АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ НАБЛЮДЕНИЙ И МЕТОДЫ РАСЧЕТА ГИДРОФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ ОКЕАНА
Цель. Основной целью данной работы является получение оценки цунамиопасности для района расположения недавно построенного Крымского моста в Керченском проливе, поскольку до настоящего времени при численном моделировании цунамигенных землетрясений в акватории Черного моря фактически не рассматривалась цунамиопасность для Керченского пролива, если не считать часть акватории на входе в него.
Методы и результаты. Для оценок цунамиопасности Керченского пролива и особенно района расположения построенного Крымского моста в представленной работе рассматривается как историческое цунамигенное катастрофическое землетрясение на юго-востоке Крымского п-ова, произошедшее 12 сентября 1927 г., так и возможные сильные землетрясения с близкими к указанному магнитудами и локализациями очага. Используя имеющиеся данные по локализации землетрясения 12 сентября 1927 г. и его интенсивности, был смоделирован источник этого землетрясения и проведено, в рамках нелинейных уравнений мелкой воды, численное моделирование генерации и распространения волн цунами от одноблочного и двублочного сейсмических источников по акватории Черного моря вдоль Крымского п-ова, на входе в Керченский пролив и в его акватории. Аналогично были смоделированы сейсмические источники близкой локализации для двух возможных цунамигенных землетрясений на юго-востоке Крымского п-ова.
Выводы. Для всех рассмотренных сценариев проведено численное моделирование генерации и распространения волн цунами по рассматриваемым участкам акватории, построены гистограммы распределения максимальных высот заплесков волн вдоль побережий Крымского полуострова и Керченского пролива. Показано, что в районе западных опор Крымского моста высоты волн цунами для всех сценариев не превышают 0,3–0,5 м, а в районе восточных опор размах возможных высот волн лежит в диапазоне 0,6–1,95 м. Проведено сравнение с данными, полученными другими авторами, по высотам волн в ряде пунктов Черноморского побережья вблизи Крымского п-ова и на входе в Керченский пролив.
Цель. Оценить влияние фазового состава атмосферных осадков на воспроизведение сезонной эволюции толщины льда в вершине Таганрогского залива – цель данной работы.
Методы и результаты. Исследование характеристик ледового режима в северо-восточной части Таганрогского залива проведено с помощью термодинамической модели ледяного покрова, в качестве метеорологического форсинга использовались данные восьмисрочных наблюдений за основными метеорологическими параметрами на метеостанции Таганрог. В ходе численных экспериментов применялись статический и динамический методы разделения общего количества прогностических осадков на жидкую и твердую фракции. Первый метод предполагал наличие пороговой температуры, ниже которой все осадки классифицировались как снег, выше – как дождь. Второй метод учитывал постепенный переход от дождя к снегу на заданном интервале температур. Для зим, отличающихся по количеству осадков в ледовый период, проведен сравнительный анализ результатов моделирования сезонной эволюции толщины морского льда и дана оценка чувствительности модели к выбору метода определения доли твердой и жидкой фазы. Достоверность расчетов определялась путем сопоставления моделируемых и фактических значений толщины морского льда, снятых с ледовых карт ЕСИМО для зимних сезонов с 2007/08 г. по 2010/11 г.
Выводы. Показано, что наиболее оправданными, с точки зрения оптимальных значений среднеквадратического отклонения и коэффициента корреляции, оказались результаты, полученные при использовании S-образной зависимости доли снега в атмосферных осадках внутри переходного интервала температур. Минимальные ошибки воспроизведения сезонной эволюции толщины льда получены при пороговой температуре, близкой к 2°C, и ширине переходного интервала температур 5–9°С. Для малоснежных зим лучшие результаты были получены при использовании статического метода определения фазы осадков.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ И ЭКСПЕДИЦИОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Цель. Выявить закономерности структуры поля содержания растворенных нефтепродуктов и формирующие ее факторы на акватории Севастопольской бухты, сопоставить полученный результат со сложившимися представлениями о крупномасштабном распределении показателей качества вод на исследуемой акватории, оценить современную тенденцию состояния поля растворенных нефтепродуктов, рассмотреть взаимосвязь полей концентрации растворенных нефтепродуктов, общего взвешенного и растворенного органического вещества – цель настоящей работы.
