Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Динамика вод Каспийского моря

ВАК РФ 11.00.07, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Динамика вод Каспийского моря"

РГВ М

Российская Академия Наук Институт Водных проблем

На правах рукописи

Бондаренко Альберт Леонидович

УДК: 551.46(262.81) +551.464.5(262.81)

Динамика вод Каспийского моря

Специальность 11.00.07 - гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора географических наук

Москва 1995

Работа выполнена в Институте водных проблем РАН

Официальные оппоненты: доктор географических наук

профессор H.H. Филатов доктор физико-математических наук

профессор К. В. Показеев

доктор географических наук Г.Ф. Красножон Ведущая организация: Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН

Защита состоится часов на заседании

Диссертационного совета Д.003.37.01 при Институте водных проблем РАН по адресу: 107078, Москва, ул. Новая Басманная, 10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института водных проблем РАН.

Автореферат разослан " ' И^^-^Я 1993> г.

Л

if S

Ученый секретарь Диссертационного г^^с-с

совета при ИВП РАН

доктор географических наук, профессор B.C. Залетаев

I. Общая характеристика работы.

Диссертация посвящена исследованию динамики вод Каспийского моря: течений, долгопериодных волн, формирования поля солености и апвеллинга.

Актуальность проблемы.

Каспийское море обладает огромными биологическими, минерально-сырьевыми, энергетическими, водными и др. ресурсами. Информация о динамике вод любого моря, в том числе Каспийского, используется при решении навигационных, хозяйственных, гидротехнических, рыбопромысловых, биологических, экологических и научных задач, в частности, при рассмотрении вопросов распространения и перемешивания растворенных в воде веществ и взвесей естественного и антропогенного характера, влияния закономерностей циркуляции вод на распространение и трансформацию сточных вод, нефтепродуктов, воздействия потоков воды на гидротехнические сооружения, дно моря и берега. В перспективе влияние деятельности человека на бассейн будет возрастать, что может привести к неблагоприятным экологическим последствиям.В этих условиях, и тем более, при совместной эксплуатации, бассейна разными странами, всегда будет возникать проблема контроля и сдерживания антропогенной нагрузки на него. Естественно, без информации о динамике вод бассейна эта проблема грамотно не может быть решена. В настоящее время проблемами Каспийского моря, связанными с динамикой его вод, занимается более десяти организаций России, в их числе: НКЦ "Каспий" РАН, ИВП РАН, МГУ им. М.ВЛомоносова, ГОИН, ВНИРО, "Союзморниипроект" и др. Однако динамика вод Каспийского моря оставалась до последнего времени мало изученной и многие ее аспекты либо недостаточно, либо совсем не освещены в литературе. Не изучены долгопериодные волны, изменчивость циркуляции вод при изменениях уровня моря; слабо исследованы течения глубоководных Среднего и Южного Каспия, не разработана методика процессов водо-солеобмена, потоков солей и взвесей, практически не затронуты вопросы формирования поля солености-, нет достаточного обоснования наличия "постоянных" круговых течений; весьма ограничены исследования природы и свойств апвеллингов и даунвеллингов. Более того, на основании экспериментальных натурных наблюдений за гидрологическими характеристиками моря нами были выявлены принципиальные противоречия

в понимании природы, казалось бы, известных явлений, их свойств, параметров и связей с источником.

Существующее положение в изученности динамики вод Каспийского моря можно объяснить отсутствием единого мнения о развитии рассматриваемых явлений, а также недостаточностью необходимой информации об их пространственно-временной изменчивости.

Поскольку рассматриваемые явления наблюдаются не только в Каспийском море, но и в других водоемах (океанах, морях и крупных озерах) и имеют некоторые схожие параметры и свойства, результаты исследования этих явлений Каспийского моря могут с успехом использоваться при исследованиях в других водоемах.

Основные цели исследования

1. Выявить закономерности развития и параметры горизонтальной циркуляции вод, течений, захваченных берегом и инерционных волн, водо-солеобмена, формирования поля солености и апвеллинга в Каспийском море.

2. Внедрить результаты исследований в оперативный диагноз гидродинамических явлений.

3. Повысить полноту и достоверность оценки гидродинамических процессов с помощью применения разработанных методов исследования.

4. Разработать и провести целенаправленные комплексные эксперименты для решения научных и практических задач.

Методы исследования

1. Комплексные натурные наблюдения течений, температуры воды, солености, метеопараметров с применением автономных средств измерения, гидрологических съемок и стандартных гвдрометеонаблюдений.

2. Описание гидродинамических процессов и их распространения с использованием методов спектральной статистической обработки наблюдений.

3. Анализ гидродинамических процессов на основе натурных наблюдений, теоретических исследований и численного моделирования.

Научная новизна

1. Выполненные эксперименты, наблюдения и расчеты подтвердили существование в Каспийском море крупномасштабной циркуляции с

доминированием циклонической направленности. Уточнена схема и определены параметры циркуляции.

2. Установлено наличие в море долгопериодных волн - захваченных берегом и инерционных. Определены их параметры и свойства.

3. Выявлена фундаментальная роль долгопериодных волн в динамике вод бассейна.

4. Показан преимущественно адвективный характер процесса переноса солей, что свидетельствует о волновой природе течений.

5. Разработана методика определения водо- солеобмена и рассчитаны его параметры для различных частей моря.

6. Дано новое объяснение формирования апвеллинга Каспийского моря. На основе экспериментальных данных показано, что он формируется преимущественно не ветром, как считалось, а вдольбереговыми течениеми.

На защиту выносятся.

1. Закономерности образования и развития течений и долгопериодных волн Каспийского моря, их пространственно-временная изменчивость..

2. Механизм формирования водо- солеобмена и поля солености вод Северного Каспия.

3. Закономерности образования апвеллинга и даунвеллинга в Среднем и Южном Каспии.

Приоритетными являются следующие результаты исследований.

Впервые установлено наличие в Каспийском море захваченных берегом волн, представляющих собой образования с отдельными свойствами баротропных шельфовых волн и бароклинных волн Кельвина.

Обнаружено, что знакопеременные течения в Каспийском море в доминирующей части не ветровые, как считалось, а волновые - течения инерционных и захваченных берегом волн или волн ими генерируемых. Энергия волновых течений составляет 85%, а ветровых 15% от общей энергии течений.

Определено, что инерционные и захваченные берегом волны (течения) наблюдаются не эпизодически, а постоянно, что эти волны энергетически устойчивые, резонансного типа образования, в которых потери и дозы

поступающей энергии малы по сравнению с энергией волны и поэтому моменты поступления энергии "незаметны".

Показано, что групповая структура инерционных волн определяется не изменением действия источника, а взаимодействием волн между собой.

Установлено, что в прибрежной зоне инерционные волны трансформируются, спектр волновых течений становится многомодальным скорости течений достигают 100-150 см/с, а в глубоководной части моря они составляют всего 50-60 см/с.

Установлено, что режим течений Каспийского моря имеет преимущественно адвективный характер, а турбулентность мала. Это подтверждает волновую природу течений.

Определена роль квазипостояннных и знакопеременных течений в водо-солеобмене и формировании поля солености вод Каспийского моря. Водо-солеобмен, положение гидрофронта осуществляются квазипостоянными течениями, а "размытость" поля солености - турбулентностью знакопеременных течений.

Разработана схема квазипостоянных течений Каспийского моря, с информацией о скоростях, направлениях течений и водо-солеобмене.

Определена природа квазипостоянных течений. Наиболее вероятно, что они являются стоксовым переносом долгопериодных волн.

Выявлено, что апвеллинг и даунвеллинг Каспийского моря генерируются в основном не ветром, а вдольбереговыми течениями.

Практическая ценность.

В работе описаны явления, характеризующие горизонтальные и вертикальные движения вод бассейна в разных пространственно-временных масштабах, формирующие солевой и температурный режим моря, перемещение и перемешивание растворенных в воде веществ и взвесей естественного и антропогенного характера. Результаты исследований могут быть использованы для решения практических задач, в том числе при определении:

- рыбопродуктивности моря, жизнедеятельности морских организмов, развития кормовой базы рыб;

- качества вод бассейна для использования в промышленности, сельском и коммунальном хозяйстве;

- влияния на качество вод моря сбрасываемых в него переработанных промышленностью и сельским хозяйством загрязненных вод;

- состояния экосистемы моря;

- влияния движения вод на развитие рельефа дна и берегов, особенно в прибрежной зоне и на мелководьях;

параметров проектируемых и действующих гидротехнических сооружений: систем забора и сброса вод, дамб, портов, нефтедобывающих сооружений и нефтепроводов.

