Изменчивость океанологических процессов и полей во внутренних морях (Черном, Азовском, Каспийском), на основе дистанционного зондирования

Антонюк, Анна Юрьевна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Изменчивость океанологических процессов и полей во внутренних морях (Черном, Азовском, Каспийском), на основе дистанционного зондирования
ВАК РФ 25.00.28, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Изменчивость океанологических процессов и полей во внутренних морях (Черном, Азовском, Каспийском), на основе дистанционного зондирования"

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. ЛОМОНОСОВА

ГЕОГРАФИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи

АНТОНЮК Анна Юрьевна

ИЗМЕНЧИВОСТЬ ОКЕАНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ПОЛЕЙ ВО ВНУТРЕННИХ МОРЯХ (ЧЕРНОМ, АЗОВСКОМ, КАСПИЙСКОМ), НА ОСНОВЕ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

25.00.28 - океанология

3 п 945 2014

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

МОСКВА - 2013

005544622

Работа выполнена на кафедре океанологии географического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова

Научный руководитель

Официальные оппоненты

КОСАРЕВ Алексей Нилович

доктор географических наук, профессор кафедры океанологии географического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова

КОСТЯНОЙ Андрей Геннадьевич

доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник, главный научный сотрудник Лаборатории экспериментальной физики океана Института океанологии имени П.П. Ширшова РАН

КРАВЦОВА Валентина Ивановна

доктор географических наук, старший научный сотрудник, ведущий научный сотрудник Лаборатории аэрокосмических методов кафедры картографии и геоинформатики географического

факультета МГУ имени М.В. Ломоносова

Ведущая организация

Институт космических исследований Российской академии наук (г. Москва)

Защита состоится 13 Февраля 2014 года в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 501.001.68 при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, МГУ, главное здание, географический факультет, ауд. 18-01 (тел. +7 495 9391420, факс +7 495 9328836, e-mail: science@geogr.msu.ru).

С диссертацией можно ознакомиться в отделе диссертаций Фундаментальной научной библиотеки Московского государственного университета имени М.В .Ломоносова по адресу: Ломоносовский проспект, д.27, А8. Автореферат размещен на сайте Географического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова (http://www.geogr.msu.ru/). Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные печатью, направлять в адрес совета.

Автореферат разослан 30 декабря 2013 года Ученый секретарь

диссертационного совета, /

профессор //%Cl&L- Савенко B.C.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Внутренние южные моря, прилегающие к побережью России - Черное, Азовское, Каспийское - постоянно привлекают внимание. Причины в том, что они представляют собой уникальные природные объекты, и, в то же время на акваториях и побережье морей сосредоточено большое количество ценных и разнообразных природных ресурсов - биологических, минеральных и других.

Эти моря все более вовлекаются в сферу промышленного использования, в связи с чем все острее встают проблемы их современного экологического состояния и охраны морской среды.

Расположение морей внутри материка, в изоляции от Мирового океана (для Каспия - полностью) приводит к быстрым и ощутимым изменениям их гидрометеорологических условий, природного состояния под воздействием внешних факторов среды. Это, в свою очередь, требует постоянного слежения за состоянием морей, регулярных оценок происходящих и прогнозов ожидаемых изменений. Правительства приморских стран уделяют серьезное внимание комплексным научным исследованиям Черного, Азовского и Каспийского морей. Однако в последние десятилетия по ряду причин (политических, финансовых и др.) объем и качественный состав гидрометеорологических наблюдений на морях резко сократились.

Информация, получаемая в настоящее время о морях традиционными методами (экспедиции, гидрометеорологические станции (ГМС)), уже не отвечает современным требованиям и не может адекватно отвечать на вопросы о состоянии и изменчивости различных природных характеристик водоемов.

Поэтому, современная океанологическая наука все более принимает на вооружение современные спутниковые технологии, методы и наблюдения для изучения режима океанов и морей. Они обладают явными преимуществами, хорошо известными специалистам, хотя имеют и ряд существенных недостатков (самые главные, пожалуй, это пока неудовлетворительная точность спутниковых

данных и возможность получать измерения только на поверхности или в верхнем слое).

В последние годы с созданием доступных банков регулярной информации и данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) о поле температуры поверхности моря, концентрации хлорофилла, ледовом покрытии и других гидрометеорологических характеристиках, появилась возможность анализа не только сезонной, но и межгодовой изменчивости состояния акваторий морей. Это особенно важно для изучения изменчивости и регионального климата внутренних морей. Существует большое количество научных публикаций, в которых с помощью спутниковых измерений анализируются отдельные аспекты океанологических условий морей, в том числе внутренних. В настоящее время этим занимаются такие группы как: Института океанологии имени П.П. Ширшова РАН (Гинзбург и др., 2009), Института космических исследований Российской академии наук [Лаврова и др., 2011], Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова [Кравцова, Митькиных, 2013], Морского гидрофизического института НАНУ Отдел дистанционных методов исследований [Станичный и др., 2006]. Ссылки на эти и другие материалы приведены в диссертации. Однако, таких публикаций пока явно недостаточно, а работ, посвященных специальному анализу океанологических условий одновременно в трех внутренних морях в исследуемый промежуток времени и установлению связей с внешними факторами, вообще нет. Поэтому, в настоящей диссертационной работе автор поставил цель развить методы спутниковой океанологии, применительно к трем указанным морям для изучения отдельных аспектов их изменчивости на основе использования накопленных с помощью ДЗЗ в последние десятилетия новых данных.

Цель работы определяется ее названием: использование спутниковых методов для изучения изменчивости океанологических процессов и полей во внутренних морях.

В связи с этой целью автором ставились следующие основные задачи:

1) Сформировать базу данных многолетней спутниковой информации и стандартных гидрометеорологических наблюдений по Черному, Азовскому и Каспийскому морям, необходимую для дальнейшего анализа.

2) Определить общую методологию проведения работы.

3) Для каждого, включенного в анализ океанологического параметра, провести расчеты среднемноголетних месячных значений, показать их межгодовые изменения и тренды в разных районах морей.

4) Оценить связь изменчивости океанологических параметров и влияющих на них внешних факторов среды для каждого из морей.

5) На основе полученных данных провести анализ аномальных ситуаций в морях (апвеллинг в Каспийском море, дрейф льда, новороссийская бора, цветение фитопланктона) с привлечением дополнительной гидрометеорологической информации.

На защиту выносятся следующие положения:

• Анализ межгодовой изменчивости среднемесячных значений температуры поверхности моря (ТПМ) в репрезентативных районах Черного, Азовского и Каспийского морей, выявил ее большие величины. Зафиксировано значительное потепление в 1985-2012 гг. (повышение ТПМ до 3°С), что соответствует происходящим глобальным изменениям климата.

• Результаты анализа сезонного апвеллинга в шельфовой зоне у восточного побережья Среднего Каспия на основе спутниковой информации о поле температуры поверхности моря выявили изменчивость ТПМ от 17°С до 24°С и изменение площади апвеллинга от 10 тыс. до 30 тыс. км2.

• Впервые установлена количественно связь скорости ветра вдольберегового направления с отклонениями ТПМ от среднемноголетней в зоне апвеллинга, корреляция -0,8. Тем самым подтверждается экмановская природа летнего апвеллинга вдоль восточного побережья Каспийского моря. В осенние месяцы понижение температуры воды в этом районе в основном происходил уже в результате прямого воздействия сгонных ветров с восточного побережья Каспия.

• Подтвержден синоптический характер апвеллинга у западного побережья Среднего Каспия, прослежены фазы его развития при понижении ТПМ до 3°С и ниже.

