Субмезомасштабные вихревые структуры Ладожского озера по радиолокационным данным Sentinel-1 за теплый период 2019–2022 гг.

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

Широкий спектр термогидродинамических процессов в глубоких, стратифицированных озерах, в том числе и в Ладожском озере, изучен достаточно подробно [1–3]. Это позволило выявить закономерности изменчивости гидрофизических полей в крупном, мезо- и мелкомасштабном интервалах. В крупных озерах основные термогидродинамические процессы подобны океаническим, в частности, спектры колебаний течений и температуры в океане [4] и крупном озере [1] во многом схожи. Общей проблемой, возникающей при исследовании крупных стратифицированных водоемов с использованием традиционных подходов к проведению измерений, является недостаток сведений об изменчивости гидрологических явлений с характерными размерами от сотен метров до единиц километров на всей акватории [5]. Этот интервал изменчивости порядка бароклинного радиуса Россби, размер которого в Ладожском озере колеблется от 2 до 5 км [1], выделяется в особый диапазон – “субмезомасштаб”. Процессы в нем не описываются полностью положениями квазигеострофической теории и в то же время не являются в полной мере изотропно трехмерными, негидростатическим процессами [6], и оказывают значительное влияние на горизонтальный и вертикальный обмен на локальных акваториях [5]. В последние десятилетия представления о роли субмезомасштабных вихревых структур в динамике вод стремительно растет за счет анализа постоянно поступающих высокоразрешающих (десятки метров) данных спутниковых радио- локационных наблюдений [5, 7, 8].

Вихревые структуры масштаба сотни метров – единицы километров неоднократно регистрировались в Ладожском озере при проведении специализированных исследований [1, 9–14], однако сведения об их роли в процессах, происходящих в Ладожском озере, без широкомасштабного обобщения имеют характер качественных оценок или гипотез. Одним из наиболее полных исследований вихревых структур для озер из космоса является работа [15], в которой в озере Верхнее на основе 361 радиолокационного изображения ERS-1,2 с разрешением 30 м в теплое время года для периода 1992–1998 гг. были зарегистрированы 45 малых вихрей, а также получены их характеристики (положение, диаметр, тип вихря: циклонический/антициклонический). Авторы установили, что в среднем вихри имеют диаметр 9.8 км, часто встречаются в районах резкого температурного градиента 3–5°C/3км. Кроме этого, известны исследования вихрей масштабом порядка единиц километров по спутниковым данным в озере Байкал, однако там внимание исследователей было приковано к вихрям в ледовых полях вследствие простоты их идентификации [16, 17].

Цель данной работы – получить количественную оценку пространственно-временной изменчивости характеристик малых вихревых структур на акватории Ладожского озера в течение теплого сезона на основе данных спутниковых радио- локационных измерений Sentinel-1, выполненных с мая по октябрь 2019–2022 гг.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В качестве исходных данных использовались 1023 радиолокационных изображения (РЛИ) Sentinel-1 A/B в С-диапазоне и IW режиме съемки с разрешением 20 м за период с мая по октябрь 2019–2022 гг. РЛИ были получены c сайта Copernicus Open Access Hub (https://scihub.copernicus.eu (дата обращения: 1 декабря 2022 г.)). За 2019 г. было проанализировано 293 РЛИ, за 2020 г. – 276, за 2021 – 303, за 2022 – 151. Отметим, что меньшее количество РЛИ за 2022 год связано с завершением миссии спутника Sentinel-1B. Среднее покрытие по всей акватории составило около 285 радиолокационных снимков на единицу площади за весь период (рис. 1 а).

 

Рис. 1. а – Карта покрытия радиолокационными изображениями Ладожского озера с мая по октябрь 2019–2022 гг. (шкала представлена в количестве РЛИ), где цифрами обозначены: 1 – остров Валаам, 2 – бухта Петрокрепость, 3 – Волховская губа, 4 – Свирская губа. б – Фрагмент РЛИ Sentinel-1 от 19.08.2020 04:08 (UTC), на котором отображено проявление циклонической вихревой структуры.

