Тепловой баланс Азовского моря

Расчет составляющих теплового баланса с использованием среднемесячных климатических данных по 45 квадратам Азовского моря.

Уравнение теплового баланса поверхности моря записывается в следующем виде:

B = R-QИ-QТ,±Qл, + QЧ-M-QP,

где В - тепловой баланс поверхности моря, R -радиационный баланс поверхности моря, QТ - турбулентный теплообмен между поверхностью моря и атмосферой, QИ - тепло, затраченное на испарение или выделенное при конденсации пара, QJl -тепло, затраченное при таянии или выделенное при образовании льда, QЧ-M - теплообмен с Черным морем, QP --тепло, затраченное на нагревание речных вод.

Последние два члена уравнения малы (QЧ-M ~ 10 МДж/м2 в год, Qp ~ 5 МДж/м2 в год) и различны по знаку. Их совместный вклад в тепловой баланс за год составляет 0,05 %. Поэтому в дальнейшем можно пренебречь влиянием речного стока и теплообменом с Черным морем.

Образование и таяние льда сопровождается выделением и поглощением тепла. За весь период ледообразования в Таганрогском заливе и северной части моря выделяется 80-100 МДж/м2, а в южной и центральной части моря 40- 60 МДж/м2. Такое же количество тепла поглощается весной при таянии льда

Расход тепла на испарение с водной поверхности определяется произведением скрытой теплоты L на испарение

QИ = LE

Интенсивность испарения зависит от скорости ветра, дефицита влажности, температуры воды, а в холодное полугодие от количества и распределения льда. Зависимость от скорости ветра и дефицита влажности вызывает значительные пространственные изменения интенсивности испарения.

Наибольшее количество воды испаряется летом в связи с высокими температурами воздуха и воды, способствующими повышению дефицита влажности. Зимой, несмотря на большие скорости ветра, испарение намного меньше.

Это обусловливается малыми значениями дефицита влажности и наличием ледяного покрова, замедляющего испарение. Сочетание небольшого дефицита влажности и относительно малых скоростей ветра в центральных районах моря в апреле и марте создает благоприятные условия для конденсации водяного пара.

Со всей поверхности Азовского моря за год испаряется 34,6 км3 воды, что составляет около 1/9 объема и характерно для небольших и мелководных водоемов.

Зимой расход тепла на испарение не превышает -40 МДж/м2. В январе в Таганрогском заливе отмечается даже конденсация водяного пара. В феврале пространственные изменения затрат тепла на испарение малы, все значения лежат в интервале 0-15 МДж/м2.

В марте и апреле в Таганрогском заливе наблюдается рост расхода тепла на испарение; в марте в центральных и южных районах моря возникают условия для конденсации водяного пара, т. е. прихода тепла за счет конденсации (10-20 МДж/м2), а в апреле такие условия возникают только в центральных районах (5-20 МДж/м2).

С апреля по июль в Таганрогском заливе и с мая по август в открытом море расход тепла на испарение резко увеличивается и достигает максимума 500 МДж/м2 для Таганрогского залива в июле и 400 МДж/м2 для открытого моря в августе. В эти месяцы (кроме августа) наблюдается следующее пространственное распределение расхода тепла на испарение: максимум отмечается в Таганрогском заливе и на юго-западе моря, минимум - в центральных районах моря; расход тепла на испарение увеличивается в прибрежных районах: с мая по июнь - на 150-170 МДж/м2 в месяц.

В августе-сентябре начинается уменьшение расхода тепла на испарение. В Азовском море наблюдается в основном зональное распределение расхода тепла. В Таганрогском заливе с августа по ноябрь расход тепла на испарение уменьшается с -480 до -100 МДж/м2 в месяц. Для открытого моря расход тепла на испарение убывает с -400 МДж/м2 в сентябре до -100 МДж/м2 в декабре. С октября по декабрь максимум расхода тепла на испарение смещается в центральные районы моря, поэтому в открытой части моря расход тепла на испарение в эти месяцы больше чем в прибрежных районах, но в целом по всему морю его значения быстро уменьшаются.

Годовой ход расхода тепла на испарение в открытом море запаздывает по сравнению с таковым в Таганрогском заливе примерно на месяц, так как центральный район моря глубоководнее Таганрогского залива. Вся толща воды в этом районе медленнее прогревается, что вызывает уменьшение дефицита влажности и расхода тепла на испарение весной, и медленнее остывает, вызывая некоторое увеличение расхода тепла на испарение осенью.