• Установлены условия развития сильной боры в СВ части Черного моря (январь — февраль 2012 г.) с помощью спутникового мониторинга: пространственно-временные характеристики боры, район ее распространения в море. По радиолокационным изображениям (РЛИ) и оптическим снимкам выявлены признаки, характерные для начала и окончания боры.

• Результаты анализа сезонных и межгодовых изменений ледовых условий Северного Каспия и Азовского моря в 1980-2012 гг. на основе спутниковой информации и натурных данных выявили хорошую связь ледовых условий с суровостью зим (суммами отрицательной температуры воздуха Спутниковые данные позволили единовременно рассмотреть изменение сроков образования и таяния льда на морских акваториях. Подробно прослеженная динамика ледяного покрова в Каспийском и Азовском морях в зимы 2005-2012 гг. показала высокую степень его изменчивости, наблюдается смягчение ледовых условий в рассматриваемые годы.

• Выявлена сезонная и межгодовая изменчивость концентрации хлорофилла-« в Черном, Азовском, Каспийском морях в 1998-2012 гг., сопоставленная с величиной речного стока в шельфовых районах. Для Черного моря получены высокие коэффициенты корреляции (0,8) между среднемесячной концентрацией хлорофилла-а и стоком Дуная. В Азовском море и Северном Каспии кроме речного стока на распределение концентрации хлорофилла влияют и другие факторы, для установления которых необходим специальный анализ.

Научная новизна работы. На основе полного и современного массива спутниковых и гидрометеорологических данных впервые проведен многофакторный анализ изменчивости выбранных параметров (ТПМ, характеристик апвеллинга, ледовых условий, концентрации хлорофилла-а) в рассматриваемых внутренних морях и их районах в новом временном интервале. Полученные результаты дают более полное представление об особенностях

динамики океанологических процессов и полей в поверхностном слое южных морей у побережья России под воздействием внешних гидрометеорологических условий.

Обоснованность полученных результатов определяется тем, что диссертационная работа основана на использовании обширного массива многолетней объективной информации: спутниковых, метеорологических, натурных измерений (температура воздуха на ГМС, речной сток).

В ходе проведенного анализа океанологических процессов и полей во внутренних морях было показано, что результаты, полученные по различным источникам, хорошо согласуются между собой, а спутниковые данные дополняют натурные наблюдения.

Практическая значимость работы. Показано, что за развитием аномальных ситуаций возникающих во внутренних морях (апвеллинг в Каспии, дрейф льда, Новороссийская бора, цветение фитопланктона) можно следить из космоса в оперативном режиме. Спутниковая информация адекватно отражает происходящие в морях процессы и при наличии необходимых данных позволяет определить их динамику. Это, в свою очередь, имеет непосредственное практическое значение при освоении различных природных ресурсов на акватории рассматриваемых морей. Так, показано, что дистанционные данные отражают ситуацию in situ с ледовыми условиями, дают возможность охватить всю акваторию и определить динамику ледяного покрова под действием преобладающих ветров, а это практически важно для рекомендаций мореплавателям, предупреждений нефтяникам и оценке ситуаций риска в шельфовых районах. Определение районов развития апвеллинга в Каспийском море имеет значение для организации и проведения рыбного промысла. Анализ оперативных данных ДЗЗ позволит улучшить существующие методы прогноза аномальных ситуаций и уменьшить возникающие риски.

Личный вклад автора. Автору принадлежит ведущая роль в определении основных научных задач и выборе методики обработки данных. Автором лично были получены, обработаны и проанализированы межгодовые ряды наблюдений

океанологических параметров (температуры воды, воздуха, концентрации хлорофилла). Кроме того, были разработаны программы обработки и методов анализа спутниковых и метеорологических данных, совместно с сотрудниками отдела дистанционных методов исследования МГИ НАНУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 21 научная работа, в том числе 4 - в научных изданиях, которые включены в перечень рецензируемых изданий, рекомендованных ВАК, 5 публикаций - тезисы в трудах конференций.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы были доложены на 11 всероссийских и международных конференциях, в том числе: на научно-практической международной конференции «The 3rd Black Sea Commission (BSC) Scientific & Final UP-GRADE BS-SCENE EC Project Conference» в Одессе, (октябрь 2011 г.) с докладами: «Multispectral, Multisensor, Multiplatform approach for the Black Sea satellite monitoring», «Web-GIS for marine environment's monitoring, based on up-to-date satellite imagery»; на международной конференции «Земля из космоса - наиболее эффективные решения» в Москве (ноябрь 2011 г.) с докладом «Комплексный спутниковый мониторинг морских акваторий»; на Девятой Всероссийской Открытой Ежегодной конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса: Физические основы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов» в Москве (ноябрь 2011 г.) с докладом «Наблюдение обширных судовых разливов в Черном море по спутниковым данным»; на всероссийской конференции «Шельф России-2012» в Москве (март 2012 г.) с докладом «Технологии оперативного спутникового мониторинга объектов нефтегазового комплекса с целью обеспечения экологической и производственной безопасности»; на ежегодной международной научной конференции «Ломоносовские чтения» в Москве (апрель 2011г., апрель 2012 г., апрель 2013 г.) с докладами: «Аномальные условия лета 2010 г. и цветение сине-зеленых водорослей в Северном Каспии», «Аномально сильная бора в Черном море по данным съемок из космоса»; на международной одиннадцатой конференции по дистанционному зондированию «Pan Ocean Remote Sensing Conference -

PORSEC-2012» в Кочине, Индия (ноябрь 2012 г.) с докладом «Multispectral, Multisensor, Multiplatform Approach to the Black Sea Satellite Monitoring»; на международном симпозиуме SPIE по дистанционному зондированию (SPIE International Symposium on Remote Sensing) в Эдинбурге, Великобритания (сентябрь 2012 г.) с докладом «Anomalously strong bora events in the NE part of the Black Sea imaged and studied with SAR and optical imagery».

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. В конце каждой главы приведены основные результаты. Работа изложена на 207 страницах, и включает 143 рисунка и 9 таблиц; список литературы состоит из 77 наименований.

Благодарности. Автор считает своим долгом выразить искреннюю признательность д.г.н. B.C. Тужилкину! за первоначальную идею диссертационной работы и предоставленные материалы. Автор благодарит сотрудников отдела дистанционных методов исследования МГИ HAH Украины, особенно к.ф-м.н. C.B. Станичного за постоянные консультации и разностороннюю помощь в работе.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность научной темы, формулируются цель и задачи работы, показаны ее научная новизна и практическое значение. Представлены положения работы, выносимые на защиту. Сообщается о публикациях и докладах по теме диссертации. Здесь же указана структура и объем диссертации.

В главе 1, составленной преимущественно по материалам литературных источников, дана характеристика физико-географических условий южных морей, прилегающих к берегам России - Черного, Азовского и Каспийского.

В разделе 1.1 рассмотрены основные географические и гидрометеорологические условия этих морей, определены черты сходства и различия их режима, современное экологическое состояние.

В разделах 1.2-1.4 показаны основные гидрологические особенности рассматриваемых морей. Для внутренних морей характерно своеобразное распределение океанологических характеристик и, в целом, режим, наиболее отличный от океанического. Определяющую роль в формировании гидрологических условий и структуры вод внутриматериковых морей играет влияние внешних факторов - потоков тепла, влаги, количества движения через поверхность моря, речного стока. Черное, Азовское и Каспийское моря отличаются высокой степенью межгодовой изменчивости гидрологических условий, а внутриматериковое их положение способствует значительному загрязнению, отражающему результаты хозяйственной деятельности в водосборных бассейнах, на побережье и акваториях [Залогин, Косарев, 1999]. Наибольшие различия проявляются в характере вертикальной плотностной структуры вод. В основной толще вод Каспийского моря она квазиоднородная, в Черном море - резко стратифицированная.

