Антициклоническая циркуляция в двух смежных заливах Охотского моря

Вестник ДВО РАН. 2010. № 1

УДК 551.465

К.А.РОГАЧЕВ, Е.В. ФОМИН

Антициклоническая циркуляция в двух смежных заливах Охотского моря

Для определения доминирующих физических процессов, влияющих на циркуляцию вод в заливах Охотского моря — Академии и Сахалинском, использованы спутниковые и прямые наблюдения за течениями. Спутниковые наблюдения включают изображения видимых каналов радиометра AVHRR (спутники серии NOAA), а также изображения 1-го канала радиометра MODIS (Aqua и Terra) с разрешением 250 м. На основе этих данных выявлена антициклоническая циркуляция в зал. Академии с пер-иодом около трех дней. Антициклоническая циркуляция, эстуарная природа которой обсуждается в данной работе, проявляется и в Сахалинском зал-иве благодаря выносу пресных вод р. Амур. Циркуляция вод и вихри обеспечивают скопление планктона в зал. Академии, что, в свою очередь, в целом поддерживает популяцию полярных (гренландских) китов в заливахШантарского архипелага. Поэтому уникальная экосистема зал. Академии требует бережного отношения и охраны.

Ключе вые слова: зал. Академии, Сахалинский залив, Охотское море, спутниковые наблюдения.

Anticyclonic circulation in two adjacent bays of the Sea of Okhotsk. K.A.ROGACHEV, E.V.FOMIN (V.I.Il’ichev Pacific Oceanological Institute, FEB RAS, Vladivostok).

Satellite data were collected in order to define dominant physical processes, affecting anticyclonic circulation in the Academy and Sakhalin Bays. Satellite observations include images of visible channels of AVHRR radiometer (satellites of NOAA series) as well as images of the 1st channel of MODUS radiometer (Aqua and Terra) with 250 m solution. Based on these data we revealed anticyclonic circulation in the Academy Bay with a period of about three days.

Estuarine nature of anticyclonic circulation, which is displayed in Sakhalin Bay due to discharge of Amur River fresh water, is discussed in the paper. Water circulation and whirls provide plankton accumulation in Academy Bay which facilitates maintenance of bowhead whale populations in Shantar Archipelago Bays. That is why the unique ecosystem of Academy Bay requires careful management and protection.

Key words: Academy Bay, Sakhalin Bay Sea of Okhotsk, satellite observations.

Адвекция холодной воды из северной части Охотского моря - важный процесс, поддерживающий богатую экосистему зал. Академии, включающую арктические виды зоопланктона (Calanus glacialis, Limacina helicina), которые являются пищей для полярных китов. С середины XIX по XX в. в этом районе был развит китобойный промысел [1].

В настоящее время зал. Академии и прилегающие к нему заливы Шантарского архипелага также являются основным местом питания полярных китов (Balaena mysticetus), находящихся под угрозой исчезновения.

Причины скоплений зоопланктона оставались неясными, потому эти небольшие области в море особенно интересны для исследований. Цель нашей работы - определение циркуляции вод в заливах и ее воздействие на биоту.

На основе спутниковых и прямых наблюдений мы установили, что вместе с приливными течениями большой амплитуды (около 1 м/с) в зал. Академии существует остаточная циркуляция и вихри, которые обеспечивают скопление зоопланктона [6]. Амплитуда приливов значительно растет к западу от 142° в.д. и достигает максимальных значений в заливах Шантарского архипелага [5-8]. При этом амплитуда полусуточного прилива

РОГАЧЕВ Константин Анатольевич - доктор географических наук, ведущий научный сотрудник (Тихоокеанский океанологический институт им. В.И.Ильичева ДВО РАН, Владивосток), ФОМИН Евгений Викторович - научный сотрудник (Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН, Владивосток).

Е-таі1: rogachev@poi.dvo.ru

в Сахалинском заливе (53°18' с.ш., 141° 25' в.д.) в 5 раз меньше, чем в зал. Академии. Сильные приливные течения являются также механизмом, вызывающим разрушение и таяние льда в этой части моря. В свою очередь тающий лед понижает соленость верхнего слоя моря.

