Содержание к диссертации
Введение
1. Причинно-следственные зависимости и структурные связи между абиотическими, биотическими составляющими экосис темы Азовского моря и его бассейна, климатообразующими процес сами 13
1.1. Физико-географические условия формирования гидроло гического режима и биопродуктивности Азовского моря 14
1.1.1. Географическое положение, берега, рельеф дна, фунты 15
1.1.2. Климатообразующие и метеорологические факторы 17
1.1.3. Водный баланс, соленость и химический состав 23
1.1.4. Режим уровня, течения, волнение, процессы перемешивания 26
1.2. Влияние речного стока и метеорологических элементов на соленость, термохалинную структуру и вертикальную устойчи вость вод Азовского моря 31
1.2.1. Соленость воды 31
1.2.2. Термохалинная структура вод 52
1.2.3. Вертикальная устойчивость вод 67
1.З. Влияние гидрометеорологических условий на формиро вание биогенных веществ в Азовском море 73
1.3.1. Речной сток и соленость воды 74
1.3.2. Ветровая активность 77
1.3.3. Температурный режим 82
1.3.4. Влияние гидрометеорологического режима на содержание биогенных веществ в донных отложениях. 84
1.4. Воздействие речного стока и гидрометеорологических факторов на первичную продукцию, планктонные и донные сообще ства, воспроизводство рыб Азовского моря 92
1.4.1. Первичная продукция органического вещества, фитопланктон, зоопланктон, зообентос 92
1.4.2. Проходные и полупроходные рыбы 100
1.5. Влияние климатообразующих процессов на водный баланс, соленость и биоресурсы Азовского, Черного и Каспийского морей 116
1.5.1. Зависимость воспроизводства рыб от характера атмосферной циркуляции 117
1.5.2. Воздействие форм атмосферной циркуляции на водный баланс 122
1.5.3. Влияние типов макропроцессов на соленость 131
2. Антропогенные и климатообусловленные изменения стока рек бассейна Азовского моря и океанографических условий формирования его биопродуктивности 141
2.1. Природообусловленая структура пространственно-временных колебаний стока рек бассейна Азовского моря и ее антропогенные преобразования 141
2.1.1. Пространственно-временная структура изменчивости притока речных вод в Азовское море 142
2.1.2. Изменения гидрологических условий воспроизводства рыб в низовьях реки Дон 161
2.1.3. Преобразования гидрологических условий воспроизводства рыб в устьевой области реки Кубань 167
2.2. Пространственно-временные изменения гидрофизичес ких полей Азовского моря в условиях антропогенных воздействий и колебаний климата 180
2.2.1. Пространственно-временные колебания солености 181
2.2.2. Современные особенности формирования режима солености под влиянием речного стока 205
2.2.3. Природные и антропогенные причины современного распреснения Азовского моря 211
2.2.4. Многолетние изменения вертикальной устойчивости вод 217
2.3. Изменения гидрохимического режима Азовского моря и его биопродуктивности под влиянием гидрометеорологических и антропогенных факторов 223
2.3.1. Растворенный кислород 223
2.3.2. Биогенные вещества 227
2.3.3. Первичная продукция органического вещества, планктонные и донные сообщества 233
2.3.4. Воспроизводство запасов проходных и полу проходных рыб. 239
2. 4. Гидроэкологические требования к стоку рек бассейна Азовского моря в связи с воспроизводством рыбных запасов 245
2.4.1. Критерии и методы оценки экологически предельно-допустимых преобразований пространственно- временной структуры колебаний стока рек 247
2.4.2. Классификация изменений состояний гидрологического режима, биоресурсов водоемов и водотоков, степени антропогенного сокращения речного стока под воздействием его изъятий 253
2.4.3. Оценка экологически предельно допустимого сокращения стока рек бассейна Азовского моря 259
3. Периодичность и сопряженность изменений элементов экосистем Азово-Черноморского и Каспийского бассейнов, климато-образующих процессов . 270
3.1. Периодичность многолетних колебаний стока рек и метеоэлементов 270
3.1.1. Речной сток 270
3.1.2. Температура воздуха 280
3.1.3. Ветер, атмосферные осадки, испарение 285
3.2. Цикличность океанографических и биологических процессов 298
3.2.1. Температура воды 298
3.2.2. Уровень, соленость и устойчивость вод 311
3.2.3. Биоресурсы 319
3.3. Периодичность в многолетних колебаниях атмосферной циркуляции и ее сопряженность с изменчивостью океанографичес ких и биологических процессов 322
3.3.1. Периодичность, циклы и тенденции в многолетних колебаниях атмосферной циркуляции 322
3.3.2. Сопряженность многолетних изменений процессов в атмосфере с колебаниями океанографических и биологических характеристик 332
3.3.3. Климатические и антропогенные аспекты возможных изменений гидрометеорологических условий формирования биопродуктивности Азовского моря 354
Заключение 366
- Влияние речного стока и метеорологических элементов на соленость, термохалинную структуру и вертикальную устойчи вость вод Азовского моря
- Влияние климатообразующих процессов на водный баланс, соленость и биоресурсы Азовского, Черного и Каспийского морей
- Пространственно-временные изменения гидрофизичес ких полей Азовского моря в условиях антропогенных воздействий и колебаний климата
- Цикличность океанографических и биологических процессов
Введение к работе
Общей чертой южных морей России является полная или почти полная изолированность от Мирового океана, которая обуславливает повышенную зависимость изменчивости, в том числе крупномасштабной их режимов и биопродуктивности от периодических колебаний климатообразующих процессов и стока рек. На решающую роль в формировании биопродуктивности водоемов физических, химических и гидрологических условий вод в целом указывал основоположник промысловой океанологии Н.М.Книпович (Книпович, 1938). Важную роль речного стока и гидрометеорологических процессов для Каспийского, Черного и Азовского морей отмечал Г.К.Ижевский (Ижевский, 1964).
Несмотря на очевидность указанных положений оценка причинно-следственных зависимостей и структурных связей между абиотическими и биотическими составляющими экосистем этих морей, влияния периодической изменчивости климатообразующих процессов на крупномасштабные изменения речного стока, элементов водного баланса, характеристик их океанографического режима и биоресурсов все еще далека от решения.
