Содержание к диссертации
Введение
1 История изучения вопроса 12
1.1 Гидрологические справочники и обобщающие монографии 12
1.2 Обзор существующих баз данных и геоинформационных систем по Каспийскому морю 22
2 Физико-географическое описание района 30
2.1 Основные черты рельефа берегов и дна 30
2.2 Климатические особенности 34
2.3 Водный баланс 38
3 Океанографическая база данных и геоинформационная система Каспийского моря 51
3.1 Океанографическая база данных 51
3.1.1 Структура океанографической базы данных 52
3.1.2 Контроль качества данных 55
3.1.3 Описание информации, накопленной в ОБД 61
3.2 Геоинформационная система «Каспийское море» 67
3.2.1 Структура базы геоданных и геоинформационной системы 67
3.2.2 Пространственная организация данных в проекте ГИС 68
3.2.3 Описание информации, накопленной в ГИС «Каспийское море» 70
3.3 Методы обработки данных 73
4 Среднемноголетний термохалинный режим Каспийского моря 80
4.1 Сезонная динамика температуры и солености вод 80
4.1.1 Соленость 80
4.1.2 Температура воды 87
4.2 Вертикальное распределение температуры и солености вод 92
5 Многолетняя изменчивость термохалинной структуры вод Каспийского моря 130
5.1 Межгодовая сезонная динамика 130
5.2 Вертикальное распределение температуры и солености по периодам 139
6 Модельные оценки влияния уровня и климатического хода на гидрологический режим Северного Каспия 151
6.1 Оценка внешних факторов, определяющих динамику уровня и солености 151
6.2 Анализ изменения солености Северного Каспия при различных положениях уровня моря с применением балансовых моделей 156
6.2.1 Районирование акватории Северного Каспия 156
6.2.2 Верификация модели 159
6.2.3 Особенности гидрологического режима Северного Каспия в 20 веке по результатам математического моделирования 160
Заключение 164
Список публикаций автора по теме диссертации 169
Список использованной литературы 173
- Обзор существующих баз данных и геоинформационных систем по Каспийскому морю
- Описание информации, накопленной в ОБД
- Межгодовая сезонная динамика
- Особенности гидрологического режима Северного Каспия в 20 веке по результатам математического моделирования
Введение к работе
Каспийское море - крупнейший в мире солоноватоводный замкнутый бессточный водоем, характерной особенностью которого являются значительные периодические колебания уровня. Вследствие особенностей географического положения и геоморфологического строения дна северная часть моря покрывается льдом в зимний период. Соленость вод залива Кара-Богаз-Гол в отдельные годы превышает 40%о. Этот залив используется как источник технической и пищевой соли на протяжении столетий. Акватория моря является крупной морской транспортной артерией, соединяющей пять государств. На шельфе ведется разведка углеводородов. Каспийское море - водоем с исключительными потенциальными возможностями, создающими основу всестороннего социально-экономического развития региона. Вместе с прибрежными территориями Каспийское море формирует единый природно-хозяйственный комплекс. Эффективность функционирования этого комплекса определяется, прежде всего, особенностями динамики внутренних процессов замкнутого водоема. Наряду с этим Каспийское море является чувствительным к флуктуациям внешних факторов и быстро реагирует на такие изменения.
На протяжении века в ходе уровня Каспийского моря можно выделить несколько стадий: высокого положения (минус 26 м до 1934 г.), падения (до минус 28.9 м к 1977 г.), последующего роста к 1992 г и стабилизации на относительно высоких отметках около минус 27 м. После 2010 г. начался медленный спад, который на фоне изменяющихся климатических условий может привести к очередной перестройке гидрологического режима водоема.
В 19-20 вв. выполнен ряд комплексных исследований Каспийского моря, результаты которых опубликованы в статьях, монографиях и обобщающих климатических справочниках. Выявлены основные закономерности в сезонном и многолетнем ходе гидрологического режима моря. Но значительная часть исследований проводилась для отдельных временных отрезков, выбор которых был обусловлен не климатической и гидрологической изменчивостью водоема, а имеющимся массивом данных.
