Термическая структура мелководного озера в период ледостава: внутрисезонная и межгодовая изменчивость

Здоровеннова, Галина Эдуардовна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Термическая структура мелководного озера в период ледостава: внутрисезонная и межгодовая изменчивость
ВАК РФ 25.00.27, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Термическая структура мелководного озера в период ледостава: внутрисезонная и межгодовая изменчивость"

На правах рукописи

Здоровеннова Галина Эдуардовна

ТЕРМИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА МЕЛКОВОДНОГО ОЗЕРА В

ПЕРИОД ЛЕДОСТАВА: ВНУТРИСЕЗОННАЯ И

МЕЖГОДОВАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ

Специальность 25.00.27 - гидрология суши, водные ресурсы,

гидрохимия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Санкт-Петербург 2007

003056546

Работа выполнена в Институте водных проблем Севера Карельского научного центра РАН

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

кандитат технических наук Тержевик Аркадий Юрьевич (ИВПС КарНЦ РАН)

доктор географических наук Рянжин Сергей Валентинович

(ИНОЗ РАН)

кандидат ф.-м. наук Борис Вячеславович Иванов (ГНЦ ААНИИ)

Институт водных проблем РАН (Москва)

Защита состоится 18 апреля 2007 г. в_час. на заседании диссертационного совета Д 002.064.01 при Институте озероведения РАН при по адресу: 196105, Санкт-Петербург, ул. Севастьянова, д. 9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института озероведения РАН.

Автореферат разослан марта 2007 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета кандидат военных наук

Цветков Владимир Юрьевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Мелководные замерзающие озера ледникового генезиса широко распространены в умеренной и субполярной зонах североамериканского и евразийского континентов. На территории США, Канады, североевропейских стран, России насчитывается более 600000 таких озер, при этом регулярные гидрофизические наблюдения проводятся лишь на нескольких сотнях из них. Наименее изученным остается зимний термический рейдам таких озер, не смотря на то, что ледостав на них продолжается несколько месяцев, оказывая существенное влияние на состояние и функционирование их экосистем. Снежно-ледовый покров изолирует озеро от прямого воздействия атмосферы, исключает ветровое перемешивание, ограничивает проникновение солнечной радиации (Андреев, Иванов, 2003; Калитин, 1938; Мокиевский, 1960; Чехин, 1987) и кислорода в водную толщу, определяет интенсивность фотосинтеза подо льдом весной (Вологдин, 1981, Hargrave, 1972). В Карелии насчитывается свыше 61 тыс. озер, однако регулярные гидрофизические исследования проводятся лишь на нескольких десятках водоемов. Большинство проводимых натурных исследований ограничиваются краткосрочными температурными съемками, не дающими достоверных сведений об эволюции термической структуры в озере подо льдом в течение зимы. В связи с этим актуальной задачей является выявление закономерностей межгодовой и сезонной изменчивости зимнего термического режима типичного мелководного озера, являющегося представителем широкого класса озер, подобных ему по морфометриче-ским признакам. Разработка методов прогноза сезонной изменчивости полей гидрофизических и химико-биологических характеристик, определяющих качество воды в мелководных озерах, необходима для оценки состояния их экосистем. При этом наряду с натурными исследованиями водоемов (Особенности..., 1984; Эвтрофирование..., 1980; Поверхностные..., 1991 и др.), перспективным путем решения широкого крута задач становится применение методов математического моделирования (Миронов и др., 1990; Fang, Stefan, 1997; Golosov, Ignatieva, 1999; Ryanzhin, 1997). Основными параметрами, определяющими протекание многих гидрофизических и химико-биологических процессов в озере подо льдом являются температура водной толщи и содержание растворенного кислорода (PK). Температура играет значительную роль в возникновении и поддержании циркуляции и перемешивания в озере (Bengtsson et al., 1996; Welch, Bergmann, 1985), перераспределении различных химических элементов. Дефицит PK существенным образом влияет на поведение рыб, планктонных организмов, особенно в зимний период. Появление безкислородных зон в придонных слоях озер может приводить к накоплению в их донных отложениях

аммонийного азота, сероводорода, метана, водорода. Определяющее влияние на появление дефицита РК в озере зимой оказывают такие биохимические факторы, как жизнедеятельность различных организмов и концентрация органического вещества в придонной области (Бульон, 1983; Ульянова, 1984; Cornett, 1987). Интенсивность бактериального поглощения РК существенным образом зависит от температуры (Бреховских, 1988; Стравинская, 1980; Boylen, Brock, 1973). Температурный режим замерзающего озера, формирующийся в результате сложного взаимодействия между атмосферой, водной массой и донными отложениями, отражает суммарное влияние физических факторов на образование дефицита РК в озере зимой.

Цель работы: на основании анализа данных многолетних натурных наблюдений выявить основные закономерности межгодовой и сезонной изменчивости термической структуры и кислородного режима небольшого мелководного озера в период существования ледового покрова. В связи с этим были поставлены и решены следующие задачи:

• исследовать межгодовую и сезонную изменчивость термической структуры и кислородного режима небольшого мелководного озера в зимний период по данным многолетних натурных измерений;

• количественно оценить тепловые потоки на границах водной массы озера с донными отложениями и ледовым покровом и их изменчивость в течение зимы;

• исследовать межгодовую и сезонную изменчивость теплосодержания столба воды на разных глубинах небольшого мелководного озера;

• изучить особенности радиационного режима мелководного озера зимой, а также исследовать сезонную динамику таких параметров, как толщина снежно-ледового покрова, альбедо.

Научная новизна и основные научные положения, выносимые па защиту:

• впервые обобщены и проанализированы данные более чем десятилетних ежегодных комплексных гидрофизических исследований, проводившихся в период 1994-2005 гг. в зимние месяцы на небольшом мелководном озере (типичном представителе класса озер водно-ледникового генезиса, широко распространенных как на территории Карелии, так и в мире) и показана существенная межгодовая изменчивость его термического режима в период существования ледового покрова, определяемая изменяющимися от года к году климатическими условиями;

• можно выделить несколько периодов, отличающихся характером изменения температуры водной толщи мелководного озера зимой: предле-доставный, интенсивного прогрева, установившегося прогрева и весеннего подледного прогрева. В предледоставный период озеро охлаждается в

состоянии гомотермии. В период интенсивного прогрева (продолжительностью около месяца), обусловленного теплообменом водной массы озера с донными отложениями, максимумы дисперсии и градиента температуры наблюдаются в придонном слое толщиной 10-30% глубины. В период установившегося прогрева интенсивность изменений температуры водной толщи по вертикали выравнивается. Период весеннего подледного прогрева, продолжающийся 30-35 суток, обусловленный проникновением солнечной радиации под лед, характеризуется высокой изменчивостью температуры в верхних слоях водной толщи озера (50% глубины);

• показано, что межгодовая изменчивость зимнего термического режима мелководного озера определяется продолжительностью предледо-ставного периода и температурой замерзания озера. Были выделены годы с «коротким» и «продолжительным» предледоставным периодом, «высокой» и «низкой» температурой замерзания. «Коротким» считается предледоставный период, когда температура водной толщи озера, охладившегося до 4°С, перед замерзанием понижается на 0.5-0.6, «продолжительным» - на 0.1-0.2°С за сутки, соответственно. Температура замерзания озера считается «низкой», если составляет 0.5-0.6 и «высокой», если составляет 1.5-2.2°С. В годы с «коротким» предледоставным периодом и «низкой» температурой замерзания наблюдается наибольшая длительность периода интенсивного прогрева, максимальные скорости повышения придонной температуры и теплосодержания в течение зимы.

Объектом исследования диссертационной работы является оз. Вен-дюрское, расположенное в южной части Карелии, небольшой (площадь зеркала 10.4 км2, объем вод -5.5-107 м3) и мелководный (средняя глубина 5.3, максимальная - 13.4 м) водоем. Предметом исследования являются закономерности термической структуры и кислородного режима небольшого мелководного озера в период ледостава.

Материалы и методы исследований. В работе использовались данные многолетних комплексных гидрофизических исследований Института водных проблем Севера (ИВПС) КарНЦ РАН, проводившихся на оз. Вендюрском в зимние месяцы 1994-2005 гг., как в рамках тем фундаментальных исследований, так и международных проектов. При обработке данных использовались стандартные методы статистического анализа, регрессионный, корреляционный и спектральный анализ.

Автор принимал непосредственное участие в обработке и анализе данных натурных исследований; теоретические расчеты, результаты которых приведены в диссертационной работе, выполнены лично автором или с соавторами.

Теоретическая и практическая значимость работы. Выявленные в работе закономерности изменчивости термической структуры и распределения РК в водной толще мелководного озера зимой, а также полученные оценки тепловых потоков вблизи границ вода-дно и вода-лед, скоростей роста толщины льда и изменения температуры на разных горизонтах водной толщи могут использоваться в прогностических и диагностических моделях зимнего термического и кислородного режимов мелководного озера, при моделировании экосистем малых озер. Определенные на основании многочисленных натурных экспериментов значения эффективного коэффициента поглощения (ЭКП) солнечной радиации слоями снега и льда различной толщины и структуры могут быть использованы при решении задач параметризации ослабления солнечной радиации снежно-ледовым покровом мелководных пресноводных озер умеренной зоны. Установленные на основании натурных измерений диапазоны изменчивости альбедо снежно-ледового покрова мелководного озера для различных состояний поверхности и погодных условий могут использоваться широким кругом специалистов при изучении радиационных характеристик снега и льда, температурного и светового режимов озер в период ледостава, в моделях прогноза погоды для параметризации подстилающей поверхности, покрытой озерами.

Апробация работы. Результаты работы были использованы при выполнении тем НИР и международных проектов:

• тема ОНЗ РАН ИВПС КарНЦ РАН «Озерно-речные системы как элемент ландшафта Северо-Запада России. Гидродинамические аспекты развития экосистемных процессов» (№ государственной регистрации: 01.2.00305207);

• тема ОНЗ РАН ИВПС КарНЦ РАН «Озерно-речные системы как элемент ландшафта Северо-Запада России. Разработка инструментария для эффективного управления водными ресурсами озер» (№ государственной регистрации: 01.2.006 06526);

• международный проект INTAS-01-2132 «Представление озер в численных моделях с приложениями к окружающей среде»;

• международный инновационный проект INTAS-05-1000007-431 «Озерная модель FLake: современный инструмент для моделирования окружающей среды и образования».

Основные результаты диссертации докладывались и были представлены на VI Международной конференции «Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежной зоны морей» (Москва, 2004), на 7-м, 8-м и 9-м рабочих совещаниях "Physical processes in natural waters" (Петрозаводск, Россия, 2003; Лунд, Швеция, 2004; Ланкастер, Англия, 2005), на Международной конференции

«Экологическое состояние континенталшых водоемов Арктической зоны в связи с промышленным освоением северных территорий» (Архангельск, 2005 г.), на III Международной конференции «Современные проблемы оптики естественных вод» (Санкт-Петербург, 2005), на IV (XXVII) Международной конференции «Биологические ресурсы Белого моря и внутренних водоемов Европейского севера» (Вологда, 2005), на II Республиканской школе-конференции молодых ученых «Водная среда Карелии: исследование, использование, охрана» (Петрозаводск, 2006), на семинаре лаборатории гидрологии ИНОЗ РАН (Санкт-Петербург, 2006 г.), на семинарах лабораторий географии и гидрофизики ИВПС КарНЦ РАН.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 работ, две из которых в реферируемых журналах.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографии, включающей 186 наименований, и шести приложений. Общий объем работы — 179 машинописных страниц.

Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю к.т.н. АЛО. Тержевику за постановку задачи, ценные советы и рекомендации. За предоставленные данные, участие в обсуждении результатов и ценные советы автор глубоко признателен сотрудникам лабораторий гидрофизики и географии ИВПС КарНЦ РАН: д.г.н.,

проф.., H.H. Филатову, к.г.н. [П.М. Бояринову|, М.П. Петрову, к.г.н. Н.И.

Пальшину, A.B. Митрохову, Л.Е. Назаровой, A.B. Толстикову, М.С. Богдановой, к.г.н. Р.Э. Здоровеннову.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследования, сформулированы его цели и задачи, дана оценка новизны и практической значимости полученных результатов, приведена краткая характеристика диссертационной работы.

В первой главе сформулированы современные представлешш о зимнем термическом и кислородном режимах мелководных замерзающих озер умеренной зоны. Изменение термической структуры мелководного озера во времени определяется поглощением солнечной радиации, обменом теплом на границах водной толщи с атмосферой и грунтом, а также перераспределением тепла в озере течениями и турбулентным перемешиванием. Летом тепловой баланс мелководного малопроточного озера определяется взаимодействием его водной массы с атмосферой, зимой при наличии сплошного снежно-ледового покрова, теплообменом с донными отложениями. Зимний термический режим мелководных озер, расположенных в одинаковых климатических условиях, главным образом, определяется их морфометрическими характеристиками и

особенностями вегрового перемешивания в период открытой воды (Бакасгов, 1965; Фрейндлинг, 1991; ВПе11о, 1968; Веп^ББОп, Буе^ои, 1996). Минимальное теплосодержание мелководного малопроточного озера наблюдается к моменту ледостава, в течение зимы оно растет (Крицкий и др., 1947; Кузьменко, 1976; Форш, 1968 и др.).

Наиболее благоприятным для жизнедеятельности населяющих водоем организмов считается кислородный режим, когда насыщение воды кислородом составляет 80-105%, что характерно для олиготрофных водоемов. К водоемам с хорошим кислородным режимом относятся те, в которых насыщение РК составляет 60-120%. Перенасыщение вод РК связано с повышенной трофностью водоема (эвтрофные озера). Основной причиной появления дефицита РК в мелководном озере зимой является его потребление бактериопланктоном в процессе разложения органического вещества, а также диффузия в донные отложения (Бреховских, 1988; Сабыли-на, 1991; Стравинская, 1980; На^гауе, 1972).

Во второй главе дается физико-географическое описание оз. Вендюр-ского, расположенного на юге Карелии (62°10'-62°20' с.ш., 33°10'-33°20' в.д.). Этот небольшой (площадь зеркала 10.4 км2, объем вод -5.5-107 м3) и мелководный (средняя глубина 5.3, максимальная - 13.4 м) водоем принадлежит к бассейну р. Суны, впадающей в Онежское озеро (рис. 1). Котловина озера ледникового происхождения, вытянута с запада на восток, ее длина -7.0, а ширина —1.5 км. Объем стока впадающих и вытекающих из озера ручьев невелик. Подземные воды и атмосферные осадки оказывают определяющее влияние на изменения объема озерных вод в течение года. Коэффициент условного водообмена озера равен 0.4. Прозрачность воды по диску Секки составляет 3-4 м. С экологической точки зрения озеро можно отнести к мезотрофному типу. Донные отложения представляют собой песок на мелководье (на глубинах 2-3 м) и коричневые и темно-коричневые илы в остальной части озера (-60% площади дна). Толщина слоя илов достигает метра. В коричневых и темно-коричневых илах содержание органики составляет 20-30, в песчаных отложениях - 10% (Литинская, Поляков, 1975).

