КУЛЬГлава 2 Гидрофизические исследования в научных экспедициях в 2014–2017 гг.
ГЛАВА 2.
Гидрофизические исследования в научных экспедициях в 2014–2017 гг.
2.1. Гидрофизические измерения и результаты научной экспедиции 2014 г. Вертикальные измерения зондом CTD YSI6600, оборудованного датчиками мутности, минеральной взвеси, pH, растворенного кислорода и растворенной органики, проводились на 25 различных станциях, расположенных в районе работ. Наиболее характерные профили наблюдались на станциях 1 (пос. Сары-Ой), 8 (г.Чолпон-Ата), 9 (на удалении от берега, фоновые значения) и 15 (пос. Бостери). Ниже приведены вертикальные профили температуры, солености, pH, концентраций минеральной взвеси, растворенного кислорода и растворенной органики на этих станциях (Рис. 2.1–2.3). Следует иметь в виду, что из-за отличия ионно-солевого состава вод озера Иссык-Куль от океанской, полученные океанским зондом данные по солености требовали корректировки, которая была выполнена позже по готовности анализов проб методом сухого остатка.
Рис. 2.1. Вертикальные профили температуры (слева) и солености (справа)
на станциях 1 (зеленый), 8 (синий), 9 (желтый) и 15 (красный)
Рис. 2.2. Вертикальные профили pH (слева) и концентрации растворенного
кислорода (справа) на станциях 1 (зеленый), 8 (синий), 9 (желтый) и 15 (красный)
Рис. 2.3. Вертикальные профили концентраций растворенной органики (слева)
и минеральной взвеси (справа) на станциях 1 (зеленый), 8 (синий), 9 (желтый)
и 15 (красный).
Приведенные выше профили показывают, что характеристики вод на станции 1 наиболее сильно отличаются от всех других станций. Профили на станции 1 характеризуются повышенными концентрациями минеральной взвеси и растворенного кислорода, а также повышенными значениями pH.
Подобный эффект, вероятно, вызван влиянием пресноводного стока ручья, протекающего через с. Баетова и впадающего в озеро в 2 км от станции 1.
По этим же причинам только на станции 1 наблюдается ощутимая соленостная стратификация верхнего 10-метрового слоя, в то время как на всех остальных станциях соленость практически однородна по всей глубине измерений. Формирование относительно глубокого верхнего перемешанного слоя вызвано активным ветровым перемешиванием. Данные портативной метеостанции (Рис. 2.4.) показали, что отмечались суточные бризовые колебания ветра со средней скоростью 4.2 м/с, сопровождавшиеся усилением ветра при порывах до 10 м/с, а скорость ветра над поверхностью озера,
вероятно, принимала еще более высокие значения.
Рис. 2.4. Изменения скорости и направления ветра 10–13 сентября 2014 г.
Рис. 2.5. Изменчивость атмосферного давления 10–13 сентября 2014 г.
Атмосферное давление менялось от 1002 до 1010 гПа (Рис. 2.5). Максимальная скорость ветра, регистрировавшаяся 11 сентября, соответствовала периоду пониженного атмосферного давления 1003–1005 гПа.
Концентрация растворенной органики в толще воды практически одинакова на всех станциях.
Рис. 2.6. Изменчивость температуры воздуха 10–13 сентября 2014 г.
Рис. 2.7. Скорости придонных течений, регистрировавшихся десятиминутными
интервалами на заякоренных станциях
Скорости придонных течений, измерявшиеся в течение периода работ
на станциях 1, 6, 11 с дискретностью (осреднением) 10 мин представлены
на рис. 2.7. и рис. 2.8.
Результаты измерения придонных течений на станциях 1, 6 и 11
отчетливо показали наличие осцилляций с периодом 18–24 ч (Рис. 2.8.),
что указывает на модуляцию инерционных колебаний бризовой суточной
изменчивостью ветра.
