Russian Federation
Sevastopol, Russian Federation
The paper uses oceanographic observations and climatic values at the grid 10′ × 15′ for 1950–2023 to investigate spatial distribution and seasonal course of the thermohaline structure of Western Crimea shelf waters. In the cold season, the regional spatial thermal structure had a pronounced zonal distribution with cold northern and warm southern parts. During the spring–summer period, the relative location of warm/cold zones changed to the meridional one. The regional haline structure was characterized by a saltier tongue spreading from the open sea and separating brackish waters of the north-western shelf and coastal waters. Over the greater part of the year, the coastal zone was colder and less saline than the outer shelf part. The opposite distribution, when the coastal zone was warmer than the outer shelf part, was observed in the surface layer in April–May and below the seasonal thermocline in the summer–autumn period. Due to frequent upwelling events in summer, salinity in the subsurface layers of the coastal zone from May to September becomes higher than in the outer shelf part. In general, in terms of the thermohaline water structure, the Western Crimea shelf is an intermediate zone between the north-western shelf and the deep part of the Black Sea, the water exchange with which depends of the intensity of the Rim Current and the Sevastopol anticyclonic eddy. Regional water masses or sub-types of main Black Sea water masses were not identified in the study area.
thermohaline structure, sea temperature, salinity, climate, shelf, coastal zone, Western Crimea
Введение
Морская акватория, прилегающая к г. Севастополю и западным районам Республики Крым, является естественной составляющей региона и важна для его экономического развития. Для решения прикладных задач необходимы региональные справочные пособия, освещающие климатические условия и современ- ное состояние окружающей среды, в том числе термохалинной структуры вод.
Общие черты гидрологии района, примыкающего к западному побережью Крыма, в различной степени детализации представлены в обобщающих трудах, описывающих все шельфовые области или Черное море в целом [1‒4], а также в работах 1), 2). В этих исследованиях шельф Западного Крыма не выделяли
в отдельный район, поскольку он, будучи частью обширного северо-западного шельфа, по своим условиям максимально приближен к глубоководной части Черного моря.
Характеристики различных океанографических явлений и процессов непо- средственно для данного района рассматривались в работах 3), 4) [6‒12]. Много исследований посвящено циркуляции вод северо-западного шельфа в целом и Севастопольского антициклона в частности (например, работы 2), 5), а также [2‒4, 13‒21]). Адвекция вод в значительной степени влияет на термохалин- ную структуру, в особенности на границах районов с различной гидрологиче- ской структурой вод.
Региональное описание сезонной изменчивости термохалинной структу- ры вод, относящееся к данному району, опубликовано более 20 лет назад на основе имеющихся на тот момент архивных данных и ограничено Севасто- польским взморьем [12].
Цель работы – на основе данных наблюдений за 1950–2023 гг. описать сезонную изменчивость термохалинной структуры вод шельфа Западного Крыма с оценкой основных различий между открытой и прибрежной частями исследуемого района.
Материалы и методы исследования
Район шельфа, примыкающий к западному побережью Крыма, относится к районам Черного моря с достаточно высокой обеспеченностью данными океанографических наблюдений. Всего в банке данных Морского гидрофизи- ческого института РАН имеется 37 046 гидрологических станций (1460 набо- ров/рейсов), выполненных в районе исследований (44° 20′–45° 30′ с. ш., 32°– 33° 35′ в. д.) в 1910‒2023 гг. 6) (рис. 1). Для расчета климатических значений был выбран период 1950‒2023 гг., охватывающий два климатических пери- ода Всемирной климатической организации (10 673 станции) (рис. 2).
Климатические оценки температуры и солености рассчитывали по де- кадным профилям из массива реанализа термохалинных полей, представля- ющих собой интерполированные значения первичных измерений на регуляр- ной сетке 10′ × 15′ по методике, описанной в [22]. Относительная степень покрытия исследуемого района интерполированными значениями дости- гала 90 % в 1960–1980-х гг., 20 % в 1995–2015-х гг. и 40 % – после 2016 г. Для 1950–2023 гг. были рассчитаны среднемесячные значения температуры и солености в узлах сетки, принятые за климатические нормы.
