Исследования на морской экспериментальной станции МЭС "Мыс Шульца" (Ярощук)
- исследование флуктуаций низкочастотного гидроакустического поля на фоне интенсивных внутренних волн в условиях шельфовой зоны;
- получение натурных данных для количественных и качественных оценок параметров гидрофизических полей (ВГВ, ПГВ, сейшевые колебания и др.) в заливе Посьета;
- оценивание вариаций поля скорости звука статистическими методами для различных гидрологических сезонов;
- построение модели формирования низкочастотного гидроакустического поля в условиях шельфа с учетом влияния внутренних гравитационных волн и донных осадков;
- получение натурных данных по трансформации гидроакустических полей в различных акустико-океанологических условиях для решения задач статистического оценивания сигналов на фоне шумов (задачи обнаружения, определение пеленга и дистанции).
- испытание и калибровка гидрофизических и акустических измерительных средств, и оборудования;
- проведение серии натурных экспериментов в различных гидрологических сезонах в целях изучения влияния внутренних гравитационных волн и других гидродинамических возмущений на низкочастотное гидроакустическое поле в шельфовой зоне. В ходе эксперимента в акватории залива Посьета производится постановка автономного широкополосного гидроакустического излучателя 420-530 Гц, приемной вертикальной антенны и автономных термогирлянд. Для зондирования водной среды используются сложные фазоманипулированные и частотно-модулированные низкочастотные гидроакустические сигналы. Приемная вертикальная гидроакустическая антенна составлена из автономных гидроакустических регистраторов. Для регистрации поля внутренних гравитационных волн вдоль акустической трассы используются заякоренные автономные термогирлянды (регистраторы распределенной температуры). Для учета прецессии и параметров поверхностного волнения термогирлянды снабжены автономными регистраторами гидростатического давления;
- многосуточные постановки термогирлянд в районе проведения эксперимента с целью накопления статистических данных и оценке характерных сезонных параметров внутренних гравитационных волн.
- проведение в ходе эксперимента гидрологических разрезов акватории для каждого сезона с помощью гидрологического зонда.
За время экспедиции были проведены три серии масштабных океанологических экспериментов в разные гидрологические сезоны в Заливе Посьета. Эксперименты включали измерение характеристик поля внутренних волн, гидрологическое зондирование, гидроакустические исследования.
В общей сложности были осуществлены три постановки термогирлянд по направлению распространения внутренних волн, регистраторов гидростатического давления, течения, а также гидрологические разрезы по трассе акустических экспериментов.
В октябре проведен акустический эксперимент по измерению флуктуаций низкочастотного акустического поля на фоне интенсивных внутренних волн. Излучение широкополосных и фазоманипулированных зондирующих сигналов производилось с помощью установленного на дно автономного широкополосного излучателя 430-510 Гц. Прием осуществлялся на два автономных регистратора гидроакустических сигналов. Акустические трассы ортогональны и ориентированы с учетом направления распространения внутренних волн.
В ходе экспериментов в общей сложности проведено около 30 высокоразрешающих вертикальных зондирований водной среды с одновременным измерением температуры, солености, давления, скорости звука.
Представленные ниже экспериментальные исследования проводились на гидрофизическом полигоне ТОИ ДВО РАН, расположенном в юго-западной части залива Петра Великого Японского моря, и включающий значительную часть обширного шельфа залива Посьета плоть до свала глубин (до изобаты 100 м). На рисунке 1 детально показана морская часть полигона и представлена схема постановки оборудования и точек CTD зондирований на протяжении 2023 года в течение трех сезонов года – весна, лето и осень.
Рисунок 1. Схема постановки измерительного оборудования и точки CTD зондирования. Треугольники – места постановки термогирлянд, темные – регулярные постановки, светлые – нерегулярные постановки. Зеленые кружки – места CTD зондирования.
На врезке рисунка 1 прямоугольником отмечена область гидрофизического полигона, а стрелкой указан мыс Шульца, где расположена береговая часть полигона и вся его инфраструктура. Буквами S с номерами обозначены термогирлянды, а синими кружками и буквами P обозначены и указаны места постановки донных регистраторов гидростатического давления.
Данная область моря характеризуется достаточно узким шельфом 10…25 км ширины. Топография шельфа в данном районе исследований отличается относительно плавным изменением глубины до 100-метровой изобаты – 5 м/км, от 100-метровой до 200-метровой изобаты – 20 м/км и дальнейшим резким свалом глубины 210 м/км в диапазоне глубин 200 м до 2 км.
