Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные представления о зимнем термическом режиме мелководных замерзающих озер 13
1.1. Тепловой баланс озера 13
1.2. Особенности гидрологаческого режима мелководных озер в зимний период. 19
1.2.1. Термический режим 19
1.2.2. Течения 27
1.2.3. Радиационный режим и альбедо 28
1.2.4. Кислородный режим 30
Глава 2. Гидрофизические исследования оз. Вендюрского 32
2.1. Объект исследования 32
2.2. Межгодовая изменчивость климатических условий в районе исследований .33
2.3. Гидрологические исследования озера Вендюрского в 1960-1990 гг 36
2.4. Гидрофизические исследования озера Вендюрского в 1994-2005 гг 39
2.5. Сезонная и межгодовая изменчивость толщины и структуры снежно-ледового покрова оз. Вендюрского 46
2.6. Радиационный режим оз. Вендюрского в зимний период 48
2.7. Альбедо снежно-ледового покрова оз. Вендюрского 49
Глава 3. Межгодовая и сезонная изменчивость термической структуры оз. Вендюрского в зимний период 56
3.1. Предледоставный период 57
3.2. Период интенсивного прогрева 58
3.3. Период установившегося прогрева 66
3.2.1. Изменение температуры водной толщи озера 66
3.2.2. Изменение температуры в придонном слое воды и верхнем слое донных отложений 69
3.4. Период весеннего подледного прогрева 71
3.5. Дисперсия температуры водной толщи оз. Вендюрского в разные периоды зимы 75
3.6. Градиенты температуры водной толщи оз. Вендюрского в разные периоды зимы 78
Глава 4. Основные особенности термической структуры мелководного озера в зимний период 82
4.1. Потоки тепла на границах вода-дно и вода-лед 82
4.2. Оценки эффективного коэффициента температуропроводности 85
4.3. Изменение теплосодержания столба воды зимой 86
4.4. Поглощение солнечной радиации снежно-ледовым покровом оз. Вендюрского 90
Глава 5. Кислородный режим оз. Вендюрского 100
5.1. Период интенсивного прогрева 100
5.2. Период установившегося прогрева 102
5.3. Период весеннего подледного прогрева 102
Заключение 105
Приложение 129
- Особенности гидрологаческого режима мелководных озер в зимний период.
- Межгодовая изменчивость климатических условий в районе исследований
- Изменение температуры в придонном слое воды и верхнем слое донных отложений
- Поглощение солнечной радиации снежно-ледовым покровом оз. Вендюрского
Введение к работе
Мелководные замерзающие озера ледникового генезиса широко распространены в умеренной и субполярной зонах североамериканского и евразийского континентов. На территории США, Канады, североевропейских стран, России насчитывается более 600000 таких озер, при этом регулярные гидрофизические наблюдения проводятся лишь на нескольких сотнях из них. Наименее изученным остается зимний термический режим таких озер, не смотря на то, что ледостав на них продолжается несколько месяцев, оказывая существенное влияние на состояние и функционирование их экосистем. Снежно-ледовый покров изолирует водоем от прямого воздействия атмосферы, исключает ветровое перемешивание, ограничивает проникновение солнечной радиации (Андреев, Иванов, 2003; Калитин, 1938; Мокиевский, 1960; Чехии, 1987) и кислорода в водную толщу, определяет интенсивность фотосинтеза подо льдом весной (Вологдин, 1981; Hargrave, 1972). В Карелии насчитывается свыше 61 тыс. озер, однако регулярные гидрофизические исследования проводятся лишь на нескольких десятках водоемов. Большинство проводимых натурных исследований ограничиваются краткосрочными температурными съемками, не дающими достоверных сведений об эволюции термической структуры в озере подо льдом в течение зимы. В связи с этим актуальной задачей является выявление закономерностей межгодовой и сезонной изменчивости зимнего термического режима типичного мелководного озера, являющегося представителем широкого класса озер, подобных ему по морфометрическим признакам.
Разработка методов прогноза сезонной изменчивости полей гидрофизических и химико-биологических характеристик, определяющих качество воды в мелководных озерах, необходима для оценки состояния их экосистем. Основными параметрами, определяющими протекание многих гидрофизических и химико-биологических процессов в озере подо льдом являются температура водной толщи и содержание растворенного кислорода (РК). Наряду с натурными исследованиями водоемов (Особенности..., 1984; Эвтрофирование..., 1980; Поверхностные..., 1991 и др.), перспективным путем решения широкого круга
задач становится применение методов математического моделирования (Миронов и др., 1990; Fang, Stefan, 1997; Golosov, Ignatieva, 1999; Ryanzhin, 1997).