Методы и результаты. На основе данных серии океанологических экспедиций, проведенных Морским гидрофизическим институтом и Институтом природно-технических систем в 1999– 2018 гг., рассмотрены структура поля содержания растворенных нефтепродуктов на акватории Севастопольской бухты (Черное море) и формирующие ее факторы. Полученный результат сопоставлен с известными закономерностями структуры полей гидрохимических элементов. Оценена тенденция состояния поля концентрации растворенных нефтепродуктов. Рассмотрена взаимосвязь полей концентрации растворенных нефтепродуктов, общего взвешенного и растворенного органического вещества.
Выводы. Показано, что структура поля содержания нефтепродуктов определяется взаимодействием загрязненных вод кутовой части Севастопольской бухты, где в районе Нефтяной гавани был выявлен масштабный максимум концентрации этого вещества, с чистыми черноморскими водами ее западной области. Характерный структурный элемент исследуемого поля – хорошо выраженный меридионально ориентированный фронтальный раздел, наблюдаемый на траверзе Южной бухты. В поле содержания растворенных нефтепродуктов также обнаружены значимые локальные максимумы, зафиксированные в бухтах Килен, Корабельной, Артиллерийской и Северной. Фронтальный раздел в поле концентрации растворенных нефтепродуктов совпал с границей раздела в полях гидрохимических элементов, которая была обнаружена ранее в ходе исследований загрязнения вод в Севастопольской бухте. Отмечены тенденция понижения концентрации растворенных нефтепродуктов в водах Южной бухты и качественное различие в структуре этого вещества по сравнению с полями содержания общего взвешенного и растворенного органического вещества.
Цель. Целью настоящего исследования является изучение распределения 137Cs в прибрежной и глубоководной частях Черного моря. Для достижение поставленной цели было необходимо решить следующие научные задачи: выбор метода концентрирования 137Cs из проб морской воды, проведение отбора проб морской воды и концентрирование 137Cs, проведение измерений полученных проб, обсуждение полученных результатов и их соотнесение с имеющимися литературными данными.
Методы и результаты. В работе исследовано распределение 137Cs в прибрежной и глубоководной частях Черного моря. Представлены данные натурных наблюдений пространственновременной изменчивости поля активности 137Cs в поверхностном слое вод Черного моря, полученные в ходе 95-го рейса научно-исследовательского судна «Профессор Водяницкий» (14 июня – 7 июля 2017 г.). На ряде станций были также получены данные о вертикальном распределении этого радионуклида в деятельном слое моря. Было отобрано и обработано 22 пробы морской воды на 11 станциях. Для извлечения 137Cs из морской воды впервые использован ферроцианидный сорбент марки ФСС, разработанный для селективного извлечения радионуклидов цезия (134Cs, 137Cs) из технологических растворов и радиоактивных сточных вод.
Выводы. Согласно полученным результатам, активность 137Cs изменялась по пространству в диапазоне 5,7–8,8 Бк/м3 и составляла в среднем 6,9 ± 0,2 Бк/м3. Вертикальное распределение 137Cs в пределах деятельного слоя моря однородное.
Цель. Рассмотрены результаты экспедиционных работ Морского гидрофизического института в акватории залива Сиваш весной и осенью 2018 г., задачей которых было продолжение комплексного изучения залива после перекрытия в 2014 г. Северо-Крымского канала. Цель работы – оценка динамики солености, растворенного органического вещества, общего взвешенного вещества в воде в условиях изменившихся антропогенных и природно-климатических факторов. Актуальность проводимых в акватории залива исследований обусловлена необходимостью разработки и внедрения современной системы экологического мониторинга залива.
Методы и результаты. Проанализированы материалы, полученные в ходе двух экспедиций 2018 г. (весна, осень) в акватории залива Сиваш, включая современные границы водноболотного угодья «Восточный Сиваш». Проведено определение солености воды на 13 станциях рефрактометрическим и пикнометрическим методами, растворенного органического вещества, общего взвешенного вещества на тех же станциях с применением биофизического комплекса «Кондор».