В настоящее время, накопленные архивы первичной океанографической информации за весь период наблюдений, позволяют выполнить анализ гидрологического режима моря в условиях полного цикла изменения его уровня, что и определяет актуальность данного исследования для океанологии.
Степень разработанности проблемы. Изучению проблем гидрологического режима и термохалинной структуры водных масс Каспийского моря уделяли внимание многие авторитетные ученые 20 и 21 вв. (Алиев И.А., Архипкин B.C., АрхиповаЕ.Г., Блатов А.С, БолговМ.В., БруевичС.В., Валлер Ф.И., Винецкая Н.И., Георгиевский В.Ю., Гоптарев Н.П., ГорелицО.В., Егоров И.Г., Затучная Б.М., Катунин Д.Н., Книпович Н.М., Компаниец Ю.И., Косарев А.Н., Мамедов P.M., Найденов В.И., Панин Г.Н., Пахомова А.С, Полонский В.Ф., Потайчук СИ., Сапожников В.В., Скриптунов Н.А., Тужилкин B.C., Фролов А.В., Хрипунов И.А., Шереметевская О.И., Шикломанов И.А.). Уже с 1950-х гг. делались первые попытки обобщений данных многолетних измерений, выполнения комплексного анализа и составления среднемноголетних карт
распределения параметров. Особенно интересовал исследователей вопрос влияния колебаний уровня на термический и соленостный режимы моря. С изменением климатических условий и продолжительным снижением уровня моря выделялись новые периоды осолонення или опреснения. Не всегда такие оценки и характеристики совпадали из-за непрерывного изменения уровня моря и элементов гидрологического режима, а также различий в массивах исходных данных. Наибольшая разрозненность в оценках относится к северной части моря, которая в силу мелководья, большого объема поступающих пресных вод и некоторой изолированности от остальной акватории, наиболее чувствительна к такого рода изменениям.
Первыми комплексными атласами по Каспийскому морю, выпущенными коллективами исследователей, считаются «Каспийское море. Гидрология и гидрохимия» под редакцией С.С. Байдина и А.Н. Косарева (1986) и два тома по Каспийскому морю в рамках проекта «Моря СССР» (1992). В них дается обобщение материалов с 1950 г., которые удалось собрать авторам, рассматриваются многолетняя и сезонная динамика океанографических параметров для отдельных районов моря. С развитием информационных технологий большое внимание стало уделяться созданию электронных цифровых баз данных и процедурам автоматизированной обработки данных. Предпринимаются попытки по сбору, «оцифровке» и сохранению исторической информации (База данных Гидрометцентра России, База данных ЕСИМО, Атлас Каспийского моря ПО РАН, База данных ГОИН, Материалы Каспийской Экологической Программы, NODCNOAA). Наиболее полная база первичных океанографических данных по Каспийскому морю собрана B.C. Тужилкиным, который в своей докторской диссертации (2008) выполнил многоуровневый TS-анализ, где основное внимание уделил глубоководным районам моря - Среднему и Южному Каспию. Результаты этого анализа опубликованы, но собственно информация - исходные первичные данные - недоступны для широкого круга пользователей. В результате выполненного исторического обзора автором сформулированы цель и основные задачи исследования.
Цель исследования: количественное описание термохалинной структуры вод Каспийского моря в 20 веке для различных пространственно-временных масштабов.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
Создать в соответствии с мировыми стандартами океанографическую базу данных за период инструментальных наблюдений, технологии и инструментарий для анализа пространственно-временной информации и геоинформационную систему, включающую опубликованный картографический материал по гидрологии Каспийского моря.
Описать термохалинную структуру вод Каспийского моря для среднеклиматических условий и характерных периодов изменения уровня моря в 20 веке.
