Вертикальная термохалинная структура и механизмы формирования холодного промежуточного слоя Балтийского моря тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.28, кандидат наук Степанова Наталья Борисовна

• Степанова Наталья Борисовна
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Степанова Наталья Борисовна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ, ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ, ДАННЫЕ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Механизмы перемешивания в природных водоёмах: обзор литературы

1.1.1. Влияние границ и топографии

1.1.2. Влияние плотностной стратификации

1.1.3. Волновое перемешивание

1.1.4. Временные масштабы перемешивания

1.2. Промежуточные слои Чёрного, Средиземного, Балтийского и других внутренних водоемов

1.2.1. Средиземное море

1.2.2. Черное море

1.2.3. Залив Св. Лаврентия

1.2.4. Аральское море

1.3. Общая характеристика термохалинной структуры вод Балтийского моря и его холодного промежуточного слоя

1.3.1. Балтика как физическая система

1.3.2. Холодный промежуточный слой Балтийского моря

1.4. Материалы и методы решения

1.4.1. Используемые натурные данные

1.4.2. Методика выделения ХПС

1.4.3. Методика обработки данных вертикальных зондирований

1.5. Выводы по Главе

ГЛАВА 2. СТРУКТУРА И ЭВОЛЮЦИЯ ХОЛОДНОГО ПРОМЕЖУТОЧНОГО СЛОЯ ЮГО-ВОСТОЧНОЙ ЧАСТИ БАЛТИЙСКОГО МОРЯ ПО ДАННЫМ НАТУРНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ

2.1. Анализ характеристик вод холодного промежуточного слоя в Юго-Восточной Балтике в 2004-2008 гг

2.1.1. Сезонные изменения вертикальной термохалинной структуры и временные рамки существования ХПС

2.1.2. Характеристики ХПС по результатам анализа вертикальных профилей в глубокой части ЮВБ

2.2. Термохалинная структура вод в прибрежной зоне Юго-Восточной Балтики в весенний период и сопоставительный анализ с характеристиками вод холодного промежуточного слоя

2.2.1. О возможности вклада прибрежных вод в формирование ХПС в период ранневесеннего прогрева

2.2.2. Сравнительный анализ данных после зим различной суровости (2006 и 2008 гг.)

2.3. Термохалинная структура холодного промежуточного слоя в юго-восточной части Балтийского моря по данным натурных измерений в 2004-2008 гг

2.3.1. Общие характеристики ХПС в Гданьском бассейне в 2004-2008 гг

2.3.2. Границы и мощность ХПС

2.3.3. Вертикальная структура ХПС

2.3.4. Возникновение ХПС и эволюция его структуры в сезонном цикле

2.3.5. Сезонная модификация Г,¿'-характеристик вод, образующих ХПС в Гданьском бассейне

2.3.6. Роль процессов перемешивания в области температур, близких к Тшё

2.4. Элементы структуры ХПС

2.5. Выводы по Главе

ГЛАВА 3. ТЕПЛООБМЕН МЕЖДУ ПРИБРЕЖНОЙ И ГЛУБОКОЙ ЧАСТЯМИ МОРЯ В ПЕРИОДЫ РАЗВИТИЯ ВЕРТИКАЛЬНОЙ КОНВЕКЦИИ: ТЕОРИЯ И ЛАБОРАТОРНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ В БАССЕЙНЕ С НАКЛОННЫМ ДНОМ

3.1. Лабораторный эксперимент

3.1.1. Установка

3.1.2. Развитие циркуляции и ее квазистационарное состояние

3.1.3. Вертикальные профили температуры воды и скорости течения

3.1.4. Теплосодержание прибрежного треугольника

3.2. Форма горизонтального профиля температуры поверхности от берега в глубокое море

3.2.1. Теория

3.2.2. Профили температуры морской поверхности над подводными склонами

ЮВБ в весенний и осенний периоды

3.3. Теплообмен между шельфом и глубоким морем

3.3.1. Теория

3.3.2. Результаты лабораторного эксперимента

3.3.3. О разнице теплообмена через поверхность в мелкой и глубокой частях бассейна

3.3.4. Оценка величины теплообмена между шельфом и глубокой частью бассейна, на примере Балтийского моря

ГЛАВА 4. МЕХАНИЗМЫ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ И ТРАНСПОРТА В СТРАТИФИЦИРОВАННЫХ БАССЕЙНАХ, ЗАТРАГИВАЮЩИЕ ПРОМЕЖУТОЧНЫЕ СЛОИ: ОБЩИЙ АНАЛИЗ И ПРИЛОЖЕНИЕ К БАЛТИЙСКОМУ МОРЮ

4.1. Механизмы перемешивания и транспорта

4.1.1. Реакция бассейна с пикноклином на ветровое воздействие

4.1.2. Вертикальная конвекция и штормовое ветро-волновое перемешивание

4.1.3. Эстуарийный градиент

4.1.4. Признаки послойной термической конвекции в Балтийском море

4.1.5. Признаки послойной конвекции по типу солевых пальцев

4.1.6. Поступление вод в промежуточный слой по «механизму демона Стоммела»

4.2. Основные физические процессы, влияющие на модификацию промежуточного слоя Балтийского моря

4.2.1. Механизмы формирования структуры ХПС Балтийского моря

4.2.2. Временные рамки физических процесшв, влияющих на формирование и модификацию ХПС в Балтийском море

4.2.3. Эволюция ХПС в сезонном цикле

4.3. Выводы по Главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Вертикальная термохалинная структура и механизмы формирования холодного промежуточного слоя Балтийского моря»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования. К настоящему времени система основных течений и путей транспорта вод в океанах Земли уже хорошо известна, как определены и основные причины её формирования: разность потоков плавучести через поверхность между экватором и полярными областями, система господствующих ветров и вращение Земли [Мо-нин и др., 1974]; известна и структура межокеанского обмена - так называемого глобального термохалинного конвейера вод [Gnanadesikan et al., 2005]. Переход на меньший пространственный масштаб - окраинных и внутриконтинентальных морей, крупных озёр -существенно изменяет как соотношение режимообразующих факторов, так и масштабы отклика водоёма на внешние нагрузки, а также привносит целый ряд новых механизмов перемешивания и обмена, связанных в первую очередь с наличием близких границ. В результате, как правило, в водоёмах такого масштаба систем более-менее постоянных течений выделить не удаётся - однако вопрос о структуре водообмена и величине транспорта вод в результате действия того или иного механизма остаётся по-прежнему фундаментально значимым. Его решение основывается не столько на изучении систем течений и сложившейся термохалинной структуры вод конкретного моря, сколько на анализе всего спектра действующих факторов и физических механизмов, процессов формирования и трансформации вод в данном водоёме в конкретных, именно ему присущих условиях. Таким путём за последние десятилетия были построены аналоги «океанского конвейера» в Средиземном [MEDOC group, 1970] и Чёрном (например, [Stanev, 1990]) морях, сделаны попытки оценок отдельных аспектов транспорта в Балтийском море [Reissman et al., 2009].

Во внутренних морях, имеющих благодаря связи с океаном вертикальную солё-ностную стратификацию и резкий пикноклин, особой динамичностью отличаются промежуточные слои - в их структуре отражается как влияние внешнего водообмена, так и процессы масштаба всего бассейна в целом, как региональные пространственно-временные особенности, так и локальные механизмы перемешивания и обмена. Поэтому исследование процессов их формирования и эволюции полнее раскрывает различные аспекты динамики вод моря и является актуальным.

Промежуточные слои многих средиземных и окраинных морей (например, Средиземного, Черного, Балтийского, Охотского, Японского) характерно отличаются по температуре или солености от выше- и нижележащих слоёв, что является основой их выделения и в вертикальной термохалинной структуре вод. В большинстве своем эти слои имеют адвективное происхождение, являясь результатом приспособления вод, пришедших из других (вполне определенных) регионов, к плотностной стратификации рассматриваемой акватории. Встречаются холодные промежуточные слои, постоянно существующие или воз-

никающие только в теплую часть года над постоянным пикноклином: их формирование может быть объяснено как адвекцией из других регионов, так и локальной вертикальной термо-гравитационной конвекцией в зимнее время.

В целом, изучению механизмов генерации, регионов формирования, объемов и характеристик промежуточных вод, путей их распространения посвящено множество публикаций (особенно детально - по Средиземному [Овчинников, 1983; ЬаБсага^Б й а1., 1999] и Чёрному [Овчинников, 1987; Прокопов, 2000; Б1апеу й а1., 2003] морям). На этом фоне исследования промежуточного слоя Балтийского моря выглядят крайне фрагментарно, и ни один из перечисленных выше вопросов практически не обсуждается.