После известных Азово-Черноморских научно-промысловых экспедиций (1922-1928 гг.), проведенных под руководством Н.М.Книповича, результатом которых явилась фундаментальная оценка особенностей гидрометеорологических режимов Азовского и Черного морей было выполнено много исследований подобного направления (Воронков, Свиташев, 1941; Самойленко, 1947; Цури-кова, Шульгина, 1964; Симонов, 1961, 1969; Симонов и др., 1966; Спичак, 1961, 1963; Альтман, 1972, 1973, 1975, 1976; Бронфман и др., 1976, 1979, 1985; Гоп-тарев, Шлыгин, 1980; Смолякова, Шлыгин, 1980; Белов, Филиппов, 1980; Ремизова, 1984; Гаргопа, 1984, 1987-1989; Кукса, 1994 и др.), результатом которых стал ряд обобщающих монографий (Современный и перспективный водный и солевой..., 1972; Гидрометеорологический справочник..., 1962; Гидрометеорологические условия шельфовой зоны..., 1986; Гидрометеорология и гидрохимия..., 1991). В подготовке и написании отдельных разделов и частей послед-
7 ней из них принимал участие и автор. Необходимо упомянуть и серию монографий, выпущенных Ростовским государственным университетом и посвященных проблемам рационального, комплексного использования и охраны водных и биологических ресурсов Северного Кавказа (в первую очередь Ресурсы живой фауны..., 1980; Водные ресурсы, 1981; Природные и естественные ресурсы, 1986) в подготовке и написании отдельных разделов которых автор также принимал участие.
Однако, анализировались материалы наблюдений преимущественно с начала 20-х до конца 50-х, начала 70-х-середины 80-х годов XX столетия. Основное внимание уделялось антропогенным преобразованиям гидролого-гидрохимического режима Азовского моря и рек его бассейна. Не был оценен характер и вклад в изменения гидрометеорологических условий формирования биопродуктивности Азовского моря факторов природного происхождения. Важность подобных исследований подтвердилась практикой водохозяйственного строительства начала-середины 70-х годов прошедшего столетия, когда факт периодичности либо отрицался, либо не учитывался и среди большинства специалистов преобладало мнение о неизбежности дальнейшего падения уровня Каспия, повышения солености Азовского моря и углубления негативных процессов в Черном под воздействием роста безвозвратных изъятий речного стока. Доказывалась необходимость реализации чрезвычайно дорогостоящих водохозяйственных проектов по переброске в южные регионы части стока северных рек, перекрытия Керченского пролива плотиной, переброски черноморских вод в Каспийское море. Можно только предполагать размеры ущербов южным морям и их бассейнам как природным объектам в целом и биоресурсам в частности в случае осуществления этих проектов и ряда идей подобного характера на фоне современного климатообусловленного повышения уровня Каспия, и распреснения Азовского моря и улучшения состояния Черного.
Поэтому оценка причинно-следственных зависимостей и структурных связей между абиотическими и биотическими составляющими экосистемы Азовского моря и его бассейна, климатообразующими процессами, периодичности и
8 сопряженности их крупномасштабных изменений, гидроэкологических требований к речному стоку в связи с воспроизводством рыбных запасов и возможных тенденций всколебаниях гидрометеорологических и океанографических факторов формирования биопродуктивности является весьма актуальной.
Из наиболее крупных работ, в которых отдельными разделами дается оценка гидрометеорологического режима Азовского моря последних 15-20 лет, можно отметить несколько коллективных монографических изданий Мурманского морского биологического института Кольского научного центра Российской академии наук (ММБИ КНЦ РАН) (Комплексные экологические исследования...,1998; Современное развитие эстуарных экосистем...,1999; Закономерности океанографических и биологических процессов..., 2000; Среда, биота и моделирование экологических процессов...,2001; Экосистемные исследования Азовского моря и его побережья...,2002; Г.Г.Матишов, М.И.Абраменко, Ю.М.Гаргопа, М.В.Буфетова. Новейшие экологические феномены..., 2003) в подготовке и написании отдельных разделов, глав и частей, которых принимал участие и автор. Следует также отметить и выпущенные в 1996-1998, 2000 и 2003 гг. АзНИИРХ-ом сборники научных трудов, посвященные основным проблемам рыбного хозяйства и охраны рыбохозяйственных водоемов Азово-Черноморского бассейна. Разделы их, связанные с оценкой современных гидрометеорологических и океанографических условий формирования биопродуктивности Азовского и Черного морей написаны нами самостоятельно и частью совместно с другими специалистами сектора гидрологических исследований.
Цель настоящей работы заключается в оценке крупномасштабных изменений гидрометеорологических и океанографических условий формирования биопродуктивности Азовского моря, влияния на них периодических колебаний климатообразующих процессов и антропогенных факторов.
9 Для достижения цели решались три главные задачи;
Оценка причинно-следственных зависимостей и структурных связей между абиотическими и биотическими составляющими экосистемы Азовского моря и его бассейна, климатообразующими процессами;
Выявление антропогенных и климатообусловленных изменений стока рек бассейна Азовского моря и океанографических условий формирования его биопродуктивности, оценка гидроэкологических требований к речному стоку в связи с воспроизводством рыбных запасов;
Установление периодичности и сопряженности крупномасштабных изменений элементов экосистемы Азово-Черноморского бассейна и климатообра-зующих процессов, оценка современных и возможных тенденции в колебаниях гидрометеорологических и океанографических условий формирования его биопродуктивности.
Настоящая работа состоит из трех частей, посвященных решению приведенных главных задач.
Основные защищаемые положения.
Характер и степень влияния климатообразующих процессов и стока рек на составляющие экосистемы Азовского моря, закономерности формирования его океанографических полей и биопродуктивности.
Антропогенный и природо обусловленный вклад в колебания речного стока, гидрофизических, гидрохимических и биологических характеристик, динамику рыбных запасов Азовского моря.
Климатообусловленность резких изменений в 50-60-х и 70-80-х годах XX века и современных аномалий характеристик гидрометеорологического режима Азовского моря и параметров его океанологических полей.
Экологически предельно-допустимые изъятия и преобразования пространственно-временной структуры колебаний стока рек бассейна Азовского моря, обеспечивающие сохранение его как природного и рыбохозяйственного объекта.
10 5. Периодичность, сопряженность и физическая сущность крупномасштабных колебаний процессов, происходящих в системе атмосфера-гидросфера-биосфера применительно к Азово-Черноморскому и частично к Каспийскому бассейнам.
6. Возможные климатообусловленные изменения гидрометеорологических и океанографических условий формирования биопродуктивности Азовского моря
В основу работы положены результаты многолетних (1968-2002 гг.) исследований, в том числе и особенно экспедиционных, полученные автором в качестве руководителя и ответственного исполнителя отдельных тем и разделов, главным образом при выполнении в 1980-1988 гг, заданий ГКНТ СССР (0.85.06.01.08; 0.85.06.0310; 0.85.06.03.02; 0.74.01.13.01 и других), связанных с оценкой современного состояния и возможных изменений гидролого-гидрохимического режима Азовского моря и разработкой рекомендаций по охране и рациональному использованию его природных ресурсов, подготовкой монографии «Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР. T.V. Азовское море, 1991» (Проект «Моря СССР»), разработкой методических рекомендаций и оценкой экологически предельно допустимых преобразований пространственно-временной структуры колебаний стока рек бассейнов южных морей России в 1987-1997 гг., оценкой климатообусловленных закономерностей долгопериодной изменчивости гидрометеорологических и океанографических условий формирования биопродуктивности Азовского и Чёрного морей (Проект «Биоресурсы») в 1993-2002 гг. в рамках НИР АзНИИРХ Госкомрыболовства РФ, а также при подготовке в 1999-2003 гг. отдельных разделов, глав и частей приведенных ранее монографий, изданных ММБИ КНЦ РАН.
Помимо этого использовались опубликованные результаты исследований научных учреждений Госкомгидромета, Академии наук СССР и РАН, Госкомрыболовства РФ и особенно фондовые материалы АзНИИРХ, в том числе сек-
тора гидрологических исследований руководителем которого автор был в течение последних 15 лет.
Диссертация в основном подготовлена в АзНИИРХ-е и завершена в ММБИКНЦРАН.
Работа выполнялась на основе принципов системного и межсистемного анализов, системной экологии, бассейнового, межбассейнового и регионального подходов с выявлением физической сущности, закономерностей и степени сопряженности процессов, происходящих в системе атмосфера-гидросфера-биосфера в масштабах главным образом Азово-Черноморского и в некоторой степени Каспийского бассейнов, их моделированием с помощью методов математической статистики.
В заключении следует заметить, что подготовка этого труда была бы невозможной без многолетних исследований гидрометеорологического режима Азовского моря специалистами ВНИРО, СО ГОИН, ГОИН, АзЧерНИРО, и особенно АзНИИРХ, а также ММБИ КНЦ РАН и его Азовским филиалом, начавших подобные исследования в 1997 г.
Автор признателен директору АзНИИРХ, доктору биологических наук Э.В.Макарову и заместителю директора по науке доктору биологических наук, профессору С.П.Воловику за предоставление возможности и условий проводить исследования, послужившие основой для написания настоящей работы.
Плодотворным и полезным для выполнения настоящей работы было многолетнее творческое сотрудничество с З.В.Александровой, Е.И.Студеникиной, Г.И.Луцем, Л.Г.Баландиной, С.В.Козлитиной и сотрудниками, возглавляемых ими лабораторий АзНИИРХ, а также со ст.н.с. Т.В.Фуштей, зав. отделом океанографии и биологии южных морей С.В.Бердниковым и другими специалистами ММБИ КНЦ РАН и его Азовского филиала.
Всем им и прежде всего коллективу сектора гидрологических исследований В.М.Шишкину, А.П.Куропаткину, С.В.Жуковой, И.Ф.Фоменко, Л.А.Лутынской, О.В.Стрельченко, Л.А.Свищёвой, руководителем которого автор имел честь быть в течение последних 15 лет, выражается благодарность.
12 И наконец, самую глубокую благодарность автор выражает директору ММБИ КНЦ РАН, академику РАН - Геннадию Григорьевичу Матишову, без научно-методических советов, доброжелательной и конструктивной критики которого появление настоящего труда было бы невозможным.
ЧАСТЬ I
ПРИЧИННО-СЛЕДСТВЕННЫЕ ЗАВИСИМОСТИ И СТРУКТУРНЫЕ
СВЯЗИ МЕЖДУ АБИОТИЧЕСКИМИ, БИОТИЧЕСКИМИ
СОСТАВЛЯЮЩИМИ ЭКОСИСТЕМЫ АЗОВСКОГО МОРЯ И ЕГО
БАССЕЙНА, КЛИМАТООБРАЗУЮЩИМИ ПРОЦЕССАМИ
Первый этап в достижении стоящей перед нами цели заключался в оценке и моделировании причинно-следственных зависимостей и структурных связей между абиотическими, биотическими составляющими экосистемы Азовского моря и его бассейна, процессами в атмосфере.
После фундаментальных работ Н.М.Книповича (Книпович, 1938) результаты исследований подобного направления опубликованы в виде многочисленных статей и монографических изданий, основной перечень которых приведен во введении. Причем анализировался период преимущественно с начала 50-х до середины 70-х-начала 80-х годов XX века. Несмотря на объемность, глубину и детальность указанных работ удовлетворительные результаты, особенно на количественном уровне получены не были. В основном связано это с причинами объективного характера (отсутствие достаточно длительных, непрерывных, качественно однородных и надежных материалов). В первую очередь это относится к оценке влияния на элементы водного баланса, соленость, биогенные вещества, воспроизводство рыбных запасов Азовского моря таких факторов, как речной сток, температура, ветер и особенно крупномасштабных процессов в атмосфере. Наименее освещен современный период, последние 10-15 лет которого выделяются резко выраженной аномальностью гидрометеорологических и океанографических условий формирования биопродуктивности Азовского моря.
Решению приведенных вопросов на основе принципов системного и межсистемного анализов, системной экологии, бассейнового и межбассейнового подходов посвящена первая часть работы.
Влияние речного стока и метеорологических элементов на соленость, термохалинную структуру и вертикальную устойчи вость вод Азовского моря
Анализ данных экспедиционных съемок гидрометеорологического режима Азовского моря, выполняемых сектором гидрологии АзНИИРХ ежегодно с 1958 г. по стандартной сетке станций (см.рис.1.1; 2.1) весной (апрель), летом (июль, август), осенью (октябрь), позволил установить, что соленость, термоха-линная структура и вертикальная устойчивость вод Азовского моря формируются главным образом речным стоком во взаимодействии с температурой и ветром преимущественно за периоды продолжительностью от синоптических масштабов, сезона и одного года до 4-6 и более лет (Гаргопа 1984, 1987, 1988, 1990, 1991,2000-2002), Соленость воды Характерной чертой Азовского моря является повышенная зависимость его гидрологического режима и особенно солености от стока рек, объем которого определяется главным образом количеством атмосферных осадков, выпавших в их бассейнах за холодное время года. Оценка указанных связей (Гаргопа, 1973; 1979; 1981, 2002, 2003) показала, что сток Кубани возрастает при повышении по сравнению с нормой температурного фона летом (усиление таяния горных снегов и ледников), а у рек Восточного Приазовья в случае его понижения зимой (сохранение снега на водосборе, глубокое промерзание почвы, способствующие формированию высокого весеннего половодья). Вместе с тем коэффициенты корреляции, отражающие эти связи невелики (г=0,26 и -0,42 соответственно), хотя статистически близки к значимым. Решающее же значение для величины стока (г=0,70-0,9б) имеет количество атмосферных осадков, выпавших в различных зонах бассейнов указанных рек за холодное время года (ноябрь-март) и период аккумуляции (октябрь-апрель). При этом величина годового стока р.Кубань в створе г.Краснодар в наибольшей степени коррелируется с количеством атмосферных осадков, выпавших в верховьях р.Белой, а в наименьшей с осадконакоплением в истоках р.Кубань. Объясняется это большим выпадением осадков в горной части бассейна р.Белой и более полным расходованием их на поверхностный сток вследствие распространения здесь феновых явлений. Выпадение же осадков в истоках Кубани, особенно в холодное время года, сравнительно невелико. В связи с более длительным периодом отрицательных температур они аккумулируются на снежниках и ледниках высокогорной части бассейна и в русловую сеть поступают не полностью.
Корреляционные связи годового стока рек с осадками, выпадающими в остальное время года незначительны и в большинстве случаев, кроме верховий Кубани и ее притоков (г=0.30...0.51) статистически не значимы. По мнению (Важнов, 1966), это объясняется тем, что количество зимних осадков влияет на величину потерь последующих весенне-летних осадков. Чем больше снегоза-пас, тем дольше он сохраняется на местности и тем дольше почва остается увлажненной, а это в свою очередь уменьшает расходование дождевой воды на водосборе. Следовательно, зимние осадки на величину стока влияют аналогично влиянию осеннего увлажнения в равнинных условиях. Кроме этого, осадкам холодного периода года, и особенно, выпадающим в горных районах, где формируется основной сток, характерна большая многолетняя изменчивость, чем осадкам теплого периода. Причем здесь осадки холодного периода и периода аккумуляции превышают осадки остального времени года. На территории Восточного Приазовья ввиду дефицита влажности рост осадков в теплое время года в значительной степени идет не на непосредственное увеличение речного стока, а на увеличение испарения. В этой связи многолетняя изменчивость увлажнения водосборов уменьшатся еще более, что, видимо, и объясняет слабую корреляционную связь между осадками теплого периода и стоком степных рек.
По мнению (Важнов, 1966) наличие существенных корреляционных связей между стоком и зимними осадками и относительно низкий коэффициент стока жидких осадков в значительной степени освобождает от необходимости учета других трудно определяемых факторов и благоприятствует разработке прогноза стока. При этом в районах с густой сетью наблюдений над осадками (не менее 1 пункта на 200-300 км2) снегозапасы могут вычисляться в абсолютных величинах с помощью кривых изменений осадков с высотой местности. Однако сеть пунктов наблюдений над осадками в рассматриваемом районе, и особенно в горной и высокогорной зонах, где происходит формирование основной массы стока исключительно редка (в среднем одна ГМС на 2000 км2). Поэтому, при построении уравнений связи между осадками и стоком приходиться пользоваться материалами наблюдений отдельных ГМС, отличающихся наибольшей длительностью и непрерывностью, удовлетворительно отражающих уровень увлажненности на большей части водосбора. Возможность использования для прогноза водности рек данных отдельных станций показана на примере Верхней Кубани Т.Т.Макаровой (цит. по: Важнов, 1966) (рис. 2.2). На этом принципе и был получен ряд линейных уравнений регрессии, вполне удовлетворительно аппроксимирующих зависимость годового стока рек от осадков холодного периода (ноябрь-март) или периода их аккумуляции (октябрь-апрель) (табл.2.1.). При этом для статистической оценки их качества здесь и в дальнейшем применялось преобразование Фишера (Z), свидетельствующее при соблюдении условия: Z 2,5 о не случайности коэффициента корреляции (R); и отношение среднеквадратичной ошибки уравнения (Sy) к среднеквадратичному отклонению предсказываемой величины (сгу). За допустимую погрешность принималась величина, равная 0,674ау. Точность уравнений считалась хорошей в случае отношения Sy/cy = 0,50 и менее и удовлетворительной при подобной характеристике в пределах 0,51-0,80 (Аполлов, Калинин, Комаров, 1974; Рождественский, Чеботарев, 1974). и гидрологический (Х-ІХ) годы от суммы осадков, выпадающих в различных зонах бассейна за холодный (ХІ-ІІІ) и аккумуляционный (X-IV) периоды. Что касается реки Дон, то по данным (Рахманов, 1973) многолетние (1880-1965 гг.) колебания годового стока в створе г.Калач-на-Дону наиболее согласуются с аналогичными изменениями количества атмосферных осадков, выпадающих не только в зимнее время (г=0,41), но и в период с августа по октябрь предшествующего года (г=0,56). Соленость воды как важнейший абиотический фактор среды в значительной мере прямо и косвенно определяет состояние биотических компонентов экосистемы Азовского моря. Из элементов водного баланса наибольшее влияние на пространственно-временное изменения солености вод Азовского моря оказывает речной сток, который в конечном счете регулирует и водообмен через Керченский пролив. Работы, связанные с оценкой влияния речного стока на соленость Азовского моря, выполнялись и ранее (Спичак, 1963; Симонов, 1969; Бронфман и др., 1976, 1979, 1985; Шлыгин, 1980 и др.). Однако данные этих исследований охватывают период преимущественно до 1974 г. Между тем наблюдения до 1952 г. и в первые годы после зарегулирования стока р. Дон отличаются меньшей надежностью и качественной неоднородностью. Возможно по этой причине некоторые авторы (Спичак, 1963) пришли к выводу о том, что всвязи со стабилизацией режима р.Дон Цимлянским водохранилищем значение стока в колебаниях солености Азовского моря уменьшается. Нами в качестве основных были взяты данные с 1960 г. Этот ряд наиболее однороден и репрезентативен по сравнению с предшествующими и последующими годами. Для характеристики поступления в Азовское море пресных вод, метеоэлементов и солености прибрежных зон нами использованы наблюдения Госкомгидромета за стоком рек Дон и Кубань, в створах ст.Раздорская и г.Краснодар и материалы морских ГМС. При рассмотрении влияния на многолетний режим полей солености речного стока использовалась его величина не за календарный год (январь-декабрь), как это неверно делалось ранее, а за годовой период, предшествовавший осенней съемке (октябрь-сентябрь), с последующей постепенной сдвижкой на месяц до достижения максимума корреляции.
Влияние климатообразующих процессов на водный баланс, соленость и биоресурсы Азовского, Черного и Каспийского морей
В предшествующих главах была показана зависимость основных абиотических и биотических элементов экосистемы Азовского моря и его бассейна, (а также в определенной степени и Черного) от речного стока, ветрового и термического режимов. В свою очередь их временная изменчивость обусловлена изменчивостью системы атмосфера-гидросфера-биосфера, возникающей под воздействием факторов космического и геофизического происхождения. Пространственно-временная структура основных гидрофизических полей, в том числе солености и температуры, формируется под влиянием изменений составляющих водного баланса и метеорологических элементов, вызванных колебаниями характера атмосферной циркуляции.Атмосферная циркуляция, являющаяся одним из основных климатообра-зующих факторов наиболее изменчива не только в пространстве, но и во времени. Ее многолетние колебания имеют периодичность, в том числе и долгопериодную, определяя тем самым соответствующий характер изменчивости гидрометеорологических и океанографических характеристик. Это обстоятельство в случае установления зависимостей в системе атмосфера-гидросфера-биосфера может быть использовано для оценки природообусловленных кратко и долгопериодных изменений не только термохалинных и других океанографических характеристик Азовского и Черного морей, но и их биоресурсов.
В качестве показателей атмосферной циркуляции принята типизация синоптических процессов, установленная Г.Я.Вангенгеимом в 30-х годах XX века (Вангенгейм, 1938) и развитая в дальнейшем А.А.Гирсом (Гире, 1971, 1974; Гире, Кондратович, 1978; и др.) и другими исследователями особенно Арктического и Антарктического научно-исследовательского института (ААНИИ). При этом материалы о повторяемости или частоте появления западной (W), восточной (Е), северной (С) форм атмосферной циркуляции за 1891-1972 гг. взяты из известных монографий А.А.Гирса (Гире, 1971,1974), а показатели за последующие годы оценены частью по соответствующим сведениям опубликованным к настоящему времени в печати, частью любезно предоставлены нам А.Е.Антоновым (ГосНИОРХ) и К.В.Кондратовичем (РГГМУ), Величины составляющих водных балансов и солености Азовского и Черного морей за период с 1923 по 1985 гг. брались из соответствующих монографических изданий (Гидрометеорология и гидрохимия..., 1991). Помимо этого из показателей гидрометеорологического режима Азовского моря использованы данные Госкомгидромета по наблюденному стоку pp. Дон и Кубань в створах ст.Раздорская и г.Краснодар за 1912-2001 гг., а по естественному (восстановленному) - материалы Гидропроекта им.СЯ.Жука за 1912-1968 гг. и Государственного гидрологического института (ГГИ) за 1912-1987 гг. 5.1. Зависимость воспроизводства рыб от характера атмосферной циркуляции
Статистическая оценка зависимости отдельных компонентов биологических ресурсов Азовского моря от характера атмосферной циркуляции, выполненная преимущественно для условно естественного периода и части зарегулированного, показала неоднозначность и противоречивость влияния ее различных форм. Но в целом рыбопродуктивность возрастает в годы развития западной формы атмосферной циркуляции (г=0,30-0,72) и, наоборот, несколько уменьшается в случае повышенной повторяемости восточного типа макропроцессов (1-=-0,20...-0,58). Влияние северной формы неоднозначно. При этом у запасов и уловов проходных и полупроходных рыб наиболее существенна корреляция с числом дней с различными формами атмосферной циркуляции за 2-6, 9-12 и более предшествующих лет (табл.5.1). Одна из первых попыток определения зависимости биресурсов Азовского моря от форм атмосферной циркуляции была предпринята нами в рамках решения задачи оценки влияния климатических и антропогенных факторов на состояние естественного воспроизводства проходных и полупроходных рыб Азовского моря в бассейне р.Кубань и рек Восточного Приазовья (Гаргопа, 1973, 1979, 1981). При этом для промыслового возврата поколений севрюги, судака и тарани был взят период до вступления в эксплуатацию Невинномыс-ского канала (1949), а для уловов и запасов всех видов рыб - до лимитирования промысла (1958) в Азовском море. Оказалось, что запасы севрюги возрастают в тех случаях, когда с сентября по март в год нереста доминирует северная циркуляция (г=0,48), а с марта по май того же года - северный (г=0,28) и западный (г=0,57) типы макропроцессов. Снижение запасов севрюги следует ожидать в тех случаях, когда в холодное время года нереста развитие получают процессы комбинированной формы E+W (г=-0,53), а весной - типа Е (г=-0,38). Объясняется это тем, что в первом случае в бассейне р.Кубань формируется большой сток, предустьевые пространства моря опресняются, в зимний и весенний периоды наблюдается пониженный температурный фон. Во-втором случае, наоборот, величина стока р.Кубань оказывается незначительной, зоны опреснения в море сокращаются, зима при подобном характере синоптических процессов обычно мягче, а весна ранняя. Что касается полупроходных рыб, то на воспроизводство судака положительно воздействует преобладание в холодное время года северной и западной, а в весеннее время - исключительно последней формы (г=0,67) атмосферной циркуляции. Неблагоприятно на эффективность нереста судака влияет развитие в холодное время года восточной :-=-0,34), а весной - восточной и северной (г=-0,31) форм атмосферной циркуляции. В этом случае речной сток понижается, а весна имеет неблагоприятный для развития икры полупроходных рыб термический режим. В отличие от севрюги и судака эффективность нереста рыбца и шемаи в годы с преобладанием северной циркуляции, наоборот, уменьшается (г=-0,65), причем особенно четко (г=-0,77) эта тенденция свойственна воспроизводству шемаи. Снижение естественного воспроизводства этих видов рыб связано с увеличением повторяемости паводков на нерестовых реках и собственно р. Кубань. Если же доминируют макропроцессы E+W, то, вследствие маловодности нерестовых рек, или , точнее уменьшения повторяемости на них паводков, уловы рыбца и шемаи возрастают (г=0,66), причем шемаи особенно (г=0,78). Подобные работы были продолжены в 1993-2000 гг., но уже применительно к биоресурсам Азовского моря в целом (Гаргопа, 1993, 1995, 1998, 2000; Гаргопа и др., 1997). Результаты, полученные ранее для бассейна р.Кубань, в основном подтвердились. В то же время в некоторых случаях статистические оценки не во всем совпали как по степени, так и по характеру. Помимо этого уровень корреляционных связей не во всех случаях статистически значим. Тем не менее, можно предполагать, что для промыслового возврата поколений всех осетровых наиболее благоприятно развитие атмосферной циркуляции формы W (в среднем г=0,57; для белуги - 0,55; осетра - 0,47; севрюги - 0,56) и несколько неблагоприятно развитие форм С (в среднем г=-0,38) и Е (r=-0,13...-0,41). При оценке зависимости от форм атмосферной циркуляции запасов осетровых прослеживается благоприятное воздействие западной формы (в среднем г=0,67; для севрюги - 0,63; осетра - 0,49 и белуги - 0,72). Слабее видно отрицательное воздействие развития северной (г=-0,40; для осетра -0,38; белуги - 0,58) и восточной (г=-0,22; для севрюги - 0,38; осетра - 0,10) форм атмосферной циркуляции. При использовании в качестве предиктантов уловов осетровых изложенное выше подтверждается, но уровень статистической связи слабее. Значима и противоположна по знаку она для зависимостей между уловами севрюги и атмосферной циркуляцией формы W (г=0,39) и С+Е (г=-0,44). К статистически значимой и также противоположной по знаку приближается корреляция между уловами всех осетровых и севрюги с формой С (г=-0,27...-0,28) и между уловами всех осетровых и формой W (г=0,29).
Промысловый возврат поколений судака связан приближающейся к статистически значимой, положительной корреляцией с западной формой атмосферной циркуляции (г=0,27-0,33) и отрицательной (г=-0,20...-0,29) с восточной. Формированию запасов судака также способствует развитие формы W (г=0,13-0,39) и не благоприятствует развитие формы С (г=-0,26...-0,48). Между уловами судака в Азовском море и западной формой атмосферной циркуляции установлена положительная корреляция (г=0,44-0,65).
Пространственно-временные изменения гидрофизичес ких полей Азовского моря в условиях антропогенных воздействий и колебаний климата
Изменениям пространственно-временной структуры гидрофизических полей Азовского моря посвящены многочисленные объёмные, детальные и глубокие работы, перечень которых приведен в первой части. Однако, рассмотрен в них главным образом период до середины 70-х — начала 80-х годов прошлого века. Причем внимание концентрировалось преимущественно на оценке воздействия антропогенного сокращения речного стока без должного учета изменчивости климата, который в лучшем случае рассматривался как фон. Считалось, что повышение солености Азовского моря к середине 70-х годов в решающей степени связано лишь с прогрессирующим ростом безвозвратных изъятий стока рек его бассейна. На этой основе предполагалось дальнейшее, еще большее осолонение Азовского моря. Между тем, как будет показано далее, для современного периода свойственны значительные изменения характера атмосферных процессов. Именно они несмотря на сохранение существенного антропогенного сокращения стока рек, определили распреснение Азовского моря в последние десять лет до 10-11%о, т.е. значений наблюденных в 20-х - начале 30-х годов XX века. Следует отметить, что первые публикации автора в сравнительно сжатом виде посвященные оценке природных и антропогенных аспектов колебаний солености Азовского моря приходятся на 70-80-е годы (Гаргопа, 1973, 1979, 1981) середину- конец 90-х годов (Гаргопа, 1995-1999), а в более расширенном, на рубеже прошлого и нынешнего столетий (Гаргопа, 2000-2003). Ниже приводятся наиболее полные и последние результаты наших исследований по оценке природных и антропогенных аспектов пространственно-временных изменений солености и температуры, термохалинной структуры и устойчивости вод Азовского моря. 2.1. Пространственно-временные колебания солености
При анализе многолетних, сезонных и пространственных колебаний солености воды в Азовском и Черном морях главным образом были использованы ее значения, полученные на основе материалов регулярных наблюдений, проводимых на судах Госкомгидромета СССР (1922-1985 гг.), АзЧерНИРО (1952-1959 гг.) и АзНИИРХ (1960-2002 гг.), большая часть которых опубликована. Для солености Азовского моря характерна существенная временная и пространственная изменчивость. Внутригодовые изменения средней солености собственно моря достигают 0,7-1,0%о, а Таганрогского залива 2,0-3,0%о. Амплитуда многолетних колебаний солености Азовского моря по имеющемуся ряду наблюдений (1928-1939, 1947-2002 гг.) составляет 4,7%о, а Таганрогского залива 7,5%о. Для солености Азовского моря характерно наличие периодов со сравнительно несущественными ее изменениями и с резко выраженными колебаниями. Так, после относительно небольших колебаний солености Азовского моря в период 1922-1931 гг. в пределах 10,0-10,5%о она к 1932 г. резко снижается до 9,1%о, а с 1933 г. начинает расти и к 1939 г. достигает 11,8%о. С 1947 г. соленость в течение восьми лет в целом увеличивалась с 10,4 до 12,4%о. С 1955 по 1966 гг. соленость снова уменьшается до 10,8%о, после чего наступает длительный период ее устойчивого увеличения до 13,8%о (1976 г.). С 1976 г. соленость снова резко уменьшается до 10,9%о (1982 г.), затем следует непродолжительный рост до 11,9-12,0%о (1985-1986 гг.) и снова снижение к 1993-1994 гг. до 10,6-10,7%о. В 1995-1996 гг. средняя соленость Азовского моря составляла 10,9-11,0%о, в 1997 г. - 10,6%о, а в 1998 г. уже лишь 10,0%о, что является абсолютным минимумом для зарегулированных условий, В период с 1993 г. по настоящее среднегодовая соленость Азовского моря колеблется в интервале 10-1 \%а (рис.2.1; Приложение 2, 3). Таким образом, в различные периоды времени солёность вод Азовского моря имеет различные по направлению и величине тренды, которые главным образом формируются изменениями речного стока под влиянием факторов не только природного, но и антропогенного происхождения. По режиму солёности принято выделять два больших периода: до ввода в строй Цимлянского гидроузла (до 1952 г.) и после него.
Приток речных вод в Азовское море в первый период составлял в сред-нем около 41 км в год и обусловливал пониженную солёность Азовского моря. В среднем она составляла 10,6%о, при колебаниях от 11,9 (1951 г.) до 9,1 (1932 г.) %о, а в Таганрогском заливе в пределах от 8.1 (1938, 1939 гг.) до 3,7 (1927, 1932 гг.) %с (см.рис.2.1). К 1975 г. антропогенное снижение притока речных вод в Азовское море составило 10 км /год или 23% нормы, а к 1985 г. уже около 12-14 км /год или 33% нормы (Шикломанов, 1979). В 1952-2002 гг. суммарный сток pp.Дон и Кубань сократился до 33.4 км /год, а средняя солёность Азовского моря увеличилась до 11.7%о и изменялась от 13.8%о в 1976 г. до 10.4-10.7%о- в 1993, 1994, 1997, 2001, 2002 гг. и 10-10.1%о в 1998, 2000 гг. В Таганрогском заливе произошли аналогичные изменения солёности. Средняя солёность увеличилась до 7.5%о, максимальная до 11.2%о (1975 г.), минимальная до 4.8%с (1957 г.) (см. рис.2.1; Приложение 2). В зарегулированных условиях в многолетних колебаниях солёности Азовского моря по направленности ее изменений выделяются период осолонення (с 1952 по 1976 гг. включительно) и период распреснения (с 1977 г. по настоящее время), а также несколько характерных периодов меньшей продолжительности (рис.2.2; 2.3; см. Приложение 2, 3). I период - 1952-1955 гг. - при средней величине 33 км3/год колебания речного стока составили 28-41 км3/год, солёность моря возросла до 12.2%о при изменениях от 11.8 до 12.4% II период - 1956-1966 гг. - речной сток увеличился в среднем до 37 км/год, его колебания составили 29-53 км /год, а солёность уменьшалась от 11.9%о в начале периода до 10.8%с в его конце, составив в среднем 11.3%
III период -1967-1976 гг. - характеризуется увеличением солёности с 11.1 до 13.8%о при средней её величине, равной 12.3% Объём речного стока составил 28 км /год при колебаниях от 21 до 42 км/год.
Исключительно низкий, не имеющий аналога во всём ряду наблюдений, приток речных вод (в среднем 23 км ) с максимумом не в весеннее, а в летнее время отмечен в 1972-1976 гг. Следует отметить, что в равной степени это относится и к 1969-1976 гг., которые по водности лишь незначительно (в среднем на 2,6 км /год) превышают сток Дона и Кубани, наблюдавшийся в течение последних пяти лет этого периода. Связано это не только со значительным безвозвратным водопотреблением (8-Ю км5/год), но и с резким ухудшением климатических условий формирования речного стока, В рассматриваемый период наблюдались существенные темпы повышения солёности, причём особенно в его последние пять лет (0,3-0,5%о в год). В эти годы приток из Чёрного моря был почти равен оттоку из Азовского, а в некоторых случаях даже превышал его (1969, 1973, 1975 гг.), чему способствовал не только очень низкий сток, но и усиление южного переноса воздушных масс. В целом же уменьшился как приток черноморских вод, так и сток азовоморских (соответственно на 1,5 и 6,9 км3/год). Однако приток из Черного моря сократился в меньшей степени (на 4%), чем сток из Азовского моря (на 12%) (Альтман, 1980; Смолякова, Шлы-гин, 1980; Гидрометеорология и гидрохимия..., 1991).
В связи с этим весьма интересным представляется распределение солености в придонных слоях Азовского моря, анализу которого ранее должного внимания не уделялось. Рост солености в 1969 г. до 11,7%о и еще больший в последующие годы (1972-1976) рассматриваемого периода связан не только с исключительной маловодностью рек, но, видимо, и с сильными и ураганными ветрами в зимнее и осеннее время, в меньшей степени в летний период. Так, в начале января, а также в феврале 1969 г., по данным наблюдений ГМС Опасное, Мы-совое, Геническ, Таганрог, Приморско-Ахтарск отмечались ураганные ветры восточных направлений со скоростью от 16-24 до 28-34 м/с. В результате ян-варьских сгонов Ахтарский и Бейсугский лиманы на некоторое время даже осушались. В феврале они сопровождались пыльными бурями. В конце первой половины июля отмечались ветры южных направлений со средней скоростью 10-16 и порывами до 20-28 м/с. В конце октября ураганные ветры западных направлений со скоростью до 30-40 м/с вызвали исключительно резкий подъем уровня в юго-восточной части Азовского моря и известное по своим катастрофическим последствиям наводнение от г.Приморско-Ахтарск до Ахтанизовских лиманов
Цикличность океанографических и биологических процессов
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 определенное локальное влияние адвективных факторов (тепловое влияние речного стока, компенсационное воздействие течений, влияние процессов водообмена и др.). Вследствие небольшой глубины Азовского моря, а следовательно и относительно незначительной аккумуляции тепла его водной массой по сравнению с глубоководными морями, последняя быстро реагирует на температурные пространственно-временные изменения в атмосфере. Однако необходимо отметить, что для отдельных ГМС степень корреляции температуры воды с температурой воздуха наблюденной ГМС Краснодар различается и по среднегодовой температуре находится в диапазоне 0,68-0,82; весенней -0,80-0,91; летней - 0,61-0,72; осенней-0,51-0,69; зимней - 0,49-0,82. Следует ещё добавить, что степень сопряженности в многолетней изменчивости температуры воздуха и воды, наблюденной береговыми ГМС различна.
Так, исследования степени синхронности в колебаниях температуры воздуха и воды выполненное нами на примере наблюдений ГМС Приморско-Ахтарск, Темрюк и Ейск для двух периодов: 1949-1985 и 1986-2000 гг. свидетельствует о следующем. Для первой станции в период с 1949 по 1985 гг. наиболее существенны совпадения знаков аномальности в межгодовых колебаниях весенних (г=0,94) и осенних (г=0,88) температур воздуха и воды, слабее они проявляются в изменениях летних (г=0,77), но особенно зимних (г=0,67). В 1986-2000 гг. также наиболее синхронны колебания весенних (г=0,91) и осенних (г=0,87) температур воздуха и воды, в меньшей степени это явление характерно зимним температурам (г=0,72) и особенно летним (г=0,64). Для ГМС Темрюк в первый из анализируемых периодов степень согласованности наиболее высока в изменениях летних (г=0,93) и весенних (г=0,85) температур воздуха и воды, слабее в колебаниях осенних (г=0,71) и зимних (г=0,72). Bo-втором периоде максимум синхронности свойственен флуктуациям весенних температур (г=0,93), менее существенна она в изменениях зимних (г=0,86), осенних (г=0,85), но особенно летних (г=0,72). В многолетних колебаниях температур воздуха и воды, наблюденной в 1949-1985 гг. ГМС Ейск, наиболее высока степень синхронности для весны (г=0,95) и осени (г=0,91), несколько слабее для лета (г=0,88) и зимы (г=0,83), В 1986-2000 гг. исключительно слабая степень синхронности установлена в межгодовых колебаниях зимних температур воздуха и воды (г=0,34). Невысока она и для осенних температур (г=0,68). Колебания же весенних и летних температур воздуха и воды согласуются более четко (г=0,80; 0,87). Степень согласованности в колебаниях среднегодовых температур воздуха и воды для всех трех станций и в первый и особенно второй периоды вполне удовлетворительна (соответственно г=0,83; 0,78; 0,81 и г=0,85; 0,90; 0,92).
Что же касается степени синхронности в многолетних колебаниях температуры воды, наблюденной различными ГМС, то в среднегодовом отношении она высокамежду всеми станциями (г=0,80-0,94) при минимуме для станций Таганрог и Мысовое. Вполне удовлетворительна (г=0,83-0,95) она и для весны при минимуме между ГМС Приморско-Ахтарск и Ейск, станциями Таганрог-Мысо-вое. Коэффициенты корреляции летних температур находятся в интервале от 0,77 (Приморско-Ахтарск и Мысовое) до 0,95 (Бердянск-Мариуполь, Таганрог-Мариуполь), осенних от 0,86 (Приморско-Ахтарск и Таганрог) до 0,97 (Мариуполь-Ейск), зимних от 0,74 (Таганрог-Мысовое) до 0,93 (Мариуполь-Бердянск). Периодичность подобная установленной для температуры воздуха характерна и температуре поверхностных вод Азовского моря. Так, анализ ряда наблюдений с 1949 по 1985 гг. показал, что в многолетних колебаниях температуры воды средней для собственно моря за год, весну и особенно зиму преобладают периоды продолжительностью 2-3 года (соответственно 51; 54 и 65%), а для осени и в меньшей степени лета периоды длительностью 2-4 года (соответственно 51 и 46%). Для зимы и лета характерны также и единичные периоды продолжительностью в 5-6 лет. Подобная структура многолетних колебаний температуры воды в целом свойственна и отдельным прибрежным районам. Причем длительность периодов с непрерывной положительной либо отрицательной аномальностью более существенна. Так, анализ наблюдений за 1949-1985 гг. свидетельствует о наличии в многолетних колебаниях осенней температуры воды, наблюденной ГМС Мариуполь семилетнего периода. Подобная же оценка выполненная для российского побережья на основе ряда наблюдений с 1949 по 2000 гг. показала наличие практически во все сезоны 5-7 летних периодов, а также отдельных периодов похолодания и потепления продолжительностью соответственно 11 и 15 лет, зафиксированными ГМС Приморско-Ахтарск в зимнее (1984-1994) и летнее (1953-1967) время года. Тренды и тенденции установленные в многолетних колебаниях температуры воды в поверхностных слоях прибрежных частей Азовского моря в целом для 1949-1985 гг. схожи по направленности, но несколько отличаются по величинам от соответствующих характеристик свойственным межгодовым изменениям температуры воздуха, наблюденной ГМС Краснодар и береговыми ГМС. Для периода с конца 40-х и до середины 80-х годов положительные тенденции прослеживаются в многолетних изменениях среднегодовой (0,2С) и среднемесячных температур воды в зимнее (0,1 С), весеннее (0,4С) время, а также и осеннее (0,4 С). В межгодовых же колебаниях летней температуры тенденции отрицательны (0,4С) (табл.2.1). В целом же для термического режима всего Азовского моря второй половины XX века положительные тенденции наиболее значительны для многолетних (1949-2000) колебаний весенних и летних температур воды (0,5-0,6С), слабее для изменений осенних и среднегодовых (0,3С). В многолетних колебаниях зимних температур прослеживается слабо выраженная отрицательная темденция (0,2С) (см.табл.2.1). При этом, как видно из таблиц 2.1, 2.2 и Приложений 4, 5, направленность и степень изменений температуры воды в различных частях Азовского моря отличаются.
