Статья: Взмучивание донных осадков в мелководной лагуне течениями и волнами по данным численного моделирования (на примере залива Сиваш, Азовское море) (2024)

Цель. Изучение на основе теоретических представлений и данных натурных наблюдений уровня моря, полученных с сентября 2022 г. по май 2023 г., длинноволновых процессов в бухтах г. Холмска и на прилегающем шельфе, в том числе взаимодействия бухт – цель настоящей работы.

Методы и результаты. Для выполнения наблюдений использованы три автономных измери-теля волнения АРВ-14 К, которые были установлены в бухтах Торгового порта и Холмск-Северный, а также на шельфе на незначительном удалении от бухт. Дискретность измерений одна секунда. На основе спектрального анализа с использованием программы Kyma исследованы временные ряды как включающие приливы, так и не учитывающие их. В диапазоне пе-риодов волн 1–30 ч обнаружены волновые процессы с периодами 1,6–6,7 ч неприливной при-роды, которые можно отнести к шельфовым сейшам, волнам Пуанкаре, а также к сейшам Татарского пролива. Спектральный анализ в диапазоне периодов 1–10 мин показал присутствие сейшевых колебаний с периодами 1,83–8,17 мин в бухте Торгового порта и 1,32–8,65 мин – в бухте Холмск-Северный.

Выводы. Установлено, что на протяжении всей серии натурных наблюдений в указанных бухтах имели место связанные колебания на периодах  8 мин, соответствующих моде Гельм-гольца бухты Холмск-Северный. Данные колебания возбуждаются в этой бухте и за счет связи передаются в бухту Торгового порта. Указанные колебания в различные моменты времени имели как синфазную, так и противофазную пространственную структуру. На периодах высоких собственных мод взаимодействие между бухтами не выявлено. Также на основе спектрального анализа рассматриваемых колебаний уровня выделены биения с периодом 4,82 ч (289,2 мин), возникающие в результате взаимодействия мод с близкими периодами, равными 8,17 и 8,65 мин. Указанные факты, а также соответствие расстояния между входами в бухты предложенному ранее критерию условия взаимодействия позволяют говорить о наличии связанных колебаний в двух смежных бухтах – Торгового порта и Холмск-Северный.

Цель. Оценена внутри- и межгодовая динамика концентрации биогенных элементов (соединений неорганического азота, фосфатов и кремнекислоты) в водах реки Черной.

Методы и результаты. Использованы данные ежеквартального мониторинга гидрохимических характеристик вод нижнего течения реки Черной и Чернореченского водохранилища, проводимого Морским гидрофизическим институтом РАН в 2015–2020 гг. С использованием полученных данных изучено распределение концентрации соединений неорганического азота, фосфатов и кремнекислоты в водах реки Черной в исследуемый период, его сезонное и межгодовое изменение. По сравнению с периодом с 2010 по 2014 г., в 2015–2020 гг. поступление аммонийного азота увеличилось в среднем в 2,7 раза. Среднемноголетний вынос неорганического азота с водами реки Черной составил 32,46 т/год в период с 2010 по 2014 г. и 27,8 т/год в 2015–2020 гг., фосфатов и кремнекислоты – 0,23 и 57,93 т/год в 2010–2014 гг., 0,18 и 62,21 т/год в 2015–2020 гг.

Выводы. Рост концентраций всех рассматриваемых биогенных элементов отмечался на станциях, расположенных вблизи сел в Байдарской долине и наиболее подверженных антропогенному воздействию, а также в районе водовыпуска агрофирмы «Севагросоюз», что может указывать на поступление минеральных удобрений в воды реки. Содержание неорганических форм биогенных элементов в водах реки Черной в современный период возросло по сравнению с периодом до 2014 г., что указывает на необходимость обсуждающегося на протяжении последнего десятилетия строительства системы канализования и очистки сточных вод предприятий и жилой застройки Байдарской долины.

Цель. Цель работы – изучить пространственно-временную изменчивость потока скрытого тепла, одной из важных составляющих теплового баланса, в северо-западной части Тихого океана и дальневосточных морях на основе данных реанализа ERA5.