Рис. 2.8. Периодограммы скорости придонных течений на станциях 6 и 11
Средняя скорость течения составила 5.8 см/с на станции 1, 3.8 см/с
на станции 6, и 8.0 см/с на станции 11. Общее направление вдольберегового
течения – западное, что согласуется с представлениями о преобладании
в озере циклонического круговорота бассейнового масштаба. Отклонения от этой картины и усиление течения северных румбов в районе станции 11 может указывать на присутствие в этом районе мезомасштабного вихря, связанного, вероятно, с топографическими особенностями батиметрии и береговой линии.
2.2. Гидрофизические измерения и результаты научной экспедиции 2015 г. Температура, электропроводность, pH, концентрация растворенного кислорода и мутность воды измерялись вдоль курса судна в приповерхностном слое с помощью проточной зондирующей системы, состоящей из подающего забортную воду центробежного насоса производительностью около 1 л/с и уложенного в специальный контейнер емкостью 30 литров на палубе CTD зонда YSI 6600. Частота опроса датчиков CTD зонда составляла 0.2 Гц.
Вертикальные распределения величин температуры, электропроводности, pH, концентрации растворенного кислорода и мутности воды измерялись посредством CTD-зондирования с использованием инструмента YSI 6600, частота 1 Гц.
Скорость и направление течений регистрировались на двух заякоренных станциях, оснащенных механическими измерителями придонных течений системы Sea Horse [11].
Метеорологические условия в период проведения работ. Результаты
измерений, на автоматической метеостанции, представлены на рис. 2.9.
В период наблюдений отчетливо прослеживалось действие бризовых ветров. Исключением являются сутки 25.06.15, когда выраженность бризовой компоненты была нарушена действием ЗЮЗ ветра. В этот период наблюдались минимальные значения атмосферного давления.
Скорость ветра у берега достигала максимальных значений 4,5 м/с. Над акваторией озера в ходе экспедиции наблюдались и более высокие значения. Колебания температуры воздуха обнаруживали ярко выраженный суточный ход в пределах от 26 ºС до 10 ºС. Величины атмосферного давления колебались в пределах от 833 до 828 гПа.
Рис. 2.9. Данные измерений портативной автоматической метеостанции,
г. Чолпон-Ата. Сверху вниз: векторная диаграмма скорости ветра,
графики изменчивости величин температуры воздуха, атмосферного давления
и относительной влажности воздуха
Вертикальная структура вод. На рисунках 2.10–2.12 представлены вертикальные профили температуры вод на станциях, выполненных в ходе экспедиции. Согласно данным зондирования, сезонный термоклин простирался до глубин 65–70 м.
Рис. 2.10. Вертикальные распределения температуры на станциях 2–9
Рис. 2.11. Вертикальные распределения температуры на станциях 10–13b
Рис. 2.12. Вертикальные распределения температуры на станциях 14–19
На рис. 2.13–2.15 представлены вертикальные профили мутности воды на станциях, выполненных в ходе экспедиции. На большей части станций значения мутности воды колебались в пределах от 8 до 12 единиц, в то время как на мелководной станции 14 значения мутности в поверхностном слое приблизились к 80 единицам. По-видимому, воды реки Тюп, выходящие в этом месте в озеро из залива, оказывают значительное влияние на гидрофизическую структуру восточной части озера.
Рис. 2.13. Вертикальные распределения мутности на станциях 2–9
Рис. 2.14. Вертикальные распределения мутности на станциях 10–13b
Рис. 2.15. Вертикальные распределения мутности на станциях 14–19
На рис. 2.16. показано распределение значений температуры в поверхностном слое озера. Хорошо заметно, что наиболее высокие значения температуры наблюдались у юго-восточного берега озера, в то время как самые низкие значения были зафиксированы у северного берега. Кроме того, можно отметить наличие локального максимума температур в западной оконечности озера. Также следует отметить, что на видимое распределение температуры поверхности озера может заметным образом влиять ее суточный ход, так как разные станции выполнялись в разное время суток.
Рис. 2.16. Распределение температуры
в поверхностном слое озера Иссык-Куль по данным измерений проточной системы. Зеленым цветом показан путь следования судна
Рис. 2.17. Распределение гидрофизических характеристик
в поверхностном слое вод восточной части озера и залива Пржевальского
по данным измерений проточной системы.
