Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Климатический режим формирования и сезонной изменчивости холодных промежуточных вод как результат процессов вентиляции Черного моря

ВАК РФ 11.00.08, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Климатический режим формирования и сезонной изменчивости холодных промежуточных вод как результат процессов вентиляции Черного моря"

РГ6 од

На правах рукописи

НАКОЛЮШКИН ИГОРЬ ЮРЬЕВИЧ

КЛИМАТИЧЕСКИЙ РЕЖИМ ФОРМИРОВАНИЯ И СЕЗОННОЙ

ИЗМЕНЧИВОСТИ ХОЛОДНЫХ ПРОМЕЖУТОЧНЫХ ВОД КАК РЕЗУЛЬТАТ ПРОЦЕССОВ ВЕНТИЛЯЦИИ ЧЕРНОГО МОРЯ

11.00.08 - океанология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

МОСКВА - 1997

Работа выполнена в Государственном океанографическом институте и на кафедре океанолог! географического факультета Московского Государственного Университета им. М.ВЛомоносов

Научный руководитель:

доктор географических наук, профессор А.И.Дуванин (МГУ). Официальные оппоненты:

доктор географических наук, профессор Е.А.Плахин (ИО РАН);

кандидат физико-математических наук В.И.Батов (ГОИН).

Ведущая организация: Институт водных проблем РАН

Зашита состоится «//« ЩеК&ъ97 г в//час.^мин. на заседании диссертационного со» К.024.02.01 в Государственном океанографическом институте (119838, ГСП. МОСКВА. Г-Кропоткинский пер., 6).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного океанографичеек' института.

Автореферат разослан М^ир 1997 г.

/

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат 'географических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ. Исследование процессов вентиляции промежуточных и глубинных вод океанов и морей в последнее время стало одним из ведущих напра&тении в океанологии. Бурное развитие этой проблемы началось в 1980-е годы, когда появились современные теории вентиляции, во многом основывающиеся на идеях, заложенных создателями теории океанского термоклина в 1950-60-х г.г.

Необходимо отметить, что вышеупомянутые теории развивались, главным образом, в приложении к глобальным субтропическим антициклоническим круговоротам океанов.

В глубоких внутренних морях, к которым относится Черное море, проблема вентиляции вод до сих пор не имеет должного уровня исследований. Достаточно популярными темами исследований в рамки данной проблемы здесь являются оценки времени обновления вод морей на основе анализа их внешнего водного баланса, а также вопросы формирования промежуточных вод обычно вне связи с проблемой вентиляции в целом (Колесников А.Г.. 1953: Георгиев Ю.С., 1972; Богуславский С.Г. и др.. 1980).

Вместе с тем. Черное море имеет ярко выраженные особенности термо- и гидродинамического режима вод, которые непосредственно отражаются на процессе вентиляции, делая его весьма специфическим. К таким особенностям относятся прежде всего преобладающий циклонический характер циркуляции его вод, а также их значительная вертикальная устойчивость, препятствующие действию таких характерных для океанов механизмов вентиляции как сверхглубокая конвекция и крупномасштабный даунвеллинг. Исследование этих особенностей должно внести вклад в развитие всей проблемы в целом, а также в понимание гидрофизической природы самого Черного моря.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ заключается в следующем:

- детально исследованы особенности формирования вод ХПС. значение которых в

тер.мохаллнном и динамическом бюджетах Черного моря весьма велико;

- на примере Черного моря исследованы особенности процесса вентиляции в ^амкн\том

/

глубоководном бассейне:

- изучены скорости и направления распространения вод ХПС, играющего немалую роль динамике загрязняющих веществ в Черном море.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ - дать полное количественное описание климатнчсскоп

(среднемноголетнего) режима формирования и эволюции холодных промежуточных во.

Черного моря.

Названная цель включает в себя решение следующих задач:

- изучение возможностей параметрического описания характеристик ХПС ш батиметрическим данным;

- выявление основных очагов формирования холодных вод и исследование сезонно] изменчивости их объемных и термохалинных характеристик;

- исследование сезонной и пространственной изменчивости свойств холодны промежуточных вод в изопикническнх слоях ХПС;

- прослеживание траекторий распространения холодных промежуточных вод.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ СЛЕДУЮЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ:

1. На основе комплексного подхода с применением объемного термохалинногс изогшкпческого анализов, а также исследования лагранжевых траекторий распространен!! вод ХПС Черного моря получено достаточно полное количественное описание процессо формирования, распространения и сезонной трансформации холодных промежуточных вод ходе климатического годового цикла.

2. В пределах ХПС выделено два подслоя: вентилируемый в климатическом режиме, т.е. среднем ежегодно; климатически невентилируемыи.

3. Выдвинута гипотеза о поршневом механизме вентиляции невентилируемого подслоя ХПС.

4. Выявлены два режима сезонной эволюции холодных промежуточных вод: субдукция быстрое изопикническое распространение; медленное диффузное распространение сопровождаемое локализацией части холодных вод в прибрежных антициклонах.

