Проявления прибрежного апвеллинга по данным дистанционного зондирования в районе крымского шельфа Черного моря

Случаи апвеллинга регистрируются каждое лето в прибрежном районе Южного берега Крыма. Это явление сопровождается резким снижением температуры вод, что оказывает влияние на окружающую среду. В статье дается характеристика апвеллингов, обнаруженных на спутниковых снимках за период 2014–2016 гг., и подтверждается их зависимость от направления и скорости ветра.

Введение. Апвеллинг представляет собой процесс, при котором происходит вынос глубинных вод на поверхность. Типичным признаком его развития в теплое время года является локальное понижение температуры, отличающееся от температуры окружающих вод на 3⁰С и более.

В прибрежной части Южного берега Крыма (ЮБК) формирование крупномасштабного апвеллинга, имеющего экмановский механизм развития, возможно в период с мая по сентябрь под влиянием ветров северо-западного, западного и юго-западного направлений, чему дополнительно способствуют топографические особенности района (резкий свал глубин вблизи берега). Также в возникновении апвеллинга допускается роль Основного черноморского течения [4]. При ветре северного направления возникает апвеллинг сгонного типа и обычно отличается меньшими масштабами и временем существования [5].

В данной работе рассматриваются выраженные случаи апвеллингов, отдельные их характеристики (районы образования, площади охватываемых вод, связь с направлением ветра) за период гидрологического лета в 2014–2016 гг., выявленные с помощью дистанционного зондирования.

Актуальность. Подъем нижележащих вод оказывает значительное влияние на биотические и абиотические составляющие акватории. Так, этот процесс сопровождается выносом биогенных веществ, что способствует развитию кормовой базы. В то же время, длительное и интенсивное снижение температуры вод приводит к ограничению нереста теплолюбивых видов [3].

Апвеллинг является одним из механизмов водообмена и обновления вод бассейна, что имеет особенное значение для Черного моря – акватории, в котором полная замена вод длится более века. Также замечена связь между возникновением апвеллингов и некоторым усилением засушливости климата прибрежной территории за счет подавления атмосферной конвекции [1]. С точки зрения рекреационного потенциала морских курортов апвеллинги способны выступить в роли негативного фактора: выраженное охлаждение прибрежных вод способно снизить их привлекательность.

Методы и материалы. Выявление апвеллингов в исследуемом районе за период май-сентябрь 2014-2016 гг. проводилось по данным измерений радиометров AVHRR (ИСЗ NOAA) из архива Морского портала МГИ [6]. Так как облачный покров представляет собой непроницаемый барьер для дистанционного зондирования в видимом и инфракрасном спектрах, для анализа отдельных характеристик отрицательных температурных аномалий были выбраны те снимки, на которых рассматриваемое явление обнаруживалось полностью. Оценка направления и скорости ветра в зонах формирования апвеллинга осуществлялась с привлечением данных операционной модели NOMADS, NOAA [7] c 6-часовой дискретностью.

Дополнительно для вычисления площади охватываемых вод и размера холодовых ядер апвеллингов использовалась ГИС MapInfo 12.5.

Обсуждение результатов. С 2014 по 2016 гг. за период май-сентябрь по данным дистанционного зондирования в районе ЮБК было выявлено 11 случаев развития апвеллинга, когда минимальная температура контрастировала с окружающими водами на 3⁰С или более. В 2014 г. наблюдалось 3 случая (2 в июне, 1 в сентябре), в 2015 г. – 5 случаев (1 в мае, 2 в июне и 2 в июле), в 2016 г. – 3 (2 в мае, 1 в июле).

Время существования апвеллингов варьировало от часов (около 8 часов по спутниковым снимкам 15 мая и 25 сентября 2014 г.) до 7 суток (период с 15.05 по 21.05.2016 г.), также значительно различались площади захваченной поверхности и минимальные значения температуры в холодовых ядрах (если таковые возможно было выделить) – зонах с наиболее выраженным охлаждением вод. Отдельные характеристики выявленных апвеллингов представлены в таблице (Табл. 1) ниже.

Возникновение наиболее продолжительных апвеллингов обнаруживается 27 июня 2015 г. и 15 мая 2016 г. В первом случае отследить все изменения температурной аномалии по спутниковым данным не представляется возможным из-за непроницаемого облачного покрова, тем не менее, по отдельным снимкам возможно определить день возникновения, а также то, что явления, начавшиеся 20 июня и 27 июня 2015 г., не являются фазами одного апвеллинга.

Таблица 1.

Характеристики апвеллингов, выявленных по ДДЗ за 2014–2016 гг.

Начало формирования апвеллинга 15 мая 2016 г. было обнаружено в утренние часы, и его развитие прослеживается до 21 мая 2016 г. включительно. В период появления и первые часы развития явления охлаждение вод равномерное (12,9⁰С при температуре окружающих вод около 16⁰С), холодовое ядро не выделяется, площадь ограничивается 305,6 км². Возникновение холодового ядра отмечается 15 мая 2016 г. в дневные часы (в 14:57 UTC по ДДЗ), его температура составляет 11,0⁰С, а площадь – 268,5 км², при том, что площадь охваченных апвеллингом вод на это время возросла до 783,3 км².

Наименьшее значение температуры наблюдается 16 мая 2016 г. в 19:00 UTC – 9,9⁰С (в холодовом ядре, площадь которого составляет 320,5 км²) при средней температуре вод апвеллинга вне ядра 14,6⁰С (площадь всего апвеллинга равна 794,4км²), а окружающих вод – около 16⁰С (Рис. 1). Этот случай характеризуется не только максимальной продолжительностью существования явления, но и наименьшим зафиксированным по использованным данным дистанционного зондирования значением температуры апвеллинга.

Рисунок 1. Апвеллинг в районе ЮБК, зафиксированный инфракрасным радиометром 16.05.2016 г.

Тем не менее, наибольшая разница между минимальной температурой ядра и температурой окружающих вод отмечается в 2014 г. во время существования апвеллинга общей продолжительностью 6 дней – с 26 июня по 1 июля. Температура холодового ядра опускается до 10,0⁰С и сохраняется таковой в 2:21 UTC и 3:34 UTC 28 июня 2014 г. при том, что температура поверхности окружающих апвеллинг вод колеблется в пределах 20-21⁰С (Рис. 2).

Рисунок 2. Проявление апвеллинга в прибрежной зоне ЮБК 28.06.2014 г.

Для всех случаев апвеллинга оценивались скорость и направление ветра в исследуемом районе как в периоды существования температурных явлений, так и в часы, предшествующие их возникновению. В 6 случаях из 11 перед возникновением апвеллинга наблюдался устойчивый ветер северо-западного направления без изменения курса от 11 часов и более. В 2 случаях наблюдался северный ветер и также в 2 – юго-западный. Единожды возникновению апвеллинга предшествовал ветер западного направления (Табл. 2).

Таким образом, во всех случаях наблюдались благоприятные метеорологические факторы для подъема глубинных вод к поверхности: соответствующее направление ветра, отличавшееся длительной устойчивостью и (или) высокие скорости.

Таблица 2.

Скорость и устойчивое направление ветра, зарегистрированные непосредственно перед появлением апвеллингов

Продолжительность периодов существования апвеллингов имеет также тесную связь с ветром: развитие явления продолжается при ветре западных румбов или северном, а его угасание – при низких скоростях или смене направления на северо-восточное, восточное, юго-восточное или южное.

Такие ситуации отмечаются при оценке апвеллингов с коротким периодом жизни (2 или менее суток): апвеллинг в сентябре 2014 г. прекратил свое существование на фоне ослабления северо-западного ветра до штиля, а подъем вод июньского апвеллинга 2014 г. и майского 2016 г. завершился при смене ветра на северо-восточный и южный соответственно.

Схожие ветровые условия отмечаются при наблюдении за динамикой продолжительных (время жизни от 6 суток) апвеллингов. В двух случаях (июнь 2015 г. и май 2016 г.) в исследуемом районе перед зарождением явлений преобладал благоприятный устойчивый ветер более 24 часов со скоростями 4–6 м/с, что, вероятно, способствовало высокой интенсивности подъема глубинных вод. В последующие дни формирование апвеллингов также поддерживалось ветрами северо-западного направления (июнь 2015 г.) и западных румбов (май 2016 г.) (Рис. 3 б, в). Ослабление и прекращение существования июньского апвеллинга происходит параллельно со снижением скорости ветра до 1–2 м/с, а затем – до 0 м/с. Роль в угасании майского апвеллинга определяется сменой ветра сначала на южное направление, затем – на юго-восточное.

Более сложная ситуация прослеживается в случае развития июньского апвеллинга в 2014 г. (Рис. 3 а). Ветер перед его появлением сохраняет стабильное направление сравнительно недолго (около 2 часов), хотя и с высокими скоростями – 7 м/с. Тем не менее, в первые сутки существования явления скорость продолжает оставаться высокой (постепенно снижается от 7,5 до 5 м/с), а направление меняется с юго-западного на северо-западное. С 4 дня жизни явления направление вновь изменяется, и до момента исчезновения апвеллинга отмечается ветер преимущественно восточных румбов.

Рисунок 3. Повторяемость направления ветра в период существования апвеллингов: а – 26.06–01.07.2014 г., б – 27.06.–03.07.2015 г., в – 15.05–21.05.2016 г.

Заключение. Рассмотрены случаи возникновения и формирования апвеллингов на протяжении расширенного лета (май-сентябрь) в течение 2014–2016 гг. в районе Южного берега Крыма. По данным дистанционного зондирования выявлено 11 апвеллингов с продолжительностью существования от 8 часов до 6–7 суток. Выделены основные характеристики – минимальная температура холодового ядра, разница с температурой окружающих вод, наибольшие площади распространения в поверхностном слое, а также – фоновые ветровые условия. Подтвердилось, что появление апвеллинга стимулируется длительно устойчивым ветром северного направления или западных румбов. Время существования исследуемых явлений также определяется ветровыми характеристиками: при ветре благоприятного направления умеренной или высокой скорости развитие апвеллинга продлевается, в противном случаи происходит его угасание.