидат географических наук, старший научный сотрудник (Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичёва ДВО РАН, Владивосток). * E-mail: rogachev@poi.dvo.ru

Северо-Корейское [3, 5, 7]. Влияние на прибрежную циркуляцию вод северо-западной части Японского моря потока пресной воды от тающего льда отмечено в работе [5]. Вместе с тем до настоящего времени механизм формирования прибрежного течения не установлен. В данной статье мы исследуем Приморское прибрежное течение, т.е. узкое течение шириной менее 20 км, которое переносит воду вдоль приморского побережья и исчезает вблизи зал. Посьета к югу от Владивостока. Интерес к прибрежному течению связан с развитием аквакультуры у побережья края, поскольку поток вод определяет условия оседания личинок ценных промысловых моллюсков. Особенностью 2014 г. стало отсутствие оседания приморского гребешка и мидии на коллекторы хозяйства на о-ве Путятин. Причины этого явления до сих пор неясны. Одна из гипотез связывает его с динамикой прибрежных вод.

Прямых наблюдений за течением немного. Поскольку в прибрежных водах всегда присутствуют вихри диметром 40-50 км [4], а спутниковые данные доступны не всегда, контроль за течением только по прямым судовым наблюдениям затруднен. Приморское течение изучалось с использованием дрифтеров [3]. Оценки скорости течения по данным дрейфующих буев дали значения около 15-30 см/с. Но один буй (21571) 20-25 сентября 1994 г. показал гораздо большую скорость (около 90 см/с). Его парус был расположен на глубине около 5 м. В этот период сильный ветер и значительные осадки на побережье были вызваны воздействием бывшего тайфуна Мелисса (Melissa, 9424*).

Термохалинные характеристики прибрежных вод в северной части моря обусловлены воздействием речного стока и тающего льда в Татарском проливе. Поэтому механизм формирования Приморского течения в холодный период связывался с тающим льдом [5]. Принято считать, что вода Амура не проникает далеко на юг Татарского пролива, поскольку он является самым мелким и узким из всех четырех проливов, соединяющих Японское море с окружающими его морями [5-7].

В настоящее время нет долговременных данных о величине потока вод, переносимых вдоль приморского побережья, так же как и о скорости самого прибрежного течения. Для того чтобы установить механизм его формирования, в работе исследуется роль пресной воды. Поскольку в теплое время года основным ее источником являются осадки, мы считаем, что они играют ключевую роль в формировании течения. Поэтому рассматриваем закономерности распределения осадков на побережье в годы, для которых располагаем данными прямых наблюдений. Поток пресной воды формирует геострофическое течение и перенос воды низкой солености на юго-запад вдоль побережья. Для определения характеристик течения и роли пресной воды в формировании прибрежного потока использованы спутниковые наблюдения высокого разрешения и доступные нам прямые наблюдения за термохалинной структурой течения.

Материалы и методы

Спутниковые наблюдения включают данные радиометра AVHRR (установленного на спутниках NOAA), предоставленные Центром регионального спутникового мониторинга окружающей среды ДВО РАН (www.satellite.dvo.ru). Использованы также данные нового спутника Suomi NPP, действующего с 2011 г. На спутнике установлен многоканальный радиометр VIIRS, превосходящий по своим характеристикам датчики AVHRR спутников NOAA. Пространственное разрешение спутников NOAA составляет 1,5 км, а датчиков VIIRS - 0,4 км при ширине полосы обзора 3000 км. Частота съемки спутника (1-2 раза в сутки) делает его полезным для изучения океанографических фронтов. Прямые наблюдения за термохалинной структурой вод получены нами в зал. Петра Великого. Станции выполнялись зондом SBE 19 на судне «Импульс» ТОИ ДВО РАН. Положение океанографических станций показано на рис. 1. Чтобы объяснить обнаруженное по нашим

* Первые две цифры номера - год образования тайфуна, вторые - порядковый номер его в этом году.

Рис. 1. Район исследований. 44' ПТ - прибрежное течение. Овалами показаны области сильных дождей в августе-сентябре 2014 г. Океанографические станции обозначены точками

данным значительное опреснение вод у побережья, мы рассмотрели детально несколько основных событий, связанных с сильными осадками на побережье края. Они относятся к лету и осени 2014 г. и к осени 2012 г., когда в Приморье прошли сильные дожди. Данные об осадках доступны на сайте http://rp5.ru.