 

Вихри регистрировались как структуры, проявляющиеся на РЛИ в виде закрученных в спирали или дуги контрастных полос (рис. 1 б). С использованием ПО ESA SNAP по методике, описанной в [8], для каждого вихря определялись: координаты центра, диаметр и тип вращения (циклонические – против часовой стрелки (C), антициклонические – по часовой стрелке (Ac)). На основе полученных данных оценивались характеристики пространственной и временной изменчивости проявлений малых вихрей. Для каждых суток, когда на акватории отмечались вихри, их распределение сопоставлялось с пространственным распределением среднесуточной температуры на поверхности Ладожского озера по данным спутника MODIS/Aqua.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Анализ РЛИ, покрывающих акваторию Ладожского озера за май-октябрь 2019–2022 гг., позволил зарегистрировать 496 поверхностных проявлений вихревых структур. Из них 374 проявления были с циклоническим типом вращения и 85 – с антициклоническим. Показано, что малые вихревые структуры встречаются на всей изучаемой акватории (рис. 2 а). Они отмечались как в мелководных прибрежных районах (бухта Петрокрепость, Волховская и Свирская губы), так и в открытой глубоководной части озера. Чаще всего вихри регистрировались к северу и северо-востоку от острова Валаам, в относительно глубоководном районе (средняя глубина более 100 м), характеризующемся резкими перепадами глубины. Среди них отмечались как отдельные вихри, так и дипольные структуры, а также вихревые дорожки. Подобные проявления характерны для районов озера, где наблюдается локальный сдвиг течений, например, под воздействием вдольбереговых потоков и топографии дна или взаимодействия различных типов вод.

 

Рис. 2. Пространственное распределение центров вихрей (а) и гистограмма их диаметров (б) за май-октябрь 2019–2022 г. Черный цвет – циклонические проявления, белый – антициклонические. Шкала глубин на рисунке в метрах.

 

Диаметры зарегистрированных вихрей изменялись от 0.2 до 13.5 км, при этом около 90% проявлений (как циклонических, так и антициклонических) имели диаметр до 5 км (рис. 2 б), что не превышает верхней оценки бароклинного радиуса Россби для Ладожского озера. Усредненный же по данным всех наблюдений диаметр вихревых структур составил 2 км. При этом средний диаметр циклонов (1.9 км) был несколько меньшим, чем у антициклонов (2 км).

Статистические характеристики внутрисезонной изменчивости количества зарегистрируемых проявлений представлены в табл. 1. Количество анализируемых РЛИ от месяца к месяцу варьировалось незначительно, от 164 до 181 изображения. Число отмеченных циклонических структур во все месяцы было в разы, а иногда и на порядок, больше антициклонических. Субмезомасштабные вихри чаще всего регистрировались в июле-сентябре, когда устойчивая термическая стратификация охватывала всю или большую часть глубоководной акватории озера. Абсолютный минимум вихрей регистрировался в октябре, когда уменьшаются температурные неоднородности, способствующие развитию сдвиговой неустойчивости, и наблюдается усиление ветровой деятельности, маскирующей проявления вихрей на поверхности водоема.

 

Таблица 1. Внутрисезонная изменчивость характеристик субмезомасштабных вихревых структур за 2019‒2022 гг.

Месяц	Количество РЛИ, шт.	Количество вихрей, шт.			Средний диаметр, км
		C	Ac	Итого	C	Ac	Итого
Май	166	72	7	79	1.1	1.8	1.2
Июнь	164	56	18	74	1.7	2.7	1.9
Июль	164	72	22	94	2.1	1.0	1.8
Август	181	78	15	93	3.2	2.7	3.1
Сентябрь	173	90	10	100	1.9	3.1	2.1
Октябрь	175	37	19	56	1.4	1.5	1.4

 

Полученные среднемесячные оценки диаметров вихревых структур также показывают их зависимость от развития стратификации на акватории озера. Минимальные диаметры вихревых структур отмечались в условиях формирования и разрушения устойчивой термической стратификации в мае и октябре, максимальные – в августе. Это дает основание полагать, что в условиях развитой стратификации малые вихри имеют большее время существования. Соответственно субмезомасштабные структуры, возникающие по разным причинам в июле-сентябре, могут вносить более значительный вклад в вертикальный обмен, чем в другие месяцы.