5. В структуре ХПС выделяется несколько классов вод. отличающихся друг от друга ка термохалиннымн характеристиками, так н особенностями процесса вентилншш

6. Основным механизмом формирования холодных промежуточных вол следует считать процесс субдукции холодных вод в промежуточные слои, а основными очагами формирования -районы северо-западного и западного материкового склонов и прикерченский район, где указанный процесс наиболее интенсивен.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы определяется следующим:

- исследованы особенности пространственного распределения формы вертикального профиля температуры ХПС и изучены возможности математической параметризации этого профиля; ------ --------------------

- выяатены основные очага формирования холодных промежуточных вод;

- впервые получены оценки объемных и термохалинных характеристик вод, образующихся в различных районах моря;

- исследована внутренняя термохалинная структура ХПС и особенности ее сезонном изменчивости;

-оценены скорости и выявлены основные механизмы трансформации различных классов холодных промежуточных вод в ходе климатического годового цикла;

- впервые изучены особенности распространения холодных промежуточных вод в изопикнических слоях, соответствующих ХПС, п сезонная эволюция термохалинных полей и полей потенциальной завихренности (ПЗ) внутри этих слоев;

- проведены оценки скорости и глубины вентиляции холодных промежуточных вод; -исследован процесс субдукции холодных вод в промежуточные слои, оценены объемы н

термохалинные свойства погружающихся вол;

- впервые рассчитаны траектории перемещения холодных вол по акватории Черного мори и получены лагранжевы характеристики их распространения.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты работы докладывались на конференции "Современные проблемы комплексного исследования морей" I Москва. 1995), на наушоп конференции по результатам исследовании в области гидрометеорологии и мониторинга загрязнения природном среды (Москва. 1996), на симпозиуме "Экологмя-96" (Одесса.19%). нл

научном семинаре кафедры океанологии географического факультета МГУ (1996). на научно.\ семинаре ГОИНа (1997).

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, четырех глав заключения, списка литературы. Общий объем работы составляет 158 страниц, включая cnucoi литературы из 108 названий (65 - иностранные), 6 таблиц, 47 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ

ВО ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи работы приведены основные положения, выносимые на защиту, отражена научная новизна i практическая значимость работы.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ дана общая характеристика состояния проблемы вентиляции вод история ее исследования; описаны результаты теоретических исследований и натурны: наблюдений процессов вентиляции вод Мирового океана; названы основные гипотезь формирования холодных промежуточных вод, а также результаты натурных наблюдении i численного моделирования характеристик вод ХПС; установлена связь вопросов формирован]» и эволюции холодных промежуточных вод с проблемой вентиляции в целом.

Вентиляция вод - это процесс формирования водных масс с определенными физико-химическими свойствами в верхнем слое океанов и морен и последующего их распространен!!) и трансформации в остальной толще вод.

Возникновение проблемы вентиляции вод восходит к 30-м годам нашего столетия, когд; Айслин и Монтгомери впервые обратили внимание на связь между вертикальны* распределением свойств воды на глубинах и горизонтальным распределением этих свойств н; поверхности (Icelin C.O'D., 1939).

В последнее десятилетие эта проблема стала одной из ведущих в океанологии, поскольку кроме отмеченного выше фундаментального значения она получила не менее важное прикладное в связи с быстро растущим загрязнением Мирового океана, п том числе радиоактивными отходами. Пояазение последних в водах океанов и морен стало эффективным

средством натурных исследовании вентиляции, способствовавшим развитию проблемы наряду с крупными теоретическими исследованиями, возродившими интерес к вопросам формирования главного океанического термоклина и глубинной циркуляции вод океанов - генетическими предшественниками современной проблемы вентиляции.

В Черном море процесс вентиляции сводится к формированию, распространению и сезонной трансформации холодных промежуточных вод, Проблема ХПС Черного моря изучается отечественными океанологами в течение полувека. За это время было выдвинуто несколько гипотез формирования этой водной массы.

Согласно наиболее ранней "конвективной" гипотезе ХПС - это остаток-образовавшсгося зимой поверхностного перемешанного слоя, который не успевает полностью прогреться за летнее время. Однако впоследствии было установлено, что повсеместное распространение по акватории моря и относительная однородность свойств ХПС находятся в противоречии с различными условиями зимнего охлаждения и вертикальной конвекции в разных районах моря. Согласно "адвективной" гипотезе, которую предложил А.Г.Колесников ( 1953). образовавшийся в северо-западной части Черного моря холодный слой толщиной 50-75 м господствующими течениями "перемешается" сначала к югу, а затем и на восток вдоль Анатолийского побережья. В дальнейшем "адвективная" гипотеза была принята большинством океанологов, занимавшихся исследованием ХПС (Георгиев, 1972; Богуславский и др.. 19S0; Блатов и др., 1984, Еремеев. Иванов, Тужилкин, 1991). В SO-x годах Овчинниковым и Поповым (19S4) было выдвинуто новое предположение о формировании холодных промежуточных вод Черного моря в центрах его циклонических круговоротов в период наибольшего выхолаживания поверхностного слоя (в конце февраля - начале марта) и последующем растекании этих вод по куполу пикноклина. В целом следует отметить, что несмотря на значительное количество исследований по проблеме ХПС, по сей день отсутствует четкое количественное представление о том, где и в каких пропорциях формируются холодные воды, каковы скорости и основные направления их распространения, механизмы и скорости их трансформации.

