Годовой термический цикл мелководного озера (по данным автономных наблюдений)

Здоровеннова Г.Э.

Институт водных проблем Севера КарНЦ РАН

г. Петрозаводск, пр. А. Невского, д. 50, grma2007@rambler.ru

Годовой термический цикл мелководных озер умеренного пояса подразделяют на этапы весенне-летнего нагревания, осеннего охлаждения и зимнего нагревания (Зайков, 1955). За начало весеннего нагревания принимается момент, когда на границе вода – атмосфера устанавливается положительный, т.е. направленный в воду результирующий теплопоток. На мелководных озерах весеннее нагревание начинается в конце ледостава. Летнее нагревание начинается с момента установления в озере прямой температурной стратификации и заканчивается с прекращением нагрева, т.е. когда теплоприем на водной поверхности сравнивается с теплоотдачей. С момента появления отрицательного теплопотока, направленного из воды в атмосферу, начинается осеннее охлаждение, которое на мелководных озерах заканчивается с наступлением ледостава. Характерной особенностью осеннего охлаждения является интенсивная конвекционно-ветровая циркуляция, охватывающая всю толщу мелководных озер. После появления сплошного ледяного покрова теплоотдача в атмосферу резко падает, и, вследствие поступления тепла от донных отложений, начинается зимнее нагревание водной толщи, которое на мелководных непроточных водоемах продолжается всю зиму и сменяется весенним подледным прогревом (Бояринов, Петров, 1991).

Изменение термической структуры мелководного озера во времени определяется поглощением солнечной радиации, теплообменом на границах водной толщи озера с атмосферой и грунтом, а также перераспределением тепла в озере течениями и турбулентным перемешиванием (Пивоваров, 1972).

Измерения температуры воды проводились с июля 2007 по октябрь 2012 гг. в центральной глубоководной части оз. Вендюрского, расположенного на юге Карелии (62°10’-62°20’с.ш., 33°10’-33°20’в.д.). Площадь зеркала озера 10.4 км², объем вод ~5.5∙10⁷ м³, средняя глубина 5.3, максимальная 13.4 м, площадь водосборного бассейна 82.8 км². Для измерения температуры использовались термологгеры TR RBR Ltd. (Канада), размещенные на термокосе с интервалом от 2 см до 1.5 м. Глубина в районе постановки термокосы изменялась в период измерений от 10.9 до 11.3 м.

В годовом ходе температуры водной толщи озера Вендюрского достаточно четко выделяются этапы летнего нагревания, осеннего охлаждения, зимнего нагревания и весенней подледной конвекции, продолжительностью 2.5-3, 3-3.5, 5-6 и один месяц, соответственно. Годовая амплитуда температуры в поверхностном слое озера превышает 25°С, в придонном в глубоководной части озера составляет 15-17°С (Рис).

Водная толща озера зимой находится в состоянии обратной температурной стратификации (температура и плотность возрастают с глубиной), после взлома ледового покрова и на этапе осеннего охлаждения – в состоянии гомотермии, на этапе летнего нагревания – в состоянии неустойчивой или слабо выраженной термической стратификации.

Замерзает озеро в середине ноября – первых числах декабря. К концу зимы вследствие интенсивного притока тепла от донных отложений, придонная температура воды в глубоководной части озера повышается до 4-5°С (Рис.). В апреле, вследствие радиационного прогрева, начинается весенняя подледная конвекция. Подо льдом озера Вендюрского формируется тонкий градиентный слой, ниже конвективный слой, температура и толщина которого увеличиваются с каждым днем на 0.01-0.2°С и 0.1-0.5 м, соответственно. К моменту взлома льда температура конвективного слоя повышается до 3.5-4°С. Глубина проникновения конвекции в разные годы составляет от 6 до 9-10 м. Взлом льда происходит в первой половине мая, продолжительность ледостава составляет 150-180 сут.

Летнее нагревание водной толщи происходит в мае-июле в состоянии слабо выраженной термической стратификации. В июне обычно погода неустойчива, с периодическими похолоданиями и усилениями ветра. Водная масса озера находится в состоянии слабовыраженной стратификации, периодически сменяющейся гомотермией при похолоданиях. Термоклин быстро заглубляется и разрушается. Однако на фоне жаркой маловетреной погоды формируется устойчивый подповерхностный термоклин. В июле-первой половине августа продолжается повышение температуры водной толщи озера. В конце июля-начале августа достигается годовой максимум температуры поверхности (20-25°С). Если преобладающая погода прохладная, ветреная, формирования устойчивого подповерхностного термоклина не наблюдается, и водная масса озера периодически оказывается перемешанной до дна, что неоднократно наблюдалось в июле 2007 и 2009 гг. При этом происходит интенсивная передача тепла к придонным слоям воды и верхнему слою донных отложений озера. К началу августа температура придонных слоев воды повышается до 17-18°С. Если преобладающая погода июля жаркая и маловетреная, формируется подповерхностный термоклин, градиент температуры в нем достигает нескольких градусов на метр. Например, в середине июля 2010 г. градиент температуры в слое 3-5 м под поверхностью достигал 5°С∙м^-1. Термоклин препятствует передаче тепла от поверхности к придонным слоям, поэтому придонная температура меняется слабо. К началу августа 2008, 2010 и 2011 гг. придонная температура повысилась до 14-15°С. Годовой максимум теплосодержания водной массы озера достигается в первой декаде августа.

С середины августа начинается этап осеннего охлаждения, который продолжается до замерзания озера. Температура перемешанного слоя постепенно понижается, толщина его увеличивается, в определенный момент термоклин достигает дна и разрушается, и в дальнейшем озеро охлаждается в состоянии, близком к гомотермии под действием свободной (плотностной) и вынужденной (ветровой) конвекции. Средняя скорость понижения температуры водной толщи на этапе осеннего охлаждения составляет 0.1-0.2°С сут^-1, а максимальная может превышать 0.4°С сут^-1. Замерзает озеро при температуре 0.3-0.5°С, однако в отдельные годы с коротким предледоставным периодом – при более высокой температуре 1-1.5°С.

Рис. Поверхностная 1 и придонная 2 температура воды в цетральной глубоководной котловине оз. Вендюрского в период с июля 2007 по октябрь 2012 гг.

Исследование было поддержано РАН, РФФИ (проект 10-05-91331-ННИО_а в сотрудничестве с Лейбниц-Институтом пресноводной экологии и рыбоводства внутренних вод, Германия и Университетом Хельсинки, Финляндия).

Литература

1. Бояринов П. М., Петров М. П. Процессы формирования термического режима глубоких пресноводных водоемов. Л.: Наука 1991. 173 с.

2. Зайков Б. Д. Очерки по озероведению. Л.: Гидрометеоиздат, 1955. 272 с.

3. Пивоваров А. А. Термика замерзающих водоемов. М.: МГУ, 1972. 140 с.