Особенности термохалинной структуры вод и динамики температурных аномалий в зоне Курильской гряды и прилегающих акваторий

Вестник ДВО РАН. 2011. № 3

УДК 551.465 В.В. МОРОЗ

Особенности

термохалинной структуры вод и динамики температурных аномалий в зоне Курильской гряды и прилегающих акваторий

По данным многолетних экспедиционных исследований ТОИ ДВО РАН в районе Курильской островной гряды изучены особенности гидрологических условий в зонах проливов и прилегающих акваторий, определены механизмы формирования локальных отклонений в структуре термохалинных полей.

Ключевые слова: термохалинная структура, аномалии, Курильские проливы.

The water thermohaline structure peculiarities and temperature anomalies dynamics in the Kuril Island zone and the adjacent areas. V.V.MOROZ (V.I. Il'ichev Pacific Oceanological Institute, FEB RAS, Vladivostok).

Based on the data summary analysis of the long-term expedition researches of POI FEB RAS in the Kuril Islands area the hydrological conditions particularities in the strait zones and adjacent water areas were studied, mechanisms of local anomalies in the water thermohaline structure were determined.

The key words: the thermohaline structure, anomalies, Kuril Straits.

Проливные зоны Курильской островной дуги и прилегающие акватории Охотского моря и Тихого океана - высокопродуктивные промысловые районы. Динамические процессы здесь отличаются чрезвычайной интенсивностью, а поля гидрологических

характеристик - резкой и разномасштабной пространственной неоднородностью, что присуще всему поясу тихоокеанских островных дуг. Для этого района со сложной гидрологической обстановкой характерно наличие пограничных зон обмена через проливы водами различных модификаций (океан-море), которые переносят потоки приостровных течений (рис. 1).

Процессы обмена, усложненные приливными явлениями в сочетании со сложным рельефом дна, изрезан-ностью береговой черты и изменчивым климатом, обусловливают особенности формирования структуры вод в проли-

Рис. 1. Схема течений района исследований и положение вах гряды и прилегающих акваториях. разреза наблюдений 1989-1993 гг. 1-10 - номера станций Установлено, что в зонах Курильских

МОРОЗ Валентина Васильевна - кандидат географических наук, старший научный сотрудник (Тихоокеанский океанологический институт им. В.И.Ильичева ДВО РАН, Владивосток). E-mail: moroz@poi.dvo.ru

проливов не существует прямого обмена тихоокеанскими и охотоморскими водами, поскольку здесь они претерпевают существенную трансформацию: происходит генерация так называемой курильской разновидности субарктической структуры вод, посредством которой осуществляется водообмен между Тихим океаном и Охотским морем [3]. Вместе с тем, по данным экспедиционных исследований ТОИ ДВО РАН 1988-1993 гг. для периода теплого полугодия (около 1000 гидрологических станций), полученным с применением современной зондирующей аппаратуры (они послужили основой нашего исследования), в зонах Курильских проливов обнаружено наличие разномасштабных неоднородностей тер-мохалинных полей, по своим характеристикам отличающихся от окружающих их трансформированных вод (рис. 2). Эти неоднородности представлены картами распределения термохалинных характеристик на поверхности пролива и на разрезах его температурных полей (в ядре холодного промежуточного слоя) и прилегающих акваториий в виде локализованных пятнистых областей. На разрезах эти неоднородности имеют вид оконтуренных замкнутыми изолиниями областей с аномально низкими, характерными для охотоморских вод значениями температуры (рис. 2). Подобные аномально холодные линзы вод обнаружены и в прикурильском районе Тихого океана - в области течения Ойясио.

Пятнистый характер термохалинных полей, особенно в прол. Буссоль, а именно наличие очагов изолированной воды на поверхности в Курильских проливах, отличающихся своими аномальными характеристиками, отмечался в работах 1950-1960-х годов [4, 5]. Высказывалось предположение, что пятна не являются стабильными, что существуют благоприятные и неблагоприятные периоды для образования изолированных очагов вод. В современных работах, посвященных исследованиям в районе Курильских островов и зоне течения Ойясио, также уделяется внимание данным особенностям структуры тер-мохалинных полей района [7, 8]. При этом отмечается определяющая роль приливных процессов и вихреобразования для характеристики вод.