К общим особенностям рассматриваемых морей относится обильный речной сток, поступающий в основном в обширные шельфовые районы -Северный Каспий и северо-западную часть Черного моря. Он служит основным поставщиком загрязняющих веществ в моря, вызывает развитие процессов эвтрофирования в шельфовых областях и образование гипоксии [Косарев и др., 2004].

В настоящее время, в связи с ростом разведочных работ и добычи углеводородного сырья на шельфе Черного и Каспийского морей, в техногенную деятельность вовлекается все большая толща вод. При этом, часто возникает противоречие между рациональным использованием биологических ресурсов морей и инженерными разработками. Это определяет необходимость более детального изучения гидрологической структуры и динамики вод внутренних морей.

В главе 2 характеризуется методика проведенных исследований и использованные материалы. В работе использованы данные сканеров SeaWiFS, МОБК, МЕЫБ и радиометров АУНЯЯ, дополнительные оптические данные спутников Ьапска1-5/7 и 8РОТ-4/5, радиолокационные данные - Иж1агеаМ/2 и ЕтчБа^ Регулярные спутниковые наблюдения позволяют наиболее полно изучить

характеристики изменчивости выбранных параметров в конкретных районах. В настоящей работе проводился анализ температуры поверхности моря (ТПМ), ледовых условий и концентрации хлорофилла-а.

Методика анализа межгодовой изменчивости параметров верхнего слоя моря состояла в том, чтобы связать их особенности, выявленные по спутниковым наблюдениям с влияющими на них факторами гидрометеорологического режима (таблица 1).

Более подробно методика анализа указана в каждом из разделов работы. В разделе 2.1 показаны источники информации (архивы данных и программные средства их обработки) с примерами.

Для выполнения исследований были привлечены данные спутниковых интернет-архивов ESA, NASA, NOAA, USGS, ИТЦ «СКАНЭКС», МГИ НАНУ и программные комплексы для их обработки. Также привлекались данные метеостанций ГМС «Таганрог» и «Тюлений» на Азовском и Каспийском морях, переданные из лаборатории исследования морей Центра океанографических данных (г. Обнинск); и сведения о речном стоке для трех морей. Среднемесячные данные по стоку за 1945-2011 гг. были предоставлены СевероКавказским УГМС, г. Ростов-на-Дону (гидрологические пункты наблюдений: ГП «Раздорская» - Дон, ГП «Тиховский» - Кубань).

Всего было получено 2268 схем пространственного распределения среднемесячных значений ТПМ и 28 временных ряда межгодовой изменчивости по Черному, Азовскому и Каспийскому морям и их районам на основе спутниковых массивов данных проекта Pathfinder NODC (США) (еженедельные значения радиометра AVHRR с пространственным разрешением 4 км), в 1985-2012 гг.

На основе архива данных SeaWiFS был проведен анализ долгопериодной изменчивости концентрации хлорофилла-а и яркости восходящего излучения с 1998 по 2012 гг., осредненных при помощи программного комплекса визуализации и обработки данных Giovanni [Acker, Leptoukh, 2007]. Для каждого моря было получено 180 схем пространственного распределения среднемесячных (за каждый месяц) и 15 схем среднегодовых значений концентрации хлорофилла-а,

180 схем яркости восходящего излучения, и по 15 временных ряда многолетней изменчивости этих параметров. Получено 252 поля сезонного распределения анализируемых параметров для отдельных районов внутренних морей.

Таблица 1. Общая методика выполнения работы, определяемая ее задачами

К анализу привлекались также среднемноголетние данные по скорости и направлению ветра реанализа МЕИЛА и из архива ЫОАА. Они использовались для установления количественных связей характеристик ветра с распределением температуры поверхности моря в зоне апвеллинга в Среднем Каспии (1986 - 2009 гг.). Всего для выбранного периода времени (июнь-октябрь 2003-2009 гг.) получено и обработано 2944 поля пространственного распределения ветра с дискретностью 4 часа.

Для оценки общей площади покрытия акватории льдом и продолжительности существования ледяного покрова в исследуемых морях в 1985-2012 гг., были привлечены многолетние ряды среднемесячных значений отрицательной температуры воздуха из метеорологического реанализа (MERRA), а также показатели суровости зим на репрезентативных ГМС «Тюлений» и «Таганрог».

Определение границ распространения ледяного покрова проводилось с помощью данных среднего и высокого разрешения различных спутниковых сенсоров — радиометров оптического и СВЧ диапазонов и также спутниками с радиолокаторами с синтезированной апертурой (РСА). Привлекались данные оптического спектрорадиометра MODIS (100 снимков), СВЧ-радиометра AMSR и радиолокатора RADARSAT (232 снимка) и 22 оптических снимка (Landsat-5/7, SPOT-4/5).

Спутниковая информация была использована также для наблюдения случаев боры в январе - феврале 2012 г. Всего было обработано 6 радиолокационных изображений (Envisat ASAR, Radarsat-1/2) и 5 оптических (Terra/Aqua MODIS, Enisat MERIS).

В главе 3, в разделе 3.1 с использованием спутниковых данных за 1985-2012 гг. проведен анализ сезонной и межгодовой изменчивости ТПМ трех внутренних морей (Черного, Азовского и Каспийского) и отдельных акваторий. За основу взяты архивы спутниковых данных Pathfinder (AVHRR) и Giovanni Ocean color (MODIS-Aqua) о распределении ТПМ с пространственным разрешением 4 км. Непрерывные ряды температуры воды для разных акваторий дают возможность сравнивать процессы в морях. Анализ ТПМ в каждом море проводился для разных частей акватории, в зависимости от физико-географических и гидрологических особенностей. В Черном море были выбраны: восточный (В), западный (3) и северо-западный шельфовый (СЗШ) районы, в Азовском море -его центральная акватория, в Каспийском море анализ проведен для трех основных частей водоема - северной, средней и южной.

Анализ показал сходный характер изменений температуры на поверхности рассматриваемых морей - в 1985-2012 гг. отмечается потепление, а наибольшие

значения температуры воды приходятся на 2010 г. (в Черном море 27,6°С, в Азовском, Каспийском морях - 28°С). Тренды в трех морях за последние 28 лет подобны. Оценка линейных трендов показала среднюю скорость повышения ТПМ Черного моря - 0,07°С/год, Азовского моря - 0,06°С/год, и Каспийского моря - 0,05°С/год. При этом среднегодовая температура на поверхности Азовского моря была ниже, чем в Черном и Каспийском морях, что объясняется его более северным географическим положением. На рисунке 1 показан пример изменчивости ТПМ в Каспийском, Азовском и Черном морях.

Анализ межгодовой изменчивости температуры воды и оценки трендов ТПМ за весь рассматриваемый интервал (1985-2012 гг.) и для каждого из месяцев в южных морях показали: высокую величину изменчивости; потепление и сходство изменений температуры для всех рассматриваемых морей. Эти результаты в основном согласуются с полученными Лавровой и др. (2011).

В разделе 3.2 рассмотрены общие особенности Каспийского апвеллинга у восточного и западного берегов моря. Проведен анализ температурного апвеллинга в шельфовой зоне вдоль восточного побережья Среднего Каспия на основе спутниковой информации в 1986-2009 гг. Показана сезонная и межгодовая изменчивость ТПМ в исследуемом районе, ее связь с полем преобладающих ветров.

Впервые установлена количественно связь скорости ветра вдольберегового северного (или СЗ) направления с отклонениями ТПМ от среднемноголетней в зоне апвеллинга, корреляция -0,8 (рисунки 2, 3), при этом берег остается слева от направления ветра. Тем самым подтверждается экмановская природа апвеллинга вдоль восточного побережья Каспийского моря. При анализе установлено, что в 1986-2009 гг. ТПМ вдоль восточного побережья Каспийского моря в летние месяцы изменялась от 17°С до 24°С, больше всего в июле. При этом в зоне апвеллинга образуются холодные струи шириной от 1035 км и длиной до 60 км (рисунок 4).