Зеленым цветом показан путь следования судна
На рис. 2.17 показаны распределения температуры, солености и мутности вдоль широтного разреза от устья реки Джергалан. Видно, что опреснение речным стоком регистрируется примерно на протяжении 20 км от эстуария. Сигнал речного стока хорошо различим и в распределении мутности.
Рис. 2.18. Результаты измерений первой заякоренной станции, глубина 14,5 м.
Сверху вниз: векторная диаграмма скоростей течения,
графики изменчивости меридиональной и зональной компонент скорости течения, график колебания температуры вод придонного слоя
На рис. 2.18–2.19 показаны результаты измерения течений на заякоренных станциях. Ветровая изменчивость здесь смешана с инерционными колебаниями с периодом около 18 часов. На станции 1 отмечена знакопеременная циркуляция, возможно, сейшевой природы.
Рис. 2.19. Результаты измерений второй заякоренной станции, глубина 17 м.
Сверху вниз: векторная диаграмма скоростей течения,
графики изменчивости меридиональной и зональной компонент скорости течения, график колебания температуры вод придонного слоя
2.3. Гидрофизические измерения и результаты научной экспедиции 2016 г. Температура, электропроводность и pH в приповерхностном слое измерялись по всей траектории движения судна с помощью проточной зондирующей системы, по такой же методике как в научной экспедиции 2015 г.
Вертикальные распределения величин температуры, электропроводности, флюоресценции хлорофилла и концентрации растворенного кислорода измерялись посредством CTD-зондирований с использованием зонда SBE Sea Cat 19 plus, частота измерений 4 Гц.
(б)_))
(а)_))
Рис. 2.20. Проведение вертикального СТD-зондирования
По данным CTD-зондирования толщи вод озера были построены вертикальные профили значений температуры (Рис. 2.21), солености, содержания растворенного кислорода и концентрации хлорофилла (Рис. 2.22). Значения температуры поверхностного слоя менялись в пределах от 12,5 до 9,2˚С. Температура понижалась с глубиной, достигая у дна в глубоководных районах значений около 4,4˚С. Толщина верхнего перемешанного слоя отличалась в разных частях акватории. Так, в юго-восточной, восточной и прибрежной южной частях озера (станции 10, 11, 12а, 16) верхний квазиоднородный слой (ВКС) распространялся до глубин 30–40 м. В центральной, северо-западной и северной частях озера (станции 8, 9, 19, 2) ситуация была иной – там ВКС был очень тонким и термоклин выходил практически на поверхность. Таким образом, наблюдался значительный горизонтальный градиент температур в верхнем перемешанном слое и термоклине в общем направлении с юго-запада на северо-восток.
На рис. 2.22 представлены вертикальные профили распределения значений концентрации хлорофилла. На всех профилях максимальные значения наблюдались над нижней границей термоклина. Наибольшее количество хлорофилла было отмечено на станциях 7а, 8 и 19, где в связи с поднятием термоклина к поверхности также наблюдалась более низкая температура вод.
Распределения термохалинных параметров на разрезе от устья
р. Джергалан через залив Пржевальского представлены на рис. 2.23–2.25 (станции п12–п1). Видно, что более холодные и опресненные воды залива, насыщенные хлорофиллом, распространялись с восточных мелководных участков озера на запад как в поверхностном слое, так и в глубинных слоях вдоль склона. Интенсивность этого процесса, по-видимому, усиливается по мере сезонного выхолаживания вод залива.
На рис. 2.26–2.28 представлена изменчивость температуры и солености в поверхностном слое по данным CTD-измерений в проточной системе. Температура поверхностного слоя колебалась пределах от 12 до 12,5˚С на большинстве участков акватории за исключением восточных мелководных областей, подверженных интенсивному воздействию речного стока. Здесь значения температуры поверхностного слоя опускались значительно ниже.
Минимальные значения температуры были зафиксированы в пределах холодного «ядра» в западной части озера (станция 7а), что хорошо согласуется с результатами вертикального зондирования и гидрохимических измерений. Здесь наблюдалось поднятие вод глубинных слоев к поверхности, что отчетливо отразилось на распределении значений температуры.
