ИЗУЧЕНИЕ ВИХРЕВЫХ СТРУКТУР В ОЗЕРЕ БАЙКАЛ С ПРИМЕ-НЕНИЕМ ДАННЫХ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

Сутырина Е. Н.

ORCID: 0000-0001-5743-4596, Кандидат географических наук, доцент, Иркутский государственный университет

ИЗУЧЕНИЕ ВИХРЕВЫХ СТРУКТУР В ОЗЕРЕ БАЙКАЛ С ПРИМЕНЕНИЕМ ДАННЫХ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

Аннотация

В статье представлены результаты изучения вихревых структур в озере Байкал, детектируемых в поле температуры поверхности воды по спутниковым данным. По данным дистанционного зондирования определено наличие антициклонической вихревой структуры на границе Северной и Центральной котловин озера Байкал напротив полуострова Святой Нос и изучена внутригодовая и межгодовая изменчивость её параметров в безледоставный период в 2010-2013 гг. Обсуждаются возможные причины образования данной вихревой структуры.

Ключевые слова: озеро Байкал, вихревые структуры, температура поверхности воды.

Sutyrina E. N.

ORCID: 0000-0001-5743-4596, PhD in Geography, Irkutsk State University

THE STUDY OF VORTEX STRUCTURES IN LAKE BAIKAL USING REMOTE SENSING DATA

Abstract

The results of a study of vortex structures in lake Baikal, detected in the water surface temperature field based on satellite data, are presented in the paper. According to the remote sensing data the existence of the anticyclonic vortex structure on the border of the Northern and Central basins of Lake Baikal in front of the Svyatoy Nos Peninsula has been detected and intra and inter-annual variability of its parameters in ice-free period in 2010-2013 has been studied. The possible reasons of this vortex structure formation has been discussed.

Keywords: Lake Baikal, vortex structures, water surface temperature.

Оз. Байкал расположено в центральной части Евразийского материка между 51 ° 28 ´ и 55 ° 47 ´ северной широты и между 103 ° 43 ´ и 109 ° 58 ´ восточной долготы. Котловина оз. Байкал подразделяется на три основных котловины: Северную, Центральную и Южную, которые отделяются друг от друга подводными порогами и перешейками. Между Южной и Центральной котловинами располагается Селенгинско-Бугульдейское поднятие. Между Центральной и Северной котловинами проходят подводный Академический хребет и перешеек между Ушканьими островами и полуостровом Святой Нос. В соответствии с указанным делением озера на котловины его акватория также может быть поделена на Северный, Центральный и Южный Байкал. Длина озера по тальвегу составляет 672 км, максимальная ширина – 79 км, минимальная ширина – 26 км, площадь акватории – 31,7 тыс. км², объем воды – 23,6 тыс. км³. При изучении оз. Байкал, имеющее значительные размеры акватории, данные дистанционного спутникового зондирования Земли дают возможность наблюдать за состоянием всего водного объекта и получать качественно новую пространственно-временную информацию о происходящих в водоёме процессах, что невозможно обеспечить традиционными наземными методами наблюдения даже при проведении регулярных исследований с использованием научно-исследовательских судов.

По картам распределения температуры поверхности воды, полученным путём обработки спутниковых материалов, можно косвенно анализировать такие мезомасштабные динамические явления, как течения, апвеллинг, перераспределение речных вод, вихревые структуры и др. В рамках данного исследования для изучения локализации и динамики вихревых образований в оз. Байкал были использованы данные радиометра AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer) за период с 1998 по 2015 гг. Радиометр AVHRR установлен на борту низкоорбитальных околополярных метеорологических спутников серии NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration - аббревиатура Национального управления океанов и атмосферы США). Линейный размер элемента разрешения на местности радиометра AVHRR составляет около 1090 м в надире. Полоса обзора радиометра AVHRR в 2700 км позволяет охватить всю акваторию оз. Байкал за один пролет. Для составления карт распределения температуры поверхности воды оз. Байкал использовались региональные алгоритмы тематической обработки данных прибора AVHRR, основанные на дифференцированном определении температуры в различное время года, использовании нелинейных зависимостей и дополнительном привлечении информации видимого и ближнего инфракрасного каналов в дневное время суток и подробно описанные в [1]. Вихревые образования проявляются на картах распределения температуры поверхности воды за счет характерной спиралевидной структуры и наличия гидрологического фронта с характерными очертаниями на их периферии (Рис.1).

Рис. 1 - Вихревое образование (показано стрелками) на снимке в 4 тепловом инфракрасном канале AVHRR.

 

По картам распределения температуры поверхности воды за соответствующий период были определены дислокация и размеры вихревых образований в озере. Наибольшие вихревые образования, различимые на указанных картах достигают размеров около 25-40 км в поперечнике.