Результаты работы могут быть использованы также для создания сложных моделей, включающих блок гидродинамики, для решения указанных выше задач.

Сведения о водо- солеобмене общей циркуляции моря внедрены НКЦ "Каспий" РАН при разработке модели экосистемы моря и реализованы при изучении водно-экологических проблем Каспия.

Данные о формировании поля солености вод Северного Каспия внедрены ГОИН-ом в модели перемешивания вод Волги и морских.

Личный вклад. В диссертации обобщены результаты исследований динамики вод Каспийского моря, выполненных в 1980-1994 г.г. по плану НИР ИВП РАН по теме "Исследование закономерностей формирования водных ресурсов и качества вод Каспийского моря и его бассейна (раздел ,темы "Исследование динамики, ветровых и волновых течений Каспийского моря, формирование поля солености, апвеллинг") под руководством и непосредственном участии автора. Научные идеи, изложенные в работе, принадлежат автору.

Апробация работы. Результаты исследований, изложенные в диссертационной работе, опубликованы в 20 статьях и в монографии, по отдельным разделам и в целом по диссертации были доложены: на Ученом Совете ИВП РАН; семинаре океанографического общества г. Ленинграда; третьей конференции "Динамика и термика рек, водохранилищ и окраинных морей"; семинаре отдела Динамики моря ГОИНа; втором международном симпозиуме "Комплексный глобальный мониторинг Мирового океана" (МОНОК-Н); расширенном заседании гидрологической, гидрохимической и биологической секции Научного Совета при ГКНТ и АН СССР по комплексному изучению проблем Каспийского моря; семинаре "Методы гидробиологических исследований в связи с задачами комплексных исследований Каспийского моря"; Всесоюзном совещании по гидрологическим и водохозяйственным аспектам формирования экосистемы

бассейна Каспийского моря; постоянно действующем Научном семинаре Научного Совета РАН по комплексному изучению проблем Каспийского моря и его бассейна; совместном семинаре лабораторий влагопереноса и испарения и гидродинамики ИВП РАН; секции Ученого Совета ИВП РАН. по гидрофизике и экологии; четвертой конференции "Динамика и термика рек, водохранилищ, внутренних и окраинных морей", Международном симпозиуме ЮНЭСКО "Природные и социально-экономические последствия разработки и управления водными ресурсами", Ученом Совете ИВП РАН.

II. Структура и содержание работы.

Диссертационная работа состоит из введения, восьми глав, заключения и списка литературы из 130 названий, 31 рисунка, содержит 230 страниц.

Во введении обсуждается актуальность проблемы, приведено краткое содержание диссертации, дано сравнение полученных результатов с имеющимися в литературе исследованиями по близкой тематике, сформулированы основные результаты приоритетного характера, положения, выносимые на защиту, отмечен личный вклад автора.

Значительную часть диссертационной работы занимают вопросы о ветровых течениях и долгопериодных волнах (главы 1-4). При этом, в главе 1 изложены общие представления о ветровых течениях и долгопериодных волнах в морях и океанах. В главах 2 и 3 дан критический анализ выполненных ранее исследований течений с позиций существующих представлений о данных явлениях, без учета результатов наших исследований. Глава 4 посвящена результатам экспериментальных исследований течений (знакопеременных и постоянных) и долгопериодных волн на Каспийском море.

В главах 5, 6 приведены исследования процессов переноса солей, водо-солеобмена, формирования поля солености и квазипостоянных течений.

В главе 7 изложены результаты исследований апвеллинга и даунвеллинга в Среднем Каспии.

В главе 8 дано краткое описание приборов, методов постановки измерений и обработки результатов.

Глава 1. Общие сведения о ветровых течениях и долгопериоднных волнах.

Под течением следует понимать движение воды в водных бассейнах (морях, океанах, озерах и прочих водных объектах). Эти движения могут иметь различные пространственно-временные масштабы, механизмы и быть вызваны разными причинами. Считается, что в замкнутых морских водоемах основные причины, вызывающие течения - ветер (возможно, и колебания атмосферного давления), а также сток рек и испарение. При этом, одна и та же причина может создать течения, имеющие различный механизм и пространственно-временные масштабы. Так, движение воздушных масс в атмосфере создает так называемые дрейфовые течения, вызванные "влекущим действием ветра". Перемещение масс воды в пространстве осуществляется неравномерно, что создает наклон уровня и соответственно градиентные течения. Дрейфовые и вызванные ими градиентные течения принято называть ветровыми. Изменения скорости и направления ветра (а также давления) в пространстве и во времени создают условия, при которых возникают разного рода долгопериодные волны, имеющие такой параметр -как орбитальные движения частиц воды (и стоксов перенос), фактически представляющие собой волновые течения. Диапазон пространственно-временных масштабов течений широк и зависит от пространственно-временных масштабов поля ветра и давления, а также от морфометрических характеристик бассейна.

Ветровые течения. Основные положения теории ветровых течений, заложенные Экманом в 1905 г., до настоящего времени не изменились. В работе приводятся только необходимое для понимания излагаемого далее. Считается, что ветер, действующий на морскую поверхность, создает сдвиговые напряжения, передающиеся за счет турбулентности нижним слоям воды. Получены решения, когда поверхность моря горизонтальна и для стационарного режима. При глубине моря Н, существенно больше толщины верхнего слоя О, называемого экмановским, в котором присутствуют дрейфовые течения, решение дает следующее. Полный перенос массы воды в экмановском слое направлен под прямым углом вправо в северном и влево в южном полушариях. Течение на поверхности направлено под углом 45° вправо от направления ветра и с глубиной вектор скорости по модулю экспоненциально убывает и поворачивает вправо (в

северном полушарии). На глубине D течение направлено против поверхностного течения и составляет приблизительно 0.04 от его величины. Для условий Каспийского моря D = 20-25 м.

Для определения скорости дрейфового течения у поверхности моря U, по скорости ветра W для условий <р > 0е и W > 6 м/с часто используют соотношения, полученные экспериментально [ Боуден, 1988]

U, = KW = 0.0127 W/Äp , ( 1.1 )

где ф - широта места, К - ветровой коэффициент, определяемый по данным непосредственных наблюдений в море U, hW.

В мелком море, когда Н < D, течение на поверхности отклоняется от ' направления ветра на величину меньше 45° и при H/D порядка 0.1 течения на поверхности и у дна моря практически должны совпадать с направлением ветра. Время действия ветра на водную поверхность до установления дрейфовых течений для глубокого моря зависит от широты места и для Каспийского моря равно приблизительно одним суткам. Почти за такое же время или несколько больше они прекращают свое существование после прекращения ветра. Естественно, для мелкого моря стационарное состояние дрейфовых течений должно наступить быстрее. Считается, что для Северного Каспия оно наступает через 6 ч [Гетман, 1976]. Результаты исследований ветровых течений на Каспийском море изложены в главах 2,3.

Долгопериодные волны. Исследования свидетельствуют о возможности существования ( во всяком случае в теоретическом плане) в Черном море многих из присущих океанам видов долгопериодных волн [Блатов и др., 1984]. Можно допустить, что и в Каспийском море существуют подобные волны.

Экспериментальных данных для доказательства присутствия в морских бассейнах тех или иных видов волн явно недостаточно. Обычно многочисленные измерения течений или уровня, выполненные локально на небольшом участке моря, не позволяют достоверно определить параметры волн, по которым они классифицируются.

Нас будут интересовать инерционные волны, волны Кельвина и шельфовые [Каменкович, 197 3; Jle Блон, Майсек, 1981; Блатов и др., 1984; Герман, Левиков, 1988; Зырянов 1985]

Первые теоретические исследования инерционных движений (волн) были выполнены в 1938 г. К-Россби, считавшим, что первопричина этих движений - переменные течения, которые могут быть созданы переменным по скорости ветром, турбулентностью в основном потоке, а также долгопериодными волнами.

