Введение к работе
з
Объект исследования и актуальность темы. Пресноводный материковый сток играет важнейшую роль в физических, химических и биологических процессах в океане, особенно в шельфовых областях. Он является основным источником поступления в море взвешенных и растворенных терригенных и биогенных веществ, а также продуктов антропогенного загрязнения. Приустьевые зоны смешения речных и морских вод, несмотря на свою сравнительно малую площадь и объем по отношению ко всему океану, играют роль так называемого «маргинального фильтра» [Лисицын, 1994], который удерживает 90-95% взвешенных и 20-40% растворенных веществ, поступающих в океан с речным стоком.
Объектом данного исследования являются речные «плюмы» (от английского plume) - специфические мезомасштабные линзы вод пониженной солености и плотности по сравнению с окружающим морем, которые формируются материковым стоком, поступающим из реки в море. Как правило, эти структуры выделяются также в распределениях концентрации взвешенных и растворенных терригенных веществ и биооптических характеристик. Пространственные масштабы плюмов, приуроченных к устьям рек, могут составлять от десятков метров до десятков и даже сотен километров, при этом они во многих случаях сохраняют резко очерченную границу, часто шириной всего несколько сантиметров, с окружающими морскими водами.
Из натурных и спутниковых наблюдений известно, что плюмы обладают собственной внутренней динамикой, взаимодействуют с донным рельефом и вихревыми образованиями на шельфе, переносятся ветром и фоновой прибрежной циркуляцией и лишь после этого, перемешиваясь в конце концов с окружающими морскими водами, доставляют в море вещества материкового происхождения, а вместе с ними и сигнал терригенных и антропогенных воздействий.
Плюмам крупнейших рек мира, таких как Амазонка, Янцзы или Миссисипи, было посвящено значительное число исследований. Тем не менее, в мире есть большое количество густонаселенных прибрежных регионов, распространение речного стока в шельфовой зоне которых вообще никогда не изучалось. Одной из причин подобной ситуации является сложность и трудоемкость контактных исследований речных плюмов, которые вызваны их высокой временной
изменчивостью, а также резкими градиентами на границах. Спутниковые наблюдения, в свою очередь, ограничены поверхностью моря и не затрагивают трехмерную структуру плюмов. Кроме того, дискретность этих наблюдений имеет порядок десятков часов и более, что явно недостаточно для разрешения мелкомасштабной временной изменчивости. Этими причинами вызвана необходимость сочетать натурные исследования с численным моделированием при изучении речных плюмов.
Работы, посвященные речным плюмам, как правило, рассматривают лишь конкретные региональные примеры с ограниченным набором внешних условий, воздействующих на динамику материкового стока в море. Поэтому, несмотря на серьёзный прогресс в изучении поведения плюмов некоторых конкретных рек в условиях конкретного ветрового, приливного или циркуляционного форсинга, фундаментальные аспекты этой проблемы по-прежнему мало исследованы, а имеющиеся на этот счет данные противоречивы. В частности, до сих пор нет полной теории поведения речного плюма в зависимости от силы и направления ветра.
Цель работы заключается в выявлении малоизученных закономерностей изменчивости речных плюмов, образованных пресноводным материковым стоком в прибрежной зоне моря, средствами контактных наблюдений и дистанционного зондирования, а также в исследовании физических механизмов динамики распространения речных плюмов с помощью методов численного моделирования. Для этого в рамках диссертационной работы были поставлены следующие задачи:
-
Получить новые и обобщить уже имеющиеся данные контактных и дистанционных измерений пространственной структуры и временной изменчивости речных плюмов в различных районах;
-
Разработать физически обоснованную и пригодную для оперативного использования численную модель распространения и диссипации речного плюма в море и выполнить ее валидацию на основе натурных и спутниковых данных;
-
Описать закономерности отклика речных плюмов на ветровые воздействия, изменения параметров стока и фоновой прибрежной циркуляции.
Научную новизну работы составляют основные положения, выносимые на защиту:
-
На основе данных контактных и спутниковых измерений впервые получена оценка основных структурных характеристик (пространственных масштабов, аномалий солености и концентрации взвеси) и изменчивости речных плюмов в районах исследования, расположенных в Чёрном, Южно-Китайском и Карском морях и характеризующихся разнообразием океанографических и метеорологических условий;
-
Разработана и обоснована новая лагранжева модель динамики и диссипации речного плюма, позволяющая получать результаты численного моделирования, находящиеся в хорошем соответствии с натурными измерениями, при низких вычислительных затратах;
-
На основе разработанной модели впервые получены и физически обоснованы зависимости пространственных характеристик плюмов малых рек от скорости и направления ветрового воздействия, скорости и направления фонового вдольберегового течения, интенсивности речного стока и географической широты.
Достоверность научных результатов и выводов работы обеспечивается сочетанием анализа данных контактных измерений и спутниковых наблюдений с использованием современных методов гидродинамического численного моделирования. Данные специализированных высокоразрешающих контактных измерений были получены с помощью современных высокоточных приборов (CTD-зонды SBE, измерители течения Nortek AquaDopp и SeaHorse и пр.), широко используемых в научном сообществе. Спутниковые изображения были построены на основе данных видимого диапазона, полученных спутниковым сканером цвета MERIS-EnviSat, с помощью алгоритма MERIS Case-2 Regional. Результаты численного моделирования распространения речного стока показали хорошее соответствие с данными контактных наблюдений и дистанционного зондирования.
Научная и практическая значимость работы определяется прогрессом в понимании общих механизмов динамики речных плюмов под воздействием разнообразных внешних факторов. Полученные в результате исследования закономерности и разработанная численная лагранжева модель динамики речных плюмов могут найти применение в краткосрочном оперативном прогнозировании загрязнений морских вод прибрежной зоны, в частности, в курортных районах, а
также при идентификации районов побережья и шельфа, наиболее уязвимых по отношению к антропогенным и терригенным загрязнениям.
Личный вклад автора. Автор лично участвовал в нескольких научно-исследовательских экспедициях в Черном, Южно-Китайском и Карском морях, данные которых составили основу использованного в работе фактического материала. Им была выполнена статистическая обработка данных натурных и спутниковых наблюдений. Автор участвовал в разработке лагранжевой численной модели, обеспечил ее программную реализацию, осуществил валидацию модели и выполнил с ее помощью все описанные в работе численные эксперименты, а также предложил физическую интерпретацию их результатов. Автор обеспечил подготовку результатов к опубликованию, а также представлял их на международных конференциях.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на заседаниях ученого совета Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН (2011, 2012, 2013), заседаниях ученого совета физического направления Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН (2011, 2013), X Сибирском совещании по климато-экологическому мониторингу в г. Томск (2013), ежегодных ассамблеях Европейского союза по наукам о Земле в Вене, Австрия (2011, 2012, 2013), III международном симпозиуме по мелким течениям в Айова-Сити, США (2012), научном семинаре Океанографического института университета Сан Пауло, Бразилия (2012), коллоквиуме лаборатории химии моря Католического университета Рио де Жанейро, Бразилия (2012).
Публикации по теме диссертации. По теме диссертации опубликовано 7 работ, в том числе 3 статьи (из них 2 в рецензируемых журналах из списка ВАК и 1 в сборнике трудов международной конференции), 4 - тезисы докладов на конференциях. Также приняты к публикации в рецензируемых журналах из списка ВАК и находятся в печати еще 3 статьи.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из Введения, 4-х глав, Заключения и списка литературы из 228 источников. Общий объем диссертации - 138 страниц, включая 72 рисунка и 3 таблицы.
Благодарности. Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю доктору географических наук П.О. Завьялову. Автор благодарит своих соавторов и коллег за плодотворное сотрудничество, помощь во время экспедиционных работ, полезные обсуждения результатов и поддержку при
подготовке диссертационной работы. Автор особенно признателен Д.М. Соловьеву (МГИ НАНУ, Севастополь) за подготовленный им массив спутниковых изображений, а также А.С. Ижицкому, Б.В. Коновалову и О.А. Короткиной, любезно предоставивших некоторые из использованных в диссертации материалов.
