Зимняя конвекция в Японском море

Вестник ДВО РАН. 2010. № 1
УДК 551.465
С.Н.ТАРАНОВА, И.А.ЖАБИН
Зимняя конвекция в Японском море
На основе анализа сезонного зимнего массива океанографических данных рассмотрены характеристики
верхнего перемешанного слоя на всей акватории Японского моря. В северной его части выделены две зоны, где
за счет конвекции происходят вентиляция и формирование промежуточных вод, для южной подтверждено
существование трех областей активной конвекции, связанных с квазистационарными антициклоническими
вихрями Восточно-Корейского и Цусимского течений, в которых происходит вентиляция термоклина.
Ключевые слова: конвекция, вентиляция, верхний перемешанный слой, промежуточные воды.
Winter convection in the Sea of Japan. S.N.TARANOVA, I.A.ZHABIN (V.I.Il`ichev Pacific Oceanological Institute, FEB RAS, Vladivostok).
We collected plenty of winter oceanographic data (2000) and studied characteristics of the upper mixed layer in the
Sea of Japan. The obtained results show the existence of two convection areas in the northern part of the Sea. In the south
part of the Sea we found three zones of convection related to the East Korean Current and Tsushima Current permanent
anticyclone eddies. Тhese areas are important for ventilation and water mass formation in the Sea of Japan.
Key words: convection, ventilation, mixed layer, intermediate water.
Конвекция в период осенне-зимнего охлаждения (зимняя вертикальная циркуляция, или конвективно-ветровое перемешивание) играет значительную роль в формировании структуры вод океана. Биогенные вещества поступают в верхний слой, где происходит фотосинтез. От толщины перемешанного слоя зависит объем поверхностных вод,
имеющих прямой контакт с атмосферой, а значит количество тепла и углекислого газа,
поглощаемого океаном. Процесс конвекции зависит от многих факторов, в том числе от
изменений климата. В частности, глобальное потепление уменьшило скорость формирования промежуточных вод Японского моря во второй половине прошлого столетия [3].
Различают свободную (до 100 м), промежуточную (несколько сотен метров) и глубокую (1000 м и более) конвекции [8, 9, 13].
Глубокая (зимняя) конвекция в настоящее время рассматривается как один из критических процессов, определяющих обновление (вентиляцию) промежуточных и глубинных
вод в Мировом океане. Результаты первых океанографических исследований [2, 14] позволили предположить, что она может определять формирование глубинных вод Японского
моря. Дальнейшие исследования были направлены на то, чтобы установить положение
зоны глубокой конвекции в северной части Японского моря. Так, показано, что наиболее
благоприятные для нее условия существуют в зоне перехода от субарктического фронта
(теплые, соленые воды) к холодным и распресненным водам у побережья материка [11].
Установлено, что промежуточный слой Японского моря формируется за счет конвекции в
районе, расположенном к западу от 136° в.д. и между 40° и 43° с.ш. [10].
В пределах этой зоны была выделена область активного взаимодействия атмосферы
и океана, расположенная к югу от Владивостока. Высказано предположение, что интенсивное охлаждение поверхностного слоя и испарение в этой области влияют на конвекцию и формирование водных масс в северо-западной части Японского моря [6]. Прямые
ТАРАНОВА Светлана Николаевна – кандидат географических наук, научный сотрудник, ЖАБИН Игорь Анатольевич – кандидат географических наук, ведущий научный сотрудник (Тихоокеанский океанологический институт им. В.И.Ильичева ДВО РАН, Владивосток). E-mail: [email protected]
25
судовые наблюдения, выполненные в
2000 г., подтвердили высказанные ранее предположения о том, что Японское море относится к немногочисленным районам Мирового океана, в
которых развивается глубокая конвекция [12]. Типичные признаки глубокой
конвекции (однородные по вертикали
слои и повышенные концентрации растворенного кислорода в промежуточном и глубинном слоях) наблюдались
только на двух станциях – к югу от зал.
Петра Великого (станция 1 на рис. 1)
и в северо-восточной части Японской
глубоководной котловины (станция 2).
В то же время показано, что донные
воды Японского моря формируются
в результате опускания по материковому склону вод высокой плотности,
образующихся за счет осолонения при
льдообразовании на шельфе зал. Петра
Великого [7, 12].
Рис. 1. Схема поверхностной циркуляции в Японском море
В рамках международного проекта
[8, 13]. Положение основных течений определялось на оспо
исследованию циркуляции Японнове композиционного спутникового ИК-изображения, построенного для февраля 2000 г. (http://oceanesip.jpl.nasa.gov)
ского моря (Россия, Республика Корея,
США) в 2000 г. выполнены наиболее
масштабные за всю историю изучения зимние океанографические исследования Японского моря. Наряду с российским НИС «Профессор Хромов» [12] в январе–марте 2000 г.
в Японском море работали японские и корейские научно-исследовательские суда. В этот
период на наземные приемные станции через искусственные спутники Земли поступала океанографическая информация с 32 профилирующих всплывающих буев PALACE,
размещенных в Японском море в 1999 г. (http://flux.ocean.washington.edu/japan-sea/). Буи
дрейфовали на горизонте 800 м и всплывали с интервалом 7 сут. В настоящее время этап
первичной обработки полученной информации завершен и материалы поступили в Национальные центры океанографических данных стран – участниц проекта, что позволило
провести исследования не только для экономической зоны России, но и для Японского
моря в целом.
Полученный массив океанографических данных (659 станций) является наиболее
полным и дает возможность рассмотреть характеристики верхнего перемешанного слоя
и зимнюю конвекцию на всей акватории Японского моря (ранее подобные исследования
проводились только на основе анализа среднемноголетних батометрических данных).
Для выделения глубины верхнего перемешанного слоя (ГПС) использовали критерий,
основанный на разнице свойств воды (ее температуры или плотности). ГПС определялась
как глубина, на которой величина температуры (плотности) отличается от поверхностной
температуры (плотности) на некоторое значение (обычно для температуры берется значение в пределах 0,01–1 ºС, для потенциальной плотности – 0,005–0,125 кг/м3).
В данной работе мы рассчитывали ГПС двумя способами – по разнице потенциальной
температуры (⎜ΔT⎜ = 0,2 ºС) и потенциальной плотности (Δρ = 0,03 кг/м3). Полученные
карты топографии верхнего квазиоднородного слоя различаются незначительно.
Распределение параметров верхнего перемешанного слоя (рис. 2) показывает, что зимой на большей части Японского моря толщина перемешанного слоя составляет около
26
Рис. 2. Распределение: а – температуры (ºС), б – солености (‰), в – условной плотности (кг/м3) воды на поверхности Японского моря зимой 2000 г.; г – толщина (м) перемешанного слоя зимой 2000 г. (использовали температурный критерий, Δt = 0,02 ºС)
50 м. В северной части моря выделяются две зоны, в которых зимняя конвекция проникает до глубин 200 м и более. Первая из них расположена к югу от Владивостока, в ее
пределах наблюдалась глубокая конвекция [12]. Вертикальные профили гидрологических
характеристик (рис. 3) показали, что толщина зимнего перемешанного слоя в этом районе
составляет 300–600 м, при этом значения температуры и солености не превышали 1,0 ºС
и 34,07‰. Плотность воды на поверхности в зоне конвекции соответствует диапазону изменения плотности промежуточных вод (1027,30–1027,32 кг/м3) – следовательно, в этом
районе вентилируется промежуточный слой. Вторая область конвекции была расположена
у северного Приморья вблизи прибрежной области с отрицательными значениями температуры воды (зона максимального охлаждения верхнего слоя). Однако анализ вертикальных профилей показал, что конвекция идет вне пределов этой области при температуре
поверхностного слоя 0,7–1,2º С, при этом соленость в зоне конвекции превышала 34,07 ‰.
27
Последнее показывает, что данный процесс происходит
в зоне влияния трансформированных вод Цусимского
течения, поступающих по северной периферии циклонического субарктического круговорота. Глубина проникновения конвекции составляла 400–600 м; значения
плотности (около 1027,28 кг/м3 и выше) свидетельствовали о том, что зимой 2000 г. в этой зоне формировались промежуточные воды повышенной солености. По
среднемноголетним данным район формирования этой
водной массы расположен в северо-восточной части
моря к востоку от 135º в.д. [1].
Таким образом, в северной части Японского моря
выделяются два района, в которых происходят вентиляция и формирование промежуточных вод: к югу от
Владивостока и у берегов северного Приморья (рис. 1).
В первой зоне происходит распреснение промежуточного слоя, во второй – формирование промежуточных
вод повышенной солености. Первая из выделенных
областей конвекции расположена в области так называемой Южной ветви Приморского течения, вторая
связана с водами Цусимского течения, поступающими
от о-ва Хоккайдо в холодный сектор моря по северной периферии субарктического круговорота (рис. 1).
В области Южной ветви Приморского течения конвекция начинается в результате интенсивного охлаждения
относительно распресненного поверхностного слоя,
при подходе к побережью северного Приморья в конвекцию вовлекаются относительно соленые воды субтропического происхождения, и процесс начинается
при больших значениях поверхностной температуры.