Существенным отличием Балтики от других внутриконтинентальных морей является низкая солёность её вод: 3-8 промилле в верхнем и 8-12 промилле в нижнем слое [Гидрометеорология и гидрохимия..., 1992]. При такой солёности, температура максимальной плотности вод находится выше температуры замерзания, а это привносит в механизмы перемешивания особенности, характерные больше для пресноводных и солоноватых озёр. При этом довольно значительный сток рек и связь с океаном через проливы, локализованные в одном районе - на юго-западной оконечности моря - обусловливают работу механизмов транспорта, характерных для эстуариев. Активный ветровой режим, длинная и изрезанная береговая черта, различия и метеорологических, и климатических условиях в северной и южной частях моря из-за его большой протяжённости с юга на север, вертикальная солёностная стратификация и при этом наличие инверсии по температуре - все эти факторы в целом делают Балтийское море сложным и интересным объектом для исследований. В дополнение к перечисленному, вертикальная стратификация вод Балтики имеет действительно уникальную особенность: в течение нескольких месяцев (весна - начало лета после типичных и суровых зим) между относительно тёплыми верхним и нижним слоями может наблюдаться прослойка вод с температурой ниже, чем температура максимальной плотности. В весенний период отмечается повышенная активность интрузий в области пикноклина и промежуточных слоях.

Таким образом, в Балтийском море, которое имеет верхний распресненный реками слой и нижележащие соленые и относительно теплые воды атлантического происхождения, ХПС выделяется на вертикальных профилях температуры воды только в тёплое время, когда его верхняя граница очерчена сезонным термоклинном. Принято считать, что балтийский ХПС, - это реликт зимнего верхнего квазиоднородного слоя (ВКС), наблюдаемый в теплое время года (например, [Ьеррагап1а, МугЬег§, 2009]). Однако вертикальные профили основных физических характеристик в пределах ХПС (рис. 1) довольно сложны: на фоне квазиоднородности по солености, типичные профили температуры воды имеют

крайне сложную структуру, включающую участки падения и роста температуры воды, слои вод с температурой ниже температуры максимальной плотности, квазиоднородные и высокоградиентные прослойки.

Май 2005г. станция 12 (68 рейс)

- T, °С

S, psu

- Sigma (T,S,p), кг/м3

- Tmd (S,p), °C

I ' I ' I ' I ' I

5 6 7 8 9

7 8 9 10

Рисунок 1. Вертикальные профили температуры, солености, плотности и температуры максимальной плотности, в мае 2005г.

Все эти особенности говорят о более сложном происхождении промежуточных вод Балтийского моря, чем это принято считать. Исследование структуры ХПС Балтийского моря и анализ вероятных механизмов его формирования и эволюции, при использовании натурных данных и лабораторных экспериментов, могут сделать шаг в сторону понимания общего термохалинного водообмена Балтийского моря.

Принимая во внимание отмечавшийся в последнее десятилетие, в период между большими затоками североморских вод, нараставший дефицит кислорода и сероводородное заражение вод Балтийского моря, вопрос их вентиляции какими-либо альтернативными механизмами делает исследование ХПС исключительно актуальным. При этом вопрос влияния изменения климата на глубину проникновения насыщенных кислородом поверхностных вод (с температурой около температуры максимальной плотности) также находит ответ в рамках данной диссертационной работы.

Целью данной диссертационной работы является исследование особенностей термоха-линной структуры ХПС Балтийского моря и анализ наиболее вероятных механизмов его формирования и эволюции. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Предложить метод выделения ХПС, удовлетворяющий специфическим условиям Балтийского моря, в котором температура и соленость вод в силу географических особенностей заметно изменяются по горизонтали (вдоль главной оси моря).

2. Провести анализ экспедиционных натурных данных, выявить вертикальную структуру собственно ХПС по различным параметрам, определить диапазоны изменения основных характеристик (температуры, солёности, плотности), а также сезонно наблюдаемые и пространственные закономерности вод ХПС.

3. Выделить основные элементы вертикальной термохалинной структуры ХПС и этапы его эволюции в сезонном цикле.

4. Провести анализ вероятных механизмов перемешивания и транспорта, способных сформировать наблюдаемые особенности структуры и обеспечить их модификацию в сезонном цикле.

5. Используя в качестве естественных трассеров при анализе натурных данных солёность вод и аномально низкую температуру, привлекая результаты лабораторных исследований, спутниковую информацию, известные аналитические зависимости - оценить эффективность вкладов основных механизмов перемешивания и транспорта в формирование и эволюцию ХПС Балтийского моря.

Научную новизну исследования составляют положения, выносимые на защиту:

1. Установлено, что основными элементами вертикальной термохалинной структуры холодного промежуточного слоя в основных бассейнах собственно Балтийского моря являются: (1) квазиоднородный по солености подслой с солёностью вод, характерной для ВКС данного региона в зимний период, и температурой, нерегулярно изменяющейся с глубиной; (2) нижележащий градиентный по солености подслой, характеризующийся ростом солености с глубиной и низкой температурой; (3)

ядро ХПС (минимум температуры воды), находящееся при формировании ХПС в области границы между этими подслоями.

2. Показано, что неоднородность свойств вод в пределах ХПС в период формирования (март-апрель) обеспечивается значительным вкладом адвекции. Квазиоднородный по солёности подслой ХПС в этот период составляет около 2/3 общей мощности ХПС; он формируется в пределах чаш отдельных бассейнов механизмами, связанными с действием ветра и дифференциальным прогревом вод при наличии близких берегов. Градиентный по солёности подслой составляет около 1/3 общей мощности ХПС. Мощность однородных и по температуре, и по солёности прослоек - потенциальных остатков зимнего вертикального перемешивания - уже в мае составляет не более 10% мощности ХПС.

3. Для периодов развития вертикальной конвекции разработан метод оценки величины теплообмена между прибрежной и глубокой частями бассейна по температуре поверхности воды и с учетом особенностей донной топографии в прибрежной зоне, показавший, что при квазистационарном режиме обмена, под действием только дифференциального прибрежного прогрева, около 50% тепла, уходящего через поверхность прибрежной зоны, компенсируется теплообменом с глубоким морем.

Достоверность научных результатов и выводов обеспечивается проведением детального анализа многочисленных экспедиционных натурных данных в совокупности с использованием лабораторных экспериментов. Данные контактных измерений были получены с помощью современных приборов, широко используемых в мировой практике, или взяты из международных открытых баз данных (NEST - Baltic Environmental Database, ICES). Результаты проведенного лабораторного эксперимента - картина течений и поля температуры воды - хорошо согласуются с ранее опубликованными результатами других авторов, также изучавших водообмен между прибрежной и глубокой частями водоема. Определенной гарантией достоверности выводов работы является их публикация в престижных рецензируемых зарубежных и отечественных журналах.

Научная и практическая значимость работы. Результаты, полученные в настоящей работе, углубляют понимание процессов, влияющих на модификацию промежуточного слоя вод Балтийского моря, что может быть важным для изучения переноса примесей в водоеме. Достигнутый прогресс в понимание причин эволюции промежуточных

слоев собственно Балтийского моря и важности вклада в их модификацию не только вертикального перемешивания, но и механизмов адвективного происхождения определяет следующий шаг в изучении общего водообмена Балтийского моря.

Необходимо отметить, что работа посвящена собственно Балтийскому морю, не включая Ботнический залив, Ботническое море, Финский залив и проливы Скагеррак и Каттегат. Большая часть обработанных данных принадлежала юго-восточной части Балтийского моря, однако данные из остальных регионов, почерпнутые из международных баз данных, также принимались во внимание. Это связано как с тем, что натурные исследования с участием автора в силу разных причин были ограничены Юго-Восточной Балтикой, так и с тем, что гидрологические режимы исключенных районов имеют отличия от собственно Балтийского моря.

Личный вклад автора: Автор участвовала в работе научно-исследовательских экспедиций в Балтийском море, в ходе которых были частично получены натурные данные, использованные в диссертационной работе. Автор самостоятельно создала программу автоматизации обработки вертикальных СТБ-профилей, выполнила обработку экспедиционных натурных данных измерений за исследуемый период и проанализировала вертикальную структуру и свойства вод холодного промежуточного слоя, предложила интерпретацию полученных результатов. Автор участвовала в подготовке и проведении серии лабораторных экспериментов, направленных на изучение тепло- и водообмена между прибрежной и глубокой частью водоема, провела обработку данных, в результате чего оценила величину теплообмена шельфа с глубокой частью моря в периоды развития вертикальной конвекции. Автор обеспечила подготовку полученных результатов к опубликованию в ведущих российских и зарубежных журналах, а также представляла их на российских и международных конференциях и семинарах.