Р ис . 1 . Расположение гидрологических станций на шельфе Западного Крыма в 1910‒2023 гг. и их количество в квадратах 20′ × 30′
F ig . 1 . Location of oceanographic casts in the shelf area near the Western
Crimea coast in 1910‒2023 and number of stations in 20′ × 30′ squares
Р ис . 2 . Временной ход количества гидрологических станций в месяц в районе исследований
F i g. 2. Time-series of monthly number of oceanographic stations in the study area
Результаты и обсуждение
Температура воды
Сезонный ход вертикальной термической структуры вод в исследуемом районе в целом характерен для Черного моря. С января по март температура воды в значительной степени однородна во всем слое. С мая по август разви- вается резкий термоклин, повторяемость возникновения верхнего перемешан- ного слоя в этот период года минимальна. С глубиной наблюдается фазовое запаздывание сезонного цикла (рис. 3, 4).
Для условного разделения открытой и прибрежной частей шельфа бы- ла принята изобата 50 м. С января по апрель прибрежная зона во всем слое холоднее остальной части шельфа, разница температур вод прибрежной зоны и мористой части шельфа доходит до 0.8 °С и с глубиной не меняет знак (рис. 5).
Р ис . 3 . Среднемесячные климатические вертикальные про- фили температуры воды на шельфе Юго-Западного Крыма: в мористой части шельфа (a), в прибрежной зоне (b). Цифры соответствуют месяцам года
F ig . 3. Climatic monthly vertical temperature profiles in the South- Western Crimea shelf area: in the outer shelf part (a), in the coastal zone (b). Digits stand for month numbers
Р ис . 4 . Климатический сезонный ход темпе- ратуры воды на шельфе Западного Крыма для различных глубин. Штриховыми линиями изоб- ражены графики температуры воды в прибреж- ной зоне (глубина менее 50 м), сплошными – в мористой части шельфа
F i g. 4. Climatic seasonal course of water tem- perature in the Western Crimea shelf area at differ- ent depths. Dashed lines denote temperature values in the coastal zone (depth < 50 m), solid lines are those in the outer shelf
Р ис . 5 . Разница среднемесячных климатических значений темпера- туры воды между прибрежной зоной и мористой частью шельфа Запад- ного Крыма. Штриховыми линиями изображены графики для тех меся- цев, в которых разница значений температуры меняет знак с глубиной, сплошными – в которых не меняет. Цифры соответствуют месяцам года
F i g. 5. Differences of climatic monthly temperature between the coastal zone and the Western Crimea outer shelf. Dashed lines denote months when the difference in values changes its sign with depth, solid lines are months without changes. Digits stand for month numbers
В остальную часть года в поверхностном слое температура вод прибрежной зоны в основном ниже, чем в мористой части шельфа (DТ £ 0.6 °С), а в слое ниже термоклина – выше (DТ £ 0.9 °С) (рис. 5).
Пространственная термическая структура района в целом имеет явно выраженное зональное распределение с холодной северной и теплой южной частями. С глубиной южное направление роста температуры меняется на юго- восточное из-за влияния холодных придонных вод северо-западного шельфа (рис. 6).
На протяжении годового цикла пространственное соотношение теплых и холодных областей в поле температуры изменяется (рис. 7). Наибольшее отклонение от среднегодового распределения в поверхностном слое наблю- дается в апреле ‒ мае, когда вся прибрежная зона в среднем на 0.3‒0.4 °С теп- лее открытой части, и летом, когда прибрежные воды, наоборот, на 0.2 °С хо- лоднее. Это связано с тем, что в условиях весеннего прогрева и слабого ветра прибрежная зона прогревается быстрее, чем мористая часть шельфа, а летом влияние сгонных явлений и апвеллингов в прибрежной зоне выражено наибо- лее сильно. С сентября по март термическое поле соответствует среднегодо- вому распределению, при этом зональный контраст температуры воды мини- мален в сентябре.
