АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ НАБЛЮДЕНИЙ И МЕТОДЫ РАСЧЕТА ГИДРОФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ ОКЕАНА
Цель. На основе анализа архивных и собственных экспедиционных данных оценена изменчивость солености и температуры в верхнем 300-метровом слое северо-восточной части Черного моря.
Методы и результаты. Использованы данные разрезов берег – центр моря протяженностью от 70 до 110 морских миль, выполненных с 1999 по 2009 г., а также результаты регулярного судового мониторинга, проводившегося в шельфово-склоновой зоне северо-восточной части Черного моря с 2010 по 2020 г. Обнаружено, что в последнее десятилетие наблюдалось поступательное увеличение солености в верхнем 200-метровом слое моря. В среднем рост солености составлял около 0,05–0,06 PSU ежегодно. Вместе с этим также росла температура на глубине ниже слоя температурного минимума (ядра холодного промежуточного слоя). В частности, нижняя изотерма 8,7 °C поднималась в среднем на 11 м ежегодно, от среднегодового значения глубины 242 м в 2010 г. до 121 м в 2020 г. Рост солености привел к соответствующим изменениям в плотности воды, в результате чего нижняя граница кислородсодержащего слоя (условная плотность 15,8) поднялась с горизонта 143 м в 2010 г. до 124 м в 2020 г.
Выводы. Климатические изменения привели к заметному росту солености в верхнем 200-метровом слое северо-восточной части Черного моря, а также росту температуры в слоях, расположенных ниже слоя температурного минимума. Хотя измерения проводились на определенном участке шельфово-склоновой зоны, есть основания считать, что выявленная динамика характерна для всего Черного моря. Физические причины наблюдающихся изменений нуждаются в обстоятельном исследовании.
Цель. Цель работы – исследование морфодинамических особенностей развития Бакальской косы под воздействием морского ветрового волнения и зыби: оценка межгодовых вариаций площадей намывов (размывов) береговой линии Бакальской косы; анализ межгодовой изменчивости параметров ветрового волнения; определение характеристик поверхностного волнения (или сочетаний нескольких), ответственных за процессы эрозии или аккумуляции донного материала в прибрежной зоне.
Методы и результаты. На основе анализа спутниковых снимков за 1984–2016 гг. определены площади намывов или размывов береговой линии Бакальской косы. С использованием спектральной волновой модели получены временны́е ряды основных параметров ветрового волнения и зыби (значительные высоты волн, направления распространения) в прибрежной зоне Бакальской косы за 1984–2016 гг. с дискретностью по времени в 1 ч. С помощью дискриминантного анализа определены характеристики поверхностного волнения, ответственные за процессы деформации береговой линии.
Выводы. Анализ спутниковых снимков косы позволил выделить три периода в истории развития Бакальской косы: 1985–1997, 1998–2007 и 2007–2016 гг. Первый период – промежуток относительной стабильности. В 1998 г. произошел сильнейший размыв, после чего в течение 10 лет чередовались случаи намыва и размыва со слабой тенденцией к общему размыву. В 2007 г. наступил третий период, который можно определить как период деградации косы, сопровождающийся безвозвратной потерей пляжевого материала. В качестве основных параметров, определяющих гидродинамику акватории Бакальской косы, выбраны: суммарная продолжительность штормов; средние и максимальные значительные высоты ветровых волн и зыби. Статистические характеристики параметров ветрового волнения испытывают довольно сильную межгодовую изменчивость. Cогласно средним и максимальным показателям, наиболее развито ветровое волнение с направлениями, близкими к нормали к береговой линии (ЗЮЗ и ЗСЗ). Применение дискриминантного анализа позволило с высокой статистической достоверностью заключить, что направление итогового (среднегодового) волнового воздействия на прибрежную зону, определяющего происходящие в ней процессы (эрозию или аккумуляцию песка), задается волнением ССЗ направлений, причем вклад зыби является преобладающим. Степень воздействия определяется сильными штормами с направлениями, близкими к нормали к береговой линии, а именно ЗЮЗ.