Апробация работы. Основные результаты диссертации представлялись на заседаниях Ученого совета Физического направления Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН (январь, май 2015 г.), научном семинаре Лаборатории прибрежных систем Атлантического отделения Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН (2014 г.), заседаниях секции физики моря на 50, 52, 53, 54, 55, 56, 57 научных конференциях МФТИ (2008, 2009, 2010, 2011, 2012, 2013, 2014 гг.), XI, XII, XII международной научно-технической конференции «Современные методы и средства океанологических исследований» (Москва, 2009, 2011, 2013гг.), ассамблее Европейского геофизического союза в Вене, Австрия (2010, 2013 гг.), международной. конференции «Динамика прибрежной зоны бес-

приливных морей» (2008, 2010, 2014 гг.); BSSC (2007, 2011, 2013, 2015 гг.), XXV IUGG General Assembly (2011г.), EGU General Assembly (2013 г.).

Публикации по теме диссертации. Материалы диссертации полностью изложены в работах, опубликованных соискателем. По теме диссертации опубликовано 15 работ, в том числе 3 статьи в ведущих российских и зарубежных рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК, 5 статей в других журналах и сборниках научных трудов и 7 тезисов докладов на российских и международных конференциях.

Статьи в научных изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Степанова Н. Свойства холодного промежуточного слоя в Юго-Восточной Балтике по экспедиционным данным 2004-2008 гг. и возможность его вентиляции водами шельфа в весенний период / Н. Степанова // Труды МФТИ. - 2013. - Т. 5. - № 3. - С. 187-195.

2. Chubarenko I. Down-slope cascading modulated by day/night variations of solar heating / I. Chubarenko, E. Esiukova, N. Stepanova, B. Chubarenko, H. Baudler // J. Limnol. - 2013. -Vol. 72. - № 2. - P. 240-252.

3. Степанова Н.Б. Структура и эволюция холодного промежуточного слоя в юго-восточной части Балтийского моря по данным натурных измерений 2004-2008 гг. / Н.Б. Степанова, И.П. Чубаренко, С.А. Щука // Океанология. - 2015. - Т. 55. - № 1. - С. 32-43.

Работы, опубликованные в других изданиях:

4. Чубаренко Н.Б. Анализ натурных данных к вопросу о возможности возникновения ранневесеннего каскадинга с прибрежных подводных склонов Балтийского моря. Исследования Балтийского региона / Н.Б. Чубаренко // Вестник Института Балтийского региона РГУ им. Им. Канта. 2009. - № 2. - С. 52-55.

5. Чубаренко И.П. О влиянии наличия берегов на формирование сезонной вертикальной термохалинной структуры вод Балтийского моря / И.П. Чубаренко, О.И. Козлова, Н.Б. Степанова // Физические проблемы экологии (экологическая физика). Сб. научн. трудов. Под ред. В.И. Трухина, Ю.А. Пирогова, К.Н. Показеева. - М.: МАКС Пресс, 2010. - № 17. - С. 475-486.

6. Степанова Н.Б., Сравнительный анализ характеристик прибрежных вод в ранневе-сенний период и вод холодного промежуточного слоя в Юго-Восточной Балтике / Н.Б. Степанова, И.П. Чубаренко // Физические проблемы экологии (экологическая физика). Сб. научн. трудов. Под ред. В.И. Трухина, Ю.А. Пирогова, К.Н. Показеева. - М.: МАКС Пресс, 2011. - Т. 18. - С. 280-290.

7. Степанова Н.Б. Анализ термохалинной структуры вод в прибрежной зоне Балтийского моря и характеристик его холодного промежуточного слоя / Н.Б. Степанова // Электронный научный журнал «Исследовано в России». - 2012. - № 56. Статья 006 -http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2012/006.pdf.

8. Есюкова Е.Е. Дифференциальное выхолаживание над прибрежными подводными склонами Юго-Восточной Балтики в осенний период по данным спектрорадиометров MODIS / Е.Е. Есюкова, И.П. Чубаренко, Е С. Гурова, Н.Б. Степанова // Физические проблемы экологии (экологическая физика). Сб. научн. трудов. Под ред. В.И.Трухина, Ю.А. Пирогова, К.Н. Показеева. - М.: МАКС Пресс, 2012. - Т. 19. - С. 190-199.

Тезисов докладов на конференциях:

9. Степанова Н.Б. Факторы и физические механизмы, определяющие формирование и трансформацию вод в водоёмах с учетом границ / Н.Б. Степанова // Труды 55-й научной конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук». Долгопрудный, 19-25 ноября 2012 г. - М.: МФТИ, 2012. - Т. 2. - С. 48-49.

10. Stepanova N. Development of differential coastal cooling above sloping bottom: laboratory and numerical modelling / N. Stepanova // Geophysical Research Abstracts. - 2013. - Vol. 15. - EGU2013-502

11. Stepanova N. Sea-shelf water exchange, deduced from changes in integral heat content: laboratory experiments / N. Stepanova // Abstr. 9th Baltic Sea Science Congr. (BSSC2013). 26-30 August 2013. Klaipeda, Lithuania. - 2013. - P. 250.

12. Степанова Н.Б. Исследование водообмена, вызываемого дифференциальным прибрежным охлаждением в бассейне с наклонным дном: лабораторное и численное моделирование / Н.Б. Степанова // Современные методы и средства океанологических исследований: Материалы XIII Международной научно-технической конференции «МС0И-2013». - Москва, ИО РАН, 14-16 мая 2013 г.- М.: АПР, 2013. - Т. 1. - С. 156158.

13. Stepanova N. Heat transport due to differential coastal heating / N. Stepanova // Materials of PERSEUS Training Course. Summer school "Challenge for good environmental status in coastal waters" and 3-rd International Seminar "Dynamics of the coastal zone in the non-tidal seas". 30 June - 4 July 2014. - Gelendzhik, Russia. - 2014. - P. 131-133.

14. Stepanova N. Seasonal evolution of the cold intermediate layer of the Baltic sea / N. Stepanova // Abstr. 10th Baltic Sea Science Congr. (BSSC2015). 15-19 June 2015. Riga, Latvia, - 2015. - P. 130

15. Chubarenko I. Role of intermediate layers in the thermohalinec tirculation of the Baltic Sea /

I. Chubarenko, N. Stepanova //Abstr. 10th Baltic Sea Science Congr. (BSSC2015). 15-19 June 2015. Riga, Latvia, - 2015. - P. 24.

Благодарности. Автор благодарит своего научного руководителя д.ф.-м.н., профессора В.В. Жмура за последовательное руководство и ценные рекомендации; выражает глубокую признательность д.ф.-м.н. И.П. Чубаренко за поддержку, чуткое консультирование и помощь в подготовке диссертации. Д.ф.-м.н., профессору В.М. Журбасу, д.ф.-м.н. А.Г. Зацепину и д.ф.-м.н., профессору В.А. Гриценко автор признательна за содействие при подготовке диссертационной работы. Сотрудники коллектива Лаборатории прибрежных систем АО ИО РАН оказали автору существенную поддержку при проведении лабо -раторного эксперимента. Очень плодотворна была совместная работа с к.г.н. Е.Е Есюко-вой по численному моделированию и анализу спутниковых снимков Балтийского моря.

Автор особенно признательна лекторам и профессорам кафедры термогидромеханики океана МФТИ за приобретенные научные знания в области основных направлений в океанологии и к.ф.-м.н. С.А. Щуке за приобщение к экспедиционной жизни. Отдельную благодарность автор выражает к.ф.-м.н., заведующему лабораторией прибрежных систем, заместителю директора по науке АО ИО РАН Б.В. Чубаренко, без которого работа не могла быть выполнена в срок; автор сердечно признательна ему за ценные советы, поддержку и помощь в преодолении возникавших трудностей.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Объем работы составляет 192 страницы. Текст исследования иллюстрирован 93 рисунками и 12 таблицами. Библиографический список включает в себя 126 наименование, в том числе 83 на иностранных языках.

Во Введении представлена общая характеристика работы, включающая обоснование актуальности темы, основную цель исследования, поставленные задачи, основные положения, выносимые на защиту, достоверность полученных результатов, научную и практическую значимость, личный вклад автора, апробацию результатов исследования.

В Главе 1 приводится обзор механизмов перемешивания в природных водоемах, обсуждаются результаты исследований промежуточных слоев Черного, Средиземного, Мраморного, Балтийского морей и других водоемов. Подробно рассматривается общая характеристика термохалиннй структуры вод Балтийского моря и его холодного промежуточного слоя. Формулируется постановка задачи, описываются материалы и методы ее решения. Предлагается методика выделения ХПС.

Глава 2 посвящена структуре холодного промежуточного слоя, выделенной на основе данных натурных измерений. В главе приводятся диапазоны и средние значения ос-

новных физических характеристик ХПС. Предлагается выделение основных элементов структуры ХПС и периодически встречающихся в нем особенностей с целью дальнейшего объяснения их формирования физическими механизмами перемешивания и транспорта.

В Главе 3 приводятся теория, а также описывается установка и результаты лабораторного эксперимента в бассейне с наклонным дном, с целью детального изучения одного из механизмов, дающих свой вклад в ХПС: адвективного переноса вод из шельфовой зоны из-за дифференциального прибрежного прогрева/выхолаживания. С помощью лабораторного эксперимента изучается теплообмен между прибрежной и глубокой частью моря в периоды развития вертикальной конвекции. Предлагается метод оценки теплообмена между прибрежной и глубокой частью водоема в период дифференциального прогрева/выхолаживания, используя только особенности донной топографии и легкодоступную спутниковую информацию.

В Главе 4 рассматриваются механизмы перемешивания и транспорта в стратифицированных бассейнах, затрагивающие промежуточные слои. Проводится общий анализ и описывается приложение к Балтийскому морю. Предлагается объяснение формирования основных элементов структуры ХПС определенными механизмами перемешивания и транспорта. Описывается эволюция ХПС в сезонном цикле, выделяются 4 этапа его модификации с выделением доминирующих механизмов в каждом.

В Заключении представлены полученные в результате исследования основные выводы.

В Приложении для сохранения возможности дополнительного анализа данных, представлены вертикальные профили основных физических характеристик в мае и июле 2004-2008гг

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ, ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ, ДАННЫЕ И МЕТОДЫ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Механизмы перемешивания в природных водоёмах: обзор литературы

Перемешивание и транспорт вещества в естественных водоёмах могут осуществляться только двумя физическими механизмами - диффузионным и адвективным [Монин, Яглом, 1965]. Молекулярные механизмы диффузии обеспечиваются постоянным термическим движением молекул, что приводит к интегральному переносу вещества «в сторону уменьшения его концентрации». Типичные коэффициенты молекулярной диффузии в

9 2 1

водных растворах имеют прядок 10 м с , и соответствующий годовой перенос составляет примерно 20 см [1шЬоёеп, Wuest, 1995]. Очевидно, что движения на молекулярном уровне могут быть важным источником макроскопического транспорта только в случае очень коротких расстояний или на очень больших временных интервалах.

Поскольку внутреннее трение в воде очень мало, даже малейшие внешние силы могут вызывать существенные макроскопические движения. Хотя энергия подобных движений мала по сравнению с запасенной в термическом движении молекул, - картина течений имеет структуру и существует длительное время, и в подавляющем большинстве случаев такой перенос оказывается гораздо более эффективным, чем молекулярная диффузия. Этот вид транспорта называется адвекцией.

Согласно [Монин и др., 1974], процессы в океане могут быть классифицированы по их временным масштабам следующим образом: мелкомасштабные (секунды/минуты), ме-зомасштабные (часы/сутки), синоптические (несколько суток/месяцы), сезонные колебания (годовой период и его гармоники), междугодичная изменчивость (атмосфера+океан от года к году), внутривековая изменчивость (десятки лет), межвековая изменчивость (сотни лет и более).

К мелкомасштабным явлениям относятся:

- Ветровые волны

- Внутренние волны (частота плавучести Вяйсяля-Брента - единственная характеристика стратификации океана, определяющая поведение внутренних волн). В отличие от ветровых волн, учитывается неоднородность воды.

Генерация внутренних волн: приливообразующие силы, волны за препятствиями (в течениях за неровностями дна), могут возбуждаться изменениями во времени атмосферного давления на поверхности океана, ветровым напряжением трения на поверхности океана.

- Двойная диффузия

Двойную диффузию хорошо описывает эксперимент Тернера и Стоммела:

Вверху находится пресная и холодная вода, внизу более плотная (соленая) и теплая. Следовательно, тепло проникает наверх быстро, соль медленно, и возникает расслоение -последовательность конвективных и ламинарных слоев.

Ситуация, когда над холодной пресной водой находится теплая и соленая, приводит к возникновению солевых пальцев - на профилях температуры и солености они выглядят как вертикальные ступеньки. Следует отметить, что такая картина на профилях может возникнуть не только из-за действия двойной диффузии по типу солевых пальцев, такчто однозначно судить о наличии этого механизма только по виду профиля невозможно. Одно из объяснений ступенчатой структуры - это соскальзывание слоев воды по наклонным изопикнам - боковая конвекция.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Степанова Наталья Борисовна, 2015 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Белокопытов В.Н. Климатические характеристики скорости звука в северовосточной части Черного моря / В. Н. Белокопытов // Мор. гидрофиз. журн. - 2004. - № 3. - С. 67-73.

2. Владимирцев Ю.А., Косарев А.Н. 1963. Некоторые особенности конвективного перемешивания в Чёрном и Каспийском морях/ Ю.А. Владимирцев // Океанология. -Т. 3. - № 6. - С. 979-985.

3. Г.З. Гершуни Устойчивость конвективных течений. / Гершуни Г.З., Жуховицкий Е.М., Непомнящий А.А. - М: Наука, 1989. -492 с.

4. Гидрометеорология и гидрохимия шельфовых морей СССР. Т. III. Балтийское море. - Л.: Гидрометеоиздат, 1992. - 450 с.

5. Демченко Н.Ю. Исследование структуры и динамики термобара в пресных и солоноватых водоёмах. дис. ... канд. физ.-мат. наук: 25.00.28. / Демченко Наталья Юрьевна. - М., 2008. - 173 с.

6. Демченко Н.Ю Пространственно-временная изменчивость характеристик термического фронта в Балтийском море в 2010-2011 гг. / Н.Ю. Демченко, И.П. Чубаренко // Океанология. - 2012. - Т. 52. - № 6. - С. 790-797.

7. Джалурия Й. Естественная конвекция: Тепло- и массообмен / Й. Джалурия; пер. с англ. С. Л. Вишневецкого. ил. 21 см, - М.: Мир, 1983. - 399 с.

8. Есюкова Е.Е. Дифференциальное выхолаживание над прибрежными подводными склонами Юго-Восточной Балтики в осенний период по данным дистанционного зондирования. / Е.Е. Есюкова, И.П. Чубаренко, Е.С. Гурова // Исследования Земли из космоса. - 2014. - № 5 - С. 50-67.

9. Зубов Н.Н. 1938. Морские воды и льды / Н.Н.Зубов - Л.: Гидрометеоиздат, 1938. -453 с.

10. Иванов В.А. Океанография Черного моря / В.А.Иванов, В.Н.Белокопытов. -Севастополь: НАН Украины, Морской гидрофизический институт, 2011. - 212 с.

11. Ижицкий А. Термохалинная структура и циркуляция вод большого Аральского моря в начале XXI века: дис. ... канд. физ.-мат. наук 25.00.28 / Ижицкий Александр Сергеевич. - М., 2014 - 112 с.

12. Карпова И.П. Особенности сезонной изменчивости мезомасштабной структуры термохалинных полей в Юго-Восточной Балтике / И.П. Карпова, Н.Н. Голенко, С.А. Щука // Комплексные исследования процессов, характеристик и ресурсов российских морей Северо-Европейского бассейна. Вып.2. Апатиты: Изд. Кольского научного центра РАН. - 2007. - 633 с.

13. Козлова О.И. Характеристики холодного промежуточного слоя в центральной части Балтийского моря после зим различной суровости / О.И. Козлова // Исслед. в России. - 2010. - № 10. - С. 149-158

14. Козлова О.И. О возможном вкладе адвекции в формирование холодного промежуточного слоя Балтийского моря / О.И. Козлова // Вестник Балтийского федерального университета им. И. Канта. - 2010. - С. 149-158.

15. Колесников А.Г. К вычислению годового хода температуры воды в южных морях // Тр. Морского гидрофизического ин-та АН СССР, 1953. - Т. 3. - С. 106-127.

16. Лазарюк А.Ю. Устранение динамических погрешностей данных СТД измерения в океане/ А.Ю. Лазарюк, В.И. Пономарев // Вестн. ДВО РАН. - 2006. - №2 4. - С. 106-111.

17. Монин А.С. Изменчивость Мирового океана / А.С. Монин, В.М. Каменкович, В.Г. Корт - Л.: ГМИ, 1974. - 262 с.

18. Монин А.С. Статистическая гидромеханика. Механика турбулентности / А.С. Монин, А.М. Яглом // М.: Наука, 1965. - 640 с.

19. Морозов Е.Г. Структура температуры в прибрежной зоне Балтийского моря / Е.Г. Морозов, С.А. Щука, Н.Н. Голенко, и др. // Докл. РАН. - 2007. - Т. 416. - № 1. - С. 115-118.

20. Овчинников И.М. О формировании промежуточных (левантийских) вод в Средиземном море/ И.М. Овчинников // Докл. АН СССР. - 1983. - Т. 270. - № 5. - С. 1216-1220.

21. Овчинников И.М. Формирование холодного промежуточного слоя в Черном море/ И.М. Овчинников, И.Ю. Попов // Океанология. - 1987. - Т. 27. - № 5. - С. 739-746.

22. Полонский А. Б. Условия формирования вод холодного промежуточного слоя Черного моря / А.Б. Полонский, Ю.И. Попов. - Севастополь: Мор. гидрофиз. ин-т НАН Украины, ЭКОСИ-Гидрофизика, 2011. - 54 с.

23. Прокопов О.И. Формирование структуры холодного промежуточного слоя в Черном море/ О.И. Прокопов // Метеорология и гидрология. - 2000. - № 5. - С. 76-85.

24. Прокопов О.И. Универсальный метод выделения холодных промежуточных вод Черного моря / О. И. Прокопов // Метеорология и гидрология - 2006. - № 4.- С.80-92

25. Соснин В.А. О происхождении минимума солености на промежуточных глубинах Тихого океана/ В.А. Соснин, К.Т. Богданов // Докл. РАН. - 2008. - Т. 421. - № 2. -С. 253-255.

26. Степанова Н.Б. Термохалинная структура вод в прибрежной зоне Балтийского моря и ее влияние на характеристики промежуточного слоя. дип. раб... магистра физ.-мат. наук / Степанова Наталья Борисовна. - Долгопрудный, 2011. - 78 с.

27. Демченко Н.Ю. Исследование структуры и динамики термобара в пресных и солоноватых водоёмах. дис. ... канд. физ.-мат. наук: 25.00.28. / Демченко Наталья Юрьевна. - М., 2008. - 173 с.

28. Степанова Н.Б. Структура и эволюция холодного промежуточного слоя в юго-восточной части Балтийского моря по данным натурных измерений в 2004-2008гг., / Н.Б. Степанова, И.П. Чубаренко, С.А. Щука // Океанология. - 2015. - Т.1. -С. 3243.

29. Степанова Н.Б. Факторы и физические механизмы, определяющие формирование и трансформацию вод в водоёмах с учетом границ / Н.Б. Степанова // М.: МФТИ. Труды 55-й научной конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук». Долгопрудный, 19-25 ноября 2012 г. - 2012. - Т.2. -С.48-49.

30. Степанова Н.Б. Анализ термохалинной структуры вод в прибрежной зоне Балтийского моря и характеристик его холодного промежуточного слоя [Электронный ресурс] / Степанова Н.Б. // Электронный научный журнал «Исследовано в России». -2012. - № 56. - Статья 006 - http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2012/006.pdf.

31. Степанова Н.Б. Исследование водообмена, вызываемого дифференциальным прибрежным охлаждением в бассейне с наклонным дном: лабораторное и численное моделирование. / Н.Б. Степанова //Современные методы и средства океанологических исследований: Материалы XIII Международной научно-технической конференции «МС0И-2013». - Москва, ИОРАН, 14-16 мая 2013 г.- М.: АПР, 2013. - Т. 1. - С. 156-158.

32. Степанова Н.Б. Свойства холодного промежуточного слоя в Юго-Восточной Балтике по экспедиционным данным 2004-2008 гг. и возможность его вентиляции водами шельфа в весенний период / Степанова Н.Б. // Тр. МФТИ. - 2013. - Т. 5. - № 3. - С. 187-195. http://mipt.ru/science/trudy/a_66p7vp/187-195-arphj8g0g1k.pdf

33. Суставов Ю.В. Основные виды движений и оценка их вклада в общую динамику вод Балтийского моря / Ю.В. Суставов, А.Е. Михайлов // Изменчивость компонентов экосистемы и динамика вод. Международный проект "Балтика" - Л.: Гидроме-теоиздат, 1984. - Вып. 2. -С. 5-13

34. Фёдоров К.Н. Тонкая термохалинная структура вод океана / К.Н. Фёдоров - Л: Гидрометеоиздат, 1976. - 184 с.

35. Филиппов Д.М. Циркуляция и структура вод Чёрного моря / Д.М. Филиппов - М.: Наука, 1968. - 136 с.

36. Чубаренко Н.Б. Холодный промежуточный слой Балтики: гипотеза формирования и отклик на климатические изменения. / Н.Б. Чубаренко, И.П. Чубаренко // Расш.тезисы. 50-я юбилейная научн. конф. МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук». 4.III. Москва-Долгопрудный. 23-29 ноября -2007. - С.75-77.

37. Чубаренко Н.Б. Анализ натурных данных к вопросу о возможности возникновения ранневесеннего каскадинга с прибрежных подводных склонов Балтийского моря / Н.Б. Чубаренко // Исследования Балтийского региона. Вестн. Института Балтийского региона РГУ им. И. Канта. - 2009. - № 2. - С.52-55.

38. Чубаренко И.П. Горизонтальный конвективный водообмен над подводным склоном: механизм формирования и анализ развития / И.П. Чубаренко // Океанология -2010а. - Т. 50. - № 2. - С. 184-193.

39. Чубаренко И.П. Горизонтальная конвекция над подводными склонами/ И.П. Чубаренко // Калининград: Терра Балтика, 2010б. - 256 с. ISBN-978-5-98777-050-4.

40. Чубаренко И.П. Холодные интрузии в промежуточный слой: физика Байкала в условиях ХПС Балтики/ И.П. Чубаренко, Х. Баудлер // Абстр. XII Международн. научно-техн. конф. «Современные методы и средства океанологических исследо -ваний», Москва, ИОРАН, 24-25 ноября 2011 г. - Т. 1 - С.54-58

41. Чубаренко И.П. Лабораторное моделирование структуры термобара и связанной с ним циркуляции в бассейне с наклонным дном / И.П. Чубаренко, Н.Ю. Демченко // Океанология - 2008. - Т. 48. - № 3. - С.349-361.

42. Шпиндлер И.Б. Материалы по гидрологии Черного и Азовского морей по экспедициям 1890-1891 / И.Б. Шпиндлер, Ф.Ф. Врангель - СПб. - 1899. - 70 с.

43. Щука С. А. Динамика термохалинных характеристик в центральной части Гдань-ской впадины в период 2003-2008 гг. / С.А. Щука, Н.Б. Чубаренко //Мат. междун. конф. «Динамика прибрежной зоны бесприливных морей». Балтийск, 30 июня - 5 июля 2008 г. 2008. - С. 230-232.

http://www.academia.edu/3230528/Intemational_Conference_Dynamics_of_the_Coastal _Zone_of_Non-tidal_Seas_

44. Aagaard K. On the halocline of the Arctic Ocean/ K. Aagaard, L.K. Coachman, E.C. Carmack // Deep-Sea Res. - 1981. - Vol. 28. - P. 529-545.

45. Adams, E.E. & Wells, S.A. Field measurements on side arms of Lake Anna / E.E. Adams, S.A. Wells // J. Hydraul. Engng. - 1984. - Vol. 110. - P. 773-793.

46. Alberola C. On the seasonal and mesoscale variabilities of the Northern Current during the PRIMO-O experiment in the western Mediterranean Sea. / C. Alberola, C. Millot, J. Font // Oceanol. Acta - 1995. - Vol. 18. - №2. - P. 163-192.

47. Beardsley R.C. A numerical model of convection driven by surface stress and nonuniform horizontal heating/ R.C. Beardsley, J.F. Festa // J. Phys. Oceanogr. - 1972. -Vol. 2. - №4. - P. 444-455.

48. Bundesamt fur Seeschifffahrt und Hydrographie. http.www.bsh.de.

49. Chen C.T.O. Effect of salt content on the temperature of maximum density and static stability in Lake Ontario / C.T.O. Chen, F.J. Millero // J. Phys. Oceanogr. 1977. - V. 22. -№ 1. - P. 158-159.

50. Chen C.T.A. The Practical Salinity Scale 1978 and the International Equation of State of Sea Water 1980 / C.T.A. Chen, F.J. Millero // UNESCO Technical Papers in Marine Science, 1980 - 36 p.

51. Chubarenko I. Thermally driven interaction of the littoral and limnetic zones by autumnal cooling process/ I. Chubarenko, K. Hutter // J. Limnol. 2005. - Vol. 64. - № 1. - P. 3142.

52. Chubarenko I. Down-slope cascading modulated by day/night variations of solar heating / I. Chubarenko, E. Esiukova, N. Stepanova, B. Chubarenko, H. Baudler // J. Limnol. -2013. - Vol. 72. - № 2. - P. 240-252.

53. Chubarenko I.P. On contribution of horizontal and intra-layer convection to the formation of the Baltic Sea cold intermediate layer. / I.P.Chubarenko, N.Y Demchenko //Ocean Sci. - 2010. - Vol. 6. - № 1. - P. 285-299. http://www.ocean-sci.net/6/285/2010/os-6-285-2010.html

54. Conan P. Variability of the Northern Current off Marseilles, western Mediterranean Sea, from February to June 1992. / P.Conan, C. Millot //Oceanol. Acta - 1995. - 18. - №2. -P. 193-205.

55. Csanady G.T. Spring thermocline behavior in Lake Ontario during IFYGL / G.T. Csana-dy // J. Phys. Oceanogr. - 1974. - Vol. 4. - P. 425-445.

56. Cyr F. Interior versus boundary mixing of a cold intermediate layer / F. Cyr, D. Bour-gault, P. S. Galbraith // J. Geophys. Res. - 2011. - Vol. 116. C12029. doi: 10.1029/2011JC007359

57. Demchenko N. The development of seasonal structural fronts in the Baltic Sea after winters of varying severity / N. Demchenko, I. Chubarenko, S. Kaitala // Clim Res. - 2011. -Vol. 48 - P. 73-84. doi: 10.3354/cr01032. (i=2.11 for 2010)

58. Dillon T. M. Vertical overturns: A comparison of Thorpe and Ozmidov length scales / Dillon, T. M. // J. Geophys. Res. - 1982. - Vol. 87. - P. 9601 - 9613.

59. Eckart C. An analysis of the stirring and mixing processes in incompressible fluids / C. Eckart // J Mar Res. - 1948 - Vol. 7. - P. 265-275.

60. Farrow D.E. Periodically forced natural convection over slowly varying topography / D.E. Farrow // J. Fluid Mech. - 2004. - Vol. 508. - P. 1-21.

61. Fer I. Cascading of water down the sloping sides of a deep lake in winter / I. Fer, U. Lemmin, S.A. Thorpe // Geophysical Research Letters. - 2001 - Vol. 28. - №° 10. - P. 2093-2096.

62. Fer I. Winter cascading of cold water in Lake Geneva / I. Fer, U. Lemmin, S.A. Thorpe // Geophys Res. - 2002 - Vol. 107 - P. 2236-2569.

63. Fisher H.B. Mixing in inland and coastal waters / H.B. Fisher, E.J. List, R.C.Y. Koh, J. Imberger, N.H.Brooks. Academic press. 1979. - 484 p.

64. Gnanadesikan A. GFDL's CM2 Global Coupled Climate Models-Part 2: The Baseline Ocean Simulation / A. Gnanadesikan, K. W. Dixon, S. M. Griffies, V. Balaji, J. A. Bees-ley, W. F. Cooke, T. L. Delworth, R. Gerdes, M. J. Harrison, I. M. Held, W. J. Hurlin, H.-C. Lee , Z. Liang, G. Nong, R. C. Pacanowski, A. Rosati, J. Russell, B. L. Samuels, S. M. Song, M. J. Spelman, R. J. Stouffer, C. O. Sweeney, G. Vecchi, M. Winton, A. T. Wittenberg, F. Zeng, and R. Zhang // Journal of Climate, submitted, 2005

65. Grave U. The future of the western Baltic Sea: two possible scenarios / U. Grave, R. Friedland, H. Burchard // Ocean Dynamics. - 2013. - Vol. 63. - № 8. - P. 901-921.

66. Gustafsson B.G. Time-dependent modeling of the Baltic entrance area. 2. Water and salt exchange of the Baltic Sea /B.G. Gustafsson // Estuaries. - 2000. - Vol. 2. - P. 253-266.

67. Horsch G.M. Convective circulation in littoral water due to surface cooling / G. M. Horsch, H. G. Stefan // Limnol Oceanogr. - 1988. - Vol. 33. - №5. - P. 1068-1083.

68. Hughes G.O. Horizontal Convection. / G.O. Hughes, R.W.Griffiths. //Annu. Rev. Fluid Mech. - 2008. - Vol. 40 - P. 185-208. www.annualreviews.org

69. Imberger J. The diurnal mixed layer / Imberger J. // Limnilogy and Oceanography. -1985. - Vol. 30 - P. 737-770

70. Imboden D.M. Mixing mechanisms in lakes / D.M. Imboden, A. Wuest, In: A. Lerman, D. Imboden and J. Gat. (Eds.). Germany: Springer-Verlag. Physics and Chemistry of Lakes. 1995. - P. 83-138.

71.Ivanov V.V. Cascades of dense water around the world ocean / V.V. Ivanov, G.I. Shapiro, J.M. Huthnance, D.L. Aleynik, P.N. Golovin // Progress in Oceanography. -2004. - Vol. 60. - № 1. - P. 47-98

72. James W. Estimation of phosphorus exchange between littoral and pelagic zones during nighttime convective circulation / W. James, J. Barko // Limnol. Oceanogr. - 1991. -Vol. 36. - № 1. - P. 179-187.

73. Janssen F. A climatological data set of temperature and salinity for the Baltic Sea and the North Sea / F. Janssen, C. Schrum, J.O.Backhaus. Deutsche Hydrogaphishe Zeitschrift. 1999. Suppl. - № 9. - P. 246.

74. Jeffreys H. On fluid motions produced by differences of temperature and humidity / H. Jeffreys. Quart. J. R. Met. Soc. 1925. - Vol. 51. - P. 347-356.

75. Killworth P.D. Mixing on the Weddell Sea continental Slope / P.D. Killworth // Deep-Sea Res. - 1977 - Vol. 24 - P. 427-448

76. Kullenberg G. Observation of the mixing the Baltic thermo- and halocline layers / G. Kullenberg // Tellus. - 1977. - Vol. 29. - № 6. - P. 572-587

77. Kuzmina N.The structure and driving mechanisms of the Baltic intrusions / N. Kuzmina, V. Zhurbas, B. Rudels, T. Stipa // J. Phys. Oceanogr. - 2005. - Vol. 35. - № 6. - P. 1120-1137.

78. Lacombe H. Quelques traits généraux de l'hydrologie Méditerranéenne / H. Lacombe, P. Tchernia // Cahiers Océanographiques. - 1960. - Vol. XII. - №8. - P. 527-547.

79. Lascaratos A. Recent changes in deep water formation and spreading in the eastern Mediterranean Sea: a review / A. Lascaratos, W Roether, K Nittis, B. Klein // Progress in Oceanography. - 1999. - Vol. 44 - P. 5-36.

80. Lass L.W. Detecting spotted knapweed (Centaurea maculosa) with hyperspectral remote sensing technology / L.W. Lass, D.C. Thill, B. Shafii, T.S. Prather // Weed Technology. 2002. - Vol. 16. - P. 426-432.

81. Le Vourch J. Atlas of thermal fronts of the Mediterranean Sea derived from satellite imagery / J. Le Vourch, C. Millot, N. Castagné, P. Le Borgne, J.P. Olry // Monaco: Mémoires de l'Institut Océanographique. - 1992. - Vol. 16. - P. 146.

82. Leaman K.D. Hydrographic structure of the convection regime in the Gulf of Lions: winter 1987 / K.D. Leaman, F A. Schott // J. Phys Oceanogr. - 1991. - Vol. 21 - P. 575-598.

83. Leibniz Institute for Baltic Sea Research Warnemünde. http://www.io-warnemuende.de.

84. Leibovich S. The form and dynamics of Langmuir circulations / S. Leibovich // Ann. Rev. Fluid Mech. 1983. - Vol. 15. - P. 391-427

85. Lemmin U. The structure and dynamics of internal waves in Baldeggersee / U. Lemmin. Limnol. Oceanogr. - 1987. - Vol. 32. - Issue 1. - P. 43-61.

86. Leppäranta M. Physical Oceanography of the Baltic Sea / M. Leppäranta, K. Myrberg. Springer Praxis Books. 2009. - 378 p.

87. Lighthill O. Waves in fluids. Cambridge / 0. Lighthill. University press. - 1978. - 360 p.

88. Lombardo C.P. Similarity scaling of viscous and thermal dissipation in a convecting boundary layer / C. P. Lombardo, M. C. Gregg // J. Geophys. Res. - 1989. - Vol. 94. - P. 6273-6284.