Залив Академии расположен в западной части Охотского моря, где, как мы уже отметили, наблюдаются большие приливы и сильные приливные течения (рис. 1). К востоку от зал. Академии находится Сахалинский залив, еще восточнее расположено устье полноводного Амура, большая часть его стока приходится на теплое время года, с мая по октябрь. В этот период в Сахалинском заливе вода низкой солености из Амурского лимана формирует струю, хорошо различаемую на спутниковых изображениях в видимом диапазоне спектра из-за значительной концентрации взвеси. Эта струя хорошо выделяется и в инфракрасном диапазоне благодаря низкой температуре окружающих вод.

Экспериментальных исследований циркуляции бассейна до сих пор не проводилось. В этой работе мы представляем первые результаты наблюдений средней циркуляции вод, основанных на спутниковых и прямых наблюдениях в двух соседних заливах. Они сопоставлены с существующими моделями и прямыми измерениями течений, что позволяет решить задачу данной работы - установить природу циркуляции в этих заливах.

Спутниковые наблюдения включают изображения видимых каналов радиометра AVHRR с пространственным разрешением 1,1 км (ИСЗ серии NOAA), предоставленные Центром коллективного пользования регионального спутникового мониторинга окружающей среды ДВО РАН. Для отслеживания траекторий отдельных льдин использовались данные 1-го канала радиометра MODIS (видимый диапазон, пространственное разрешение 250 м, ИСЗ Aqua и Terra), свободно распространяемые через систему LAADS (Level 1 and Atmosphere Archive and Distribution System). Для каждого дня были выбраны по 2 изображения, интервал между которыми составлял около 1,5 ч. С помощью программного комплекса SeaDAS фрагменты этих изображений, включающие зал. Академии, были преобразованы в формат меркаторской картографической проекции с целью получения географической привязки [3]. Чтобы определить скорости перемещения отдельных льдин, мы выбрали крупные льдины, отчетливо видимые в каждый из трех дней. Для каждой пары изображений, соответствующих одному дню наблюдений, были построены векторы перемещений льдин и рассчитана их скорость.

Рис. 1. а - районы исследований, б - карта станций 2004 г. Серый круг указывает положение антициклонического вихря в зал. Академии

Детальные гидрологические наблюдения выполнялись зондом Seabird 19. Течения были измерены путем постановки заякоренных буев с измерителями течений S4 Interocean.

Материалы собраны в двух экспедициях ТОИ ДВО РАН (НИС «Луговое», 2003-2004 гг.). В ходе этих работ выполнялись детальные СТД съемки в зал. Академии. Постановка буев с измерителями течений и уровня позволила получить данные о течениях и наблюдения за приливами (на рис. 1б показаны места постановки буев с измерителями течений и положение гидрологических станций). Одновременно с наблюдениями за дрейфующим льдом в зал.

Академии были рассмотрены данные спутника Aqua в Сахалинском заливе в видимом диапазоне (рис. 2, 3).

Средняя циркуляция в заливах в теплый период определяется эстуар-ным обменом, вызванным речным стоком и остаточным (средним) течением. Перенос массы такого эсту-арного потока зависит от градиента плотности в эстуарии. Тающий лед и сток пресной воды поддерживают стратификацию в южной части заливов. Вместе с тем приливное перемешивание в придонном слое разрушает эту стратификацию. В южной части зал. Академии (к югу от 54° с.ш.) наблюдалась относительно высокая стратификация (в его северной части она была слабой), вызванная теплой водой низкой солености на поверхности. С севера поступала холодная и относительно соленая вода из глубокой части моря. В верхнем слое относительно теплая вода низкой солености распространялась на север [6].

Измерения течений показали существование антициклонического вихря диаметром около 40 км в южной части зал. Академии. Спутниковые наблюдения, основанные на регулярных данных, принимаемых Центром коллективного пользования регионального спутникового мониторинга окружающей среды ДВО РАН, также выявили антициклонический вихрь в заливе (рис. 2а, б). Траектории отдельных льдин позволили определить скорость течения на поверхности и период циркуляции в антициклоническом вихре, которая составила около 3 дней. В качестве примера на рис. 2б показано положение одной из льдин, которая совершила полный оборот в антициклонической циркуляции. Средняя скорость течения на поверхности, определенная по спутниковым наблюдениям, составила около 0,3 м/с.