Экспериментальные данные, вроде бы, подтверждают, что в большинстве случаев инерционные движения генерируются ветром. В пользу этого говорит следующее. Быстро уменьшается амплитуда скорости движения воды с глубиной и корреляционная связь этих движений с увеличением расстояния. Так, величине когерентности 0.7-0.9 по вертикали соответствует расстояние 80 м, а по горизонтали 50-70 км [ Блатов и др., 1984]. Однако убедительных доказательств связи этих волн с атмосферной активностью нет. Иногда инерционные волны регистрируются на значительной глубине. Допускается, что в этом случае они генерируются флуктуациями основного потока или длиннопериодными волнами. Е.Г.Морозов [1985], анализируя групповую структуру инерционных волн в океане, зарегистрированных на разных горизонтах, предположил, что инерционные волны генерируются флуктуациями атмосферного давления. Согласно сведениям [Филатов, 1983], инерционные волны в озерах регистрируются подо льдом. В этом случае они могут быть образованы только флуктуациями атмосферного давления. По имеющимся представлениям, инерционные волны наблюдаются эпизодически (но довольно часто) в виде "пакетов" (групп) волн. Экспериментальные исследования указывают, что инерционные волны существуют всего несколько периодов инерции и наиболее вероятно появление групп волн с 2-3 волнами [Рожков, Филатов, 1977; Филатов, 1983], 5-8 [Блатов и др., 1984], а теоретические - что возможно появление групп волн, включающих около 100 волн [Münk, Phillips, 1968]. Предполагается, что передача энергии волнам от источника осуществляется импульсом, равным 2-3 периодам волн [Блатов и др., 1984].

В Черном море инерционные движения в основном прослеживаются в верхнем 20-50 - метровом слое [Блатов и др., 1984].-

Инерционные волны в Каспийском море мало изучены. Можно назвать ряд работ [Блатов и др., 1986; Бондаренко, Косарев, 1990; Блатов, Ведев, 1990], в которых представлены результаты спектрального анализа, позволяющие сделать предположение о существовании инерционных волн в Среднем и Южном Каспии.

Итак, по мнению многих исследователей, инерционные волны наблюдаются в виде групп и могут быстро образовываться и быстро затухать, а параметры групп и самих волн зависят непосредственно от параметров источника. Связь с источником в этом случае рассматривается как квазивынужденная.

Представления о свойствах и природе инерционных волн противоречивы и не позволяют однозначно объяснить механизм их генерации. Возбуждение не может иметь локального когерентного характера, как это часто считается, поскольку когерентность волновых движений по горизонтали затухает быстро, гораздо быстрее, чем поле источника, в качестве которого принимаются анемо-барические образования (тайфуны, циклоны и др.). Скорее всего, источник имеет случайно распределенный характер или близкий к таковому, как считают авторы работы [Münk, Phillips, 1968]. Тогда групповая структура волн может быть объяснена не усилением или ослаблением источника, а иными причинами, например, взаимодействием волн между собой. В качестве аналога могут рассматриваться ветровые волны, групповая. структура которых обусловлена подобным взаимодействием волн [Давидан, Лопотухин, Рожков, 1985].

Допускается, что в замкнутых водоемах могут образовываться прогрессивные волны Кельвина, которые обегают бассейн вдоль берега в северном полушарии против движения часовой стрелки. Амплитуда волны экспоненциально убывает от берега.

В Каспийском море эти волны почти не изучены и их существование экспериментально не доказано. В работе А.С.Блатова, ДЛ.Ведева [1990] изложены результаты моделирования различных волновых движений в Каспийском море. Авторы утверждают, что ветровая активность на море может индуцировать бароклинные волны Кельвина.

Если учесть, что внутренний радиус деформации Россби для Каспийского моря составляет 5-15 км, то длина такой волны должна быть равна IsOkRj = 30-100 км и период соответственно равен 11-37 час.

Шельфовые волны являются разновидностью топографических планетарных волн [Ле Блон, Майсек, 1981; Боуден, 1988]. Система таких волн представляет собой последовательность "вихрей", с вертикальными осями чередующихся знаков, распространяющихся вдоль шельфа. Их основные свойства таковы: периоды больше инерционных; вектор фазовой скорости направлен вдоль берега, находящегося справа относительно

движения волны в северном полушарии и слева - в южном; фазовые скорости порядка 1 м/с; подъем уровня в них невелик - редко превышает 10 см, но скорости течений могут достигать более 20 см/с. Поэтому их легче обнаружить по записям течений, нежели уровня моря. Генератором их могут быть крупномасштабные погодные системы, двигающиеся вдоль или поперек шельфа.

В работах П. Ле Блона, Л. Майсека [1981], В.Х.Германа, С.ПЛевикова [1988] приведен большой список работ, авторы которых по экспериментальным данным пытались исследовать связи параметров шельфовых волн и крупномасштабных колебаний ветра и давления. В настоящее время общепринято мнение, что шельфовые волны возбуждаются напряжением ветра, неоднородности которого могут иметь порядок во времени 2-10 суток, а в пространстве соизмеримыми с размерами шельфа [Ле Блон, Майсек, 1981]. Считается, что эти волны носят импульсный или квазивынужденный характер ( их "время жизни" равно 1- 3 периодам волн), вызваны они сильной атмосферной активностью. Вместе с тем, убедительных доказательств связи их с атмосферной активностью, также как и инерционных волн, в литературе не встречается.

Отечественными учеными [Лаппо и др., 1978; Лаппо, 1979; Ефимов и др., 1985] исследованы шельфовые волны вдоль Курильской гряды со стороны Тихого океана. Экспериментально показана возможность их связи с крупномасштабными погодными системами, перемещающимися вдоль Курильских островов.

Исследованию шельфовых волн в Черном море посвящены отдельные разделы работы А.С.Блатова и др. [1984] с расчетами, согласно которым длина волны должна быть равна 30-100 км, а период от 20 ч до 5 суток.

Ряд исследователей считает, что в "чистом" виде шельфовых и бароклинных волн Кельвина может не быть, а наблюдаются волновые образования, сочетающие в себе отдельные признаки этих волн [Иванов, Янковский, 1991]. В этом мы убедились после анализа данных наших измерений этих волн в восточной части Среднего Каспия и данных В.А.Иванова и А.Е.Янковского [1993] около Южного берега Крыма. Поэтому иногда мы их называем просто захваченными берегом волнами.

Глава II. История исследований и состояние вопроса.

В настоящей главе приводится описание и анализ выполненных ранее исследований течений Каспийского моря.

Исходя из характера изменчивости во времени, течения будем делить на две группы: знакопеременные и квазипостоянные. К первой группе отнесем волновые и ветровые течения с периодами меньше 1-2 мес,. ко второй -течения с большими периодами и постоянные [Бондаренко, Косарев, 1990]. При таком делении переменная часть течений, входящая в квазипостоянное течение, будет значительно меньше постоянной.

В гл. 4 будет показано, что в спектре знакопеременных течений выделяются две четко обособленные энергетические области с максимумами на периодах около суток и недели, соответствующие течениям различной природы.

Впервые квазипостоянные течения были обстоятельно исследованы Н.М.Книповичем [1921], обнаружившим их многочисленными измерениями течений методом "бутылочной почты". Он считал, что существует общее круговое "постоянное" движение, в которое вовлечены воды Среднего и Южного Каспия. В этом общем движении вод Каспийского моря участвуют все водные массы бассейна, но максимальные скорости наблюдаются на границе между шельфом и свалом глубин. По мнению Н.М.Книповича, воды Северного Каспия лежат вне области круговых течений, присущих Среднему и Южному Каспию. Однако на востоке в зависимости от большего или меньшего притока пресной воды из Волги в Северный Каспий проникает соленая вода из Среднего Каспия. Четкого объяснения природы образования круговых течений Н.М.Книпович не дает. Позднее экспериментально установлено, что подобные круговые движения воды наблюдаются в сравнительно крупных замкнутых морских бассейнах и озерах [Филатов, 1983; Блатов и др., 1984; Sailor, Miller, 1979]. Впервые такие движения воды были обнаружены в оз. Гурон М.В. Харрингтоном, который измерял их в 1882-1884 г.г. Однозначного объяснения этому явлению не дано. Из возможных причин, вызывающих его, называют четыре [Филатов, 1983] : горизонтальная неоднородность поля плотности; неоднородность поля ветра в циклонических образованиях над водными объектами и неоднородность поля ветра, возникающая из-за вариаций трения, обусловленных неоднородностью температуры поверхности воды; отклонения 'речных потоков под действием силы Кориолиса; ctokcoe перенос, возникающий во внутренних волнах Кельвина. Несмотря на то, чтс

эти течения вызывали большой интерес у ученых [Леденев, 1943; Леонов, 1960; Михалевский, 1931; Штокман, 1936], в дальнейшем в их исследованиях было сделано немного, особенно в Среднем и Южном Каспии. Исключение составляют работы Ф.И.Валлера и И.Г.Егорова, впервые получивших данные о скоростях течений Северного Каспия и некоторых характеристиках водообмена между западной и восточной его частями [1972, 1980].

