Введение 2
1. Объект и предмет исследования 4
1.1. Физико-географическое описание Онежского и Ладожского озер 4
1.2. Субмезомасштабные вихри 13
1.2.1. Понятие о субмезомасштабе 13
1.2.2. Субмезомасштабные вихревые структуры в естественных водоемах 16
1.3. Обзор существующих методов регистрации проявлений
субмезомасштабных вихрей 18
1.3.1. Контактные методы 18
1.3.2. Дистанционные методы 20
2. Материалы и методы 24
2.1. Исходные данные 24
2.2. Методы исследования 24
3. Пространственно-временная изменчивость характеристик
субмезомасштабных вихрей в крупных стратифицированных озерах 27
3.1. Онежское озеро 27
3.2. Ладожское озеро 32
Заключение 38
Список литературы 40
Крупномасштабные (синоптические) вдольбереговые циркуляции, подобные вихревым, являются повсеместной особенностью не только океанов, но и больших озер. Они играют решающую роль в горизонтальном и вертикальном распределении биологических, химических и физических параметров, которые могут влиять на качество воды. Актуальность данной работы определяется тем, что кроме крупномасштабной циркуляции в озерах возникают явления меньшего масштаба, влияние на которых силы Кориолиса не является определяющим. Например, явления, относящие к субмезомасштабному интервалу изменчивости гидрологических полей. Этому интервалу соответствует характерный пространственный масштаб от сони метров до единиц километров и характерное временя сосуществования от часов до суток. Понимание и описание явлений и структур в субмезомасштабном интервале изменчивости, как переходного звена передачи энергии от синоптических процессов к турбулентности, является фундаментальной задачей динамики водных объектов, без которой невозможно качественное описание процессов переноса вещества и функционирования водных экосистем. До настоящего времени представления о субмезомасштабных процессах даже в таких, казалось бы, постоянно исследуемых озерах, как Ладожское, носят отрывочный характер (Румянцев, 2015; Филатов, 2019). Информация о них сводятся лишь к констатации факта их существования несмотря на то, что, например, малые вихри могут существенно влиять на интенсивность обмена через термобар и вызывать забросы теплых вод в «холодную» зону термобара (Кондратьев и др., 1988). Недостаточная изученность субмезомасштабных явлений объясняется двумя основными причинами - сложностью одновременного выполнения высокоразрешающих контактных измерений в различных точках акватории и малыми пространственно-временными масштабами этих процессов, что требует совершенствования существующих и создания новых методик наблюдений за данными процессами.
Цель выпускной квалификационной работы заключается в количественной оценке пространственно-временной субмезомасштабной вихревой динамики Онежского и Ладожского озер по данным спутниковых радиолокационных наблюдений с мая по октябрь 2021-2022 гг.
Для достижения цели поставлены следующие задачи:
1. Выполнить литературный обзор по субмезомасштабным вихрям и их проявлениях в крупных стратифицированных озерах.
2. Детектировать на радиолокационных изображениях Онежского и Ладожского озер за безлёдный период 2021-2022 годов проявления субмезомасштабных вихревых структур.
3. Выполнить статистическую обработку полученных данных.
4. Построить карты распределения проявлений вихревых структур на исследуемых акваториях.
5. Выявить особенности пространственно-временной изменчивости проявлений вихревых структур на каждой из рассматриваемых акваторий.
Был проведен литературный обзор по субмезомасштабным вихрям и их проявлениях в крупных стратифицированных озерах по типу Онежского и Ладожского. Определены границы субмезомасштаба для анализа данных, полученных по результатам обработки около 625 снимков для обоих озер.
Анализ РЛИ за два года показал, что в Онежском озере зафиксировано 33 вихря, а в Ладожском - 242 вихря. Как следствие этого можно сделать вывод, что субмезомасштабные вихри не редкое явление, однако вероятность их обнаружения резко снижается при уменьшении частоты покрытия снимками исследуемых акваторий, что особо проявилось в Онежском озере, где в 2021 г. средняя частота проявления вихревых структур была примерно на каждом 67 снимке. Для Ладожского частота проявления больше, в среднем на каждом 35 снимке.
По результатам статистической обработки данных к выбранной нами границе субмезомасштаба (до 3 км) относиться около 89 % всех обнаруженных на РЛИ вихревых структур. Их средний диаметр для обоих озер составил 1.8 км. Среди вихрей отмечалось значительное преобладание циклоническим типом вращения (~80 %) с диаметрами от 0.3 км до 3 км (~67 %).
По построенным картам распределения вихревых структур для Онежского озера проявления вихрей сосредоточенно в центральной и западной частях водоема со средним диаметром 2.2 км. В Ладожском вихри были детектированы в северо-западной, в центральной и в восточной частях озера со среднем диаметром 1.4 км.
Сезонный ход для Онежского озера в рамках одного года прослеживается, но из-за того, что основное количество вихрей приходится на 2021 г. сложно утверждать, что в другие года от будет повторяться. В Ладожском распределение не похоже на нормальное и сезонный ход сложно определить, хотя и есть пики роста количества вихрей, соответствующих явлению термобара весной и осенью.
Предположительно основные механизмы генерации вихрей в озерах связаны с воздействием неоднородных полей ветра над водоемом, общим сезонным ходом циркуляции вод, а также образование термической фронтальной зоны, проявляющейся при термобаре. К причинам возникновения в Онежском озере можно отнести влияние ветра и сезонной циркуляции, в Ладожском - ветер, сезонную циркуляцию и термобар.
На данный момент не хватает данных для более точного определения причин генерации субмезомасштабных вихревых структур, поэтому дальнейшая работа будет направлена на их выявление для этих двух географически близких озер.
