Прибрежные фронты и апвеллинг

В последние годы исследование фронтов особенно активно развивается в связи с широким применением в океанологии методов дистанционных измерений с искусственных спутников Земли (ИСЗ) и высокоточных зондирующих комплексов. Уровень исследований фронтов в прибрежных районах дальневосточных морей, в целом, не соответствует современным требованиям, что объясняется, прежде всего, отсутствием специализированных долгосрочных программ, направленных на изучение характеристик фронтов, механизмов фронтогенеза, фронтолиза и локальной динамики, что, в свою очередь сдерживает развитие теоретических моделей.

Созданные в последние годы массивы данных: (спутниковых, CTD-зондирований, стандартных батометрических наблюдений) дают возможность получить представления о характеристиках, физической природе и многообразии фронтов в прибрежных районах Японского моря.

Термические фронты в зоне влияния Цусимского течения. Цусимское течение приносит в северо-восточную часть моря теплые трансформированные воды субтропического происхождения. Термические контрасты во фронтальной зоне течения существуют большую часть года, поэтому распределение температуры на поверхности (ТПО) здесь можно использовать при исследовании поверхностных течений и изменчивости положения фронтов. Наиболее благоприятным периодом для спутниковых наблюдений по условиям облачности является осень.

Анализ спутниковых данных позволяет выделить типичные ситуации в распределении ТПО (рис. 3).

Рисунок 3 - Карты положения термических фронтов в зоне влияния Цусимского течения. а-ИСЗ Tiros-N, 1.10.1980; б-ИСЗ NOAA-8, 5.11.1983; в-ИСЗ NOAA,26.11.1979; г-ИСЗ NOAA-7, 5.09.1984; д- ИСЗ NOAA-10, 31.07.1989. Условные обозначения: 1- резкие фронты; 2-размытые фронты; 3-границы облачности; 4-теплые воды; 5-холодные воды; 6-воды течения Соя.

В сентябре-октябре воды Цусимского течения распространяются вдоль побережья о. Хоккайдо, следуя вдоль восточного побережья моря. Сток их осуществляется через проливы Сангарский и Лаперуза (рис. 3, а, г). В октябре теплые воды отчетливо идентифицируются в районе о. Монерон (рис. 3, г). Как следует из оценок водообмена через проливы, в сентябре-октябре величины переноса вод достигают наибольших значений. Таким образом, выделенный тип распределения ТПО соответствует периоду интенсификации Цусимского течения. Вторжение более теплых вод в Татарский пролив наблюдается в ноябре и совпадает по времени с уменьшением стока через пролив Лаперуза и ослаблением течения Соя (Aota, 1984). Известно (Aota, Ishikawa, 1991), что интенсивность стока вод Цусимского течения в пр. Лаперуза зависит от соотношения фоновых уровней между Японским и Охотским морями. Разность уровней положительна с апреля по ноябрь. Резкое уменьшение этой разности происходит в ноябре, когда приток вод через Корейский пролив все еще велик, и теплые воды течения, минуя пр. Лаперуза, проникают вглубь Татарского пролива. При этом можно выделить две характерные ситуации. На некоторых снимках (например, 26.11.1979, рис. 3, б) видно, что теплые воды распространяются в северном направлении вдоль западного побережья о. Сахалин до м. Слепиковский и далее в северо-западном направлении до 48°30’ с.ш. В другие годы (например, 05.11.1983, рис. 3, в) теплые воды наблюдались не у о. Сахалин, а в центральной части Татарского пролива. По существующим представлениям (Alfultis, Martin, 1987), временная изменчивость течений в Татарском проливе в основном вызвана ветром. Возможно, ветер является причиной изменения направления движения теплых вод. В декабре конвективное и ветровое перемешивание приводит к относительно однородному распределению ТПО в районе Татарского пролива.

Основной фронт в северо-восточной части моря формируется между более теплыми и солеными водами Цусимского течения и холодными, менее солеными водами северо-западного сектора моря. Этот фронт относится к фронтам прибрежных пограничных течений (Yanagi, Takahashi, 1987) или, по классификации Федорова (Федоров, 1983), к климатическим циркуляционно-интрузионным фронтам, так как причиной его образования является взаимодействие второстепенной ветви общей циркуляции - Цусимского течения с водами северо-западной части Японского моря.

Фронт у полуострова Крильон. На спутниковых ИК-изображениях резкий термический фронт на границе холодной зоны у п-ова Крильон наблюдался в период с середины июня до середины октября. Выход холодных вод на поверхность четко идентифицируется на фоне более теплого ВКС окружающих вод (рис. 3 , д). На спутниковом снимке видно, что холодные воды через пр. Лаперуза проникают в Охотское море.