Рис. 2. а - поле поверхностной температуры 31 июля 2005 г. в зал. Академии по данным спутника НОАА, темный цвет -холодная вода; б - дрейфующий лед в этом заливе в июне 2007 г. Большие льдины были использованы для определения поверхностных течений. Одна из них, отмеченная буквой А, совершила полный оборот по часовой стрелке. Средняя скорость антициклонической циркуляции по этим данным составила около 0,3 м/с, а максимальная скорость дрейфа - 0,55 м/с

Наблюдения за приливными течениями показали, что их амплитуда существенно понижалась к вершине залива (к югу от 54° с.ш.). В свою очередь стратификация вод значительно понижалась к северу от анти-циклонического вихря. Низкая стратификация в северной части залива была связана с сильными приливными течениями и перемешиванием, степень которого определяется скоростью приливного течения в третьей степени. Поэтому амплитуда скорости около 80 см с"1 достаточна для того, чтобы поддерживать низкую стратификацию слоя глубиной около 25-30 м в северной части залива.

Спутниковые наблюдения в Сахалинском заливе также выявили анти-циклоническую циркуляцию, которая видна благодаря значительному контрасту вод низкой солености и относительно высокой температуре вод Амурского лимана. Сток Амура в теплое время года хорошо выражен в данных спутника Aqua из-за высокой температуры струи пресных вод и значительной концентрации взвеси. Мутная вода низкой солености в Сахалинском заливе распространялась с 4 июня 2007 г. (рис. 3) на север у западного берега залива. Последующие данные указали на формирование антициклонической циркуляции в заливе (рис. 3).

Прямые наблюдения позволили заключить, что стратификация в заливах обусловлена речным стоком либо тающим льдом. Вместе с тем как в нижнем, так и в верхнем слое средние течения определяются гравитационной циркуляцией. Скорость течения гравитационной циркуляции меньше, чем скорость приливного течения или течения при умеренном ветре. Однако гравитационная циркуляция работает длительное время и поддерживается значительной разностью уровня между разными частями эстуария. Эстуарная, или гравитационная, циркуляция - это устойчивая средняя циркуляция, она представляет собой концепцию идеального потока. В реальности многие другие факторы меняют структуру течений и создают особенности распределения плотности, формируя поток вод. Гравитационная циркуляция имеет двухслойную структуру. В нижнем слое поток направлен вверх по эстуарию, а в верхнем - вниз. Такая структура создана балансом двух компонентов продольного градиента давления - баротропного и бароклинного.

Вместе с тем структура течений в области сильного влияния стока пресной воды является трехмерной [2, 4]. Трехмерную циркуляцию в заливе можно разделить на 2 части:

Рис. 3. Струя вод Амурского лимана, формирующая анти-циклоническую циркуляцию в Сахалинском заливе, в июне 2007 г. Данные канала МОЭК/Лциа

Z

А

Y

Рис. 4. Система координат, использованная в аналитической модели

продольную (вдоль оси залива) и поперечную. Продольная циркуляция определяет перенос льда, планктона и соленой воды из глубокой части Охотского моря. Поперечная структура течений важна так же, как и продольная. Структура течений сильно зависит от числа Эк-мана [2], которое является критическим безразмерным параметром и определяется в виде

*=А,

/и 2

где И0 - максимальная глубина, /- параметр Кориолиса, Аг - коэффициент вертикальной вязкости. Глубина слоя Экмана (С) определена в виде с = ^2А / / , она устанавливает толщину слоя, в котором вязкость играет значительную роль. Для малых значений числа Экмана (Е < 0,01), когда С гораздо меньше максимальной глубины, геострофический поток становится основным. Для больших значений Е толщина вязкого слоя становится сравнимой с максимальной глубиной. С целью определения природы циркуляции мы рассмотрели аналитическую модель эстуария [4] и адаптировали ее для залива. Модель использует правостороннюю систему координат (х, у, г - рис. 4). Для создания циркуляции задан продольный градиент плотности др/дх>0 и соответствующий продольный отрицательный наклон уровня дц / дх < 0. Вода стратифицирована по температуре и солености (др/д1 < 0), присутствует поперечный наклон уровня. Наклон пикноклина направлен вверх и вправо, если смотреть на эстуарий. Причина такого распределения плотности связана с тем, что плотная вода распространяется вправо, а легкая вода в верхнем слое - влево. В этом случае хорошо выражен положительный поперечный градиент плотности (др/ду > 0).

Уравнения для среднего состояния записываются в линеаризованном виде. В уравнениях момента импульса предполагается баланс между силой градиента давления, вязкостью и силой Кориолиса. Скорость течения была разделена на две компоненты: баротропную и бароклинную, которые определяются наклоном уровня и горизонтальным градиентом плотности. Критический безразмерный параметр, который определяет решение для скорости потока, - это число Экмана, сильно зависящее от глубины: растет для малых глубин и уменьшается для больших значений И0. Для числа Экмана Е и глубины слоя Экмана С выполняется соотношение: С = >/2ЕИ . Результаты расчета течений получены для разных значений числа Экмана Е. Для глубины слоя Экмана С = И/2, И = 20 м, значения параметра Кориолиса 10-4 с-1 и А = 5-10-3 м2с-1 , Е = 0,125. Эти значения соответствуют мелкой части залива. В его глубокой части Е = 0,01, что соответствует относительно малой глубине слоя Экмана - И/С = 7. Значение горизонтального градиента плотности др/дх задано постоянным - 10-4 кг м-4.

Результаты расчета показывают, что в глубокой части залива, в нижнем слое, течение направлено к западному берегу, а в верхнем слое - от берега. В мелкой части залива направление скорости иное: в нижнем слое - течение от берега, а в верхнем - к берегу. Поэтому в верхнем слое залива формируется антициклоническая циркуляция, которая является результатом гравитационной циркуляции в рассмотренной модели залива - она способна поддерживать скопления планктона в заливе [6].

Инструментальные наблюдения за течениями и гидрологической структурой вод позволили определить природу циркуляции в двух смежных заливах Охотского моря. Посредством прямых наблюдений установлена антициклоническая циркуляция в зал. Академии с периодом около 3 дней на поверхности. Похожая циркуляция хорошо выражена также и в Сахалинском заливе. Однако для подтверждения ее природы нужны прямые инструментальные наблюдения. Тем самым мы показали, что особая циркуляция вод может определять условия формирования скоплений зоопланктона. Поэтому сохранение популяции полярных китов требует особого статуса залива Академии, с его уникальной экосистемой как охраняемой акватории.

1. Дорошенко Н.В. Гладкие киты Охотского моря // Изв. ТИНРО. 1996. Т. 121. С. 14-25.

2. Fujiwara T., Fukui S., Sanford L.P., Nakatsuji K., Sugiyama Y. Anticyclonic circulation driven by the estuarine circulation in a gulf type ROFI // J. Mar. Sys. 1997. Vol. 12. P. 83-99.

3. Hatakeyama Y., Tanaka S., Sugimura T., Nishimura T. Surface currents around Hokkaido in the late fall of 1981

obtained from analysis of satellite images // J. Oceanogr. Soc. Jap. 1985. N 41. P. 327-336.

4. Kasai A., Hill A.E., Fujiwara T., Simpson J.H. Effect of the Earth’s rotation on the circulation in regions of freshwater influence // J. Geophys. Res. 2000. Vol. 105. P. 16961-16969.

5. Kowalik Z., Polyakov I. Tides in the Sea of Okhotsk // J. Phys. Oceanogr. 1998. Vol. 28. P. 1389-1409.

6. Rogachev K.A., Carmack E.C., Foreman M.G. Bowhead whales feed on plankton concentrated by estuarine and tidal currents in Academy Bay, Sea of Okhotsk // Contin. Shelf Res. 2008. Vol. 28. P. 1811-1826. - http//doi 10.1016/ j/csr.2008.04.014.

7. Rogachev K.A., Carmack E.C., Salomatin A.S. Strong tidal mixing and ventilation of cold intermediate water at

Kashevarov Bank, Sea of Okhotsk // J. Oceanogr. 2000. Vol. 56. P. 439-447.

8. Shcherbina A.Y., Talley L.D., Rudnick D.L. Dense water formation on the northwestern shelf of the Okhotsk Sea: 1. Direct observations of brine rejection // J. Geophys. Res. 2004. Vol. 109. C09S08, doi:10.1029/2003JC002196.

Новые книги

Океанология: инструментальные методы измерения основных параметров морской воды: Учебное пособие /В.С.Архипкин, А.Ю.Лазарюк, Д.Е.Левашов, А.Н.Рамазин.

М.: МАКС Пресс, 2009. - 336 с.: ил. - КВЫ 978-5-317-02759-9.

В предлагаемом учебном пособии рассматриваются особенности инструментальных измерений основных параметров морской воды в океане - давления, температуры и солености. Даются описания первичных преобразователей и физических принципов, положенных в их основу. Приводится обзор современных океанографических приборов. Обращено внимание на погрешности измерений.

Пособие предназначено для студентов-океанологов географических факультетов университетов и гидрометеорологических институтов, а также для научных работников, имеющих отношение к исследованию вод океанов и морей.