Выполнить анализ термохалинного режима Северного Каспия в условиях изменения уровня моря, влияния климатических и антропогенных факторов, его взаимосвязь с гидрологическим режимом глубоководных районов.
Объект исследования - внутреннее бессточное Каспийское море, главными
особенностями которого являются отсутствие связи с Мировым океаном и
субмеридиональное простирание, обуславливающие значительную
пространственную изменчивость океанографических параметров.
Предмет исследования - многолетняя и сезонная изменчивость термохалинной структуры вод Каспийского моря в условиях изменения уровня.
Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследований. Информационная основа исследования - архивные данные морских экспедиционных наблюдений в Каспийском море в 20 веке. Всего более 42 000 станций наблюдений. Основной источник первичных данных -ЦОД ВНИИГМИ МЦД (г. Обнинск), а также опубликованные результаты исследований и материалы морских экспедиций ЮНЦ РАН последних лет.
Изучение гидрологического режима моря опирается на традиционные, применяемые в океанологии, подходы к анализу изменчивости термохалинных полей.
В работе использованы специализированные программные средства пространственно-временного анализа данных и графического представления результатов (Statistica, Surfer, ArcGIS, Microsoft Access и др.).
Научная новизна результатов исследования:
С применением современных технологий и программных средств создана геоинформационная система, включающая соответствующий мировым стандартам контроля качества данных архив первичной океанографической информации за период с 1897 по 2011гг. (42 519 морских станций), картографическую базу данных (246 тематических слоев) и инструментарий для анализа пространственно-временной информации, позволяющая выполнять многомерный анализ пространственно-временной изменчивости океанографических параметров Каспийского моря.
Построены сезонные вертикальные поля солености и температуры воды для среднеклиматических условий и характерных периодов изменения уровня моря в 20 веке, позволившие выявить новые и уточнить ранее описанные закономерности пространственно-временной изменчивости гидрологических характеристик Каспийского моря.
В результате анализа термохалинных характеристик Каспийского моря получены новые представления о пространственно-временной изменчивости солености и водообмена в северной и средней частях моря в период минимального стояния уровня.
Теоретическая и практическая значимость работы. Полученные результаты расширяют теоретические преставления о закономерностях и особенностях изменения термохалинного режима Каспийского моря в условиях долгопериодных изменений уровня.
Практическая значимость определяется тем, что сформированная база данных интегрирована в систему Мирового центра данных НОАА (США), а отдельные элементы разработанной ГИС используются для создаваемого ЕСИМО электронного морского атласа по Каспийскому морю.
Исследования по тематике диссертационной работы велись в рамках программ фундаментальных исследований ОНЗ и Президиума РАН, ФЦП «Мировой океан» и «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России».
Соответствие диссертации Паспорту научной специальности. Сформулированные в диссертации цели и задачи, а также полученные основные результаты соответствуют формуле паспорта специальности 25.00.28-«Океанология» и следующим пунктам паспорта специальности: 4. Процессы формирования водных масс, их пространственно-временной структуры, гидрофизические поля Мирового океана; 17. Методы анализа водных масс, их классификации, районирования акваторий и поиска закономерностей формирования структуры вод Мирового океана.
Апробация результатов исследования. Результаты, полученные в рамках диссертационной работы, докладывались и обсуждались на научных семинарах отдела информационных технологий и математического моделирования ЮНЦ РАН (Ростов-на-Дону, 2007-2012 гг.); на 14 научных конференциях, в том числе на 5 международных.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 научных работ, из них 2 - в рецензируемых журналах из списка ВАК, 2 главы в коллективных монографиях; а также 14 тезисов научных докладов на российских и международных конференциях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и четырех приложений. Работа изложена на 300 страницах, включает 133 рисунка и 14 таблиц, включая приложения. Список литературы содержит 75 наименований.
Обзор существующих баз данных и геоинформационных систем по Каспийскому морю
Выполнен поиск действующих географических информационных систем и электронных баз данных, содержащих данные по Каспийскому морю. Ниже приведен краткий обзор наиболее объемных, с точки зрения информативности, проектов, в таблице 1.1 полный перечень всех найденных.