Такого рода подъем изотерм и косвенно указывает на существование в этом районе циклонического круговорота.
Рис. 2.21. Вертикальные распределения значений температуры
по данным CTD-измерений на станциях 31 октября – 3 ноября 2016 г.
Рис. 2.22. Вертикальные распределения значений концентрации хлорофилла
по данным измерений на станциях 31 октября – 3 ноября 2016 г.
Рис. 2.23. Вертикальные распределения значений температуры
по данным CTD-зондирования на станциях разреза п12 – п1 1 ноября 2016 г.
Рис. 2.24. Вертикальные распределения значений солености
по данным CTD-зондирования на станциях разреза п12 – п1 1 ноября 2016 г.
Рис. 2.25. Вертикальные распределения значений концентрации хлорофилла
по данным зондирования на станциях разреза п12 – п1 1 ноября 2016 г.
Рис. 2.26. Изменчивость значений температуры поверхностного слоя вод озера по данным CTD-измерений в проточной системе 31 октября – 1 ноября 2016 г.
Рис. 2.27. Изменчивость значений солености поверхностного слоя вод озера
по данным CTD-измерений в проточной системе 31 октября – 1 ноября 2016 г.
Рис. 2.28. Распределение значений температуры
в поверхностном слое озера Иссык-Куль по данным CTD-измерений
в проточной системе 31 октября – 3 ноября 2016 г.
Маршрут следования НИС показан серой линией
2.4. Гидрофизические измерения и результаты научной экспедиции 2017 г. Температура, электропроводность и pH в приповерхностном слое измерялись по такой же методике, как в предыдущих экспедициях. По всей траектории движения судна с помощью проточной зондирующей системы, состоящей из подающего забортную воду центробежного насоса производительностью около 1 л/с и CTD зонда YSI 6600, помещенного на палубе в специальный контейнер емкостью 30 литров. Частота опроса датчиков CTD зонда составляла 1 Гц.
Вертикальные распределения величин температуры, электропроводности, флюоресценции хлорофилла и концентрации растворенного кислорода измерялись посредством CTD-зондирований с использованием зонда SBE Sea Cat 19plus, частота измерений 4 Гц.
По результатам измерения получены вертикальные профили значений температуры (Рис. 2.29), концентрации хлорофилла (Рис. 2.30), солености (Рис. 2.31), мутности (Рис. 2.32) и электропроводности (Рис. 2.33). Значения температуры поверхностного слоя менялись в пределах от 16 до 22˚С (для сравнения, в осенней экспедиции 2016 г. интервал значений поверхностной температуры составлял от 9 до 12˚С). С увеличением глубины температура понижалась, также уменьшалась её изменчивость в разных частях озера и начиная с глубин 250 метров температура достигала практически постоянного значения
Рис. 2.29. Вертикальные распределения значений температуры
по данным CTD-измерений на станциях 26 июня – 30 июня 2017 г.
Рис. 2.30. Вертикальные распределения значений концентрации хлорофилла
по данным измерений на станциях 26 июня – 30 июня 2017 г.
Рис. 2.31. Вертикальные распределения значений солёности
по данным CTD-измерений на станциях 26 июня – 30 июня 2017 г.
Рис. 2.32. Вертикальные распределения значений мутности
по данным CTD-измерений на станциях 26 июня – 30 июня 2017 г.
Рис. 2.33. Вертикальные распределения значений электропроводности
по данным CTD-измерений на станциях 26 июня – 30 июня 2017 г.
5,3 ˚С (для сравнения, в осенней экспедиции 2016 года 4,4 ˚С) для всех глубоководных станций. Толщина верхнего перемешанного слоя отличалась
в разных частях акватории не существенно и в среднем составляла 10 м. Отметим, что в восточной части озера в устьях рек Тюп и Джергалан (станции
20 и 13а), а также в западной прибрежной части озера в районе впадения
горных рек у поселка Тору-Айгыр (станция 3) ситуация была иной – там
верхний квазиоднородный слой был очень тонким и термоклин выходил практически на поверхность. Таким образом, верхняя граница термоклина начиналась в среднем на 10 метрах, нижняя граница проходила на 50–70 метрах.