Однако до настоящего времени вопрос о механизмах формирования подобных аномалий в зоне проливов Курильской гряды остается открытым, не ясны причины данных особенностей структуры термохалинных полей района. Вместе с тем эти вопросы важны для понимания сложных гидрологических условий этого района, поэтому они требуют специального рассмотрения.

Цель настоящего исследования - выявить причины и механизмы формирования температурных аномалий в Курильских проливах и прилегающих к ним акваториях, определить условия и характерные периоды для проявления данных особенностей структуры вод.

Прежде всего следует отметить, что воды рассматриваемой акватории представляют собой модификации субарктической структуры, точнее охотоморской, тихоокеанской и трансформированной (курильской) ее разновидностей. Каждая весной, летом и осенью состоит из поверхностной водной массы, холодного промежуточного слоя (ХПС) с минимумом температуры и теплого промежуточного слоя (ТПС) с максимумом температуры глубинных и придонных вод. Каждой из модификаций термохалинной структуры присущи характерные особенности. В охотоморских водах наиболее отчетливо проявляется ХПС (температура в ядре холодного промежуточного слоя Охотского моря сохраняется близкой к нулю на большей части акватории в течение всего года) и наименее - ТПС. Тихоокеанские воды, где хорошо выражен как ХПС, так и ТПС, находятся в постоянном взаимодействии с охотоморскими водами в зонах проливов благодаря чрезвычайной динамической активности района (связанной с пространственно-временной изменчивостью приливных и приостровных течений). Доминирующим фактором, определяющим гидрологический режим в проливных зонах Курильской островной дуги и прилегающих к ним акваториях, являются приливные процессы, которые в значительной мере обусловливают динамику вод, изменения их вертикальной и горизонтальной структуры. Следствие приливных явлений - интенсивное перемешивание, приводящее к формированию в проливах трансформированной (курильской) разновидности субарктической структуры вод. Для

Рис. 2. Температурные интрузии в зоне прол. Буссоль по экспедиционным данным 1989 г., лето: а - на поверхности (положение разрезов), б - в плоскостях разрезов

нее характерны: более низкие значения температуры и более высокие значения солености на поверхности относительно сопредельных вод моря и океана в теплое полугодие (и более низкое - в холодное), расширение вертикальных границ холодного промежуточного слоя, более сглаженные его температурные экстремумы. Эти явления проиллюстрированы нами на схеме разреза через прол. Буссоль (рис. 3). Трансформация с характерными признаками курильской разновидности субарктической структуры наблюдается преимущественно в кольце вод, опоясывающем острова и ограниченном изобатой 500 м, где имеет место приливное перемешивание. Более того, на мелководье приливная трансформация приводит к формированию однородной по вертикали структуре вод. В глубоких же проливах, напротив, наблюдается хорошо выраженная их стратификация [3].

Неоднозначность трансформации вод имеет место и в конкретных проливах, что обусловлено особенностями как гидрологических условий в каждом из них, так и особенностями водообмена и топографии. Например, в глубоководном прол. Буссоль благодаря большой глубине и поперечному сечению стратификация остается близкой к типичной субарктической с соответствующими характеристиками вод прилегающих акваторий. Однако в зоне мелководной банки посредине пролива в результате действия приливных процессов наблюдается интенсивное вихреобразование в сочетании с приливным перемешиванием, приводящее здесь к локальной трансформации вод. Совместное действие этих факторов способствует образованию локальных неоднородностей термохалинных полей на поверхности пролива, о чем свидетельствует анализ данных экспедиционных исследований (рис. 2а).