Территория Карелии характеризуется умеренно континентальным климатом с чертами морского (продолжительная мягкая зима, короткое прохладное лето, значительная облачность, неустойчивость погоды в течение всего года). Для района исследований (юг Карелии) типична существенная изменчивость климатических условий от года к году. С 1994 по 2002 гг. наиболее холодным был 1998, а наиболее теплым - 2000 г.; максимальное количество осадков выпало в 1995, минимальное — в 1996 г. Холодными были зимы 1995-1996 и 1997-1998, теплыми - 1994-1995 и 1999-2000 гг.: средняя температура воздуха в период с ноября по апрель)

Рис. I. Расположение озер Ввил юре кой группы на карте Карелии.

составила в эти годы -6.9, -7.1, -2.9, -3.0°С, соответственно. По количеству осадков (сумме среднемесячных показателей с ноября по апрель) многоснежными были зимы 1994-1995 (275 мм осадков), 1996-1997 (259 мм и 1999-2000 (259 мм) гг., малоснежными - 1995-1996 (183 мм) и 1998-1999 (190 мм) гг. Наиболее холодным был апрель в 1998, а наиболее теплым - в 2001 г. (среднемесячная температура апреля в указанные годы составила -1.7 и 5.8°С, соответственно). Среднемесячные температуры приземного слоя воздуха в апреле

1994 и в 1999-2002 гг. превышали 3°С. Многоснежным был апрель в 1994,

1995 и 1997 гг. (56, 56 и 59 мм осадков, соответственно), малоснежным - в 1996, 1998, 2002 гг. (15, 5, 10 мм осадков, соответственно). Можно выделить годы с холодной (1995-1998 гг.) и теплой (1994,1999-2002 гг.) весной.

В зимние месяцы 1994-2005 гг. сотрудниками ИВПС на оз. Вендюр-ском проводились гидрофизические исследования, которые включали постановку термокос и выполнение измерений на разрезах (Боярииов и др., 2003; Bengtsson et al., 1995, 1996; Mäher et al., 1999; Mäher, Malm, 2003; Malm et al, 1996, 1997, 1997a, 1997b, 1998). Положение разрезов и станций наблюдений в 1994-2005 гг. показано на рис. 2.

(а)

(б)

Paipei 4 Paipei 5

Рис. 2. Положение разрезов (номера в кружках) и станций гидрофизических исследований на оз. Вендюрском: а - в 1994 г., б - положение станций на 4-м разрезе в 1995-2005 гг., на 5-м разрезе в 1995-1996 гг. (расстояние от северного берега, км).

В 1994-2005 гг. на разрезах проводились измерения:

• температуры и электропроводности воды от поверхности до дна;

• температуры и электропроводности воды вблизи границ вода-лед и вода-дно;

• температурного градиента в верхнем 10-см слое донных отложений;

• содержания растворенного кислорода (с 2000 г.);

• толщины и структуры снежно-ледового покрова;

• прямой, отраженной, проникающей под лед солнечной радиации;

• течений, горизонтальных и вертикальных смещений льда (в 1994-1997 гг.).

В 1994-1995 гг. гидрофизические исследования проводились на станциях 1-6-го разрезов, в 1995-1997 и 1998-1999 гг. - на станциях 3-6-го разрезов. В 1997-1998, 1999-2000,2001-2003 гг. исследования проводились только на 4-м разрезе. В 2003-2005 гг. исследования проводились на станциях 3-5-го разрезов. В 1994-2003 гг. термокосы устанавливались на станциях 4-го разреза, в 2003-2005 гг. - на станциях 3-5-го разрезов. Постановка тер-мокос осуществлялась до образования льда. В марте 1994, феврале 1998, феврале и декабре 2002 гг. термокосы были установлены со льда.

Сведения о приборах, используемых при гидрофизических исследованиях, с указанием измеряемых параметров, диапазона измерений, точности и разрешающей способности приведены в таблице 1.

Таблица 1

Основные характеристики приборов, используемых ири гидрофизических исследованиях на оз. Вендюрском.

Прибор Параметр Диапазон Точность Разрешение

Термокоса, ТЯ-1 Температура - 11 каналов (°С) -2.46.+21.48 ±0.15 0.02

тсо зонд Температура (°С) ЭлсктропроводностьСцВ-см"1) Глубина (м) 3 диапазона подледные измерения (м) придонные измерения(м) 0..25 10..50 10.. 1000 0..100 0..1.5 -1..0.2 ±0.05 ±3% ±10%, 0.05+2% 0.02+2% 0.01 + 10% 0.003 0.2% 3%, 0.05 0.008 0.008

Измеритель течений ЯСМ-4 Температура, °С Электропроводность(р.5см"') Скорость течения (см-с"1) Направление (град) -0.34 + +32.17 0 + 70 1.5...200 0...360 ±0.15 2% ±1 ±3 0.03 0.1% 2% 3

Измеритель температуры и элск-тропровод-ности ТС Температура (°С) Электропроводность(ц8-см"') -г.. +30 0..70 ±0.05 ±1% 0.01 0.03% БЗ

Измеритель градиента температуры в донных отложениях Градиент температуры (°С'м"') 3 диапазона -0.3..+0.3, -1..+ 1, -3..+3 0.03+2% Г 8

Пиранометр Надледный Подледный Солнечная радиация (Вт-м"2) прибор на поверхности льда прибор подо льдом 0..1000 0..200 1 + 10% 0.3+20% 1 0.2

По данным многолетних наблюдений установлено, что ледовый покров на оз. Вендюрском образуется в первой половине ноября, однако в отдельные годы это происходит во второй половине ноября или даже в начале де-

кабря (1996 г.). Обычно озеро освобождается ото льда 1-20 мая. Период ледостава на озере продолжается -170-190 суток. Наибольшая скорость роста толщины льда наблюдается в начале зимы и составляет -8-12, в середине зимы снижается до 3-5, в конце зимы - до 1-2 мм в сутки. На протяжении всей зимы поверхность льда покрыта слоем снега, толщина которого достигает максимальных значений к середине зимы. В 1996 г. в середине апреля наблюдалась наибольшая толщина снежного и ледового покровов (0.12 и 0.76 м, соответственно). В другие годы толщина снежного и ледового покровов к этому моменту составляла 0.00-0.09 и 0.49-0.69 м, соответственно. Ледовый покров оз. Вендюрского состоит из белого и кристаллического слоев, между которыми наблюдаются прослойки воды со снегом. Толщина слоя белого льда к концу зимы достигает 0.15-0.27 м, а кристаллического -0.35-0.47 м. В суровые малоснежные годы толщина кристаллического льда к концу зимы может достигать 0.5 м и более, а белого - быть меньше 0.2 м.

Измерения потоков прямой, отраженной и подледной радиации в весенний период 1995-2000 и 2002-2005 гг. проводились на станции актин омег-рических наблюдений ст. 4-3, весной 1999 г. - также на ст. 4-15. В конце зимы 2002 г. измерения прямой и отраженной радиации проводились на всех станциях 4-го разреза. В начале зимы (ноябрь, декабрь) поток проникающей в воду солнечной радиации мал и составляет величину порядка долей или нескольких Вт-м"2. В середине зимы (январь, февраль) количество солнечной радиации на верхней границе снежно-ледового покрова не превышает 200, в начале весны (март) возрастает до 500-600 Вт-м'2. Поток солнечной радиации на нижней границе льда при этом пренебрежимо мал (меньше 0.2 Вт-м"2). В середине апреля потоки прямой и отраженной солнечной радиации на верхней границе снега составляют 500-800 и 200-500 Вт-м"2, соответственно. Со сходом снега быстро растет поток проникающей в воду солнечной радиации. В середине апреля он составляет 2-20, в конце апреля — 50-120, в отдельные годы может достигать 190 Вт-м"2.

Альбедо снежно-ледового покрова оз. Вендюрского характеризуется существенной пространственно-временной изменчивостью. Зимой и в начале весны, когда лед покрыт сплошным слоем снега, значения альбедо высоки (0.80.9). Весной при отсутствии снега на льду альбедо составляет 0.2-0.4. В зависимости от состояния снежно-ледового покрова пространственная изменчивость альбедо по площади озера может достигать 30-40%. Диапазон альбедо поверхности снежно-ледового покрова оз. Вендюрского в различных погодных условиях находится в пределах от 0.09 (мокрая поверхность кристаллического льда) до 0.97 (свежевыпавший снег), что хорошо согласуется с данными других исследователей (Капитан, 1938; Кузьмин, 1957; Савельев, 1963; Черниговский, 1963; Вокепеа, 1977; Гпкеп, Рпяси, 1999;Рего\'1сЬ, 1991,1998 и др.).

В третьей главе проведен анализ межгодовой и сезонной изменчивости термической структуры оз. Вендюрского по данным измерений температуры на разрезах и термокосами в зимние месяцы 1994-2005 гг.

Зимний сезон за конкретный год подразделялся на предледоставный период, период интенсивного прогрева (от момента замерзания озера до начала снижения роста придонной температуры), период установившегося прогрева (от начала снижения роста придонной температуры до начала роста температуры в подледном слое) и период весеннего подледного прогрева (от начала роста температуры в подледном слое до взлома ледового покрова озера) (рис. 3).

6,0 5,0 4,0

3,0

2,0

1,0

0,0

т- x-CO^CDr^üiOCNICOlOCDOOO)

Рис. 3. Изменение температуры в глубоководной части оз. Вендюрского в периоды: предледоставный (I), интенсивного прогрева (II), установившегося прогрева (III) и весеннего подледного прогрева (IV). Ось абсцисс - сутки ледостава, ось ординат - температура,°С. Цифрами обозначены горизонты наблюдения, м.

Межгодовая изменчивость зимнего термического режима мелководного озера определяется продолжительностью предледоставного периода и температурой замерзания озера. Перед ледоставом озеро охлаждается в состоянии гомогермии; скорость понижения температуры водной массы определяется погодными условиями. Поэтому термическая структура оз. Вендюрского в предледоставный период характеризуется значительной межгодовой изменчивостью. Были выделены годы с «коротким» и «продолжительным» предледоставным периодом, «высокой» и «низкой» температурой замерзания. «Коротким» считается предледоставный период, когда температура водной толщи озера, охладившегося до 4°С, перед замерзанием понижается

1994-1995 гг., ст. 4-6, глубина 11.3 м

1 II III IV 1

" ---------4-3--~

на 0.5-0.6, «продолжительным» - на 0.1-0.2°С за сутки, соответственно. Температура замерзания озера считается «низкой», если составляет 0.5-0.6 и «высокой», если составляет 1.5-2.2°С (табл. 2).

С появлением ледового покрова теплообмен озера с атмосферой практически прекращается, а переход тепла из донных отложений в воду продолжается, в результате начинается процесс зимнего подпеднош нагревания озера. Сразу после появления льда водная толща озера из состояния гомотермии переходит в состояние стратификации. На нижней границе льда на протяжении всего периода существовашш ледового покрова поддерживается нулевая температура. С появлением льда повышение температуры начинается в придонном слое водной толщи, где наблюдается наибольшая скорость ее роста. Продолжительность преддедоставного периода, степень выхолаживания водной массы и донных отложений мелководного озера оказывают определяющее влияние на межгодовую изменчивость его термической структуры в период интенсивного прогрева. Эшми факторами определяется, прежде всего, скорость повышения придонной температуры, которая может служить мерой интенсивности подледного прогрева. Период интенсивного прогрева продолжается от момента замерзания озера до момента, когда скорость повышения придонной температуры становится меньше условно принятой величины 0.05°С-сут'1 и составляег в глубоководной части озера 17-29, на средних глубинах 9-13 сугок (табл. 2). Можно выделить период наиболее интенсивного прогрева, когда придонная температура повышается более чем на 0.10°С за сутки. Продолжительность этого периода в разные годы составляег в глубоководной части озера 8-12 суток, на мелководьях и средних глубинах 5-6 суток (табл. 2).

Таблица 2

Скорость охлаждения в предледоставнын период (Уохл), температура замерзания (Т1а„), наибольшая скорость повышения придонной температуры (У„ов) и продолжительность периодов интенсивного (1:И Г1) и наиболее интенсивного прогрева (^.„.„.) в разные годы

Зимний Дата Разрез- Глубина, V т V » ПОВч и., и.».,

сезон ледостава станция м "С-сут"1 "С "С-сут1 сут сут

1994-1995 07.11.94 4-6 11.3 0.3 1.4 0.34 25 11

1995-1996 07.11.95 4-7 11.3 0.6 0.5 0.40 29 12

4-3 7.8 0.35 12 6

1996-1997 12.12.96 4-7 11.3 <0.1 0.5 0.19 17 8

4-11 4.8 0.05 - -

1998-1999 10.11.98 4-9 11.3 0.3 2.2 0.31 24 9

4-11 8.6 0.17 13 6

1999-2000 15.11.99 4-9 11.3 0.3 0.6 0.36 26 и

4-14 6.7 0.34 13 6

2003-2004 18.11.03 6-3 5.1 <0.1 1.0 0.19 6 5

2004-2005 17.11.04 та-625 7.5 0.3 1.4 0.29 9 6

В период интенсивного прогрева в глубоководной части оз. Вендюр-ского максимальная скорость повышения придонной температуры в разные годы составляет 0.19-0.40, на средних глубинах - 0.17-0.34°С-сут~'. Большее значение наблюдается в годы с «коротким» ггредледоставным периодом и «низкой» температурой замерзания, меньшее - в годы с «продолжительным» предледоставным периодом или с «высокой» температурой замерзания. глубоководной части озера (рис. 4, а) скорость повышения температуры выше, чем на мелководьях и на средних глубинах (рис. 4, б).

Рис. 4. Скорость изменения температуры, "С еут'. на ратных горизонтах водной толщи оз. Венд юре ко га (Н,,,,^,) в течение первого месяца существования ледового покрова 1995-1996 гг.: а - в глубоководной части озера (Н=11.35 м), б - в районе средних глубин (Н 7.75 м). Положительные значения по вертикальной оси соответствуют повышению температуры водной толщи, отрицательные - понижению. Меньшие значения по оси Н„орм соответствуют поверхностному слою, большие - придонному.