Наибольшее количество тепла на испарение за год затрачивается в юго-западной части Таганрогского залива (-2500 МДж/м2). Меньше всего расход тепла на испарение в центральном районе (-2000 МДж/м2) в районе Керченского пролива (-2000 МДж/м2) и в устье Таганрогского залива (-2200 МДж/м2)

Минимум скрытого тепла в центре моря вызван тем, что весной здесь происходит конденсация пара. Поток тепла за счет испарения при этом направлен к воде и, следовательно, в целом за год уменьшает отдачу скрытого тепла атмосфере в центре моря.

Турбулентный теплообмен - это количество тепла, которое отдает или получает поверхность моря в результате турбулентного обмена в приземном слое воздуха. Интенсивность турбулентного теплообмена зависит в основном от разности температур воды и воздуха, а также от скорости ветра

QT = ?CpCh (Tw - Ta) u,

где ? - плотность воздуха, Cр - удельная теплоемкость, Ch - коэффициент теплообмена, Tw - температура воды, Та - температура воздуха, и - скорость ветра.

В холодный период года происходит наибольшая отдача тепла от водной поверхности в атмосферу. Максимум (-140 МДж/м2) отмечается в ноябре в центральном районе моря. В январе или феврале зона максимальных значений турбулентного обмена перемещается ко входу в Таганрогский залив.

Для теплого периода года характерно обратное распределение турбулентного теплообмена по отношению к распределению затрат тепла на испарение, т. е. областям с минимальным испарением соответствуют области максимальных значений турбулентного теплообмена, и наоборот. В период с марта по июнь максимум потока тепла за счет турбулентного обмена составляет 60-65 МДж/м2. В июне область положительного теплообмена занимает центральную часть моря. В июле и августе турбулентный теплообмен снова становится отрицательным.

С сентября начинается увеличение потока тепла в атмосферу, причем значения турбулентного теплообмена растут быстрее в открытом море, чем в Таганрогском заливе.

Несмотря на то, что потоки явного тепла малы по сравнению с другими составляющими теплового баланса (доля явного тепла составляет около 4 % теплового баланса), турбулентный теплообмен с атмосферой в отдельные периоды может играть важную роль. Так с ноября по февраль доля явного тепла составляет в среднем 26 % теплового баланса, доходя до 40 % в январе.

Наибольший за год расход тепла на турбулентный теплообмен наблюдается в северо-восточной части моря и составляет -520 МДж/м2, наименьший - 150... -200 МДж/м2 в районе Керченского пролива.

Годовой ход турбулентного теплообмена имеет довольно сложный вид. Максимум прихода тепла к воду за счет турбулентного теплообмена (положительный поток) приходится на апрель, максимум отдачи тепла от воды атмосфере (отрицательный поток) - на ноябрь. Размах годового хода турбулентного потока тепла для открытого моря превышает его размах для Таганрогского залива на 60-70 МДж/м2.

В течение года тепловой баланс в различных районах моря не остается постоянным. Его колебания зависят от многих гидрометеорологических факторов, находящихся в тесной связи друг с другом, но по-разному оказывающих влияние на тепловой баланс.

Нагревание моря начинается с марта. Быстрее прогреваются южные районы, где тепловой баланс доходит до 250 МДж/м2 в месяц. В северном районе тепловой баланс также положителен, но его значение меньше, около 40 МДж/м2 в месяц. В апреле резко увеличивается поступление солнечной радиации ко всей поверхности моря. При этом количественные значения баланса увеличиваются от периферии к центру моря, где достигают 400 МДж/м2. В Таганрогском заливе тепловой баланс составляет около 200 МДж/м2.

Ход изолиний теплового баланса в мае, июне и июле примерно такой же, как в апреле. Различие состоит только в том, что с каждым месяцем меняется значение теплового баланса. В мае в центре моря тепловой баланс равен 480 МДж/м2, в западной части моря 210-290 МДж/м2, на востоке, в прибрежных районах 160-210 МДж/м2, в Таганрогском заливе около 100 МДж/м2. С июня значения теплового баланса начинают уменьшаться: в центральной части до 250-300 МДж/м2, в Таганрогском заливе до -25 МДж/м2. В июле продолжается уменьшение теплового баланса: в центральной части моря до 165 МДж/м2, а в Таганрогском заливе до -60 МДж/м2.