Приливные явления в проливах часто сопровождаются вихреобразованием при встрече периодических приливных течений, движущихся в различных направлениях и имеющих различные скорости. Пространственная неравномерность этих скоростей, связанная с трением приливного потока о дно и берега проливов, а также взаимодействие с постоянными течениями приводят к их сдвиговой динамической неустойчивости [3]. В результате этих явлений генерируются вихри различного масштаба и возникает интенсивное приливное перемешивание, приводящее к выравниванию океанологических характеристик. При вих-реобразовании, происходящем на фоне приливных процессов, наблюдаются трансформация вертикальной термохалинной структуры вод, изменение термохалинных характеристик, смещение положения границ и экстремумов промежуточных слоев относительно окружающих вод.

Установлено, что приливные течения в Курильских проливах обычно имеют выраженный реверсивный характер, что подтверждается измерениями течений на суточных станциях в проливах Буссоль, Фриза и др. [3]. В связи с этим в глубоководных зонах проливов, таких как Буссоль (глубина около 2300 м), где влияние приливного перемешивания менее значительно, возможен перенос приливными течениями (при совпадении направления

Рис. 3. Схема вертикальной структуры вод

потока с непериодическими течениями) порций вод, характеристики которых остаются практически неизменными, из прилегающих акваторий. Здесь в отдельных областях вихрей и в зонах стрежней течений, несущих и сохраняющих свои характеристики, происходит локализация однородных ядер минимальной температуры холодного промежуточного слоя, что также показывает анализ экспедиционных данных по разрезам температурных полей (рис. 2б). Иначе говоря, имеет место механизм формирования неоднородностей в структуре промежуточных вод и их динамики в процессе циркуляции. Следует учесть, что при изменчивости характеристик водообмена в проливах гряды и интенсивности разнонаправленных потоков имеет место изменчивость процессов фронтогенеза и вихреобра-зования.

Особенности изменения термохалинных характеристик в тех или иных проливах гряды во многом связаны с источниками поступающих в пролив вод. Так, наиболее холодные и опресненные воды южных и центральных Курильских проливов приносятся Восточно-Сахалинским течением из района шельфа Охотского моря. Наряду с ними структуру вод южных проливов гряды формируют более теплые и соленые массы, связанные с проникновением течения Соя в южную часть Охотского моря. Это течение наблюдается здесь в поверхностном слое в теплое полугодие, проявляясь у берегов о-ва Хоккайдо непосредственно вслед за отходом льда от побережья, усиливается летом и ослабевает в осенний период [1], т.е. временная (годовая) и сезонная интенсивность развития течения изменчива. Преобладание того или иного источника вод формирует температурно-соленостный фон в проливах и прилегающих акваториях.

Установлено, что через все глубокие проливы Курильской гряды происходит сток трансформированных охотоморских вод в океан, в то же время в проливные зоны поступают и тихоокеанские воды [2, 3]. При стоке в океан эти трансформированные приливным перемешиванием и процессами вихреобразования в проливах воды питают систему течений - прикурильского Курило-Камчатского и Ойясио. От зоны формирования (в при-камчатском районе) течение переносит на юг более холодные водные массы северного происхождения, что в значительной мере определяет гидрологические условия региона в целом. Несомненно, что в структурообразовании водных масс северо-западной части Тихого океана, в частности района Курильской островной гряды, важную роль играет течение, но не менее значимо влияние водообмена через проливы на формирование и эволюцию характеристик вод самого течения. При продвижении вдоль Курильской гряды течение смешивается с трансформированными охотоморскими водами, поступающими

в прикурильский район Тихого океана в процессе водообмена через проливы. Так, характеристики вод формирующегося южнее прол. Буссоль течения Ойя-сио значительно корректируют воды охотоморского происхождения, в свою очередь отличающиеся от зоны истоков формирования течения у восточного побережья п-ова Камчатка.

Представленные на рис. 4 величины переноса вод в зону Ойясио через проливы Буссоль и Фриза, основанные на проведенных ранее оценках [2], показывают, что прол. Буссоль играет весьма важную роль в питании течения трансформированными водами. Подобное мнение высказывалось и другими исследователями [7-9]. По данным оценкам,

Св

13 5 3 13

Рис. 4. Сезонная изменчивость переноса вод в проливах Буссоль и Фриза

течение особенно подвержено влиянию активного водообмена через проливы в весенне-летний период. Изменчивость водообмена в сочетании с процессами вих-реобразования в зонах проливов, соответственно, влечет изменения характеристик поступающих в зону Ойясио вод.

