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

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