С 1998 г. в рамках Каспийской экологической программы (КЭП) (www.caspianenvironment.org/), созданной по инициативе пяти прикаспийских государств (Азербайджан, Иран, Казахстан, Россия, Туркменистан), предпринимаются попытки создания единой информационной системы по вопросам изучения Каспийского моря. В проекте содержатся:
- «Информационная система Каспийского моря» - данные о проектах, организациях и ресурсах региона Каспийского моря.
- «База данных по биоразнообразию». Данные: виды-вселенцы, зоологическое описание (изображение), библиография, карты распределения. Доступность: открыта для свободного доступа.
- Данные экспедиции «Программа обучения на море». Данные: информация по 105 образцам донных отложений и интерпретация их качества в виде отчетов.
- База данных КЦКЗ КЭП (Фаза I), содержащая информацию по выбросам загрязнения.
- Исторические данные по Каспию, выбранные из World Ocean Database. Данные: океанографические данные, представленные в формате NOAA.
- Геоинформационная система Каспийского моря. Содержит береговую линию в, изолинии и бланковки в двоичном формате ascii, векторном формате surfer и shp-файлы.
В рамках КЭП создан «Реестр данных по Каспийскому морю», который представляет собой базу данных изученности моря с начала периода инструментальных наблюдений и по настоящее время. Собрана информация по 88 311 станциям - координаты, дата и время измерения, горизонт, а также описание 3 883 наборов гидрохимических, гидрофизических и гидробиологических данных - количество станций и переменных, период наблюдений, поставщик данных, организация, страна.
Главным недостатком электронного ресурса Каспийской Экологической Программы является отсутствие какой-либо первичной информации.
«Caspian Sea Biodiversity Project under umbrella of Caspian Sea Environment Program» (www.zin.ru/projects/caspdiv/index.html) - электронный портал, созданный объединенными усилиями КЭП, МГУ им. М.В. Ломоносова, Зоологического института РАН и Института проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северенцева РАН. На сайте представлена информация об ихтиофауне, фитопланктоне, водных растениях, микроводорослях, моллюсках, бентосе, полихетах, отдельных видах рачков. Пространственное распределение биологических видов, время изучения (где был отмечен последний раз), время и автор описания, полное название семейств и видов. Информация доступна с сайта всем категориям пользователей.
«Infield the Energy Analysts» (www.infield.com/) - является коммерческой организацией по независимым энергетическим исследованиям и анализу, который предназначен для обеспечения точной и актуальной информации, разработки баз данных, исследований и прогнозов рынка, составления карт, анализ и разведка глобальной морской добычи нефти, газа, возобновляемых источников энергии и связанных с морской отрасли и т.д.. Среди прочих, «Infield» может предоставить информацию и об энергетических ресурсах в Каспийском море. Информация платная. Для конкретизации стоимостных услуг необходимо связаться с оператором. В базу данных (в конечном итоге) будет включена полная информация о существующих месторождениях, степени разработанности, темпах разработки производства. Эта интернет-система не единственная. Тематика нефтегазоносного комплекса широко представлена в среде Internet, но вся информация предоставляется фирмами на платной основе. Важной особенностью является то, что исполнители при перечислении продукции и услуг, которые они могут оказывать, не ссылаются на какие-либо компетентные в отрасли источники, т.е. качество результата не ясно.