Значительное число вихрей, отмечаемое в период активного движения термобара в мае-июле, говорит о том, что они оказывают также влияние на обмен между стратифицированными и изотермическими областями озера даже в условиях слабых ветров. В качесте примера, подтверждающего возможность интенсивного заброса теплых вод в “холодную” зону термобара, отмеченную еще в [10], приведем данные за 9 мая 2019 г (рис. 3), полученные в условиях маловетренной погоды. В этот день было зарегистрировано девять вихревых циклонических структур. Все они отмечались в теплоинертной области, ограниченой изотермой 4°C, которая обычно принимается за положение термобара. Три одиночных вихря с диаметром от 1.4 до 1.9 км регистрировались в южной части озера вблизи термобара. Шесть вихрей отмечались к северо-северо-востоку от острова Валаам. Они вытянулись в виде цепочки от берега, вблизи которого прослеживался термобар в сторону острова. Вихревые структуры здесь имели диаметры от 0.5 до 0.8 км. Отметим, что в связи с малыми размерами вихрей регистрировать их в поле температуры не представляется возможным ввиду недостаточного разрешения измерений по спутниковым данным.

 

Рис. 3. Пространственное распределение среднесуточной температуры поверхности Ладожского озера по данным спутника MODIS/Aqua за 09.05.2019 г. На врезке – фрагмент РЛИ с поверхностным проявлением вихревой структуры по данным спутника Sentinel 1B за 09.05.2019 04:08 (UTC). На карте черной линией обозначено положение термобара, соответствующее изотерме 4°C, белый прямоугольник – положение фрагмента РЛИ.

 

ВЫВОДЫ

В результате анализа свыше 1000 высокоразрешающих спутниковых радиолокационных изображений за май-октябрь 2019–2022 гг. было зарегистрировано 496 поверхностных вихревых проявлений со средним диаметром 2 км. При этом циклонические вихри преобладали над антициклоническими почти в 4,5 раза. Были детектированы одиночные вихри и группы вихревых структур разнообразных форм. Чаще всего на акватории озера малые вихри регистрировались в период активного движения термобара и развития устойчивой стратификации над глубоководными районами озера. Подтверждено, что они могут вносить существенный вклад в обмен по вертикали и через термобар, как это показано в [18].

Выполненное обобщение показывает, что субмезомасштабные вихри являются распространенным явлением на акватории Ладожского озера. Интересно, что некоторые характеристики субмезомасштабных вихрей на акватории озера наблюдались и в различных морях Мирового океана. В частности, это касается того, что количество вихрей циклонического вращения может преобладать над количеством вихрей с антициклоническим вращением [5, 7, 8]. Вероятно, благоприятными причинами для доминирования циклонических субмезомасштабных вихрей (в северном полушарии) являются фоновая циклоническая завихренность и вращающий момент придонного трения. Второй фактор очевидно наиболее важен для Ладожского озера.

Сведения о частой встречаемости малых вихревых структур на акватории озера являются фактом, требующим совершенствования существующих гидродинамических моделей Ладожского озера.

Источники финансирования

Исследование выполнено при поддержке гранта российского научного фонда (проект № 23-17-20010) и за счет гранта Санкт-Петербургского научного фонда (проект № 23-17-20010).

Об авторах

А. В. Зимин

Институт океанологии им. П. П. Ширшова Российской Академии наук; Институт водных проблем Севера Карельского научного центра; Санкт-Петербургский государственный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: zimin2@mail.ru
Россия, Москва; Петрозаводск; Санкт-Петербург

О. А. Атаджанова

Институт океанологии им. П. П. Ширшова Российской Академии наук; Морской гидрофизический институт Российской Академии наук

Email: zimin2@mail.ru
Россия, Москва; Севастополь

Е. А. Благодатских

Институт океанологии им. П. П. Ширшова Российской Академии наук; Морской гидрофизический институт Российской Академии наук

Email: zimin2@mail.ru
Россия, Москва; Севастополь

А. А. Коник

Институт океанологии им. П. П. Ширшова Российской Академии наук

Email: zimin2@mail.ru
Россия, Москва

Н. Н. Филатов

Институт океанологии им. П. П. Ширшова Российской Академии наук; Институт водных проблем Севера Карельского научного центра

Email: zimin2@mail.ru

член-корреспондент РАН

Россия, Москва; Петрозаводск

А. А. Родионов

Институт океанологии им. П. П. Ширшова Российской Академии наук; Санкт-Петербургский научный центр Российской Академии наук

Email: zimin2@mail.ru

член-корреспондент РАН

Россия, Москва; Санкт-Петербург

Список литературы

Дополнительные файлы