Методы и результаты. Материалом для данной работы послужили данные реанализа ERA5 о потоке скрытого тепла в области, ограниченной координатами 42−60° с. ш. и 135–180° в. д., включающей дальневосточные моря и северо-западную часть Тихого океана. Массив среднемесячных значений с разрешением по пространству 1/4° проанализирован с применением стандартных статистических методов. Построены средние многолетние распределения значений потока скрытого тепла для каждого месяца, в каждой пространственной ячейке рассчитаны амплитуды и фазы годовой и полугодовой гармоник, коэффициенты линейного тренда, выполнено разложение по естественным ортогональным функциям. Размах сезонных вариаций значителен в зоне теплых течений, он резко уменьшается на севере изучаемой части Тихого океана, Охот-ского и Берингова морей. Межгодовые вариации выражены в квазициклических изменениях огибающей по максимальным значениям с периодом около 6 лет. Однонаправленные тенденции в межгодовых вариациях потока скрытого тепла выражены слабо.

Выводы. В сезонных вариациях потока скрытого тепла доминирует годовая цикличность, которая проявляется более всего на юге северо-западной части Тихого океана (область влияния теплого течения Куросио) у япономорского побережья о. Хонсю, в зоне Цусимского течения. Это обусловлено значительным возрастанием испарения в указанных районах в холодный период года, что связано с более резким температурным контрастом, а также влиянием зимнего муссона с сильными и устойчивыми ветрами северо-западного румба, несущими с континента сухой холодный воздух. В теплый период года на некоторых участках изучаемой акватории значения потока скрытого тепла положительны, что указывает на важную роль конденсации водяного пара в районах с высокой облачностью и в зонах квазистационарных апвеллингов.

Цель. Представлен сравнительный анализ потоков объема воды, тепла и соли, рассчитанных по данным инструментальных наблюдений на автономных буйковых станциях в проливе Фрама и по продуктам реанализов GLORYS2v4, ORAS5, GloSea5 и C-GLORSv7.

Методы и результаты. Данные автономных буйковых станций интерполировались в узлы ре-гулярной сетки с шагом 0,25 по долготе и 10 м по глубине с помощью ординарного кригинга. Расчет потоков выполнялся по единым алгоритмам для инструментальных данных и продуктов реанализа для временного интервала с 1997 по 2018 г. Получены временные серии тепломассопереноса в узлах регулярной сетки для разреза через пролив Фрама (8° з. д., 8° в. д.) по данным автономных буйковых станций и реанализов. Произведено сравнение и визуализация результатов.

Выводы. Показано, что ансамбль реанализов в целом на 25 % недооценивает переносы объема воды и тепла, рассчитанные по данным наблюдений. Наилучшее согласование продуктов реанализа с результатами расчетов по данным наблюдений получено для ядра Западно-Шпицбергенского течения с наиболее полным покрытием данными наблюдений. Выявлено, что ансамбль моделей наилучшим образом описывает изменчивость данных наблюдений. Уточнено, что реанализы FOAM и CGLO описывают большую часть временной изменчивости потоков, рассчитанных по данным автономных буйковых станций. Показано, что согласованность в зимний пе-риод (октябрь – март) выше, чем в летний (апрель – сентябрь). Это может быть связано как с недостатками реанализов (учет таяния льда), так и с тем, что автономные буйковые станции обычно меняются в летний период, что может приводить к дополнительным ошибкам при объединении временных серий.

Цель. Определить тенденции и региональные особенности межгодовых изменений солености и солесодержания в верхнем 1000-метровом слое внетропической зоны северо-восточной части Тихого океана и дать анализ их возможных причинно-следственных связей с крупномасштабными и региональными процессами в океане и атмосфере за два последних десятилетия современного периода глобального потепления.

Методы и результаты. Использовались данные климатических массивов NOAA, включающие систему усвоения океанографических наблюдений GODAS в узлах регулярной сетки, данные по количеству атмосферных осадков и ряды климатических индексов. Были взяты среднемесячные данные реанализа ERA5 по осадкам и испарению с подстилающей поверхности. Применялись методы кластерного, корреляционного, регрессионного анализа и аппарата эмпирических ортогональных функций. В результате исследований определены региональные пространственно-временные особенности изменений солености и солесодержания в толще вод верхних 1000 м исследуемого региона в условиях современной фазы потепления, сопровождающегося интенсификацией глобального гидрологического цикла. Дана оценка количественных характеристик отмеченных тенденций и их статистической значимости.