Температура играет значительную роль в возникновении и поддержании циркуляции и перемешивания в озере, перераспределении различных химических элементов (Bengtsson et al., 1996; Likens, Ragotskie, 1965; Welch, Bergmann, 1985). Дефицит РК существенным образом влияет на поведение рыб, планктонных организмов, особенно в зимний период. Появление безкислородных зон в придонных слоях озер может приводить к накоплению в их донных отложениях аммонийного азота, сероводорода, метана, водорода. Такие биохимические факторы, как жизнедеятельность различных организмов и концентрация органического вещества в придонной области оказывают определяющее влияние на появление дефицита РК в озере в период ледостава (Бульон, 1983; Винберг, 1960; Ульянова, 1984; Cornett, 1987; Mathias, Barica, 1980). Интенсивность бактериального поглощения РК существенным образом зависит от температуры окружающей среды (Бреховских, 1988; Ковалева и др., 2003; Стравинская, 1980; Boylen, Brock, 1973). Температурный режим замерзающего озера формируется в результате сложного взаимодействия между атмосферой, водной массой и донными отложениями озера и, таким образом, отражает суммарное влияние физических факторов на образование дефицита РК в озере.
Территория Республики Карелии имеет хорошо развитую гидрографическую сеть, относящуюся к бассейнам Белого и Балтийского морей. Основными элементами гидрографической сети Карелии являются озера, реки, водохранилища, болота. В Карелии насчитывается свыше 61 тыс. озер суммарной площадью около 18 тыс. км . Преобладают в Карелии небольшие озера, площадью менее 1 км (97.5% всех учтенных озер). Все крупные, средние и большинство малых озер -проточные или сточные. Озера, соединяющиеся между собой реками, образуют озерно-речные системы. Проточность озер Карелии - благоприятный фактор для обитающих в них рыб и других водных организмов. Количество непроточных озер в Карелии также значительно: из 40 тыс. озер с площадью менее 1 км около 31 тыс. являются бессточными. Это, преимущественно, лесные и болотные озера-ламбы. Хотя речная сеть в Карелии хорошо развита, больших многоводных рек мало. Общее число рек Карелии составляет 26.7 тысяч с суммарной их
протяженностью 83 тыс. км. Преобладают реки длиной менее 10 км. Только 30 рек имеют длину более 100 км и относятся к классу средних. Наиболее многоводны реки Кемь, Ковда, Выг (впадают в Белое море), Суна, Шуя, Водла (впадают в Онежское озеро) (Григорьев, Грицевская, 1959; Каталог, 2001; Ресурсы..., 1972). Специфика природных вод Карелии определяется широкой вариабельностью величин рН - от 4.2 до 7.5, суммы ионов - от 5 до 200 мгл'1, цветности - от 5 до v 300 градусов, что оказывает существенное влияние на формирование структуры гидробиоценозов разнотипных водоемов (Баранов, 1962; Каталог, 2001; Харкевич, «980 и др.).
В последние десятилетия в связи с хозяйственными преобразованиями на водосборах рек и озер Карелии (вырубка лесов, распашка земель, мелиорация, внесение минеральных удобрений и ядохимикатов) существенно возросла антропогенная нагрузка на водоемы. Под влиянием промышленных и бытовых сточных вод, а также в связи с поступлением загрязнений из атмосферы существенно ухудшилось качество природных вод: в них увеличилось содержание органических и взвешенных веществ, изменились численность и биомасса гидробионтов, развивается процесс антропогенного эвтрофирования водоемов. Если для большинства олиготрофных и мезотрофных озер Карелии кислородный режим остался благоприятным для жизни гидробионтов, то в ряде эвтрофных озер значительно возрос уровень трофии в результате увеличения биогенной нагрузки и ухудшился кислородный режим (Лифшиц и др., 1992; Поверхностные..., 1991). Неблагоприятный кислородный режим характеризуется перенасыщением РК поверхностных слоев (на величину до 40%) и его отсутствием в придонных. Указанное явление свойственно высокоэвтрофным и эвтрофным озерам. Дефицит РК у дна и перенасыщение поверхностных слоев наблюдаются в период летней стагнации, а глубокий дефицит у дна - к концу зимы. Последнее типично не только для эвтрофных, но и для мезотрофных озер, в которых отмечается существенное потребление кислорода донными отложениями (Лозовик, Сабылина, 1992; Сабылина, Басов, 2003; Сергеева, 1982; Стравинская, 1980; Ульянова, 1984).
Объектом исследования диссертационной работы является небольшое (площадь зеркала 10.4 км2, объем вод ~54.8-106м3) мелководное (средняя глубина 5.3, максимальная - 13.4 м) оз. Вендюрское, расположенное на юге Карелии
(широта 6210'-6220' N, долгота 3310'-3320' Е) (рис. 1), принадлежащее бассейну водной системы р. Суны, впадающей в Онежское озеро.
Рис. 1. Расположение озер Вендюрской группы на карте Карелии
Его котловина ледникового происхождения длиной ~7.0, шириной ~1.5 км. Оз. Вендюрское является типичным представителем класса мелководных озер водно-ледникового генезиса, широко распространенных как на территории Карелии (более 20% всех озер), так и в умеренной и субполярной зонах Канады, США, скандинавских стран. Предметом исследования являются закономерности термической структуры и кислородного режима небольшого мелководного озера в период существования ледового покрова.
