Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2021, T. 501, № 1, стр. 94-107

ВВЕДЕНИЕ

На акватории Азовского моря основными факторами гидродинамического воздействия выступают взаимосвязанные морские течения, штормовые нагоны, сейшевые колебания и поверхностное ветровое волнение, из которых наиболее изученными являются нагоны. В немалой степени этому способствовала достаточно развитая сеть специализированных прибрежных гидрологических постов, на которых проводились регулярные измерения уровня моря, а также заслуженное понимание нагонов как опасных гидрометеорологических явлений. Статистические и экстремальные характеристики нагонов достаточно хорошо изучены (например, [7, 9, 10, 12]) и выходят за рамки наших исследований. Нас интересуют только климатические поля параметров ветрового волнения и морских течений. По этой причине, нисколько не умаляя заслуг других исследователей [8, 13], выделим “Атлас волнения, течений и уровня Азовского моря”, вышедший в 2012 г. [1]. В атласе в наиболее полной форме приведены результаты численного моделирования полей ветрового волнения за период с 1979 по 2010 г., на основании которых получены климатические оценки параметров ветровых волн (высот, периодов, длин волн) на акватории Азовского моря. Здесь же рассчитаны осредненные по глубине поля морских течений, которые, к сожалению, трудно назвать режимными, поскольку получены по выбранным полям ветра соответствующих направлений и скорости. Таким образом, не претендуя на абсолютную информированность, заключаем об отсутствии к настоящему времени обоснованной климатической картины течений Азовского моря.

Исходя из сказанного, определим основные задачи настоящего исследования:

1. По инструментальным данным наблюдений за параметрами течений, уровня моря и поверхностного волнения верифицировать гидродинамическую и волновую модели Азовского моря.

2. Уточнить характеристики волнового климата Азовского моря. В дополнение к [1] наш анализ проведен за период с 1979 по 2020 г. с учетом реальной ледовой обстановки на акватории моря, что, на наш взгляд, существенным образом сказывается на оценках параметров волн в зимний (ледовый) период. Кроме этого, исследования проведены с разделением ветрового волнения на два компонента: чисто ветровое волнение и зыбь. Параметры зыби в Азовском море до сих пор не оценивались, возможно, в какой-то степени, исходя из интуитивных соображений о незначительности зыби в ограниченном, замкнутом и мелководном бассейне, каковым является Азовское море. Между тем в определенных обстоятельствах зыбь может играть существенную роль во вдольбереговом транспорте донных отложений и переформировании береговой линии [18].

3. Оценить линейные тренды в межгодовых колебаниях параметров ветрового волнения и зыби.

4. Рассчитать среднегодовые, а также климатические (за период с 1979 по 2020 г.) поля морских течений на акватории Азовского моря.

Основной метод исследований – математическое моделирование.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Верификация моделей

Верификация гидродинамической и спектральной волновой моделей проведена с привлечением данных прямых экспериментальных измерений, спутниковых снимков, а также материалов экспедиционных наблюдений. Качество результатов, полученных расчетным путем, а также некоторых исходных данных оценивалось по следующим параметрам: ледовое покрытие акватории, морские течения, высоты волн, уровни моря.

Возможный временный ледовый покров на части или всей акватории – важная особенность термического режима Азовского моря. В моделях ADCIRC и DHI лед аппроксимируется пространственными картами, указывающими на процент покрытия (долю льда). Эти данные выбираются из массива реанализа ERA5. Данные наблюдений о реальной ледовой обстановке в Азовском море сосредоточены в Единой государственной системе информации об обстановке в Мировом океане (ЕСИМО) (http://193.7.160.230/web/esimo/azov/ice/ ice_azov.php?date=27.01.2009). На рис. 1 в качестве примера приведены карты ледового покрытия, используемые в моделях, и данные, предоставляемые ЕСИМО.

Рис. 1.

Ледовая обстановка в Азовском море по данным реанализа ERA5 (a, б, в) и материалам ЕСИМО (г, д, е) за выбранные сроки наблюдений.