Исследования в Каспийском море Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН представлены на сайте www.caspinfo.net. Можно получить метаданные по морским наблюдениям после процедуры регистрации. Также в 2006 г. Институтом океанологии РАН был издан электронный атлас на CD Каспийского моря «Температура, соленость, плотность, растворённый кислород, насыщение воды кислородом, активная реакция рН, общая щелочность, фосфаты, нитриты, нитраты, аммоний, кремний, общий неорганический углерод, парциальное давление двуокиси углерода». В атласе представлен краткий анализ многолетних изменений климатических факторов в бассейне моря, карты среднемноголетнего распределения указанных параметров по стандартным горизонтам, вертикальное распределение по сезонам, многолетние изменения температуры, солености, условной плотности и растворённого кислорода в Среднем и Южном Каспии на горизонтах 400 и 600 м, температура поверхности воды по данным космоснимков, рассчитанные карты течений по сезонам. Отдельно в рамках атласа представлена работа Государственного океанографического института - пространственное распределение океанографических параметров в Северном Каспии по данным стандартных разрезов и анализ этих распределений.
Единственная интернет-система в России, которая содержит первичную океанографическую информацию за длительный период времени - сайт ЦОД ВНИИГМИ-МЦЦ (WDCB) проект «ЕСИМО» (data.oceaninfo.ru). В рамках проекта производится сбор и оцифровка исторических данных по гидрометеорологии, гидрологии, гидрохимии Мирового океана. Несмотря на то, что Каспийское море является внутренним морем-озером не имеющим связи с Мировым океаном, на сегодняшний день в ЕСИМО накоплено свыше 40 000 станций наблюдений по всей акватории. Получить данные с сайта программы можно без ограничений для различных категорий пользователей, но существующая архитектура веб-приложения не позволяет проводить быстрый поиск с указанием конкретного региона и инвентаризацию накопленных данных. В проекте собраны данные по гидрологии, гидрохимии, метеорологии, батиметрии, загрязнению водоема.
В Государственном океанографическом институте в конце 2010 г. была закончена работа по созданию Генерального каталога уровня Каспийского моря (Российское побережье), где «впервые помещены данные наблюдений на всех 12-ти морских гидрометеорологических станциях и постах Российского побережья с начала наблюдений и по 2008 год включительно. В основную часть каталога помещены данные по постам Дербент, Изберг, Махачкала, о. Тюлений, Каспийский (Лагань), имеющим наибольший ряд наблюдений». Также в качестве приложения в Каталог включены данные «по шести станциям и постам, имеющим короткий ряд наблюдений - Главный Сулак, о. Чечень, Брянская коса, о. Чистая Банка, о. Укатный (Жесткий), 12-я Огневка» (www.oceanography.ru). Каталог находится в свободном доступе и представляет собой файл с описанием уровнемерных постов и таблицы с данными. В дальнейшем в Государственном океанографическом институте планируется создание Генерального каталога уровня Каспийского моря по пяти Прикаспийским государствам.
Описание информации, накопленной в ОБД
В океанографической БД по Каспийскому морю, используемой в работе, накоплена первичная океанографическая информация по 42 519 морским станциям за период с 1897 г. по 2011 г. (рис. 3.1). Более 600 морских станций -наблюдения, выполненные ЮНЦ РАН в российском секторе Каспийского моря за период с 2004 г. по 2011 г. Всего 168 576 измерений температуры воды и 144 289 измерений солености воды.
Поиск и сбор материалов проводился в литературных источниках и открытых Web-порталах сети Internet. В последнем случае используются общедоступные электронные базы данных, в частности «ЕСИМО» (data.oceaninfo.ru).OcHOBHbie источники информации о рейсах:
- ЦОД ВНИИГМИ-МЦД (г. Обнинск) (1926-1991 гг.);
- ЮНЦ РАН (г. Ростов-на-Дону) (2004-2009 гг.);
- литературные материалы (1897-1963 гг.).
В базе данных содержится информация экспедиционных исследований организаций: Академии наук СССР, Института водных проблем РАН, Московского Государственного Университета им. М.В. Ломоносова, Северо Кавказской гидрометеорологической службы, Азербайджанской гидрометеорологической службы, Каспийского Научно-исследовательского Института Рыбного Хозяйства, Южного научного центра РАН. Наибольшее количество собранных материалов принадлежит Азербайджанской гидрометеорологической службе.
