Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2021, T. 496, № 2, стр. 194-197

В зимний сезон Основное черноморское течение (ОЧТ) интенсифицируется [1–3], а конвекция и турбулентное перемешивание завершают формирование максимального по глубине верхнего квазиизотермического слоя. Проходящие в нем процессы определяют изменение глубины залегания термоклина [2, 5, 6]. Основными факторами, изменяющими характеристики термоклина в зоне действия ОЧТ в зимний сезон, являются ОЧТ и циклонические круговороты в западной и восточной частях моря, а также вихри обоих знаков на границах ОЧТ [2–4]. Невыясненной остается изменчивость характеристик термоклина в фазы интенсификации и ослабления ОЧТ, что очень важно для оценок турбулентного перемешивания в нем и формирования холодозапаса в холодном промежуточном слое. Поэтому предлагаемая работа посвящена исследованию реакции термоклина на изменяющуюся скорость ОЧТ.

Материалом для исследования послужили данные, полученные с термокос дрейфующих буев (дрифтеров) [7] в течение эксперимента 2012–2014 гг. Термодатчики находились на глубинах 0.2; 10.0; 12.5; 15.0 м и далее через 5 м до 80 м. [7]. Были отобраны четыре участка (субрегиона), где дрифтеры находились со второй половины декабря по март (гидрологическая зима) в основной струе ОЧТ и не были захвачены синоптическими или мезомасштабными вихрями (рис. 1). Субрегионы располагались: 1 – в южной ветви ОЧТ (время нахождения дрифтера 17–22.01.2013, 26.01–10.02.2014), 2 – в восточной ветви (4–12.03.2013), 3 – у южного берега Крыма (ЮБК) (26–31.03.2013), 4 – в северной ветви ОЧТ (18–31.12.2012).

Рис. 1.

Траектории дрифтеров: с 14.12.2012 по 31.03.2013 – сплошная линия, с 01.01.2014 по 10.02.2014 – точечная. Цифрами обозначены номера субрегионов.

Указанные временные интервалы обусловлены тем, что геострофическая V_g и поверхностная V_s скорости, использовавшиеся для оценки реакции термоклина, регулярно рассчитываются по спутниковым данным [8, 9] со второй половины 2011 г. Данные по V_g и V_s брались из Банка океанографических данных МГИ, частично представленных на портале сайта МГИ (mhi-ras.ru).

Изменяющаяся скорость ОЧТ регулирует глубину верхней границы термоклина (далее – глубину термоклина), а также его толщину и градиент температуры. Оценка их зависимости от скорости ОЧТ проводилась по рядам аномалий этих характеристик, которые вычислялись в каждом субрегионе как отклонения среднесуточных значений каждой характеристики от их средних величин за все время нахождения дрифтера в субрегионе.

Регрессионный график зависимости аномалий глубины термоклина Z ', м от аномалий гео- строфической скорости $V_{g}^{'}$, м/c показан на рис. 2а. На этом рисунке представлены значения, полученные по субрегионам 1–3. В субрегионе 4 величины V_g были заметно меньше, чем V_s, и здесь эти оценки рассчитаны по V_s.

Рис. 2.

Связь аномалии глубины термоклина Z ', м/с: $V_{g}^{'}$, м/c (а); ΔZ ', м (б); (ΔT/ΔZ)', °C/м (в).

Как видно, измерения в субрегионах 1–3 показывают устойчивую тенденцию к заглублению границы термоклина при увеличении V_g и ее подъему на меньшие глубины с ослаблением V_g. Заметный разброс значений позволяет, тем не менее, аппроксимировать полученную зависимость линейным трендом с R² = 0.27: Z ′, м = 60.4$V_{g}^{'}$ + + 0.42 м/c. С учетом отношения коэффициента корреляции к ошибке его вычисления R/σ = 4.3, эта аппроксимация значима на уровне 95%-ной доверительной вероятности.

Данные по субрегиону 4 близки к данным по субрегионам 1–3. Учитывая это, можно сделать вывод, что вариация скорости ОЧТ формирует соответствующее изменение глубины термоклина в зоне ОЧТ. Толщина термоклина вычислялась как разность глубин изотерм, ограничивающих верхнюю и нижнюю границы термоклина (ΔZ, м). Отношение разности температур на его верхней и нижней границах (ΔT, °C) к ΔZ представляло градиент температуры в термоклине. На рис. 2б показано изменение аномалий толщины термоклина ΔZ ', м в зависимости от аномалий глубины его верхней границы Z '. В этом случае представлены данные по субрегионам 1, 2, 4, поскольку в субрегионе 3 измерения проводились в конце гидрологической зимы, когда термоклин максимально заглублен и термокоса дрифтера не достигала его нижней границы. Видно, что заглубление термоклина при увеличении скорости ОЧТ сопровождается уменьшением его толщины. Наблюдается своего рода “сжатие” термоклина. С другой стороны, подъем термоклина на меньшие глубины сопровождается увеличением его толщины. Аппроксимация этого процесса линейным трендом значима на уровне 99%-ной доверительной вероятности. Для оценки изменчивости градиента температуры в термоклине в зависимости от глубины его положения использовались аномалии градиента температуры (ΔT/ΔZ)' и глубины верхней границы термоклина Z '. График этой зависимости показан на рис. 2в. Линейный тренд изменчивости (ΔT/ΔZ)' от Z ' показывает, что с увеличением глубины термоклина наблюдается рост градиента температуры в нем, и, наоборот, подъем термоклина на меньшие глубины сопровождается уменьшением градиента. Этот линейный тренд значим на уровне 95%-ной доверительной вероятности.

Для предварительного объяснения деформации термоклина в зоне ОЧТ были привлечены результаты лабораторного эксперимента [10], косвенно подтвержденного в натурных условиях [11]. Он показал, что придонное гравитационное течение, распространяющееся в стратифицированной жидкости, вызывает в пограничном слое придонного течения волнообразные колебания, передающиеся в стратифицированную жидкость. Учитывая, что стрежень ОЧТ наблюдается в слое 10–25 м, а верхняя граница термоклина в зимний сезон – на глубине 40–60 м [2], можно предположить, что возмущения, вызываемые флуктуирующим потоком, распространяются в пограничные слои в виде волновых колебаний. В рассматриваемых нами случаях верхняя граница термоклина располагалась в среднем на глубине 40–50 м, поэтому наблюдающееся изменение характеристик термоклина в зависимости от скорости течения может быть связано с волновыми процессами в пограничном слое струи ОЧТ. Данные пересекающих ОЧТ гидрологических съемок [12] показали, что при вхождении в зону ОЧТ изотермы термоклина заглубляются, что косвенно свидетельствует о справедливости приведенного предположения.

Большой разброс значений на графиках рис. 2 может быть связан с тем, что дрифтер перемещался в водных массах с различными гидрофизическими характеристиками. Поэтому для повышения точности полученных оценок необходимо проведение эксперимента с использованием стационарных (заякоренных) измерительных систем. Полученные оценки реакции сезонного термоклина на изменяющуюся скорость ОЧТ дают основание сделать вывод о том, что возрастание скорости ОЧТ вызывает заглубление термоклина, уменьшение его толщины и увеличение градиента температуры в нем. Уменьшение скорости ОЧТ, наоборот, приводит к подъему термоклина на меньшие глубины, увеличению его толщины и уменьшению градиента температуры. Этот вывод справедлив для зимнего сезона, когда ОЧТ интенсифицируется [2].