гол меси»

Рисунок I, Межгодовая игъенчивость пгемпературы воды ТПМ ¿ХУГ °С) в Кшпийском (а). Азовском (в). Черном <д) морях по спутниковым (кшныи в 1985-2012 гг.. синий пунктир меж.чмктые тиснения среднегодовой ТПМ.

вн\тригодовой ход температуры воды рассматриваемых морей и их ра£кжов (6. г. е).

ТИМ«

мссиц Г

М1ЧЩ

Для осенних месяцев установлено, что апвеллинг может образовываться при прямом сгонном воздействии ветра по нормали к берегу.

| АС I 1

К*»

5 лч о

№0

¥г\ \

г с / v 1 т°с • •

\ / ••• •1 • * • •• •

• • •

К/' 1 1 1 1 1 •з • • ---1-■-а-■--

2 I ( I » и

месяц

Рисунок 2. Среднемесячные многолетние значения вдольбереговой компоненты скорости ветра, м/с (I), перпендикулярной берегу компоненты скорссти ветра, м/с (2) и разности температуры воды (между открытой и прибрежной частыо моря), "С (3) в шельфовой мне у восточного побережья Среднего Каспия за 24 года.

(м/с)

Рисунок 3. Связь отклонений среднемноголетних значений те.»пературы воды (Т°С) от вдольбереговой компоненты скорости ветра (АС1У, м/с) для восточного шельфа Каспийского моря.

Аналогичный подход к анализу данных для западного шельфа Среднего Каспия не выявил существования апвеллинга, который в этом районе имеет синоптический характер. Поэтому, при среднемесячных масштабах осреднения корреляции Т11М со скоростью и направлением ветра не отмечено. Однако, при анализе данных о поле температуры воды в шельфовой зоне и открытом море с недельной дискретностью апвеллинг наблюдался, что показано на примере июня 2006 г. (рисунок 5).

Таким образом, анализ показывает, что спутниковая информация о распределении Т11М адекватно отражает существование ветрового апвеллинга в Каспийском морс и при наличии необходимых данных позволяет определить его динамику. Это. в свою очередь, имеет практическое значение, в частности для рыбного промысла.

С oust

Wim!

ACWc

i в

лень

Рисунок 4. Изменчивость ТПМ (°С) с S-ми дневным осреднением с 19-26 имя (а) по 27 икая - 3 августа (б) 2004 г. Развитие апвеминга в результате воздействия вдачь-берегового ветра (A long Coasl Wind) в .м/с. сглаженный ход (ACWc) (ej

лень

Рисунок 5. Изменчивость ТПМГС) с 8-м дневным осреднением 2-9 июня (а). 10-17 июня (б) 2006 г Развитие апвегчинл! в западной части Каспия в результате воздействия вда1ьберегового ветра ACWm/c (в).

Раздел 3.3 посвящен идентификации случаев боры н Черном морс. Очевидно, что за сс развитием можно следить из космоса в оперативном режиме, используя съемки разных спутников и ражих датчиков (радиолокационных и оптических).

В работе приведены и проанализированы космические снимки и РЛИ, на которых зарегистрированы дьа последовавших друг за другом случая сильной боры, наблюдавшейся в конце января и начале февраля 2012 г. ">ги атмосферные ситуации были связаны с нисходящими потоками очень холодного воздуха и сильным северо-восточным ветром, дующим с берега в море. Они

подтверждаются метеорологическими измерениями и результатами моделирования, tía основе разработанного полхода [Иванов, 2008; Alpers et al., 2009; Alpers et al., 2011], был проведен анализ этих событий, получены сведения об их развитии и определены парамегры, характеризующие явление.

Анализ РЛИ показаз, что воздействие сильной боры приводит к формированию характерных образований на поверхности моря, которые отображаются на РЛИ: на начальной стадии в виде ветровых «конусов выноса», характерных для катабатических (стоковых) вегров, а на средней и заключительных стадиях - в виде длинных ветровых полос (модулированного волнения), расположенных по нормали к берегу. Часто они осложнены поперечными волнообразными возмущениями (полосами), обусловленными порывами ветра и атмосферными фавигашюнными волнами.

Спутниковые РСА-ланные позволили определить количественные характеристики явления и судить о его масштабах: длина полос-струй достигает 350 км, расстояние между ними у берега 4-6 км; аномальная бора охватывает практически всю северо-восточную часть Черного моря (рисунок 6). На оптических снимках определены признаки, характерные для начала (безоблачность или малооСлачность) и окончания (развитие облачных полос -

Рисунок 6. Орографически модулированные (по нормали к берегу) «ветровые» полосы -струи на радиолокационном изображении спутника Radar sal-2 от 7 февраля 2012. 15:25 UTC. Полосы образованы в результате воздействия сильного ветра (1824 м/с) на поверхность моря во время боры; цветными стрелками показано прогнозное поле ветра. (DMDA, ИТЦ «СКАНЭКС».

т.н. «облачных дорожек») боры (рисунок 7).

Азовское море — А ювсиое море

• начинает ымермть Г'-у* ммерзло

Рисунок 7. Гсивитие январской боры на оптических снимках спектрорадиометра \fERJS на

' начат мая стадия) и 2Н января 2012 (б - завершающая стадия), в 07:55 и 07:44 UTC О ESA,

j спутнике EmLxat от 25 (а -

//77/ «СКЛНЭКС».

Глава 4 посвящена анализу ледовых условий в Каспийском и Азовском морях. В разделе 4.1 дастся общая характеристика ледовых условий в рассматриваемых морях, которые относятся к частично замерзающим, с сезонным ледяным покровом и отличаются большой пространственно -временной изменчивостью ледовых процессов.

Характер ледовых условий зависит от следующих факторов: температуры

воздуха над акваторией, в основном определяющей толщину образующегося льда, величину припая; особенностей вегров и течений, которые могут сильно измен*!ь первоначальные условия и вызывать дрейф льда на большие расстояния, (как это неоднократно происходило в Каспийском и Черном морях).

В разделе 4.2 рассматривается динамика ледовых условий Каспийского и Азовскою морей по спутниковым данным и натурным измерениям в 1980-2012 гг. В результате анализа ледовых условий Северного Каспия и Азовского моря:

- оценена продолжительность и характеристики ледового периода по материалам реаналнза метеоролос ического архива МГККА (рисунок 8), по стационарным данным ГМС и, полученным с искусственных спутников Земли (ИСЗ);

- показаны особенности ледовых условий в Северном Каспии и Азовском морс в различные по суровости зимы;

- подтверждена количественная связь появления льда с температурой воздуха;

• уточнены минимальные и максимальные границы кромки льда в Северном Каспии и Азовском море.

Определено также перемещение отдельных ледяных полей по спутниковым данным и на основе моделирования с помощью программы «Скан-Дрифтер», разработанной совместно с МГИ НАН Украины (г. Севастополь). Программа позволяет провести расчет скоростей течений на основе метеорологических данных и спутниковой альтиметрии и оценить перемещение отдельных ледяных полей без использования сложных моделей.

В целом, в современных условиях, сроки замерзания морей сдвинулись на более поздние - две недели в Азовском морс и 15-25 дней в Каспии, а сроки таяния - на более ранние (7-14 дней). Лсдовитость Северного Каспия уменьшилась, и южная граница льда сдвинулась к северу на 30-40 км по сравнению с положением границы в 1941-1982 гг. (рисунок 9).