В бассейне Онежского озера большое значение имеет водосбор р. Суны, на территории которого расположены разнотипные озера Вендюрской группы. В бассейне р. Суны в последние десятилетия произошли значительные хозяйственные преобразования, что, несомненно, сказалось на экосистемах водоемов, в первую очередь, на их кислородном режиме и, в целом, на общем уровне биопродуктивности. Район озера Вендюрского находится в 60 км к востоку от г. Суоярви (картонная фабрика), в 60 км к западу от г. Кондопога (ЦБК и ряд других предприятий), в 72 км к северо-западу от Петрозаводского промышленного узла. Однако, в связи с тем, что ветры восточного и юго-восточного направлений в районе исследований редки, преобладает западный перенос, воздушные массы, проходящие над озером, можно считать относительно чистыми.
Цель работы: на основании анализа данных многолетних натурных наблюдений выявить основные закономерности межгодовой и сезонной изменчивости термической структуры и кислородного режима небольшого мелководного озера в период существования ледового покрова. В связи с этим были поставлены и решены следующие задачи:
исследовать межгодовую и сезонную изменчивость термической структуры и кислородного режима небольшого мелководного озера в зимний период по данным многолетних натурных измерений;
количественно оценить тепловые потоки на границах водной массы мелководного озера с донными отложениями и ледовым покровом для различных периодов (начало, середина, конец зимы, период весеннего подледного прогрева);
исследовать изменение теплосодержания столба воды на разных глубинах небольшого мелководного озера в течение зимы;
изучить особенности радиационного режима мелководного озера зимой, а
также исследовать сезонную динамику таких параметров, как толщина снежно-
ледового покрова,' альбедо.
Научная новизна и основные научные положения, выносимые на защиту:
впервые обобщены и проанализированы данные более чем десятилетних ежегодных комплексных гидрофизических исследований, проводившихся в период 1994-2005 гг. в зимние месяцы на небольшом мелководном озере (типичном представителе класса озер водно-ледникового генезиса, широко распространенных как на территории Карелии, так и в мире), и показана существенная межгодовая изменчивость его термического режима в период существования ледового покрова, определяемая изменяющимися от года к году климатическими условиями;
можно выделить несколько периодов, отличающихся характером изменения температуры водной толщи мелководного озера зимой: предледоставный, интенсивного прогрева, установившегося прогрева и весеннего подледного прогрева. В предледоставный период озеро охлаждается в состоянии гомотермии. В период интенсивного прогрева (продолжительностью около месяца), обусловленного теплообменом водной массы озера с донными отложениями, максимумы дисперсии и градиента температуры наблюдаются в придонном слое толщиной 10-30% глубины. В период установившегося прогрева интенсивность изменений температуры водной толщи по вертикали выравнивается. Период весеннего подледного прогрева, продолжающийся 30-35 суток, обусловленный проникновением солнечной радиации под лед, характеризуется высокой изменчивостью температуры в верхних слоях водной толщи озера (50% глубины);
показано, что межгодовая изменчивость зимнего термического режима мелководного озера определяется продолжительностью предледоставного периода и температурой замерзания озера. Были выделены годы с «коротким» и «продолжительным» предледоставным периодом, «высокой» и «низкой» температурой замерзания. «Коротким» считается предледоставный период, когда температура водной толщи озера, охладившегося до 4С, перед замерзанием понижается на 0.5-0.6, «продолжительным» - на 0.1-0.2С за сутки, соответственно. Температура замерзания озера считается «низкой», если составляет 0.5-0.6 и «высокой», если составляет 1.5-2.2С. В годы с «коротким»
предледоставным периодом и «низкой» температурой замерзания наблюдается наибольшая длительность периода интенсивного прогрева, максимальные скорости повышения придонной температуры и теплосодержания в течение зимы.
Материалы и методы исследований. В работе использовались данные натурных наблюдений, полученных в ходе экспедиций Института водных проблем Севера (ИВПС) Карельского научного центра РАН на оз. Вендюрском как в рамках тем фундаментальных исследований, так и международных проектов в 1994-2005 гг. При обработке данных использовались методы статистического анализа, регрессионный, корреляционный и спектральный анализ. Автор принимал непосредственное участие в обработке и анализе данных натурных исследований; теоретические расчеты, результаты которых приведены в диссертационной работе, выполнены лично автором или с соавторами.
Теоретическая и практическая значимость работы. Выявленные в работе закономерности изменчивости термической структуры и распределения РК в водной толще мелководного озера зимой, а также полученные оценки тепловых потоков вблизи границ вода-дно и вода-лед, скоростей роста толщины льда и изменения температуры на разных горизонтах водной толщи могут использоваться в прогностических и диагностических моделях зимнего термического и кислородного режимов мелководного озера, при моделировании экосистем малых озер. Определенные на основании многочисленных натурных экспериментов значения эффективного коэффициента поглощения (ЭКП) солнечной радиации слоями снега и льда различной толщины и структуры могут быть использованы при решении задач параметризации ослабления солнечной радиации снежно-ледовым покровом мелководных пресноводных озер умеренной зоны. Установленные на основании натурных измерений диапазоны изменчивости альбедо снежно-ледового покрова мелководного озера для различных состояний поверхности и погодных условий могут использоваться широким кругом специалистов при изучении радиационных характеристик снега и льда, температурного и светового режимов озер в период ледостава, в моделях прогноза погоды для параметризации подстилающей поверхности, покрытой озерами.