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ дано описание информационной и методическом основ исследования.

В качестве информационной основы исследований использовались следующт результаты наблюдений: архивный банк судовых вертикальных профилей температуры I солености Черного моря, полученных во время океанографических съемок с помощью СТО зондов, четырехмерные (х,у,гД) климатические поля температуры и солености, полученные результате статистической обработки специализированного архивного банка судовы термохалинных наблюдений, выполненных в 1923-1993 гг., а также аналогичные поля тре компонент вектора скорости течения.

Расчеты климатических полей температуры и солености проведены по трапециям с сторонами 21' по широте и 28' по долготе (квадрат со стороной около 40 км на 23-х стандартны горизонтах с месячной дискретностью по времени. Линейная интерполяция исходны климатических полей температуры и солености в узлы расчетной области осущестаттась весовой функцией, обратной квадрату расстояния.

Использованные четырехмерные климатические поля трех компонент вектора скорост течения (т.е. трехмерные поля для каждого месяца) были рассчитаны по модели нелиненне гидродинамической адаптации (ТгиксМеу ег а1., 1995). Входными данными для этой моде: послужили описанные выше поля температуры и солености. Дискретность по горизонта,-составила 12' по широте и 15' по долготе. По вертикали взято 25 горизонтов (в т.ч. в: общепринятые стандартные горизонты).

Помимо упомянутой выше информации, в ряде расчетов использовались данные ] тепловому балансу (Тимофеев, 1992).

Параметризация вертикальной структуры ХПС основывалась на гипотезе автомодельности вертикального температурного профиля ХПС. В работе используется т называемый безразмерный интегральный параметр температуры а (Китайгородск! Миропольский, 1970): /

где Т,™,, - минимальная температура, 1) - глубина верхней границы ХПС. Н - глубина с нижней границы. За верхнюю и нижнюю границы принимхпись изотермы 8=С.

Л = (2-11)/(Н-11); е = (Т(2)-ТгЫ„)/(8-Тт1П), (2)

Полученные безразмерные профили температуры аппроксимированы степени

многочленом третьего порядка

9 = а0 + ацр + а1<р- + азф3 (3)

методом наименьших квадратов.

По данным отдельных съемок строились поля а, а также коэффициентов ат и аз полинома (3). С целью выяснения наличия связи формы вертикального профиля температуры ХПС с квазигеострофической завихренностью циркуляции вод поля указанных величин сопоставлялись с полями солености на глубине 100 м, которые, как указано в работе Блатова и др. (1984), тесно-связаны с циркуляцией вод.

Объемный Т,5-анализ проводился по стандартной методике с уточненной оценкой объемов вод в прибрежных и мелководных районах. Выходная информация указанных расчетов представлялась в виде Т,5-диаграмм, построенных для каждого месяца климатического года. С целью получения интегральной картины сезонной изменчивости объемных и термических характеристик вод ХПС строились диаграммы объемов и температуры в плоскости I (время) - Э (соленость), которая была выбрана в качестве аналога вертикальной координаты.

Изопикнический анализ вод ХПС также проводился по стандартной методике. По трехмерным климатическим полям плотности вод Черного моря, полученным по соответствующим полям температуры и солености для каждого месяца года была определена топография глубин залегания изопикнических поверхностей, соответствующих среднегодовом} положению верхней и нижней границ ХПС (изотерм 8°С), а также его ядра (минимума температуры), путем квадратичной интерполяции между стандартными горизонтами (Как показали тестовые расчеты, этот вид интерполяции наилучшим образом восстанавливает вертикальный профиль температуры ХПС). Для слоев, ограниченных этими поверхностями (те. для верхней и нижней частей ХПС) были получены оценки средних по вертикали значении температуры, соленостн 1! потенциальной завихренности. При этом предполагалось, что ее величина является постоянной в пределах данного мзопикнического слоя, Это предположение оправдано тем, что вертикальный профиль плотности в ХПС довольно близок к линейному, т.е. в пределах слоя вертикхтьный градиент меняется слабо.

Пнтегр;1льном характеристикой, позволяющей получить первонач:ыьнос представление об основных очагах формирования, а также направлениях н скоростях распространения холодных вод. янлистся холодозапас ХПС. Необходимо отметить, что термин "чололо ¡аплс" использовался авторами работы (Блатои и др.. 19Ь'4) и определялся по формуле

/У 10

ХЗ = 7(8-T0(z)) dz. (4)

где Ii и Н - глубины верхней и нижней границ ХПС, соответствующие положению изотерм To(z) - средняя температура слоя между стандартными горизонтами, dz - толщина этого слоя Поскольку в океанологии принято говорить о бюджете тепла, а не холода, в данной работ( использовался термин "относительный дефицит теплосодержания" (далее ОДТ). Поля ОД1 строились для каждого месяца климатического года.