Скорость повышения придонной температуры к концу периода интенсивного протрева снижается до 0.05°С-сут'', средняя скорость повышения температуры водной толщи по вертикали имеет порядок 0.01-0.03 "С-сут"1. В подледном слое толщиной 10-20% глубины в этот период температура понижается со скоростью 0.00-0.02°С-суг"1. Скорость повышения придонной температуры на протяжении периода установившегося прогрева вплоть до начала весеннего подледного прогрева практически не меняется и составляет в среднем по столбу воды в глубоководной части озера -0.01 -0.02°С-сут

Продолжительность предледоставного периода и температура замерзания озера определяют интенсивность повышения температуры воды в придонном слое. Однако, уже к концу периода интенсивного прогрева влияние факторов предледоставного периода снижается. Какими бы ни были условия предледоставного периода и температура замерзания озера, наибольшие ее изменения происходят в глубоководной части озера на протяжении первого месяца, в области средних глубин и на мелководьях - в течение первых двух недель существования ледового покрова.

Установлено, что в слое подледных вод, нижняя граница которого располагается в разные годы на глубине 0.9-1.9 м, температура понижается на протяжении всей зимы до начала весеннего подледного прогрева. На нижней границе этого слоя температура меняется мало и составляет в разные годы 0.4-1.6°С. Ниже этого слоя температура на протяжении зимы непрерывно повышается. Были выведены рарессионные зависимости, позволяющие рассчитывать температуру и глубину нижней границы слоя подледных вод но формулам:

Т = 0.69Г0-0.09 (1)

#=0.7274-0.96, (2)

где Т - температура нижней границы слоя подледных вод, °С;

Т0 - температура замерзания озера, °С;

Н - глубина нижней границы слоя подледных вод, м.

Толщина слоя охлаждающихся вод зависит от температуры замерзания озера - она тем больше, чем выше температура замерзания.

Период весеннего подледного прогрева озера, обусловленный проникновением солнечной радиации под лед, начинается обычно в начале апреля и продолжается 30-35 суток. В начальный период конвекции на оз. Вендюрском подо льдом наблюдается слой толщиной 0.1-0.2 м, градиент температуры в котором достигает 5-9°С-м"\ Ниже располагается квазиоднородный слой, толщина и температура которого при раз-

витой конвекции увеличиваются в сутки на 0.1-0.8 м и 0.05-0.25°С, соответственно. К моменту вскрытия озера ото льда его водная масса оказывается охваченной конвективным перемешиванием на мелководьях и в области средних глубин до дна, в глубоководной части озера -до глубин 8-9 м. Температура слоя, вовлеченного в конвективное перемешивание, составляет к этому моменту 3.7-4.2°С, а средняя температура водной массы озера — около 4.0°С. В отдельные годы в конце ледостава в верхней части квазиоднородного слоя наблюдается повышение температуры воды выше 4-5°С (рис. 5), что препятствует дальнейшему развитию конвекции, проникающей в таких условиях до меньших глубин (~6 м).

Рис. 5. Подледная конвекция на оз. Вендюрском в апреле 1999 г. (по данным измерений на 4-м разрезе). Ось абсцисс - температура, "С, ось ординат - глубина, м. На рисунке указаны даты измерений.

В донных отложениях оз. Вендюрского на определенной глубине (0.20-0.55 м) температура в течение зимы практически не изменяется. Температура вышележащих грунтов со временем повышается, нижележащих - понижается. Повышение температуры «нижнего» слоя донных отложений на мелководьях начинается, когда свободная конвекция достигает дна, и температура придонного слоя воды становится выше температуры верхнего слоя донных отложений.

В четвертой главе исследованы основные особенности изменения теплосодержания и тенлопотоков на храницах водной массы озера с донными отложениями и льдом в зимний период.

Теплосодержание столба воды рассчитавалось на основании данных вертикальных измерений температуры на разрезах по формуле:

НС = ]р„с„Г(г,()с?г (3)

где НС - теплосодержание столба воды, Вт-с-м'2;

р„ - плотность воды, равная 1000 кг-м"3;

с„, - удельная теплоемкость воды, равная 4.2 кДж-кг"'-°С"1;

Т-температура воды, °С;

Н — глубина, м.

Теплосодержание озера к моменту замерзания и скорость его роста в течение зимы характеризуются значительной межгодовой изменчивостью (рис. 6).

1.6Е+08 1.2Е+08 8.0Е+07 4.0Е+07 0.0Е+00 1.6Е+08 1.2Е+08 8.0Е+07 4.0Е+07 0.0Е+00

♦ 20-21.12.94 ©09-12.02.95 С 14-19.03.951

¡♦25-27.11.95 25-27.12.95 ¡.20-24.03.

ч»«*

¡♦22-23.12.96

13 14 04 97

. 24.04.97___ •Ф #!

А + \

I ♦ 05-06.12.981 0

1 :« 19-20.02.99: 0

| !■: 02-04.03.99i Ф

4.0

12.0 0.0

Рис. 6. Теплосодержание столба воды в разные периоды зимы по данным измерений в 1994-1995, 1995-1996, 1996-1997 и 1998-1999 гг. Ось ординат - теплосодержание столба воды, Вт-с-м"2, ось абсцисс - глубина, м.

В годы с «коротким» предледоставным периодом и «низкой» температурой замерзания теплосодержание столба воды в глубоководной части озера до начала весеннего подледного прогрева увеличивается практически в два раза. В годы с «высокой» температурой замерзания к началу ледостава теплосодержание столба воды выше, чем в другие годы, но в течение зимы оно увеличивается не столь значительно — в глубоководной части озера всего на 20-25%. Наиболее существенное изменение теплосодержания столба воды

происходит в течение зимы на средних глубинах и в глубоководной части озера, на мелководьях оно практически не меняется.

В период интенсивного прогрева теплосодержание столба воды в глубоководной части озера увеличивается на 10.0-20.0, в области средних глубин и мелководий - на 5.0-10.0 Вт-м"2 в сутки; в период установившегося прогрева в глубоководной части озера - на 5.0-6.0, на средних глубинах -на 1.5-2.5, на мелководьях - на 0.0-1.0 Вт-м"2 в сутки. Большее значение наблюдается в годы с «коротким» предледоставным периодом и «низкой» температурой замерзания, меньшее - в годы с «продолжительным» предледоставным периодом или с «высокой» температурой замерзания.

Основные периоды изменчивости теплосодержания в течение зимы имеют синоптический масштаб (табл. 3). Существенный вклад во временную изменчивость теплосодержания столба воды зимой могут вносить бароклинные сейши, генерированные колебаниями ледового покрова под воздействием ветра.

Таблица 3

Периоды изменчивости теплосодержания столба воды (Т) и период 1-й моды бароклшшой сейши оз. Вендюрского (7";) для разных лет

Зимний сезон Станция Т, сутки 7/, СуТКИ

1994-1995 4-6 29 - 9 5.9 4.5 3.7 9.3-10.2

1995-1996 4-7 - 13 7.8 - - - 3.5-11.2

4-3 30.5 12.7 7.8 - 4.4 3.7 4.1-7.5

1996-1997 4-7 32.8 10.6 8 5.5 4 2.7 3.5-9.8

4-11 31.3 9.7 - 5.8 - - 7.5

1998-1999 4-11 31 10.7 - 6.1 4.8 3.9 8.0-8.7

4-9 23 12 7.9 6.3 3.7 6.3-10.3

1999-2000 4-9 33.8 12.5 8.3 5.5 4 2.9

4-11 - 14.8 - - - 3.7

4-14 - 17 - - - 3.7 6.7

2002-2003 4-3 20.3 - - - - 3.1 8.1

По данным вертикальных измерений температуры были оценены потоки тепла на границах вода-дно и вода-лед, которые расчитывались градиентным методом по следующим формулам:

аг

<2ы = Я ^ (5)

ах

где ¡Э4м,, <2,ц, - теплопотоки вблизи границ вода-дно и вода-лед, Вт-м"2; Л - коэффициент молекулярной теплопроводности воды; с/Т/Дг - градиент температуры в тонком придонном или подледном слое воды (толщиной 5-10 см).

Анализ данных термокос показал, что максимальная скорость роста придонных температур наблюдается в течение первых 7-10 дней после замерзания в глубоководной части озера (рис. 3). Следовательно, можно предположить, что в этот период и в этой части озера тенлопоток из донных отложений в воду максимален. Однако оценить величину теплопото-ка из дна в первые дни существования ледового покрова не представляется возможным, т.к. вертикальных измерений температуры на разрезах в этот период не проводится. В конце периода интенсивного прогрева на мелководьях теплопоток из дна имеет порядок 2.0-4.0, к концу зимы снижается до 0.1-3.0 Вт-м"2. В области больших глубин (за исключением первых 7-10 дней ледостава) теплопоток имеет порядок 0.1-1.5 Вт-м'2 и на протяжении зимы изменяется незначительно. Теплопоток на границе вода-лед на протяжении зимы имеет порядок 0.1-1.5 Вт-м'2 и не зависит от глубины станции; с началом весеннего подледного прогрева возрастает до 5-10, в конце этого периода достигает 10-30 Вт-м"2.

Анализ результатов натурных экспериментов по определению степени поглощения солнечной радиации образцами озерного снега и льда позволил рассчитать следующие значения эффективного коэффициента поглощения (ЭКП) солнечной радиации: снегом - 10.115.0, белым льдом - 6.1-8.0, кристаллическим - 2.2-5.5, льдом смешанной структуры (с разным соотношением белого и кристаллического) - 2.7-4.9 м"\

При наличии данных о структуре льда расчет подледной радиации проводился с использованием полученных значений ЭКП по формуле:

1хе2=10те^^ (6)

где гИ7 и га - измеренные толщины слоев снега, белого и кристаллического льда, м, соответственно;

к5, ки,, и ка - ЭКП солнечной радиации снегом, белым и кристаллическим льдом, м"1.

Точность расчета подледной радиации с использованием полученных значений ЭКП солнечной радиации снегом и льдом, как по данным измерений на Вендюрском озере, так и по данным измерений на других озерах, лежит в пределах ±20%, что позволяет сделать вывод о возможности применения полученных коэффициентов при изучении процессов поглощения и рассеивания солнечной радиации в снежно-ледовом покрове пресноводных озер.

В пятой главе исследованы основные особенности кислородного режима мелководного оз. Вендюрского в зимний период. При относительно

небольшом расходе РК на окисление органического вещества и ограниченном фотосинтезе, большое влияние на его содержание в водах оз. Вендюр-ского и его изменения во времени и пространстве оказывают физические факторы, связанные с обменом на границах раздела вода-атмосфера, вода-дно и процессами переноса веществ внутри водной толщи озера.

По данным измерений содержания РК на оз. Вендюрском в разные периоды зимы в 2001-2005 гг. установлено, что в период интенсивного прогрева в области средних глубин и на мелководьях его содержание медленно меняется, резко уменьшаясь, иногда до полного исчезновения только в тонком придонном слое. К концу этого периода во всей водной толще озера происходит снижение содержания РК на ~2 мг-л"1. В начале зимы в глубоководной части озера (с глубинами более 9-10 м), а к середине зимы повсеместно у дна формируется слой вод с пониженным содержанием РК, а в тонком придонном слое концентрации РК уменьшаются до нуля. К концу зимы в глубоководной части озера формируется придонная анаэробная зона, толщина которой составляет порядка 10% глубины (рис. 7).

0,0 4,0 8,0 12,0

— 02 2002

—Т 2002

-э-02_2003

\ до /ЖК^ о-Т 2003

-а- 02_2004

2004

-0-О2 2005

-♦- Т_2005

Рис. 7. Вертикальные профили температуры воды и содержания РК в глубоководной части оз. Вендюрского в апреле 2002-2005 гг. Ось абсцисс - температура, °С, содержание РК, мг-л"1; ось ординат - глубина, м.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ В заключении приведены основные результаты и выводы, полученные в диссертации. Обобщение и анализ материалов многолетних комплексных гидрофизических исследований, выполнявшихся на оз. Вендюрском в

1994-2005 гг., позволил выявить ряд характерных особенностей его термического и кислородного режимов в зимний период. Озеро Вендюрское является типичным представителем класса мелководных озер водно-ледникового генезиса, широко распространенных на территории Карелии, Скандинавских стран и Северной Америки, что позволяет применять сделанные в работе заключения на озера, подобные ему по морфометриче-ским признакам.

Основные результаты и выводы, полученные в ходе выполнения работы:

1. Зимой можно выделить несколько периодов, отличающихся характером изменения температуры водной толщи мелководного озера: пред-ледоставный, интенсивного прогрева, установившегося прогрева и весеннего подледного прогрева. В период интенсивного прогрева, обусловленного теплообменом водной массы озера с донными отложениями, максимумы дисперсии и градиента температуры наблюдаются в придонном слое толщиной 10-30% глубины. В период установившегося прогрева интенсивность изменений температуры водной толщи по вертикали выравнивается. Период весеннего подледного прогрева, продолжающийся 3035 суток, обусловленный проникновением солнечной радиации под лед, характеризуется высокой изменчивостью температуры в верхних слоях водной толщи озера (50% глубины).

2. Межгодовая изменчивость зимнего термического режима мелководного озера определяется продолжительностью предледоставного периода и температурой замерзания озера. «Коротким» считается предледоставный период, когда температура водной толщи озера, охладившегося до 4°С, перед замерзанием понижается на 0.5-0.6, «продолжительным» — на 0.1-0.2°С за сутки, соответственно. Температура замерзания озера считается «низкой», если составляет 0.5-0.6 и «высокой», если составляет 1.5-2.2°С.

3. Показано, что в годы с «коротким» предледоставным периодом и «низкой» температурой замерзания наблюдается наибольшая длительность периода интенсивного прогрева (в глубоководной части озера 29, на средних глубинах 13 суток). В эти годы в период интенсивного прогрева наблюдаются максимальные скорости повышения придонной температуры (в глубоководной части озера — 0.40, на средних глубинах -0.34°С-сут"') и теплосодержания столба воды (в глубоководной части озера - 20.0, на средних глубинах - 10.0 Вт-м"2 -сут"1).

дом и «низкой» температурой замерзания теплосодержание столба воды в глубоководной части озера в течение зимы увеличивается в 1.5-2.0 раза. В годы с «высокой» температурой замерзания в момент ледостава теплосодержание озера выше, чем в другие годы, но в течение зимы теплосодержание столба воды в глубоководной части озера увеличивается не столь значительно - всего на 20-25%.