В августе нет ярко выраженной зональности в распределении теплового баланса. На большей части моря наблюдается отрицательный тепловой баланс с минимумом в юго-западном районе моря и в центре Таганрогского залива (до -140 МДж/м2). Положительный баланс сохраняется лишь в северо-западных районах (20- 50 МДж/м2).

В сентябре тепловой баланс отрицателен по всему морю. Распределение теплового баланса имеет зональный характер и сходно с его распределением в марте. Северная половина моря расходует тепла меньше (-80... -160 МДж/м2), чем южная (-200... -250 МДж/м2).

Ход изолиний теплового баланса в октябре, ноябре и декабре аналогичен их ходу в апреле, мае и июне. Меняется только знак теплового баланса. В центральном районе моря в октябре тепловой баланс около -270 МДж/м2, в ноябре около -310 МДж/м2, в декабре около -250 МДж/м2; в Таганрогском заливе в октябре -50...-150 МДж/м2, в ноябре -100... - 170 МДж/м2, в декабре -65... -105 МДж/м2

В январе и феврале тепловой баланс по всему морю отрицателен, но его значения меньше: в январе в северной половине моря около -80 МДж/м2, в южной - около-40 мДж/м2, в феврале в центральном районе моря около o-100 МДж/м2, в остальной части моря -60... -70 МДж/м2. Такое распределение теплового баланса в зимние месяцы можно объяснить уменьшением испарения из-за наличия ледяного покрова.

Зимой и осенью вследствие незначительного поступления тепла от солнца тепловой баланс отрицательный, весной и летом, несмотря на большую потерю тепла на испарение, - положительный. Равновесие теплового баланса (когда приход равен расходу) наступает дважды в году: в Азовском море в марте и августе, а в Таганрогском заливе в марте и июле. Переход теплового баланса через ноль весной в центральном районе моря отмечается несколько раньше, а летом намного позже, чем в Таганрогском заливе. Вследствие этого период, в течение которого тепловой баланс положительный, в центре моря больше (5,5-5 мес), чем в Таганрогском заливе (около 3 мес). Годовые максимум и минимум теплового баланса в открытом море выше, чем в Таганрогском заливе, что объясняется главным образом большими затратами тепла на испарение в мелководных районах.

Главная роль в тепловом балансе принадлежит солнечной радиации. На ее долю приходится около половины годовой суммы тепла, участвующего в тепловом балансе. Далее следует тепло, затрачиваемое на испарение (25-30%), эффективное излучение (около 20%) и теплообмен с атмосферой (до 5%). В течение года соотношение составляющих теплового баланса не остается постоянным. Зимой преобладает турбулентный теплообмен, эффективное излучение и солнечная радиация. Затрата тепла на испарение незначительна. Весной наибольшую роль в тепловом балансе играет солнечная радиация, на долю которой приходится 55-70 % от суммы всех составляющих. Летом и осенью существенное изменение в соотношение составляющих теплового баланса вносит испарение, которое достигает 25-40 %. Роль турбулентного теплообмена с атмосферой в формировании теплового баланса повышается в ноябре-феврале (до 40 % в месяц). Однако с учетом того, что в этот период вообще тепловой баланс небольшой, эта цифра не может свидетельствовать о большом влиянии теплообмена в целом на тепловой баланс моря.

В годовом плане ясно выделяются две зоны, отличающиеся друг от друга. К первой из них относится центральная глубокая часть моря, поверхность которой за год получает тепла больше, чем отдает (тепловой баланс положительный), ко второй - прибрежная мелководная зона, где поверхность моря получает тепла меньше, чем отдает атмосфере (тепловой баланс отрицательный). Максимальная разность между упомянутыми зонами достигает 1190 МДж/м2. Наибольший отрицательный тепловой баланс наблюдается в центральной части Таганрогского залива (-500 МДж/м2), а наибольший положительный (около 500 МДж/м2) -в районе Керченского пролива. Характерно, что экстремальные значения годового испарения наблюдаются в тех же районах. Это обстоятельство лишний