Результаты

Сильные осадки и сток пресной воды в 2014 г Сильные осадки в Приморье связаны с циклонической деятельностью и особенностью рельефа побережья, вдоль которого расположен хребет Сихотэ-Алинь. Это определяет неравномерность распределения осадков вдоль побережья края. Хорошо известна также сильная зависимость осадков от сезона года. Для Приморья характерны частые и интенсивные летние дожди, вызывающие почти ежегодные разливы рек. Наиболее значительные дожди наблюдаются преимущественно в июле-сентябре, при этом возможно выпадение осадков более 150-200 мм за сутки (дожди с осадками 50 мм повторяются ежегодно) (http://rp5.ru). Особенностью летнего муссона является наличие в нем двух стадий развития, которые определяются термическими контрастами между морем и континентом [1]. Первая стадия наблюдается с апреля до середины июля, вторая - со второй половины июля по сентябрь. Различия в мус-сонной циркуляции в первую и вторую половины лета объясняют разный режим погоды.

В первую половину лета к побережью поступает относительно прохладный и влажный морской воздух. Над термически неоднородными поверхностями суши и моря, а также над холодным Приморским течением образуются туманы, слоистые облака и моросящие осадки. Циклоны имеют малую интенсивность, поэтому осадков выпадает сравнительно мало.

Со второй половины июля по сентябрь в Приморье с юго-востока поступает очень влажный и теплый воздух. Циклоническая деятельность резко усиливается. Поэтому на вторую половину лета приходится основная масса обильных обложных и ливневых осадков. Значительно активизируются также процессы, связанные с выходом на Приморье тайфунов. При движении тайфунов вдоль восточного побережья Приморья осадки

на осточных склонах хр. Сихотэ-Алинь усиливаются под влиянием орографического подъема воздушных масс.

С 11 по 13 августа 2014 г. восточное побережье Приморского края оказалось под влиянием бывшего тайфуна Халонг (Halong, 1411), который вышел на акваторию Японского моря с центральных Японских островов. При движении циклона над северной частью Японского моря вблизи побережья Приморского края 11-12 августа в восточных районах края прошли сильные дожди (рис. 1). На метеорологических станциях Ольга, Рудная Пристань и Сосуново количество выпавших осадков превысило критерий опасного метеорологического явления «очень сильный дождь» (52-118 мм за 12 ч). Наиболее интенсивные дожди были 12 августа. По данным метеостанции Сосуново, за сутки выпало 177 мм. Наибольшее количество осадков за весь период дождя отмечено также на этой станции (245 мм, три месячные нормы). Дожди сопровождались сильным северо-восточным ветром. Порывы ветра на метеостанциях Сосуново, Малая Кема и Терней достигали 26-30 м/с. Кроме того, оказалась размытой дорога от Малой Кемы до Амгу, Максимовки и Соболевки в Тернейском районе Приморья. Потоки воды смыли полотно дороги, разрушили несколько мостов, в том числе пять на участке от Малой Кемы до Амгу и один от Амгу до Максимовки (http://primpogoda.ru).

Следующее событие, связанное с сильными осадками, произошло 3-5 сентября 2014 г. Значительное ухудшение погодных условий наблюдалось в связи с выходом южного циклона на акваторию Японского моря и Приморский край. На трех метеостанциях (Преображение, Ольга и Рудная Пристань) 4 сентября выпало от 76 до 137 мм осадков за 12 ч, что превысило критерий опасного метеорологического явления. Дожди охватили всю территорию Приморского края. Наибольшее количество осадков отмечалось на метеостанциях Ольга и Рудная Пристань (151 и 113 мм соответственно) (рис. 1). Дожди на побережье сопровождались умеренным ветром восточного направления, порывы которого на метеостанциях Преображение, Ольга и Рудная Пристань достигали 19 м/с. Мы полагаем, что пресная вода в прибрежном течении от сильных дождей 11-12 августа 2014 г. достигла Ольги и Рудной Пристани к началу следующего периода сильных осадков 3-5 сентября (рис. 1). В результате произошло усиление прибрежного течения и опреснение его вод. Сигнал сильного опреснения был позднее (15-16 сентября) обнаружен нами в океанографических данных.