5. Установлено, что в донных отложениях мелководного озера на определенной глубине (0.20-0.55 м) температура зимой практически не изменяется; температура вышележащих грунтов со временем повышается, нижележащих - понижается. Повышение температуры «нижнего» слоя донных отложений озера на мелководьях начинается в конце зимы, когда свободная конвекция достигает дна, и когда температура придонного слоя воды становится выше температуры «верхнего» слоя донных отложений.

6. Выявлено, что в слое подледных вод толщиной 0.9-1.9 м в течение зимы (до начала весеннего подледного прогрева) наблюдается понижение температуры; показано, что толщина слоя охлаждающихся вод зависит от температуры замерзания озера - она тем больше, чем выше температура замерзания.

7. На основании анализа результатов натурных экспериментов с образцами озерного снега и льда определены значения эффективного коэффициента поглощения (ЭКП) солнечной радиации снегом и льдом. Среднее значение ЭКП солнечной радиации снегом составляет 11.6, бельм льдом - 6.1-8.0, кристаллическим - 2.2-5.5, льдом смешанной структуры - 2.7-4.9 мЛ Точность расчета подледной радиации с использованием предложенных значений ЭКП лежит в пределах ±20%.

8. Зимой, вследствие теплообмена водной массы мелководного озера с донными отложениями происходит рост температуры в придонном слое, что усиливает бактериальную деятельность. Это определяет ключевую роль температуры в ходе биохимических процессов в мелководных озерах, покрытых льдом.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Особенности термической структуры мелководного озера в начальный период ледостава // Тр. VI конф. «Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежной зоны морей». Москва. 2004. С. 146-149. (соавторы Здоровеннов Р.Э., Петров М.П., Тержевик А.Ю.).

2. Поглощение солнечной радиации снежно-ледовым покровом озер // Водные ресурсы. 2005. Т. 32. № 5. С. 546-554. (соавторы Петров М.П., Тержевик А.Ю., Палылин Н.И., Здоровеннов Р.Э.).

3. Покрытые льдом озера: поверхностное альбедо и солнечная радиация // Тез. докл. Межд. конф. «Экологическое состояние континентальных водоемов Арктической зоны в связи с промышленным освоением северных территорий». Санкт-Петербург. 2005. С. 83. (соавторы Петров М.П., Здоровеннов Р.Э., Палынин Н.И., Тержевик А.Ю.).

4. Покрытые льдом озера: термическая структура и движения воды // Тез. докл. Межд. конф. «Экологическое состояние континентальных водоемов Арктической зоны в связи с промышленным освоением северных территорий». Санкт-Петербург. 2005. С. 84. (соавторы Петров М.П., Здоровеннов Р.Э., Тержевик А.Ю.).

5. Покрытые льдом озера: поверхностное альбедо и солнечная радиация // Тр. Межд. конф. «Экологическое состояние континентальных водоемов северных территорий» С-Петербург. 2005. С. 342-349. (соавторы Петров М.П., Здоровеннов Р.Э., Палынин Н.И., Тержевик А.Ю.).

6. Тепловой режим мелководного озера в течение периода ледостава // Сб. мат. FV (XXVII) Межд. конф. «Биологические ресурсы Белого моря и внутренних водоемов европейского севера». Вологда. 2005. Ч. 1. С. 151154. (соавтор Никельс Д.А.).

7. Гидрофизические аспекты развития экосистемных процессов замерзающих озер // Водные ресурсы Европейского Севера России: итоги и перспективы исследований. Петрозаводск. 2006. С. 359-376. (соавторы Палынин Н.И., Здоровеннов Р.Э., Митрохов А.В., Петров М.П.,. Тержевик А.Ю.).

8. Особенности термической структуры мелководного озера в начале зимы. Водные Ресурсы. 2006. Т. 33. № 2. С. 154-162. (соавторы Петров М.П., Тержевик А.Ю., Здоровеннов Р.Э.).

9. Особенности термической структуры мелководного озера в период ледостава // Тр. II республиканской школы-конференции молодых ученых «Водная среда Карелии: исследование, использование, охрана». Петрозаводск, 2006. С. 57-60. (соавтор Никельс Д.А.).

10. Motions in ice-covered lakes // Proc. of the 7th European Workshop on "Physical processes in natural waters". A. Terzhevik (Ed.). Petrozavodsk. 2003. P. 70-77. (соавторы Pctrov M., Terzhevik A., Zdorovennov R.).

11. Thermal structure of shallow lakes in early winter // Proc. of the 7th European Workshop on "Physical processes in natural waters". Petrozavodsk. 2003. P. 78-82. (соавторы Pctrov M., Terzhevik A., Zdorovennov R.).

12. Modelling seasonal dynamics of dissolved oxygen in a shallow stratified lake // Proc. of the 8th European Workshop on "Physical processes in natural waters". Lund. Sweden. 2004. P. 153-164. (соавторы Golosov S., Terzhevik A., Maher O.A., Shipunova E.).

13. Solar radiation and albedo regime in ice-covered lakes: Early spring // Proc. of the 8th European Workshop on "Physical processes in natural waters". Lund. Sweden. 2004. P. 31-38. (соавторы Petrov M., Zdorovennov R., Palshin N., Terzhevik A.).

14. Physical background of oxygen depletion development in ice-covered lakes // Proc. of the 9th European Workshop on "Physical processes in natural waters". Lancaster. 2005. P. 229-237. (соавторы Golosov S., Shipunova E., Maher O.A., Terzhevik A.).

15. Solar radiation regime and surface albedo of the snow-ice cover of a shallow lake // 3rd Int. Conf. "Current Problems in Optic of Natural Waters". St-Petersburg. 2005. P. 199-203. (соавторы Petrov M., Terzhevik A., Palshin N., Zdorovennov R.).

Изд. лиц. № 00041 от 30.08.99 г. Сдано в печать 06.03.07. Формат 60><841/1б. Гарнитура Ттсв.Печать офсетная. Уч.-изд. л. 1,3. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 100 экз. Изд. № 7. Заказ № 646 .

Карельский научный центр РАН Редакционно-издательский отдел Петрозаводск, пр. А. Невского, 50

Содержание диссертации, кандидата географических наук, Здоровеннова, Галина Эдуардовна

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Совремейные представления о зимнем термическом режиме мелководных замерзающих озер.

1.1. Тепловой баланс озера.

1.2. Особенности гидрологического режима мелководных озер в зимний период.

1.2.1. Термический режим.

1.2.2. Течения.

1.2.3. Радиационный режим и альбедо.

1.2.4. Кислородный режим.

Глава 2. Гидрофизические исследования оз. Вендюрского.

2.1. Объект исследования.

2.2. Межгодовая изменчивость климатических условий в районе исследований.ЗЗ

2.3. Гидрологические исследования озера Вендюрского в 1960-1990 гг.

2.4. Гидрофизические исследования озера Вендюрского в 1994-2005 гг.

2.5. Сезонная и межгодовая изменчивость толщины и структуры снежноледового покрова оз. Вендюрского.

2.6. Радиационный режим оз. Вендюрского в зимний период.

2.7. Альбедо снежно-ледового покрова оз. Вендюрского.

Глава 3. Межгодовая и сезонная изменчивость термической структуры оз.

Вендюрского в зимний период.

3.1. Предледоставный период.

3.2. Период интенсивного прогрева.

3.3. Период установившегося прогрева.

3.2.1. Изменение температуры водной толщи озера.

3.2.2. Изменение температуры в придонном слое воды и верхнем слое донных отложений.

3.4. Период весеннего подледного прогрева.

3.5. Дисперсия температуры водной толщи оз. Вендюрского в разные периоды зимы.

3.6. Градиенты температуры водной толщи оз. Вендюрского в разные периоды зимы.

Глава'4. Основные особенности термической структуры мелководного озера в зимний период.

4.1. Потоки тепла на границах вода-дно и вода-лед.

4.2. Оценки эффективного коэффициента температуропроводности.

4.3. Изменение теплосодержания столба воды зимой.

4.4. Поглощение солнечной радиации снежно-ледовым покровом оз.

Вендюрского.

Глава 5. Кислородный режим оз. Вендюрского.

5.1. Период интенсивного прогрева.

5.2. Период установившегося прогрева.

5.3. Период весеннего подледного прогрева.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Термическая структура мелководного озера в период ледостава: внутрисезонная и межгодовая изменчивость"

Мелководные замерзающие озера ледникового генезиса широко распространены в умеренной и субполярной зонах североамериканского и евразийского континентов. На территории США, Канады, североевропейских стран, России насчитывается более 600000 таких озер, при этом регулярные гидрофизические наблюдения проводятся лишь на нескольких сотнях из них. Наименее изученным остается зимний термический режим таких озер, не смотря на то, что ледостав на них продолжается несколько месяцев, оказывая существенное влияние на состояние и функционирование их экосистем. Снежно-ледовый по1фов изолирует водоем от прямого воздействия атмосферы, исключает ветровое перемешивание, ограничивает проникновение солнечной радиации (Андреев, Иванов, 2003; Калитин, 1938; Мокиевский, 1960; Чехин, 1987) и кислорода в водную толщу, определяет интенсивность фотосинтеза подо льдом весной (Вологдин, 1981; Hargrave, 1972). В Карелии насчитывается свыше 61 тыс. озер, однако регулярные гидрофизические исследования проводятся лишь на нескольких десятках водоемов. Большинство проводимых натурных исследований ограничиваются краткосрочными температурными съемками, не дающими достоверных сведений об эволюции термической структуры в озере подо льдом в течение зимы. В связи с этим актуальной задачей является выявление закономерностей межгодовой и сезонной изменчивости зимнего термического режима типичного мелководного озера, являющегося представителем широкого класса озер, подобных ему по морфометрическим признакам.

Разработка методов прогноза сезонной изменчивости полей гидрофизических и химико-биологических характеристик, определяющих качество воды в мелководных озерах, необходима для оценки состояния их экосистем. Основными параметрами, определяющими протекание многих гидрофизических и химико-биологических процессов в озере подо льдом являются температура водной толщи и содержание растворенного кислорода (РК). Наряду с натурными исследованиями водоемов (Особенности., 1984; Эвтрофирование., 1980; Поверхностные., 1991 и др.), перспективным путем решения широкого круга задач становится применение методов математического моделирования (Миронов и др., 1990; Fang, Stefan, 1997; Golosov, Ignatieva, 1999; Ryanzhin, 1997).

Температура играет значительную роль в возникновении и поддержании циркуляции и перемешивания в озере, перераспределении различных химических элементов (Bengtsson et al., 1996; Likens, Ragotskie, 1965; Welch, Bergmann, 1985). Дефицит PK существенным образом влияет на поведение рыб, планктонных организмов, особенно в зимний период. Появление безкислородных зон в придонных слоях озер может приводить к накоплению в их донных отложениях аммонийного азота, сероводорода, метана, водорода. Такие биохимические факторы, как жизнедеятельность различных организмов и концентрация органического вещества в придонной области оказывают определяющее влияние на появление дефицита РК в озере в период ледостава (Бульон, 1983; Винберг, 1960; Ульянова, 1984; Cornett, 1987; Mathias, Barica, 1980). Интенсивность бактериального поглощения РК существенным образом зависит от температуры окружающей среды (Бреховских, 1988; Ковалева и др., 2003; Стравинская, 1980; Boylen, Brock, 1973). Температурный режим замерзающего озера формируется в результате сложного взаимодействия между атмосферой, водной массой и донными отложениями озера и, таким образом, отражает суммарное влияние физических факторов на образование дефицита РК в озере.

Территория Республики Карелии имеет хорошо развитую гидрографическую сеть, относящуюся к бассейнам Белого и Балтийского морей. Основными элементами гидрографической сети Карелии являются озера, реки, водохранилища, болота. В Карелии насчитывается свыше 61 тыс. озер суммарной площадью около

О Э

18 тыс. км . Преобладают в Карелии небольшие озера, площадью менее 1 км (97.5% всех учтенных озер). Все крупные, средние и большинство малых озер -проточные или сточные. Озера, соединяющиеся между собой реками, образуют озерно-речные системы. Проточность озер Карелии - благоприятный фактор для обитающих в них рыб и других водных организмов. Количество непроточных озер в Карелии также значительно: из 40 тыс. озер с площадью менее 1 км около 31 тыс. являются бессточными. Это, преимущественно, лесные и болотные озера-ламбы. Хотя речная сеть в Карелии хорошо развита, больших многоводных рек мало. Общее число рек Карелии составляет 26.7 тысяч с суммарной их протяженностью 83 тыс. км. Преобладают реки длиной менее 10 км. Только 30 рек имеют длину более 100 км и относятся к классу средних. Наиболее многоводны

• t / ■ } реки Кемь, Ковда, Выг (впадают в Белое море), Суна, Шуя, Водла (впадают в Онежское озеро) (Григорьев, Грицевская, 1959; Каталог, 2001; Ресурсы., 1972). Специфика природных вод Карелии определяется широкой вариабельностью величин рН - от 4.2 до 7.5, суммы ионов - от 5 до 200 мг-л'1, цветности - от 5 до ; 300 градусов, что оказывает существенное влияние на формирование структуры ' гидробиоценозов разнотипных водоемов (Баранов, 1962; Каталог, 2001; Харкевич, <980 и др.).

В последние десятилетия в связи с хозяйственными преобразованиями на водосборах рек и озер Карелии (вырубка лесов, распашка земель, мелиорация, внесение минеральных удобрений и ядохимикатов) существенно возросла антропогенная нагрузка на водоемы. Под влиянием промышленных и бытовых сточных вод, а также в связи с поступлением загрязнений из атмосферы существенно ухудшилось качество природных вод: в них увеличилось содержание органических и взвешенных веществ, изменились численность и биомасса гидробионтов, развивается процесс антропогенного эвтрофирования водоемов. Если для большинства олиготрофных и мезотрофных озер Карелии кислородный режим остался благоприятным для жизни гидробионтов, то в ряде эвтрофных озер значительно возрос уровень трофии в результате увеличения биогенной нагрузки и ухудшился кислородный режим (Лифшиц и др., 1992; Поверхностные., 1991). Неблагоприятный кислородный режим характеризуется перенасыщением РК поверхностных слоев (на величину до 40%) и его отсутствием в придонных. Указанное явление свойственно высокоэвтрофным и эвтрофным озерам. Дефицит РК у дна и перенасыщение поверхностных слоев наблюдаются в период летней стагнации, а глубокий дефицит у дна - к концу зимы. Последнее типично не только для эвтрофных, но и для мезотрофных озер, в которых отмечается существенное потребление кислорода донными отложениями (Лозовик, Сабылина, 1992; Сабылина, Басов, 2003; Сергеева, 1982; Стравинская, 1980; Ульянова, 1984).