Описание данных
Анализ полученных станций показал, что в Каспийском море большинство экспедиций, при выполнении морских рейсов, опираются на сетку «вековых» разрезов, т.е. измерения выполняются непосредственно на станциях разрезов, либо на не большом расстоянии от них. В связи с этим остаются районы моря практически не охваченные исследованиями. Сеть «вековых» океанографических разрезов в Каспийском море сформирована 8 разрезами (табл. 3.3, рис. 3.1).
Станции экспедиционных наблюдений последних лет (2004 - 2010 гг. -экспедиции ЮНЦ РАН) расположены в западной части Северного Каспия и северо-западной Среднего Каспия и охватывают в основном разрезы 3, За, частично 4.
Описание разрезов и соотношение распределения измерений БД, выполненных непосредственно на разрезах, представлено в таблице 3.3. Видно, что практически четвертая часть всех измерений, собранных в базе данных ЮНЦ РАН, расположена в пределах станций «вековых» разрезов.
Основными компонентами базы данных по Каспийскому морю являются данные о температуре, солености воды, гидрохимическая и метеорологическая информация. Всего более 50 параметров.
Межгодовая сезонная динамика
Межгодовые изменения солености иногда достигают 8%о. В основном такие значения характерны для Северного Каспия, где на формирование поля солености оказывает сильное влияние мелководность, наличие крупного источника пресных вод, быстрая реакция на изменение внешних факторов. В отличие от горизонтальной структуры водных масс Северного Каспия со значительными градиентами солености, вертикальная структура вод более однородна. На акватории с глубинами до 10 м из-за ветрового перемешивания, которое проникает практически до дна, вертикальная стратификация отсутствует, и увеличение значений солености происходит от дельты к открытой части моря. В зависимости от преобладающего направления ветра, объема речного стока и компенсационного подтока, наличия ледового покрова изогалины меняют свой наклон. Но значительных качественных изменений не происходит. На остальной акватории с глубинами более 10м наличие вертикальной соленостной стратификации зависит от объема поступающих речных и среднекаспийских вод. В основном такое явление относится к юго-западному району Северного Каспия - южная оконечность За разреза и западная 4 разреза.
Для восточной и центральной областей Северного Каспия период 1961-67 гг. характеризовался пресными и холодными водами, в период 1972-79 гг. при минимальном положении УКМ произошло повышение солености и температуры вод, с 1984 по 1991 гг. с поднятием уровня моря произошло опреснение и дальнейшее повышение температуры вод. Для пограничной зоны между Северным и Средним Каспием (район 4 разреза) наиболее низкие значения солености отмечаются в 1961-67 гг. С падением УКМ соленость возрастает, но в 1980-х гг. значительных изменений средних значений в сторону опреснения не происходит. Это связано с возрастанием значений солености у западного побережья в 1984-91 гг. и снижением у восточного по сравнению с 1972-79 гг. В многолетней изменчивости солености Северного Каспия выделяется два максимума: с 1974 по 1976 гг., с 1982 по 1983 гг. Первый связан со значительным уменьшением объема речного стока, уменьшением количества осадков, снижением скоростей ветра. Второй - с ростом температуры воздуха и испарения, увеличением скоростей ветра. После 1983 г. можно отметить относительное опреснение на всех горизонтах.
Характерной особенностью в многолетнем ходе для восточного района Северного Каспия в апреле, июне и октябре является резкое снижение значений солености на всех горизонтах после 1982 г. (рис. 5.1) и увеличение разности значений между поверхностным и придонным горизонтами. В августе на приустьевом взморье р. Урал наблюдается схожая динамика. Но в пределах Уральской бороздины (глубина 5 м), тренд как положительный, так и отрицательный отсутствует. Только в 1991 г. заметно некоторое снижение значений солености, характерное для всей толщи. Вертикальная стратификация во все годы практически отсутствует и проявляется лишь в районе Уральской бороздины в месяцы с повышенным речным стоком (июнь-июль) или в процессе охлаждения (октябрь). Максимальные значения для всех месяцев отмечаются в 1982 г. Характерно постепенное увеличение солености от 2%о на приустьевом участке до 6%о в районе изобаты 5 м. В районе Уральской бороздины значения солености колеблются в пределах 4-9%о, достигая в отдельные годы 11%о. В 1982 г. наблюдается заток вод с соленостью 7-8%о до устьевого взморья. Особенно хорошо это явление можно проследить в августе. С 1984 г. во все сезоны на станциях с глубинами 5 м акватория занята водами с соленостью 8-9%о. На крайней станции разреза, практически примыкающей к Кулалинскому порогу, значения солености снижаются до 5-6%о. Это дает основание предположить о существовании в современный период локального круговорота в восточном районе Северного. Каспия и поступлении среднекаспийских вод на юге Кулалинского порога.
Разрез 2, проходящий по Кулалинскому порогу и отражающий водообмен между восточной и западной частями Северного Каспия, представляет наибольший интерес в рамках настоящего исследования. В районе 2 разреза находят отражение черты температурного и соленостного режимов как восточной, так и западной частей. По сравнению с восточным районом, здесь сток р.Волги оказывает более значительное влияние на формирование поля солености на севере, а юг разреза занят среднекаспийскими водами с соленостью до 13.0%о. В связи с этим особенно в период половодья здесь наблюдается максимальная горизонтальная изменчивость солености.
В многолетнем режиме максимум солености наблюдается в 1979 г. в апреле, июне, и в 1976 г. - в августе и октябре. Следующее увеличение значений отмечается в 1987-1988 гг. Интересной особенностью в многолетнем ходе является увеличение значений солености в 1980-х гг. в августе и октябре в зоне непосредственного влияния речного стока и уменьшение значений для всех месяцев на юге разреза, в зоне непосредственного влияние среднекаспийских вод. Такие изменения могли произойти только при одновременном выполнении двух условий: 1) уменьшение объемов стока восточного рукава р.Волги и изменения схемы затока вод из Среднего Каспия в Северный или же уменьшением мощности струи; 2) произошло опреснение вод Среднего и Южного Каспия. Оба факта подтверждаются вертикальными профилями (Приложение Г) и результатами математического моделирования (глава 6).
Основной объем стока р.Волги перераспределяется по двум рукавам. Правый рукав является более мощным после зарегулирования реки и выносит свои воды к разрезу За, левый рукав оказывает влияние на разрезы 3 и частично 2. При среднемноголетних условиях соотношение в распределении объемов стока по рукавам составляет 2:1, изменяясь в отдельные годы.
Поскольку влияние речного стока распространяется в пределах изобаты 10м на всю толщу, в данном районе межгодовая динамика солености на мелководных станциях характеризуется значительной изменчивостью на всех горизонтах. Выделяется два максимума: первый с 1974 по 1976 гг. (для разных месяцев), второй с 1982 по 1983 гг. Явно выраженный тренд в многолетнем ходе солености отсутствует, как и на предыдущих разрезах. Только в июне и августе в районе 3 разреза отмечается снижение солености.
Разрез 4, проходящий от о. Чечень до п-ова Мангышлак, отражает водообмен между Северным и Средним Каспием - схему затока и объемы вод. Для разреза характерно пространственное изменение параметров с запада на восток. При этом вертикальная стратификация вод при среднеклиматических условиях (глава 4) обнаруживается только на крайнем западе или востоке разреза у побережий, и формируется из-за влияния волжских и терских вод или среднекаспийских. Главной особенностью вод 4 разреза является то, что они обладают свойствами в большей степени вод Среднего Каспия. Это отражается и в межгодовой изменчивости и пространственном распределении. Для многолетней динамики солености в районе 4 разреза характерно два максимума: 1955-1956 г. и 1969-1970 гг. В феврале и апреле явный тренд к понижению или повышению отсутствует. Для августа и ноября характерно с 1956 г. по 1957 г. резкое уменьшение и затем рост до 1969 г. После опять опреснение. Такая тенденция прослеживается на всех горизонтах.