Апробация работы. Результаты работы были использованы при выполнении тем и международных проектов:
тема ОНЗ РАН ИВПС КарНЦ РАН «Озерно-речные системы как элемент ландшафта Северо-Запада России. Гидродинамические аспекты развития экосистемных процессов» (№ государственной регистрации: 01.2.00305207);
тема ОНЗ РАН ИВПС КарНЦ РАН «Озерно-речные системы как элемент ландшафта Северо-Запада России. Разработка инструментария для эффективного управления водными ресурсами озер» (№ государственной регистрации: 01.2.006 06526);
международный проект INTAS-01-2132 «Представление озер в численных моделях с приложениями к окружающей среде»;
международный инновационный проект INTAS-05-1000007-431 «Озерная модель FLake: современный инструмент для моделирования окружающей среды и образования».
Основные результаты диссертации докладывались и были представлены на VI Международной конференции «Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежной зоны морей» (Москва, 2004 г.), на 7-м (Петрозаводск, Россия, 2003 г.), 8-м (Лунд, Швеция, 2004 г.) и 9-м (Ланкастер, Англия, 2005 г.) рабочих совещаниях "Physical processes in natural waters", на Международной конференции «Экологическое состояние континентальных водоемов Арктической зоны в связи с промышленным освоением северных территорий» (Архангельск, 2005 г.), на III Международной конференции «Современные проблемы оптики естественных вод» (Санкт-Петербург, 2005 г.), на IV (XXVII) Международной конференции «Биологические ресурсы Белого моря и внутренних водоемов Европейского севера» (Вологда, 2005 г.), на II Республиканской школе-конференции молодых ученых «Водная среда Карелии: исследование, использование, охрана» (Петрозаводск, 2006 г.), на семинаре лаборатории гидрологии ИНОЗ РАН (Санкт-Петербург, 2006 г.), на семинарах лабораторий географии и гидрофизики ИВПС КарНЦ РАН.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 работ, две из которых в реферируемых журналах.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографии, включающей 184 наименования, и шести приложений. Общий объем работы - 179 машинописных страниц.
Особенности гидрологаческого режима мелководных озер в зимний период.
Зимний термический режим мелководных замерзающих озер умеренной зоны до настоящего времени остается недостаточно изученным, несмотря на довольно большое количество проведенных по этим вопросам исследований (Буторин и др., 1982; Крицкий и др., 1947; Палынин, 1999; Процессы..., 1993; Российский, 1975; Россолимо, 1930,1932,1961; Суркова, Сурков, 1966; Тихомиров, 1970; Форш, 1968; Фрейндлинг, 1991; Ellis et al., 1991; Bengtsson, 1986a, 19866, 1996; Bengtsson, Svensson, 1996; Bilello, 1968; Colman, Armstrong, 1983; Gu, Stefan, 1990; Likens, Johnson, 1969; Likens, Ragotzkie, 1965; Ragotzkie, Likens, 1964; Welch, Bergmann, 1985 и др.).
Период ледостава на озерах умеренной зоны продолжается несколько месяцев, оказывая существенное влияние на состояние и функционирование их экосистем. Многие химические, биологические и гидрологические процессы протекают по-разному в зависимости от того, покрыто озеро льдом или нет. Ледовый покров изолирует озеро от прямого воздействия атмосферы, исключая ветро-волновое перемешивание, ветровые течения, ограничивая проникновение солнечной радиации в водную толщу. Наличие снежно-ледового покрова играет важнейшую роль в кислородном режиме водоема, лимитируя поступление кислорода из атмосферы, оказывая влияние на формирование зон дефицита кислорода, определяя интенсивность фотосинтеза подо льдом весной (Бульон, 1983; Винберг, 1960; Вологдин, 1981; Хатчинсон, 1969; Barica, Mathias, 1979; Greenbank, 1945; Hargrave, 1972; Wetzel, 2001 и др.).
Условное деление водоемов на глубокие и мелкие может проводиться по степени годовой изменчивости температур их придонных вод. В мелких или неглубоких водоемах температура придонных слоев воды в течение года изменяется в широких пределах, соизмеримых с изменениями температур приводного слоя воздуха в летний период. В глубоких водоемах годовая амплитуда придонных температур мала и составляет 2-3С (Российский, 1975; Молчанов, 1946; Термодинамические..., 1981; Тихомиров, 1982; Boyarinov et al., 1994; Carmack, Farmer, 1982; Naumenko, 1994). С другой стороны мелкими называют водоемы с большой площадью водной поверхности, в которых турбулентным обменом охвачена вся толща воды, а глубокими - водоемы с наличием слоя скачка с резким возрастанием температурного градиента, отделяющего поверхностные воды от глубинных (Пивоваров, 1972).