Объектом исследования диссертационной работы является небольшое (площадь зеркала 10.4 км2, объем вод ~54.8-106м3) мелководное (средняя глубина 5.3, максимальная - 13.4 м) оз. Вендюрское, расположенное на юге Карелии широта 62°10'-62°20' N, долгота 33°10'-33°20' Е) (рис. 1), принадлежащее бассейну водной системы р. Суны, впадающей в Онежское озеро.

T^-il Риндоэвро

ШЕРА ЙЕНДЮРСКОЙ ГРУППЫ

Рис. 1. Расположение озер Вендюрской группы на карте Карелии

Его котловина ледникового происхождения длиной ~7.0, шириной ~1.5 км. Оз. Вендюрское является типичным представителем класса мелководных озер водно-ледникового генезиса, широко распространенных как на территории Карелии (более 20% всех озер), так и в умеренной и субполярной зонах Канады, США, скандинавских стран. Предметом исследования являются закономерности термической структуры и кислородного режима небольшого мелководного озера в период существования ледового покрова.

В бассейне Онежского озера большое значение имеет водосбор р. Суны, на территории которого расположены разнотипные озера Вендюрской группы. В бассейне р. Суны в последние десятилетия произошли значительные хозяйственные преобразования, что, несомненно, сказалось на экосистемах водоемов, в первую очередь, на их кислородном режиме и, в целом, на общем уровне биопродуктивности. Район озера Вендюрского находится в 60 км к востоку от г. Суоярви (картонная фабрика), в 60 км к западу от г. Кондопога (ЦБК и ряд других предприятий), в 72 км к северо-западу от Петрозаводского промышленного узла. Однако, в связи с тем, что ветры восточного и юго-восточного направлений в районе исследований редки, преобладает западный перенос, воздушные массы, проходящие над озером, можно считать относительно чистыми.

• количественно оценить тепловые потоки на границах водной массы мелководного озера с донными отложениями и ледовым покровом для различных периодов (начало, середина, конец зимы, период весеннего подледного прогрева);

• исследовать изменение теплосодержания столба воды на разных глубинах небольшого мелководного озера в течение зимы;

• изучить особенности радиационного режима мелководного озера зимой, а также исследовать сезонную динамику таких параметров, как толщина снежно-ледового покрова,' альбедо.

Научная новизна и основные научные положения, выносимые на защиту:

• впервые обобщены и проанализированы данные более чем десятилетних ежегодных комплексных гидрофизических исследований, проводившихся в период 1994-2005 гг. в зимние месяцы на небольшом мелководном озере (типичном представителе класса озер водно-ледникового генезиса, широко распространенных как на территории Карелии, так и в мире), и показана существенная межгодовая изменчивость его термического режима в период существования ледового покрова, определяемая изменяющимися от года к году климатическими условиями;

• можно выделить несколько периодов, отличающихся характером изменения температуры водной толщи мелководного озера зимой: предледоставный, интенсивного прогрева, установившегося прогрева и весеннего подледного прогрева. В предледоставный период озеро охлаждается в состоянии гомотермии. В период интенсивного прогрева (продолжительностью около месяца), обусловленного теплообменом водной массы озера с донными отложениями, максимумы дисперсии и градиента температуры наблюдаются в придонном слое толщиной 10-30% глубины. В период установившегося прогрева интенсивность изменений температуры водной толщи по вертикали выравнивается. Период весеннего подледного прогрева, продолжающийся 30-35 суток, обусловленный проникновением солнечной радиации под лед, характеризуется высокой изменчивостью температуры в верхних слоях водной толщи озера (50% глубины);

• показано, что межгодовая изменчивость зимнего термического режима мелководного озера определяется продолжительностью предледоставного периода и температурой замерзания озера. Были выделены годы с «коротким» и «продолжительным» предледоставным периодом, «высокой» и «низкой» температурой замерзания. «Коротким» считается предледоставный период, когда температура водной толщи озера, охладившегося до 4°С, перед замерзанием понижается на 0.5-0.6, «продолжительным» - на 0.1-0.2°С за сутки, соответственно. Температура замерзания озера считается «низкой», если составляет 0.5-0.6 и «высокой», если составляет 1.5-2.2°С. В годы с «коротким» предледоставным периодом и «низкой» температурой замерзания наблюдается наибольшая длительность периода интенсивного прогрева, максимальные скорости повышения придонной температуры и теплосодержания в течение зимы.

Материалы и методы исследований. В работе использовались данные натурных наблюдений, полученных в ходе экспедиций Института водных проблем Севера (ИВПС) Карельского научного центра РАН на оз. Вендюрском как в рамках тем фундаментальных исследований, так и международных проектов в 19942005 гг. При обработке данных использовались методы статистического анализа, регрессионный, корреляционный и спектральный анализ. Автор принимал непосредственное участие в обработке и анализе данных натурных исследований; теоретические расчеты, результаты которых приведены в диссертационной работе, выполнены лично автором или с соавторами.

Апробация работы. Результаты работы были использованы при выполнении тем и международных проектов:

• международный проект INTAS-01-2132 «Представление озер в численных моделях с приложениями к окружающей среде»;

Основные результаты диссертации докладывались и были представлены на VI Международной конференции «Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежной зоны морей» (Москва, 2004 г.), на 7-м (Петрозаводск, Россия, 2003 г.), 8-м (Лунд, Швеция, 2004 г.) и 9-м (Ланкастер, Англия, 2005 г.) рабочих совещаниях "Physical processes in natural waters", на Международной конференции «Экологическое состояние континентальных водоемов Арктической зоны в связи с промышленным освоением северных территорий» (Архангельск, 2005 г.), на III Международной конференции «Современные проблемы оптики естественных вод» (Санкт-Петербург, 2005 г.), на IV (XXVII) Международной конференции «Биологические ресурсы Белого моря и внутренних водоемов Европейского севера» (Вологда, 2005 г.), на II Республиканской школе-конференции молодых ученых «Водная среда Карелии: исследование, использование, охрана» (Петрозаводск, 2006 г.), на семинаре лаборатории гидрологии ИНОЗ РАН (Санкт-Петербург, 2006 г.), на семинарах лабораторий географии и гидрофизики ИВПС КарНЦ РАН.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 работ, две из которых в реферируемых журналах.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографии, включающей 184 наименования, и шести приложений. Общий объем работы - 179 машинописных страниц.

Заключение Диссертация по теме "Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия", Здоровеннова, Галина Эдуардовна

Основные выводы, полученные в ходе выполнения работы, состоят в следующем:

1. Зимой можно выделить несколько периодов, отличающихся характером изменения температуры водной толщи мелководного озера: предледоставный, интенсивного прогрева, установившегося прогрева и весеннего подледного прогрева. В период интенсивного прогрева, обусловленного теплообменом водной массы озера с донными отложениями, максимумы дисперсии и градиента температуры наблюдаются в придонном слое толщиной 10-30% глубины. В период установившегося прогрева интенсивность изменений температуры водной толщи по вертикали выравнивается. Период весеннего подледного прогрева, продолжающийся 30-35 суток, обусловленный проникновением солнечной радиации под лед, характеризуется высокой изменчивостью температуры в верхних слоях водной толщи озера (50% глубины).

2. Межгодовая изменчивость зимнего термического режима мелководного озера определяется продолжительностью предледоставного периода и температурой замерзания озера. «Коротким» считается предледоставный период, когда температура водной толщи озера, охладившегося до 4°С, перед замерзанием понижается на 0.5-0.6, «продолжительным» - на 0.1-0.2°С за сутки, соответственно. Температура замерзания озера считается «низкой», если составляет 0.5-0.6 и «высокой», если составляет 1.5-2.2°С.

3. Показано, что в годы с «коротким» предледоставным периодом и «низкой» температурой замерзания наблюдается наибольшая длительность периода интенсивного прогрева (в глубоководной части озера 29, на средних глубинах 13 суток). В эти годы в период интенсивного прогрева наблюдаются максимальные скорости повышения придонной температуры (в глубоководной части озера - 0.40, на средних глубинах - 0.34°С-сут"1) и теплосодержания столба

О 1 воды (в глубоководной части озера - 20.0, на средних глубинах - 10.0 Вт-м" -сут").

4. Установлено, что наиболее существенное изменение теплосодержания столба воды в течение зимы происходит на средних глубинах и в глубоководной части мелководного озера, в то время как на мелководьях оно практически не меняется. В годы с «коротким» предледоставным периодом и «низкой» температурой замерзания теплосодержание столба воды в глубоководной части озера в течение зимы увеличивается в 1.5-2.0 раза. В годы с «высокой» температурой замерзания в момент ледостава теплосодержание озера выше, чем в другие годы, но в течение зимы теплосодержание столба воды в глубоководной части озера увеличивается не столь значительно - всего на 20-25%.

5." Установлено, что в донных отложениях мелководного озера на определенной глубине (0.20-0.55 м) температура зимой практически не изменяется; температура вышележащих грунтов со временем повышается, нижележащих -понижается. Повышение температуры «нижнего» слоя донных отложений озера на мелководьях начинается в конце зимы, когда свободная конвекция достигает дна, и когда температура придонного слоя воды становится выше температуры «верхнего» слоя донных отложений.

7. На основании анализа результатов натурных экспериментов с образцами озерного снега и льда определены значения эффективного коэффициента поглощения (ЭКП) солнечной радиации снегом и льдом. Среднее значение ЭКП солнечной радиации снегом составляет 11.6, белым льдом - 6.1-8.0, кристаллическим - 2.2-5.5, льдом смешанной структуры - 2.7-4.9 м"1. Точность расчета подледной радиации с использованием предложенных значений ЭКП лежит в пределах ±20%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ материалов многолетних гидрофизических исследований, выполнявшихся на оз. Вендюрском в 1994-2005 гг., позволил выявить ряд характерных особенностей его термического и кислородного режимов в зимний период. Озеро Вендюрское является типичным представителем класса мелководных озер водно-ледникового генезиса, широко распространенных на территории Карелии (более 20%), что позволяет применять сделанные в работе заключения на озера, подобные ему по морфометрическим признакам.

Территория Карелии характеризуется умеренно континентальным климатом с чертами морского (продолжительная мягкая зима и короткое прохладное лето, значительная облачность и неустойчивость погоды в течение всего года). Для района исследований (юг Карелии) типична существенная изменчивость климатических условий от года к году, что в значительной мере определяет межгодовые отличия в термической структуре мелководных озер как в период открытой воды, так и зимой.

Ледостав на мелководных озерах юга Карелии продолжается 170-190 суток, однако в отдельные годы он короче - менее 160 суток. Ледовый покров мелководных озер состоит из белого и кристаллического слоев, между которыми часто наблюдаются прослойки воды со снегом. Толщина слоя белого льда к концу зимы достигает 0.15-0.25, а кристаллического - 0.35-0.45 м. В суровые малоснежные годы слой кристаллического льда к концу зимы может достигать толщины 0.5 и более, а белого - быть меньше 0.2 м. Наибольшая скорость роста толщины льда наблюдается в начале зимы и составляет ~8-12, в середине зимы снижается до 3-5, в конце зимы - до 1-2 мм в сутки, в среднем составляет 3-5 мм в сутки. Обычно к середине апреля толщина снежного и ледового покровов мелководного озера составляют 0.00-0.09 и 0.49-0.69 м, соответственно.

С установлением сплошного снежного покрова мелководные озера можно считать практически полностью изолированными от атмосферы: при толщине снега 0.14 м поток солнечной радиации на нижней границе льда не превышает 2.03.0 Вт-м"2. На протяжении зимы поток солнечной радиации, проникающей в воду, пренебрежимо мал (< 0.2 Вт-м'). Весной со сходом снега он быстро растет и в середине апреля составляет 10-20, в конце апреля - 50-120, в отдельные годы может достигать 190 Вт-м"2.

Альбедо снежно-ледового покрова мелководных озер юга Карелии характеризуется существенной временной (межгодовой, сезонной, синоптической, суточной) и пространственной изменчивостью. На протяжении зимы альбедо составляет 0.8-0.9, весной при отсутствии снега на льду - 0.2-0.4. В зависимости от состояния снежно-ледового покрова и погодных условий пространственная изменчивость альбедо поверхности мелководного озера может достигать 30-40%. Диапазон изменения значений поверхностного альбедо мелководных озер весной находится в пределах от 0.09 (мокрая поверхность кристаллического льда) до 0.97 (свежевыпавший снег).

На основании анализа результатов натурных экспериментов с образцами озерного снега и льда определены значения эффективного коэффициента поглощения (ЭКП) солнечной радиации снегом и льдом. Среднее значение ЭКП солнечной радиации снегом составляет 11.6, белым льдом - 6.1-8.0, кристаллическим - 2.2-5.5, льдом смешанной структуры - 2.7-4.9 м*1. Интегральный ЭКП солнечной радиации льдом составляет 3-5 м"1 (в среднем -3.9 м'1). Точность расчета подледной радиации с использованием предложенных значений ЭКП лежит в пределах ±20%.

Зимой можно выделить несколько периодов, отличающихся характером изменения температуры водной толщи мелководного озера: предледоставный (до момента замерзания озера), интенсивного прогрева (от момента замерзания озера до начала снижения роста придонной температуры), установившегося прогрева (от начала снижения роста придонной температуры до начала роста температуры в подледном слое) и весеннего подледного прогрева (от начала роста температуры в подледном слое до взлома ледового покрова озера). В период интенсивного прогрева (продолжительностью около месяца), обусловленный теплообменом водной массы озера с донными отложениями, максимумы дисперсии и градиента температуры наблюдаются в придонном слое толщиной 10-30% глубины. В период установившегося прогрева интенсивность изменений температуры водной толщи по вертикали выравнивается. Период весеннего подледного прогрева, продолжающийся 30-35 суток, обусловленный проникновением солнечной радиации под лед, характеризуется высокой изменчивостью температуры в верхних слоях войной толщи озера.

Межгодовая изменчивость зимнего термического режима мелководного озера определяется продолжительностью предледоставного периода и температурой замерзания озера. Были выделены годы с «коротким» и «продолжительным» предледоставным периодом, «высокой» и «низкой» температурой замерзания озера. «Коротким» считается предледоставный период, когда температура водной толщи озера, охладившегося до 4°С, перед замерзанием понижается на 0.5-0.6, «продолжительным» - на 0.1-0.2°С за сутки, соответственно. Температура замерзания озера считается «низкой», если составляет 0.5-0.6 и «высокой», если составляет 1.5-2.2°С.

Период интенсивного прогрева продолжается от момента замерзания озера до момента, когда скорость повышения придонной температуры становится меньше условно принятой величины 0.05°С-сут"1. Период интенсивного прогрева продолжается в глубоководной части озера 17-29, на средних глубинах 9-13 суток. Большее значение наблюдается в годы с «коротким» предледоставным периодом и «низкой» температурой замерзания, меньшее - в годы с «продолжительным» предледоставным периодом или с «высокой» температурой замерзания.

В период интенсивного прогрева в глубоководной части оз. Вендюрского максимальная скорость повышения придонной температуры составляет 0.19-0.40, на средних глубинах - 0.17-0.34°С,сут"1. Большее значение наблюдается в годы с «коротким» предледоставным периодом и «низкой» температурой замерзания, меньшее - в годы с «продолжительным» предледоставным периодом или с «высокой» температурой замерзания. Скорость повышения придонной температуры к концу периода интенсивного прогрева снижается до 0.05°С-сут*1, средняя скорость повышения температуры водной толщи по вертикали имеет порядок 0.01-0.03°С-сут'1. В подледном слое толщиной 10-20% глубины в этот период температура понижается со скоростью 0.00-0.02°С-сут'1.

Скорость повышения придонной температуры на протяжении периода установившегося прогрева вплоть до начала весеннего подледного прогрева практически не меняется и составляет в среднем по столбу воды в глубоководной части озера -О.ОЬО.ОгТ-сут'1.

Можно заключить, что какими бы ни были условия предледоставного периода и температура замерзания озера, наибольшие изменения температуры происходят в глубоководной части озера на протяжении первого месяца, в области средних глубин и на мелководьях - в течение первых двух недель существования ледового покрова.

В слое подледных вод, нижняя граница которого располагается в разные годы на глубине 0.9-1.9 м происходит понижение температуры воды (до начала периода весеннего подледного прогрева). Температура нижней границы этого слоя остается практически неизменной и составляет в разные годы 0.4-1.6 °С. Ниже температура на протяжении зимы непрерывно повышается. При анализе зимнего термического режима мелководного озера предлагается рассматривать его водную толщу состоящей из двух слоев - верхнего, температура которого в течение зимы вплоть до начала весеннего подледного прогрева понижается и нижнего, температура которого повышается.

В южной части Карелии весенний подледный прогрев, обусловленный проникновением солнечной радиации под лед, нагреванием подледного слоя воды и развитием процесса свободной конвекции начинается в конце марта-начале апреля и продолжается на мелководных озерах 30-35 суток. В начальный период конвекции на оз. Вендюрском подо льдом наблюдается слой толщиной 0.1-0.2 м, градиент температуры в котором достигает 5-9°С-м'1. Ниже располагается квазиоднородный слой, толщина и температура которого при развитой конвекции увеличиваются в сутки на 0.1-0.8 м и 0.05-0.25°С, соответственно. К моменту вскрытия озера ото льда его водная масса оказывается охваченной конвективным перемешиванием на мелководьях и в области средних глубин до дна, в глубоководной части озера - до глубин 8-9 м. Температура слоя, вовлеченного в конвективное перемешивание, составляет к этому моменту 3.7-4.2°С, а средняя температура водной массы озера - около 4.0°С. В отдельные годы в конце ледостава в верхней части квазиоднородного слоя наблюдается повышение температуры воды до 4-5 °С и выше, что препятствует дальнейшему развитию конвективного перемешивания, проникающего в таких условиях до меньших глубин (~6 м).

В донных бтлЬжениях на определенной глубине (0.20-0.55 м) температура в течение зимы практически не изменяется. Температура вышележащих грунтов со временем повышается, нижележащих - понижается. Установлено, что повышение температуры «нижнего» слоя донных отложений на мелководьях начинается, когда свободная конвекция достигает дна, и температура придонного слоя воды становится выше температуры верхнего слоя донных отложений.

Теплосодержание мелководного озера к моменту появления льда и особенности его роста в течение зимы характеризуются значительной межгодовой изменчивостью. Наиболее существенное изменение теплосодержания столба воды происходит в течение периода интенсивного прогрева на средних глубинах и в глубоководной части озера, в то время как на мелководьях оно практически не меняется. Наиболее существенное увеличение теплосодержания столба воды в течение зимы наблюдается в годы с «коротким» предледоставным периодом и «низкой» температурой замерзания озера (от момента замерзания до начала весеннего подледного прогрева оно увеличивается в два раза). В годы с «высокой» температурой замерзания теплосодержание озера к моменту ледостава выше, чем в другие годы, но в течение зимы теплосодержание столба воды в глубоководной части озера увеличивается не столь значительно - всего на 20-25%. В период интенсивного прогрева теплосодержание столба воды в глубоководной части озера увеличивается на 10.0-20.0, в области средних глубин и мелководий - на 5.0-10.0 Вт-м'2 в сутки; в период установившегося прогрева в глубоководной части озера -на 5.0-6.0, на средних глубинах - на 1.5-2.5, на мелководьях - на 0.0-1.0 Вт-м"2 в сутки. Большее значение наблюдается в годы с «коротким» предледоставным периодом и «низкой» температурой замерзания, меньшее - в годы с «продолжительным» предледоставным периодом или с «высокой» температурой замерзания.

Период изменчивости теплосодержания столба воды имеет синоптический масштаб. Определенный вклад во временную изменчивость теплосодержания столба воды зимой могут вносить бароклинные сейши, генерированные колебаниями ледового покрова под воздействием ветра.

Наибольший теплопоток из донных отложений в воду наблюдается в глубоководной части мелководного озера в течение первых 7-10 дней после замерзания. В конце периода интенсивного прогрева на мелководьях теплопоток из дна имеет порядок 2.0-4.0, к концу зимы снижается до 0.1-3.0 Вт-м"2. В области больших глубин (за исключением первых 7-10 дней ледостава) теплопоток имеет порядок 0.1-1.5 Вт-м" и на протяжении зимы изменяется незначительно.

Теплопоток вблизи границы вода-лед на протяжении всей зимы имеет порядок 0.1Л

1.5 Вт-м" и не зависит от глубины станции; с началом весеннего подледного прогрева возрастает до 5-10, в конце этого периода может достигать 10-30 Вт-м".

Получены следующие значения эффективного коэффициента поглощения (ЭКП) солнечной радиации: снегом - 10.1-15.0, белым льдом - 6.1-8.0, кристаллическим - 2.2-5.5, льдом смешанной структуры (с разным соотношением белого и кристаллического) - 2.7-4.9 м"1. Был определен также интегральный эффективный коэффициент поглощения солнечной радиации ледовым покровом, который изменяется в пределах 3.0-5.0, со средним значением 3.9 м"1.

Точность расчета подледной радиации с использованием полученных значений ЭКП солнечной радиации снегом и льдом, как по данным измерений на Вендюрском озере, так и по данным измерений на других озерах, лежит в пределах ±20%, что позволяет сделать вывод о возможности применения полученных значений ЭКП снега и льда при изучении процессов поглощения и рассеивания солнечной радиации в снежно-ледовом покрове пресноводных озер.

Полевые исследования динамики растворенного кислорода показали, что зимой во всей водной толще мелководного озера происходит снижение его содержания. К середине зимы у дна повсеместно образуется слой с пониженным содержанием РК, а в тонком придонном слое концентрации РК уменьшаются до нуля. К концу зимы в глубоководной части озера формируется придонная анаэробная зона, толщина которой составляет порядка 10% глубины. Межгодовая изменчивость содержания РК в течение зимы определяется, в первую очередь, его содержанием в водах озера в предледоставный период.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Здоровеннова, Галина Эдуардовна, Санкт-Петербург

1. Андреев О.М. Параметризация переноса коротковолновой солнечной радиации в снежно-ледяном покрове / О.М.Андреев, Б.В.Иванов // Метеорология и гидрология. - 2003. - № 2. - С. 54-58.

2. Бакастов С.С. Некоторые данные по донным температурам Рыбинского водохранилища в подледный период / С.С. Бакастов // Бюлл. Ин-та биол. водохр. АН СССР. 1960. - № 8-9. - С. 62 - 66.

3. Бакастов С.С. Распределение и динамика температуры дна Рыбинского водохранилища в зимний период / С.С. Бакастов // Динамика водных масс водохранилищ. М.: Наука, 1965. - С. 70 - 78.

4. Баранов И.В Лимнологические типы озер СССР / И.В Баранов. Л.: Наука, 1962. - 226 с.

5. Биологическая продуктивность оз. Красного и условия ее формирования. Л., 1976.156 с.

6. Бояринов М.П. Динамика вод в малом озере в период ледостава / М.П. Бояринов и др. // Гидроэкологические проблемы Карелии и использование водных ресурсов. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2003. - С. 24 - 32.

7. Бояринов П.М. Процессы формирования термического режима глубоких пресноводных водоемов / П.М. Бояринов, М.П. Петров Л.: Наука, 1991. -175 с.

8. Бреховских В.Ф. Гидрофизические факторы формирования кислородного режима водоемов / В.Ф. Бреховских. М.: Наука, 1988. - 166 с.

9. Бульон В.В. Первичная продукция планктона внутренних водоемов / В.В. Бульон Л.: Наука, 1983. - 150 с.

10. Буторин Н.В. Температура воды и грунтов Рыбинского водохранилища / Н.В. Буторин, Т.Н. Курдина, С.С. Бакастов. Л.: Наука, 1982. - 224 с.

11. Буфал В.В. О пропускании солнечной радиации снежным и ледовым покровом в водоемах Прибайкалья (на примере Байкала) / В.В. Буфал, Т.Н. Довгий // Проблемы регионального зимоведения. Вып. 1. - Чита, 1966. - С. 20 - 22.

12. Винберг Г.Г. Первичная продукция водоемов / Г.Г. Винберг. Минск: Изд-во АН СССР, 1960.-329 с.

13. Винников С.Д. Гидрофизика / С.Д. Винников, Б.В. Проскуряков. Л.: Гидрометеоиздат, 1988. - 248 с.

14. Вологдин М.П. Гидрооптические особенности малых озер Забайкалья (на примере Ивано-Арахлейских) / М.П. Вологдин. Новосибирск: Наука, 1981. -136 с.

15. Голосов С.Д. Теплообмен и термическая структура системы вода донные отложения / С.Д. Голосов, К.Д. Крейман // Водные ресурсы. - 1992. - № 6. - С. 12-18.

16. Григорьев С.В. Каталог озер Карелии / С.В. Григорьев, Г.Л. Грицевская. М.-Л.: Изд. АН СССР, 1959. - 240 с.

17. Дал матова Т.В. Наблюдения над температурами подледного слоя воды на Байкале весной 1932 г. / Т.В. Далматова // Труды Байкальской лимнологической станции. 1939. - Т. 9. - С. 127 - 132.

18. Зайков Б.Д. Очерки по озероведению / Б.Д. Зайков. Л.: Гидрометеоиздат, 1955.-272 с.

19. Зобков Б.М. Зимний термический режим глубоководной части оз. Урос по результатам автономных наблюдений / Б.М. Зобков // Лимнология Онежского озера и его бассейна. Петрозаводск: Карельский филиал АН СССР, 1985. -С. 14-17.

20. Зобков Б.М. Термический режим мелководного водоема в подледных период по результатам автономных наблюдений / Б.М. Зобков // Биология внутренних вод: Информ. Бюлл. Л., 1986. - № 72. - С. 57 - 61.

21. Калитин Н.Н. Актинометрия / Н.Н. Калитин. М.-Л.: Гидрометеоиздат, 1938. - 326 с.

22. Каталог озер и рек Карелии / Под ред. Н.Н.Филатова и А.В.Литвиненко. Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2001. 290 с.

23. Ковалева Н.В. Влияние температуры и содержания кислорода на интенсивность аэробного окисления органического вещества в водах Черного моря / Н.В.Ковалева, В.И. Мединец, Е.И. Газетов // Гидробиол. журнал. -2003.-Т. 39.-№4.-С. 34-40.

24. Колесников А.Г. К вычислению температуры воды в водоеме, покрытом льдом / А.Г. Колесников // Ледотермические вопросы в гидроэнергетике. -Сб'. статей йод ред. Д.Н. Бибикова. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1954. - С. 121 -146.

25. Крейман К.Д. О параметризации теплообмена через поверхность раздела вода- дно / К.Д. Крейман, С.Д. Голосов // Водные ресурсы. 1990. - № 5. - С. 38 -41.

26. Крицкий С.Н. Зимний термический режим водохранилищ, рек и каналов / С.Н. Крицкий, М.Ф. Менкель, К.И. Россинский. М.-Л: Госэнергоиздат, 1947.- 155 с.

27. Кузьменко Л.Г. Термический режим водной массы и донных отложений озера / Л.Г. Кузьменко // Биологическая продуктивность озера Красного. Л.: Наука, 1976.-С. 18-36.

28. Кузьменко Л.Г. Термический режим водной массы и иловой толщи и их теплозапасы / Л.Г. Кузьменко // Эвтрофирование мезотрофного озера. Л.: Наука, 1980.-С. 35-43.

29. Кузьменко Л.Г. Годовой цикл термического режима оз. Красного / Л.Г. Кузьменко // Озера Карельского перешейка. Лимнологические циклы оз. Красного. Л., 1971. - С. 75 -110.

30. Кузьменко Л.Г. Структура сезонных термических состояний озер / Л.Г. Кузьменко // Особенности формирования качества воды в разнотипных озерах Карельского перешейка. Л.: Наука, 1984. - С. 45 - 60.

31. Кузьмин П.П. Физические свойства снежного покрова / П.П. Кузьмин. Л.: Гидрометеоиздат, 1957. - 179 с.

32. Литинская К.Д. Озера Вендюрской группы Урос, Риндозеро, Вендюрское / К.Д. Литинская, Ю.К. Поляков // Водные ресурсы Карелии и их использование. - Петрозаводск: Карельский филиал АН СССР, 1975. - С. 57 -66.

33. Лифшиц В.Х. Водно-экологические проблемы Карелии / В.Х. Лифшиц и др. // Состояние водного бассейна и охрана атмосферы в Восточной Финляндии и Республике Карелия. Экологический вестник № 1. Финляндия. Йоэнссу, 1992.-С. 34-41.

34. Лозовик П.А. Изменение режима водоемов Карелии в результате антропогенного воздействия / П.А. Лозовик, А.В. Сабылина // Водные ресурсы Карелии и экология. Петрозаводск: Карелия, 1992. - С 45 - 55.

35. Мартынова М.В. Донные отложения в экосистеме Нарочанских озер. 2. Потребление кислорода / М.В. Мартынова, Т.В. Жукова, Э.П. Жуков // Водные ресурсы. -1991. № 2. - С. 123 - 134.