Также в работе проводились оценки скорости субдукции холодных промежуточных во. по климатическим данным. Расчеты проводились по методике (Marshall, Nurser, 1992; Marshal) Nurser, Williams, 1993). Согласно этой методике, скорость субдукии S определяется как:

S = -wb - k (ch/ct) - ub Vh . (5)

Эта величина включает в себя собственно вертикальное движение частицы wb , локально временное изменение глубины перемешанного слоя ch/dt и вертикальное смещение частиц; относительно основания перемешанного слоя, связанное с горизонтальным градиентом глубин основания иь Vh. Умножая скорость субдукции на площадь ячейки, хтя которой производила расчет (ее размеры 0.2° х 0.25"), можно получить объемы вод, испытавших субдукцпю

Исследование траекторий частиц ХПС проведено по результатам описанных выи адаптационных расчетов трехмерных полей течений. Движение частиц предполагало! изопиюшческим. Поэтому при расчете вертикального положения частицы не принималась i внимание вертикальная компонента скорости течения. Вместо этого рассчитывалась глубш залегания изопикнической поверхности, соответствующей начальному положению частиц Дискретность по времени составляла 1 сутки. При этом осуществлялась четырехмсрн интерполяция вектора скорости в текущие точки нахождения частиц. Зимой, в ncpii' интенсификации циркуляции (spin-up) частицы смешались в среднем на 8-10 км за сутки, а некоторых участках струи ОЧТ - на расстояние до 15 км. Летом, когда интенсивное циркуляции ослабевает (spin-down), проходимое частицами за сутки расстояние уменьшало примерно в 2 раза. На акватории Черного моря было выбрано несколько районов, в каждый которых помещхчея кластер, состоящий, из 5-10 частиц-маркеров. Районы соотвстстиу типовым динамическим структурам Черного моря. В пертикхчьнои плоскости было выбра два уровня. Первый из них - поверхность моря, чтобы проследить процесс субдукции част! движущихся вдоль изопикнической поверхности. Второй уровень - нзопикничсская попер,чт»

14.8 ед.усл.пл., приблизительно соответствующая ядру ХПС. Частицы на этом уровне к началу зимнего охлаждения уже находятся в ХПС. Исследование траектории этих частиц имеет целью выяснение вопросов о том, в каких районах происходит наиболее интенсивное вовлечение частиц в процессы конвективного перемешивания и какие изменения претерпевают при этом их термохалинные характеристики. Для каждого кластера прослежено 4 варианта траекторий продолжительностью 5 месяцев, различающихся временем старта (в период с января по апрель). При вычислении траекторий каждой из частиц на каждом шаге расчета помимо координат частицы находились ее температура, соленость и глубина. Расчет температуры и солености осуществлялся посредством четырехмерной интерполяции. Причем, как и в случае с полями скорости, в горизонтальной плоскости применялась интерполяция методом бикубического сплайна; по вертикали и по времени характеристики восстанавливались с помощью ньютоновой квадратичной интерполяции.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ изучается климатический годовой цикл изменчивости вод холодного промежуточного слоя Черного моря.

Важной особенностью динамической структуры вод Черного моря является то, что они идентифицируются не только по характеру относительной завихренности, но и по термохалинной структуре вод. испытывающей сезонную изменчивость, согласованную с характером циркуляции вследствие действия механизмов баланса потенциальной завихренности. Усиление относительной циклонической завихренности циркуляции вод при этом приводит к растяжению вихревых трубок и связанному с ним подъему гидрологических слоев. Формирование антициклонической завихренности сопровождается сжатием вихря и соответственно заглублением слоев. Нижняя граница ХПС является более чувствительным индикатором этого процесса, чем верхняя, поскольку эффекты растяжения вихря накапливаются с глубиной (Блатов и др., 1984). Это обуславливает увеличение толщины ХПС в антпциклонических структурах. В диссертации показано, что все очаги максимальных концентраций холодных промежуточных вод связаны с развитием локальных антициклоннчсских -образовании. В связи с этим характеристики ХПС (н частности, вертикальный профиль его температуры) могут служить индикатором динамических образовании синоптического масштаба.

Исходя из этих соображений, в данной работе было проведено сопоставление кар солености на горизонте 100 м, хорошо отражающих характер относительной завихренности вод с картами безразмерного интегрального параметра температуры а. Оно показало хорошс соответствие между этими величинами. Минимумы (максимумы) солености, по которым можн< идентифицировать антициклонические (циклонические) структуры, совпадают с минимумам] (максимумами) а.

Анализ совокупности безразмерных профилей температуры, осредненных по значения; а с интервалом 0.03 подтвердил предположение о том, что профили с различными значениям! а соответствуют различным динамическим структурам. Для антициклонических структур (малы а) характерны профили с относительно небольшой кривизной и минимумом температуры н глубине 11=0.4. Профили температуры в циклонических структурах (повышенные а) отличаютс: большей кривизной и асимметричностью формы; минимум температуры расположен н глубине тр0.2.

Исходя из установленной связи вертикального температурного профиля ХПС квазигеострофической относительной завихренностью, предложена параметризацп: безразмерного вертикального профиля температуры ХПС хчгебраическим полиномом третье! степени (3).

Анализ климатических вертикальных разрезов температуры, солености и ПЗ показал. чт< основные очаги формирования (субдукции или погружения) холодных вод расположены районах северо-западного и западного материкового склона, а также в прикерченском районе Формирующиеся там воды, по-видимому, предста&тяют собой смесь вод центрального 1 периферийного происхождения, поскольку это районы прохождения струи ОЧТ I одновременно окраинные зоны циклонических круговоротов. Прнбрежные антициклоническт круговороты выступают в роли очагов накоатения холодных вод.

Интегральные пространственно-временные диаграммы объемов )| температур холодны: промежуточных вод позволили выделить внутри ХПС несколько классов вод, отличающих^ друг от друга как Т.З-прпзнаками. так и характером сезонной эволюции объемных I термических характеристик. Выявлена ярко выраженная двухслойность ХПС. Воды, солсност которых не превышает 19"/(ю- характеризуются значительно!! сезонной изменчивостью объеме и температуры. Их можно отнести к классу климатически (т.е. и среднем ежегодно

вентилируемых вод. Объемы и температура вод соленостью более 19%о испытывают довольно слабые изменения в ходе годового цикла. Эти воды можно отнести к классу климатически невентилируемых. Величины оьъемов вод этих двух классов приблизительно равны друг другу.

Внутри класса вентилируемых вод можно выделить несколько подклассов.

Воды, соленость которых не превышает 18%о, уже в январе достигают максимумов своего охлаждения и объема. Интенсивная трансформация этих вод в последующий период приводит к тому, что к концу годового цикла холодных вод соленостью менее 18"Дщ практически не существует.

Воды в диапазоне солености 18.0-18.4%о формируют на пространственно-временной диаграмме объемов абсолютный максимум в марте. Их дальнейшая трансформация в период с марта по май происходит довольно быстро, затем значительно медленнее. В результате к концу годового цикла остается лишь 10% объема от мартовского максимума.

Наиболее устойчив к трансформации подкласс вод в диапазоне соленостей 18.4-19.01,/<«. Сезонный ход объемов этих вод напоминает эволюцию объемов вод предыдущего подкласса с той разницей, что скорость трансформации более соленых вод меньше. Это объясняется, во-первых, большей изолированностью этих вод от внешних воздействий ввиду их более глубокого зхтегания, а во-вторых, тем, что объемы этих вод пополняются водами предыдущего подкласса в процессе их осолонения.

Воды кевентилируемого класса тоже испытывают колебания, хотя и слабые, своих объемных и термохалинных характеристик в течение года. Природа этих колебаний связана, скорее всего, с сезонной изменчивостью циркуляции вод Черного моря в силу названного выше механизма сохранения потенциальной завихренности. В весенний период интенсификации циркуляции (spin-up) происходит обострение циклонических куполов, благодаря чем; глубинные слои подтягиваются к поверхности и сжимаются, уменьшаясь в объеме. Однако даже при этом происходит вовлечение вышележащих вод, приводящее к некоторому охлаждению изопикнических (изогалинных) слоев вод. Летом наблюдается обратная картина - ослабление циркуляции (spin-down) и проседание циклонических куполов вызывает некоторое увеличение объемов изопикнических слоев и повышение их температуры за счс вовлечения вод нижележащих слоев. В целом для движения вод Черного моря по вертикали можно пронести аналогию с поршневым механизмом. При этом роль поршня играет растяжение и салгис

потенциального вихря, соответствующее сезонному изменению общей циркуляции вод Черного моря.

Результаты более детального объемного Т,5-анализа позволяют сделать следующие выводы о климатическом режиме эволюции ХПС в течение года.

(С февралю-марту в верхнем квазиоднородном слое Черного моря за счет осенне-зимней теплоотдачи в атмосферу формируются наиболее холодные воды (с температурой менее 8°С) в виде нескольких доминирующих мод с различными T.S-индексами и географической локализацией. В районе северо-западного материкового шельфа локализованы воды с температурой менее 6.0° С и соленостью менее 18%оЧмода-А): В северо-западной и западной частях моря формируются воды с соленостью в диапазоне 18.0-18.4°/оо , температура которых к концу зимы уменьшается до 6.0-7.0°С (мода В). Воды с такими же соленостными характеристиками, но более теплые (7.3-8.ГС) (мода С) характерны в этот период для юго-восточных и восточных районов моря. Воды температурой б.7-7.2°С и соленостью 18.4-18.6%о (мода D) характерны для прикерченского района на северной периферии восточного циклонического круговорота. Более низкая температура характерна для вод в центре циклонического круговорота. Объемы всех этих мод - одного порядка (5-10 х 10-' км').

С началом прогрева поверхностных слоев в апреле под вновь формирующимся сезонным пикноклином достаточно обособленной остается лишь мода А. В этот период она сохраняет свои термохалинные характеристики, но почти вдвое уменьшается в объеме, а уже к нюню эта мода вообще не прослеживается. Испытавшие субдукцию нижние слои вод мод B-D становятся блме друт другу по температуре и солености. Дальнейшая эволюция объединенной моды достаточно монотонна и заключается в медленной эрозии со стороны низких температур и соленостей, сопровождающейся общим уменьшением объема.

Географически первоначальные зимние моды утрачивают обособленность уже в начале весны. В процессе циркуляции воды центрального и периферийного происхождения перемешиваются друг с другом. Некоторая часть вод захватывается квазнстационарнымн прибрежными и юго-восточным антиииклоническнмн круговоротами, где они сохраняют спою индивидуальность в течение всего года.

Анализ топографии изопикнически.х поверхностей ХПС. а также распределения температуры, солености и ПЗ в изопикнических слоях, соответствующих верхней н нп.кнеп

частям ХПС, позволил установить, что процесс трансформации его вод происходит и два этапа. На первом из них (апрель-май) происходит быстрая субдукция изопикничсских поверхностей ХПС, сопровождающаяся некоторыми изменениями их термохалинных свойств. Причем изменения температуры и солености вод, циркулирующих в ОЧТ, гораздо менее существенны по сравнению с изменениями, которые испытывают воды, вращающиеся в циклонических круговоротах.

На втором этапе трансформации (июнь-декабрь) происходит медленная субдукция изопикнических поверхностей ХПС, сопровождающаяся постепенным увеличением температуры и солености холодных промежуточных вод в результате их взаимодействия с водами нижележащего галоклина.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ рассматривается вопрос об основных очагах формирования холодных вод, а также о скоростях и направлениях их распространения по акватории Черного моря.

Анализ сезонной эволюции полей ОДТ (относительного дефицита теплосодержания), сочетающего в себе объемные и термические характеристики холодных промежуточных вод позволил сделать следующие выводы. Основными очагами формирования холодных вод являются северо-западная и западная часть моря, а также район восточного циклонического круговорота. Учитывая значительную площадь, занимаемую холодными водами в северозападной и западной части моря, можно констатировать, что с точки зрения объемов образующихся вод значимость этих источников выше. На первом этапе эволюции (март-мал) происходит быстрая адвекция больших объемов холодных вод в струе ОЧТ в восточную часть моря. В последующие месяцы наблюдается общее уменьшение ОДТ ХПС. сопровождающееся растеканием холодных вод по акватории моря. При этом прибрежные антициклоннческне круговороты выступают в роли стационарных очагов накопления холодных вод.

Процесс субдукции, являющийся важной составляющей процесса вентиляции, представляет собой погружение холодных вод в промежуточные слои, после чего начинается квазипзопикническое распространение этих вод по акватории моря, сопровождающееся некоторыми изменениями их термохалинных характеристик. В диссертации по.пчены поля объемов вод, испытавших субдукиию. и термохалинные характеристики этих |ки

Примечательно, что процесс субдукшш наиболее интенсивен в районах северо-западного и западного материкового склона, а также в прикерченском районе, где толщина В КС в начале периода охлаждения максимальна. Относительная значимость этих источников приблизительно одинакова, а их совместая доля в общем количестве холодных вод, испытавших субдукцию составляет не менее 70%.

Резкое уменьшение интенсивности процесса субдукшш в . _ лае препятствует проникновению в промежуточные слои теплых поверхностных вод. Благодаря этому дальнейшая эволюция холодных промежуточных вод происходит в условиях изоляции от поверхностных воздействий.

Анализ термохалинных характеристик погрузившихся вод показал, что воды, испытавшие субдукцию в феврале и в марте, отличаются друг от друга по солености. Это позволяет предположить, что существование более пресной и более соленой мод холодных промежуточных вод может объясняться не только различным географическим происхождением этих мол, но и различным временем начала их субдукшш в промежуточные слои.

Ярко выраженный сезонный ход количественных и термических характеристик вентилируемых вод, основной чертой которого является существенное увеличение объемов и уменьшение температуры этих вод в зимнее время, сменяющееся постепенным уменьшением объемов и увеличением температуры холодных вод в оставшуюся часть годового цикла, позволяет сделать вывод о ежегодном обновлении непосредственно вентилируемой части холодных промежуточных вод. Другими словами, возраст этих вод не превышает одного года. Оценки климатической глубины непосредственной вентиляции дают следующие величины: 5560 м - в центральной части Черного моря и примерно 80 м - в его прибрежных районах.

Основными механизмами обновления невентилируемых вод следует считать, кроме медленной диапикнической диффузии холодных промежуточных вод в глубинные слои, выявленный и описанный выше "поршневой" механизм в диапазоне глубин 75-200 м (солености 19.0-20.8°/оо). В климатическом масштабе эти процессы можно считать непрерывными. Для оценки скорости и глубины проникновения конкретного поверхностного сигнала необходимо учитывать межгодовую изменчивость исследуемых характеристик, т.е. использовать данные отдельных съемок. Очевидно, в аномально суровые зимы происходит прямая вентиляция достаточно глубоко залегающих слоев, невентилируемых в климатическом

масштабе. Названные вопросы требуют специального исследования с приложением натурных экспериментов и численного моделирования. Они выходят за рамки настоящей диссертации.

Весьма чувствительным индикатором проникновения процессов вентиляции в Черном море является положение верхней границы сероводородной зоны (ВГ НзЗ-зоны). Как показано в-работах Виноградова (1991), Еремеева и др. (1996), все изменения положения ВГ НзЗ-зоны происходят в водах ниже слоя максимальных градиентов пикноклина и обуславливаются, главным образом, гидрофизическими и гидрологическими факторами. Это свидетельствует о возможности использования положения ВГ НгЗ-зоны в качестве одного из критериев оценки климатической глубины вентиляции черноморских вод. В настоящей диссертации .. изучалась изменчивость свойств холодных промежуточных вод в изогалинных слоях. Было проведено сопоставление карт среднегодовой глубины залегания ВГ НзЗ-зоны (по данным Еремеева и др. (1996)) и среднегодового положения изогалинной поверхности 20.8°/оо. которая, как было установлено из анализа термохалинных данных, является нижним климатическим пределом проникновения вентиляции. Распределение параметров на этих картах подобно. Это лишний раз доказывает справедливость выдвинутой автором гипотезы о ежегодной частичном вентиляции слоя 19.0-20.8°/оо (75-200 м) посредством "поршневого" механизма.

При переходе от вентилируемых вод, обновляемых посредством конвекции и изопикнической адвекции, к невентилируемым, основными механизмами обновления которых яапяются диапикническая диффузия и так называемый "поршневой" механизм, следует ожидать резкого увеличения времени вентиляции вод. Таким образом, специфика гидрологических условий Черного моря (в частности, то, что в основанни ХПС залегает сильно стратифицированный галоклин) накладывает глубокий отпечаток на характер вентиляции вод данного бассейна и делает его принципиально отличным от классической океанском вентиляции.

Анализ лагранжевых характеристик распространения вод ХПС показал, что траектории частиц этого слоя отличаются большой сложностью, что связано со значительном пространственной и временной изменчивостью полей течений Черного моря. Тем не менее удалось выделить определенные закономерности, которым подчиняется движение иод ХПС

Маркеры, стартовавшие в струе ОЧТ на северо-западе к юго-иостоке. прмблнштсльно через месяц попадали в малоподвижные области замкнутых циркуляции соответственно сеисро-

западного и западного, а также восточного шельфа и склона, и сохраняли там свое положение I! течение всего года. Подобное поведение маркеров в указанных районах носило довольно устойчивый характер и слабо зависело от времени старта.

Распространение маркеров, стартовавших из других районов, имело более сложным характер. Отслеживание их траекторий показало, что в феврале-марте в западной и юго-западной частях моря, на северной периферии восточного циклонического крутоворота (в прикерченском районе), а также в районе к юго-западу от Крыма происходит перенос вод из поверхностных слоев в промежуточные. Процесс субдукшш в этих районах имеет динамическую природу, поскольку там преобладают нисходящие конвергентные движения вод. Термохалннныс характеристики вод, испытывающих субдукшно в разных районах в разное время несколько различаются. Воды, погрузившиеся в западной и юго-западной частях моря в феврале, имеют температуру 6.5-7.1°С и соленость 18.3-18.40/(кь тогда как воды, погрузившиеся в этот период на северной периферии восточного циклонического круговорота, характеризуются температурой 6.7-6.9°С и соленостью 18.4-18.6%о- В марте соленость поверхностных слоев моря несколько увеличивается, и это находит отражение в термохалинных характеристиках погрузившихся вод. Так, воды, испытавшие субдукцию в западной и юго-западной частях моря в марте, имеют соленость 18.5-18.6%о-

В целом, отслеживание изменений температуры и солености маркеров в процессе их движения показало, что скорость трансформации термохалинных свойств значительно выше \ вод, циркулирующих в циклонических круговоротах, нежели у вод, перемещающихся в струе

очт.

Анализ лагранжевых характеристик распространения также показал, что в феврхче-марте попадания маркеров в западный циклонический круговорот и на северную и северо-восточную периферии восточного циклонического круговорота сопровождаются их подъемом с глубины примерно 50 м в подповерхностные слои, а в некоторых случаях - выходом на поверхность моря. При этом температура частиц понижается на 1-1.5°. По прошествии некоторого времени маркеры возвращаются в промежуточные слои.

Весенне-летний период характеризуется ослаблением циркуляции и постепенным погружением частиц на глубины 60-100 м, сопровождающимся медленным увеличением и\ температуры н солености. Распространяясь в перпферпиных областях моря, частицы млею

вовлекаются в прибрежные антициклонические круговороты. В целом можно отмстить преимущественную локализацию частиц в нескольких очагах прибрежной зоны Черного моря: западно-северо-западном, юго-восточном, Керченско-Новороссииском, юго-запмном Крымском (Каркинитском).