Цель. Цель исследования – продолжить начатые в предыдущих работах исследования структуры поля солености по материалам океанографических съемок, выполненных после 2000 г. Интерес к исследованию структуры поля солености вод Азовского моря обусловлен аномальным увеличением солености после 2006 г.
Методы и результаты. По материалам 49 сезонных океанографических съемок, выполненных в Азовском море Азово-Черноморским филиалом ВНИРО («АзНИИРХ») с 2001 по 2016 г. рассчитаны: радиусы области концентрации пространственной корреляционной функции поля в меридиональном и зональном направлениях для поверхностного и придонного слоев (характеристика однородности поля); соотношения этих радиусов; средние для моря значения поля солености поверхностного и придонного слоев. Выполнен временной графический и парный корреляционный анализ рядов рассчитанных показателей. Средние значения меридиональных и зональных радиусов области концентрации пространственной корреляционной функции (42,5 и 47,1 км) свидетельствуют о наличии в море двух сравнительно обособленных зон, связанных с циркуляцией вод. Эти зоны формируются в условиях преобладающих в регионе восточных ветров. Средние значения указанных радиусов в придонном слое вод были приблизительно равны, в поверхностном – средние зональные радиусы превышали средние меридиональные. Весной и летом в придонном слое меридиональный радиус был больше зонального. В многолетней изменчивости в поверхностном слое присутствовал тренд увеличения меридионального радиуса, в придонном слое – уменьшения зонального радиуса. Эти тренды демонстрируют изменения характера водообмена в море от преобладания зонального к преобладанию меридионального переноса.
Выводы. С 2006 г. изменения структуры поля солености вод Азовского моря (с трендами уменьшения зональных радиусов области концентрации пространственной корреляционной функции и увеличения меридиональных радиусов) происходили в результате уменьшения притока речных вод, усиления водообмена с Керченским проливом и сопровождались повышением средней солености. Наиболее активный водообмен с Керченским проливом происходил в придонном слое весной и летом. Упреждающий сдвиг структурных характеристик поля на один и два года относительно его средних значений позволяет прогнозировать эти значения с двухлетней заблаговременностью.
Цель. Лофотенская котловина – одна из энергоактивных зон Мирового океана, характеризующаяся высокой активностью мезомасштабных вихрей. Целью работы является анализ различных составляющих общей энергии в этой котловине: средней кинетической и вихревой кинетической энергии, рассчитанных с использованием интеграла по объему доступной потенциальной и кинетической энергии Лофотенского вихря, – а также изменчивости этих характеристик.
Методы и результаты. Используются данные реанализа GLORYS12V1 за 2010–2018 гг. Анализируются средняя и вихревая кинетическая энергия, а для Лофотенского вихря – объемные доступная потенциальная и кинетическая энергия. Отмечается увеличение мезомасштабной активности вихрей в зимний период по сравнению с летним. Изучена эволюция доступной потенциальной и кинетической энергии Лофотенского вихря до горизонта 1000 м. Показано, что доступная потенциальная энергия вихря на порядок превышает кинетическую энергию, причем демонстрирует положительный тренд с коэффициентом 0,231015 Дж/год. Установлено, что наибольший вклад в потенциальную энергию вносит промежуточный слой от 600 до 900 м, а в кинетическую – слой от 0 до 400 м. Проанализированы скорости преобразования средней кинетической энергии в вихревую кинетическую энергию и скорости преобразования средней доступной потенциальной энергии в вихревую доступную потенциальную энергию (баротропная и бароклинная неустойчивости). Показано, что первый тип преобразования доминирует летом, в то время как для второго характерно усиление потоков в зимний период.
Выводы. В вертикальных профилях проявляется увеличение кинетической энергии вихрей в зимний период по сравнению с летним. Доступная потенциальная энергия вихря на порядок превышает кинетическую энергию. Увеличение доступной потенциальной энергии подтверждается значимым положительным трендом и уменьшением вихревого числа Бюргера. Графики скорости преобразования баротропной неустойчивости отражают в зоне вихря разнонаправленные потоки, причем в зимний период наблюдается дипольная структура, в летний – трипольная. Наибольшая интенсивность баротропной неустойчивости отмечается летом. Для бароклинной неустойчивости характерно усиление потоков в зимний период, что связано с ослаблением стратификации в этот период вследствие зимней конвекции.
Цель. На основе усовершенствованной многомасштабной модели проведен качественный и количественный анализ экспериментальных данных об интенсивности турбулентности, а также их сопоставление с теоретическими и полуэмпирическими соотношениями для описания вклада различных источников турбулентности.
Методы и результаты. Проведен сравнительный анализ экспериментальных данных и модельных расчетов характеристик турбулентности вблизи поверхности моря. Рассмотрены методы теоретического оценивания генерации турбулентности в приповерхностном слое моря различными физическими процессами. Результаты расчетов по известным моделям турбулентного обмена сравнивались с экспериментальными данными, собранными на протяжении нескольких лет сотрудниками отдела турбулентности МГИ РАН при помощи специализированной аппаратуры. По результатам анализа определены возможности применения рассмотренных моделей для расчета интенсивности турбулентности в разных гидрометеорологических условиях. При слабом ветре ни одна из моделей не давала результатов, соответствующих данным измерений. При умеренных ветрах результаты моделирования демонстрируют вполне удовлетворительное согласие с экспериментальными данными, при сильных ветрах наилучшие результаты дает многомасштабная модель. Эта модель была доработана для оценки вклада двух других механизмов генерации – стоксова дрейфа и циркуляций Ленгмюра.
Выводы. Для объективной оценки интенсивности турбулентного обмена необходимо учитывать три основных механизма генерации турбулентности: сдвиг скорости течения, волнение и обрушение волн. Каждый из этих механизмов может доминировать в разном диапазоне глубин в зависимости от гидрометеорологической ситуации. Согласно расчетам по усовершенствованной модели, учет стоксова дрейфа добавляет от 2 до 17 % к суммарной диссипации в верхнем 30-метровом слое, а вклад ленгмюровских циркуляций, рассчитываемый по зависимости скорости вертикального переноса кинетической энергии от числа Ленгмюра, может достигать 15 % при малых числах Ленгмюра.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ И ЭКСПЕДИЦИОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Цель. Одной из наиболее актуальных проблем крупных городов является загрязнение атмосферы, вызванное нахождением в воздухе различных крупно- и мелкодисперсных частиц. Эти микрочастицы могут переноситься на значительные расстояния воздушными потоками, а также коагулировать различные вещества, также находящиеся в атмосфере. Цель данной работы – изучить содержание взвешенных частиц размером 2,5 и 10 мкм (PM2.5 и РМ10) в атмосфере г. Севастополя, а также процессы, влияющие на их концентрацию.
Методы и результаты. В период с февраля по июнь 2020 г. сотрудниками Морского гидрофизического института измерялась массовая концентрация частиц PM2.5 и РМ10 в г. Севастополе с использованием анализатора пыли «Атмас». Всего проведено 180 измерений концентрации микрочастиц в воздухе г. Севастополя, получено 60 значений среднесуточной концентрации PM2.5 и PM10. Для анализа преимущественного типа аэрозоля проанализированы спутниковые данные CALIPSO, полученные в дни с повышенным содержанием взвешенных частиц в воздухе. Показано, что 19.02.2020 г. зафиксирован дым в атмосфере г. Севастополя, который мог привести к повышению концентрации частиц PM10. Спутниковые данные CALIPSO о типах аэрозоля над Черным морем за сутки до выявления повышенных концентраций взвешенных частиц в ат- мосферном воздухе г. Севастополя показали преобладание именно дыма в атмосфере над исследуемым регионом.
Выводы. В атмосфере г. Севастополя выявлены случаи содержания частиц PM2.5 и РМ10, превышающего предельно допустимые среднесуточные концентрации более чем в три раза. Показано, что основной причиной загрязнения воздуха г. Севастополя микрочастицами является перенос воздушных масс со стороны пустынь Африканского континента и Азии, а также перенос аэрозоля (дыма). Менее значительное загрязнение воздуха частицами РМ10 было вызвано поступлением их в атмосферу от местного источника при земляных работах в непосредственной близости от точки отбора проб воздуха.
Цель. Определение концентраций и выявление закономерностей распределения полиароматических углеводородов (ПАУ) в донных отложениях контактной зоны река – море (на примере р. Черной и Севастопольской бухты) – цель данной работы.
Методы и результаты. Гранулометрический состав донных отложений определялся методом декантации и рассеивания. Идентификация и количественное определение ПАУ проводилось методом высокоэффективной жидкостной хроматографии. Общее содержание ПАУ в донных отложениях исследуемого района колебалось в диапазоне 12–670 нг/г сухого осадка. Минимальное содержание контаминантов был зафиксировано в речной части района, за геохимическим барьером. В районе впадения р. Черной в Севастопольскую бухту содержание ПАУ составляло 121 нг/г. Их максимальная концентрация отмечена в морских грунтах Севастопольской бухты, в 1,5 км юго-западнее места впадения р. Черной в бухту. В устьевой зоне р. Черной идентифицировано 14 ПАУ, 4 из них (нафталин, 2-метилнафталин, флуорен, антрацен) – в следовых количествах. Максимальная концентрация илистого материала (99%) наблюдалась в акватории Севастопольской бухты. Распределение илистых фракций следующее: 20% – алеврито-пелитовая, 79% – пелито-алевритовая. В районе впадения реки в акваторию бухты отмечается накопление песчаной фракции (7%) и максимальная доля пелитовых илов.
Выводы. Зафиксированные концентрации ПАУ соответствуют фоновым нетоксичным уровням. Идентифицированные в донных отложениях устьевой зоны р. Черной ПАУ имеют смешанное, преимущественно петрогенное происхождение. Полученные данные указывают, что в условиях контактной зоны река – море накопление ПАУ в целом и их отдельных фракций определяется преимущественно наличием ила в донных отложениях.
Цель. Целью работы является оценка контрастов двумерных спектров коротких ветровых волн между чистой морской поверхностью и поверхностью с тонкой пленкой растительного масла. Особый интерес представляет угловая зависимость контраста, которая на данный момент остается неясной. Работа призвана пополнить эмпирическую базу знаний о подавлении волн на пленках поверхностно-активных веществ в натурных условиях. Ее результаты могут быть интересны как для теоретического моделирования спектров коротких ветровых волн, так и для развития методов дистанционного мониторинга океана.
Методы и результаты. Оценки контрастов были выполнены путем анализа фотографий морской поверхности, сделанных с платформы Черноморского гидрофизического подспутникового полигона (пгт Кацивели) при проведении специализированных экспериментов с разливом растительного масла для получения искусственных сликов. Реализованный в работе простой метод оценок контрастов основан на предположениях о линейной связи между яркостью и уклоном морской поверхности и о неизменности передаточной функции, связывающей яркость и уклон при переходе от чистой поверхности к слику. Этот метод, в отличие от примененных ранее, дает возможность получать двумерные распределения спектральных контрастов одновременно по волновому числу и по направлению. Наибольшую техническую трудность представляет получение оценок для коротких волн. В данной работе спектральные контрасты оценены для ветровых волн с длинами от ~20 см до ~1 см.
Выводы. При умеренных ветрах со скоростями 6–8 м/c полученные контрасты монотонно возрастают с ростом волнового числа, достигая значений ~10. При почти штилевых условиях (скорость ветра 0,5 м/с) наблюдается максимум контраста ~30–50 на волновых числах ~100 рад/м, что качественно подтверждается оценками, полученными с помощью струнного волнографа. Эти результаты согласуются с измерениями, проведенными ранее другими авторами. Двумерные распределения контраста анизотропны с максимумом в направлении, перпендикулярном направлению ветра. При умеренных ветрах анизотропия усиливается с ростом волнового числа.