На рис. 2.30 представлены вертикальные профили распределения значений концентрации хлорофилла. На всех профилях максимальные
значения наблюдались над нижней границей термоклина и составляли
0,7 мг/м^3 (сравните, в осенней экспедиции 2016 года 0,4 мг/м^3), за исключением станций 13а и z2 в месте пересечения подводных устий рек Тюп
и Джергалан. На данных станциях наблюдались максимальные значения концентрации хлорофилла уже у поверхности (до 1,1 мг/м^3).
На рис. 2.31 представлены вертикальные профили распределения значений солёности. Соленость на всех станциях на глубине более 50 м постоянна
и равна 4,75 psu. Изменчивость в поверхностном слое незначительна
и меньше в среднем на 0,2 psu по сравнению с предельным значением на глубинах ниже термоклина. Данное утверждение справедливо для всех станций за исключением станций 20 и 13а. На данных станциях существенное опреснение в поверхностном слое, связанное с активным стоком вод рек Тюп и Джергалан.
Величина мутности вод озера мала по всей акватории и изменяется
слабо с глубиной (Рис. 2.32). Исключение составляют воды в районе заливов рек Тюп и Джергалан на востоке, там значения мутности увеличиваются
от двух до десяти раз.
На рис. 2.34 представлена изменчивость температуры в поверхностном слое по данным CTD-измерений в проточной системе. Температура поверхностного слоя колебалась пределах от 15,5 до 19 ˚С на большинстве участков акватории за исключением восточных мелководных областей, подверженных интенсивному воздействию речного стока. Здесь значения температуры поверхностного слоя поднимались до 23 ˚С. Минимальные значения температуры были зафиксированы в пределах холодного «ядра» в западной части озера (станции 7а, 18bis), что хорошо согласуется с результатами вертикального зондирования и гидрохимических измерений (см. ниже), а так же с результатами экспедиции осени 2016 года. Здесь наблюдалось поднятие вод глубинных слоев к поверхности, что отчетливо отразилось на распределении значений температуры. Такого рода подъем изотерм косвенно указывает на существование в этом районе циклонического круговорота.
Рис. 2.34. Распределение значений температуры
в поверхностном слое озера Иссык-Куль по данным CTD-измерений
в проточной системе 26 июня – 30 июня 2017 г.
Маршрут следования НИС показан голубой линией
2.5. Краткие выводы по разделу 2. Гидрофизические поля озера
Иссык-Куль характеризуются высокой пространственной однородностью.
Изменчивость солености воды по акватории поверхности озера не превышает 0.2 г/кг. Исключение составляют лишь области у устьев рек, особенно рек Тюп и Джергалан. Горизонтальный масштаб зон опреснения у основных эстуариев составляет от 15 до 25 км, вертикальный – от 5 до 20 м. Температура воды на поверхности характеризуется более энергичной горизонтальной изменчивостью, которая также модулируется суточным ходом.
В вертикальных профилях сезонная и межгодовая изменчивость ограничены верхним слоем толщиной около 70 м. Самую верхнюю часть водной колонны мощностью до 20 м составляет верхний квазиоднородный слой, ниже располагается пикноклин. Ниже пикноклина изменчивость солености не превышает нескольких 1–2 сотых г/кг вокруг значения около
6.02 г/кг, а температуры – около 4.5оС. Сравнение этих значений с ранее опубликованными, например, в книге [3] и статье [5] говорит о том, что эти значения мало изменились в межгодовом и междекадном масштабах.
Выполненные измерения скорости течения на заякоренных станциях позволяют подтвердить существующие представления о том, что общая циркуляция озера представляет из себя циклонический круговорот (вызывающий куполообразный подъем изопикн в центральной части озера) при средних скоростях течения около 10 см/с. Изменчивость поля скоростей определяется комбинацией ветрового воздействия и инерционных и сейшевых колебаний.