Обычно при рассмотрении годового цикла термического режима мелких замерзающих водоемов выделяют летний (когда поверхность свободна ото льда) и зимний периоды (от момента установления на поверхности воды сплошного ледяного покрова до момента его разрушения), а также периоды осеннего ледостава и весеннего разрушения льда (Пивоваров, 1972). Первые исследования зимнего термического режима мелководных озер умеренной зоны нашей страны относятся к 20-30 гг. XX века (Далматова, 1939; Матвеев, 1928; Рбссолимо, 1930, 1932 и др.). Исследования озер Кольского п-ова позволили провести их разделение по термической стратификации в летний период в зависимости от морфометрических особенностей их котловин и условий водообмена на две группы: устойчиво стратифицированные и находящиеся в состоянии гомотермии. Было установлено, что летнее нагревание толщи донных отложений стратифицированных озер Кольского п-ова незначительно; в нестратифицированных озерах донные отложения летом прогреваются до глубин 2-3 м и зимой интенсивно передают тепло в водную толщу (Суркова, Сурков, 1966; Форш, 1974 и др.).
Обширные исследования зимнего термического режима мелководных водоемов Карелии и Карельского перешейка проводились в середине и второй половине XX века (Зобков, 1985, 1986; Кузьменко, 1971, 1976; Матвеев, 1964; Озера..., 1959; Палыпин, 1999; Поляков, Фрейндлинг, 1989; Тихомиров, 1970; Фрейндлинг, 1964, 1965, 1969, 1981; Фрейндлинг и др., 1977; Фрейндлинг, Харкевич, 1982; Харкевич, 1960 и др.). Для исследованных озер были получены характеристики их термического режима, определены величины годового теплового бюджета, проведены расчеты теплосодержания водной массы и слоя донных отложений различной толщины. На примере озерно-речной системы Шуи (Фрейндлинг, 1991) было выделено три типа замерзающих озер, отзличающихся по условиям формирования термического режима. К первому типу были отнесены неглубокие озера (средняя глубина до 8 м), нагревающиеся летом в условиях ветрового перемешивания при слабо выраженной стратификации, периодически сменяющейся гомотермией. Было показано, что летом водная масса и донные отложения таких озер хорошо прогреваются, а осенью интенсивно выхолаживаются; теплосодержание их водной массы к моменту ледостава снижается до минимальных годовых значений. Зимой в таких озерах происходит интенсивная передача тепла из донных отложений в воду. Годовая амплитуда температуры воды поверхностного слоя таких озер превышает 20, а придонного -15С. В озерах первого типа со значительной проточностью (озера Шотозеро, Вагатозеро) формирование термического режима находится под влиянием динамического перемешивания водной массы речным потоком. Озера второго типа (Мунозеро, Пертозеро, Кончезеро) - глубокие, со сложным строением котловины нагреваются летом в условиях устойчивой стратификации водной толщи. В таких озерах летом слой скачка температур с градиентами 7-8С-м"1 опускается до глубин 12-14 м и сохраняется в глубоководных частях озер до осени. Годовая амплитуда поверхностной температуры воды в таких озерах достигает 25, придонной - 3-5С. Летом теплозапас донных отложений таких озер увеличивается незначительно, и средняя температура их водной массы зимой за счет теплообмена с дном повышается на десятые доли градуса. К третьему типу были отнесены озера, в которых в связи с особенностями строения котловины и распределения глубин нагревание одних частей акватории летом происходит в состоянии гомотермии, других - в условиях устойчивой стратификации (оз. Суоярви).
Межгодовая изменчивость климатических условий в районе исследований
Территория Карелии характеризуется умеренно континентальным климатом с чертами морского (продолжительная мягкая зима и короткое прохладное лето, значительная облачность и неустойчивость погоды в течение всего года). Территория Карелии относится к зоне избыточного увлажнения, что определяется сравнительно небольшим приходом тепла и развитой циклонической деятельностью в течение всего года. Количество осадков составляет 550-750 мм в год, возрастая с севера на юг. В то же время, вследствие невысоких летних температур, большой облачности, повышенной влажности воздуха Карелия является зоной относительно малого испарения, составляющего 310-420 мм в год. Испаряется 50-60% осадков, остальная часть идет на формирование гидрографической сети (Климат..., 2004; Научно-прикладной..., 1988; Романов, 1961; Швер, 1976).
В анализе межгодовой изменчивости климатических условий в районе исследований использовались данные по одной из наиболее близко расположенных к оз. Вендюрскому метеостанций Федеральной службы РФ по гидрометеорологии и мониторингу природной среды - Петрозаводск-Сулаж-Гора. Исследовалась межгодовая изменчивость двух метеоэлементов - температуры воздуха в приземном слое (среднемесячных и среднегодовых) и сумм осадков (месячных и годовых, в мм) за период 1994-2002 гг. Также проводилось сравнение названных метеоэлементов, осредненных по месяцам за исследуемый период и за предшествующий реперный период 1961-1990 гг. (Метеорологический..., 1974, 1978,1990).