Рисунок 8. Межгодовая изменчивость количества дней с отрицательной температурой воздуха (а) и су.миа градусо-дней мороза £(-1а°С) (б) по данным реанашза \1ERRA для акватории Северного Каспия в 1980-2012 гг.

Декабрь

Январь

Рисунок 9 Положение кромки льда в Каспийском море в суровые (голубая линия). умеренные (фиолетовая линия) и мягкие (синяя линия) зимы по спутниковый данный в декабре-марте 2005-2012 гг.

И рассматриваемых морях существенно сократилась средняя продолжительность ледового сезона. Использование спутниковой информации применительно к Каспийскому морю позволило подробно проследить динамику ледяного покрова в зимы 2005-2012 гг. С использованием только наблюдений на постах ГМС это было бы невозможно.

Минимальное положение южной границы льда в Каспийском и Азовском морях было отмечено в мягкую зиму 2006-2007 гг. Максимальная граница льда в Каспийском море наблюдалась в суровую зиму 2011-2012 гг., южнее изобаты 20м (рисунок 10). В Азовском море в суровые зимы 2005-2006 гг., 2011-2012 гг. и умеренную 2007-2008 гг. акватория замерзала полностью (рисунок 11). Таким образом, положение кромки льда непосредственно связано с суровостью зимы.

Спутниковые данные позволили определить не только южную границу ледяного покрова, но также площадь (км2), и сплоченность (%) льда. Максимальная площадь акваюрин со льдом в Каспийском море наблюдалась в

феврале 2006 г. (90 тыс. км2), минимальная - в 2007 г. (28 тыс. км2). В Азовском море площадь льда изменялась от 11 тыс. км2 в мягкую зиму 2006-2007 г. до 40 тыс. км2 в суровые зимы 2005-2006 гг., 2007-2008 гг., 2011-2012 гг.

Рисунок 10. Максимальные границы ледяного покрова (во 2-ю декаду февратя) на акватории Северного

Каспия в зимы 2005-2012 гг.. синич цветам показана юобата Юм.

>.01.2008 28.01 2006

Рисунок II. Максимальные границы ледяного покрова на акватории Азовского моря в 2005-2012 гг.

В условиях интенсивно развивающейся хозяйственной деятельности на шельфе Северного Каспия и в Азовском морс значение ледовых исследовании будет возрастать. Спутниковые наблюдения за льдами следует продолжать, сопоставляя с данными натурных наблюдений.

Дистанционные данные дают возможность проследить динамику ледяного покрова под действием преобладающих ветров, а это практически важно для рекомендаций судам, предупреждений нефтяникам и рыбакам, для опенки ситуаций риска в шельфовых районах. Так, в Каспии в аномально холодную зиму 2011-2012 гг. под действием сильного северо-западного ветра дрейфующий лсд распространился вдоль западного побережья до Аншеронского полуострова (рисунки 12, 13). В Азовском морс в конце января 2012 г. вторжение холодного воздуха с температурой до -25°С и сильный северо-восточный ветер (9-12 мУс, с порывами до 20 м/с), дующий без перерыва больше недели, привели к быстрому замерзанию акватории н сжатию льдов в южной и юго-западной частях моря, при згом десятки судов оказались в ледовом плену. ». ___

Рисунок /3. Оптический снимок спектрора<)ио.мет/м MOD/S па ИСЗ Aqua акватории Каспийского .моря в районе п-ова Апшерон от 13 февраля 2012 г.. в красном овале -молодые формы льда

Рисунок 12. Южная граница распространения льда на акватории Каспийского .моря 17.02.2012 (желтая линия) и 20.02.2012 (голубая) по данным радиолокационных съемок спутников Яа<кггха1-1 <14:42 ЦТС) и ЕтгЬа! (07:02 ЦТС): стрелками показана скорость и направление ветра (С СКАНЭКС. 2013).

В главе 5 проведен анализ межголовой изменчивости концентрации хлорофилла-«/ во внутренних морях. В разделе 5.1 оценено современное экологическое состояние этих морей. Основные источники их загрязнения - это речной сток; сбросы отходов промышленных, бытовых и сельскохозяйственных предприятий в прибрежной зоне, особенно в районах крупных городов и портов; хозяйсгвенная деятельность на акваториях морей (судоходство, потери нефти при ее разведке ti транспортировке, дампинг и др.).

Один из наиболее значимых экологических параметров - это концентрация хлорофилла-а (Chía), ключевая характеристика для расчета первичной продукции водоемов. В свою очередь, создаваемая в процессе фотосинтеза первичная продукция определяет биомассу фитопланктона, влияет на процессы обмена углекислым газом (СОз) между морем и агмосферой. Важно, что концентрацию хлорофилла можно измерить посредством спутниковых датчиков и подучить долговременные ряды наблюдении, охватывающие большие акватории [Docrfler, Fischer, 1994; Baialc. 2008|.

Поскольку основное внимание в работе уделяется распространению хлорофилла-a в шельфовой зоне Черного и Каспийского морей (для Азовского -во всем море), в качестве инициирующего параметра был принят речной сток в основном поступающий в эти районы.

В разделе 5 2 проведен совместный анализ по спутниковым и натурным данным сезонной и межгодовой изменчивости концентрации хлорофилла-*/ в связи с речным стоком для рассматриваемых морей в 1998-2012 it. Дтя анализа изменчивости концентрации хлорофилла-«/ был подготовлен единый массив данных (ежедневных) сканеров SeaWiFS до 2004 г. и спектрорадиометров MOD1S за более поздние годы, специально обработанный в МГИ НАЛ Украины с целью устранения ошибок измерений.

Данные спутникового мониторинга внутренних морей позволили выявить межгодовую изменчивость концентрации Chí a и определить ее особенности для исследуемых акваторий. Минимальные величины Chí a во всех рассматриваемых морях наблюдались в 2003 г. При этом, в Черном морс общее уменьшение

концентрации хлорофилла-« началось с 2003 г. (3,1 мг/м5), в Азовском морс понижение Chl_a наблюдалось в 2003 и 2010-2011 гг. (8-9 мг/м'), в Северном Каспии наименьшие значениями отмечены в 2003-2004 гг. (7 мг/м').

В мелководной северо-западной шсльфовоЙ части Черного моря величины концентрации Chí a наблюдались минимальные - в январе - феврале (1,2-1,4 мг/м'), а максимальные в мае (2,2-2,4 мг/м'). 11нк среднемесячного объема стока Дуная отмечены в апреле (27 км'/мес.), т.е. повышение концентрации Chí a произошло через месяц после половодья, что определяется временем распространения вод Дуная на весь северо-западный шельф (рисунок 14). Между среднемесячной изменчивостью концентрации хлорофилла-« и стока Дуная получены достаточно высокие коэффициенты корреляции (0,8).

Рисунок ¡4. Среднемесячные многолетние значения концентрации хлорофипа-а (мг/м') в северо-западной части Черного моря (а) и объема стока Дуная (км*/мес) (б) в /998-2011 гг. красная линия (S), в '998-2002 гг. синяя линия (Si) и в 20032011 гг. - зеленая линия (S2).

Внутригодовая динамика содержания Chí a в центральной части Азовского моря отличается минимумом в январе-мае (5 мг/м1), максимумами в летние (август - 13 мг/м5) и осенние (сентябрь-октябрь - 11 мг/м') месяцы. Наибольшие величины среднемесячного суммарног о стока Дона и Кубани отмечены в мае (3,5 км'/мес.), минимальные - в сентябре-октюрс (2,2 км'/мес.). Прямых корреляций концентрации Chí a в центральной части Азовского моря со стоком рек не наблюдается. С речными водами поступает много биогашых веществ и они

быстро перераспределяются в небольшом мелководном водоеме. Поэтому, даже при малом стоке характерны высокие значения концентрации хлорофилла-«.

В сезонном распределении концентрации хлорофилла-а минимальные значения наблюдаются в северной части моря в зимний сезон, в средней и южной - в мае-июне. Наибольшие значения отмечены в Северном Каспии в августе (8 мг/м'), в Среднем Каспии - в марте (2 мг/м1) и октябре (2,5 мг/м'), в Южном - в ав1усте (3 мг/м*). Следовательно, в Северном Каспии по среднемногшетним данным максимум концентрации С'Ы_а наблюдается примерно через три месяца после годового максимума стока Волги (в мае). В 1998-2012 гг. в августе концентрация «спорофилла менялась в соответствии со стоком Волги, но в 2005 г. величине, стока была существенно меньше при высоких значениях хлорофилла. В августе 2008-2010 г. сток продолжал снижаться, а значения хлорофилла-а в Северном Каспии увеличивались (рисунок 15 а). Однако после исключения трендов между сравниваемыми величинами отмечается неплохая связь (рисунок 15 б). Таким образом, концентрация хлорофилла в этой части моря определяется, не только речным стоком, но и другими факторами.

а б

Рисунок 15. Межгодовая изменчивость среднемесячных концентраций хлорофиляа-а (мг/м') в Северном Каспии (красная лини»! в августе и стока р. Волга (км3/год/ (синяя линия) в 1998-2010 гг. (а), после вычитания линейных трендов (б).

Анализ данных спутниковых наблюдений во внутренних морях позволил выделить ситуации с формированием аномально высоких значений концентрации хлорофилла а и определить их возможные причины.

Так, в северо-западной части Черною моря в прибрежных водах вблизи Одессы в нюле 2010 г. был зарегистрирован крупномаенгтабный всплеск цветения сине-зеленых водорослей (Мо<1и1апа хрипн£спа) (рисунки 16 а, б). Ьще одно аномальное цветение одного из видов фитопланктона - кокколитофорид было обнаружено в северо-восточной части Черного моря на космических снимках летом 2012 г. В центральной части Азовского моря было выделено аномальное цветение сине-зеленых водорослей в иоле 2009 г., которое в то же время наблюдалось и в Каркинитском заливе (рисунок 16 в).

а б в

Рисунок 16. Цветение сине-зеленых водорослей в северо-западной шельфовой части Черного .моря на снимках спект/ю/ядио.иетров MODIS на ИСЗ Aqua, а - 4 июля 2010 г.. 6-16 июля 2010 г.. в - в центральной части Азовского моря и в Каркинитском затес 25 июля 2009 г.. <£> МРИ НАНУ

Заметное увеличение концентрации Chí a было отмечено в Южном Каспии летом 2001 г. (рисунок 17). Именно в это время в г лубоководном бассейне моря наблюдатось массовое развитие вселеша - фебневнка Mnemiopsis teidyi, интенсивно поедающего местный зоопланктон. Это способствует увеличению биомассы фитопланктона и повышению содержания Chl_a.

Мониторинг распределения концентрации хлорофилла имеет важное практическое значение для рыболовства, поскольку фитопланктон - это кормовая база зоопланктона и рыб. Поля с повышенной концентрацией хлорофилла могут образовываться под влиянием ряда причин: в результате подъема вод при апвеллише. во фронтальных зонах, при поступлении в море речного стока.

Своевременное обнаружение таких ситуаций позволяет более рационально организовывать рыбный промысел.

Рисунок 17. Среднемесячные значения концентрации хлорофипа-а (мгУм') в Каспийском море по спутниковый данныч в 2001 г.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационной работы.

Использованные в диссертации архивные данные спутниковых и натурных наблюдений в морях обеспечивают статистически достоверное количественное представление о сезонной и межгодовой изменчивости исследуемых океанологических параметров зтих внутренних морей, их репрезентативных районов, отличающихся своеобразием природных условий. Основную роль в межгодовой изменчивости ТПМ играют региональные атмосферные воздействия. В среднем, в 1985-2012 гг. в регионе южных морей отмечается потепление, что соответствует происходящим глобальным изменениям климата.

Анализ межгодовых изменений ТПМ показал их сходный характер в рассматриваемых морях: наибольшие значения температуры воды отмечены в 2010 г. Оценки линейных трендов ТПМ за последние 28 лет также подобны и показывают повышение температуры поверхностного слоя вод (до 3°С).

В результате анализа температурного апвеллинга в шельфовой зоне у восточного побережья Среднего Каспия впервые установлена количественная связь скорости ветра вдольберегового направления с отклонениями ТПМ от среднемноголетней, с корреляцией -0,8. При анализе установлено, что с 1986-2009 гг. ТПМ вдоль восточного побережья Каспийского моря в летние месяцы изменялась от 17°С до 24°С, больше всего в июле. При этом площадь акватории в зоне апвеллинга менялась от 10 тыс. до 30 тыс. км2. В осенние месяцы понижение температуры воды вдоль восточного берега Каспия в основном происходит в результате прямого воздействия сгонных ветров с восточного побережья моря.

Анализ данных по ТПМ вдоль западного берега Среднего Каспия не выявил существования сезонного апвеллинга, который в этом районе имеет синоптические масштабы времени и проявляется более локально. Поэтому, при среднемесячном масштабе корреляции с ветром он не выделяется. Однако, анализ данных с недельной дискретностью позволил выявлять конкретные ситуации развития такого апвеллинга, например, в 2006 г.

Впервые в результате спутникового мониторинга удалось наблюдать из космоса сильную бору (январь - февраль 2012 г.) в северо-восточной части Черного моря. Путем анализа космических снимков установлены характерные для боры струйные полосы морской воды, образующиеся под воздействием сильного ветра. Определены пространственно-временные характеристики аномальной боры: длина полос-струй до 350 км, расстояние между ними 4-6 км, охват — практически вся северо-восточная часть Черного моря. На радиолокационных и оптических снимках определены признаки, характерные для начала и конца боры. Выявленные особенности развития боры позволят улучшить существующие методы ее прогноза и предусмотреть возникающие в связи с ней риски.

Спутниковые данные позволили уточнить для акваторий Каспийского и Азовского морей ежегодные сроки образования и таяния льда, положение кромки, ее перемещения. В целом, за последние 13 лет (1998-2012 гг.) сроки замерзания сдвинулись на более поздние: на две недели в Азовском море и на 15-25 дней в Каспии, а сроки таяния - на более ранние (7-14 дней). В 2005-2012 гг. в декабре -феврале в мягкие зимы площадь ледяного покрова Северного Каспия значительно уменьшилась. В умеренные и суровые зимы положение южной границы льда сместилось к северу на 30-40 км по сравнению с 1941-1982 гг. Это свидетельствует о происходящем потеплении в регионе Каспийского моря. В Азовском море в мягкие зимы акватория замерзала не полностью, кромка льда располагалась в центральной части или в районе Таганрогского залива. Таким образом, в рассматриваемых морях существенно сократилась средняя продолжительность ледового сезона. Использование спутниковой информации позволило подробно проследить динамику ледяного покрова в зимы 2005-2012 гг. и сделать вывод, что положение кромки льда непосредственно связано с суровостью зимы. На основании дистанционных данных определена изменчивость ледяного покрова под действием преобладающих ветров.

Еще один аспект использования спутниковой информации в работе — выявление сезонной и межгодовой изменчивости концентрации хлорофилла-а в Черном, Азовском, Каспийском морях в 1998-2012 гг. Распределение хлорофилла-а сопоставлялось с величиной речного стока в шельфовых районах. Для Черного моря получены достаточно высокие коэффициенты корреляции (0,8) между среднемесячными величинами концентрации хлорофилла-а и стоком Дуная. В центральной части Азовского моря прямых корреляций концентрации СЫ_а со стоком рек не наблюдается. Ежегодное поступление биогенных веществ таково, что даже при малом стоке наблюдаются высокие значения концентрации хлорофилла-а. В Северном Каспии среднемесячный многолетний максимум концентрации хлорофилла-а отмечается в августе, на три месяца позже максимума стока р. Волга (май). Это показывает, что величина концентрации СЫ_а определяется здесь не только величиной стока, но и другими факторами.

По спутниковым данным, на акваториях Черного, Азовского и Каспийского морей, были выделены аномально высокие значения концентрации хлорофилла а и проведен анализ периодов цветения фитопланктона.

Проведенный в работе анализ и полученные результаты свидетельствуют, что дистанционные методы наблюдений позволяют раскрыть многие важные особенности состояния и изменчивости океанологических условий в морях. Использование этих методов следует развивать в сочетании с другими видами наблюдений (судовые съемки, автономные буйковые станции, дрейфующие буи). При этом главными задачами остаются повышение точности наблюдений и возможность включения в анализ не только поверхностного, но всего деятельного слоя морей.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Работы опубликованы в ведущих научных журналах, которые включены в перечень рецензируемых изданий, рекомендованных ВАК:

1. Антонюк А.Ю., Филимонова H.A., Зорникова О.И., Кучейко A.A. Спутниковый мониторинг нефтяных загрязнений северной части Каспийского моря в период 1.02-31.07.2011 г. // Инженерные изыскания. — 2011-№ 8.-С. 42-45.

2. А.Ю. Иванов, А.Ю. Антонюк. Аномально сильные боры в Черном море по данным съемок из космоса//Исследование Земли из космоса. -2013 -№ 1. -С. 32-43.

3. Кузин A.B., Кучейко A.A., Колмыков Е.В., Филимонова H.A., Антонюк А.Ю. Оперативный спутниковый мониторинг акватории Северного Каспия // Научно-технический журнал «Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе». - 2013 — №5. - С. 33-37.

4. А.Ю. Иванов, A.A. Кучейко, НА Филимонова, Н.В. Евтушенко, АЛО. Антонюк, НБ. Терлеева. Использование космической радиолокационной съемки и данных автоматических систем идентификации судов для выявления судовых разливов в Черном море // Исследование Земли из космоса. - 2013. -№5.-С. 84-96.

Содержание диссертации также отражено в 21 публикации, из них наиболее значительные следующие:

5. А.Ю. Антонюк. Изменчивость характеристик поверхностного слоя Азовского моря по данным дистанционного зондирования // Земля из космоса. -2013 -№16.-С. 106-112.

6. А.Ю. Антонюк, H.A. Филимонова. Спутниковый мониторинг пленочных загрязнений казахстанского сектора Северного Каспия // Космические исследования и технологии. —2013 — №2. — С. 18-24.

7. A.A. Кучейко, H.A. Филимонова, А.Ю. Антонюк. Комплексный оперативный спутниковый мониторинг морских акваторий // Нефть России. Ресурсы шельфа / Экология. - 2013 - С. 60-61.

8. А.Ю. Иванов, А.Ю. Антонюк. Аномально сильные боры в Черном море. Взгляд из космоса /Земля из космоса. - 2012-№14. - С. 27-33.

9. А.Ю. Иванов, Н.А.Филимонова, Н.В. Евтушенко, А.Ю. Антонюк. Обширные судовые разливы в Черном море - легальные рамки // Земля из космоса.-2012-№12.-С. 56-65.

10. A. Yu. Antonyuk, A.Yu Ivanov. Anomalously strong bora events in the NE part of the Black Sea imaged and studied with SAR and optical imagery/Proc. SPIE Remote Sensing Conference, 24-27 September 2012, Edinburgh, UK. doi:10.1117/12.974298 (Proc. SPIE 8538, Earth Resources and Environmental Remote Sensing/GIS Applications III, 853814. October 25,2012).

11. H.A. Филимонова, А.Ю. Антонюк. Оперативный комплексный спутниковый мониторинг Северной части Каспийского моря // Земля из Космоса. - 2011 - №8. - С. 53-56.

Заказ № 54-Р/12/2013 Подписано в печать 24.12.2013 Тираж 120 экз. Усл. п.л. 1,6

ООО "Цифровичок", тел. (495) 649-83-30 www.cfr.ru; e-maitzak@cfr.ru

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Антонюк, Анна Юрьевна, Москва

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени М.В. Ломоносова

ГЕОГРАФИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи

АНТОНЮК Анна Юрьевна

25.00.28 - Океанология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук

Научный руководитель: доктор географических наук, профессор Косарев А. Н.

МОСКВА 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................................................................4

ГЛАВА 1 ГИДРОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ МОРЕЙ..............................10

1.1 Общие черты .......................................................................................10

1.2 Черное море.........................................................................................12

1.3 Азовское море.....................................................................................20

1.4 Каспийское море.................................................................................27

ГЛАВА 2 МЕТОДИКА И ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ....................................38

2.1 Архивы данных и комплексы их обработки....................................41

ГЛАВА 3 ТЕМПЕРАТУРА ВОДЫ В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ МОРЕЙ.......50

3.1 Сезонная и межгодовая изменчивость температуры воды в Черном, Азовском и Каспийском морях...............................................................50

3.1.1 Черное море.............................................................................51

3.1.2 Азовское море..........................................................................55

3.1.3 Каспийское море.....................................................................60

3.1.4 Результаты................................................................................68

3.2 Апвеллинг в Каспийском море..........................................................70

3.2.1 Общие особенности Каспийского апвеллинга......................70

3.2.2 Связь апвеллинга с ветром......................................................72

3.2.3 Результаты.................................................................................89

3.3 Идентификация случаев боры в Черном море.................................90

ГЛАВА 4 ЛЕДОВЫЕ УСЛОВИЯ ЧЕРНОГО, АЗОВСКОГО И КАСПИЙСКОГО МОРЕЙ..................................................................................................................................103

4.1 Общая характеристика ледовых условий.......................................103

4.2 Динамика ледовых условий Каспийского и Азовского морей по спутниковым данным 1980-2012 гг......................................................111

4.2.1 Межгодовая изменчивость ледяного покрова в северной части Каспийского моря в 1980-2012 гг...............................................................113

4.2.2 Межгодовая изменчивость ледяного покрова в Азовском море в 1980-2012 гг........................................................................................................136

4.2.3 Результаты...................................................................................................155

ГЛАВА 5 МЕЖГОДОВАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ КОНЦЕНТРАЦИИ

ХЛОРОФИЛЛА-а............................................................................................................158

5.1 Экологическое состояние внутренних морей.................................158

5.2 Сезонная и межгодовая изменчивость концентрации хлорофилла-а на поверхности рассматриваемых морей..............................................159

5.2.1 Черное море............................................................................160

5.2.2 Азовское море.........................................................................169

5.2.3 Каспийское море....................................................................180

5.2.4 Результаты...............................................................................190

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................................................................................195

ЛИТЕРАТУРА.....................................................................................................................................200

ВВЕДЕНИЕ

главные, пожалуй, это пока неудовлетворительная точность спутниковых данных и возможность получать измерения только на поверхности или в верхнем слое).

В связи с этой целью автором ставились следующие основные задачи:

1) Сформировать базу данных многолетней спутниковой информации и стандартных гидрометеорологических наблюдений по Черному, Азовскому и Каспийскому'морям, необходимую для дальнейшего анализа.

2) Определить общую методологию проведения работы.

На защиту выносятся следующие положения:

• Анализ межгодовой изменчивости среднемесячных значений температуры поверхности моря (ТИМ) в репрезентативных районах Черного, Азовского и Каспийского морей, выявил ее большие величины. Зафиксировано значительное потепление в 1985-2012 гг. (повышение ТИМ до 3°С), что соответствует происходящим глобальным изменениям климата.

• Результаты анализа сезонного апвеллинга в шельфовой зоне у восточного побережья Среднего Каспия на основе спутниковой информации о поле температуры поверхности моря выявили изменчивость ТИМ от 17°С до 24°С и изменение площади апвеллинга от 10 тыс. до 30 тыс. км2.

• Впервые установлена количественно связь скорости ветра вдольберегового направления с отклонениями ТИМ от среднемноголетней в зоне апвеллинга, корреляция -0,8. Тем самым подтверждается экмановская природа летнего апвеллинга вдоль восточного побережья Каспийского моря. В осенние месяцы понижение

температуры воды в этом районе в основном происходил уже в результате прямого воздействия сгонных ветров с восточного побережья Каспия.

• Установлены условия развития сильной боры в СВ части Черного моря (январь - февраль 2012 г.) с помощью спутникового мониторинга: пространственно-временные характеристики боры, район ее распространения в море. По радиолокационным изображениям (РЛИ) и оптическим снимкам выявлены признаки, характерные для начала и окончания боры.

• Результаты анализа сезонных и межгодовых изменений ледовых условий Северного Каспия и Азовского моря в 1980-2012 гг. на основе спутниковой информации и натурных данных выявили хорошую связь ледовых условий с суровостью зим (суммами отрицательной температуры воздуха Х(4а)). Спутниковые данные позволили единовременно рассмотреть изменение сроков образования и таяния льда на морских акваториях. Подробно прослеженная динамика ледяного покрова в Каспийском и Азовском морях в зимы 2005-2012 гг. показала высокую степень его изменчивости, наблюдается смягчение ледовых условий в рассматриваемые годы.

• Выявлена сезонная и межгодовая изменчивость концентрации хлорофилла-а в Черном, Азовском, Каспийском морях в 1998-2012 гг., сопоставленная с величиной речного стока в шельфовых районах. Для Черного моря получены высокие коэффициенты корреляции (0,8) между среднемесячной концентрацией хлорофилла-а и стоком Дуная. В Азовском море и Северном Каспии кроме речного стока на распределение концентрации хлорофилла влияют и другие факторы, для установления которых необходим специальный анализ.

Таким образом, на основе полного и современного массива спутниковых и гидрометеорологических данных впервые проведен много факторный анализ изменчивости выбранных параметров (ТПМ, характеристик апвеллинга, ледовых

условий, концентрации хлорофилла а) в рассматриваемых внутренних морях и их районах в новом длительном интервале. Полученные результаты дают более полное представление об особенностях динамики океанологических процессов и полей в поверхностном слое южных морей у побережья России под воздействием внешних гидрометеорологических условий.

В ходе проведенного анализа океанологических процессов и полей внутренних морей было показано, что результаты, полученные по различным источникам, хорошо согласуются между собой, а спутниковые данные дополняют натурные наблюдения.

Результаты настоящего анализа могут стать информационной базой при решении широкого круга научных и практических задач. В работе показано, что за развитием аномальных ситуаций возникающих во внутренних морях (апвеллинг в Каспии, дрейф льда, Новороссийская бора, цветение фитопланктона) можно следить из космоса в оперативном режиме. Спутниковая информация адекватно отражает происходящие в морях процессы и при наличии необходимых данных позволяет определить их динамику. Это, в свою очередь, имеет непосредственно практическое значение при освоении различных природных ресурсов на акватории морей. Так, показано, что дистанционные данные отражают ситуацию in situ с ледовыми условиями, дают возможность охватить всю акваторию и определить динамику ледяного покрова под действием преобладающих ветров, а это практически важно для рекомендаций мореплавателям, предупреждений нефтяникам и оценке ситуаций риска в шельфовых районах. Определение районов развития апвеллинга в Каспийском море имеет значение для организации и проведения рыбного промысла. Анализ оперативных данных ДЗЗ позволит

улучшить существующие методы прогноза аномальных ситуаций и уменьшить возникающие риски.

Автору принадлежит ведущая роль в определении основных научных задач и выборе методики обработки данных. Автором лично были получены, обработаны и проанализированы межгодовые ряды наблюдений океанологических параметров (температуры воды, воздуха, концентрации хлорофилла). Кроме того, были разработаны программы обработки и методов анализа спутниковых и метеорологических данных, совместно с сотрудниками отдела дистанционных методов исследования МГИ НАНУ.

По теме диссертации опубликовано 21 научная работа, в том числе 4 - в научных изданиях, которые включены в перечень рецензируемых изданий, рекомендованных ВАК, 5 публикаций - тезисы в трудах конференций. Результаты диссертационной работы были доложены на 11 всероссийских и международных конференциях.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. В конце каждой главы приведены основные результаты. Работа изложена на 207 страницах, и включает 143 рисунка и 9 таблиц; список литературы состоит из 77 наименований.

ГЛАВА 1 ГИДРОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ МОРЕЙ

1.1 Общие черты

Южные моря, прилегающие к берегам России - Черное, Азовское и Каспийское относятся к внутренним морям. Они расположены внутри материка и сообщаются с прилегающими акваториями через проливы, ограничивающие водообмен. Каспий -полностью изолированный водоем. Для этих морей характерно своеобразное распределение океанологических характеристик и в целом режим, наиболее отличный от океанического. Определяющую роль в формировании гидрологического режима и структуры вод рассматриваемых морей играет влияние внешних факторов - потоков тепла, влаги, количества движения через поверхность моря, речного стока. Черное, Азовское и Каспийское моря отличаются высокой степенью межгодовой изменчивости гидрологических условий, а внутриматериковое их положение способствует значительному загрязнению, отражающему результаты хозяйственной деятельности в водосборных бассейнах, на побережье и акваториях [Залогин, Косарев, 1999].

Гидрологические особенности морей имеют как сходство, так и различия. Черное и Каспийское моря расположены в одном широтном поясе на границе между умеренной и субтропической зонами. Их средние широты составляют 43.5° и 41.5° с.ш. Поскольку Каспийское море расположено ближе к Центрально-азиатской аридной области, оно характеризуется большим притоком тепла 140 МДж/м2 и меньшим притоком влаги, по сравнению с Черным - 60 МДж/м2. Среднегодовой

приток пресных вод в Черное море составляет около 580 км3. Для Каспия среднегодовой объем речного стока и атмосферных осадков близок к равновесию с испарением (-376 км3). Соленость в морях пониженная, особенно в предустьевых районах.

Моря получают различное количество атмосферных осадков (Каспий - 80 и Черное море - 240 км3/год), а годовые объемы речного стока (К.м. 300 и Ч.м. 340 км3) и испарения (К.м. -380 и Ч.м. -400 км3) в обоих морях довольно близки.

Наибольшие различия проявляются в характере вертикальной плотностной структуры вод. В основной толще вод Каспийского моря она квазиоднородная, в Черном море - резко стратифицированная.

К общим особенностям рассматриваемых морей относится также обильный речной сток, поступающий в основном в обширные шельфовые районы -Северный Каспий и северо-западную часть Черного моря. Он служит основным поставщиком загрязняющих веществ в моря, развитию процессов эвтрофирования в шельфовых областях и образование гипоксии [Косарев и др., 2004].

В глубинные слои

Информация о работе

Антонюк, Анна Юрьевна
кандидата географических наук
Москва, 2013
ВАК 25.00.28

Диссертация

Изменчивость океанологических процессов и полей во внутренних морях (Черном, Азовском, Каспийском), на основе дистанционного зондирования - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы