Исследования на морской экспериментальной станции МЭС "Мыс Шульца" (Храпченков)

Year
2023
Expedition type
POI FEB RAS Expeditions
Expedition form
Coastal
Район исследований
Прибрежная зона мыса Шульца, зона шельфа и материкового склона к югу от м. Шульца, бухта Витязь
Сроки проведения экспедиции
19.05.2023–31.10.2023 г.
Цели экспедиции
Целью экспедиционных работ являлось исследование основных процессов, определяющих состояние и изменчивость океанологических характеристик окраинных морей Азии и прилегающих районов Тихого и Индийского океанов. В ходе экспедиционных работ в мае, августе – октябре 2023 г., выполнялись комплексные океанографические исследования на прибрежном шельфе залива Посьет, включающие в себя измерения температуры воды в 20-40 метровом придонном слое, уровня моря и течений в летний период года в бухте Витязь и за ее пределами, наблюдения за изменениями гидрофизических характеристик на разрезах через весь залив Посьет.
Задачи экспедиции
  • мониторинг изменчивости поля температуры в прибрежной зоне зал. Посьет (южнее м. Шульца) и в б. Витязь с помощью донных станций с термогирляндами в режиме реального времени (передача данных по кабелю на береговой компьютер) для мониторинга и изучения трансформации внутренних волн и термоклина на мелководье;
  • постановка автономных донных станций с гирляндами термисторов и уровнемеров, измерителей течений для мониторинга гидрофизических характеристик, а также внутренних волн (ВВ) и инерционных колебаний в шельфовой зоне Японского моря (зал. Посьета);
  • обработка и статистический анализ измерений гидрофизических и гидрометеорологических характеристик, полученных на полигоне совместно с отрядом лаборатории 2.2;
  • подбор и экспериментальная проверка нелинейных моделей генерации, распространения и разрушения внутренних волн и их взаимодействия со средними полями плотности и течений, а также влияния на них вихревых образований.
Выполненные работы и исследования

В ходе экспедиционных работ в мае, августе – октябре 2023 г., выполнялись комплексные океанографические исследования на прибрежном шельфе залива Посьет, включающие в себя измерения температуры воды в 20-40 метровом придонном слое, уровня моря и течений в летний период года в бухте Витязь и за ее пределами, наблюдения за изменениями гидрофизических характеристик на разрезах через весь залив Посьет. 

Были проведены следующие измерения (табл. 1):

  • Постановка станции на кабеле, соединенной с береговым компьютером (с одной гирляндой термисторов), проверка и использование новых автономных станций (по 1 гирлянде на каждой) на глубинах от 32 - 33 м, в том числе RBR Concerto в бухте Витязь, с одновременными длительными измерениями уровня моря и распределением течений по глубине на глубинах 30 - 34 м (рис. 2).
  • Проведение гидрологических съемок и разрезов в заливе Посьет и в бухте Витязь в мае, августе и октябре. 

Прибор/Измерения

Сроки постановки

Примечания

Измерители течений, уровня моря и температуры воды: 1. Argonaut

2. Teledyne Sentinel

3. Infiniti + RBR Duo +Duet

20.09 – 18.10.2023

20.09 – 18.10.2023

20.09 – 18.10.2023

Измерения – через 1 мин

Измерения – через 20 сек

Измерения – через 20 сек

Кабельная станция(1 гирлянда термисторов) в б. Витязь

3 автономные в зал. Посьет на юг и ю-з от о. Таранцева 

02.09 – 20.09.2023

20.09 – 18.10.2023

20-40 термисторов, через 0.5 -1 м, дискретность измерений 20 сек

Проверка, подготовка приборов и оборудования. 

Съемки, разрезы, (CTD-зонд RBR)

Май, август, октябрь 2023

Съемки в заливе Посьет, разрезы от м. Шульца до о. Фуругельма и на юг до глубины 100 м

Таблица 1. Сроки и объем выполненных работ в летне-осенний период 2023 года в б. Витязь и зал. Посьета.


Рис.2. Карта района с местами постановок донных станций с термогирляндами ( Кab, Комби, СА1, СА2, СА3, СА4, RBR) и измерителей течений (Arg, Kомби(Inf), Tel) в 2023 г.

Предварительные научные результаты

На гидрофизическом полигоне «м. Шульца» при непрерывной регистрации колебаний температуры с помощью распределенной системы термодатчиков на глубинах до 40 метров в течение достаточно длительного периода наблюдений в предыдущие годы и в сентябре – октябре 2023 г., получен большой объем информации: по изменчивости температуры воды на глубинах 20 – 40 м, скоростях и направлениях течений на этих же глубинах, структуре внутренних волн на прибрежном шельфе залива Посьет Японского моря. Основные измеряемые параметры: колебания температуры, давления и скорости течений в придонном слое в прибрежной зоне с глубиной дна 20–40 м. Колебания температуры измерялись с использованием заякоренных гирлянд из 20–40 датчиков с интервалом 0,5-1 м, колебания скорости течений измерялись на 10–30 горизонтах с интервалом 1 и 3 м. 

Исследования внутренних волн в прибрежной зоне обнаружили характерный набор волновых конфигураций, определяемых существенно нелинейными процессами. Среди таких конфигураций выделяются внутренние боры, возникающие вследствие резкого изменения глубины залегания пикноклина. Данные процессы можно наблюдать в августе — октябре при проведении натурных измерений на гидрофизическом полигоне Тихоокеанского океанологического института (ТОИ) ДВО РАН (Владивосток). Эти волны представляют собой приповерхностные внутренние волны, понижающие уровень пикноклина, и придонные волны, повышающие его. На фронте внутреннего бора генерируются также интенсивные внутренние волны, соответствующие высшим модам. Процесс распада гладкого внутреннего бора и трансформация его в цуг уединенных волн большой амплитуды при выходе в шельфовую зону изучается как экспериментально, так и теоретически. 

Основные результаты, иллюстрирующие динамику внутренних волн получены в зоне «заплеска», т.е. в ситуации, когда глубина залегания основного термоклина существенно превосходит глубину в районе измерительного комплекса. В этом случае внутренние волны наблюдаются только в течение определенного периода суток, когда амплитуда внутренних волн, генерируемых в шельфовой зоне, обеспечивает их «заплеск» на достаточно большие расстояния. Хорошей иллюстрацией этого являются полученные данные по температуре воды на разных глубинах на термогирляндах к юго-западу от о. Таранцева и в бухте Витязь с середины сентября, до середины октября 2019 - 2023 г.г. В 2020 году до 15 октября температура воды по всей глубине не опускалась ниже 14 градусов и выраженный термоклин отсутствовал, тогда как в 2019 г. и в 2023 г., уже в конце сентября на фоне выраженного термоклина, у дна приходила холодная вода с температурой менее 6 градусов, а в начале октября вода с такой температурой поднималась до глубины 10 м от поверхности моря. В 2021 году в конце сентября – начале октября термоклин отсутствовал на глубинах до 35 метров, а температура воды от дна до поверхности моря составляла 18-20 градусов и только в начале второй декады октября на глубину 30 м подошла холодная вода с температурой 2-4 градуса 2022 и в 2023 годах в течение всего периода измерений холодная вода приходила в бухту Витязь, уже в сентябре в отдельные дни поднимаясь до 10 и 6 м от поверхности моря 

С использованием полученных данных наблюдений, на основе математической модели трехслойной мелкой воды построены решения, описывающие эволюцию нелинейных волн над шельфом, что дает возможность установить основные закономерности трансформации нелинейных волновых пакетов большой амплитуды в шельфовой зоне моря. 

В 2021-2023 годах были продолжены измерения изменчивости глубины поддерживающих буев над термогирляндами, которые позволили прояснить важную проблему, а именно, насколько отклоняются от вертикального положения термогирлянды, когда поддерживающий буй находится на глубине нескольких метров от поверхности моря.

Рис. 1. Изменчивость скорости и уровня моря с 21 сентября по 15 октября 2020 г. в точке рядом с термогирляндой.

В сентябре – октябре 2021 и в 2023 годах сильных ветров со штормами практически не было в районе измерений, соответственно поддерживающие буи, находившиеся на глубинах 4-5 м слабо отклонялись от вертикали, и глубина их погружения не превышала 0.5-1 м. 

В результате комплексного исследования на полигоне в шельфовой зоне моря, где происходит диссипация энергии морских приливов и внутренних гравитационных волн, трансформация волнового режима течения в периодически вихревой и генерация мелкомасштабной турбулентности, получены новые сведения о характере течений и изменчивости уровня моря в прибрежной зоне, о водообмене бухты Витязь c открытой частью залива Посьет Японского моря, о влиянии на них различных факторов и о изменчивости термохалинной структуры вод в шельфовой зоне. Полученные результаты по изменчивости температуры воды на термогирляндах использованы для модельных расчетов распространения внутренних волн на шельфе и их трансформации и разрушения в прибрежной области. Сравнение результатов численного расчета с натурными данными позволяет определить, насколько гипотеза о квазидвумерном характере течения на шельфе, лежащая в основе данного подхода, соответствует реальности. Основной вывод, который можно сделать из сравнения расчетов состоит в том, что двухслойные уравнения движения адекватно передают процесс трансформации термоклина при прохождении внутренних волн даже в случае, когда стратификация существенно отличается от двухслойной. Это означает, что гипотеза о двумерном характере распространения возмущений поля температуры находит свое подтверждение. Изучение природы этих локальных аномалий является предметом дальнейших исследований. Для определения источника таких вихре-волновых возмущений потребуется пространственное размещение измерительных комплексов на достаточно большой акватории гидрофизического полигона.

Возмущения поля температуры большой протяженности, зафиксированны на донной станции в виде отдельных симметричных линз Аналогичные возмущения зарегистрированы на всех донных станциях, поэтому их скорость и направление распространения могут быть определены путем сопоставления полученных данных. Такие температурные аномалии соответствуют придонным или приповерхностным линзам, содержащим объем воды с существенно меньшей стратификацией по сравнению с окружающей жидкостью и, следовательно, представляющим собой локальные интрузии более плотной или более легкой жидкости. Такие возмущения могут распространяться изолированно или группами и эффективно осуществлять перенос массы и импульса в прибрежной зоне (Рис. 2). 

Рис. 2. Зависимости температуры на различной глубине от времени, полученные в октябре 2021 г. на станции S04 при прохождении волнового бора, на различных интервалах времени: а — 5,5 ч, б — 1 ч