Температура воздуха в приземном слое в 1994-2002 гг. в январе-апреле была на 0.5-2.5 выше, а в ноябре-декабре - на 0.8-1.1 С ниже, чем в соответствующие месяцы реперного периода (табл. 2.1). По среднемноголетним данным месячные суммы осадков в период 1994-2002 гг. с октября по март и в мае были выше на 6-40, а в апреле - ниже на 18%, чем в соответствующие месяцы предшествующего реперного периода (рис. 2.2, табл. 2.2). Ноябрь в период 1994-2002 гг. был менее теплым и более снежным, а апрель - более теплым и менее снежным, чем в 1961-1990 гг. Таким образом, зимы в 1994-2002 гг. были более теплыми и снежными, чем в предшествующий реперный период.
С 1994 по 2002 гг. наиболее холодным был 1998, а наиболее теплым - 2000; максимальное количество осадков выпало в 1995, минимальное - в 1996. Холодными были зимы 1995-1996 и 1997-1998, теплыми - 1994-1995 и 1999-2000 гг.: средняя температура воздуха в период с ноября по апрель составила в эти годы -6.9, -7.1, -2.9, -3.0С, соответственно (табл. 2.1). По количеству осадков (сумме среднемесячных показателей с ноября по апрель) многоснежными были зимы 1994-1995, 1996-1997 и 1999-2000 гг., малоснежными - 1995-1996 и 1998-1999 гг (табл. 2.2).
Наиболее холодным был апрель в 1998, а наиболее теплым - в 2001 г. (среднемесячная температура в апреле в указанные годы составила -1.7 и 5.8С соответственно). В апреле 1994 и 1999-2002 гг. среднемесячные температуры приземного слоя воздуха превышали 3С. Многоснежным был апрель в 1994, 1995 и 1997 гг., малоснежным - в 1996,1998,2002 гг. Можно выделить годы с холодной (1995-1998 гг.) и теплой (1994, 1999-2002 гг.) весной.
Гидрологические исследования озера Вендюрского неоднократно проводились Карельским филиалом АН СССР, начиная с 1960 г. В 1971-1972 гг. были получены сведения по батиметрии, морфологии берегов, гидрофизике и грунтах озера (Литинская, Поляков, 1975). Исследования термического и химико-биологического режимов оз. Вендюрского были начаты в 1976-1981 гг. под руководством В.А. Фрейндлинга (Фрейндлинг, 1981). Было отмечено, что в летний период озеро нагревается в условиях неустойчивой или слабовыраженной термической стратификации. В отчлененном западном заливе перемешивание водных масс ограничено, возникает термическая стратификация со значительными градиентами (до 4-5С-м 1). В придонных горизонтах западного залива летом температура воды составляет 6-7С, в то время как в центральном плесе достигает 14-15С. Температура поверхностных вод при этом в западном заливе незначительно выше, чем в центральном плесе, и составляет 15-19С. Донные отложения озера летом активно накапливают тепло. К концу зимы вследствие подледного прогрева температура придонных слоев воды повышается до 4-5С. Дальнейшие исследования показали значительное влияние метеорологических условий предледоставного периода на особенности зимнего термического режима озера (Фрейндлинг, Харкевич, 1982). Был оценен теплозапас озера к началу ледостава для осени 1978 (когда установлению льда предшествовала сухая, морозная и ветреная погода, обусловившая глубокое выхолаживание водных масс озера) и 1979 гг. (когда до появления льда на озере преобладала дождливая погода с плотной низкой облачностью, препятствующпя выхолаживанию водных масс). Показано, что осенью 1979 г. к началу ледостава теплозапас озера был почти в три раза больше, чем осенью 1978 г. Изучалось также распределение температур в донных отложениях. Установлено, что с увеличением глубины уменьшается внутригодовая изменчивость температур грунтов. Определена временная задержка в два месяца между наступлением летнего максимума придонной температуры воды и максимума температуры грунта на глубине одного метра.