36. Матвеев В.П. Влияние инсоляции на суточный ход температуры воды под ледяным покровом / В.П. Матвеев // Известия Гос. Гидрол. Инст. 1928. -№21.-С. 136- 139.

37. Матвеев В.П. О вертикальном распределении температуры в донных отложениях озер Долгого (Питка-ярви) и Волочаевского (Вуот-ярви) / В.П. Матвеев // Озера Карельского перешейка. М.-Л., 1964. - С. 45 - 50.

38. Метеорологический ежемесячник. № 1-12. - Вып. 3. - Часть И. - Обнинск, 1979-1990.

39. Метеорологический ежемесячник. № 1-12. - Вып. 3-а. - Часть 2. - Л., 19621974.

40. Метеорологический ежемесячник. № 1-12. - Вып. З-б. - Часть 2. - Обнинск, 1975-1978.

41. Миронов Д.В. Параметризованная модель сезонной эволюции теплового режима и режима перемешивания в водоеме / Д.В. Миронов и др. // Гидротермодинамическое взаимодействие озера с атмосферой. Л.: Наука, 1990.-С. 87- 105.

42. Мокиевский К.А. О потерях лучистой энергии Солнца, проходящей через ледяной покров / К.А. Мокиевский // Озера центральной части Карельского перешейка. Тр. Лаб. Озероведения. - М.-Л.: Изд. АН СССР, 1960. - Т. 11. - С. 85-91.

43. Мокиевский К.А. Проникновение лучистой энергии Солнца в водную массу Ладожского озера / К.А. Мокиевский // Тепловой режим Ладожского озера. -Л: Изд-во ЛГУ, 1968. С. 73 - 99.

44. Мокиевский К.А. Проникновение лучистой энергии Солнца через ледяной покров Онежского озера / К.А. Мокиевский // Предварительные результатыкомплексной экспедиции по исследованию Онежского озера. Петрозаводск: Карелия, 1969.-С. 13 -15.

45. Молчанов И.В. / И.В. Молчанов. Онежское озеро. - JL: Гидрометеоиздат, 1946. - 208 с.

46. Монин А.С. Статистическая гидромеханика. Т. 1. Теория турбулентности. / А.С. Монин, A.M. Яглом. СПб: Гидрометеоиздат, 1992. - 696 с.

47. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Серия 3. Многолетние данные. Ч. 1-6. - Вып. 3. - Карельская АССР, Ленинградская, Новгородская, Псковская и Смоленская области. - Л., 1988. - 692 с.

48. Одрова Т.В. Гидрофизика водоемов суши / Т.В. Одрова. Л.: Гидрометеоиздат, 1979. - 312 с.

49. Особенности формирования качества воды в разнотипных озерах Карельского перешейка. Л.: Наука, 1984. - 300 с.

50. Палыпин Н.И. Термические и гидродинамические процессы в озерах в период ледостава / Н.И. Палыпин. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 1999. - 86 с.

51. Петров Б.М. Некоторые результаты измерений подледной освещенности в оз. Пуннус-Ярви / Б.М. Петров // Озера центральной части Карельского перешейка. Тр. Лаб. Озероведения. - М.-Л.: Изд. АН СССР, 1960. - Т. 11. - С. 80 - 84.

52. Петров М.П. Суточный ход конвекции в озере подо льдом / М.П. Петров, Г.Г. Сутырин // Метеорология и гидрология. 1985. - № 1. - С. 91 - 99.

53. Пивоваров А.А. Термика замерзающих водоемов / А.А. Пивоваров. М.: МГУ, 1972.- 140 с.

54. Пиотрович В.В. Образование и стаивание льда на озерах-водохранилищах и расчет сроков ледостава и очищения / В.В. Пиотрович. М.: Гидрометеоиздат, 1958. - 192 с.

55. Пиотрович В.В. О притоке тепла к нижней поверхности ледяного покрова рек / В.В. Пиотрович // Труды ЦИП. 1947. - Вып. 2. - № 29. - С. 204 - 236.

56. Писякова Н.М. Наблюдения над проникновением солнечной радиации через лед / Н.М. Писякова // Метеорология и гидрология. 1947. - Вып. 6. - С. 65 -67.

57. Поверхностные воды озерно-речной системы Шуи в условиях антропогенного воздействия. Петрозаводск: Карелия, 1991. - 212 с.

58. Поляков I6.K. Гидрологическая характеристика малых водоемов зоны проектируемого Белопорожского водохранилища (р. Кемь) / Ю.К. Поляков, В.А. Фрейндлинг // Современный режим природных вод бассейна р. Кеми. -Петрозаводск, 1989. С. 153 - 164.

59. Попов Н.И. Морская вода. Справочное руководство / Н.И. Попов, К.Н. Федоров, В.М. Орлов. М., 1979. - 328 с.

60. Процессы тепло- и массопереноса в мелководных озерах. / Под. ред. Крейман К. СПб.: Наука, 1993. 170 с.

61. Радионов В.Ф. Снежный покров в арктическом бассейне / В.Ф. Радионов, Н.Н. Брязгин, Е.И. Александров. СПб.: Гидрометеоиздат, 1996. - 124 с.

62. Ресурсы поверхностных вод СССР. Т. 2. - Карелия и Северо-Запад. - Ч. 1. -Л., 1972. - 528 с; Ч. 2. - Л., 1972. - 278 е.; Ч. 3. - Л., 1972. - 958 с.

63. Романов А.А. О климате Карелии / А.А. Романов. Петрозаводск, 1961. - 139 с.

64. Россинский К.И. Термический режим водохранилищ / К.И. Россинский. М.: Наука, 1975.- 168 с.

65. Россолимо Л.Л. Некоторые особенности температурного режима малых озер / Л.Л. Россолимо // Малые водоемы равнинных областей СССР и их использование. М., 1961. - С. 103 - 105.

66. Россолимо Л.Л. Термика донных отложений Белого озера в Косино / Л.Л. Россолимо // Тр. Лимнол. ст. в Косино. Л., 1932. - Вып. 15. - С. 44 - 66.

67. Россолимо Л.Л. Термика Косинских озер / Л.Л. Россолимо // Тр. биол. ст. в Косино. Л., 1930. - Вып. 10. - С. 3 - 30.

68. Рянжин С.В. Долговременная и сезонная изменчивость гидрометеорологических процессов в мелководных озерах умеренных широт / С.В. Рянжин, Л.Г. Кузьменко // Процессы Тепло- и массопереноса в мелководных озерах. СПб.: Наука, 1993. - С. 5 - 21.

69. Сабылина А.В. Гидрохимия озер / А.В. Сабылина // Поверхностные воды озерно-речной системы Шуи в условиях антропогенного воздействия. -Петрозаводск: Карелия, 1991. С. 141 -156.

70. Савельев Б.А. Строение, состав и свойства ледяного покрова морских и пресных водоемов / Б.А. Савельев. М.: Изд-во МГУ, 1963. - 541 с.

71. Сейши на озерах СССР / Н.М. Арсеньева и др..-Л.: Изд-во ЛГУ, 1963.-184 с.

72. Семенович Н.И. Изучение термического режима донных отложений озер / Н.И. Семенович // Тр. Лаб. Озероведения. М.-Л.: Изд. АН СССР, 1954. - Т. З.-С. 162- 172.

73. Сергеева Г. А. Газовый режим в некоторых озерах Вендюрско-Вохтозерской группы / Г. А. Сергеева // Исследования озерно-речных систем Карелии. -Петрозаводск: Карельский филиал АН СССР, 1982. С. 31-34.

74. Сокольников В.М. О радиационных свойствах льда и снега и о некоторых явлениях ледового режима Малого моря / В.М. Сокольников // Тр. Байкальской лимнол. Станции. 1959. - Т. 17. - С. 54 - 107.

75. Суркова Е.И. Гидролого-гидрохимический очерк озер Восточного Мурмана на примере озера Максим / Е.И. Суркова, С.С. Сурков // Рыбы Мурманской области. Мурманск: Мурманское книжное издательство, 1966. - С. 77 - 83.

76. Тачалов С.Н. Методика и результаты наблюдений над температурой грунтов дна Рыбинского водохранилища / С.Н. Тачалов // Гидрометеорологический режим верхневолжских водохранилищ. Л., 1966. - С. 3 - 23.

77. Термодинамические процессы в глубоких озерах. Л.: Наука, 1981. - 224 с.

78. Тихомиров А.И. Классификация озер умеренной зоны по термическому режиму / А.И. Тихомиров // Режим озер. Вильнюс, 1970. - С. 174 - 185.

79. Тихомиров А.И. Термика крупных озер / А.И. Тихомиров. Л., 1982. - 232 с.

80. Тихомиров А.И. Термический режим / А.И. Тихомиров, А.Н. Егоров // Озера Лача и Воже. Материалы комплексных исследований. Л.: Наука, 1975. - С. 8 -10. '' ;

81. Тихомиров А.И. Термический режим и теплозапасы / А.И. Тихомиров, А.Н. Егоров // Озеро Кубенское. Ч. 1. Гидрология. - Л.: Наука, 1977. - С. 257 -285.

82. Улексина А.Г. Термический режим / А.Г. Улексина, Т.Н. Филатова // Гидрометеорологический режим озер и водохранилищ СССР. Чудско-Псковское озеро. Л.: Гидрометеоиздат, 1983. - С. 53 - 69.

83. Ульянова Д.С. Кислородный режим озер / Д.С. Ульянова // Особенности формирования качества воды в разнотипных озерах Карельского перешейка. -Л.: Наука, 1984. С. 91 - 95.

84. Филипс О.М. Динамика верхнего слоя океана / О.М. Филипс. Л.: Гидрометеоиздат, 1980. - 320 с.

85. Форш Л.Ф. Роль иловой толщи в формировании теплового режима оз. Великого / Л.Ф. Форш // Изв. ВГО. 1965. - Т. 97. - Вып. 4. - С. 358 - 364.

86. Форш Л.Ф. Термический и тепловой режим озер Кольского полуострова / Л.Ф. Форш // Озера различных ландшафтов Кольского полуострова. Л.: Наука, 1974.-Ч. 1.-С. 156- 194.

87. Форш Л.Ф. Термический режим, тепловой баланс озер и роль иловой толщи в их тепловом бюджете / Л.Ф. Форш // Озера различных ландшафтов Северо-Запада СССР. Л.: Наука, 1968. - Ч. 1. - С. 166 - 208.

88. Форш Л.Ф. Термический режим и тепловой баланс / Л.Ф. Форш, Л.Н. Варенцов // Ландшафтный фактор в формировании гидрологии озер Южного Урала. Л.: Наука, 1978. - С. 154 - 180.

89. Фрейндлинг В.А. К вопросу о термике ряда водоемов южной и северной Карелии / В.А. Фрейндлинг // Оперативно-информационные материалы. Изучение и использование водных ресурсов. Петрозаводск: Карельский филиал АН СССР, 1981. - С. 20 - 25.

90. Фрейндлинг В.А. О температурном режиме озера Сямозера / В.А. Фрейндлинг // Вопросы гидрологии, озероведения и водного хозяйства Карелии. Петрозаводск: Карельский филиал АН СССР, 1964. - С. 99 -121.

91. Фрейндлинг В.А. Температурные условия водоемов / В.А. Фрейндлинг // Поверхностные воды озерно-речной системы Шуи в условиях антропогенного воздействия. Петрозаводск: Карелия, 1991. - С. 36 - 39.

92. Фрейндлинг В.А. Термика и элементы гидрофизики озер Заонежья / В.А. Фрейндлинг // Вопросы гидрологии, озероведения и водного хозяйства Карелии. Петрозаводск: Карельское книжное издательство, 1965. - С. 79 -92.

93. Фрейндлинг В.А. Гидрологический и гидрохимический режим Сямозера / В.А. Фрейндлинг и др. // Сямозеро и перспективы его рыбохозяйственного использования. Петрозаводск: Карельский филиал АН СССР, 1977. - С.5 -43.

94. Фрейндлинг В.А. Комплексные исследования условий формирования режима ряда малых водоемов Южной Карелии / В.А. Фрейндлинг, Н.С. Харкевич // Исследования озерно-речных систем Карелии. Петрозаводск: Карельский филиал АН СССР, 1982.-С. 28-31.

95. Харкевич Н.С. Кончезерская группа озер / Н.С. Харкевич // Поверхностные воды озерно-речной системы Шуи в условиях антропогенного воздействия. -Петрозаводск: Карелия, 1991. С. 80 - 85.

96. Харкевич Н.С. Материалы по малым лесным озерам (ламбам) Карелии / Н.С. Харкевич //Тр. Карельского филиала АН СССР. Вып. 27. - Материалы по гидрологии (лимнологии) Карелии. - Петрозаводск: Карельский филиал АН СССР, 1960.-С. 70- 133.

97. Харкевич Н.С. К типологическим различиям в гидрохимии некоторых озер Вендюрско-Вохтозерской группы. / Н.С. Харкевич. Оперативно-информ. мат. - Петрозаводск: Карельский филиал АН СССР, 1980. - С. 38 - 41.

98. Хатчинсон Д. Лимнология / Д.М. Хатчинсон. М.: Прогресс, 1969. - 592 с.

99. Хендерсон-Селлерс Б. Инженерная лимнология / Б. Хендерсон-Селлерс. Л.: Гидрометеоиздат, 1987. - 336 с.

100. Хомскис В.Р. Динамика и термика малых озер / В.Р. Хомскис. Вильнюс: Изд-во «Минтае» Лит. ССР, 1969. - 220 с.

101. Черниговский Н.Т. Радиационные свойства ледяного покрова центральной Арктики / Н.Т. Черниговский // Тр. ААНИИ. 1963. - Т. 253. - С. 249 - 260.

102. Чехин Л.П. Световой режим водоемов / Л.П. Чехин. Петрозаводск: Карельский филиал АН СССР, 1987. - 130 с.

103. Швер Ц.А. Атмосферные осадки на территории СССР / Ц.А. Швер. Л., 1976. - 302 с.

104. Шерстянкин П.П. Экспериментальные исследования подледного светового поля озера Байкал / П.П. Шерстянкин. М. 1975. - 89 с.

105. Эвтрофирование мезотрофного озера. Л.: Наука, 1980. - 248 с.

106. Adams W.P. The role of snow and ice in lake heat budgets / W.P. Adams, D.C. Lasenby // Limnol. Oceanogr. 1978. - V. 23. - P. 1025 - 1028.

107. Arst H. Optical properties and remote sensing of multicomponental water bodies / H. Arst. Springer, 2003. - 231 p.

108. Baehr M.M. Under-ice CO2 and O2 variability in a freshwater lake / M.M. Baehr, M.D. Degrandpre // Biogeochemistiy. 2002. - V. 61. - P. 95 -113.