Выводы. Пространственное распределение трендов значений разности испарение-осадки (E-P) демонстрирует преобладающий характер испарения на большей части акватории, что отличается от глобальных тенденций гидрологического цикла в средних и высоких широтах Северного полушария, особенно за предшествующий период. В целом по региону наблюдался статистически значимый положительный тренд солесодержания в верхней 1000-метровой толще вод се-верного района, а в других районах и в среднем по акватории в этом слое наблюдались небольшие статистически не значимые отрицательные тренды. Корреляционные связи изменений среднегодовых значений солености и солесодержания с различными крупномасштабными, региональными процессами и климатическими переменными наиболее выражены через следующие параметры: климатические индексы NPGO, IPO, PDO, AD, первую моду ЭОФ колебаний значений PC1 разности испарение-осадки (E-P) и вторую моду ЭОФ аномалии геопотенциала изобарической поверхности AT500.

Цель. Целью данной работы является исследование плотности воды субкислородного слоя Черного моря двумя способами, оценка ошибок при расчете плотности стандартным способом по данным гидрофизического оборудования, сопоставление полученных результатов с другими характеристиками вод моря и анализ причин этих ошибок.

Методы и результаты. Исследование вод субкислородного слоя Черного моря провели в мае 2021 г. и октябре 2022 г. Плотность воды измеряли прецизионным лабораторным плотномером и рассчитывали по данным CTD-зонда с помощью уравнения состояния EOS-80. При отборе проб измерили значение мутности с помощью турбидиметра. В лаборатории определили кон-центрации главных ионов основного ионно-солевого состава исследуемых образцов способом потенциометрического титрования и оценили отличие основного ионно-солевого состава образ-цов от ионно-солевого состава стандартной морской воды IAPSO. Эта оценка показала, что со-держание SO42- и HCO3- в среднем было выше на 0,2 и 0,6 % соответственно, K+ и Ca2+ – вышена 0,2 %, а Сlˉ и Na+ – ниже в среднем на 0,4 и 0,3 % соответственно, чем в стандартной морской воде. Содержание Mg2+ в составе вод было близко к его содержанию в стандартной морской воде. Установили, что вертикальное распределение главных ионов в диапазоне условной плотности (σt) 15,9−16,2 кг/м3 не линейно, особенно в отношении хлоридов и сульфатов.

Выводы. В результате определения плотности вод субкислородного слоя Черного моря двумя способами и сравнения полученных значений, было установлено, что ошибки при расчете плот-ности по данным CTD-зонда составляют 0,05–0,2 кг/м3 и обусловлены вариациями ионно-соле-вого состава и присутствием большой концентрации взвеси. Градиент плотности при измерении ее плотномером приблизительно в два раза больше, чем по данным CTD-зонда.

Цель. Выведено конечно-разностное уравнение потенциальной завихренности трехмерной бароклинной жидкости с учетом диффузии и вязкости в квазистатическом приближении. Его слагаемые рассчитаны и проанализированы при численном моделировании циркуляции Черного моря для двух периодов – зимы и лета 2011 года.

Методы и результаты. Для системы дискретных уравнений динамики моря в приближении гидростатики и с учетом вязкости, диффузии, втока рек, водообмена через проливы и атмосферного воздействия получено конечно-разностное уравнение потенциальной завихренности стратифицированной несжимаемой жидкости. Показано, что основной вклад в потенциальную завихренность вносит ее вертикальная компонента. Горизонтальные составляющие преобладают в областях стока рек и водообмена через проливы. Вертикальная компонента потенциальной завихренности за исключением зон стока рек определяется величиной и структурой абсолютного вихря. В верхнем слое моря адвекция потенциальной завихренности вносит основной вклад в прибрежной области моря, в северо-западной части и вдоль Анатолийского побережья. На нижних горизонтах ее наибольшие значения наблюдаются в районе вдольбереговой полосы с более ярко выраженным характером у южного берега моря.

Выводы. Анализ уравнения потенциальной завихренности показал, что величина адвективных слагаемых определяется дивергенцией от произведения нелинейных слагаемых в уравнениях движения и градиента плотности. Главный вывод: локально сумма вертикальной и горизонтальной адвекции потенциальной завихренности на два порядка меньше, чем каждая по отдельности.