Как следует из рис. 1, данные глобального реанализа, в целом, соответствуют данным ЕСИМО. Достаточно корректно отражены участки открытой воды и сплошного ледового покрова. Кроме этого, рис. 1 наглядно демонстрирует важность учета ледового покрытия. В отдельные годы ледовые поля могут образовываться не только зимой, но также и в осенне-весенние месяцы. Наличие ледового покрова существенным образом редуцирует как течения, так и поверхностное волнение. Естественно, данные ERA5 не лишены условностей и неизбежных ошибок, но полагаем, что они обладают несомненным преимуществом, поскольку покрывают весь интересующий нас климатический интервал времени.

Необходимое замечание. Материалы, которые мы используем для верификации гидродинамической и волновой моделей, либо опубликованы в открытой печати, либо находятся в свободном доступе, другими словами, их использование не ограничено рамками неких договорных или коммерческих интересов и доступны для чисто научных изысканий.

Пространственные распределения скоростей течений получены в работе [4]. Карты построены на основании инструментальных наблюдений за параметрами течений на 34 станциях, равномерно (как сказано в тексте) расположенных на акватории моря. На рис. 2 продемонстрированы модельные (а, в) и наблюденные (б, г) распределения скоростей течений на акватории моря в апреле и августе 2006 г.

Рис. 2.

Модельные (а, в) и экспериментальные (б, г) поля скоростей течений на акватории Азовского моря в апреле и августе 2006 г.

На рис. 2 продемонстрировано качественное и, в общем, количественное соответствие модельных и экспериментальных данных. В апреле 2006 г. максимум скоростей наблюдался в проливе, соединяющем основную акваторию моря и Таганрогский залив. В августе 2006 г. максимальные скорости зарегистрированы в центральной и восточной частях моря, а также в районе Керченского пролива. При этом необходимо отдать должное авторам статьи [4], неплохо справившихся с задачей интерполяции данных в условиях крайне грубой сетки наблюдений.

Наиболее качественным методом исследования параметров поверхностного волнения являются прямые инструментальные наблюдения с помощью специализированных устройств. К сожалению, для Азовского моря нашлась только единственная запись, выполненная на донной станции ADCP (акустический допплеровский измеритель течений) в октябре 2004 г., ссылка на которую находится в работе [11]. Станция располагалась практически в центре моря на глубине порядка 12 м. Заметим, что данные визуальных или полуинструментальных наблюдений, проводившихся в разное время на береговых ГМС, не могут рассматриваться как, скажем так, эталонные. Альтернативой контактным измерениям являются спутниковые наблюдения (альтиметрические данные). Результатом обработки спутниковой информации является профиль значительной высоты волн вдоль траектории движения спутника. Мы располагаем сведениями о высоте значительных волн по Азовскому морю, сформированными в виде архива данных лаборатории морских прогнозов Морского гидрофизического института РАН. Архив создан на основе закачки данных с WEB-портала Европейской системы центров морских прогнозов Copernicus (http://marine.copernicus.eu/documents/PUM/CMEMS-WAV-PUM-014-001-002-003.pdf). Данные из архива передаются пользователю в виде файлов формата *.csv. Для дальнейшего использования отобраны десять треков, покрывающих всю акваторию моря.

Материалы наблюдений за уровнем моря взяты из работ [9, 10, 12]. Используются срочные, периодичностью 4 или 6 раз в сутки, измерения уровня, проведенные на береговых ГМС в 2007, 2015 и 2017 г.

На рис. 3 указаны положения береговых ГМС, станции ADCP, а также спутниковых треков, данные с которых используются при верификации гидродинамической и волновой моделей.

Рис. 3.

Положение гидрологических постов, станции ADCP, а также спутниковых треков I – 15.04.2020, II – 27.10.2020, III – 08.10.2020, IV – 13.09.2019, V – 26.07.2020, VI – 29.10.2020, VII – 17.04.2020, VIII – 15.04.2020, IX – 27.04.2020, X – 31.07.2019.

На рис. 4 приведено сравнение экспериментальных данных, полученных со станции ADCP и спутниковых снимков, и результатов расчетов по спектральной волновой модели. Расстояния, указанные на осях абсцисс – это длина каждого спутникового трека.

Рис. 4.

Модельные и экспериментальные (ADCP и спутниковые данные) значительные высоты волн. Римские цифры – номера треков.

Как следует из рис. 4, наилучшее соответствие модельных результатов экспериментальным наблюдается на глубокой (относительно, естественно) воде в центральной части моря. Для условий мелководья это соответствие несколько хуже, что, собственно, вполне ожидаемо, поскольку сама по себе трактовка спутниковых снимков далеко не однозначна. Высоты волн, оцененные разными методиками интерпретации одних и тех же спутниковых данных, могут сильно различаться.

Сравнение наблюденных и полученных численным путем уровней моря приведено на рис. 5 (ноябрь 2007 г., октябрь 2015 г.) и 6 (апрель, июль, октябрь 2017 г.)

Рис. 5.

Модельные уровни моря и данные наблюдений по береговым ГМС за ноябрь 2007 г. и октябрь 2015 г.

Данные рис. 5, 6 показывают достаточно хорошее соответствие измеренных уровней моря и рассчитанных по модели ADCIRC. К примеру, в середине октября 2015 г. установившиеся над всей акваторией моря ветра северо-восточных направлений вызвали значительный сгон в прибрежных районах северо-восточной части моря (рис. 5, пункты Ейск, Таганрог, Мариуполь) и синхронный нагон на юго-западном побережье (Геническ, Мысовое). Эти явления корректно описаны используемой численной моделью.

Рис. 6.

Модельные уровни моря и данные наблюдений по береговым ГМС за апрель, июль и октябрь 2017 г.

Крайне наглядной графической иллюстрацией результатов верификации гидродинамической и спектральной моделей является так называемая диаграмма Тейлора [20], представленная на рис. 7. Диаграмма предоставляет сведения о качестве моделей в терминах “коэффициент корреляции” и “стандартное отклонение”. Круговая ось графика (коэффициент корреляции) представлена в логарифмическом масштабе. Также для удобства сравнения используются нормализованные стандартные отклонения. Характеристики всех экспериментальных наблюдений расположены в одной точке, что позволяет визуально оценить качество моделей применительно ко всем рядам наблюдения независимо от их происхождения.

Рис. 7.

Диаграмма Тэйлора, оценивающая качество применяемых моделей. Высоты волн: 1 – ADCP; римские цифры – спутниковые треки. Уровни моря: 2, 3, 4, 5 – ноябрь 2007 г. (Бердянск, Геническ, Мариуполь, Мысовое); 6, 7, 8, 9, 10 – октябрь 2015 г. (Ейск, Геническ, Мариуполь, Мысовое, Таганрог); 11, 12, 13 – апрель 2017 г., 14, 15, 16 – июль 2017 г., 17, 18, 19 – октябрь 2017 г. (Ейск, Приморско-Ахтарск, Темрюк).

Как следует из рис. 7, результаты расчетов по спектральной волновой модели DHI хорошо согласуются с данными спутниковых наблюдений, особенно для широтных треков (с юга на север). К примеру, для треков III и IV коэффициент корреляции между экспериментальными и расчетными данными составляет порядка 0.98 при крайне незначительных отличиях в стандартных отклонениях. Несколько хуже дела обстоят для восточной части моря (треки IX и X), но здесь необходимо иметь в виду, что корректность расшифровки спутниковых снимков напрямую зависит от состояния атмосферы (облачного покрова) и водной поверхности (примеси, планктон и пр.) Высокие коэффициенты корреляции между результатами расчетов по гидродинамической модели и данными измерений уровня, а также нормализованные стандартные отклонения, близкие в единице, свидетельствуют о том, что модель ADCIRC правильно воспроизводит физические механизмы, определяющие динамику вод Азовского моря.

Таким образом, можем с уверенностью заключить, что волновая и гидродинамическая модели являют собой надежный инструмент исследований режима течений и поверхностного волнения Азовского моря.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

В результате проведенных расчетов за период с 1979 по 2020 г. и с дискретностью в 1 ч для акватории Азовского моря получены пространственные поля скоростей и направлений морских течений, а также основных параметров ветровых волн и зыби. Это предоставляет возможность оценки среднегодовых и климатических значений гидродинамических характеристик.

Основные черты структуры осредненных по глубине стационарных течений при заданных ветровых параметрах, а именно при скоростях ветра в 5, 10, 15 м/с восьми направлений (С, СВ, …СЗ), действующих над всей акваторией моря, приведены в монографии [1]. Ввиду важности воспользуемся этими данными и несколько обобщим их (рис. 8).

Рис. 8.

Обобщенные схемы течений Азовского моря, возникающих под воздействием постоянных ветров заданных направлений [1].

На рис. 8 антициклонические образования отмечены красным цветом, циклонические – синим. Как следует из рис. 8, в Азовском море при воздействии ветров юго-западных, западных и юго-восточных направлений в западной части моря формируются антициклоны, в восточной – циклоны. Ветра́ северо-восточных и северных румбов формируют обратную картину: антициклоны – в восточной и циклоны – в западной частях моря. При устойчивых постоянных ветрах западных направлений северная часть моря охвачена антициклоническим движение вод, южная – циклоническим; обратная ситуация – при ветрах восточных направлений.

В естественных условиях ветровая циркуляция определяется сочетанием многих факторов: силой и направлением ветра, повторяемостью ветров, чередованием тех или иных атмосферных условий, наличием ледового покрова (в нашем случае). Указанные факторы сами по себе обладают сезонной и межгодовой изменчивостью, в результате чего среднегодовые карты течений, рассчитанные для конкретных годов, могут довольно существенно различаться. На рис. 9 приведены рассчитанные осредненные за некоторые годы карты течений на акватории Азовского моря.

Рис. 9.

Среднегодовые течения Азовского моря.

Рисунок 9 наглядно демонстрирует межгодовые различия в структуре течений Азовского моря. В 1986 и 1992 г. центральная часть моря находилась вод воздействием циклонических течений, в то время какая западная и восточная части – антициклонических. В 1990 г. практически все море было охвачено антициклонами. В 2019 г. в среднегодовом выражении над все акваторией моря доминировал циклон.

Осреднение результатов за весь расчетный срок (1979–2020 гг.) дает климатическую картину морских течений в Азовском море (рис. 10).

Рис. 10.

Климатические течения Азовского моря. (а) – направления течений, (б) – скорости течений.

Исходя из рис. 10, выделим основные черты климатической циркуляции вод в Азовском море:

• центральную и восточную части моря занимает обширное циклоническое образование;

• в западной части моря генеральное движение вод осуществляется в антициклоническом направлении;

• по периферии моря располагаются локальные вихревые образования разного знака;

• средняя скорость течений составляет 0.05–0.07 м/с;

• максимальные средние скорости, превышающие 0.1 м/с, наблюдаются в проливе, соединяющем основной бассейн с Таганрогским заливом, и на севере моря в районе Бердянска.

В контексте проведенных исследований небезынтересно упомянуть результаты изысканий, изложенных в работе [5]. Позволим себе обширную цитату: “Исследования Азово-Черноморской Экспедиции заставляют признать существование в Азовском море собственно совершенно определенного кругового течения вдоль берегов в направлении против часовой стрелки, которое окружает центральные более глубокие части моря”. Таким образом, выводы Н.М. Книповича, базирующиеся, преимущественно, на косвенных признаках, подтверждаются современными средствами исследований.

Климатические особенности распределений, осредненных за период с 1979 по 2020 г. значительных высот ветровых волн и зыби, приведены на рис. 11. Здесь же (рис. 11в, 11г) отображены распределения по акватории моря средних мощностей ветровых волн и зыби.