Исходя из всего сказанного в этом пункте, можно предположить, что определяющим фактором формирования термохалинных свойств холодных промежуточных вод нужно считать район и время их субдукции. В целом, признавая роль циклонических круговоротов как районов интенсивного охлаждения частиц, основными источниками формирования холодных промежуточных вод с модальными термохалинными характеристиками следует считать западную часть моря и Ьрикёрченский район (северную периферию восточного циклонического круговорота), т.е. районы субдукции холодных вод в промежуточные слон.

В ЗАКЛЮЧЕНИИ изложены основые результаты настоящей работы и сформулированы следующие следующие выводы:

1. Вертикальный профиль температуры ХПС Черного моря обладает четко выраженными пространственными особенностями, тесно связанными с квазнгсострофнчсекои относительной завихренностью циркуляции вод. Проведено малопараметрическое описание вертикального профиля температуры ХПС.

2. Внутри ХПС выделено несколько классов вод, обособленных друг от друта по термохалинным признакам, по положению в вертикальной структуре вол. а также географически.

3. Воды, соленость которых превышает 19!'Дю. находятся в климатически невентилируемой зоне. т.е. не подвергаются прямой вентиляции ежегодно. Единственным эффективным механизмом их обновления является вовлечение вышележащих более холодных и пресных вод в период интенсификации (spin-up) циклонической циркуляции и восходящих

I

вертикальных движений, имеющий место в конце зимы, с последующим опусканием в режиме ослабления циркуляции (spin-down) до начала осени ("поршневой" механизм).

4. Воды, соленость которых меньше 19%<>, находятся в климатически вентилируемой зоне. Внутри этого класса выделено несколько 'термохалинных мод (максимумов объемов вол ХПС). Наиболее холодные и пресные воды температурой менее 6-С и соленостью менее IS"..,,.

формируются в январе-феврале на северо-западном шельфе. Однако, они подвергаются наиболее быстрой трансформации - к началу лета их практически не существует. Основными же очагами формирования холодных промежуточных вод в Черном море являются районы материкового склона в западной части моря (в феврале там формируются воды с характеристиками Т=6.0-7.0°С, S=18.0-18.4°/oo), а также прикерченский район или северная периферия восточного циклонического круговорота, где формируются воды примерно с такой же температурой, но несколько более соленые (18.4-18.6°/оо)- В образовании этих мод принимают участие циклонические круговороты в западной и восточной частях моря. Однако, лишь попадая в указанные выше районы-источники, где имеется благоприятное сочетание климатических (глубокая конвекция) и динамических (нисходящие движения вод) факторов, холодные воды приобретают характеристики, с которыми они погружаются в промежуточные слои и становятся относительно изолированными от внешних воздействий.

5. Объемный и изопикническии анализы термохалинных свойств холодных вод показали, что процесс трансформации вод ХПС можно разбить на два этапа. На первом этапе (апрель-май) происходит быстрая субдукция холодных вод и последующее их квазиизопикничсскос (квазиадиабатическое) распространение по всей акватории Черного моря, особеннс эффективное в струе ОЧТ. На втором этапе трансформации (июнь-декабрь) основных фактором становится диапикническая диффузия солей из постоянного галоклина н и.1 вовлечение за счет поршневого эффекта в режиме spin-down, вызывающие постепенно! осолонение и медленную субдукцию холодных промежуточных вод. Это сопровождается общих уменьшением объема вод ХПС и их медленным перемещением вдоль побережья. При этох некоторая часть холодных промежуточных вод попадает в прибрежные антициклоничеект круговороты. Эти круговороты являются своеобразными резервуарами, где холодны! промежуточные воды сохраняют свои характеристики неизменныхш в течение остальнои част! года. '

6. Анализ лагранжевых траекторий частиц ХПС показал, что процесс распространен!! холодных прох!ежуточных вод из мест их формирования отличается значительной сложноегьк Воды, сформировавшиеся на северо-западном свале глубин и в керченскох! районе, уже первые .\1ссяцы распространения локализуются в антициклонических структурах идол западного побережья моря. Воды, сформировавшиеся в западной части моря, перемешаются

струе ОЧТ вдоль южного побережья и к маю достигают юго-восточно» части .моря. Выявлены несколько географических разновидностей холодных промежуточных вод Черного моря: воды ХПС циклонических круговоротов, воды ХПС Основного Черноморского течения и воды ХПС прибрежных квазистационарных антициклонов.

Результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Внутригодовая изменчивость объемных термохалинных характеристик вод холодного промежуточного слоя Черного моря. Материалы конференции "Современные проблемы комплексного исследования морей", 1995 {в~соавторстве с В.С.Тужилкиным).

2. Режимы распространения и трансформации холодных промежуточных вод в Черном море. Материалы конференции "Современные проблемы комплексного исследования морей", 1995 (в соавторстве с В.С.Тужилкиным).

3. Климатический режим формирования и изменчивости вод холодного промежуточного слоя Черного моря. Материалы научной конференции по результатам исследований в области гидрометеорологии и мониторинга загрязнения природной среды, 1996.

4. Климатические траектории распространения вод холодного промежуточного слоя в Черном море в связи с проблемами экологии. Материалы симпозиума "Экология-96". Одесса. 1996 (в соавторстве с В.С.Тужилкиным, Д.И.Трухчевым).