Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Особенности гидрологический условий Северного Каспия в период современного повышения уровня моря

ВАК РФ 11.00.08, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Особенности гидрологический условий Северного Каспия в период современного повышения уровня моря"

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В.ЛОМОНОСОВА

Географический факультет

ОСОБЕННОСТИ ГИДРОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ

СЕВЕРНОГО КАСПИЯ В ПЕРИОД СОВРЕМЕННОГО ПОВЫШЕНИЯ УРОВНЯ МОРЯ

11.00.08 — океанология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

МОСКВА 1998

Работа выполнена на кафедре океанологии Географического факультета Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова

Научный руководитель

доктор географических наук, профессор А.Н.Косарев

Официальные оппоненты

Ведущая организация

Институт водных проблем РАН

Защита состоится 12 марта 1998 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д—053.05.30 в Московском государственном университете им. М.В.Ломоносова по адресу: 119899, Москва, ГСП — 3, Ленинские горы, МГУ, Географический факультет, 18 —й этаж, ауд. 1801.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке географического факультета МГУ на 21 этаже.

Автореферат разослан 1998 г.

доктор географических наук, профессор Н.И.Алексеевский кандидат географических наук, ст. науч. сотр. В.С.Тужилкин

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат географических наук

С.Ф.Алексеева

1. Общая характеристика работы.

Актуальность проблемы. Северный Каспий обладает значительными биологическими, минерально — сырьевыми и водными ресурсами. Это важнейший промысловый район, для которого основное значение имеют ценные проходные и полупроходные рыбы, в первую очередь, осетровые. В регионе Северного Каспия находится значительное количество месторождений минерального сырья, наибольшее значение имеют месторождения нефти и газа района Тенгиз на восточном побережье акватории.

Вместе с тем, акватория Северного Каспия испытывает сильное антропогенное воздействие. По имеющимся оценкам большая часть вод относится к категории "загрязнённых" и "грязных", во многих районах акватории экосистемы находятся в критическом состоянии. Характер воздействия загрязняющих веществ на морские экосистемы зависит как от величины и условий поступления поллютантов, так и от особенностей гидрологической структуры и динамики вод акватории.

Динамика вод мелководного Северного Каспия зависит от совокупности таких гидрометеорологических факторов, как речной сток, положение уровня моря и поле ветра. Эти факторы, в сочетании с малыми глубинами и большой площадью водоёма, обуславливают крупномасштабность процессов смешения речных и морских вод, вызывают быструю реакцию моря на изменение внешних условий. Естественная изменчивость водности Волги и регулирование её стока рядом гидротехнических сооружений приводят к значительным межгодовым колебаниям речного стока — наиболее изменчивого компонента водного баланса моря. Как следствие, для этого бессточного водоёма характерны и межгодовые колебания уровня. За время существования моря происходили многократные смены трансгрессивных и регрессивных фаз положения его уровня. В XX столетии было отмечено наинизшее положение уровня ( — 29 м в 1977 г.) за последние четыреста лет. Начиная с 1978 г. начался быстрый рост уровня.

Антропогенная нагрузка на акваторию будет возрастать, особенно в связи с интенсификацией нефтедобычи в прибрежных районах и на шельфе Северного Каспия. В этих условиях, а также с учётом осложнения международных аспектов деятельности на акватории Каспийского моря, очевидна необходимость комплексного исследования гидрологии вод Северного Каспия. Результаты этих исследований найдут применение при решении ряда экологических, биологических, и других научных и хозяйственных задач.

Цель работы — провести детальный, комплексный анализ современных гидрологических условий в Северном Каспии, выявить их особенности, определить характер воздействия различных гидрометеорологических факторов на структуру и динамику вод, а также оценить изменения, происшедшие на этапе современного повышения уровня моря.

При этом решались следующие основные задачи:

• изучить изменчивость и взаимосвязь гидрологических параметров в различных районах акватории;

• исследовать характер влияния речного стока, поля ветра и положения уровня моря на циркуляцию и режим солёности вод;

• выявить особенности процессов смешения речных и морских вод в Северном Каспии, определить характер их пространственно-временной изменчивости;

• обосновать перспективные направления исследования Северного Каспия и разработать методический подход к их использованию.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• впервые разработана цифровая модель рельефа (ЦМР) дна Северного Каспия и на её основе дана детальная оценка морфометрических характеристик района с увеличенным разрешением по глубине;

• с использованием наиболее продолжительных рядов наблюдений (1900—1993 гг) статистически подтверждена связь между колебаниями уровня моря и результирующим водным балансом, а также между уровнем моря и величиной речного стока;

• в результате анализа наблюдений за 1961 —1993 гт получены обоснованные количественные параметры, характеризующие зону смешения речных и морских вод, уточнено среднемноголетнее положение её характерных границ;

• оценены особенности совместного влияния речного стока и положения уровня моря на распределение солёности в Северном Каспии при различных сочетаниях определяющих факторов;

• показан характер совокупного влияния речного стока, поля ветра и положения уровня моря на динамику вод и условия водообмена на границе между Северным и Средним Каспием;

• обоснован методический подход использования спутниковой информации для изучения Северного Каспия;

• впервые разработан прототип Морской Информационной Системы (МИС) Северного Каспия и определены пути её практической реализации.

Практическая значимость. Результаты работы необходимы для оценок состояния и прогноза гидрологических условий Северного Каспия с учётом изменений речного стока и положения уровня моря. Полученные результаты, разработанные модели и методы могут быть использованы при планировании и осуществлении природоохранных мероприятий в исследуемом регионе. Существенный вклад при мониторинге качества вод может дать реализация предложенной МИС Северного Каспия.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на научных семинарах кафедры океанологии географического факультета МГУ; сектора "Космическое землеведение и рациональное природопользование" Музея Землеведения МГУ; Нансеновского Международного Центра по окружающей среде и дистанционному зондированию (МЕЯБС), Санкт Петербург; на международном симпозиуме "Природные и социально — экономические последствия разработки и управления водными ресурсами", Москва 2 — 5 июня 1995.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ, одна находится в печати.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованной литературы и 2 приложений. Работа изложена на 238 стр. машинописного текста, включает 10 таблиц и 96 рисунков. Список литературы содержит 80 наименований, из них 25 на иностранных языках.

2. Основное содержание работы.

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи работы, отражена её научная новизна и практическая значимость.

В первой главе приведена физико — географическая характеристика Северного Каспия, включающая основные сведения о гидрометеорологической изученности района, рельефе дна и морфометрических характеристиках, а также сведения об экологическом состоянии.

Исследованию Северного Каспия и устьевой области Волги посвящено большое количество работ, среди которых исследования Б.А.Аполлова, С.С.Байдина, Н.А.Скриптунова, В.Н.Михайлова, Д.Н.Катунина и других учёных. Тем не менее, в последнее десятилетие отмечается значительное сокращение наблюдений, прекращено издание ежегодных сводок материалов, снизилось количество научных

публикаций. Такое положение отражает сложную экономическую и политическую обстановку, сложившуюся в Каспийском регионе.

Многие гидрологические особенности Северного Каспия определяются рельефом его дна и морфометрическими характеристиками. Северный Каспий — мелководная шельфовая акватория, с глубинами, не превышающими 25 м. Однако рельеф дна осложнен неровностями (острова, банки, бороздины, впадины и др.). В связи с этим, морфометрические характеристики Северного Каспия (площадь зеркала, объем вод акватории и др.) существенно изменяются в зависимости от положения уровня моря. Знание этих характеристик необходимо для оценки влияния межгодовых колебаний уровня моря на водный баланс, динамику вод и характер водообмена между отдельными частями Северного Каспия и между Северным и Средним Каспием. Существующие оценки морфометрических параметров Каспийского моря и отдельных его частей [Николаева, 1971] имеют разрешение по глубине (1 м в диапазоне 1 — 10 м., и далее лишь для отметок 15, 20, 50 м. и более) явно недостаточное для анализа применительно к мелководному Северному Каспию. Поэтому автором была разработана цифровая модель рельефа (ЦМР) Северного Каспия (рис.1) и на её основе для западной и восточной частей и всей акватории в целом были рассчитаны величины объема вод, площади зеркала моря и площади дна для глубин от 1 до 15 м с шагом 0.5 м и от 15 до 30 м с шагом 1 м. Пространственное разрешение ЦМР составляет 1 км. по широте и долготе.

По результатам расчета наибольшие площади занимают глубины 0 — 0.5 м., что свидетельствует о значительной мелководности шельфовой зоны Северного Каспия. Это обуславливает непостоянство береговой линии и сильное воздействие сгонно — нагонных явлений. В целом, для всей акватории характерно преобладание глубин в диапазоне 0—1, 2.5 — 3.5, 5 — 5.5, 7.5 — 8 и 10—10.5 м. Новые морфометрические характеристики Северного Каспия, полученные на основе ЦМР с увеличенным разрешением по глубине, наглядно отражают особенности рельефа дна этой акватории и позволяют делать обоснованные оценки изменения его площади и объема вод для различных периодов стояния уровня моря. Эти данные могут использоваться для анализа связи межгодовых изменений уровня моря с особенностями гидрологических условий Северного Каспия.

Т*-!-1......................"||,1..........................""

100 200 300 400 500

Километры

Рис. 1. Рельеф дна Северного Каспия по данным цифровой модели рельефа (ЦМР).

Существенные межгодовые колебания уровня моря, равно как индустриальное освоение Прикаспийского региона и нерациональное ведение рыбного промысла привели к значительному сокращению запасов ценных видов рыб в Каспийском море. Усиление антропогенной нагрузки на акваторию отражается на ухудшении кормовой базы и условий обитания ценных видов рыб. Хотя оценка состояния экосистем Северного Каспия свидетельствует о стабилизации ситуации в районах центрального мелководья и открытой части акватории, в то же время приустьевой район Волги, районы дельты Урала и Уральской бороздины находятся в критическом состоянии.

Во второй главе рассмотрены современные гидрологические условия Северного Каспия. При этом анализируется сезонная и межгодовая изменчивость речного стока, уровня моря, температуры и солёности вод акватории.

В результате совместного воздействия естественных и антропогенных факторов (увеличение водности Волги, повышение уровня моря, регулирование стока, работа вододелителя) внутригодовое и пространственное распределение стока Волги претерпело существенные изменения. Для распределения стока в дельте в последние десятилетия характерно его сосредоточение в основных системах

водотоков, и увеличение относительной доли стока в восточную часть дельты.

Связь колебаний уровня моря и составляющих водного баланса рассмотрена на основе данных за 1900—1993 гг. При этом следует иметь в виду, что попытки корреляции колебаний уровня моря с изменениями водного баланса на основе стандартного подхода (классическое уравнение водного баланса замкнутого водоёма) не выявили устойчивой связи. Это во многом послужило причиной для выдвижения гипотез о преобладающем влиянии неклиматических (геологических, антропогенных и пр.) факторов на колебания уровня моря. Существенно более значимой оказалась связь между уровнем моря и нормированными интегральными разностями результирующего водного баланса, которые представляют собой накопление разностей между значением переменной на каждом временном шаге и средним значением переменной за рассматриваемый промежуток^времени. Эта безразмерная величина рассчитывается по формуле 5, = —1), где К — модульный коэффициент, равный К; = , Ш0 — среднемноголетнее значение результирующего водного баланса (норма), а — его

величина за каждый год. Для рассматриваемого периода коэффициент корреляции между значениями уровня моря и результирующего водного баланса оказался весьма высоким: Я = 0.94+0.03 при принятии в качестве нормы результирующего баланса за рассматриваемый период среднеарифметического значения (Ш0 =—31 мм/год) (рис. 2). Речной

сток — наиболее быстро и ощутимо меняющийся компонент водного

баланса, и именно этот фактор в наибольшей степени влияет на изменения уровня. При рассмотрении связи расхода Волги и отметок уровня и использовании ежемесячных данных о расходе Волги и уровне моря вместо

среднегодовых эта связь оказывается еще более очевидной — коэффициент корреляции И = 0.95 ±0.008.

Рассмотрение изменчивости уровня моря за 1972—1992 гг. на восьми ГМС Северного Каспия, расположенных как в прибрежной зоне, так и в открытом море, свидетельствует о том, что положение фонового

уровня моря существенно влияет на характер внутригодового распределения уровня на акватории Северного Каспия в целом и в отдельных его частях. Рост уровня, облегчающий проникновение среднекаспийских вод в Северный Каспий, и вызванное им уменьшение буферной роли зоны подпора волжских вод, приводит к усилению влияния вод открытой части моря на прибрежные районы.

Сезонная изменчивость поля температуры воды Северного Каспия значительно зависит от характера поступления речного стока на акваторию и динамики вод. За 1970—1993 гг. минимальные среднемесячные величины температуры (0 — 0.5 °С) . отмечались в феврале, максимальные (26 — 27 °С) — в июле. Сезонные особенности характерны и для распределения вертикальных градиентов температуры. Вся восточная часть акватории и мелководье вблизи центральной и восточной частей дельты Волги характеризуются крайне малыми вертикальными градиентами (не более 0.06 °/м) в течение всего года. На остальной части акватории максимальные градиенты в апреле отмечаются в районе прохождения основной волжской струи, в июне и августе — в районах с глубинами более 5 м, особенно в районе свала глубин; в октябре — ноябре вертикальное распределение температуры наиболее однородно. Для периода современного подъема уровня характерно уменьшение вертикальных градиентов температуры в апреле —июне (что может быть связано с увеличением волжского стока в весенний период) и их возрастание в августе (интенсификация подтока среднекаспийских вод).

В межгодовом ходе среднегодовой температуры за 1959—1995 гг. явные линейные тренды, свидетельствующие об общем потеплении или похолодании вод Северного Каспия, не выделяются. Межгодовые изменения температуры воды на всех станциях происходят в основном согласованно, из чего следует, что в межгодовом масштабе вся акватория Северного Каспия реагирует на влияние термического воздействия атмосферы как водоем с единым типом гидрологического режима.

Гораздо более значительны межгодовые изменения солёности в Северном Каспии. Для района прохождения основной волжской струи солёность в первую очередь связана с величиной волжского стока. Так, для ГМС Астраханский приемный плавмаяк (АППМ) и о. Тюлений в 1978—1988 гг. выявлена устойчивая связь среднегодовых значений солёности (Б) и расхода Волги (О). Для АППМ она описывается уравнением в = 14.44 - 0.0007 •(}, для о.Тюленьего - Б = 7.83 - 0.0005 • (2; коэффициенты корреляции равны —0.69 и —0.67 соответственно. Устойчивая связь отмечается и между интегральными разностями среднегодовых значений стока Волги у с. Верхнее Лебяжье и солёности

воды на ГМС о. Тюлений (коэффициент корреляции —0.74). Анализ хода интегральных разностных кривых среднегодовых значений солёности на ГМС о.Тюлений и о.Кулалы за 1948—1990 гг. свидетельствует о том, что для этих станций характерно противофазное изменение солёности, обусловленное величиной волжского стока и интенсивностью подтока среднекаспийских вод на границе между Северным и Средним Каспием. С конца 1950 —х — начала 1960 —х гг. до 1977 г. наблюдалось нарушение подобного распределения солёности, связанное с регулированием стока и уменьшением водности Волги, которое вернулось к своему характерному состоянию с увеличением речного стока и ростом уровня моря.

Анализ ежедневных значений солёности на ГМС АППМ, расположенной в зоне прохождения основной волжской струи, и расхода Волги у с. Верхнее Лебяжье показывает, что внутригодовые колебания волжского стока находят отражение в величине солёности только при продолжительных высоких значениях расхода, в основном во время половодья, тогда как короткопериодные (зачастую значительные) колебания солёности объясняются другими факторами, в первую очередь ветровым воздействием, существенным образом меняющим характер циркуляции вод и пространственное распределение солёности.

Характер пространственно — временной изменчивости

вертикальных градиентов солёиости свидетельствует, что вся восточная часть Северного Каспия и мелководье вблизи центральной и восточной частей дельты Волги характеризуются малыми вертикальными градиентами солёности (не более 0.03 °/00/м) в течение всех рассмотренных месяцев. Наибольшая стратификация (до 0.25 °/00/м) свойственна району прохождения основной волжской струи (апрель— август), в июне к ней добавляется центральный район с глубинами более 5 м, а в августе — более 10 м. В октябре градиенты солёности отмечаются только в юго-западной части рассматриваемого района. Для периода современного подъема уровня моря свойственна более выраженная вертикальная однородность вод в апреле и октябре; в июне и августе вертикальные градиенты солёности выше, чем в период понижения уровня, что связано с усилением взаимодействия речных и морских вод.

Связь между среднегодовыми значениями расхода Волги и солёностью воды Северного Каспия выделяется только для ГМС, расположенных в районе прохождения основной волжской струи, причем не для всех временных интервалов. Это объясняется тем, что характер поля солёности зависит от сочетания многих факторов, каждый из которых характеризуется сезонной и межгодовой изменчивостью, и солёность, как интегральная характеристика, не

и

позволяет однозначно выявить эти процессы. Для анализа распределения солёности на акватории Северного Каспия данные наблюдений на ГМС необходимо дополнять информацией о пространственном распределении солёности, которое более чётко отражает сложный характер процессов смешения речных и морских вод.

Таким образом, данные наблюдений за последние десятилетия подтверждают, что гидрологические условия Северного Каспия в значительной степени определяются характером поступления пресных вод на акваторию. Величина речного стока влияет на колебания уровня моря, а положение уровня моря, в свою очередь, определяет степень воздействия речного стока на распределение гидрологических параметров и характер циркуляции вод. Сочетание величины речного стока, положения уровня моря и характера циркуляции вод влияет на внутригодовую изменчивость температуры и солёности воды, а также на особенности межгодовой изменчивости солёности.

В третьей главе исследованы основные особенности зоны смешения речных и морских вод в северной части Каспийского моря.

Сочетание значительного речного стока, малых глубин и большой площади акватории приводит к формированию в Северном Каспии обширных зон транзита речных вод и обуславливает крупномасштабность процессов их смешения с морскими водами. Особенности зоны смешения в Северном Каспии во многом определяют высокую биологическую продуктивность и уникальность этого района моря. По результатам предыдущих исследований в Северном Каспии выделяются три основных типа вод: опресненные (1—6 0/ооЬ собственно морские или близкие к ним (10—12 °/оо и выше) и воды фронтальной зоны (район наибольшего смешения — 5 — 10 °/оо)- Абсолютные значения солёности, принятые в качестве границ типов вод, у разных авторов несколько отличаются, но характерные зоны в районе смешения речных и морских вод одни и те же: а) транзита речных вод, б) фронтальная и в) влияния морских вод.

Для более полного анализа характерных особенностей процессов взаимодействия речных и морских вод на акватории использованы поля повторяемости (объёмные гистограммы) солёности воды на горизонте 0 м. для пяти вековых разрезов Северного Каспия за 1961 — 1993 гг. На объёмных гистограммах выделяются два максимума повторяемости солёности, имеющие разный генезис; один из них обусловлен процессами постепенного смешения, а другой — процессами вытеснения одних вод другими. Оба процесса в значительной степени связаны с внутригодовым распределением речного стока, что определяет необходимость анализа солёности для каждого из сезонов, т.к. осреднённые среднегодовые значения могут затушёвывать или искажать

характер различных природных процессов в зоне смешения. Значительная пространственно —временная изменчивость солёности в Северном Каспии обуславливает, кроме того, целесообразность использования в качестве средних величин не среднеарифметические, а медианные значения, поскольку единичные экстремальные значения солёности могут существенно завышать или занижать средние арифметические величины и приводить к значительным искажениям оценки среднего.

Анализ схем частоты повторяемости вод с определенной солёностью в различные сезоны (весна, лето, осень) на горизонте 0 м. в 1961 — 1993 г. позволил проследить связь распределения солёности с процессами смешения речных и морских вод, их циркуляции и водообмена. В апреле основная часть акватории находится под сильным воздействием среднекаспийских вод, преобладают значения солёности более 8 °/оо- В июне, при максимальном за рассматриваемые месяцы воздействии речного стока, значительно увеличивается присутствие опресненных вод, их площадь возрастает. В августе ослабление речного стока снова приводит к интенсификации подтока среднекаспийских вод; увеличивается встречаемость вод с солёностью выше 8 °/00 (до 80% на границе между Северным и Средним Каспием), особенно с солёностыо выше 10 —12.5 °/00 (до 85 — 90% в южной части разреза 3). В октябре поступление среднекаспийских вод усиливается, воды с солёностью выше 10 —12.5 %0 занимают всю центральную часть акватории Северного Каспия (максимальная повторяемость 80 — 85%). Анализ схем распределения пространственных градиентов солёности, построенных по тем же данным, выявил, что в целом для северо-западной части Северного Каспия, где проходит основная струя волжского стока, характерно наличие квазипостоянной зоны с высокими градиентами (до 1.2 °/оо/км). Для большей части рассматриваемой акватории наибольшие градиенты (порядка 0.6 — 0.8 "/^/юл) наблюдаются в апреле —июне, в меньшей степени в августе; в октябре поле солёности становится более однородным, преобладают градиенты 0.4 — 0.6 °/00/км.

Анализ данных пространственного распределения солёности воды на горизонте 0 м. на вековых разрезах 2, 3 и За за 1961 — 1993 позволил установить, что пространственное положение характерных границ зоны смешения речных и морских вод испытывает как сезонные, так и межгодовые изменения, связанные с объёмом речного стока и интенсивностью влияния среднекаспийских вод. В последнее время, при увеличении влияния волжского стока, это выражается в более чётком выделении зоны транзита речных вод и более значительном её удалении от морского края дельты на 70 — 80 км (особенно в апреле), и ослаблении интенсивности проникновения среднекаспийских вод в центральном

районе Северного Каспия (удаление от морского края дельты Волги увеличилось от 90—110 км в период до 1977 г до 140 км и более после 1978 г.). Положение фронтальной зоны по сравнению с другими границами зоны смешения достаточно стабильно: в среднем она располагается па удалении 80 —120 км от края дельты, интенсивнее всего смешение речных и морских вод происходит в районе прохождения основной волжской струи.

При значительной стабильности среднего положения характерных границ зоны смешения, проведённый анализ выявил существенные сезонные изменения величины солёности вод на этих границах. В силу этого выделение границ зоны смешения речных и морских вод в Северном Каспии только по абсолютным значениям солёности представляется недостаточно обоснованным; следует учитывать сезонную изменчивость поля солёности и локальные особенности каждого из рассматриваемых районов.

На разрезе о.Чечень — п —ов Мангышлак, на характер процессов взаимодействия речных и морских вод оказывают влияния межгодовые изменения речного стока и уровня моря. После 1977 г. на разрезе максимальная повторяемость вод с высокой солёностью (12 — 13 °/оо ) уменьшилась с более 50% до 40 — 50%, изменчивость повторяемости солёности вод в западной части разреза (полоса шириной 20 — 30 км.) увеличилась с 3 — 5% до 10—15%. Эти особенности обусловлены в первую очередь изменением водности Волги, увеличившейся после 1977 г., влияние межгодовых колебаний уровня моря в этом районе имеет меньшее значение.

Впервые по данным пяти вековых разрезов за 1961 — 1993 гг изучено пространственное распределение солёности на всей акватории Северного Каспия при различном сочетании величины речного стока и положения уровня моря в разные сезоны. Показано, что положение уровня создаёт фон, определяющий дальность проникновения среднекаспийских вод и интенсивность их взаимодействия с северокаспийскими водами. При низком уровне моря (Н <= —28.4 м) характер морфологии дна, в значительной степени затрудняющий подток солёных вод с юга, и, в то же время, способствует формированию обширных зон транзита речных вод, их смешения и осолонения. Высокое стояние уровня значительно облегчает подток солёных вод и приводит к оттеснению пресных вод на север, в направлении морского края дельты Волги.

На фоне того или иного положения уровня моря количество поступающего речного стока приводит к различным результатам. При высоком положении уровня увеличение речного стока (О > 7270 м3/сек) способствует опреснению вод, которое, в первую очередь, происходит

вблизи дельты. В некоторых случаях (апрель, август) значительное опреснение наблюдается и в центральной части акватории. При низком положении уровня пресные волжские воды в большинстве случаев транзитом проходят в Средний Каспий, и увеличение речного стока приводит к усилению компенсационного подтока среднекаспийских вод, иными словами, чем больше расход Волги, тем значительнее площадь вод с солёностью 10 — 12 °/оо и более, тогда как опреснение северозападной части Северного Каспия выражено намного слабее, чем при высоком уровне. В основном оно проявляется лишь в районе прохождения основной волжской струи (центральная часть разреза За).

Таким образом, характер процессов смешения речных и морских вод в Северном Каспии, равно как и пространственное распределение солёности, в значительной степени определяются сочетанием таких основных факторов, как речной сток, характер циркуляции вод и водообмена, а также положением уровня моря. Интенсивность процессов смешения речных и морских вод может существенно меняться под • их воздействием; ей присуща чётко выраженная внутригодовая изменчивость. Межгодовые изменения также велики; несмотря на выявленную стабильность пространственного среднемноголетнего положения фронтальной зоны, значения солёности на её границах существенно меняются от года к году.

В четвёртой главе проведён анализ структуры вод и характера водообмена на границе между Северным и Средним Каспием.

Взаимодействие опресненных и морских вод в этом районе происходит под воздействием поля ветра и циркуляции вод. Многолетняя повторяемость ветра по данным ГМС о.Тюлений и о.Кулалы свидетельствует о том, что в течение большей части года преобладают ветра восточной четверти, а летом увеличивается повторяемость северо-западных ветров.

На основе данных наблюдений на разрезе о.Чечень — п —ов Мангышлак за 1968—1995 гг. установлены особенности термохалинной структуры вод в этом районе. Изменения гидрологических характеристик в западной мелководной части разреза вызываются, в первую очередь, сезонным ходом стока Волги; в центральной части разреза главенствующее значение имеют процессы обмена вод между Северным и Средним Каспием, а на востоке — динамика вод центральной и восточной частей Северного Каспия.

Установлено, что в течение всего года на разрезе присутствует два типа вод — среднекаспийские с солёностью 12—12.5 °/00 и более, занимающие центральную и восточную части разреза, и трансформированные северокаспийские воды с солёностью 9—10.5 °/оо. обычно находящиеся в западной части разреза. Однако, в течение года

распределение различных водных масс на разрезе существенно меняется. В феврале северокаспийские воды на разрезе не наблюдаются; в апреле их присутствие максимально, эти воды сосредоточены в западной части разреза в полосе шириной порядка 40 км., пространственные градиенты солёности здесь достигают 0.07 °/оо/км. В августе градиенты солёности уменьшаются до 0.035 0/оо/км, при заметном общем опреснении разреза по сравнению с апрелем. Вместе с тем, солёность трансформированных северокаспийских вод увеличивается и превышает 10 °/00. В октябре на всем разрезе усиливается приток среднекаспийских вод с солёностью более 12.5 °/00, влияние северокаспийских вод прослеживается только в его западной части, в узкой полосе шириной 20 — 25 км.

Оценки водообмена между отдельными частями Северного Каспия и Северным и Средним Каспием в научных публикациях существенно отличаются, что связано с разной методикой их расчёта. В данной работе для определения водообмена применена боксовая (ящичная) модель Северного Каспия и на её основе рассчитаны значения водообмена между западной и восточной его частями, и между ними и Средним Каспием для августа и ноября. Результаты модельных расчётов на качественном уровне реально отражают общий характер переноса волжских вод из восточной части дельты в восточную часть Северного Каспия, их антициклоническое движение в этом районе с последующим поступлением трансформированных вод в район севернее о.Кулалы. Результаты расчета показывают преобладание переноса вод из Среднего в Северный Каспий; перенос в обратном направлении в августе сравним с расходом Волги в этом месяце, а в ноябре превышает его почти в два раза. Полученные результаты свидетельствуют о том, что для мелководного Северного Каспия, где поле ветра значительно влияет на циркуляцию вод, при модельных расчетах необходимы учет и параметризация ветровых условий. Расчет водообмена между Северным и Средним Каспием и между отдельными частями Северного Каспия остается задачей дальнейших исследований.

Для исследования связи ветрового воздействия с полем течений в Северном Каспии было проведено численное моделирование циркуляции вод на основе диагностической трёхмерной гидродинамической модели (рис. 3) [№е1оу, Коигаеу, 1996]. Полученные результаты хорошо согласуются с натурными наблюдениями и результатами других численных моделей [Баклановская и др., 1985].

Рис. 3. Модельные расчеты циркуляции вод на горизонте 0 м. при северо-восточном ветре.

В целом характер течений в поверхностном и придонном слоях сходные, скорости течений у дна на 5 — 8 см/с меньше, чем на горизонте О м. Северо-восточный и юго-восточный ветры приводят к интенсификации поступления вод в западную часть акватории; в мелководной северо-восточной части Северного Каспия образуется локальный циклонический круговорот. Северо-западные и юго-западные направления ветра обуславливают перенос вод на юго-восток в Средний Каспий и возникновение антициклонического круговорота в северо-восточной части рассматриваемой акватории. Наибольшие положительные превышения уровня свободной поверхности моря отмечаются при ветрах южного направления (юго-восточный и юго-западный), отрицательные — при северо-восточном ветре.

На основе анализа межгодовой изменчивости структуры вод на разрезе о. Чечень — п —ов Мангышлак, поля ветра на ГМС о.Кулалы и о.Тюлений и среднемесячных значений речного стока за 1968—1995 гг. выявлена чёткая логическая связь между рассматриваемыми параметрами. Для более полного раскрытия этой связи выявлены характерные типы циркуляции вод при различных сочетаниях величины речного стока и поля ветра. Для этого привлечена дополнительная информация о поле солёности на всей акватории Северного Каспия за эти годы.

Установлено, что преобладание восточных и юго-восточных ветров усиливает подток среднекаспийских вод; опреснение в западной части разреза о.Чечень — п — ов Мангышлак заметно лишь при большом речном стоке. Западные и северо-западные ветры вызывают перенос речных вод в двух направлениях— западном и восточном, причём

опреснение западной части разреза отмечается практически всегда, восточной — только при больших расходах Волги. Действие северных и северо-восточных ветров приводит к продвижению опресненных вод широким фронтом от морского края дельты на юг, что способствует значительному опреснению центральной части Северного Каспия. При малом стоке воздействие опресненных вод может совсем не сказываться на разрезе о.Чечень — п —ов Мангышлак, при большом опреснение может наблюдаться в его мелководных западной и восточной частях. Следовательно, неоднородность поля ветра над акваторией может значительно осложнять динамику вод. Так, в частности, преобладание в районе о. Тюлений юго-восточных, а в районе о. Кулалы — северозападных ветров может приводить к формированию аномальной структуры вод на разрезе, когда его западная и центральная части заняты среднекаспийскими водами, а наиболее опресненной оказывается восточная часть разреза.

В пятой главе рассмотрены возможности использования спутниковой информации и других перспективных технологических направлений для изучения Северного Каспия.

Проведённая в работе интерпретация данных дистанционного зондирования (ДЗ) для Северного Каспия свидетельствует об успешности применении и хороших возможностях этого направления исследований. С уменьшением в последнее время количества наблюдений in situ, этот источник данных приобретает все большее практическое значение. Одно из наиболее перспективных направлений использования методов ДЗ для определения характеристик морской воды — спутниковые наблюдения в видимом диапазоне спектра.

На примере анализа изображений концентрации пигмента хлорофилла —а по данным многозонального датчика CZCS (пять снимков в разные сезоны 1980 г.) исследована возможность использования этих данных для определения динамики фитопланктона Северного Каспия. Хотя применительно к водам Северного Каспия, отличающимся большим количеством взвешенного вещества и интенсивным развитием фитопланктона, алгоритм определения пигмента обладает определенными недостатками, анализ снимков позволил получить неплохое качественное представление о пространственно-временной динамике фитопланктона. Показано, что районы повышенных концентраций пигмента на снимках совпадают с районами интенсивного развития фитопланктона, выделенными по данным многолетних натурных наблюдений (район Волго — Каспийский канал — о.Тюлений, морской край дельты Волги, Кулалинский порог, Тюленьи о-ва и мелководье восточной части Северного Каспия). Временная динамика концентрации хлорофилла —а подтверждает важное значение

температуры воды для развития фитопланктона на акватории Северного Каспия: максимальное его развитие наступает во второй половине августа. Установлено, что снимки позволяют с достаточной точностью определять и локальные особенности пространственного распределения хлорофилла.

Проведён анализ совместного использования многозонального снимка сканера МСУ—СК спутника "Ресурс —01" и судовых наблюдений для исследования зоны смешения речных и морских вод. В качестве подспутниковых данных привлечены результаты гидролого — гидрохимических измерений на взморье Волги и в западной части Северного Каспия, полученные в ходе экспедиции в августе 1996 г. с участием автора. На основе анализа этих данных выявлены границы зоны смешения, характеризующиеся резким изменением гидрологических и гидрохимических параметров, и определено их пространственное положение. При этом выделено три границы: речная граница на удалении 35 км (на этой границе отмечены резкое изменение солёности — пространственный градиент 3 °/0о/км, вертикальный — 0.42 °/оо/км, максимальные значения рН — 8.76 и насыщения кислорода

— 114%), граница на удалении 50 км (выделена по изменению цвета и прозрачности воды) и граница на удалении 80 км от о. Искусственный (резкое изменение цвета, прозрачности, вертикальная стратификация рН и содержания кислорода). На основе полученных со сканера снимков разного диапазона и синтезированных на их основе цветных изображений рассмотрены особенности информации по каждому из каналов и проведено дешифрирование изображения. Установлено, что положения границ типов вод, выделенные по судовым наблюдениям и по спутниковому снимку, хорошо совпадают между собой. Таким образом, привлечение спутниковой информации и её совместное использование с судовыми измерениями позволило по имеющимся (пока немногочисленным) натурным данным определить характер взаимодействия вод.

Одно из возможных направлений исследований Северного Каспия

— Морские Информационные Системы. Совместное использование данных ДЗ, наблюдений т зИи и результатов численного моделирования обуславливает необходимость разработки системы, способной успешно оперировать с данными такого рода. Такому условию удовлетворяют Географические Информационные Системы (ГИС). Применение ГИС для изучения водных объектов имеет специфические черты, что позволяет выделить новое понятие — Морская Информационная Система (МИС). Рассмотрены характерные особенности МИС, обобщён существующий международный опыт их разработки для различных морей и их акваторий. Автором сформулирована концепция прототипа

МИС Северного Каспия; определены тип, структура и организация

данных; обоснованы этапы и пути реализации МИС.

В Заключении сформулированы основные результаты

диссертационной работы:

=> Создана цифровая модель рельефа дна Северного Каспия. На её основе, с увеличенным по сравнению с предыдущими работами разрешением по глубине, рассчитаны морфометрические характеристики акватории.

=> Статистически достоверно, на наиболее полном материале (1900 — 1993 гг.) подтверждена зависимость колебаний уровня моря от изменчивости результирующего водного баланса и стока Волги;

=> Определены пространственно — временные особенности полей температуры и солёности воды в Северном Каспии и их вертикальной структуры в характерные периоды времени;

=> Выявлено пространственное положение и параметры характерных границ зоны смешения речных и морских вод в Северном Каспии, выявлены особенности их положения в период современного подъёма уровня моря;

=> Установлено, что положение уровня моря создаёт фон, определяющий дальность проникновения среднекаспийских вод в Северный Каспий. При высоком положении уровня увеличение речного стока способствует опреснению вод вблизи дельты. При низком положении уровня пресные волжские воды в большинстве случаев транзитом проходят в Средний Каспий;

=> На основе диагностической трёхмерной гидродинамической модели рассчитана циркуляция вод Северного Каспия и выявлены особенности поля течений при характерных типах ветрового воздействия. Полученные результаты хорошо согласуются с натурными наблюдениями и результатами численного моделирования, полученными другими авторами;

=> Установлена чёткая связь между характером поля ветра, величиной речного стока и межгодовой изменчивостью структуры вод на границе между Северным и Средним Каспием. Выделены характерные типы циркуляции вод при различных сочетаниях величины речного стока и характера поля ветра;

=> Установлено, что спутниковые снимки сканера СХСБ, обработанные с помощью алгоритма для океанских вод, могут применяться для выделения зон повышенной продуктивности в Северном Каспии. Показано, что совместное использование судовых наблюдений и спутниковых снимков сканера МСУ—СК позволяет по немногочисленным натурным данным определять характер взаимодействия речных и морских вод в зоне их смешения;

=> Разработан прототип Морской Информационной Системы Северного Каспия и намечены пути её практической реализации.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. О влиянии стока Волги на солёность Северного Каспия в период

подъёма уровня моря. / Тезисы международного симпозиума "Природные и социально-экономические последствия разработки и управления водными ресурсами", Москва, 2 — 5 июня 1995. (в соавторстве с А.Н. Косаревым)

2. Об особенностях современных гидрологический условий Северного

Каспия. / Вестник МГУ, Серия 5, География, 1996, №5, с. 47 — 53. (в соавторстве с А.Н. Косаревым и Р.Е.Никоновой)

3. Процессы взаимодействия речных и морских вод в шельфовых районах

Черного и Каспийского морей. / Материалы международного симпозиума "Управление и охрана побережий северо-западного Причерноморья" 30 сент — 6 окт 1996 г. Одесса 1996. стр. 36 — 37. (в соавторстве с А.Н.Косаревым и Н.А.Берлинским).

4. 3-D circulation model of the Kara sea / NIERSC Technical report N6, St

Petersburg, 1996, 43 pp. (в соавторстве с И.А.Нееловым)

5. About influence of the river Volga runoff on hydrological conditions of the

Northern Caspy during modern sea level rise. / International Hydrological Programme, IHP—V, Technical Documents in Hydrology, N3, Environmental and socio-economic consequences of water resources development and management, Proceedings of the Moscow Symposium (15-20 May 1995), UNESCO, Paris, 1997, p.134-137. (в соавторстве с А.Н.Косаревым)

6. Влияние речного стока на солёность Северного Каспия. // Землеведение и Экология. Жизнь Земли, Выпуск 30, М., Изд—во МГУ, 1997, с 121-126.

7. Применение морских информационных систем (МИС) для изучения

морей России (на примере Северного Каспия). // Землеведение и Музееведение, М. Изд —во МГУ, 1998, в печати.