Сильные осадки осенью 2012 г Значительные осадки в сентябре 2012 г. в Приморском крае были вызваны выходом бывшего тайфуна Санба (Sanba, 1216). Тайфун Санба стал самым глубоким тропическим циклоном, выходившим на Приморье за последние 30 лет [2]. 18 сентября на всей территории Приморского края прошли сильные и очень сильные дожди (рис. 2). Наибольшее количество осадков отмечалось на востоке края. На метеостанциях Ольга, Рудная Пристань и Терней за 12 ч выпало от 103 до 127 мм. Очень сильный дождь прошел во Владивостоке (87 мм за 12 ч). В Ольге, Тернее и Рудной Пристани количество выпавших за сутки осадков превысило месячную норму (122, 136 и 144 мм соответственно). Количество осадков за время дождя 17-19 сентября составило: во Владивостоке - 111 мм, в Преображении - 137, в Ольге - 185, в Рудной Пристани - 186, в Тер-нее - 159, в Малой Кеме - 108 мм, что превысило критерий опасного метеорологического явления «продолжительные сильные дожди». В северных районах края осадков выпало до 35 мм. Сильные дожди на восточном побережье Приморского края сопровождались усилением северо-восточного ветра в порывах до 19 м/с.

С 28 октября по 14 ноября 2012 г. значительные осадки были вызваны выходом на Приморский край трех циклонов с северо-востока Китая: 28-30 октября, 6-9 и 11-14 ноября. В этот период на восточном побережье края прошли сильные и очень сильные дожди (рис. 2). Местами (Преображение, Ольга, Сосуново) интенсивность осадков достигла опасных значений - 51-56 мм за 12 ч. Осадки на станциях восточного побережья края за период с 1 по 14 ноября превысили месячную норму в два раза, а на станции Сосуно-во - почти в пять раз. Дожди сопровождались умеренным восточным-северо-восточным ветром в порывах до 26 м/с.

132' 134' 136' 133* 140' 142'

Рис. 2. Области сильных осадков осенью 2012 г. Цифры указывают величину осадков (мм) за период дождей

Спутниковые наблюдения

Фронт прибрежного течения. Спутниковые наблюдения указывают на формирование очень узкого океанографического фронта Приморского прибрежного течения (рис. 3 а, б). Фронт расположен на расстоянии около 20 км от побережья, он отделяет относительно холодную воду у берега от теплой морской воды. Так, 13 сентября 2014 г.

температура морских вод была 19,5-20,3 °С, в то время как прибрежных - на три градуса ниже (16,5-17,8 °С) (рис. 3а). В октябре 2012 г. максимальная температура морских вод превышала температуру вод прибрежного течения почти на 4 градуса (19,3 и около 15,5 °С соответственно) (рис. 3б). Ширина течения, по спутниковым данным, достигала 20 км. Однако фронтальный раздел между течением и окружающими водами был менее 1 км. Последовательные спутниковые наблюдения позволили проследить формирование прибрежного течения (рис. 3б) и его последующий распад на антициклонические вихри через неделю после формирования (рис. 3в). На рис. 3в показано образование двух антициклонических вихрей диаметром около 40 км в поле поверхностной температуры. Один из них располагался к югу от о-ва Русский, другой - к западу от о-ва Аскольд. Усиление прибрежного течения после сильных дождей в ноябре 2012 г. хорошо видно по спутниковым данным (рис. 3г).

Прямые

океанографические

наблюдения

Рис. 3. Поверхностная температура прибрежного течения б - NOAA 16 за 2 октября 2012 г., в - NOAA 16 за 7 октября ного потока около 20 км. Поток прослеживается вплоть до

Опреснение прибрежных вод в сентябре 2014 г. Прямые океанографические наблюдения прибрежного течения проводились редко. В 2014 г. фронт прибрежного течения, хорошо различимый по спутниковым наблюдениям, располагался на расстоянии 20 км от берега. В июле и сентябре 2014 г. мы выполнили повторяющиеся разрезы в зал. Петра Великого в пределах прибрежного течения. Распределение солености на этих разрезах представлено на рис. 4 (см. вклейку). Наиболее выразительные изменения отражены в значительном понижении солености на разрезе 16 сентября по сравнению с 15 июля. Например, в Уссурийском заливе она понизилась на единицу, а на более глубоких станциях в самом течении - на 1,5 единицы. Особенно яркие изменения отмечены в верхнем слое, а именно, толщина перемешанного слоя достигла 23 м, температура в этом слое на глубине 20 м выросла почти на 8 °С по сравнению с июлем. Опреснение и рост температуры верхнего слоя привели к падению плотности на 3 кг/м3 и заглублению термоклина на 20 м.

Обсуждение результатов и выводы

Простая модель прибрежного течения и оценка скорости потока. Для оценки скорости прибрежного течения мы использовали результаты разреза условной плотности

К статье: К.А. Рогачев, Н.В. Шлык «Формирование Приморского прибрежного течения под действием стока пресной воды»

Соленость, 16 сентября

О 20 40 60 80 100

Расстояние, км

Соленость, 15 июля

13ГЕ 1315-Е 132'Е 132.5'Е 133'Е

Рис. 4. Распределение солености на разрезе зал. Посьета - о-в Аскольд 15 июля и 16 сентября 2014 г. Внизу положение станций в области прибрежного течения, выполненных в июле и сентябре 2014 г.