Картину изменчивости температурного поля, наиболее важную характеристику субарктической структуры вод, хорошо иллюстрирует анализ температурных аномалий.

Проведенные нами расчеты динамики изменчивости температурных аномалий на разрезе через прол. Буссоль свидетельствуют о значительных пространственно-временных колебаниях температурного фона вод от поверхности до промежуточных слоев как в зоне самого пролива, так и в прилегающих к нему акваториях (рис. 5).

Так, повышенные температурные аномалии летнего периода 1990 г. свидетельствуют о значительном проникновении теплых вод течения Соя в прол. Буссоль, что определяет соответствующее повышение температурного фона выносимых из пролива вод в океан. Отрицательные же температурные аномалии в летний период 1989 и 1991 гг. свидетельствуют о наличии заметного стока холодных охотоморских вод в океан. Активизация этого стока в зоне прол. Буссоль в сочетании с процессами вихреобразования способствует формированию здесь интрузий аномально холодных вод (неоднородностей) как на поверхности, так и в промежуточных слоях (обнаружено по данным 1989 г.).

Исследования показывают, что картина циркуляции вод в тихоокеанской приостровной зоне, а также годовые и сезонные характеристики поступающих через проливы охотомор-ских вод изменчивы. В значительной мере это связано с изменчивостями межгодовой атмосферной циркуляции и, соответственно, - поля ветра над океаном. То есть имеют место периоды, характеризующиеся различной динамической активностью как циркуляции вод, так и формирования неоднородностей в структуре термохалинных полей района.

Сопоставительный анализ межгодовых колебаний температурного фона вод (аномалий поверхностной температуры) в зоне прол. Буссоль и суммарной годовой продолжительности действия типовых ситуаций атмосферной циркуляции показывает их взаимосвязь (рис. 6). Используемая здесь классификация атмосферных процессов района [6] основана на выделении из всего их многообразия шести основных типовых ситуаций атмосферной циркуляции. Для проведенного анализа выбраны три наиболее характерных типа для

Рис 5. Динамика температурных аномалий на разрезе через прол. Буссоль в период 1989-1993 гг., лето: плюс - акцент на повышенные, минус - на пониженные аномалии

Рис. 6 гиона

1989 1990 1991 1992 1993

Межгодовая изменчивость температурных аномалий в зоне прол. Буссоль и атмосферных процессов ре-

холодного и теплого полугодий (периоды зимнего и летнего муссонов), «отвечающие» за соответствующие направления переноса воздушных масс. Так, по данной классификации, для распространенной ситуации «северо-западный» тип атмосферной циркуляции (СЗ) и «циклоны над океаном» (Цн) характерно установление устойчивого переноса холодных воздушных масс преимущественно с севера, северо-запада на юг, юго-восток (северо-западный муссон). Третий, «охотско-алеутский» (ОА), тип атмосферной циркуляции характеризуется преобладанием юго-восточных ветров над акваторией Охотского моря, Курильскими островами и прилегающей частью океана (юго-восточный муссон).

Как показывает анализ межгодовых колебаний отклонений температурного фона вод в зоне прол. Буссоль, отрицательные аномалии поверхностной температуры вод формируются в периоды, характеризующиеся уменьшением суммарной продолжительности действия ОА типа и максимальным увеличением Цн и СЗ. В это время отмечается формирование отрицательного температурного фона в зоне Курильской гряды. При увеличении суммарной продолжительности действия ОА типа атмосферной циркуляции (способствует более активному распространению вод течения Соя) и уменьшении СЗ и Цн в исследуемом районе формируется положительный температурный фон.