89. Lueck R.G. Topographically induced mixing around a shallow seamount / R.G. Lueck, T.D. Mudge // Science. - 1997. - Vol. 276. - P. 1831-1833.

90. Lynn R.J. Characteristics and circulation of deep and abyssal waters. / R.J. Lynn, J.L. Reid // Deep-Sea Research. - 1968. - Vol. 15. - №5. - P. 577-598.

91. Malanotte-Rizzoli P. The Eastern Mediterranean in the 80s and in the 90s: the big transition in the intermediate and deep circulations / P. Malanotte-Rizzoli, B.B. Manca, M.R. d'Alcala, A. Theocharis, S. Brenner, G. Budillon, E. Ozsoy // Dynamics of Atmospheres and Oceans. - 1999. - Vol. 29. - P. 365-395.

92. MEDOC Group. Observation of formation of deep water in the Mediterranean Sea, 1969. Nature. - 1970 - Vol. 227. - P. 1037-1040.

93. Millot C. Circulation in the Western Mediterranean Sea / C. Millot // Journal of Marine Systems. - 1999. - Vol. 20. - P. 423-442.

94. Monismith S., Convective motions in the sidearm of a small reservoir / S. Monismith, J.Imberger, M. Morison // Limnol. Oceanogr. - 1990. - Vol. 35. - № 8. - P. 1676-1702.

95. Mortimer C.H. Lake hydrodynamics / C.H. Mortimer // Mitteilungen Int. Ver. Limnol. 1974. - Vol. 20. - P. 124-197.

96. Mullarney J.C. Convection driven by differential heating at a horizontal boundary. / J.C. Mullarney, R.W. Griffiths, G O. Hughes // J. Fluid Mech. - 2004. - Vol. 516. - P. 181209.

97. Neal D.A. Thermal stratification in the Arctic Ocean. / D.A. Neal, S. Neshyba, W. Den-ner // Science. - 1969. - Vol. 166. - P. 373-374.

98. Omstedt A. Modelling the seasonal, interannual and long-term variations of salinity and termperature in the Baltic proper / A. Omstedt, L. Axell // Tellus. - 1998. - Vol. 50A. -P. 637-652.

99. Omstedt A. Modelling the Baltic Sea as thirteen sub-basins with vertical resolution / A. Omstedt // Tellus. - 1990. - Vol. A4. - P. 286-271.

100. Patterson J. C. Unsteady natural convection in a rectangular cavity / J. C. Patterson, J. Imberger // J. Fluid Mech. - 1980. - Vol. 100. - P. 65-86.

101. Polzin K.L. Spatial variability of turbulent mixing in abyssal ocean. / K.L. Polzin, J.M. Toole, JR. Ledwell, R.W. Schmitt // Science. - 1997. - Vol. 276. - P. 93-96.

102. Reissman J.Vertical mixing in the Baltic Sea and consequences for eutrophication: a review / J. Reissman, H. Burchard, R. Feistel, E. Hagen, H. Lass, V. Mohrholtz, G. Nausch, L. Umlauf, G. Wieczorek // Progress in Oceanography. 2009. - Vol. 82. - P. 4780.

103. Rossby H. T. On thermal convection driven by non-uniform heating from below: an experimental study / H. T. Rossby //Deep-Sea Res. - 1965. - Vol. 12. - P. 9-16.

104. Rudels B. Arctic Ocean circulation, processes and water masses: a description of observations and ideas with focus on the period prior to the International Polar Year 2007-2009 / B. Rudels // Progress in Oceanography. - 2013. doi: http://dx.doi.org/10.1016/_i.pocean.2013.11.006

105. Salat J. Water mass structure near and offshore the Catalan coast during the winter of 1982 and 1983 / J. Salat, J. Font // Annales Geophysical. - 1987. - Vol. 5. - P. 49-54.

106. Saylor J.H.Vortex modes in Lake Michigan / J.H. Saylor, J.C.K. Huang, R.O. Reid // J. Phys. Oceanogr. 1980. - Vol. 10. - № 11. - P. 1814-1823.

107. Smith A.R. A classification for extant ferns / A.R. Smith, K M. Pryer, E. Schuett-pelz, P. Korall, H. Schneider, P.G Wolf. Taxon. - 2006. - Vol. 55. - №3. - P. 705-731.

108. Sokolov A V. The data assimilation system for data analysis / A V Sokolov, O A. Andrejev, F Wulff, M Rodriguez-Medina. Stockholm University. 1997

109. Stanev E.V. Control of Black Sea intermediate water mass formation by dynamics and topography: comparisons of numerical simulations, survey and satellite data / E.V. Stanev, M.J. Bowman, E.L. Peneva, J.V. Staneva // J. Mar. Res. - 2003. - Vol. 1. - P. 59-99.

110. Stanev E.V. On the mechanisms of the Black Sea circulation / E. V. Stanev// EarthScience Rev. - 1990. - Vol. 28. - 285-319.

111. Stanev E.V. The general circulation of the Black Sea: An indicator of climatic changes. Part I. The numerical model / E. V. Stanev // Bulg. J. Meteorology and Hydrology. - 1990. - Vol. 1. - № 3-4. - P. 180-189.

112. Stanev E.V. The General circulation of the Black Sea: an indicator of climatic changes. Part II. Model sensitivity studies to different forcing / E. V. Stanev // Bulg. J. Meteorology and Hydrology. - 1990. - Vol. 1. - № 3-4. - P. 201-211.

113. Stanev E. V. The sensitivity of the heat exchange at sea surface to meso and sub-basin scale eddies Model study for the Black Sea. / E. V. Stanev, J. V. Staneva //Dyn. Atmos. And Oceans. - 2001 - Vol. 33. - P. 163-189.

114. Staneva J. V. Cold water mass formation in the Black Sea. Analysis on numerical model simulations / J. V. Staneva, E. V. Stanev. In: E. Ozsoy and A. Mikaelyan (eds.),

Sensitivity to change: Black Sea, Baltic Sea and North Sea, NATO ASI Series. Kluwer Academic Publishers. 1997. - Vol. 27. - P. 375-393.

115. Steinhorn I. The disappearance of long term meromictic stratification in the Dead Sea / I. Steinhorn // Limnology and Oceanography. - 1985. - Vol. 30. - P. 451-472

116. Stepanova N. Seasonal evolution of the cold intermediate layer of the Baltic Sea / N. Stepanova // Abstr. 10th Baltic Sea Science Congr. (BSSC2015). 15-19 June 2015. Riga. Latvia. - 2015. - P. 130.

117. Stern M. E. Ocean circulation physics, international geophysics series // M. E. Stern / Academic Press. - 1975. - Vol. 19. - P. 246.

118. Stommel H. On the smallness of the sinking regions in the ocean / H. Stommel // Proc. nat. Acad. Sci. - 1962. - Vol. 48. - P. 766-772.

119. Sturman J.J. Steady convective exchange flow down slopes / J.J. Sturman, C.E. Oldham, G.N. Ivey // Aquat. Sci. - 1999. - Vol. 61. - P. 260-278.

120. Thorpe S.A. Turbulence and mixing in a Scottish loch / S.A. Thorpe. London: Philos. Trans. Roy. Soc. 1977. - Vol. 286A. - P. 125-181.

121. Walin G.A theoretical framework for the desciption of estuaries / G.A Walin // Tellus. - 1977. - Vol. 29. - P. 128-136.

122. Wells J.R. A laboratory study of localized boundary mixing in a rotating stratified fluid / J.R. Wells, K.R. Helfrich // J. Fluid Mech. - 2004. - Vol. 516. - P. 83-113.

123. Wiengand R.C. Internal waves of the second vertical mode in a stratified lake / R.C. Wiengand, V. Chamberlain // Limnol. Oceanogr. - 1987. - Vol. 32. - P. 29-42.

124. Wuest A. Origin and size of hypolimnic mixing in Urner-see, the southern basin of Vierwaldstattersee (Lake Lucerne) / A. Wuest, D. M. Imboden, M. Schurter // Schweiz. Z. Hydrol. - 1988. - Vol. 50. - P. 40 - 70.

125. Wuest A. Cold intrusions in Lake Baikal: Direct observational evidence for deep-water renewal / A. Wuest, T.M. Ravens, N.G. Granin // Limnology and Oceanography -2005. - Vol. 50. - № 1. - P. 184-196.

126. Zhurbas V.M. What drives thermohaline intrusions in the Baltic Sea? / V.M. Zhurbas, V.T. Paka // J. Mar. Syst. - 1999. - Vol. 21. - P. 229 - 241.

ПРИЛОЖЕНИЕ Вертикальные профили май, июль 2004-2008 гг.

Рисунок 5.1. а) б) Глубоководная часть Юго-Восточной Балтики.

Профили температуры, солёности, условной плотности и температуры максимальной плотности (в зависимости от температуры, солёности и давления)

Май 2004г. станция 12 (60 рейс)

- T, °С

S, psu

Sigma (T,S,p), кг/м3 - Tmd (S,p), °C

Май 2004г. станция 22 (60 рейс)

- T, °С

S, psu

Sigma (T,S,p), кг/м3 - Tmd (S,p), °C

5

6

7

8

9

4

6

8

10

6

8

10

12

0

0

20 —

40

40

80

60

80

120 —

Профили квадрата частоты плавучести и условной плотности (в зависимости от температуры, солёности и давления)

Май 2004г. станция 12 (60 рейс) Квадрат частоты плавучести (Вяйсяля-Брента) Ы2

Условная плотность, 81дта(Т,Б,р)

-0.002 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01

Май 2004г. станция 22 (60 рейс) Квадрат частоты плавучести (Вяйсяля-Брента) Ы2

Условная плотность, 81дта(Т,Б,р)

5

6

7

8

9

4

6

8

10

12

-0.004

0

0.004

0.008

0.012

0

0

20

40

40

80

60

80

120 —

Вертикальные градиенты температуры и условной плотности (в зависимости от температуры, солёности и давления)

а) Станция 12, май 2004 г. (по данным рейса ПШ-60) б) Станция 22, май 2004 г. (по данным рейса ПШ-60)

Рисунок 5.4. а) б) Глубоководная часть Юго-Восточной Балтики.

Профили коэффициентов термического расширения и солёностного сжатия; относительный вклад изменений температуры и солёности в изменение плотности.

Май 2004г. станция 12 (60 рейс) К-нт термического расширения К-нт солёностного сжатия

Относительный вклад изменений температуры и солёности в изменение плотности

0.00077 0.000775 0.00078 0.000785 0.00079 0.000795

}}

15 20

Май 2004г. станция 22 (60 рейс) К-нт термического расширения К-нт солёностного сжатия

Относительный вклад изменений температуры и солёности в изменение плотности

-20 -15 -10

-4Е-005

2Е-005

0

0.00012

0

0

0

20

40

40

80

60

80

120

10

0

5

10

0

5

10

Вертикальные профили июля 2004 г.

Рисунок 5.5. а) б) Глубоководная часть Юго-Восточной Балтики. Профили температуры, солёности, условной плотности и температуры максимальной плотности (в зависимости от температуры, солёности и давления)

Июль 2004г. станция 12 (62 рейс) T, °С S, psu

Sigma (T,S,p), кг/м3 - Tmd (S,p), °C

4 5 6 7 8 9 10

7 8 9 10 11 12

Июль 2004г. станция 22 (62 рейс) T, °С S, psu Sigma (T,S,p), кг/м3 - Tmd (S,p), °C

1

4 6 8 10 12

6 8 10 12 14

Рисунок 5.6. а) б) Глубоководная часть Юго-Восточной Балтики. Профили квадрата частоты плавучести и условной плотности (в зависимости от температуры, солёности и давления)

Июль 2004г. станция 12 (62 рейс) Квадрат частоты плавучести (Вяйсяля-Брента) Ы2

Условная плотность, 81дта(Т,в,р)

Июль 2004г. станция 22 (62 рейс) Квадрат частоты плавучести (Вяйсяля-Брента) Ы2

Условная плотность, 81дта(Т,Б,р)

4

6

8

10

12

4

5

6

7

8

9

10

0.004

0

0.004

-0.004

0

0.004

0

0

20

40

40

80

60

120 —

80

Рисунок 5.7. а) б) Глубоководная часть Юго-Восточной Балтики.

Вертикальные градиенты температуры и условной плотности (в зависимости от температуры, солёности и давления)

а) Станция 12, июль 2004 г. (по данным рейса ПШ-62) б) Станция 22, июль 2004 г. (по данным рейса ПШ-62)

Рисунок 5.8. а) б) Глубоководная часть Юго-Восточной Балтики.

Профили коэффициентов термического расширения и солёностного сжатия; относительный вклад изменений температуры и солёности в изменение плотности.

Июль 2004г. станция 12 (62 рейс) К-нт термического расширения К-нт солёностного сжатия

Относительный вклад изменений температуры и солёности в изменение плотности

Июль 2004г. станция 22 (62 рейс) К-нт термического расширения К-нт солёностного сжатия

Относительный вклад изменений температуры и солёности в изменение плотности

-0.0002 -0.00016 -0.00012 -8E-005 -4E-005 0

0 ____I___I___I___I___I___I___I___I___I___

0.00077

-0.00012

-4E-005

0

0

20

40

40

80

80

120

0

10

20

30

Вертикальные профили мая 2005 г.

Рисунок 5.9. а) б) Глубоководная часть Юго-Восточной Балтики.

Профили температуры, солёности, условной плотности и температуры максимальной плотности (в зависимости от температуры, солёности и давления)

Май 2005г. станция 12 (68 рейс) T, °С S, psu

Sigma (T,S,p), кг/м3 - Tmd (S,p), °C

5 6 7 8 9

7 8 9 10

Май 2005г. станция 22 (68 рейс) T, °С S, psu

Sigma (T,S,p), кг/м3 - Tmd (S,p), °C

5 6 7 8 9 10 11

7 8 9 10 11 12 13

0

0

10

8

20 —

40

40 —

80

60

80

Профили квадрата частоты плавучести и условной плотности (в зависимости от температуры, солёности и давления)

Май 2005г. станция 12 (68 рейс) Квадрат частоты плавучести (Вяйсяля-Брента) Ы2

Условная плотность, 81дта(Т,Б,р)

Май 2005г. станция 22 (68 рейс) Квадрат частоты плавучести (Вяйсяля-Брента) Ы2

Условная плотность, Б1дта(Т,Б,р)

5 6

8 9 10 11

5

6

7

8

9

7

0

0.004

0.008

0.012

-0.004

0

0.004

0.008

0.012

0

0

20

40

40

80

60

80

120 —

Вертикальные градиенты температуры и условной плотности (в зависимости от температуры, солёности и давления)

а) Станция 12, май 2005 г. (по данным рейса ПШ-68)

б) Станция 22, май 2005 г. (по данным рейса ПШ-68)

Рисунок 5.12. а) б) Глубоководная часть Юго-Восточной Балтики.

Профили коэффициентов термического расширения и солёностного сжатия; относительный вклад изменений температуры и солёности в изменение плотности.

Май 2005г. станция 12 (68 рейс) К-нт термического расширения К-нт солёностного сжатия

Относительный вклад изменений температуры и солёности в изменение плотности

/ {

í

-20 -15 -10 -5 0 5 10

Май 2005г. станция 22 (68 рейс) К-нт термического расширения К-нт солёностного сжатия

Относительный вклад изменений температуры и солёности в изменение плотности

-0.0001 -8Е-005 -6Е-005 -4Е-005 -2Е-005

0.00077

0.0008

0.00077

0.0008

-8Е-005

0

0

0

0

20

40

40

80

60

120

80

0

4

8

Рисунок 5.13. а) б) Глубоководная часть Юго-Восточной Балтики. Профили температуры, солёности, условной плотности и температуры максимальной плотности (в зависимости от температуры, солёности и давления)

120 —

Профили квадрата частоты плавучести и условной плотности (в зависимости от температуры, солёности и давления)

Июль 2006г. станция 12 (78 рейс) Квадрат частоты плавучести (Вяйсяля-Брента) Ы2

Условная плотность, 81дта(Т,8,р)

Июль 2006г. станция 22 (78 рейс) Квадрат частоты плавучести (Вяйсяля-Брента) Ы2

Условная плотность, 81дта(Т,в,р)

Вертикальные градиенты температуры и условной плотности (в зависимости от температуры, солёности и давления)

Рисунок 5.16. а) б) Глубоководная часть Юго-Восточной Балтики. Профили коэффициентов термического расширения и солёностного сжатия; относительный вклад изменений температуры и солёности в изменение плотности.

Июль 2006г. станция 12 (78 рейс)

-----К-нт термического расширения

- - К-нт солёностного сжатия

- Относительный вклад изменений температуры и солёности в изменение плотности

Июль 2006г. станция 22 (78 рейс)

-----К-нт термического расширения

- - К-нт солёностного сжатия

- Относительный вклад изменений температуры и солёности в изменение плотности

Вертикальные профили июля 2007 г.

Рисунок 5.17. а) б) Глубоководная часть Юго-Восточной Балтики.

Профили температуры, солёности, условной плотности и температуры максимальной плотности (в зависимости от температуры, солёности и давления)

Июль 2007г. станция 12 (87 рейс) T, °С S, psu