Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Гидрометеорологические условия Азовского моря и климатические изменения
1.1 Географическое положение, берега, рельеф дна, грунты 13
1.2 Радиационные факторы 14
1.3. Тепловой баланс Азовского моря 16
1.4. Циркуляция атмосферы 18
1.5 Ветровой режим 21
1.6. Температурный режим воздуха 24
1.7. Влажность, облачность, осадки и испарение 28
1.8. Речной сток, водообмен с Черным морем и соленость 32
1.9. Режим уровня, течения, волнение, процессы перемешивания 37
1.10. Температурный режим вод 40
1.11. Ледовый режим 49
1.12. Взаимосвязь с глобальными изменениями климата 51
Глава 2. База данных (БД) океанографических характеристик по Азовскому морю за период 1891-2006 гг 61
2.1. Обзор БД с информацией по Азовскому морю 61
2.2. Океанографическая БД ЮНЦ РАН 63
2.2.1.Принципы формирования БД 64
2.2.2. Структура БД 71
2.2.3. Организация работы с БД 76
2.2.3.1. Источники данных 77
2.2.3.2. Формализация данных 79
2.2.3.3. Пополнение БД и контроль качества данных 82
2.3. Использование БД для создания Климатических атласов Азовского моря 90
Глава 3. Анализ тенденций изменения температурного режима вод открытой части Азовского моря
3.1. Многолетняя динамика температуры воды 97
3.2. Сравнительный анализ пространственного среднемноголетнего распределения температуры воды Азовского моря по сезонам
3.2.1. Материал и методы 102
3.2.2. Пространственное распределение температуры воды 103
3.2.3. Вертикальное распределение температуры воды 109
3.3. Сравнительный анализ сезонных изменений температуры воды по плотности ее распределения 112
3.4. Среднемноголетние суточные изменения температуры воды 116
Глава 4. Математическое моделирование температурного режима и тепловой баланс Азовского моря
4.1. Компартменталъная модель Азовского моря 119
4.1.1. Описание гидрологического модуля 120
4.1.2. Параметризация потоков тепла через границу «вода-лед-атмосфера»
4.1.3. Модель ледового режима 125
4.2. Внешние факторы, влияющие на температурный режим 127
4.3. Анализ результатов расчета температуры воды и сопоставление с данными наблюдений
4.4. Тепловой баланс поверхности моря 133
Заключение 145
Список литературы 148
Приложения
- Режим уровня, течения, волнение, процессы перемешивания
- Использование БД для создания Климатических атласов Азовского моря
- Сравнительный анализ сезонных изменений температуры воды по плотности ее распределения
- Анализ результатов расчета температуры воды и сопоставление с данными наблюдений
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Тепловое состояние деятельного слоя океанов и морей сильно влияет на погоду и климат не только над обширными водными просторами, но и далеко в глубь континентов, что делает изучение поля температуры воды важной составной частью в решении основных проблем комплекса современных наук о Земле.
В настоящее время считается общепризнанным, что гидрометеорологические условия представляют собой фактор первостепенной важности, всесторонний учет которого является обязательным для рационального проведения работ в море, их правильного планирования и безаварийного осуществления.
Общей чертой южных морей России является полная или почти полная изолированность от Мирового океана, особенно ярко это проявляется в отношении Азовского моря. Это обуславливает повышенную зависимость изменчивости, в том числе крупномасштабной, режимов и биопродуктивности от периодических колебаний климатообразующих процессов и стока рек.
Высокая временная и пространственная изменчивость термического режима Азовского моря всецело определяется его географическим положением и мелководностью. Термические условия определяют начало и скорость прохождения всех жизненно важных процессов у гидробионтов и хозяйственную деятельность человека, например, судоходство и промысел. При резких изменениях температуры воды в море неоднократно наблюдалась массовая гибель промысловых видов рыб - хамсы, судака, тарани и даже осетровых. Термический режим зимы в значительной мере определяет химический и биологический режим Азовского моря весной, и частично летом. После суровых зим уменьшается концентрация органических веществ, возрастает содержание минеральных солей, на базе которых весной активно развивается фитопланктон. Обратная зависимость наблюдается после мягких зим. С 1960-х годов в условиях повышения температурного фона и ослабления ветровой активности наблюдается резкое ухудшение кислородного режима Азовского моря, что приводит к заморам рыбы.
Для того чтобы оценить современные изменения факторов среды, прогнозировать аномальные климатические явления, необходимо создать и использовать вековые мегабазы термохалинных данных (Матишов и др., 2008).
Цель и задачи работы. В связи с неоднозначностью климатических изменений в азовском регионе в современный период целью диссертационных исследований является оценка тенденций в изменениях температуры вод Азовского моря с помощью новых информационных технологий, а также проверка возможности применения математической модели для восстановления и прогнозирования теплового и ледового режима водоема.
Для достижения цели решались следующие задачи:
-
Анализ гидрометеорологических условий формирования температурного режима вод Азовского моря.
-
Создание общедоступной наиболее полной океанографической базы данных по Азовскому морю.
-
Анализ тенденций изменения температурного режима открытой части вод Азовского моря на основе сформированной базы данных.
4. Моделирование температурного режима и теплового баланса Азовского моря.
Материалы и методы исследований. Объектом исследования является Азовское море. В основу работы положены результаты исследований, проведенных в ЮНЦ РАН, в том числе и экспедиционных, полученные автором в качестве исполнителя отдельных тем и разделов, связанных с формированием базы данных и анализом современного состояния и изменения режима Азовского моря. Помимо этого использовались опубликованные результаты исследований научных учреждений Госкомгидромета, Академии наук, Госкомрыболовства, а также фондовые материалы ММБИ КНЦ РАН и ЮНЦ РАН. Автор принимал непосредственное участие в сборе, формализации, контроле качества данных и их последующей обработке.
Для решения поставленных задач в работе использованы как стандартные, так и оригинальные подходы: методы статистической обработки информации, геоинформационные технологии, математическое моделирование. Работы проводились в соответствии с действующими наставлениями, руководствами и методическими указаниями.
Научная новизна работы:
создана наиболее полная из общедоступных база океанографических данных Азовского моря;
предложены новые подходы с применением ГИС-технологий к формированию базы океанографических данных;
проанализированы тенденции изменения температурного режима вод открытой части Азовского моря за период 1920-2006 гг.;
впервые построены среднемноголетние месячные разрезы вертикального распределения температуры воды вдоль линии, проходящей по наиболее глубоководной части Азовского моря от устья р. Дон до Керченского пролива;
построены среднемноголетние месячные поля распределения температуры воды на поверхности, горизонтах 5 и 10 м, которые обновляют имеющиеся представления о распределении данного параметра, опубликованные более 20 лет назад;
на основе методов математического моделирования предложен оригинальный подход для изучения закономерностей изменения температурного и ледового режима Азовского моря;
впервые рассчитана многолетняя динамика элементов теплового баланса
Азовского моря за период 1920-2008 гг. для разных районов моря.
Практическое значение. Общедоступная база данных по Азовскому морю и прилегающей территории включена в Международный банк данных по Мировому океану (представлена на интернет-сайте ). Разработанные в диссертации подходы и полученные результаты могут быть использованы при оценке климатических изменений в экосистемном мониторинге водоема, выполнения сценарных прогнозов при изменении климатических факторов с помощью адаптированной к условиям Азовского моря балансовой модели. Результаты исследований могут быть использованы для целей планирования, разработки схем рационального природопользования и охраны природных ресурсов.
Результаты работы используются в лекционных курсах и на практических занятиях в рамках учебных дисциплин «Гидрометеорологические базы
данных», «Практическая океанология», «Основы моделирования морских экосистем» на кафедре Океанологии геолого-географического факультета Южного федерального университета. Личный вклад автора:
Создание океанографической базы данных (БД) Азовского моря, содержащей наблюдения на более чем 120 тыс. станциях (34517 морских и 89203 наблюдений на береговых гидрометеорологических станциях (ГМС). Изучение по этим данным тенденций в изменениях температуры воды Азовского моря.
Построение среднемноголетних полей пространственного распределения и вертикальных разрезов температуры воды Азовского моря.
Верификация балансовой математической модели (Бердников, 2004) для условий Азовского моря.
Расчет температурного, ледового и теплового режимов Азовского моря за многолетний период с помощью адаптированной модели.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Создана наиболее полная из общедоступных океанографическая база данных (БД) по Азовскому морю на основе принципов полноты, стандартизации, простоты и качества данных - необходимое информационное обеспечение для исследований климата Азовского моря.
-
Построенные карты среднемноголетних температур Азовского моря на основе созданной БД за период 1891-2006 гг. свидетельствуют, что по сравнению с картами 1962 г. и 1986 г. в распределении изотерм прослеживается увеличение площади «теплых» полей для зимнего и весеннего сезонов и увеличение «холодных» - для осеннего.
-
Анализ созданной БД и результаты модельных расчетов показывают, что наблюдаемый рост температуры воды Азовского моря наряду с повышением температуры воздуха, связан с понижением солености и уменьшением затрат тепла на испарение.
4. Проведенная адаптация балансовой математической модели
температурного режима к условиям Азовского моря позволяет использовать ее
для исследований климатических изменений в азовском регионе.
Апробация работы. Основные положения и выводы, содержащиеся в диссертации, докладывались автором на ежегодных конференциях студентов и аспирантов базовых кафедр ЮНЦ РАН (г. Ростов н/Д, 2005-2007), Международной научной конференции «Современные климатические и экосистемные процессы в уязвимых природных зонах (арктических, аридных, горных)» (г. Азов, 2006), Всероссийской XXXIII-XXXVI школе-семинаре Экология. Экономика. Информатика. «Математическое моделирование и проблемы рационального природопользования» (г. Новороссийск, 2005-2008), Международной научной конференции «Большие морские экосистемы России в эпоху глобальных изменений (климат, ресурсы, управление)» (г. Ростов н/Д, 2007), Международной научной конференции «Современные проблемы морской инженерной экологии (изыскания, ОВОС, социально-экономические аспекты)» (г. Ростов н/Д, 2008).
Результаты работы являются составной частью монографий «Климатический атлас Азовского моря» 2006г. и 2008 г. (Climatic Atlas of the Sea of Azov, 2006,
Climatic Atlas of the Sea of Azov, 2008), подготовленных в рамках Программы «Климат и глобальные изменения» (США), а также проектов «Спасение и архивация глобальных океанографических данных» (GODAR) и «База данных Мирового океана», поддержанных Межгосударственной океанографической комиссией (ЮС) ЮНЕСКО. Сложившиеся в процессе работы над диссертацией теоретические представления и методические подходы реализованы в ходе научных исследований в рамках программы фундаментальных исследований ОНЗ РАН «Развитие технологий мониторинга, экосистемное моделирование и прогнозирование при изучении природных ресурсов в условиях аридного климата», а также работах по грантам РФФИ: 1) № 0б-05-96700-р_юг_а: «Экологическое картирование акватории Азовского моря и береговой зоны на основе комплексного зкосистемного мониторинга и современных информационных технологий»; 2) № 09-05-96535: «Оценка воздействия аварийных разливов нефтепродуктов на морскую среду и береговую зону Керченского пролива».
Результаты работы отражены в 17 публикациях, в том числе в 4 коллективных монографиях и 3 статьях в рецензируемых журналах, одна из них в издании, рекомендованном ВАК РФ. Ряд положений диссертации изложен в 7 научно-исследовательских отчетах, 2 международных совместно реализуемых проектах ЮНЕСКО/МОК/ГОДАР (ЮНЦ-ММБИ-NOAA (США)), при составлении которых автор являлся исполнителем. Отчеты хранятся в фондах ЮНЦ РАН.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и содержит 164 страницы, включая 9 таблиц, 93 рисунка, из них 59 в приложении, в списке литературы 192 наименования.
Благодарности. Автор выражает глубокую признательность Председателю ЮНЦ РАН, академику Г.Г. Матишову и директору Института аридных зон, д.г.н. чл.-корр. РАН Д.Г. Матишову за предоставление возможности и условий проводить исследования, послужившие основой для написания настоящей работы. Автор благодарен за всестороннюю помощь и поддержку научному руководителю д.г.н. СВ. Бердникову. Плодотворным и полезным для выполнения настоящей работы было сотрудничество с д.г.н. Ю.М. Гаргопой, д.г.н. О.В. Ивлиевой, д.г.н. Л.А. Беспаловой, В.В. Кулыгиным, к.т.н. О.Е. Архиповой и другими специалистами Института аридных зон ЮНЦ РАН, а также сотрудниками ММБИ КНЦ РАН В.А. Голубевым и |А.Н. Зуевым!. Всем им выражается благодарность.
Режим уровня, течения, волнение, процессы перемешивания
Межгодовые и сезонные колебания речного стока, водообмена с Черным морем, испарения и осадков, скорости, направления и длительности ветров приводят к соответствующим колебаниям уровня Азовского моря. В теплое время года уровень моря выше, в холодное — ниже. Максимум сезонных колебаний среднего уровня равен 33 см, минимум - 7 см (Гидрометеорология..., 1991). Разница между величинами уровня моря в теплый и холодный периоды года в последние 20-25 лет имеет тенденцию к уменьшению, вызванную увеличением стока рек в осенне-зимнее время и его сокращением в весенне-летнее (Гаргопа, 2000; 2001). Наиболее значительны для Азовского моря сгонно-нагонные изменения уровня с продолжительностью от нескольких часов до нескольких суток, с наибольшими значениями: в Таганроге — 6, Ейске — 4.4, Мариуполе — 2.4, Бердянске - 2, Геническе — 4, Мысовом — 2.7, Керчи — 2 и Темрюке — 4.2 м. В ТЗ максимальная высота сгона в 1.5 раза превышает высоту нагона. В Азовском море наблюдаются и сейшевые колебания уровня с периодами от нескольких минут до нескольких часов (Гидрометеорология..., 1991).
Положительная корреляция установлена между притоком черноморской воды в Азовское море и числом дней с северной формой атмосферной циркуляции. По данным (Лаппо, Рева, 1997), уровень Черного моря в годы увеличения повторяемости Е формы атмосферной циркуляции имеет тенденции к росту, а в периоды развития W и С — к понижению. Для уровня азовского моря эффект влияния указанных типов макропроцессов за счет стока рек в определенной мере противоположен. Но эти различия, видимо, нивелируются за счет компенсирующих изменений характера и интенсивности водообмена этих морей через Керченский пролив (Матишов, Матишов, Гаргопа, 2008).
Оценка многолетних тенденций уровня моря в XX веке (Дьяков, Фомин, 2000) по береговым пунктам показала, что они положительны (1.5±0.69 мм/год), близки к тенденциям, характерным для Черного моря, и хорошо согласуются с тенденцией роста уровня Мирового океана. Уровень Азовского моря до середины 1930-х годов понижался, со второй половины 1970-х годов повышался, что связано с климатообусловленным увеличением пресного баланса моря и эвстатическим подъемом уровня в системе средиземноморских морей (Матишов и др., 2003). При этом в межгодовом ходе уровня за 1977 — 2003 гг. выделяются три периода: 1977-1984 гг. повышенное стояние уровня по сравнению со среднемноголетним, 1985-1996 гг. пониженное, 1997-2003 гг. вновь повышенное (Беспалова и др., 2005). Квазистационарный наклон уровня Азовского моря от вершины Таганрогского залива до Керчи в 16 см (Гидрометеорология..., 1991) уменьшился примерно на 5-6 см в современный период (Матишов, Матишов, Гаргопа, 2008) в связи с уменьшением повторяемости и скоростей ветров восточных направлений при относительном росте повторяемости западных и несущественном снижении их скоростей.
Основной причиной горизонтальных движений вод Азовского моря является ветер, влияние стока Дона и Кубани прослеживается лишь на их взморьях. Преобладание над Азовским морем слабых и умеренных ветров определяет наибольшую повторяемость слабых течений (до 0.1 м/с). При скорости ветра 15-20 м/с скорости течений у входа в ТЗ и в Керченском проливе достигают 0.6-0.7 и даже превышают 1 м/с. Более частые в холодное время года северо-восточные ветры формируют в северной части моря более мощный поток, чем в южной. При развитии нагона у Арабатской стрелки формируется компенсационный поток, в итоге в западной части моря возникает циркуляция, направленная против часовой стрелки. В целом для Азовского моря прослеживается, установленный еще Н.М. Книповичем (Книпович, 1938), циклонический характер результирующего течения, который в современный период в связи со сменой преобладающих ветров с восточной на западную составляющую со снижением их скорости имеет меньшую выраженность (Матишов, Матишов, Гаргопа, 2008). Циркуляционные течения переносят теплые черноморские воды с юга и одновременно от северного побережья и ТЗ распространяют к юго-западу охлажденную в осенние и зимние месяцы воду. При волнении могут возникать вдольбереговые и разрывные (направленные от берега) течения со скоростью до 2 м/с. У мысов отмечается увеличение скоростей течений, в заливах - уменьшение. В Керченском проливе при северных ветрах течение чаще направленно из Азовского моря в Черное, а при южных - из Черного в Азовское со скоростями 0.2-0.3 м/с (максимум в узкостях до 1.2-1.4 м/с). При сильных и длительных ветрах в проливе появляются компенсационные течения, направленные против ветра. В открытой части моря ветровые течения с глубиной вначале сильно уменьшаются, а после длительного воздействия ветра в у дна возникают компенсационные течения противоположного направления (Гидрометеорологические..., 1986; Гидрометеорология..., 1991). Развитие волн на Азовском море определяется ветром над морем и небольшими глубинами, ограничивающими рост волн. Максимальные высоты волн при северных, северо-восточных, восточных, западных и северо-западных ветрах составляют от 2.5-2.8 до 3.8-4.3 м, а при южных румбах - от 1.2-2.5 до 2.2-3.4 м, в более мелководных районах рост волн ограничивается глубиной (Гидрометеорологические..., 1986; Гидрометеорология..., 1991). Повторяемость волнения больше зимой и для южных районов. Волнение 4 балла и более составляет в октябре — марте для северных районов 10-15, для южных — 25-40 %; в апреле — сентябре 5-8 и 20-25 % соответственно (Шнюков и др., 1974). Азовское море относится к водоемам с нестабильной плотностной стратификацией по вертикали, связанной с изменениями по глубине солености (рост от поверхности к дну) и температуры воды (понижение с глубиной). Выравнивание происходит главным образом за счет турбулентного перемешивания преимущественно ветрового происхождения и конвективного в результате увеличения плотности поверхностных слоев за счет охлаждения или осолонення в связи с испарением или льдообразованием. В мелком солоноватом Азовском море конвективное перемешивание в основном наблюдается при осеннем и зимнем охлаждении поверхности воды до температуры ее наибольшей плотности (в среднем примерно до 1.5С) и весеннем прогреве вод до такой же температуры. Зимой осолонение при льдообразовании усиливает конвекцию, которая проникает до дна. В мягкие и средние зимы развитие конвективного перемешивания зависит от степени охлаждения поверхностных вод и градиента плотности, т.е. величины вертикальной устойчивости (Гидрометеорология..., 1991; Гаргопа, 2003).
Использование БД для создания Климатических атласов Азовского моря
Все функциональные возможности БД доступны через главное меню. Программой предоставляется возможность поиска, редактирования записей в справочниках и информации о рейсе, станции и измерениях. Информация, представленная в главной форме, может быть отсортирована по запросу: для рейсов - по дате начала или окончания экспедиции, судну, проекту, организации, стране; для станций - по названию, временной зоне, координатам. Также на главной форме располагается вспомогательная информация, обновляющаяся автоматически: текущий рейс, станция, число станций в рейсе, число станций за год в БД. В пользовательском приложении реализован поиск станций за задаваемый пользователем временной период.
В приложении предоставлена возможность формирования статистических запросов об информации, находящейся в БД за заданный временной период (число станций по месяцам; информация о рейсах, включающая название судна, даты начала и окончания рейса, число станций и название проекта; число гидрологических и/или метеорологических измерений). Способ представления временного периода аналогичен поиску станций. Вывод статистических данных возможен на экран монитора для просмотра или в файл (xsv или .xls).
Пространственная привязка данных осуществляется с помощью ГИС (ArcGIS 9.2). Поскольку ГИС предоставляет возможность работы с базами Access, то такая интеграция позволяет использовать широкий набор инструментов пространственного анализа ГИС для работы с данными. Это, в первую очередь функции пространственного анализа (построение поверхностей, изолиний, статистический анализ), а также возможности построения пространственных запросов и формирования различных выборок по запросам пользователей.
ГИС-составляющая системы располагает значительным количеством приемов анализа пространственных объектов, с помощью которых исследуют структуру и морфологию явлений с их количественной оценкой, изучают их динамику и развитие, выполняют прогнозные исследования. Геоинформационная система функционирует в среде ArcGis 9.2. Картографической основой системы является батиметрическая карта Азовского моря (Матишов, 2006). База геоданных (БГД) определяет обобщенную модель данных и привязку к карте информации о пространственно-распределенных элементах — океанографических станциях. Для простоты работы с информацией ГИС, в связи со специфической структурой основной БД, проведена дополнительная обработка информации для приведения ее в удобный для просмотра вид. ГИС доступна только своя специализированная БД, куда осуществлен импорт данных из основной БД. Первый этап построения БГД связан с выделением на электронной карте слоя, на который географически привязываются рассмотренные выше объекты. В системе доступна возможность ограничения выборки объектов и отображения на карте только необходимых исследователю данных. Система работает в реальном режиме времени, поэтому при внесении изменений или добавлении объектов в основную БД, они сразу отображаются на электронной карте. Второй этап заключается в связывании объектов электронной карты с атрибутивной информацией, причем характер этой информации каждого из рассмотренных типов объектов имеет свою специфику. Для точечных объектов (океанографических станций) проведена интеграция с существующими базами данных по гидрологии и гидрохимии. Система открыта для подключения собственных слоев пространственных объектов и пользовательских баз данных, что позволяет использовать для анализа всю имеющуюся информацию. После получения администратором БД итогового отчета по экспедиции и результатов обработки проб или информации из любого другого источника, данные передаются наборщику. Оператор-наборщик заносит информацию в файл установленной формы, и далее данные поступают к администратору БД для формальной проверки и контроля качества. Администратором проверяется наличие и правильность написания всех необходимых заголовков, названий элементов и единиц измерения. При необходимости справочники БД пополняются новой информацией (новое название судна, организация, новый элемент измерения и т.п.). Проводится экспертная оценка данных, а также с помощью программных средств отсеиваются дубликаты (если есть). После проведения всех тестовых проверо данные из файла импортируются в БД. Подробнее все этапы от источника информации до общедоступной БД рассмотрены ниже.
Данные для БД ЮНЦ РАН были получены из более десятка различных источников. Основная часть информации — опубликованные данные, собранные в Азовском море, Керченском проливе и прилегающей части Чёрного моря специалистами Академии наук, Министерства по рыболовству и Гидрометеорологической службы России. Часть данных предоставлена из архива НОАА, часть - взяты с Интернет - сайтов, остальные — результат экспедиционных наблюдений ЮНЦ РАН и АФ ММБИ КНЦ РАН в Азовском море.
Важным источником пополнения БД, кроме результатов наблюдений последних лет являются исторические данные. Результаты экспедиций до Великой Отечественной войны публиковались, как правило, полностью. Кроме того, эти труды содержат описание методики работ, важные для решения вопросов точности, репрезентативности и совместимости разновременных наблюдений. Для сохранения этой информации были организованы поиск и включение в базу опубликованных исторических данных. Оцифровка этих данных имеет свою специфику.
Сравнительный анализ сезонных изменений температуры воды по плотности ее распределения
Температура воды - самый многочисленный параметр в БД, потому что его измерения наименее трудоемки и производятся гораздо чаще, чем какого либо другого параметра. Недостатком имеющихся данных является их не регулярное распределение во времени и пространстве, что затрудняет необходимое для климатологического анализа осреднение. Несмотря на достаточно большой информационный массив, содержащийся в БД ЮНЦ РАН, имеются значительные разрывы во временном ряде наблюдений, которые пока не удалось заполнить. Наиболее обеспечены данными периоды 1926-1935 гг., 1946-1960 гг., 1970-1980 гг. и 1998-2007 гг. Для прибрежных ГМС есть данные только для отдельных лет (1937-1939 гг., 1950-1954 гг., 1958 г., 1969-1971 гг., 1974-1975 гг.) отдельных станций, в основном это температура поверхностного слоя и метеорологические параметры.
В данной работе проведен анализ тенденций изменения температурного режима вод открытой части Азовского моря на основе сформированной базы данных. Для сравнения были выделены поверхностный и придонный слои для ТЗ и поверхность, слои 5 и 10 м для СМ. Исследована многолетняя динамика температуры воды. Проведен сравнительный анализ пространственного среднемноголетнего распределения температуры воды Азовского моря по сезонам. Впервые построены среднемноголетние вертикальные океанографические разрезы вдоль линии, проходящей по наиболее глубоководной части Азовского моря от устья р. Дон до Керченского пролива. Проведен сравнительный анализ сезонных изменений температуры воды по плотности ее распределения на основе статистических расчетов. Проанализированы среднемноголетние суточные изменения температуры воды.
Режим температуры воды в Азовском море в основном формируется под воздействием теплообменных процессов, протекающих в приводном слое атмосферы, и непосредственным влиянием проникающей в водную толщу солнечной радиации. Вблизи устьев рек, лиманных гирл, кос и Керченского пролива наблюдается локальное влияние адвективных факторов (тепловое влияние речного стока, компенсационное воздействие течений, влияние процессов водообмена и др.). Вследствие небольшой глубины Азовского моря, и, следовательно, относительно незначительной аккумуляции тепла его водной массой по сравнению с глубоководными морями, последняя быстро реагирует на температурные пространственно-временные изменения в атмосфере (Гаргопа, 2003).
Как известно, локальные неосредненные значения температуры воды не дают искомой климатической информации в явном виде, даже если для анализа имеется столетний ряд таких локальных измерений. В то же время среднегодовые значения, из которых исключен сезонный и суточный ход, осредненные по пространству выбранных акваторий для исключения пространственной изменчивости, при условии длительности ряда, достаточной для разумного сглаживания межгодовых изменений, более удобны для выявления климатических тенденций и потому являются климатически значащим параметром (Федоров, Островский, 1986). Для выявления климатических тенденций также можно сравнивать среднемесячные или среднесезонные значения температуры за один и тот же месяц (или сезон) для достаточно длинного ряда лет (Fieux, 1978). В данной работе был выбран второй путь, т.к. достаточный для анализа ряд среднегодовых температур воды для открытой части моря не доступен автору, а, возможно, и не существует.
При анализе временных рядов с постоянной цикличностью возможны два подхода. В первом случае определяется средний для цикла ход параметра и затем анализируются отклонения от полученного среднего хода. Второй подход предполагает проведение анализа изменений параметра во времени отдельно для каждого элемента цикла. Для рассматриваемого параметра цикл равен году, а его элементами являются 12 месяцев. Второй подход, как обладающий большей гибкостью, использован в данной работе для оценки климатических изменений. Сезонные изменения температуры воды Азовского моря, как и других мелководных территорий умеренных широт, выражены очень резко. Месячные значения температуры воды имеют значительно большую изменчивость, чем средние годовые. В связи с вышеизложенным, для корректности проведения сравнительного анализа был применен графический метод обработки наблюдений (Гидрологический..., 1962; Гидрометеорологические..., 1986). Данный метод заключается в построении среднемноголетних кривых годового хода температуры воды для основных квадратов моря. В качестве кривых годового хода были использованы среднемноголетние данные из работы (Гидрометеорологические..., 1986), все имеющиеся данные для открытой части моря были приведены к 15 числу для каждого месяца. Была проведена статистическая обработка данных для открытой части Азовского моря, результаты которой представлены в приложении (см. приложение П.З). Можно отметить, что температурный режим Азовского моря отличается большой изменчивостью, о чем говорят рассчитанные значения стандартных отклонений и дисперсия. Стандартные отклонения более 2С наблюдаются в апреле-мае и сентябре-декабре, когда идет активная перестройка системы к летней и зимней гомотермии соответственно. Максимальные стандартные отклонения отмечены в мае, минимальные — в январе-марте. Максимум и минимум температуры воды отмечены в поверхностном слое СМ, в июле и феврале соответственно. Самым теплым в ТЗ является слой 1-3 м, а самым холодным — поверхность.
Анализ результатов расчета температуры воды и сопоставление с данными наблюдений
В зимний сезон для данных поверхностного слоя в третьем периоде относительно второго можно отметить увеличение доли положительных температур во всех трех зимних месяцах с увеличением контрастности температур в январе и декабре. Для придонного слоя также отмечено повышение температуры воды в третьем периоде, однако в отличие от поверхности, данные однородны, что объясняется большей инертностью придонного слоя к колебаниям температуры воздуха.
Для марта месяца можно отметить увеличение доли положительных температур в третьем периоде относительно второго. В апреле во втором периоде относительно первого отмечено смещение в распределении температур в сторону повышения, а в третьем относительно первого и второго - сужение диапазона к центру и для поверхностной и для придонной температур. В мае второй период несколько более холодный, чем первый, а третий период характеризуется расширением диапазона и увеличением контрастности температур. Для придонного слоя в мае наблюдается иное распределение данных: второй период относительно первого характеризуется расширением диапазона температур, но тоже с тенденцией к похолоданию, в третьем относительно второго и первого отмечается увеличение контрастности температур с некоторым их повышением.
Для июня и июля тенденции в распределении температур по периодам схожи: распределение данных на поверхности ТЗ в первом и втором периодах практически идентично. Третий период относительно первых двух характеризуется расширением диапазона температур для июня и сужением для июля с увеличением доли средних значений в обоих случаях и некоторым потеплением. В распределении придонных температур можно отметить некоторое потепление во втором периоде относительно первого и третьего для обоих случаев с сохранением тенденции расширения температурного диапазона в июне и сужения в июле. В августе в ТЗ на поверхности и у дна можно отметить постепенное смещение в распределении температур в сторону потепления от первого к третьему периоду.
В осенний сезон в поверхностном и придонном слое ТЗ можно отметить некоторое потепление в сентябре и похолодание в ноябре от первого к третьему периоду. В октябре от первого к третьему периоду наблюдается постепенное расширение диапазона колебаний температур на поверхности и сужение у дна с увеличением контрастности в распределении.
В зимний сезон в поверхностном и придонном слоях в январе и феврале наблюдается потепление во втором периоде относительно первого и похолодание в третьем относительно второго. В декабре первый и второй периоды практически идентичны, с некоторым потеплением во втором периоде, а в третьем наблюдается повышенная контрастность температур.
В весенний сезон в поверхностном и придонном слоях в марте можно отметить некоторое похолодание во втором периоде относительно первого и потепление в третьем относительно второго, в среднем слое - постепенное потепление от первого к третьему периоду. В апреле месяце наблюдается потепление от первого к третьему периоду для всех слоев с некоторым увеличением контрастности температур в третьем периоде. В мае можно отметить схожесть в распределении температур в первом и втором периодах для всех слоев с некоторым расширением диапазона во втором периоде. Третий период характеризуется сужением диапазона в сторону средних значений и похолоданием относительно предыдущих периодов также для всех слоев.
В летний сезон на поверхности моря распределение температур для всех периодов очень схоже. Можно отметить незначительное повышение температуры в третьем периоде относительно второго. В среднем и глубинном слоях в июне, июле и августе наблюдается расширение диапазона температур от первого к третьему периоду с увеличением доли средних значений. Также как и на поверхности наблюдается незначительное повышение температуры в третьем периоде относительно второго.
В сентябре распределение данных на поверхности в первом и втором периодах практически идентично, третий период отличается сужением диапазона изменения температур с увеличением доли средних значений. В среднем и придонном слое от первого к третьему периоду можно отметить сужение диапазона температур с некоторой тенденцией к потеплению. В октябре для всех слоев в первом и втором периодах диапазон распределения данных практически одинаковый, во втором периоде данные почти равномерно распределяются в пределах диапазона, за исключением выброса средних значений в 5м слое, а в третьем - отмечается сужение диапазона с некоторым смещением данных в сторону похолодания. В ноябре для всех слоев можно отметить постепенное похолодание от первого периода к третьему, при этом для второго периода характерно расширение диапазона колебания температур, а для третьего - увеличение контрастности их распределения.
В результате проведенного анализа отмечено увеличение контрастности в распределении температур Азовского моря с течением времени, на графиках можно видеть, что «нормальная» кривая в распределении температуры для большинства месяцев года трансформирована.
Можно сказать, что наблюдаемые тенденции изменений температуры воды в Азовском море не однозначны, бесспорно, лишь незначительное повышение среднемноголетней температуры, что вероятно является примером внутривековых колебаний климата. В заключение, хотелось бы отметить, что в 1990-х годах была сделана интересная работа Л.В. Клименко (1994) для территории России. Данным автором было выделено 5 групп крупномасштабных синоптических процессов в теплый период года. Накладываясь, периоды повышенной и пониженной повторяемости различных групп типовых процессов создают суммарный климатообразующий эффект, который определяется по знаку создаваемой им аномалии температуры воздуха.