Эти исследования показывают, что существует прогностическая связь между особенностями гидрологических условий в северо-западной части Тихого океана и колебаниями суммарной продолжительности действия типов атмосферной циркуляции Цн, СЗ

и OA. Механизм зависимости основан на взаимодействии поверхностного слоя океана и атмосферы. При тенденции увеличения суммарной продолжительности действия OA типа атмосферной циркуляции и уменьшения аналогичного показателя действия СЗ и Цн формируется повышенный температурный фон с тенденцией роста положительных температурных аномалий. И наоборот: увеличение суммарной продолжительности действия Цн и СЗ (при уменьшении - OA) типов атмосферной циркуляции может служить признаком наступления таких неблагоприятных ситуаций, как формирование отрицательного температурного фона в зоне проливов островных дуг и системы течений Курило-Камчат-ского-Oйясио с тенденцией роста отрицательных аномалий. Значительные отклонения в ту или другую сторону активизации OA типа атмосферных процессов или значительное изменение продолжительности действия Цн и СЗ суммарной сезонной или годовой продолжительности действия могут быть причиной формирования экстремальных гидрологических условий. В отмеченной прогностической связи предиктором (средством прогнозирования) является суммарная продолжительность действия соответствующих типов атмосферной циркуляции за необходимый для прогнозирования период (сезонный или годовой).

Таким образом, в результате проведенного в настоящей работе комплексного исследования изменчивости термохалинных полей и циркуляции вод с учетом изменчивости атмосферных процессов изучены некоторые особенности изменчивости гидрологических условий в зонах проливов Курильской островной дуги и прилегающих к ним акваториях. Показано, что механизмы формирования и динамики температурных аномалий в зонах проливов гряды связаны с рядом факторов - приливными процессами в сочетании с активным вихреобразованием, изменчивостью водообмена и непериодических течений на фоне подвижных атмосферных процессов. Выявлены периоды, для которых характерно формирование соответствующих аномалий. Полученные результаты важны для понимания сложных гидрологических условий, характерных как для района Курильской островной гряды, так и для всего пояса северотихоокеанских островных дуг. Результаты исследований могут найти применение в решении различных задач рационального природопользования.

ЛИTЕPATУPA

1. Бобков A.A., Самко Е.В. Oсобенности гидрологической структуры вод в зоне воздействия течения Соя // Вестн. ЛГУ. Сер. 7. 1989. Вып. 1, № 7. С. 107-102.

2. Богданов К.Т., Мороз В.В. Воды Курило-Камчатского течения и течения Oйясио. Владивосток: Дальнаука, 2004. 141 с.

3. Богданов К.Т., Мороз В.В. Структура, динамика и гидролого-акустические характеристики вод проливов Курильской гряды. Владивосток: Дальнаука, 2000. 152 с.

4. Жуков ЛА. Oсновы гидрологического режима Курильского района Тихого океана // Тр. Курило-Сахалинской морской комплексной экспедиции ЗИН TOOTO 1947-1949 гг. М.: AH СССР, 1954. С. 304-309.

5. Морошкин К.В. Водные массы и течения Oхотского моря. М.: Наука, 1956. 66 с.

6. Полякова AM. Календарь типов атмосферной циркуляции с учетом нестационарности процессов над северной частью Тихого океана и их краткая характеристика. Владивосток: Изд-во Дальневост. ун-та, 1999. 116 с.

7. Nakamura T., Toyoda T., Ishikawa Y., Awaji T. Enhanced ventilation in the Okhotsk Sea through tidal mixing at the Kuril Straits // J. Deep-Sea Research. 2006. Vol. 53, N 1. P. 425-448.

8. Ono K., Ohshima K.I., Kono T., Itoh M., Katsumata K., Volkov Y.N., Wakatsuchi M. Water mass exchange and diapycnal mixing at Bussol' Strait revealed by water mass properties // J. Oceanogr. 2007. Vol. 63. P. 281-291.

9. Yasuda I., Ito S., Shimizu Y. et al. Cold-core anticyclonic addies south of the Boussole Strait in the northwestern Subarctic Pacific // J. Phys. Oceanogr. 2000. Vol. 30. P. 1137-1157.