В южной части Японского моря можно выделить
три области, в которых толщина верхнего перемешанного слоя превышает 100 м. Эти области связаны с квазистационарными антициклоническими вихрями-меандрами Восточно-Корейского и Цусимского течений
(рис. 1). Первый, наиболее крупный (вихрь Уллындо,
130–131º в.д.) связан с отделением Восточно-Корейского течения от побережья Кореи. Два других (135 и
137º в.д.) формируются в основных меандрах Цусимского течения. Положение этих вихрей-меандров определяется особенностями рельефа дна и очертаниями
береговой линии у западного побережья о-ва Хонсю.
Летом они являются «внутритермоклинными» [4], относительно однородное и распресненное ядро этих
вихрей выделяется на фоне стратифицированного термоклина (слой резкого изменения температуры с глубиной) в окружающих водах. Зимой в результате охлаждения поверхностного слоя и последующей конвекции
Рис. 3. Расположение станций (а) и вертикальные профили гидрологических характеристик зимой 2000 г. (б–г)
28
ядро вихрей «открывается» и может непосредственно взаимодействовать с атмосферой [5]. За счет этого происходят обновление и вентиляция термоклина в субтропическом
секторе моря. В результате весенне-летнего прогрева и адвекции вод через Цусимский
пролив зимний однородный слой вновь изолируется от атмосферы, и вихри опять превращаются во внутритермоклинные.
Таким образом, в зимний период активная конвекция (относительно большие толщины
верхнего перемешанного слоя) может развиваться как в северной, так и в южной части
Японского моря. В северном субарктическом секторе моря конвекция определяет формирование и трансформацию вод промежуточного слоя, в южном субтропическом участвует
в вентиляции стратифицированного термоклина.
ЛИТЕРАТУРА
1. Жабин И.А., Таранова С.Н. Формирование промежуточных вод повышенной солености в Японском море
// Дальневосточные моря России. Т. 1. Океанологические исследования. М.: Наука, 2007. С. 429-449.
2. Леонов А.К. Региональная океанология. Л.: Гидрометеоиздат, 1960. 764 с.
3. Таранова С.Н., Жабин И.А. Межгодовая изменчивость скорости формирования промежуточных вод в
Японском море // Метеорология и гидрология. 2006. № 11. С. 42-49.
4. Gordon A.L., Giulivi C.F., Lee C.M., Furey H.H., Bower A., Talley L.D. Japan/East Sea thermocline eddies
// J. Phys. Oceanogr. 2002. Vol. 32. P. 1960-1974.
5. Hogan P.J., Hulburt H. E. Why do intrathermocline eddies form in the Japan/East Sea? A modeling perspective
// J. Oceanogr. 2006. Vol. 19, N 3. P. 134-143.
6. Kawamura H., Wu P. Formation mechanism of Japan Sea proper water in the flux center off Vladivostok
// J. Geophys. Res. 1998. Vol. 99, N C12. P. 553-574.
7. Kim K.-R., Kim G., Kim K., Lobanov V., Ponomarev V., Salyuk A. A sudden bottom-water formation during the
severe winter 2000–2001: The case of the East/Japan Sea // Geophys. Res. Lett. 2002. Vol. 29, N 8. P. 751-754.
8. Lee D.-K., Niiler P.P. The energetic surface circulation patterns of Japan-East Sea // Deep-Sea Research II. 2005.
Vol. 52. P. 1547-1563.
9. Marshall J., Schott F. Open ocean deep convection: observations, models and theory // Rev. Geophys. 1999.
Vol. 37, N 1. P. 1-64.
10. Senjyu T., Sudo H. The upper portion of the Japan Sea Proper Water: its source and circulation as deduced from
isopycnal analysis // J. Oceanogr. 1994. Vol. 50. P. 663-690.
11. Seung Y. H., Yoon J.-H. Some features of winter convection in the Japan Sea // J. Oceanogr. 1995. Vol. 51, N 1.
P. 61–73.
12. Talley L.D., Lobanov V.B., Ponomarev V.I. et al. Deep convection and brine rejection in the Japan Sea // Geophys. Res. Lett. 2003. Vol. 30. P. 8.1-8.4.
13. Talley L.D., Min D.-H., Lobanov V.B. et al. Japan/East Sea water masses and their relation to the sea’s circulation // Oceanography. 2006. Vol. 19. P. 32-49.
14. Uda M. The results of simultaneous oceanographical investigations in the Japan Sea and its adjacent waters in
May and June // J. Imp. Fish. Exp. Sta. 1934. N 5. P. 57-190.
29