В настоящее время нет однозначного мнения относительно существования "круговых" течений в Каспийском море, поскольку непосредственных измерений квазипостоянных течений очень мало. Нами приводятся дополнительные факты, подтверждающие существование квазипостоянных круговых течений (в гл. 2,4,5,6).

Знакопеременные течения Каспийского моря принято относить к категории ветровых течений: фрикционных, вызванных влекущим действием ветра, и порождаемых ими градиентных. Согласно сведениям многих исследователей, в том числе и нашим, максимальные скорости течений в Северном Каспии крайне редко превышают 70 см/с, и то в основном в южной его части, а в северной части 40 см/с, средние скорости 10-15 см/с. Максимальные скорости течений в Среднем и Южном Каспии достигают 100-150 см/с и наблюдаются обычно в районе резко выступающих в море подводных образований типа хребтов и мысов. Например, большие скорости течений отмечены в районе Апшеронского полуострова. У м. Песчаный (восточный берег Среднего Каспия) нами зарегистрированы скорости течений до 100 см/с. Средние скорости течений в Среднем и Южном Каспии составляют 20 см/с.

Исследованию динамики течений Каспийского моря посвящено сравнительно много теоретических (рассматриваемых в гл. 3) и экспериментальных работ [Штокман, 1938; Компанией, 1974; Косарев, 1975; Скриптунов, 1984; Клевцова, 1966 а,б]. Используя информацию о течениях и ветре, одни авторы получают упрощенные зависимости типа (1.1), другие представляют ее в табличной форме.

Согласно экспериментальным исследованиям, направление ветра и течения в доминирующей своей части совпадают или почти совпадают и скорость течения пропорциональна скорости ветра.

-16 -

Глава 3. Расчет и моделирование течений.

Для расчета течений Каспийского моря используются как баротропные, так и бароклинные модели, а также рассмотренные ранее простые формулы вида (1.1), отражающие связь скорости течения и ветра.

Баротропные модели в основном используются для расчета ветровых течений, в них течения рассчитываются по полю ветра, предположительно, основному источнику движений воды в море. Следует выделить модели мелкой воды для расчета течений толко Северного Каспия и глубокой воды для всего Каспийского моря, модели стационарные и нестационарные.

Баротропные и сложные модели.

Пожалуй, первой, использованной для расчета течений Северного Каспия, является общая трехмерная модель установившегося течения для баротропного моря малой и средней глубины, разработанная П.СЛинейкиным и А.И.Фельзенбаумом [1955]. В работе использована обобщенная (для мелкого моря) стационарная модель Экмана. Для расчета применено уравнение Пуассона для функции полных потоков. В дальнейшем А.И.Фельзенбаум эту модель усовершенствовал [1960]. Модель А.И.Фельзенбаума была реализована Ф.Г.Бахмаловым [1968], Г.Я.Шкудовой [1972], О.В.Казаковым [1976] для расчета течений Северного Каспия. Рассчитанные с помощью этих моделей течения в верхнем слое практически совпадают с направлением ветра, а в нижнем они направлены против ветра. И.Ф.Гетман [1978], С.М.Перминов и И.И.Чечель [1985] считают, что в условиях мелкого Северного Каспия двухслойные по вертикали потоки в основном образовываться не могут, так как глубина трения значительно больше глубины моря.

Для расчета неустановившихся течений Северного Каспия группой авторов [Баклановская и др., 1990; Перминов, Чечель, 1985] была разработана нестационарная модель, в которой используется полная система уравнений теории мелкой воды.

Для исследования неустановившихся течений В.П.Беловым и Ю.Г.Филипповым [1986] разработана трехмерная модель, основанная на решении линеаризованных уравнений движения. По их мнению, адвективные члены уравнения малы и не влияют на расчеты течений, поэтому они их исключили. Как и в предыдущих моделях, основная сила,

вызывающая движение воды в море, - касательное напряжение ветра. Выполненные на этих моделях исследования показывают, что при устойчивом ветре течения имеют циркуляционную структуру.

Авторами использованных здесь моделей была принята концепция, согласно которой основная доля энергии знакопеременных течений Северного Каспия принадлежит ветровым течениям. Кроме того, считается, что движение воды в Среднем Каспии не влияет на поведение течений Северного Каспия или влияние этих движений несущественно. Это позволяет задавать на жидкой границе условие твердой стенки, свободного протекания или незначительного по величине водообмена, со скоростями течений ± 2 см/с.

Пожалуй, это не совсем верно. Влияние течений Среднего Каспия на Северный должно быть существенным. Так, соленая вода поступает из Среднего Каспия в Северный (важный фактор) с потоками воды, которые в моделях не учитываются.

Известна единственная модель течений всего Каспийского моря -двухслойная [Бадалов, Ржеплинский, 1989]. Для верхнего слоя -нестационарная трехмерная модель движения с учетом нелинейности, бокового обмена и горизонтальной диффузии. Авторы исходят из того, что в море существуют два выраженных по вертикали слоя, в которых динамические процессы протекают в разных пространственно-временных масштабах. Толщина верхнего, деятельного слоя определяется конвекцией. Верхний слой динамически более активен по сравнению с водами, лежащими ниже него. Он находится под влиянием синоптических атмосферных процессов, в основном ветра. Скорости течений в этом слое достигают 40-60 см/с, а в отдельных случаях 100 см/с и более. В нижнем, глубинном слое динамические процессы протекают в основном за счет пространственной неоднородности поля плотности (определяемой температурной неоднородностью воды) и имеют масштабы, характерные для климатических процессов. Скорости движений воды равны 3-5 см/с. Судя по всему, модель предназначена для исследования течений, имеющих периодичность, соизмеримую с синоптической изменчивостью, т.е. несколько суток.

Динамический и диагностические методы.

Результаты использования этих методов для изучения течений Каспийского моря изложены в работах [Косарев, Барабаш, 1969; Косарев, 1975; Саркисян и др., 1976; Каспийское море, 1975]. Следует учесть, что используемые в них зависимости отражают взаимосвязь исследуемых процессов (полей течений, плотности воды и уровня моря) при условии, если они протекают в режиме медленных изменеий с периодами Т0 »1//,, (/„ - локальная инерционная частота) и не могут быть корректно описаны этими зависимостями, когда периоды изменяются от 1//0 до Т <Т0. В целом взаимосвязи исследуемых процессов с уменьшением периода ослабевают и не наблюдаются для процессов с периодами, равными или меньшими 1//0.

В Каспийском море в отличие от океана процессы быстрых изменений доминируют над процессами медленными. Поэтому возникает необходимость первоначально регистрировать течения, соленость и температуру воды с учетом их быстрых изменений, а затем эти быстрые изменения исключать (отфильтровывать). После этого следует оценивать связь поля течений и плотности в режиме медленных изменений. Применительно к условиям Каспийского моря подобные операции не выполнялись. Скорее всего, как следствие этого, квазипостоянные "круговые" течения не получили отражения в "рельефе" уровенной и динамической топографии Каспийского моря. При соблюдении указанного динамический и диагностический методы могут быть использованы репрезентативно. Обнадеживает, что эти методы успешно используются для расчета поля течений озер по полю плотности [Филатов, 1991].

Общим недостатком всех приведенных в этой главе моделей является то, что применительно к условиям Каспийского моря они слабо идентифицированы с натурой.

Глава 4. Экспериментальные исследования течений и долгопериодны) волн Каспийского моря.

В настоящей главе описаны эксперименты, анализ результатов которые показывает, что в Каспийском море доминируют течения долгопериодны: волн.

Из изложенного в главах 1-3 следует, что ветровые течения обладаю следующими свойствами: их направление в основном совпадает •

направлением ветра, а скорости достигают максимальных значений через 3-6 ч после начала действия ветра для Северного Каспия и через сутки для Среднего и Южного Каспия. Приблизительно за такое же время после прекращения действия ветра они, постепенно уменьшаясь, исчезают. Процесс развития течений зависит от локального ветра. В первом приближении течения можно рассматривать как квазивынужденный процесс. Время их "жизни" изменяется от 3-6 ч до суток или немного больше.

Вместе с тем, выполненные нами исследования показали, что эти знакопеременные течения не обладают изложенными свойствами и, следовательно, не могут быть ветровыми. Было установлено, что в доминирующей своей части наблюдаемые течения не ветровые, а волновые, а именно: течения инерционных и захваченных берегом волн или волн ими генерируемых. Волны образуются в Среднем и Южном Каспии, а в Северный проникают уже в трансформированном виде. Ниже приводится описание отдельных экспериментов и их анализ, которые подтверждают изложенное.

Летом 1982 г. в центральной части мелководного Северного Каспия в двух точках, на расстоянии 9 км друг от друга, 22 суток измерялись течения. Цель эксперимента - получить информацию, позволяющую исследовать пространственно-временную изменчивость течений и связь их параметров с параметрами предполагаемого определяющего фактора - ветра. 15 суток из 22 ветер непрерывно был восточного направления, устойчивым, со скоростями преимущественно 8-10 м/с. Несмотря на устойчивость ветра в структуре течений было выделено более 20 колебаний квазипериодического характера, т.е. с периодом около суток. Таким образом, в эксперименте ветер и течения редко совпадали по направлению. Анализ поведения ветра и течений не позволяет принять механизм теории ветровых течений. Разумеется, применение зависимости 1.1 в данном случае физически было бы не обосновано. Мы предположили, что эти течения волновые, а волны распространяются из Среднего Каспия. В пользу этого говорит следующее: квазигармоничность течений, высокая их когерентность (0.9) в двух точках, преобладание движений воды по линии СЗ-ЮВ. В дальнейшем подробные эксперменты повторялись и результаты их были схожими.

Анализ наблюдений течений и ветра в пункте Астраханский плавмаяк за весенне-летне-осенний сезоны 1964, 1972-1974 гг. убеждают нас, что течения

Северного Каспия в доминирующей своей части не ветровые, а волновые. Предположительно волны приходят из Среднего Каспия. В этих исследованиях мы поставили задачу проследить, как ведут себя течения при длительном отсутствии ветра или при слабых ветрах. Согласно существующим представлениям о ветровых течениях, в таких ситуациях их не должно быть или они должны иметь небольшие скорости. Исследования показали, что это не выполняется. В работе демонстрируются данные наблюдений, когда продолжительное время (более недели) над всем Каспийским морем наблюдались очень слабые ветры или был штиль, а вместе с тем в пункте Астраханский плавмаяк регистрировались течения с экстремально большими скоростями для данного места - 70 см/с. Разумеется эти течения не могут быть ветровыми, а являются волновыми. Мы показываем, что такие течения могут возникать в результате трансформации в мелководной зоне Северного Каспия инерционных волн, образовавшихся в Среднем Каспии.

В 1987, 1989 г.г. у восточного побережья Среднего Каспия нами были проведены эксперименты для установления существования, вида волновых движений, их параметров и вклада в динамику вод бассейна.

Информация о волнах и волновых течениях была получена с помощью приборов АЦИТ, установленных на специальных автономных буйковых станциях. Станции были размещены в плане, преимущественно вдоль берега, что позволило определить по параметрам течений все основные параметры волн: период, фазовую скорость, длину, орбитальную скорость движения частиц воды. Были зарегистрированы два вида долгопериодных волн: инерционные и захваченные берегом. Последние в дальнейшем будем иногда называть условно шельфовыми, как это часто принято. Результаты экспериментов несколько изменили и наши представления об этих волнах.

Инерционные волны (а точнее, течения инерционных волн) с периодом около 17.5 ч наблюдались не эпизодически, как считается, а непрерывно и имели форму квазигармонического сигнала, модулированного по амплитуде. Модуляции включали порядка 10 - 15 периодов и обусловлены, как мы считаем, взаимодействием нескольких близких по частоте волн. . Такая правильная квазигармоническая форма колебаний течений позволяет нам сделать вывод, что инерционные волны -устойчивые, "додгоживущие", резонансного типа образования, в которых потери энергии малы, а ее поступление осуществляется небольшими,

практически "незаметными" по сравнению с энергией волны дозами. Можно утверждать, что "время жизни" волн больше, чем одна модуляция, а скорее всего, около 100 суток [Münk, Phillips, 1968]. Эта величина нас не должна удивлять. Так, для сравнения, "время жизни" ветровых волн и зыби равно приблизительно десяти тысячам их периодов.

Средняя амплитуда колебаний скорости течений инерционных волн в Каспийском море равна 20 - 25 см/с, а максимальная - 50 - 60 см/с. Инерционные волны с такими же скоростями наблюдаются в океанах и на Черном море. Это позволяет сделать вывод: волновой процесс находится в энергетически предельном состоянии и дальнейшее увеличение скорости течений приводит к резкому увеличению потерь энергии и рост волн приостанавливается. Наши исследования показали, что поле однородного волнового движения может превышать 140 км, т.е. быть соизмеримым с размерами Среднего Каспия.

В прибрежной зоне инерционные волны вследствие нелинейных искажений меняют свою спектральную структуру и скорости течений: дополнительно к инерционному максимуму появляются еще максимумы спектральной плотности на периодах 24-32 ч, а скорости течений достигают 100-150 см/с.

Захваченные берегом волны имели периоды 100-200 ч, длину около 200 км, распространялись вдоль берега с фазовой скоростью около 0.4 м/с. Амплитуда скорости течения в пределах шельфовой зоны составляла 15-20 с м/с. Анализируя данные натурных наблюдений, можно сделать вывод, что эти волны представляют собой образования, сочетающие в себе отдельные свойства шельфовых и бароклинных волн, как это было предсказано В.А.Ивановым и А.Е.Янковским [1991]. Вектор волновых течений в них ориентирован вдоль берега и амплитуда колебаний скорости течений постепенно уменьшается по мере удаления в море, как в бароклинных волнах, а с глубиной амплитуда скорости течений в пределах шельфа не меняется (или меняется слабо), как в шельфовых баротропнмх волнах. Нами было установлено, что подобные движения (с аналогичными периодами) воды с такими же амплитудами колебаний скорости течений 15-20 см/с наблюдаются в Среднем и Южном Каспии.

Обобщив данные наблюдений этих волн в морях и океанах [Brink, 1982; Mysak, 1980; Иванов, Янковский, 1993] и наши, можно заключить, что эти волны наблюдаются непрерывно и в пределах шельфовой зоны имеют такие

же как и в Каспийском море амплитуды колебаний скорости 15-20 см/с. Скорее всего, величины скорости течения 20 см/с являются максимальными для этих волн. Можно предположить, что также как и инерционные волны, они нелинейны, при скоростях больше 20 см/с резко увеличиваются потери энергии и волны приостанавливают рост. Свойство этих волн наблюдаться непрерывно и с постоянной амплитудой колебания скорости течений позволяют рассматривать их как устойчивые "долгоживущие" образования, в которых потери и дозы поступающей энергии малы по сравнению с энергией волны и практически "незаметны". Можно считать, что "время. жизни" волн больше одного-трех периодов и соизмеримо с интервалом в один год, в противном случае прослеживалась бы сезонная изменчивость амплитуд колебаний скорости течений.

В работе показано, что энергия захваченных берегом и инерционных волн доминирует в спектре знакопеременных течений и составляет 85%, а энергия ветровых течений 15% общей энергии течений. В этом легко убедиться, проанализировав непосредственные измерения течений и ветра, а также результаты их спектральной обработки.