Выводы. Делается заключение, что в связи с перекрытием Северо-Крымского канала в 2014 г. изменения солености в заливе Сиваш продолжаются и происходит перестройка его экосистемы. Наблюдаемый рост солености проявляется неодинаково в разных частях залива. Наиболее высокие значения солености отмечены в Южном Сиваше, 92–93‰; в 2016 г. на тех же станциях соленость составляла 55–60‰. Во время осенней съемки при оценке сезонной динамики содержания общего взвешенного и растворенного органического вещества были отмечены их высокие концентрации. Весной при более монотонном распределении растворенного органического вещества отмечается незначительное увеличение содержания общего взвешенного вещества на станциях, расположенных в Южном Сиваше.
Цель. Основная цель работы состояла в оценке горизонтальной и вертикальной структуры распределения метана (CH4), его эмиссии в атмосферу в эвфотической зоне северной части Черного моря летом 2018 г., а также в установлении его связи с концентрацией хлорофилла а.
Методы и результаты. Концентрацию CH4 в поверхностном слое воды определяли газохроматографическим методом на 104 станциях, на 45 из которых также были выполнены вертикальные профили содержания CH4 в слое 0–50 м. Для определения концентрации хлорофилла а использовали флуориметрический метод. Распределение CH4 в этом регионе показало выраженную пространственную неоднородность. Концентрация растворенного в поверхностной воде CH4 для всех станций изменялась в диапазоне 0–39,2 нмоль/л. Среднее значение рассчитанной величины потока CH4 из воды в атмосферу составило 2,3 мкмоль/м2/сут, среднее насыщение метаном поверхностной воды – 460%. Бόльшая часть исследованной акватории моря являлась источником поступления метана в приводные слои атмосферы, за исключением 15 станций, где концентрация СН4 в поверхностном слое была ниже равновесных значений. Рассчитанный интегральный поток СН4 с исследованной акватории, площадь которой равна 88·103 км2, составил 3,2 т СН4 в сутки. Вертикальное распределение CH4 в верхнем 50-метровом слое оказалось различным для прибрежных и глубоководных районов. В глубоководных районах отмечаются максимумы в подповерхностных слоях, а на вдольбереговом разрезе, где станции были расположены не глубже 100 м, высокие концентрации CH4, достигающие 86 нмоль/л, наблюдались в основном в придонных горизонтах.
Выводы. Средняя концентрация метана в глубоководных профилях была в 2 раза ниже по сравнению с мелководными. Расположение подповерхностных концентрационных максимумов CH4 и максимумов содержания хлорофилла а в целом совпадало. Также установлено, что повышенному содержанию хлорофилла а (0,58 мг/м3) в поверхностном слое Феодосийского залива соответствовала максимальная концентрация CH4. Аномально высокая концентрация метана, составляющая в придонном горизонте 269 нмоль/л и на порядок превышающая среднее содержание метана в прилегающих районах, обнаружена на станции в районе палеорусла Днепра. Вероятно, такое повышение связано с поступлением метана из газовых сипов, широко распространенных в этом районе.
СПУТНИКОВАЯ ГИДРОФИЗИКА
Цель. Уточнить региональные особенности синоптической изменчивости температуры на поверхности Черного моря, выявить ее внутригодовые и межгодовые изменения и оценить их связи с крупномасштабными атмосферными процессами – цель данной работы.
Методы и результаты. Используются данные спутниковых измерений температуры поверхности моря за период 1982–2018 гг. из массива Copernicus со среднесуточным разрешением по времени и 0,04° – по пространству. На основе этих данных показано, что максимальная синоптическая изменчивость температуры поверхности моря наблюдается в прибрежной части северо-западного шельфа от Днепро-Бугского лимана до дельты Дуная, в Каркинитском заливе и в Керченском проливе. В глубоководной части моря высокий уровень синоптической изменчивости прослеживается в областях Восточного циклонического круговорота и Батумского антициклона. Установлено, что наибольший вклад синоптической изменчивости в общую дисперсию поля температуры наблюдается в Керченском проливе и южнее Керченского п-ова. Уровень среднемноголетней синоптической изменчивости ниже или сопоставим с уровнем межгодовой изменчивости на большей части акватории, за исключением Керченского пролива, северо-западного и прибосфорского шельфов. Выявлено, что в климатическом внутригодовом цикле основной максимум синоптической изменчивости наблюдается в мае, за месяц до наступления максимума скорости прогрева поверхностных вод, второй максимум – в октябре, за месяц до наступления максимума скорости выхолаживания вод. Минимумы наблюдаются в феврале – марте, в период максимального охлаждения поверхностных вод, и в августе, в период их максимального прогрева. Выявлены заметные межгодовые изменения уровня синоптической изменчивости температуры, которые варьируют в пределах -0,3 ... 0,3°С.
Выводы. Синоптическая изменчивость температуры поверхности Черного моря характеризуется заметными внутригодовыми и межгодовыми изменениями. Ее климатический внутригодовой цикл носит полугодовую периодичность, обусловленную процессами выхолаживания и прогрева вод. Максимальное повышение уровня синоптической изменчивости на межгодовом масштабе наблюдается после 2003 г. на северо-западном шельфе. Значимая корреляционная связь с индексами Североатлантического, Восточноатлантического колебаний и колебания Восточная Атлантика – Западная Россия не выявлена.
Цель. Решение задачи выбора мест для оптимального размещения источников загрязнения в Севастопольской бухте с помощью сопряженных уравнений переноса примеси – цель данной работы.
Методы и результаты. В качестве природоохранного объекта выбраны набережные центра города, Артбухта и зона городского пляжа. Решая сопряженную задачу переноса пассивной примеси, получим функцию влияния, позволяющую выявить районы побережья, размещение в которых источников загрязнения может причинить ущерб природоохранной зоне при заданной структуре течений. Чтобы убедиться в корректности решения сопряженной задачи, мы можем решить прямую задачу для различных положений источников примеси. Решение сопряженной задачи позволяет получить информацию о количестве примеси в заданной природоохранной зоне и в заданный период времени при произвольном расположении источника примеси. Для расчета скоростей течений используется линейная баротропная модель установившихся ветровых течений.
Выводы. По результатам численного моделирования определены районы, размещение в которых источников загрязнения приведет к нарушению санитарных норм в рассматриваемой природоохранной зоне. Эксперименты показали, что наиболее опасными являются ветры северных и восточных румбов, поэтому размещение промышленных объектов, ливневых и канализационных стоков жилых районов на Северной стороне Севастопольской бухты может нанести вред экологическому состоянию рассматриваемого района. При восточном и юго-восточном ветре основным источником опасности являются продукты хозяйственной деятельности в Южной бухте. При ветрах южных румбов опасность представляет размещение источников загрязнения на побережье самой рекреационной зоны.
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МОРСКИХ СИСТЕМ
Цель. Исследование распространения загрязнений в прибрежной зоне Севастополя на основе динамической модели с высокой степенью дискретизации по пространству, учитывающей реальный атмосферный форсинг, – цель данной работы. На основе применения метода сопряженных уравнений ставится задача проведения расчетов по определению местоположения возможных источников загрязнения по данным измерений.
Методы и результаты. Расчет поля течений проведен с помощью созданной в Морском гидрофизическом институте РАН трехмерной бароклинной модели циркуляции вод Черного моря с высокой степенью дискретизации по пространству. При реализации модели используются данные реального атмосферного форсинга SKIRON. Метод сопряженных уравнений применяется для определения местоположения возможных источников загрязнения. Проводится анализ модельных течений в прибрежной зоне для выбранного промежутка времени. Осуществлен расчет по распространению пассивной примеси от начального пятна загрязнения в акватории Черного моря у Гераклейского полуострова. На основе интегрирования серии сопряженных задач определено место локализации источника загрязнения.
Выводы. В результате проведенных численных экспериментов по интегрированию серии сопряженных задач определена область, в которой может находиться возможный источник загрязнения. Местоположение этой области хорошо согласуется с начальным распределением концентрации, что позволяет при наличии информации о характере примеси определить место ее поступления в водную среду. Предложенные подходы могут быть использованы при решении широкого класса задач экологической направленности, а также для интерпретации и планирования натурных экспериментов по исследованию распространения сточных вод в прибрежной зоне.