По среднемноголетним данным холодные воды у юго-западного побережья о. Сахалин наблюдаются большую часть года, за исключением зимнего периода. Отрицательная аномалия температуры прослеживается в слое 0-75 м от м. Крильон до 46°30’с.ш. Ширина этой зоны составляет 15-20 миль в южной части и 2-3 мили на северном участке. Термические контрасты между водами Цусимского течения и холодными прибрежными водами увеличиваются от весны к осени. Однородное вертикальное распределение температуры и солености, наблюдавшееся у побережья характерно для района с интенсивным вертикальным перемешиванием, обычно вызываемым приливными течениями. Однако T,S-анализ показывает, что воды холодного пятна не могли образоваться при смешении водных масс, находящихся за пределами фронта с япономорской стороны. Характер распределения изолиний на разрезе также не подтверждает предположение об определяющей роли приливного перемешивания - в этом случае должно наблюдаться веерообразное расхождение изолиний при переходе через фронт, а не их выход на поверхность. Апвеллинг, наблюдаемый у п-ова Крильон, может иметь ветровое происхождение. Благоприятные для развития ветрового апвеллинга условия создаются при северо-северо-западных ветрах. Однако повторяемость этого типа ветра в летние месяцы близка к нулю. Поэтому ветер также не может рассматриваться как основная причина апвеллинга в этом районе. Этот фронт, по-видимому, имеет сложную природу и формируется под воздействием нескольких факторов. Его можно отнести по классификации Федорова К.Н. к циркуляционно-топографическим фронтам, в формировании которых участвуют приливные и постоянные течения. При обтекании потоками неоднородностей береговой линии, таких как мысы и полуострова, в определенных зонах возникает локальное понижение уровня, что приводит к компенсационному подъему вод в этих районах и образованию резких фронтальных разделов.

Апвеллинг и апвеллинговые фронты у северо-западного побережья Японского моря. По средним многолетним данным (Комплексный гидрометеорологический атлас Японского моря, 1968), наблюдениям отдельных экспедиций (Рачков, 1989; Рачков, 1988) и результатам анализа спутниковой информации (Sugimoto, Kawasaki, 1984) на шельфе Приморья в летние и осенние месяцы температурный фон ниже, чем в прилегающей части моря. В поле изолиний поверхностной температуры холодные воды в виде изолированных “языков”, прилегающих к побережью, или “пятен”, расположенных в средней части шельфа, прослеживаются от южных районов Татарского пролива до зал. Петра Великого. Распределение ТПО в шельфовой зоне характеризуется значительной временной изменчивостью, перестройка поля температуры может происходить за несколько суток. Холодные участки ограничены резкими фронтами. Отмечается (Alfultis, Martin, 1987), что наблюдаемое распределение температуры нельзя объяснить только адвекцией холодных вод в потоке Приморского течения, ядро которого расположено за пределами шельфа (Яричин, Покудов, 1982). Этот вывод подтверждают расчеты корреляционных связей между температурой воды на береговых ГМС Приморья (Винокурова, Рачков, 1983). Одна из выделенных типичных ситуаций - асинхронность изменения термических условий (на южных ГМС температура ниже, чем на северных) не может быть объяснена адвективным переносом вод с севера. В этой работе показано, что в осеннее время корреляционная связь между аномалиями температура воды и воздуха относительно низкая. Этот результат приводит к выводу о том, что осеннее радиационное выхолаживание не является основным фактором, определяющим температурный режим прибрежной зоны у Приморья в осенние месяцы.

Таким образом, ни адвекция холодных вод, ни осеннее радиационное выхолаживание не могут рассматриваться как основные причины определяющие гидрологический режим в прибрежных районах Приморья. Выход холодных вод в поверхностные слои может быть обусловлен прибрежным ветровым апвеллингом. Для проверки этого предположения был проведен анализ спутниковых и гидрологических данных, а также полей ветра.

Термические контрасты в поле ТПО по спутниковым данным. Холодные воды у северо-западного побережья Японского моря и связанная с ними система фронтальных разделов эпизодически регистрировались на спутниковых ИК-изображениях, полученных в летние месяцы (Жабин, Юрасов, 1987). Осенью холодные воды в прибрежных районах устойчиво наблюдаются вплоть до разрушения стратификации. Распределение ТПО в этом районе имеет сложную пространственную структуру и характеризуется значительной временной изменчивостью. Холодные воды, как правило, наблюдаются в виде отдельных очагов, расположенных у побережья, и полос, ориентированных вдоль берега.