Таким образом, знакопеременные движения воды бассейна представляют собой суперпозицию в основном двух движений: возвратно-поступательных вдоль берега с периодом около 150 ч и круговых с периодом около 17 ч, создаваемых захваченными берегом и инерционными волнами.

Ветровые течения и водны (волновые течения) - это, конечно, принципиально разные процессы, со своими свойствами, кинематикой и связями с определяющими факторами, по разному влияющими на перемешивание вод, водо-солеобмен, формирование поля солености.

Отметим некоторые свойства ветровых и волновых течений (волн), указывающих на их существенные различия. Для ветровых течений характерны большие трение и турбулентность, малые силы инерции по сравнению с силами трения, соизмеримость "времени жизни" с периодичностью этих образований (1-2 суток); процесс носит квазивынужденный характер. Волновые течения имеют малые трение и турбулентность, силы инерции велики по сравнению с трением, "время жизни" велико и равно приблизительно 20-100 периодам волн, поступление и потери энергии происходят малыми ("незаметными" по сравнению с энергией волн) дозами.

- sa -

При одинаковых по силе воздействиях источника на водную поверхность моря волновые течения будут иметь несравненно большие скорости нежели ветровые, связь параметров ветровых течений с "сиюминутными" параметрами источника (ветра) заметна (во всяком случае, теоретически), в то время как для волновых течений эта связь незаметна.

Итак, в данной главе приведены довольно убедительные факты и доказательства следующего. Основная доля энергии знакопеременных течений Каспийского моря принадлежит волновым течениям. У нас не вызывает сомнения, что высокочастотные течения до периодов 60 ч обусловлены в основном инерционными, а течения в низкочастотной области - захваченными берегом волнами со средними периодами 150 ч. Судя по всему, энергия ветровых течений существенно меньше энергии волновых течений и сосредоточена в области низких частот с большими, чем 60 ч периодами. Указанные инерционные и захваченные берегом волны образуются в глубоководном Среднем и Южном Каспии. В Северный Каспий они проникают уже в трансформированном мелководьями виде. Инерционные и захваченные берегом волны - энергетически устойчивые, .постоянно существующие, слабо изменяющиеся во времени образования. "Время жизни" инерционных и захваченных берегом волн намного больше их периода.

Вместе с тем, нет достаточно убедительных натурных данных, позволяющих установить генератор этих волн. Можно считать, что захваченные берегом и инерционные волны вызваны флуктуациями атмосферного давления.

Глава 5. Течения и механизм формирования по.тя солености вод Северного Каспия.

Изучать поле солености вод Северного Каспия начали в 30-х годах в связи с перспективой изменения солености, что было обусловлено возможным уменьшением стока Волги и падением уровня моря. Соленость вод всего Северного Каспия регулярно начали измерять с 1935 г. 2-4 раза в год в весенне-осенний период. К настоящему моменту имеется довольно обширная информация об изменениях поля солености, уровня моря, стока рек, течениях, позволяющая изучать связь этих явлений между собой.

В формировании поля солености вод Северного Каспия участвуют пресная вода, поступающая из Волги, и соленая - из Среднего Каспия. Анализ схем распределения солености за разные годы и месяцы показывает следующее. Соленость нарастает от 0 до с удалением от дельты Волги. Внутри области моря с соленостью от 2 до 10%, градиенты солености обычно существенно больше, чем за ее пределами. Эта область получила название гвдрофронта, его ширина 20-60 км (иногда больше). До и после гидрофронта соленость меняется сравнительно медленно. Поэтому можно считать, что средняя соленость определенного участка Северного Каспия будеть зависеть от положения гвдрофронта. Согласно результатам многочисленных исследований, поле солености в фиксированной точке моря изменяется в межгодовом, сезонном режиме, а также в режиме знакопеременных течений.

Исследованию поля солености Северного Каспия посвящено сравнительно много работ [ Норина, 1955; Симонов и др., 1966; Пахомов, Затучная, 1966; Тимофеев, 1972; Современный и перспективный ... 1972; Архипова и др., 1975; Катунин, 1967, 1975, 1986]. В них приведены результаты исследований корреляционных связей отдельных характеристик поля солености со стоком Волги, иногда р. Урала, а также с уровнем моря.

Исследования механизма формирования поля солености вод Северного Каспия были впервые выполнены авторами работ [Бондаренко и др., 1987; Бондаренко, Жмур, 1980], придерживающихся концепции, что перенос вод в южном направлении осуществляется адвективным переносом (т.е. квазипостоянными течениями), а соленая вода из Среднего Каспия в Северный поступает за счет турбулентного переноса.

В 1986, 1987, 1989 гг. длительно и многократно измерялись течения, соленость и температура воды в различных точках Северного и Среднего Каспия. В результате анализа этих измерений несколько изменились наши представления о течениях и соответственно механизме формирования поля солености. Было установлено, что из Среднего Каспия в Северный поступает большое количество воды (1500 - 2000 кмг/год) в виде квазипостоянного течения, со скоростями 5-10 см/с. Было установлено также, что у восточного берега Среднего. Каспия течение в слое от поверхности моря до горизонта 8 м направлено на юг, а в глубинном слое от 8 м до дна - на север. Поверхностное течение у п-ва Тюб-Караган имеет скорости от 5-10 см/с, на юге, у м. Песчаный, оно ослабевает и имеет

скорости порядка 1 см/с. Глубинное течение на юге сильнее, чем на севере. Так, если у п-ва Тюб-Караган средняя скорость этого течения равна 5 см/с, то у м. Песчаный 9 см/с.

На основании информации о течениях, полученной нами в 1982-1989 гг., из работ С.А.Арсеньева [1985], Ф.И.Валлера, И.Г.Егорова 11980], Н.М.Книповича [1921] была построена схема квазипостоянных течений Каспийского моря.

Наша схема течений отличается от схемы Н.М.Книповича [19211- Так, в ней в восточной части Среднего Каспия прослеживается поверхностное течение на юг и придонное на север. Воды, выходящие из восточной части Северного Каспия через Тюб-Караганский пролив, устремляются на юг вместе с поверхностным течением. Согласно схеме Н.М.Книповича, в восточной части Северного Каспия течение от поверхности до дна однонаправлено на север и воды, выходящие из Тюб-Караганского пролива, вместе с этим течением устремляются на север. Кроме того, мы приводим информацию о скоростях течений и водообмене.

По данным наблюдений за соленостью в 1982-1989 гт., опубликованным в Морских гидрологических ежемесячниках, нами была построена осредненная и обобщенная схема поля солености вод Северного Каспия.

• По схемам квазипостоянных течений и поля солености и учитывая изложенное, попытаемся объяснить, как может быть сформировано поле солености вод Северного Каспия под влиянием квазипостоянных и переменных течений.

Рассмотрим связь поля солености и течений в режиме медленных их изменений, т.е. связь поля с квазипостоянными течениями и действием переменных течений, осредненных за 1 -2 мес.

Измеренное прибором течение можно представить в виде суммы среднего за время измерения (1-2 мес) течения 77 (эквивалент квазипостоянного течения), волнового течения, представленного в виде

^и„51п(шя/ + й)л) (эквивалент знакопеременного течения), и пульсационной добавки и1:

и = « + ]>>. 8Н1(Ш„/ + (оп) + и'

Допускается, что эта пульсационная добавка генерируется преимущественно волновыми - знакопеременными течениями. Такое допущение вполне обосновано. Во-первых, скорости знакопеременных течений существенно больше квазипостоянных, во-вторых, смена направления потока способствует развитию пульсаций в течениях. Соответственно можно представить и соленость:

S = S + £ Sk sin(akt +<pt) + S' к

Здесь S - измеренная соленость, S - средняя соленость за период

наблюдений, St sin(a>tt + tpk) - волновые колебания солености, S' -к

пульсационная добавка. Тогда можно показать, что осредненный за время регистрации течений и солености (1-2 мес) поток солей будет равен:

(uS) =lis + X "A cosfo), -<t>,) + (u's')

н

Первый член правой части уравнения описывает адвективный перенос солей (квазипостоянным течением), второй - волновой перенос солей (знакопеременным течением) и третий - пульсационный или турбулентный перенос солей ( в основном знакопеременным течением). Если же под турбулентностью понимать процесс, обеспечивающий перемешивание вод, то в нем участвуют также и волновые_процессы, описываемые здесь вторым членом уравнения. Члены {uS} и йS вычисляются по непосредственным

измерениям скорости и солености.

По данным измерений течений и_солености в разных точках Северного Каспия было показано, что (uS) = US. Таким образом, можно утверждать,

что перенос солей в основном осуществляется адвективно квазипостоянными течениями. Знакопеременные течения генерируют волновой и турбулентный переносы солей, которые существенно меньше адвективного переноса.

Таким образом, квазипостоянные течения со скоростями на порядок меньше знакопеременных создают потоки . солей на порядок больше последних. Это еще раз подтверждает сделанные выводы, что течения в основном не ветровые, которые должны быть сильно турбулизированы, а волновые, слабо турбулизированные.

Анализ поля течений и солености показал, что линии гидрофронта и раздела двух потоков воды ( выходящих из Волги и Среднего Каспия) практически совпадают. Это свидетельствует о том, что основные характеристики поля солености - гидрофронт и направленность изогалин -формируются главным образом квазипостоянными течениями и могут бьггь определены по полю этих течений. Естественно преположить, что поле "размывается" под влиянием знакопеременных течений.

Итак, по полю солености можно построить приблизительно поле течений й, наоборот, по полю течений определить поле солености.

Глава 6. Водо-солеобмен между западной и восточной частями Северного Каспия, Северным и Средним Каспием.

Основываясь на изложенной в главе 5 концепции, что перенос вод и солей в основном осуществляется адвективным переносом квазипостоянными течениями, - по параметрам этих течений и поля солености были рассчитаны среднегодовые величины водо-солеобмена между Северным и Средним Каспием.

Для этого были использованы экспериментальные измерения течений, выполненные нами в 1982 - 1987 гт. на границах раздела между западной и восточной частями Северного Каспия, между Северным и Средним Каспием, многолетние измерения течений, выполненные Ф.И.Валлером и Ю.Г.Егоровым, и многолетняя информация о поле солености вод Северного Каспия. Установлено, что из Среднего Каспия в Северный чере) восточную часть границы, разделяющую их, в виде однонаправленного квазипостоянного течения поступает 1500-2000 км3 в год соленой воды. Приблизительно такое же количество воды вытекает через западную часть границы, почти не смешиваясь с пресными подами Волги. Для сравнения: среднемноголетний сток Волги равен 250 км3.

Водообмен между западной и восточной частями Северного Каспия менее активен. Вдоль северного побережья Северного Клспия из западной в восточную его часть поступают приблизительно равные по объему количества пресной и соленой воды - 80 км1/ год. Частично пресная вода испаряется (40 км3/год), а остальная часть воды вытекает из восточной части Северного Каспия через Тюб-Караганский пролив и район моря, прилегающий к северной части о.Кулалы.

Ранее без достаточного обоснования использовались два метода расчета водо-солеобмена, а точнее, водообмена, так как солеобмен практически не рассчитывался. Одни исследователи придерживались представлений о том, что водообмен в основном осуществляется знакопеременными течениями, принимли их за ветровые [Грузинская,Скриптунов, 1986; Красножон и др., 1988; Компанией, 1974; Ржеплинский, 1955; Скриптунов, 1986], другие -квазипостоянными [ Валлер, Егоров, 1980; Современный и перспективный ..., 1972].

Теперь, когда имеются достаточно полные представления о поле солености и потоках солей, существует возможность объяснить природу квазипостоянных течений. Мы считаем, что наиболее вероятной причиной квазипостоянных течений может быть стоксов перенос долгопериодных волн, и это подтверждается следующей информацией.

В Северный Каспий из Среднего, как уже отмечалось, поступает соленая вода в виде квазипостоянного течения. Оно направлено против уклонов поверхности моря и, следовательно, "работает" против сил тяжести. Такое течение может быть дрейфовым или стоксовым переносом. В зимнее время Северный Каспий пять месяцев покрыт льдом и в это время дрейфовых течений нет. Исследования показывают, что до и после ледового периода соленость Северного Каспия не меняется, т.е. сюда в ледовый период как обычно в виде течения поступают соленые воды из Среднего Каспия и, следовательно, оно создается стоксовым переносом волн, распространяющихся из Среднего в Северный Каспий.

Все это служит дополнительным подтверждением нашей гипотезы: динамика вод Каспийского моря в доминирующей своей части обусловлена волновыми процессами, а соленость вод Северного Каспия в значительной степени определяется квазипостоянными течениями, которые генерируются волнами.

Глава 7. Прибрежный апвеллинг.

Вдоль восточного побережья Среднего и частично Южного Каспия летом почти всегда у поверхности моря присутствуют воды с аномально низкой температурой. Установлено, что они вышли на поверхность из глубины моря в результате явления, получившего название апвеллинга, который эпизодически наблюдается и у западного побережья Среднего Каспия

Апвеллинг наблюдается во многих районах Земного шара и в его изучении заинтересованы не только ученые, но и практики, поскольку зоны апвеллингов более богаты морскими организмами, чем море или океан в целом.

Впервые теория апвеллинга была изложена в [5уеп!гир и др., 1942] и в дальнейшем развита Гарвиным [Сатпе, 1971]. В целом эта совместная теория заключается в следующем. В Северном полушарии ветер, дующий вдоль берега (берег слева, относительно направления ветра) или под некоторым острым углом к нему, "сносит" поверхностные воды в море, а на смену им поднимаются придонные (как правило, более холодные) и в результате создается циркуляция вод в плоскости, перпендикулярной берегу. Циркуляция генерирует поверхностное вдольбереговое течение, совпадающее (или приблизительно совпадающее) с направлением ветра, и придонное противотечение.

Объяснение механизма апвеллинга Каспийского моря, упоминаемое в [Косарев, 1975], укладывается в рамки этой теории, но в нем не говорится о возникновении вдольберегового течения и противотечения.

Мы обратили внимание на следующее. Во-первых, подобные течения и противотечения (квазипостоянные, устойчивые) наблюдаются в районе апвеллингов обязательно, но они вызваны не апвеллингом, а общей циркуляцией вод бассейна (моря, океана). Во-вторых, далеко не всегда и не везде, в том числе и в Каспийском море, апвеллинг можно объяснить воздействием ветра на водную поверхность. Эти два обстоятельства позволили нам предположить, что апвеллинг генерируется в основном не ветром, а вдольбереговыми течениями. В данном случае "снос" поверхностных вод и "подача" холодных вод к берегу создаются силой Кориолиса, действующей на течение и придонное противотечение.

Был проведен специальный эксперимент в натурных условиях, результаты которого подтверждают изложенную гипотезу. Наблюдалась хорошая связь между направлением вдольберегового поверхностного течения и температурой воды. При течениях на северо-запад температура воды на поверхности моря повышалась, при смене направления течения на противоположное температура воды сразу же понижалась.

Даунвеллинг - явление, при котором в прибрежной зоне поверхностные воды опускаются на глубину. Обычно он наблюдается у западного побережья Среднего и Южного Каспия. Это менее заметное явление по сравнению с

апвеллингом, так как в районах даунвеллинга температура воды на поверхности практически такая же как и в удалении от берега. В работе показано, что он формируется так же как и апвеллинг вдольбереговыми течениями, но структура их иная и наиболее типична следующая. Вдольбереговое течение с глубиной не меняет направления, но скорости его уменьшаются. Берег относительно вектора течений находится справа. Такая структура течений у западных берегов Среднего и Южного Каспия. Наличие апвеллинга и даунвеллинга указывает на определенную структуру течений в исследуемом районе моря, океана.

Глава 8. Постановка измерений, приборы, оценка погрешностей.

В главе кратко описываются приборы, методика постановки измерений и обработки результатов. Из содержания этой главы становится ясным, что изложенные исследования было бы невозможно выполнить без постановки специальных высокоточных и продолжительных измерений течений, солености.

Информация об иследуемом природном явлении зачастую получается путем анализа измерений различных его параметров. Поэтому ее достоверность зависит от параметров явления, измерительной техники, методов постановки экспериментов, методов и точности преобразования измерений в необходимую информацию. В настоящей главе эти вопросы рассматриваются применительно к задаче получения информации о параметрах пространственно-временной изменчивости знакопеременных и постоянных течений Каспийского моря и определяющих их явлений.

Основной объем информации о течениях ранее был получен с помощью анализа измерений течений Каспийского моря приборами, опущенными в море с борта заякоренного судна. Как известно, такие измерения проводятся с погрешностями. В.Б.Штокман и И.И.Ивановский [1937], анализируя подобные измерения, пришли к выводу, что течения регистрируются достаточно точно в "спокойную" погоду* а при волнении на море и сильном ветре - с большими погрешностями. Измеренные и действительные скорости течений могут различаться на порядок. В диссертации показано, что измерения течений на обычных буйковых станциях при волнении на море также проводятся с большими погрешностями и полезная информация бывает соизмерима с "шумом".

Нами был разработан метод проведения высокоточных измерений. В качестве измерителя используется жестко закрепленный компонентный прибор (типа АЦИТа). В работе приведены варианты установки подобных приборов и показано, что квазипостоянные течения в этом случае измеряются со среднеквадратической погрешностью 0.2 см/с, а знакопеременные течения с погрешностью 0.7 см/с, т.е. точность вполне достаточная для регистрации квазипостоянных течений со скоростями 1-15 см/с и знакопеременных течений со средними скоростями 10-15 см/с.

Основные научные результаты.

В работе показано, что в Каспийском море, также и как и в океанах, существуют захваченные берегом волны. Определено, что эти образования, схожи по отдельным признакам с баротропными шельфовыми и бароклинными волнами Кельвина. Волны образуются в глубоководных Среднем и Южном Каспии, а в мелководный Северный проникают уже в трансформированном виде.

Установлено, что знакопеременные течения в Каспийском море в доминирующей части не ветровые, а волновые - течения захваченных берегом и инерционных волн. Долгопериодные волны наблюдаются постоянно и энергетически устойчивы. Потери и дозы поступающей энергии в волнах малы по сравнению с энергией волны и поэтому связь с источником незаметна.

Выполнено районирование параметров течений, обусловленных долгопериодными волнами.

Выявлено, что групповая структура инерционных волн связана не с изменениями действия источника, а с взаимодействием волн между собой. В связи с этим появление волн с большой или малой амплитудой колебаний скорости течений не зависит от сиюминутной активности источника, а определяется характером этого взаимодействия.

Показано, что в прибрежной зоне и на мелководьях структура течений инерционных волн изменяется, в спектре появляются макимумы энергии на периодах 24-32 ч., а скорости течений в результате взаимодействия с дном и берегом становятся большими (до 100-150 см/с).

На основе анализа результатов непосредственных измерений течений и солености определено, что перенос вод и солей преимущественно адвективный, турбулентный перенос невелик. Это свидетельствует о

волновой природе течений. Перенос воды и солей в режиме медленных изменений осуществляется квазипостоянными течениями, турбулизация водной среды - знакопеременными.

Разработана схема квазипостоянных течений Каспийского моря. Принципиально новое в ней - наличие поверхностного противотечения у восточного берега Среднего и частично Южного Каспия, информация о скоростях течений и водо- солеобмене.

Установлено, что апвеллинг у восточного побережья Среднего и частично Южного Каспия формируется в основном не ветром, как считалось, а вдольбереговыми течениями.

Разработаны новые методы измерения течений, обеспечивающие получение измерений течений долгопериодных волн с погрешностью 0.7 см/с, квазипостоянных - 0.2 см/с.

Исследования базировались в основном на анализе результатов проведенных экспериментов. Разумеется, любой эксперимент не может предоставить абсолютные доказательства искомых связей. Можно считать одни положения, представленные в работе, более аргументированными, другие менее. Однако очевидно, что изложенное в ней направление исследований было в общем выбрано правильно и его следует развивать.

Содержание диссертации опубликовано в следующих работах автора:

1. Течения Каспийского моря и формирование поля солености вод Северного Каспия// М.: Наука, 1993, 122 с. (монография)

2. Натурные исследования течений Каспийского моря// "Воды суши: проблемы и решения"., М.: ИВП РАН, 1994, с. 389-396

3. Экспериментальные исследования волновых течений в Среднем Каспии// Водные ресурсы, 1993, т. 20, № 1, с. 128-131 ( Соавторы: Ведев ДЛ., Комков И.А., Щевьев В.А.)

4. Особенности циркуляции вод у восточного берега Среднего Каспия// Водные ресурсы № 6. 1992. С. 36-43 (Соавторы Архипкин B.C., Ведев ДЛ., Косарев А.Н.)'

5. Измерение течений в мелководных морях// Тр. ГОИН. М.: Гидрометеоиэдат, 1991, Вып. 199. С. 146-151 (соавтор В.А.Щевьев)

' 6. Имеритель течений. Тр. ГОИН. М.: Гидрометеоиздат, 1991 Вып. 199. С. 151-156 (соавторы A.B. Александров, В.А.Щевьев)

7. Водо - солеобмен между западной и восточной частями Северного Каспия//Каспийское море. Структура и динамика вод. М.:Наука, 1990. С. 27-30.

8. Механизм формирования гидрофронта вод Северного Каспия// Каспийское море. Структура и динамика вод. М.:Наука, 1990. С. 74-78 (Соавтор Жмур В.В.)

9. О некоторых особенностях течений Северного Каспия//Каспийское море. Структура и динамика вод. М.:Наука, 1990. С. 15-22 (Соавтор Косарев А.Н.)

10. Водо - солеобмен между западной и восточной частями Северного Каспия// Динамика и термика рек, водохранилищ и окраинных морей. М. Тезисы доклада. 1989. С. 156-157

11. О водо- и солеобмене между западной и восточной частями Северного Каспия// Комплексные исследования Северного каспия. М.: Наука, 1988. С. 116-131 (Соавторы Заклинский А.Б., Щевьев В.А.)

12. Механизм формирования поля солености вод Северного Каспия// Вод. ресурсы, 1987. №5. С. 28-32 (Соавторы Жмур В.В., Щевьев В.А.)

13. Пространственно-временная изменчивость течений при исследовании водообмена между западной и восточной частями Северного Каспия// Гидрофизика Северного Каспия. М.: Наука, 1985. С. 51-64 (Соавторы Перминов С.М., Щевьев В.А.)

14. Методика исследований течений, солености и температуры вод на Северном Каспии).// М.:Деп. ВИНИТИ. №49-84. 1984. 43 с. (Соавтор Щевьев В.А.)

15. Морские барические волны// Метеорология и гидрология, 1983 №6. С. 86-91 (Соавтор Бычков В.С.)

16. Регистратор колебаний уровня моря, создаваемых длиннопериодными волнами// Тр. НИИ ГМП, М.: Гидрометеоиздат, 1978. Вып. 37. С. 69-77 (Соавтор В.А. Щевьев)

17. Долгопериодные волны Каспийского моря//4-ая конференция "Динамика и термика рек, водохранилищ, внутренних и окраинных морей", тезисы докладов, М.Т994, том 2, стр. 168-170 (Соавтор ДЛ.Ведев)

18. Caspian sea water dynamics// International symposium on enviromental and socio-economic consequences of water resources development and management. Moscow, Russian Federation, may 15-20, 1995 (Соавтор ДЛ.Ведев)

19. Динамика вод Каспийского моря// Международная конференция "Каспий-95", каспийский регион: экология, экономика, минеральные ресурсы. Сборник рефератов. М., июнь 1995, сс. 20-23 (Соавтор ДЛ.Ведев)

20. Об инерционных волнах в Каспийском море// Водные ресурсы (в печати) (Соавтор ДЛ.Ведев)

21. Inertial waves in the Caspian sea//International Conference "Dynamics of ocean and atmosphere", тезисы доклада, M, ноябрь, 1995 (Соавтор ДЛ.Ведев)

Подл, к печати &Н.Л5объем Л.й пл. Формат 60x841/16 Заказ Z8D Тираж Ш

ТОО "Нерей". ВНИРО. 107140, Москва, В. Красносельская, 17