Особенности гидрологического режима Северного Каспия в 20 веке по результатам математического моделирования
Анализ результатов расчетов показал, что с 1940 г. по 1974 г. с падением уровня моря и увеличением величины испарения произошел рост солености. Максимальных значений соленость вод Северного Каспия достигала в период минимального положения уровня. В целом наблюдается увеличение солености с севера на юг и с запада на восток.
До 1940-х гг. средняя соленость восточной части была выше, чем западной на 0.5-1.0%о, а с середины 1940-х гг. это соотношение стало обратным. Это могло быть связано с усилением западной волжской струи и ослаблением восточной, вследствие чего образовался компенсационный поток из Среднего Каспия. Значительно уменьшились площади опресненных зон в обеих частях Северного Каспия. В восточном районе Северного Каспия сформировались «пятна» солености, превышающие соленость вод Среднего Каспия.
По результатам расчета в 1977 г. соленость восточной части превысила соленость западной. Изменение морфометрии Северного Каспия оказало влияние на распределение стока р. Волги по рукавам - в восточный стало поступать меньше, чем в западный (соотношение составило приблизительно 1:4). В период половодья влияние речных вод в восточной части практически незаметно. Обмеление акватории привело к затруднению водообмена между Северным и Средним Каспием. При выполнении расчетов был уменьшен приток морских вод из Среднего Каспия на 67% и изменена схема течений -заток среднекаспииских водных масс стал проходить через северную часть Кулалинского порога, а отток через южную (рис. 6.4). Данные результаты подтверждают и литературные материалы и результаты исследований автора (глава 5).
К 1997 г. после резкого повышения на 1.9 м уровень Каспийского моря стабилизируется возле отметки минус 27 м. Увеличивается количество осадков и объем речного стока. Уменьшается величина испарения. С подъемом уровня восстановилась схема водообмена между Средним и Северным Каспием. Результаты моделирования солености Северного Каспия для современного периода адекватны сезонной динамике и пространственному распределению этой характеристики гидрологического режима, если водообмен со Средним Каспием больше на 30% по сравнению с 1965 г.
Средняя соленость Северного Каспия в периоды опреснения составляет 7-8%о, а в периоды осолонення - 9-11%о. Такие изменения практически всегда обусловлены колебаниями элементов водного баланса. Наиболее устойчивыми по режиму солености являются центральный приглубый район и предустьевое пространство Волги (рис. 6.5). Можно отметить асинхронность режимов солености в отдельных частях Северного Каспия. Это связано с компенсационными потоками из Среднего Каспия и увеличением влияния отдельных рек.
Выполнено восстановление уровня Каспийского моря, основных морфометрических характеристик и элементов водного баланса с 1910 по 2000 гг. с помощью модели колебаний УКМ, основанной на уравнении водного баланса. Максимальное отклонение расчетного уровня от фактического составляет 18 см. На основе знания суммарного речного стока, минерализации рек и объема вод для верхнего слоя моря рассчитана многолетняя динамика солености. Максимальное отклонение от наблюденных значений составляет 0.4%о.
Для периодов с относительно стабильным положением уровня рассчитан гидрологический режим Северного Каспия. Результаты моделирования сопоставлялись с данными из базы данных и литературными материалами. Максимальные отклонения расчетных значений солености составляют 4%о. Средняя ошибка для всех районов - 1-1.5%о. По результатам моделирования можно утверждать, что к 1977 г. с падением УКМ произошло увеличение значений солености и изменение схемы водообмена между восточной и западной частями Северного Каспия и уменьшился водообмен со Средним Каспием. Так же произошло перераспределение стока р. Волги по рукавам. К 1997 г. восстановилась схема водообмена между Средним и Северным Каспием и увеличился его объем на 30% по сравнению с серединой века.