По содержанию органических веществ в воде оз. Вендюрское относится к олиго-мезогумозным водоемам с маломинерализованной водой гидрокарбонатного класса (Фрейндлинг, Харкевич, 1982). Общая минерализация вод озера составляет 18.5-30.2 мгл 1 (в среднем 27.0), цветность - 15-35(28), прозрачность 3.5 м, перманганатная окисляемость - 4.6-8.9 (6.7), бихроматная - 9.3-20.5 мгОг-л 1 (13.4), БПК5 - 0.83-2.16 (1.13) мгОг л". Концентрация биогенных элементов в водах озера составляет: общего фосфора 0.013-0.025 (в среднем 0.018), фосфора фосфатного 0.003-0.007 (0.004), азота общего 0.30-0.82 (0.53), азота минерального 0.06-0.16 (0.10), железа 0.05-0.57 (0.21), кремния 0.8-2.7 (2.0) мгл"1. Содержание хлорофилла «а» изменяется от 0.6 до 9.3, в среднем 3.0 мг-м (Сабылина, Басов, 2003). Средние значения концентрации углерода в водах озера (полученные расчетом из бихроматной окисляемости) изменяются от 5.8 до 6.6 мгС-л 1, а общее содержание органических веществ от 12.2 до 13.9 мгл"1. Межгодовые колебания в содержании органических веществ в водах озера малы, режим их можно считать относительно стабильным. По соотношению величин цветности, перманганатной и бихроматной окисляемости, органическое вещество вод озера имеет преимущественно аллохтонное происхождение.
Изменение температуры в придонном слое воды и верхнем слое донных отложений
По данным придонных термокос установлено, что в донных отложениях мелководного озера на определенной глубине (0.20-0.55 м) температура в течение зимы практически не меняется; температура вышележащих грунтов со временем повышается, нижележащих - понижается (рис. 3.12).
По данным придонных термокос (Приложение Г, рис. Г. 6, Г. 11, Г. 23, Г. 26) установлено, что вблизи границы вода-дно изменения температуры носят периодический характер. Спектральный анализ рядов температуры выявил наличие частот, соответствующих периодам изменчивости от одних до 14-16 суток (табл. 3.3). В слое придонных вод и верхнем слое донных отложений толщиной 0.10-0.30 м практически всегда наблюдался период изменчивости температуры в одни сутки.
В конце зимы в подледном слое воды начинает прослеживаться внутрисуточная изменчивость температуры (рис. 3.13, Приложение Г, рис. Г.5, Г. 10, Г.22). Весенний подледный прогрев озера, обусловленный проникновением солнечной радиации под лед, повышением температуры подледного слоя воды и развитием процесса свободной конвекции, начинается обычно в конце марта -начале апреля и продолжается 30-35 суток.
Форма температурного профиля с началом весеннего подледного прогрева существенно меняется. С началом конвекции подо льдом начинает формироваться перемешанный слой (рис. 3.14). При развитой конвекции вертикальный температурный профиль состоит из тонкого подледного, квазиоднородного и стратифицированного слоев (Петров, Сутырин, 1985; Farmer, 1975; Mironov et al., 2002 и др.). Температура воды на верхней границе тонкого подледного слоя равна температуре замерзания, на нижней - температуре квазиоднородного слоя. В начальный период конвекции на оз. Вендюрском подо льдом наблюдается слой толщиной 0.1-0.2 м, градиент температуры в котором достигает 5-9С-м" . Ниже располагается квазиоднородный слой, толщина и температура которого при развитой конвекции увеличиваются в сутки на 0.1-0.8 м и 0.05-0.25С, соответственно (рис. 3.14).
Длительность периода весеннего подледного прогрева определяется как погодными условиями, так и состоянием снежно-ледового покрова озера. При отсутствии снега на льду и ясной солнечной погоде процесс подледной конвекции развивается наиболее интенсивно. Выпадение свежего снега, существенно увеличивающее альбедо поверхности озера, может временно приостановить дальнейшее развитие конвекции.
Наиболее интенсивно процесс подледной конвекции шел весной 1999 г., когда ледовый покров озера состоял из кристаллического льда, слой белого льда был очень тонким (менее 0.1 м), снег отсутствовал. Кроме того, во второй половине апреля 1999 г. метеоусловия характеризовались продолжительным периодом теплой солнечной погоды. В глубоководной части озера и на средних глубинах при развитой конвекции толщина и температура перемешанного слоя увеличивались за сутки на 0.45-0.90 м и 0.17-0.37С, на мелководьях - на 0.31-0.50 м и 0.19-0.33С, соответственно (рис. 3.15).
В отдельные годы весной подо льдом наблюдается формирование прямой устойчивой стратификации вод: когда температура квазиоднородного слоя достигает 4С, дальнейшее ее повышение приводит к формированию в его верхней части тонкого слоя вод, плотность которых меньше, чем плотность квазиоднородного слоя. Температура в этом тонком слое поднимается до 5 С и выше. При этом возникает прямая устойчивая стратификация, что препятствует дальнейшему развитию конвективного перемешивания. Такое явление наблюдалось весной 1999 г., когда температура квазиоднородного слоя поднялась до 4С, и в течение следующих 10 суток до взлома ледового покрова глубина проникновения конвекции не увеличилась вообще, а температура тонкого слоя в верхней части квазиоднородного достигла 5.7С. В ходе измерений 24.04.99 г. в подледном слое были зафиксированы значения температуры 5.06-5.42С на глубинах 0.82-1.37 м (рис. 3.15). Обычно к моменту взлома ледового покрова конвективное перемешивание на мелководьях и в области средних глубин проникает до дна, в глубоководной части озера - до глубин 8-9 м. Температура квазиоднородного слоя при этом составляет 3.7-4.2С. Весной 1999 г. конвективное перемешивание охватило водную толщу озера до глубины всего 6 м.
Поглощение солнечной радиации снежно-ледовым покровом оз. Вендюрского
Для оценки поглощения солнечной радиации снежно-ледовым покровом оз. Вендюрского, в апреле 2003-2005 гг. была проведена серия экспериментов.
Эксперимент 1. Измерения солнечной радиации на поверхности снега проводились у северного берега озера 19.04.03 в период с 13:16 до 14:30 ч местного времени при помощи пиранометров «Star-shaped Pyranometer». В снежном покрове на горизонтах 0.05, 0.08, 0.15, 0.20 и 0.25 м устанавливался пиранометр «М-80 м» для измерения прошедшей сквозь слои снега разной толщины солнечной радиации. Датчик на каждом горизонте выдерживался 12-16 мин. Измерения проводились в ясную погоду при температуре воздуха +8С. Снег представлял собой рыхлую, влажную ледяную крупу диаметром 1.0-1.5 мм и плотностью 400 кг-м"3.
Эксперимент 2. Измерения солнечной радиации проводились у северного берега озера 21.04.04 в период с 11:00 до 12:00 местного времени при помощи прибора «ФДУК-10», расположенного в снежном покрове на глубинах 0.03, 0.04, 0.07, 0.11, 0.22, 0.26 и 0.32 м. Погодные условия в период измерений: облачность 10 баллов, температура воздуха 0С. Снег был сухой с многослойной структурой. Его плотность изменялась от 420 до 480, в среднем - 440 кгм 3.
Эксперимент 3. В период 21-23.04.04 проводились измерения солнечной радиации, прошедшей сквозь слои озерного льда различной толщины На ст. 4-1 (северный берег) был выпилен блок льда размером 0.72 0.61 0.62 м (рис. 4.5). В ледовом блоке выделялись слои белого и кристаллического льда толщиной 0.34 и 0.28 м, соответственно. Белый лед имел мелкозернистую структуру с диаметром зерен 1-2 мм. В нижней его части выделялись два слоя по 0.05 м: один с диаметром зерен 5-6 мм, другой - с кристаллами льда, вытянутыми вертикально. В кристаллическом льду наблюдалось четыре слоя, которые отличались по содержанию пузырьков (рис. 4.6). Блок льда был завернут в черную бумагу для предотвращения попадания рассеянного света через его боковые грани. Измерения радиации на верхней границе льда проводились пиранометрами «М-80 м», на нижней - прибором «ФДУК-10», который был также помещен на черную бумагу для исключения влияния отраженного света. Для воспроизведения реальных условий таяния поочередно отрезались слои, начиная с верхней части белого льда. Измерения проводились в период, когда Солнце было в зените.
Эксперимент 4. Измерения прямой, отраженной, а также прошедшей сквозь слои снега разной толщины солнечной радиации проводились 17.04.05 в период с 12:14 до 14:28 с помощью пиранометров «М-80 м» у северного берега озера, где толщина снежного покрова была максимальной. В снежном покрове на горизонтах 0.06, 0.09, 0.12, 0.18, 0.23 и 0.32 м поочередно устанавливался пиранометр для измерения радиации. На каждом горизонте прибор выдерживался 14-18 мин. Снег был белый, влажный, диаметр кристаллов составлял 1-2 мм. Плотность снега изменялась от 420 до 470, в среднем составляла 440 кг-м"3. Температура воздуха во время измерений 3.5С (Приложение Г, рис. Г.1).
Эксперимент 5. Измерения прямой, отраженной и прошедшей сквозь лед радиации проводились 22.04.05 в период с 11:42 до 15:52 местного времени с помощью пиранометров «М-80 м». Из ледового покрова оз. Вендюрского на ст. 4-2 был выпилен блок льда размером 1.00x1.00 0.50 м (рис. 4.7). Лед был многослойным, выделялись слои белого и кристаллического льда толщиной 0.24 и 0.25 м, соответственно. Белый лед имел мелкозернистую структуру с диаметром зерен 1.5-3.0 мм, выделялось четыре слоя, отличающихся по содержанию пузырьков воздуха и воды. В кристаллическом льду наблюдалось шесть слоев, которые отличались но содержанию и размерам пузырьков воздуха. Распил слоев показан на рис. 4.8. За время измерений облачность изменялась от 0 до 10 баллов, температура воздуха 0"С (приложение Б, рис. ЕЛ). Блок льда был распилен на белый и кристаллический слои, в нижних частях которых буром высверливались лунки, куда помещался пиранометр. Анализ данных экспериментов 1, 2 и 4 показал, что слой снега толщиной 0.15-0.20 м поглощает -90% солнечной радиации, приходящей на его верхнюю границу (рис. 4.9). Наблюдения в экспериментах 3 и 5 показали, что более 80% солнечной радиации, приходящей на верхнюю границу льда, поглощается в слое толщиной 0.40 м.