Самое заметное антициклоническое вихревое образование появляется в оз. Байкал на выходе из Баргузинского залива у полуострова Святой Нос на границе Центральной и Северной котловин (см. Рис. 1) в начале июля, постепенно увеличивается в размерах, достигает максимума в августе-сентябре, распадается только в ноябре при развитии в озере осенней гомотермии и наблюдается ежегодно. На границе вихря прослеживается гидрологический фронт, в котором перепад температур по горизонтали может достигает порядка 1,5 ºC/км. В целом на начальном этапе формирования данной структуры перепад температуры воды на поверхности в пределах вихря может достигать более 8 ºC и с развитием вихря уменьшаться. Изменчивость поперечных размеров данной вихревой структуры и максимального значения градиента температуры на поверхности на границе данного вихря в безледоставный период 2010-2013 гг.  приведены на рис. 2.

Рис. 2 - Изменчивость поперечных размеров антициклонической вихревой структуры у полуострова Святой Нос и максимального значения горизонтального градиента температуры поверхности на её границе.

 

Из рис. 2 видно, что в указанные годы наблюдается схожий характер развития указанной вихревой структуры и закономерное уменьшение величины горизонтального градиента температуры воды на поверхности по мере увеличения размеров вихревой структуры. В работе также установлено, что имеется зависимость логарифмического вида максимального значения горизонтального градиента температуры на поверхности воды на границе вихревой структуры от поперечных размеров данной вихревой структуры со значением коэффициента детерминации равным 0,75.

В целом, наличие данной вихревой структуры может быть ассоциировано с выходом Баргузинского течения из Баргузинского залива, имеющего стоково-градиентный характер. Существование в озере данного вихревого образования у полуострова Святой Нос также косвенно подтверждается характером течений в данной части озера по результатам численного моделирования [2], по результатам отдельных наблюдений на буйковых станциях [3] и в ходе экспедиционных исследований [4]. Так последние, из указанных исследований, фиксируют в районе полуострова Святой Нос «разрывы циклонических течений высокой повторяемости», которые и являются ничем иным, как выявленная в ходе данного исследования антициклоническая вихревая структура.

Кроме этого, по картам распределения температуры воды также в период охлаждения озера, начиная со второй половины сентября по первую половину ноября, определяются до 4-6 вихрей антициклонического или грибовидного характера у западного побережья в Северной котловине озера Байкал. Время их существования может достигать 2 месяцев. Они могут несколько раз за указанный период ослабевать или распадаться и затем повторно развиваться. Размеры некоторых из этих вихревых образований могут доходить до 30 км в поперечнике.

Дислокация данных вихрей в Северной котловине озера может в период охлаждения водоёма может быть связана с ослабеванием циклонической циркуляции в данной котловине в указанный период, а также с тем, что по сравнению с другими котловинами в Северной чаше озера циклоническая циркуляция имеет меньшие значения скорости [2] и является менее устойчивой. В Центральной и Южной котловинах озера также образуются вихри в период охлаждения водоёма, но данные структуры имеют намного меньшие размеры, повторяемость и контрасты температуры с окружающими водами на поверхности данных акваторий, что делает их идентификацию и исследование их динамики по данным радиометра AVHRR затруднительными.

Все из указанных вихревых образований, как в Северной котловине, так и в Центральной, напротив полуострова Святой Нос, формируются за крупными мысами, выступающими в озеро на несколько километров. Согласно [5] генерация обозначенных вихрей может быть ассоциирована с неустойчивостью струйных вдольбереговых течений.

Литература

1. Сутырина Е. Н. Изучение внутренних водоёмов и водосборов с применением данных дистанционного зондирования Земли. Иркутск: ИГУ. 2014. 133 с.
2. Аргучинцев В. К., Аргучинцева А. В. Моделирование мезомасштабных гидротермодинамических процессов и переноса антропогенных примесей в атмосфере и гидросфере района оз. Байкале. Иркутск: ИГУ, 2007. 255 с.
3. Байкал: атлас. - М.: СО РАН, 1993. 160 с.
4. Русинек О. Т., Уфимцев Г. Ф., Фиалков В. А. Характеристика движения водных масс в прибрежной зоне озера // Байкальский ход (научная экспедиция по Байкалу). - Новосибирск, 2009. - С. 95-98.
5. Филатов Н. Н. Гидродинамика озер. СПб.: Наука, 1991. 196 с.

References

1. Sutyrina E. N. Izuchenie vnutrennih vodojomov i vodosborov s primeneniem dannyh distancionnogo zondirovanija Zemli. Irkutsk: IGU. 2014. 133 p.
2. Arguchincev V. K., Arguchinceva A. V. Modelirovanie mezomasshtabnyh gidrotermodinamicheskih processov i perenosa antropogennyh primesej v atmosfere i gidrosfere rajona oz. Bajkale. Irkutsk: IGU, 2007. 255 p.
3. Bajkal: atlas. M.: SO RAN, 1993. 160 p.
4. Rusinek O. T., Ufimcev G. F., Fialkov V. A. Harakteristika dvizhenija vodnyh mass v pribrezhnoj zone ozera // Bajkal'skij hod (nauchnaja jekspedicija po Bajkalu). Novosibirsk, 2009. P. 95-98.
5. Filatov N. N. Gidrodinamika ozer. SPb.: Nauka, 1991. 196 p.