В летний период обширная область холодных вод располагается на шельфе северо-восточного Приморья, который примыкает к переходной зоне от глубоководной центральной котловины к шельфу северной части моря (45°30’-48°00’с.ш.). Фронт, ограничивающий холодные воды, повторяет очертания кромки шельфа. К югу от 45°с.ш. (восточное Приморье) наблюдаются отдельные очаги холодных вод, отделенные друг от друга теплыми участками. Вблизи очагов были обнаружены полосы холодных вод, вытянутые вдоль кромки шельфа. Термические контрасты вне очагов размыты. Температурный фон также понижен у берегов южного Приморья.

Обычно основные черты летнего типа распределения ТПО сохраняются до начала октября. Вблизи м. Поворотный (южное Приморье) в сентябре и начале октября были зарегистрированы случаи кратковременного появления холодных вод у побережья.

Осенью (октябрь-ноябрь) площадь, занимаемая холодными водами у побережья материка, начинает увеличиваться. В Татарском проливе ТПО может быть выше, чем в районах, расположенных южнее. Обширная область холодных вод формируется между 43° и 45°с.ш. (рис. 4, а), где в летний период наблюдались только отдельные очаги холода. Большое пятно холодных вод у южного Приморья в это время года существует постоянно. Положение термических фронтов на границах этой области значительно изменялось по мере усиления охлаждения и конвекции (для сравнения, см. рис. 4, б). Резкие фронты формировались на западной периферии пятна, где холодные воды непосредственно контактировали с теплыми водами южной части моря. В целом, в осенний период существует тенденция к продвижению фронтов в сторону открытого моря. В ноябре фронты разделяют холодные воды, расположенные у северо-западного побережья и более теплые воды центрального сектора. В конце ноября - декабре в этой части моря заканчивается формирование зимнего типа вертикальной структуры и сохраняется только основной фронт между водами холодного северо-западного сектора и Цусимским течением.

Рисунок 4 - Интерпретационные схемы, показывающие положение термических фронтов у побережья Приморья: а-ИСЗ NOAA-7, 11.10.1983; б-ИСЗ NOAA-7, 31.10.1983. Условные обзначения: 1-резкие фронты; 2-размытые фронты; 3-границы облачности; 4-теплые воды Восточно-Корейского и Цусимского течений; 5-холодные воды; 6-теплые шельфовые воды

Таким образом, на основе анализа спутниковых ИК-изображений у северо-западного побережья Японского моря можно выделить три района, которые отличаются по типу распределения и характеру сезонной изменчивости ТПО. Условными границами районов являются: в переходной зоне от шельфа Татарского пролива к глубоководной котловине - 45°30’с.ш.; в области шельфа, прилегающего к глубоководной центральной части моря выделяется две зоны - одна между 43°00’ и 45°00’с.ш. и вторая - у берегов южного Приморья. В каждом из этих районов существует своя изолированная система фронтальных разделов. Выделенные районы отличаются друг от друга особенностями рельефа дна. Шельф в переходной зоне постепенно сужается в направлении с севера на юг и относительно плавно переходит в материковый склон. Кромка шельфа у восточного и южного побережья Приморья выражена очень четко, непосредственно за кромкой начинается резкий свал глубин. В районе 43°с.ш. изменяется ориентация береговой линии, что должно оказывать влияние на прибрежные ветровые течения. Очевидно, что характер рельефа дна оказывает непосредственное влияние на физические процессы, протекающие в этих районах, и играет существенную роль в развитии такого процесса как апвеллинг.

Анализ полей ветра для случаев апвеллинга. Для проверки предположения о ветровой природе апвеллинга у побережья Приморья мы использовали карты полей ветра при типичных погодных условиях (рис. 5), полученные из синоптических карт Японского моря (Атлас волнения и ветра Японского моря, 1968). Анализ этих карт показал, что апвеллинг у берегов южного Приморья может развиваться при северо-западных (СЗ) и юго-западных (ЮЗ) (I подтип) ветрах, а вблизи восточных и северо-восточных берегов Приморья - только при ЮЗ ветре (I и VII подтипы).

Рисунок 5 - Карта полей ветра при типичных погодных условиях (Атлас, 1968). Условные обозначения: сплошные линии-изобары; пунктирные линии-изотахи (скорость ветра в м/c); стрелки - направление ветра; а-ЮЗ ветры (подтип1); б-ЮЗ ветры (подтип У11); в- СЗ ветры (подтип 1У)

            Повторяемость сильных ветров и среднемесячная продолжительность для типов приводится в таблице 4, составленной на основе данных атласа.

Из таблицы видно, что повторяемость СЗ ветров увеличивается в сентябре-ноябре, а ЮЗ ветров (I подтип) - в августе и в октябре.

Таблица 4 - Повторяемость (в %) и продолжительность (в часах) сильных ветров над Японским морем по месяцам.