134 5*

42* в

1620

17 00 17.50 18 00

18.60

43 V 130.S4 131- 131.S* 132' ' ,! ">• • 133 5' I' 134 5' ! :*>'

¡з' j1:

ту?

К ¡? •- '«/" - *

К Л líft V».,

41.5г

5.40

7.00

г i»

по данным спутников: а - NOAA 18 за 13 сентября 2014 г., 2012 г., г - NOAA 16 за 18 ноября 2012 г. Ширина прибреж-42° с.ш.

и уравнение термического ветра. Уравнение термического ветра можно записать в виде:

Dv

Dz

pf Dx

где г - глубина, м; ц - ускорение силы тяжести; / - параметр Ко-риолиса; р - средняя плотность воды; Др / Дх - горизонтальный градиент плотности поперек изобат на разрезе.

Определим следующие параметры: х - расстояние от берега, h - толщина слоя низкой солености, Ьр - ширина потока исходя из спутниковых наблюдений, Др - контраст плотности между верхним слоем пониженной солености и окружающей водой. Мы задали следующие значения параметров исходя из данных наблюдений: р = 1025 кг-м-3, ц =10 м-с-2, / = 10-4 с-1, Др / Дх = 2 кг-м-3 / 20 - 103 м, hn = 20 м, L = 20 км,

'О ' р '

Б = Ядр/р.

Предполагая геострофический баланс, получим:

v=

gAphx g\

Pof fLp

= 0,3 м/с.

Это значение согласуется с

измеренными значениями скорости течения [3]. Поэтому полагаем, что прибрежное течение связано с низкой соленостью воды у побережья. В свою очередь, низкая соленость определяется стоком пресной воды после сильных дождей на приморском побережье.

Таким образом, обнаруженное нами по данным прямых наблюдений опреснение прибрежных вод осенью 2014 и 2012 гг. явилось результатом очень сильных осадков на побережье края, что привело к формированию прибрежного течения. Наши наблюдения позволили установить его основные характеристики. Природа прибрежного течения связана со стоком пресной воды. Прибрежное течение шириной примерно 20 км распадается на систему антициклонических вихрей диаметром около 40 км, растянутую вдоль побережья. Образование вихрей произошло при распаде прибрежного течения через неделю после формирования самого течения. Процесс распада течения на вихри и их дальнейшая эволюция требуют специального исследования. Средняя скорость течения, по гидрологическим данным, составила около 30 см/с. В теплый период года течение связано со стоком пресной воды вдоль побережья. Значительные осадки 2012 и 2014 гг. рассматриваются нами как основной механизм формирования прибрежного течения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Василевская Л.Н., Шкаберда О.А., Ламаш Б.Е., Платонова В.А., Кукаренко Е.А. Особенности долгопериодной изменчивости температуры, осадков и сроков наступления второй стадии летнего муссона в районе залива Петра Великого // Вестн. ДВО РАН. 2013. № 6. С. 71-82.

2. Гарцман Б.И., Мезенцева Л.И., Меновщикова Т.С., Попова Н.Ю., Соколов О.В. Условия формирования экстремально высокой водности рек Приморья в осенне-зимний период 2012 года // Метеорология и гидрология. 2014. № 4. С. 77-92.

3. Гинзбург А.И., Костяной А.Г., Островский А.Г. Поверхностная циркуляция Японского моря (спутниковая информация и данные буев) // Исследование Земли из космоса. 1998. № 1. С. 66-83.

4. Рогачев К.А. Динамика антициклонических вихрей и быстрое обновление вод Уссурийского залива (Японское море) по спутниковым и морским наблюдениям // Исследование Земли из космоса. 2013. № 2. С. 42-49.

5. Martin S., Kawase M. The southern flux of sea ice in the Tatarski Strait, Japan Sea and the generation of the Liman Current // J. Mar. Res. 1998. Vol. 56. P. 141-155.

6. Ohshima K.I. The flow system in the Japan Sea caused by a sea level difference through shallow straits // J. Geophys. Res. 1994. Vol. 99 (C5). P. 9925-9940.

7. Yanagimoto D., Taira K. Current measurements of the Japan Sea proper water and the intermediate water by ALACE floats // J. Oceanography. 2003. Vol. 59. P. 359-368.