Географическое положение шельфа Западного Крыма между глубоковод- ной частью моря и северо-западным шельфом подразумевает возможность адвекции вод холодного промежуточного слоя (ХПС) из этих районов. По результатам отдельных гидрологических измерений обнаруживаются признаки проникновения вод ХПС в исследуемый район как с северного, так и с южного направления. По климатическому распределению температуры
Р ис . 6 . Среднегодовые климатические значения температуры воды, °С, в районе шельфа Западного Крыма на горизонтах 0 и 50 м
F i g. 6. Climatic yearly water temperature fields in the Western Crimea shelf, °С,
at depths of 0 and 50 m
Р ис . 7 . Обобщенные типы пространственного распределе- ния температуры воды в поверхностном слое в районе шельфа Западного Крыма по отклонениям от среднего по акватории района значения. Символом «+» обозначены положительные аномалии, «‒» – отрицательные аномалии
F i g. 7. Generalized types of spatial water temperature distribu- tion in the surface layer of the Western Crimea shelf by deviations from the region area averaged value. Key: “+” – positive anomalies, “‒” negative anomalies
и солености воды можно сделать вывод, что ХПС у берегов Западного Крыма формируется в основном на северо-западном шельфе. Ранее по данным съе- мок с высоким разрешением в зимне-весенний период у материкового склона северо-западного шельфа было показано, что адвекция придонных вод в глу- боководную часть моря происходит в основном в районе между 30° и 32° в. д. По среднемесячным климатическим значениям температуры воды на цент- ральном меридиональном разрезе исследуемого района по 32° 45′ в. д. (рис. 8) хорошо видно, что сползание охлажденных вод в сторону открытого моря происходит также и у Крымского побережья.
Р ис . 8 . Среднемесячные климатические значения температуры воды в районе шельфа Западного Крыма на разрезе по 32° 45′ в. д.
F i g. 8. Climatic monthly water temperature in the Western Crimea shelf along the 32° 45′ E section
Соленость
Годовой ход вертикальной структуры солености в районе исследований (рис. 9) условно подразделяется на два сезона. С ноября по май слабая халин- ная стратификация в слое 0‒70 м почти не отличается от стратификации в глу- боководной части Черного моря. В июне ‒ октябре вертикальные градиенты солености растут, по степени стратификации район занимает промежуточное положение между северо-западным шельфом с сильно расслоенными водами и глубоководной частью моря.
Большую часть года прибрежная зона (глубина до 50 м) во всей толще вод более распреснена, чем остальная часть шельфа (рис. 10). С мая по сен- тябрь в подповерхностном слое прибрежной части соленость выше, чем в мо- ристой части, что связано с интенсификацией вертикального перемешивания при апвеллингах.
Р ис . 9 . Среднемесячные климатические вертикальные профили солености на шельфе Западного Крыма: в мори- стой части шельфа (a), в прибрежной зоне (b). Цифры соот- ветствуют календарным месяцам года
F i g. 9. Climatic monthly vertical salinity profiles in the Western Crimea shelf area: in the outer shelf part (a), in the coastal zone (b). Digits stand for calendar month numbers
Сезонный ход солености на различных горизонтах в исследуемом районе и во многих других районах Черного моря существенно различается (рис. 11). Достижение минимума солености в поверхностном слое этого района смеще- но на начало осени, тогда как в остальной части Черного моря минимум наблюдается в весенне-летний период. На шельфе Западного Крыма в слое 50–100 м минимум солености достигается в апреле, максимум – в октябре, что также не характерно для моря в целом. Во многом это связано с сезонной динамикой Севастопольского антициклона, влияющего на водообмен района исследования с Основным Черноморским течением и северо-западным шельфом.
Для пространственной халинной структуры вод района (рис. 12) харак- терно наличие клина соленых вод, поступающих из открытого моря и разде- ляющих распресненные воды северо-западного шельфа и прибрежной зоны. С глубиной пространственная ориентация области соленых вод почти не из- меняется.
Р и с . 10. Разница между среднемесячными климатическими значениями солености в прибрежной зоне и мористой части шельфа Западного Крыма. Штриховыми линиями изображены графики солености для месяцев, в которых разница ее значений меняет знак с глубиной, сплошными – в которых не меняет
F i g. 10. Differences between climatic monthly salinity values in the coastal zone and the Western Crimea outer shelf. Dashed lines are salinity diagrams for months when the difference in salinity values changes its sign with depth, solid lines are those for months without changes
Р и с . 11 . Климатический сезонный ход соле- ности на шельфе Западного Крыма для различ- ных глубин. Штриховыми линиями отображены значения в прибрежной зоне (глубина менее 50 м), сплошными – в мористой части шельфа
F i g. 11. Climatic seasonal course of salinity in the Western Crimea shelf area at different depths. Dashed lines denote values in the coastal zone (depth < 50 m), solid lines are those in the outer shelf
Р и с . 12. Среднегодовые климатические значения солености, ЕПС, в районе шельфа Западного Крыма на горизонтах 0 и 50 м
F i g. 12. Climatic yearly salinity fields, psu, in the Western Crimea shelf at depths of 0 and 50 m
Наибольшие отклонения солености от пространственной картины сред- негодового распределения (рис. 13) присущи летнему периоду, когда повы- шается соленость в поверхностном слое прибрежной зоны в условиях межени на малых реках Крыма, сгонов и апвеллингов.
Р и с . 13. Обобщенные типы пространственного распреде- ления солености в поверхностном слое в районе шельфа За- падного Крыма по отклонениям от среднего по акватории района значения. Символом «+» обозначены положительные аномалии, «‒» – отрицательные аномалии
F i g. 13. Generalized types of spatial salinity distribution in the surface layer of the Western Crimea shelf by deviations from the region area averaged value. Key: “+” – positive anomalies, “‒” negative anomalies
Термохалинные индексы
Среднемесячные T,S-кривые качественно соответствуют распределению водных масс в большинстве районов Черного моря (рис. 14). Сезонный ход термохалинных индексов (рис. 15) отражает общие для бассейна законо- мерности. В поверхностном слое при переходе от зимне-весеннего периода к летне-осеннему рост температуры воды сопровождается уменьшением со- лености. В ХПС сезонные изменения характеризуются совместным увеличе- нием температуры и солености воды от зимы к лету. В основном пикноклине сезонный цикл качественно аналогичен циклу поверхностного слоя, но с боль- шей амплитудой колебаний солености и значительно меньшей амплитудой тем- пературы. Характерные петли на T,S-траекториях, возникающие от относитель- ных фазовых сдвигов между сезонными циклами температуры и солености, связаны с различным соотношением вкладов теплового, водного баланса и ин- тенсивности вертикального перемешивания вод.
Р и с . 14. Среднемесячные климатические T,S-кривые в районе шельфа Западного Крыма. Пунктирными линиями изображены кривые в при- брежной зоне (глубина менее 50 м), сплошными ‒ в мористой части шельфа. Цифры соответствуют календарным месяцам года
F i g. 14. Climatic monthly T,S curves in the West- ern Crimea shelf. Dotted lines denote values in the coas- tal zone (depth < 50 m), solid lines are those in the out- er shelf. Digits stand for calendar month numbers
Р и с . 1 5. Климатический сезонный цикл термохалинных индексов на шельфе Западного Крыма для различных глубин. Пунктирными линиями изображены графики для прибрежной зоны (глубина менее 50 м), сплошными ‒ для мористой части шельфа. Цифры соответству- ют месяцам года
F i g. 15. Climatic seasonal course of T,S indices in the Western Crimea shelf for various depths. Dotted lines denote values in the coastal zone (depth < 50 m), solid lines are those in the outer shelf. Digits stand for calendar month numbers
Заключение
На основе данных океанографических наблюдений за 1950–2023 гг. были рассчитаны среднемесячные климатические значения температуры и солено- сти на сетке 10′ × 15′ и выполнен анализ сезонной изменчивости термохалин- ной структуры вод шельфа Западного Крыма.
В пространственной термической структуре района в холодный период года явно выражено зональное распределение с холодной северной и теплой южной частями. В весенне-летний период относительное расположение теп- лых/холодных областей изменяется на меридиональное. ХПС у берегов За- падного Крыма формируется зимой на северо-западном шельфе. В летний период при ослаблении общей циркуляции воды ХПС могут также проникать в исследуемый район из глубоководной части моря.
Пространственная халинная структура вод района характеризуется нали- чием клина соленых вод открытого моря, который разделяет распресненные воды прибрежной зоны и северо-западного шельфа. В сезонном ходе солено- сти на западном шельфе Крыма, в отличие от ее сезонного хода в других райо- нах Черного моря, минимум солености в поверхностном слое наблюдается в начале осени, что связано с региональной циркуляцией вод.
Прибрежная зона на протяжении большей части года более холодная и распресненная, чем мористая часть шельфа. Поверхностный слой в при- брежной зоне при интенсивном прогреве и слабых ветрах теплее, чем в мори- стой части шельфа, в период апреля ‒ мая, а слой глубже сезонного термо- клина теплее в летне-осенний период из-за меньшего теплообмена с ХПС. В подповерхностных слоях соленость прибрежной зоны с мая по сентябрь выше, чем в мористой части, что связано с процессами апвеллинга.
В целом по характеристикам термохалинной структуры вод шельф Запад- ного Крыма является промежуточной зоной между северо-западным шельфом и глубоководной частью Черного моря, водообмен с которой зависит от ин- тенсивности Основного Черноморского течения и Севастопольского анти- циклона. Региональные водные массы или подтипы основных черноморских водных масс в исследуемом районе не выделены.
1. Gidrometeorologiya i gidrohimiya morey SSSR. Tom 4. Chernoe more. Vyp. 1. Gidrometeorologicheskie usloviya / Pod red. A. I. Simonova, E. N. Al'tmana. Sankt-Peterburg : Gidrometeoizdat, 1991. 429 s.
2. Blatov A. S., Ivanov V. A. Gidrologiya i gidrodinamika shel'fovoy zony Cherno- go morya. Kiev : Naukova dumka, 1992. 244 s.
3. Ivanov V. A., Belokopytov V. N. Okeanografiya Chernogo morya. Sevastopol' : EKOSI-Gidrofizika, 2011. 209 s.
4. Gidrometeorologicheskie usloviya morey Ukrainy. T. 2 : Chernoe more / Yu. P. Il'in [i dr.]. Sevastopol' : EKOSI-Gidrofizika, 2012. 421 s.
5. Il'in Yu. P. Anticiklonicheskie vihri u svala glubin severo-zapadnoy chasti Chernogo morya: formirovanie poverhnostnyh obrazov i sputnikovye IK-nablyude- niya v vesenne-letniy sezon // Issledovaniya shel'fovoy zony Azovo-Chernomors- kogo basseyna. Sevastopol' : MGI NAN Ukrainy, 1995. S. 22–30.
6. Il'in Yu. P., Belokopytov V. N. Sezonnaya i mezhgodovaya izmenchivost' paramet- rov holodnogo promezhutochnogo sloya v oblasti Sevastopol'skogo anticikloni- cheskogo krugovorota // Ekologicheskaya bezopasnost' pribrezhnoy i shel'fovoy zon i kompleksnoe ispol'zovanie resursov shel'fa. 2005. Vyp. 12. S. 29–41. EDN YUCFPG.
7. Belokopytov V. N. Sezonnyy hod vertikal'noy termohalinnoy stratifikacii vod na Chernomorskom shel'fe Kryma // Ekologicheskaya bezopasnost' pribrezhnoy i shel'fovoy zon morya. 2019. № 3. S. 19‒24. EDN ASAMOV. https://doi.org/10.22449/2413-5577-2019-3-19-24
8. Lomakin P. D., Chepyzhenko A. I. Struktura poley okeanologicheskih velichin v zone apvellinga u Gerakleyskogo poluostrova (Krym) v avguste 2019 goda // Ekologicheskaya bezopasnost' pribrezhnoy i shel'fovoy zon morya. 2022. № 1. S. 31‒41. EDN JCOWQH. https://doi.org/10.22449/2413-5577-2022-1-31-41
9. Lomakin P. D., Chepyzhenko A. I., Chepyzhenko A. A. Struktura poley okeanologicheskih velichin u severnogo berega sevastopol'skogo vzmor'ya (Chernoe more) v fevrale 2020 goda // Trudy Karadagskoy nauchnoy stancii im. T. I. Vyazem- skogo-Prirodnogo zapovednika RAN. 2022. № 1. S. 3‒10. EDN IRQYXS. https://doi.org/10.21072/eco.2022.21.01
10. Kompleksnye issledovaniya ekologicheskogo sostoyaniya pribrezhnoy akvatorii Sevastopolya (Zapadnyy Krym, Chernoe more) / V. I. Ryabushko [i dr.] // Ekologicheskaya bezopasnost' pribrezhnoy i shel'fovoy zon morya. 2020. № 1. S. 103‒118. EDN HETKTQ. https://doi.org/10.22449/2413-5577-2020-1-103-118
11. Raspredelenie vzveshennogo veschestva u zapadnogo poberezh'ya Kryma pri vozdey- stvii sil'nyh vetrov razlichnyh napravleniy / A. A. Aleskerova [i dr.] // Issledovanie Zemli iz kosmosa. 2019. № 2. C. 74‒88. EDN ZIPMWT. https://doi.org/10.31857/S0205-96142019274-88
12. Fonovaya harakteristika i sezonnaya izmenchivost' vertikal'noy stratifikacii termohalinnogo polya u poberezh'ya Sevastopolya / V. N. Belokopytov [i dr.] // Ekologicheskaya bezopasnost' pribrezhnoy i shel'fovoy zon morya. 2002. Vyp. 1. S. 22‒29. EDN USBQVS.
13. Tolmazin D. Changing coastal oceanography of the Black Sea, I, Northwestern Shelf // Progress in Oceanography. 1985. Vol. 15, iss. 4. P. 217‒276. https://doi.org/10.1016/0079- 6611(85)90039-4
14. Eremeev V. N., Latun V. S., Sovga E. E. Vliyanie antropogennyh zagryazniteley i putey ih perenosa na ekologicheskuyu obstanovku v severo-zapadnom rayone Cherno- go morya // Morskoy gidrofizicheskiy zhurnal. 2001. № 5. S. 41‒55. EDN YVONBZ.
15. Anticiklonicheskiy vihr' ringovogo tipa na svale glubin severo-zapadnoy chasti Chernogo morya / A. V. Grigor'ev [i dr.] // Ekologicheskaya bezopasnost' pribrezhnoy i shel'fovoy zon morya. 2001. Vyp. 3. S. 57‒61. EDN FVBCZF.
16. Seasonal, interannual, and mesoscale variability of the Black Sea upper layer circula- tion derived from altimeter data / G. Korotaev [et al.] // Journal of Geophysical Re- search: Oceans. 2003. Vol. 108, iss. C4. 3122. https://doi.org/10.1029/2002JC001508
17. Morozov A. N., Lemeshko E. M. Ispol'zovanie Self Contained ADCP dlya provede- niya izmereniy s borta sudna: metodicheskie voprosy i fizicheskie rezul'taty // Ekologicheskaya bezopasnost' pribrezhnoy i shel'fovoy zon morya. 2005. Vyp. 13. S. 425‒432. EDN YODZAO.
18. Statistical description of the Black Sea near-surface circulation using drifters in 1999‒2003/ P.-M. Poulain [et al.] // Deep-Sea Research I: Oceanographic Research Papers. 2005.Vol. 52, iss. 12. P. 2250‒2274. https://doi.org/10.1016/j.dsr.2005.08.007
19. Vertikal'naya struktura polya skorosti techeniy v severo-zapadnoy chasti Chernogo morya po dannym LADCP v mae 2004 g. / E. M. Lemeshko [i dr.] // Morskoy gidro- fizicheskiy zhurnal. 2008. № 6. S. 25‒37. EDN MHISEP.
20. Goryachkin Yu. N. Pridonnye techeniya v Kalamitskom zalive // Ekologicheskaya bezopasnost' pribrezhnoy i shel'fovoy zon morya. 2008. Vyp. 17. S. 258‒264. EDN YQYLGN.
21. Belokopytov V. N, Nikol'skiy N. V. Ustoychivye anticiklonicheskie vihri u yuzhnogo i zapadnogo poberezh'ya Kryma // Ekologicheskaya bezopasnost' pribrezhnoy i shel'fovoy zon morya. 2015. Vyp. 1. S. 47‒53. EDN VHGRAN.
22. Belokopytov V. N. Retrospektivnyy analiz termohalinnyh poley Chernogo morya na osnove metodov empiricheskih ortogonal'nyh funkciy // Morskoy gidrofizicheskiy zhurnal. 2018. № 5. S. 412‒421. EDN YMQLYT. https://doi.org/10.22449/0233-7584-2018-5-412-421