Направления трасс CTD зондирований и постановки термогирлянд были выбраны примерно параллельно (линия S1-Sc) и нормально (линия S1-S5) к фронту движения приливных ВВ, которые образуются на кромке свала глубин под действием гидродинамического скачка, следующего за приливом.
На полигоне, как в водной массе, так и в прилегающем воздушном пространстве возможны различные динамические процессы: весной и летом ветра южного направления могут создавать существенный нагон воды из открытой части Японского моря; осенью под действием северо-западных ветров образуется апвеллинг; во второй половине лета и в начале осени временами проходят достаточно мощные тайфуны с обильным выпадением осадков. В юго-западном направлении на удалении примерно 30 км от полигона находится устье полноводной реки Туманная, с этого же направления мористее проходит теплое Цусимское течение, а с северо-востока в залив Посьета поступают холодные воды Приморского течения. Разнонаправленность морских течений, неравномерность речного стока, неоднородность рельефа дна и береговой линии способствуют формированию мезомасштабных вихрей. Вихри, апвеллинг, сильные ветра и тайфуны могут приводить к активному перемешиванию, распреснению вод залива, а также адвекции чужеродных водных масс. В рамках данной статьи будем называть любое из перечисленных динамических процессов гидрометеорологическим событием (ГС). Наступление любого из перечисленных ГС может существенно изменить сформировавшеюся до ГС структуру вод полигона. По этой причине на относительно коротких временных интервалах порядка синоптического масштаба могут происходить заметные изменения термохалинной стратификации водной толщи залива. На рисунке 2 показаны диапазоны изменения температуры по данным CTD зондирований на станциях гидрофизического полигона за 12 лет. Здесь левая линия одного цвета показывает минимальные, а правая – максимальные значения температуры и солености в определенный сезон года. Наблюдения в рамках одного сезона составляли в среднем 2 недели. Диапазон температур по всем сезонам за период 2011-2022 гг. составляет от 0 C до 26 C, а диапазон изменения солености 31.2…34.1 psu.
Рисунок 2. Диапазоны изменения температуры и солености на горизонтах до 54 м по всем CTD зондированиям на гидрофизическом полигоне за период май-октябрь 2023 гг. Зеленые линии – весна, красные – лето, синие – осень.
На рисунке 3 представлены характерные распределения температуры, зарегистрированные термогирляндой S4 в различные сезоны: 24 мая-07 июня 2023 г. (331 h), 31июля-14 августа 2023 г. (336 h), 03-14 октября 2023 г. (257 h).
Рисунок 3. Распределение температуры по глубине по данным термогирлянды S4 в различные сезоны 2023 года. Цифрами указаны значения температуры выделенных изотерм.
Верхняя часть рисунка 3 иллюстрирует весеннюю динамику температурной стратификации, обусловленной не только радиационным прогревом верхнего слоя, но и адвекцией в шельфовую зону залива относительно теплых вод из открытой части Японского моря под воздействием южного муссона. Распределение температуры по z преимущественно линейное 0.1 C/m с тонкими градиентами прослойками до 1 C/m, при отсутствии стабильного верхнего однородного слоя.
Средний рисунок – типичный пример летней термической стратификации водной толщи залива, когда завершается период интенсивного радиационного прогрева и температура поверхностного слоя поднимается до 24…26 C. При этом в придонном слое сохраняются низкие значения температуры до 1 C благодаря затоку холодных вод из открытой части Японского моря, в том числе из-за приливных процессов и Приморского течения. Благодаря интенсивному прогреву в верхнем слое формируются градиенты температуры до 3 C/m и более на горизонтах до 6…10 м, ниже идет слабо градиентный слой 0…0.2 C/m, охватывающий основную толщу воды до 40…45 m. Придонный высокоградиентный слой 1…4 C/m образуется под воздействием описанных выше динамических процессов.
Нижняя часть рисунка 3 показывает типичную осеннюю стратификацию температуры, когда из-за выхолаживания под действием северного муссона формируется характерная трехслойная структура с выраженными однородными слоями толщиной 10…15 м в верхней и в нижней части и промежуточным слоем термоклина с градиентом до 2.5 C/m. Для рассматриваемого случая в течение периода наблюдения с 3 по 14 октября 2023 г. термоклин изменял свою толщину вдвое, а положение верхней границы на 20 м.