109. Barica J. Oxygen depletion and winterkill risk in small prairie lakes under extended ice cover / J. Barica, J.A. Mathias // J. Fish. Res. Board Can. 1979. - V.36. - P. 980 - 986.

110. Bengtsson L. Dispersion in ice-covered lakes / L. Bengtsson // Nord. Hydrol. -1986a.-№ 17.-P. 151 -170.

111. Bengtsson L. Dynamic of ice-covered lakes / L. Bengtsson // Phisical processes in lakes. NHP-Rep. - 19866. - № 16. - P. 43 - 55.

112. Bengtsson L. Mixing in ice-covered lakes / L. Bengtsson // Hydrobiologia.- 1996. -322.-P. 91-97.

113. Bengtsson L. A Field study of thermo- and hydrodinamics in a small Karelian lake during late winter 1994 / L. Bengtsson et. al. // Department of Water Resources Engineering, Institute of Technology. University of Lund. № 3185. - 1995. - 72 p.

114. Bengtsson L. Field investigation of Winter thermo- and hydrodinamics in a small Karelian lake / L. Bengtsson et. al. // Limnol. Oceanogr. 1996. - V. 41. - № 7. -P. 1502- 1513.

115. Bengtsson L. Thermal regime of ice-covered Swedish lakes / L. Bengtsson, T. Svensson // Nordic Hydrol. 1996. - № 27. - P. 39 - 56.

116. Bilello M.A! Water temperatures in a shallow lake during ice formation, growth and decay / M.A. Bilello // Water Resour. Res. 1968. - № 4. - P. 740 - 760.

117. Birge E. The temperature of the bottom deposits of lake Mendota: a chapter in the heat exchanges of the lake / E. Birge, Ch. Juday, H. March // Trans. Wisconsin Acad. Sci., 1928.-V.23.-P. 187-231.

118. Bolsenga S.J. Preliminary observations on the daily variation of the albedo / S.J. Bolsenga// J. Glaciol. 1977. - V. 18.-P. 517 - 521.

119. Bolsenga S.J. Radiation transmittance through lake ice in the 400-700 nm range / S.J. Bolsenga//J. of Glaciol. -1981. V. 27. - P. 57 - 66.

120. Bolsenga S.J. Spectral transmittance of lake ice from 400-850 nm / S.J. Bolsenga, С. E. Herdendorf, D. C. Norton // Hydrobiologia. -1991. V. 218. - P. 15 - 25.

121. Boyarinov P.M. Thermal processes in Lake Onega / P.M. Boyarinov, N.I. Palshin, M.P. Petrov // Water Poll. Res. J. Canada. 1994. - V. 29. - P. 403 - 422.

122. Boylen C. Bacterial decomposition processes in Lake Wingra sediments during winter / C. Boylen, T. Brock // Limnol. Oceanog. 1973. - V. 18. - № 4. - P. 628634.

123. Brandt R.E. Solar heating rates and temperature profile in Antarctic snow and ice / R.E. Brandt, S.G. Warren // J. of Glaciol. 1993. - V. 39. - № 131. - P. 99 -110.

124. Carmack E.C. Cooling processes in deep, temperate lakes: A reviev with examples from two lakes in British Columbia / E.C. Carmack, D.M. Farmer // J. Mar. Res. -1982.-V. 40.-P. 85-111.

125. Charlton M. Hypolimnion oxygen consumption in lakes: discussion of productivity and morphometry effects / M. Charlton // Can. J. Fish. Aquat. Sci. 1980. - V. 37. -P. 1531 - 1539.

126. Chen C. Precise thermodynamic properties for natural waters covering only limnological range / C. Chen, F. Millero // Limnol. Oceanogr. 1986. - V. 31. - № 3. - P. 657 - 662.

127. Colman J.A. Horizontal diffusivity in small, ice-covered lake / J A. Colman, D.E. Armstrong // Limnol. Oceanogr. -1983. V.28. - № 5. - P.1020 - 1026.

128. Cornett R. Vertical transport of oxygen into the hypolimnion of lakes / R. Cornett, F. Rigler // Can. J. Fish. Aquat. Sci. 1987. - V. 44. - P. 852 - 858.

129. Ellis R.C. Watet temperature dynamics and heat transfer beneath the ice cover of a lake / R.C. Ellis, H.G. Stefan, R. Gu // Limnol. Oceanogr. 1991. - V. 36. - № 2. -P. 324 - 335.

130. Fang X. Simulated climate change effects on dissolved oxygen characteristics in ice-covered lakes / X. Fang, H.G. Stefan // Ecol. Modelling. 1997. - V. 103. - P. 209 - 229.

131. Farmer D.H. Penetrative convection in the absence of mean shear / D;H. Farmer // Quart. J. Roy. Meteorol. Soc. 1975. - V. 101.- P. 869 - 891.

132. Gill A.E. Atmosphere-ocean dynamics / A.E. Gill/ N.Y.: Academic Press, 1982. -662 p.

133. Glinsky A. Current meters for measurement of low-speed velocities in ice-covered lakes / A. Glinsky // Limnol. Oceanogr. 1998. - V. 43. - P. 1661 - 1668.

134. Golosov S.D. Hydrothermodynamic features of mass exchange across the sediment-water interface in shallow lakes / S.D. Golosov, N.V. Ignatieva // Hydrobiologia. 1999. - V. 408/409. - P. 153 - 157.

135. Greenbank J. Limnological conditions in ice-covered lakes, especially as related to winterkill offish / J. Greenbank // Ecol. Monografs. 1945. - V. 15. - P. 343 - 392.

136. Grenfell T.C. The optical properties of ice and snow in the Arctic Basin / T.C. Grenfell, G.A. Maykut // J. of Glaciol. 1977. - V. 18. - P. 445 - 463.

137. Gu R. Year-round temperature simulation of cold climate lakes / R. Gu, H.G. Stefan // Cold Regoins Sci. Technol. 1990. - V. 18. - P. 147 - 160.

138. Hamblin P.F. On the rate of heat transfer between a lake and an ice sheet / P.F. Hamblin, E.C. Carmack // Cold Regions Sci and Technol. 1990. - V. 18. - P. 173 -182. '' ''

139. Hargrave B. A comparison of sediment oxygen uptake, hypolimnetic oxygen deficit and primary production in Lake Esrom, Denmark / B. Hargrave // Vehr. Int. Ver. Limnol. 1972. - № 18. - P. 134-139.

140. Hobbie J.E. Arctic limnology: a review. Alaskan Arctic Tundra / J.E. Hobbie. -1973. Arctic Institute of North America Technical paper. - № 25. - P.127 - 168.

141. Jonas T. Radiatively driven convection in an ice-covered lake investigated by using temperature microstructure technique / T. Jonas et. al. //J. Geophys. Res. 2003.-V. 108. -№C6.3183. doi: 10.1029/2002JC001316.

142. Lepparanta M. Investigation of ice and water properties and under-ice light fields in fresh and brackish water bodies / M. Lepparanta et. al. // Nordic Hydrol. 2003. -V. 34. -№3. - P. 245-266.

143. Likens G.E. Measurement and analysis of the annual heat budget for the sediments in two Wisconsin lakes / G.E. Likens, N.M. Johnson // Limnol. Oceanogr. 1969. -V. 14.-№ l.-P. 115-135.

144. Likens G.E. Vertical water motions in a small, ice-covered lakes / G.E. Likens, R.A. Ragotzkie // J. Geophys. Res. 1965. - V. 70. - P. 2333 - 2344.

145. Maher O. Seasonal Variability of Thermal Regime in a Shallow Ice Covered Lake / O. Maher, J. Malm // Nordic Hydrology. 2003. - V. 34. - № 1/2. - P. 107 - 124.

146. Maher O. Temperature and Hydrodynamics in Lake Vendurskoe during winters 1996/1997 and 1997/1998 / O. Maher et. al. // Department of Water Resources Engineering, Institute of Technology. University of Lund. - 1999. - №. 3223. -146 p.

147. Malm J. Bottom buoyancy layer in an ice-covered lakes / J. Malm // Water Resources Research. 1998. - V. 34. - № 11. - P. 2981 - 2993.

148. Malm J. Some properties of currents and mixing in a shallow ice-covered lakes / J. Malm // Water Resources Research. 1999. - V. 35. - № 1. - P. 221 - 232.

149. Malm J. A field study of Thermo- and Hydrodynamics in three Small Karelian Lakes during winter 1994/1995. / J. Malm et. al. // Department of Water Resources Engineering, Institute of Technology, University of Lund. 1996. - № 3197.-220 p.

150. Malm J. Temperature and Hydrodynamics in Lake Vendurskoe during Winter 1995/1996. / J. Malm et. al. // Department of Water Resources Engineering, Institute of Technology. University of Lund. 1997. - № 3213. - 210 p.

151. Malm J. Temperature and Salt Content Regimes in Three Shallow Ice-Covered Lakes: 1. Temperature and Salt Content and Density Structure / J. Malm et. al. // Nordic Hydrology. 1997a. - V. 28. - P. 99 - 128.

152. Malm J. Temperature and Salt Content Regimes in Three Shallow Ice-Covered Lakes: 2. Heat and Mass Fluxes / J. Malm et. al. // Nordic Hydrology. 19976, -V.28.-P. 129- 152.

153. Malm J. A field study on currents in a shallow ice-covered lake / J. Malm et. al. // Limnol. Oceanogr. 1998. - V. 43. - № 7. - P. 1669 - 1679.

154. Mathias J. Factors controlling oxygen depletion in ice-covered lakes / J. Mathias, J. Barica // Can. J. Fish. Aquat. Sci. 1980. - V. 37. - P. 185 - 194.

155. Matthews P.C. Solar heating and its influence on mixing in ice-covered lakes / P.C. Matthews, S.I. Heaney // Freshwater Biology. 1987. - V. 18. - P. 135 - 149.

156. Maykut G.A. The spectral distribution of light beneath first-year sea in the Arctic Ocean / G.A. Maykut, T.C. Grenfell // Limnol. Oceanogr. 1975. - V. 20(4). - P. 554 - 563.

157. Mironov D. Radiatively-driven convection in ice-covered lakes: observations, scaling and a mixed-layer model / D. Mironov et. al. // J. Geophys. Res. 2002.107. №C4.- 7-1-7-16.

158. Mortimer C.H. Convection and its consequences in ice-covered lakes / C.H. Mortimer, F.J.H. Mackereth // Int. Ver. Theor. Angew. Limnol. Verh. 1958. -№13.-P. 923-932.

159. Naumenko M.A. Some aspects of the thermal regime of large lakes: Lake Ladoga and Lake Onega / M.A. Naumenko // Water Poll. Res. J. Canada. 1994. - V. 29. -P. 423-439: '

160. Perovich D.K. Light reflection from sea ice during the onset of melt / D.K. Perovich // J. Geophys. Res. 1994. - V. 99. - № C2. - P. 3351 - 3359.

161. Perovich D.K. Seasonal changes in sea ice optical properties during fall freeze-up / D.K. Perovich // Cold Reg. Sci. and Tech. -1991. V. 19. - P. 261 - 273.

162. Perovich D.K. The optical properties of sea ice / D.K. Perovich // Physics of ice-covered seas. M. Lepparanta (Ed.). 1998. - V. 1. - P. 195 - 230.

163. Perovich D.K. Bio-optical observations of fitst-year Arctic sea ice / D.K. Perovic et. al. // Geophys. Res. Lett. 1993. - V. 20. - № 11. - P. 1059 - 1062.

164. Perovich D.K. Laboratory studies of the optical properties of young sea ice / D.K. Perovich, T.C. Grenfell // J. of Glaciol. -1981. V. 27. - № 96. - P. 331 - 346.

165. Ragotzkie R.A. The heat balance of two Antarctic lakes / R.A. Ragotzkie, G.E. Likens // Limnol. Oceanogr. 1964. - V. 9. - P. 412 - 425.

166. Reinart A. Photosynthetically available radiation at winter in Lake Vortsjarv / A. Reinart // Publicationes Instituti Geographici Univesitatis Tartuensis. 1999. - V. 84.-P. 84-91.

167. Ryanzhin S.V. Thermophysical properties of lake sediments and water-sediments heat interaction / S.V. Ryanzhin. Department of Water Resources Engineering, Institute of Technology. University of Lund. - 1997. - № 3214. - 96 p.

168. Stewart K.M. Winter conditions in lake Erie with reference to ice and thermal structure and comparison to lakes Winnebago (Wisconsin) and Mille Lacs (Minnesota) / K.M. Stewart // Proc. 16th Conf. Great Lakes Res. 1973. - P. 845 -857.

169. Stigebrandt A. Dynamics of an ice-covered lakes with throughflow / A. Stigebrandt // Nord. Hydrol. 1978. - № 9. - P. 219 - 244.

170. Thomas C.W. On the transfer of visible radiation through sea ice and snow / C.W. Thomas // J. of Glaciol. 1963. - V. 4. - № 34. - P. 481 - 484.

171. Virtanen M. The ice-covered circulation in Lake PahajSrvi near Tampere / M. Virtanen, J. Forsius, J. Sarccula // Proc. of the Nordic Workshop on the Dynamics of Lakes. Rep. 2. - Norw. Hydrol. Comm. - Oslo. - 1979. - P. 317 - 322.

172. Warren S.G. Optical properties of snow / S.G. Warren // Rev. of Geophys. And Space Phys. 1982. - V. 20. - P. 67 - 89.

173. Welch H. Factors affecting winter respiration in Ontario lakes / H. Welch, P. Dillon, A. Sreedharan // J. Fish. Res. Board Can. 1976. - V. 33. - P. 1809 - 1815.

174. Welch H.E. Effect of snow and ice on the annual cycles of heat and light in Saqvaqjuac lakes / H.E. Welch, J.A. Legault, M.A. Bergmann // Can. J. Fish. Aquat. Sci. 1987. - V.44. - P. 1451 - 1461.

175. Welch H.E. Water circulation in small arctic lakes in winter / H.E. Welch, M.A. Bergmann // Can. J. Fish. Aquat. Sci. 1985. - V. 42. - P. 506 - 520.

176. Wetzel R.G. Limnology: Lake and River ecosystems / R.G. Wetzel. N.Y.: Acad. Press, 2001.- 1006 p.

Информация о работе

Здоровеннова, Галина Эдуардовна
кандидата географических наук
Санкт-Петербург, 2007
ВАК 25.00.27

Диссертация

Термическая структура мелководного озера в период ледостава: внутрисезонная и межгодовая изменчивость - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы