Введение к работе
Диссертация посвящена исследованию динамики вод Каспийского моря: течений, долгопериодных волн, формирования поля солености и апвеллинга.
Актуальность проблемы.
Каспийское море обладает огромными биологическими, минерально-
сырьевыми, энергетическими, водными и др. ресурсами. Информация о
динамике вод любого моря, в том числе Каспийского, используется при
решении навигационных, хозяйственных, гидротехнических,
рыбопромысловых, биологических, экологических и научных задач, в частности, при рассмотрении вопросов распространения и перемешивания растворенных в воде веществ и взвесей естественного и антропогенного характера, влияния закономерностей циркуляции вод на распространение и трансформацию сточных вод, нефтепродуктов, воздействия потоков воды на гидротехнические сооружения, дно моря и берега. В перспективе влияние деятельности человека на бассейн будет возрастать, что может привести к неблагоприятным экологическим последствиям.В этих условиях, и тем более, при совместной эксплуатации, бассейна разными странами, всегда будет возникать проблема контроля и сдерживания антропогенной нагрузки на него. Естественно, без информации о динамике вод бассейна эта проблема грамотно не может быть решена. В настоящее время проблемами Каспийского моря, связанными с динамикой его вод, занимается более десяти организаций России, в их числе: НКЦ "Каспий" РАН, ИВП РАН, МГУ им. М.ВЛомоносова, ГОИН, ВНИРО, "Союзморниипроект" и др. Однако динамика вод Каспийского моря оставалась до последнего времени мало изученной и многие ее аспекты либо недостаточно, либо совсем не освещены в литературе. Не изучены долгопериодные волны, изменчивость циркуляции вод при изменениях уровня моря; слабо исследованы течения глубоководных Среднего и Южного Каспия, не разработана методика процессов водо-солеобмена, потоков солей и взвесей, практически не затронуты вопросы формирования поля солености-, нет достаточного обоснования наличия "постоянных" круговых течений; весьма ограничены исследования природы и свойств апвеллингов и даунвеллингов. Более того, на основании экспериментальных натурных наблюдений за гидрологическими характеристиками моря нами были выявлены принципиальные противоречия
в понимании природы, казалось бы, известных явлений, их свойств, параметров и связей с источником.
Существующее положение в изученности динамики вод Каспийского моря можно объяснить отсутствием единого мнения о развитии рассматриваемых явлений, а также недостаточностью необходимой информации об их пространственно-временной изменчивости.
Поскольку рассматриваемые явления наблюдаются не только в Каспийском море, но и в других водоемах (океанах, морях и крупных озерах) и имеют некоторые схожие параметры и свойства, результаты исследования этих явлений Каспийского моря могут с успехом использоваться при исследованиях в других водоемах.
Основные цели исследования
1. Выявить закономерности развития и параметры горизонтальной
циркуляции вод, течений, захваченных берегом и инерционных волн, водо-
солеобмена, формирования поля солености и апвеллинга в Каспийском
море.
2. Внедрить результаты исследований в оперативный диагноз
гидродинамических явлений.
3. Повысить полноту и достоверность оценки гидродинамических
процессов с помощью применения разработанных методов исследования.
4. Разработать и провести целенаправленные комплексные эксперименты
для решения научных и практических задач.
Методы исследования
-
Комплексные натурные наблюдения течений, температуры воды, солености, метеопараметров с применением автономных средств измерения, гидрологических съемок и стандартных гидрометеонаблюдений.
-
Описание гидродинамических процессов и их распространения с использованием методов спектральной статистической обработки наблюдений.
3. Анализ гидродинамических процессов на основе натурных
наблюдений, теоретических исследований и численного моделирования.
Научная новизна
1. Выполненные эксперименты, наблюдения и расчеты подтвердили существование в Каспийском море крупномасштабной циркуляции с
доминированием циклонической направленности. Уточнена схема и определены параметры циркуляции.
2. Установлено наличие в море долгопериодных волн - захваченных
берегом и инерционных. Определены их параметры и свойства.
-
Выявлена фундаментальная роль долгопериодных волн в динамике вод бассейна.
-
Показан преимущественно адвективный характер процесса переноса солей, что свидетельствует о волновой природе течений.
-
Разработана методика определения водо- солеобмена и рассчитаны его параметры для различных частей моря.
-
Дано новое объяснение формирования апвеллинга Каспийского моря. На основе экспериментальных данных показано, что он формируется преимущественно не ветром, как считалось, а вдольбереговыми течениеми.
На защиту выносятся.
-
Закономерности образования и развития течений и долгопериодных волн Каспийского моря, их пространственно-временная изменчивость..
-
Механизм формирования водо- солеобмена и поля солености вод Северного Каспия.
-
Закономерности образования апвеллинга и даунвеллинга в Среднем и Южном Каспии.
Приоритетными являются следующие результаты исследований.
Впервые установлено наличие в Каспийском море захваченных берегом волн, представляющих собой образования с отдельными свойствами баротропных шельфовых волн и бароклинных волн Кельвина.
Обнаружено, что знакопеременные течения в Каспийском море в доминирующей части не ветровые, как считалось, а волновые - течения инерционных и захваченных берегом волн или волн ими генерируемых. Энергия волновых течений составляет 85%, а ветровых 15% от общей энергии течений.
Определено, что инерционные и захваченные берегом волны (течения) наблюдаются не эпизодически, а постоянно, что эти волны энергетически устойчивые, резонансного типа образования, в которых потери и дозы
поступающей энергии малы по сравнению с энергией волны и поэтому моменты поступления энергии "незаметны".
Показано, что групповая структура инерционных волн определяется не изменением действия источника, а взаимодействием волн между собой.
Установлено, что в прибрежной зоне инерционные волны трансформируются, спектр волновых течений становится многомодальным скорости течений достигают 100-150 см/с, а в глубоководной части моря они составляют всего 50-60 см/с.
Установлено, что режим течений Каспийского моря имеет преимущественно адвективный характер, а турбулентность мала. Это подтверждает волновую природу течений.
Определена роль квазипостояннных и знакопеременных течений в водо-солеобмене и формировании поля солености вод Каспийского моря. Водо-солеобмен, положение гидрофронта осуществляются квазипостоянными течениями, а "размытость" поля солености - турбулентностью знакопеременных течений.
Разработана схема квазипостоянных течений Каспийского моря, с информацией о скоростях, направлениях течений и водо-солеобмене.
Определена природа квазипостоянных течений. Наиболее вероятно, что они являются стоксовым переносом долгопериодных волн.
Выявлено, что апвеллинг и даунвеллинг Каспийского моря генерируются в основном не ветром, а вдольбереговыми течениями.
Практическая ценность.
В работе описаны явления, характеризующие горизонтальные и вертикальные движения вод бассейна в разных пространственно-временных масштабах, формирующие солевой и температурный режим моря, перемещение и перемешивание растворенных в воде веществ и взвесей естественного и антропогенного характера. Результаты исследований могут быть использованы для решения практических задач, в том числе при определении:
- рыбопродуктивности моря, жизнедеятельности морских организмов,
развития кормовой базы рыб;
качества вод бассейна для использования в промышленности, сельском и коммунальном хозяйстве;
влияния на качество вод моря сбрасываемых в него переработанных промышленностью и сельским хозяйством загрязненных вод;
состояния экосистемы моря;
влияния движения вод на развитие рельефа дна и берегов, особенно в прибрежной зоне и на мелководьях;
параметров проектируемых и действующих гидротехнических сооружений: систем забора и сброса вод, дамб, портов, нефтедобывающих сооружений и нефтепроводов.
Результаты работы могут быть использованы также для создания сложных моделей, включающих блок гидродинамики, для решения указанных выше задач.
Сведения о водо- солеобмене общей циркуляции моря внедрены НКЦ "Каспий" РАН при разработке модели экосистемы моря и реализованы при изучении водно-экологических проблем Каспия.
Данные о формировании поля солености вод Северного Каспия внедрены ГОИН-ом в модели перемешивания вод Волги и морских.
Личный вклад. В диссертации обобщены результаты исследований динамики вод Каспийского моря, выполненных в 1980-1994 г.г. по плану НИР ИВП РАН по теме "Исследование закономерностей формирования водных ресурсов и качества вод Каспийского моря и его бассейна (раздел ,темы "Исследование динамики, ветровых и волновых течений Каспийского моря, формирование поля солености, апвеллинг") под руководством и непосредственном участии автора. Научные идеи, изложенные в работе, принадлежат автору.
Апробация работы. Результаты исследований, изложенные в диссертационной работе, опубликованы в 20 статьях и в монографии, по отдельным разделам и в целом по диссертации были доложены: на Ученом Совете ИВП РАН; семинаре океанографического общества г. Ленинграда; третьей конференции "Динамика и термика рек, водохранилищ и окраинных морей"; семинаре отдела Динамики моря ГОИНа; втором международном симпозиуме "Комплексный глобальный мониторинг Мирового океана" (МОНОК-Н); расширенном заседании гидрологической, гидрохимической и биологической секции Научного Совета при ГКНТ и АН СССР по комплексному изучению проблем Каспийского моря; семинаре "Методы гидробиологических исследований в связи с задачами комплексных исследований Каспийского моря"; Всесоюзном совещании по гидрологическим и водохозяйственным аспектам формирования экосистемы
бассейна Каспийского моря; постоянно действующем Научном семинаре Научного Совета РАН по комплексному изучению проблем Каспийского моря и его бассейна; совместном семинаре лабораторий влагопереноса и испарения и гидродинамики ИВП РАН; секции Ученого Совета ИВП РАН. по гидрофизике и экологии; четвертой конференции "Динамика и термика рек, водохранилищ, внутренних и окраинных морей", Международном симпозиуме ЮНЭСКО "Природные и социально-экономические последствия разработки и управления водными ресурсами", Ученом Совете ИВП РАН.