Сезонная и синоптическая изменчивость ветрового апвеллинга у побережья южного Приморья (японское море)

Вестник ДВО РАН. 2014. № 5

УДК 551.465

И.А. ЖАБИН, Е В. ДМИТРИЕВА

Сезонная и синоптическая изменчивость ветрового апвеллинга у побережья южного Приморья

Исследованы сезонная и синоптическая изменчивость апвеллинга у побережья южного Приморья (район г. Находка — пос. Преображение) с использованием данных о приводном ветре, полученных с помощью спутникового скаттерометра QuikSCAT. Установлено, что сезон с наиболее благоприятными для развития апвеллинга условиями соответствует периоду зимних муссонных ветров (ноябрь—февраль) с максимумом в январе. Получены количественные оценки интенсивности прибрежного апвеллинга у южного Приморья. Показано, что экма-новский перенос и экмановская накачка способствуют генерации ветрового апвеллинга в этом районе. Осенний апвеллинг (сентябрь—октябрь) определяется синоптической изменчивостью поля ветра, связанной с выходом атмосферных циклонов на территорию Приморья.

Ключевые слова: ветровой апвеллинг, южное Приморье, Японское море, температура поверхности моря, экмановская динамика.

Seasonal and synoptic variability of the wind-induced upwelling along the coast of the Southern Primorye (the Sea of Japan). I.A. ZHABIN, E.V. DMITRIEVA (VI. Il'ichev Pacific Oceanological Institute, FEB RAS, Vladivostok).

Data on surface wind from satellite scatterometer QuikSCAT are used to study the seasonal synoptic variability of the upwelling along the coast of the Southern Primorye (Nakhodka—Preobrazheniye region). The season under more up-welling favorable conditions corresponds to winter monsoon wind period (November-February) with maximum during January. Quantitative estimates of the coastal upwelling intensity along the Southern Primorye are obtained. The Ekman transport and Ekman pumping give rise to the upwelling region. The autumn upwelling (September-October) is determined by synoptic variability of the wind field associated with atmospheric cyclones appearing in Primorye Region.

Key words: wind-induced upwelling, Southern Primorye, the Sea of Japan, sea surface temperature, Ekman dynamics.

Под апвеллингом обычно понимают выход более холодных вод с подповерхностных глубин в верхний слой океана. В модели Экмана для океана бесконечной глубины прибрежный апвеллинг вызывается ветром, направленным вдоль побережья таким образом, что берег (в Северном полушарии) расположен слева. В этом случае экманов-ский перенос, направленный от берега, выносит воды поверхностного слоя от побережья, что вызывает компенсационный подъем более холодных глубинных вод. Существует еще один физический механизм, который играет существенную роль в динамике прибрежного апвеллинга. Этот процесс, известный как экмановская накачка, связан с горизонтальной неоднородностью поля ветра. Положительная (отрицательная) завихренность касательного напряжения ветра приводит к дивергенции (конвергенции) ветровых течений

*ЖАБИН Игорь Анатольевич - кандидат географических наук, ведущий научный сотрудник, ДМИТРИЕВА Елена Витальевна - кандидат технических наук, старший научный сотрудник (Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичёва ДВО РАН, Владивосток). *Е-таП: zhabin@poi.dvo.ru

и последующему подъему (опусканию) вод. На апвеллинг оказывают влияние сезонная и синоптическая изменчивость поля ветра, плотностная стратификация и морфология шельфа [9, 14]. Ветровой апвеллинг относится к процессам, определяющим биопродуктивность вод прибрежных районов океана.

Японское море расположено в зоне влияния внетропической области восточно-азиатского муссона. Зимой над морем преобладают сильные ветры северного и северозападного направлений, летом - более слабые южные и юго-восточные ветры. В переходные сезоны (весна и осень) направление ветра становится менее устойчивым. В холодное полугодие активный циклогенез над Японским морем приводит к формированию многочисленных атмосферных циклонов. У побережья южного Приморья благоприятные для развития апвеллинга ветры северо-западного и западного направлений со скоростями 12-15 м/с наблюдаются в сентябре-марте [2].

Осенний апвеллинг у побережья южного Приморья имеет место в период перехода от летнего к зимнему муссону (сентябрь-октябрь), когда здесь увеличиваются повторяемость и продолжительность северо-западных и западных ветров [3]. Осенний ветровой апвеллинг в этом районе - достаточно хорошо изученное явление, которое существенно влияет на региональный климат. В зоне апвеллинга на акватории, прилегающей к г. Находка, периодически наблюдаются периоды с отрицательным трендом температуры поверхности моря (ТИМ), которые не коррелируют с температурой воздуха и отличаются от общего тренда увеличения ТИМ на других прибрежных гидрометеостанциях Приморья [1]. Наблюдения показали, что осенью горизонтальная адвекция вод в направлении поперек шельфа, связанная с ветровым апвеллингом, играет ключевую роль в изменении продукционных характеристик прибрежной зоны южного Приморья [4]. Апвеллинг приводит к существенному увеличению первичной продукции и концентраций хлорофилла а, характеризующего биомассу фитопланктона. Осенний апвеллинг оказывает заметное влияние на характер распределения зоопланктона у побережья южного Приморья [5]. Зимний апвеллинг рассматривается как один из процессов, определяющих изменчивость термохалинной структуры вод в зал. Петра Великого [6].

Спутниковые данные, полученные в инфракрасном диапазоне спектра, показывают (рис. 1), что осенний апвеллинг хорошо выражен в поле ТПМ. Осенью зона выхода более холодных вод у побережья Приморья (низкие значения температуры) отчетливо выделяется на фоне хорошо прогретого поверхностного слоя открытой части моря. В ноябре осенне-зимнее охлаждение приводит к сглаживанию резких термических контрастов между зоной прибрежного апвеллинга и прилегающей частью Японского моря. Поэтому идентифицировать зимний апвеллинг по спутниковым данным о ТПМ не представляется возможным. В этом случае для изучения апвеллинга можно использовать данные о ветре, получаемые при помощи спутниковых скаттерометров (микроволновых радаров). В последнее десятилетие такой подход

44* 132* 133* 134'

Рис. 1. Спутниковое инфракрасное изображение зоны прибрежного апвеллинга у побережья южного Приморья, полученное 23 сентября 2008 г. 1 - г. Владивосток, 2 - г. Находка, 3 - мыс Поворотный, 4 - пос. Преображение. Светлые тона соответствуют холодным водам апвеллинга, темные - теплым водам открытой части Японского моря

широко применяется при исследовании прибрежного апвеллинга в различных районах Мирового океана [7, 10].

Исходя из вышесказанного основные задачи работы - на основе анализа спутниковых данных о приводном ветре исследовать сезонную изменчивость апвеллинга у побережья южного Приморья, оценить относительный вклад эк-мановского переноса и экманов-ской накачки в генерацию апвел-линга, рассмотреть влияние синоптической изменчивости поля ветра на осенний апвеллинг в этом районе.

Данные о скорости и направлении приводного ветра получены при помощи скаттероме-тра SeaWinds, установленного на спутнике QuiKSCAT. Скат-терометр работал на орбите в 1999-2009 гг. Пространственное разрешение исходного массива данных составляет 0,25 х 0,25о. Диапазон измерения скорости ветра - 3-20 м/с при точности 2 м/с, точность измерения направления ветра - 20о [11]. Для исследования сезонной изменчивости апвеллин-га по среднемесячным значениям касательного напряжения ветра и завихренности поля ветра (http:// numbat.coas.oregonstate.edu /scow/ google_earth.html) рассчитаны эк-мановский перенос и экмановская

накачка в зоне апвеллинга у побережья южного Приморья. Положение расчетных точек показано на рис. 2а. Для изучения влияния синоптической изменчивости поля ветра на осенний апвеллинг у побережья Приморья использовали индекс апвеллинга, основанный на расчете направленного от берега экмановского переноса, и термический индекс апвел-линга, соответствующий минимальным значениям ТПМ в зоне апвеллинга. Индекс ап-веллинга рассчитывали по ежедневным значениям зональной составляющей касательного напряжения ветра (QuiKSCAT, http:// coastwatch.pfeg.noaa.gov /erddap) в точке с координатами 42°22'30" с.ш., 133°07'30" в.д., расположенной у побережья Приморья (рис. 2а). Термический индекс апвеллинга выбирали из оптимально интерполированного массива ТПМ, в котором объединены значения инфракрасной (NOAA AVHRR, алгоритм Pathfinder 5) и микроволновой температур, получаемых при помощи улучшенного микроволнового сканирующего радиометра AMSR-E, установленного на спутнике Aqua. Пространственное разрешение этого массива данных составляет 0,25 х 0,25о. Для характеристики термических условий в открытой части моря рассчитана средняя температура на параллели 41о52'33'' с.ш. между меридианами 132о37'30'' и 133о37'30'' в.д. Также использовали

Рис. 2. Карта, показывающая положение узлов расчетной сетки (а) и средние значения экмановского переноса и экмановской накачки (б) в зоне апвеллинга у побережья южного Приморья. 1 - прибрежные точки, для которых рассчитывался экмановский перенос, 2 - точки, использованные при расчете переноса вод, вызванного экмановской накачкой, 3 - точка, для которой рассчитывался индекс апвеллинга, ЭП - экмановский перенос, ЭН - эк-мановская накачка

синоптические карты приземного атмосферного давления Японского метеорологического агенства (http://www.jma.go.jp).

Сезонная изменчивость ветрового апвеллинга

у побережья южного Приморья

Ветровой апвеллинг может быть вызван двумя процессами: направленным от берега экмановским переносом и экмановской накачкой. Для того чтобы количественно оценить вклад этих процессов в генерацию апвеллинга у побережья южного Приморья, можно использовать метод, предложенный в работе [12]. Экмановский перенос (м3/с/1 м береговой линии) рассчитывали для каждой из пяти выбранных прибрежных точек (рис. 2а) по уравнению М = т / pf, где т - среднемесячное значение зональной составляющей касательного напряжения ветра (кромка шельфа у южного Приморья ориентирована в зональном направлении), p - плотность морской воды (1025 кг/м3), f - параметр Кориолиса на широте 42,5о (0,98 х 10-4 с-1). Скорость экмановской накачки рассчитывали в каждой точке расчетной области по уравнению W = rot (т/ pf), где rot т - среднемесячное значение завихренности касательного напряжения ветра. Для получения соразмерных величин скорости экмановской накачки были проинтегрированы в направлении от берега по 5 меридиональным линиям начиная от прибрежных точек (расстояние около 100 км). Полученные количественные оценки позволяют рассмотреть сезонную изменчивость апвеллинга у побережья южного Приморья и оценить вклад экмановского переноса и экмановской накачки в генерацию ветрового апвеллинга в этом районе. Средние значения рассчитанных параметров показаны на рис. 2б. Результаты расчетов показали, что у побережья южного Приморья апвеллинг развивается как за счет экмановского переноса, так и за счет экмановской накачки, связанной с положительной завихренностью поля напряжения ветра. Сезон апвеллинга начинается в сентябре и продолжается до апреля. В пределах этого временного диапазона более интенсивный апвеллинг (ноябрь-февраль) связан с периодом зимнего муссона. Наиболее благоприятные ветровые условия для зимнего апвеллинга наблюдаются в январе, в переходные сезоны (сентябрь-октябрь и март-апрель) интенсивность апвеллинга снижается. Сравнение средних оценок интенсивности апвеллинга (рис. 2б) показывает, что вклад экмановского переноса в генерацию апвеллинга в 1,5-2 раза превышает вклад экмановской накачки. За счет экмановского переноса происходит подъем вод из нижележащих слоев и выход этих вод на поверхность у побережья Приморья. В свою очередь экмановская накачка может обеспечить подъем вод в области материкового склона, что будет способствовать усилению прибрежного апвеллинга. С экмановской накачкой связано увеличение вертикальной составляющей скорости течений в основании верхнего перемешанного слоя. Это вызывает подъем изопикн в зонах, где наблюдаются положительные значения завихренности поля ветра. Таким образом, экмановская накачка вызывает апвеллинг и приводит к уменьшению толщины верхнего слоя, что создает благоприятные условия для развития зимней конвекции, определяющей вентиляцию промежуточных и глубинных вод Японского моря. Зимний апвеллинг увеличивает соленость поверхностного слоя в прибрежной зоне южного Приморья. При охлаждении более соленых вод формируются шельфовые воды высокой плотности. Как показывают наблюдения [12], погружение шельфовых вод высокой плотности по материковому склону (каскадинг или склоновая конвекция) определяет обновление донных вод в Японском море.

Влияние синоптической изменчивости поля ветра на осенний апвеллинг

у побережья южного Приморья

Осенний апвеллинг у побережья Приморья (сентябрь-октябрь) наблюдается в переходный от летнего к зимнему муссону период. Этот апвеллинг не связан с зимни-

ми муссонными ветрами и возникает при определенных синоптических метеорологических ситуациях, характерных для начала сезона активного циклогенеза над Японским морем. В качестве типичного примера можно рассмотреть влияние синоптической изменчивости поля ветра на осенний апвеллинг в открытой части Японского моря у побережья южного Приморья в сентябре-ноябре 2008 г. (рис. 3). В этом случае значения индекса апвеллинга были приведены к общепринятой размерности (м3/с на 100 м береговой линии) [8].

Анализ временной изменчивости индекса апвеллинга показал, что в течение осеннего сезона происходила последовательная смена «событий» апвеллинга (индекс апвеллинга > 75 м3/с/100 м береговой линии), разделенных периодами так называемой релаксации [13], которые связаны с прекращением/ослаблением действия ветра или сменой его направления. С начала сентября по конец октября можно идентифицировать 4 случая апвеллинга, которые сопровождались усилением вдольберегово-го ветра и уменьшением температуры воды у побережья: 22 и 25 сентября, 2 и 12 октября 2008 г. На спутниковых изображениях первые признаки апвеллинга у южного Приморья зарегистрированы 23 сентября 2008 г. (рис. 1). Последующие события ап-веллинга сопровождались уменьшением температуры в зоне апвеллинга и увеличением площади, занимаемой холодными водами у побережья. Необходимо отметить, что алгоритмы, используемые при расчете оптимально интерполированной ТПМ, по которой определялся термический индекс апвеллинга, завышают значения температуры в прибрежной зоне. Перепады температуры между зоной апвеллинга и окружающими водами можно оценить по яркостной температуре на картах Центра регионального спутникового мониторинга окружающей среды ДВО РАН (www.satellite.dvo. ги). По этим данным в сентябре 2008 г. перепад температуры между «ядрами» апвеллинга (зоны у побережья с минимальными значениями температуры) и окружающими водами составлял около 4 оС (23 сентября) и около 8 оС (28 сентября). В первой половине октября термические контрасты на отдельных участках апвеллингового фронта достигали 8 оС. В конце октября-ноябре наблюдалось синхронное уменьшение ТПМ в зоне апвеллинга и в открытой части моря, при этом воды у побережья продолжали оставаться более холодными. В этот период изменения температуры определялись в основном охлаждением

Рис. 3. Временная изменчивость индекса апвеллинга (а), термического индекса апвеллинга и средней температуры (б) в открытой части Японского моря в сентябре-ноябре 2008 г. Условные обозначения: 1 - термический индекс апвеллинга, 2 — средняя температура в открытой части Японского моря, прилегающей к зоне апвеллинга

Вестник ДВО РАН. 2014. № 5

Рис. 4. Фрагмент карты приземного синоптического анализа, построенной на 21 ч иТС 22 сентября 2008 г.

поверхностного слоя. Осеннее охлаждение приводит к тому, что ТПМ у побережья южного Приморья становится близкой к температуре подповерхностных вод, поднимающихся на поверхность в результате апвеллинга. Поэтому в ноябре апвеллинг не вызывал заметного уменьшения температуры в прибрежных районах.

Анализ архива синоптических карт погоды Японского метеорологического агентства показал, что все отмеченные выше случаи апвеллинга были связаны с выходом циклонов на территорию Приморского края. В качестве примера можно рассмотреть синоптическую метеорологическую ситуацию, которая привела к первому событию апвеллинга, зарегистрированному 22-23 сентября 2008 г. Эта ситуация была связана с выходом на Приморье глубокого циклона (рис. 4а), что привело к усилению западного и северо-западного ветров у побережья южного Приморья (рис. 4б). Скорость ветра у побережья в этот период превышала 15 м/с, продолжительность действия сильного ветра составляла около 12 ч. На спутниковом изображении, полученном 23 сентября 2008 г. (рис. 1), видно, что под действием ветра в прибрежных районах начал развиваться апвеллинг, который вызвал понижение температуры воды близ южного Приморья. Наиболее холодные воды наблюдались непосредственно у побережья южного Приморья.

Заключение

По многолетним спутниковым данным о приводном ветре рассмотрена сезонная изменчивость апвеллинга у побережья южного Приморья. В осенне-зимний период (сентябрь-апрель) вдольбереговой ветер вызывает направленный от берега экмановский перенос, который приводит к развитию прибрежного апвеллинга. Вторым фактором, определяющим развитие апвеллинга в этом районе, является экмановская накачка, связанная с положительной завихренностью напряжения ветра. По результатам расчетов вклад экма-новского переноса в генерацию апвеллинга у побережья южного Приморья в 1,5-2 раза превышает вклад экмановской накачки. Наиболее интенсивный апвеллинг связан с пе-

риодом максимального развития зимнего муссона (ноябрь-февраль). Зимний апвеллинг может создавать благоприятные условия для развития конвекции.

Результаты анализа временной изменчивости индексов апвеллинга, спутниковых ИК-изображений и приземных синоптических метеорологических карт позволяют сделать вывод о том, что осенний апвеллинг (сентябрь-октябрь) связан с выходом атмосферных циклонов на территорию Приморья. При прохождении таких циклонов наблюдаются штормовые ветры западных и северо-западных направлений, которые вызывают апвеллинг у южного Приморья. В начальной стадии развития осеннего апвеллинга холодные воды появляются в непосредственной близости от побережья. На границе зоны апвеллинга формируется поверхностный термический фронт, отделяющий холодные прибрежные воды от более теплых вод глубоководной части моря. Последующие события апвеллинга увеличивают площадь, занимаемую холодными водами апвеллинга. В ноябре охлаждение поверхностного слоя приводит к сглаживанию термических контрастов между зоной прибрежного апвеллинга и открытой частью Японского моря.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гайко Л.А. Особенности температурного режима заливов Восток и Находка (юго-восточная часть залива Петра Великого) // Современное состояние и тенденции изменения природной среды залива Петра Великого Японского моря. М.: ГЕОС, 2008. С. 97-110.

2. Гидрометеорология и гидрохимия морей. Т. 8. Японское море. Вып. 1. Гидрометеорологические условия. СПб.: Гидрометеоиздат, 2003. 398 с.

3. Жабин И.А., Юрасов Г.И., Грамм-Осипова О.Л. Ветровой апвеллинг у северо-западного побережья Японского моря // Метеорол. и гидрология. 1993. № 10. C. 82-86.

4. Звалинский В.И., Лобанов В.Б., Захарков С.П., Тищенко П.Я. Хлорофилл, замедленная флуоресценция и первичная продукция в северо-западной части Японского моря осенью 2000 г. // Океанология. 2006. Т. 46, № 1. С. 27-37.

5. Зуенко Ю.И., Надточий В.В. Исследование влияния апвеллинга на состав и обилие мезопланктона в прибрежной зоне Японского моря // Океанология. 2004. Т. 44, № 4. С. 561-569.

6. Юрасов Г.И., Вилянская Е.А. Характеристики апвеллинга в заливе Петра Великого в осеннее-зимний период 1999-2000 гг. // Метеорол. и гидрология. 2010. № 10. С. 54-63.

7. Alvarez I., Gomes-Gesteria M., Castro M. de, Novoa E.M. Ekman transport along the Galician Coast (NW, Spain) calculated from QuikSCAT winds // J. Mar. Syst. 2008. Vol. 72. P. 101-115.

8. Bakun A. Coastal upwelling indices, west coast of North America // NOAA Techn. Rep. NMFS SSRF-671. 1973. 103 p.

9. Brink K.H. Coastal ocean physical processes // Rev. Geophys. 1987. Vol. 25, N 2. P. 204-216.

10. Castelao R.M., Barth J.A. Upwelling around Cabo Frio, Brasil: the importance of wind stress curl // Geophys. Res. Lett. 2006. Vol. 33, L.03602. doi: 10.1029/2005GL025182.

11. Freilich M.N., Dunbar R.S. The accuracy of the NSCAT 1 vector winds: Comparisions with National Data Buoy Center buoys // J. Geophys. Res. 1999. Vol. 104, N C5. P. 11231-11246.

12. Pickett M.H., Paduan J.D. Ekman transport and pumping in the California Current based on the NAVYs hight resolution atmospheric model (COAMPS) // J. Geophys. Res. 2003. Vol. 108, N 10. 3327. doi: 10.1029/2003JC001902.

13. Send U., Breadsley R.C., Winant C.D. Relaxation from upwelling in the coastal dynamics experiment // J. Geophys. Res. 1987. Vol. 92, N 2. P. 1683-1698.

14. Smith R.L. The physical processes of coastal ocean upwelling systems // Upwelling in the oceans: modern processes and ancient records / eds C.P. Summerhayes et al. N.Y.: Wiley, 1994. P. 39-64.