Рис. 11.

Средние значения значительных высот и мощностей ветровых волн (a, в) и зыби (б, г) за период с 1979 по 2020 г.

Мощность нерегулярного поверхностного волнения оценивается выражением [15]:

где h_s – значительная высота волн, t_e – так называемый энергетический период волн, ρ – плотность воды, g – ускорение свободного падения. Энергетический период определяется как период монохроматической волны с мощностью, эквивалентной мощности данного нерегулярного волнения и принимается равным 0.9t_p (t_p – период пика спектра). Поскольку значительная высота волн h_s представлена в метрах, период пика спектра t_p – в секундах, то мощность волнения будет выражаться в киловаттах на метр волнового фронта (кВт/м). Мощность – весьма показательная характеристика волнения, поскольку является функцией одновременно двух основных интегральных параметров волнения (высоты и периода) и характеризует энергетическую ценность штормов.

Рисунок 11 демонстрирует, в общем, ожидаемые климатические распределения значительных высот волн и мощностей по акватории Азовского моря. Максимальное волнение развивается в центральной, относительно глубоководной, части моря. В этом регионе средние значения значительных высот ветровых волн составляют 0.70–0.75 м, волн зыби – в два раза меньше и не превышают 0.30 м. Ветровое волнение также превосходит зыбь по своей мощности. Тем не менее существуют пространственные особенности в степени доминирования ветрового волнения над зыбью на акватории моря. На рис. 12 приведены отношения средних климатических значительных высот (а) и мощностей (б) ветрового волнения к аналогичным характеристикам зыби.

Рис. 12.

Отношения средних значений значительных высот (а) и мощностей (б) ветровых волн и зыби.

Как следует из рис. 12, ветровое волнение преобладает над зыбью по высотам волн – в 2–2.5 раза, по мощности – в 5–10 раз. При этом обнаруживается интересная особенность: в восточной части моря, а также на севере в районе Бердянска и Мариуполя, доминирование ветровых волн не так заметно, как в заливах, со слабо развитой зыбью, или центральной части моря – всего в полтора раза высоты ветровых волн превышают высоты зыби. На юго-востоке, в районе Темрюка, ветровые волны и зыбь в климатическом смысле практически сравнимы по высоте.

Поскольку мы рассматриваем климатические характеристики волнения, зададимся вопросом, существуют ли некие тенденции в межгодовых колебаниях высот и мощностей волн? Анализ возможных трендовых составляющих выполнен по методике, подробно изложенной в работе [14]. Данная процедура реализует непараметрический тест Манна–Кендалла, не требующий, что важно, знания закона распределения исходных величин.

Метод использует три основные статистические оценки:

• статистику Манна–Кендалла (S), являющую собой сумму разностей между последовательными величинами;

• доверительный уровень (CF);

• коэффициент вариации (COV).

Сочетание S, CF и COV позволяет выявить трендовые составляющие в исходных данных, а также оценить статистическую значимость и знак тенденций. Интерпретация результатов представляет собой вероятностную оценку положительного (отрицательного) тренда в колебаниях исследуемого параметра:

• увеличение – S > 0 и CF > 95%;

• вероятное увеличение – S > 0 и 90%< CF < < 95%;

• отсутствие тренда – (S > 0 и CF < 90%) или (S ≤ 0 и CF < 90% и COV ≥ 1);

• устойчивое состояние – S ≤ 0 и CF < 90% и COV < 1;

• вероятное уменьшение – S < 0 и 90% < CF < < 95%;

• уменьшение – S < 0 и CF > 95%.

Необходимое замечание. Термины “Отсутствие тренда” и “Устойчивое состояние” являются авторским из работы [14]. Очевидно, что выработка единых критериев оценок требует принятия неких фиксированных значений параметров S и CF. Но зачастую исследуемый параметр очень близок к своему граничному значению; при этом общий анализ, в том числе визуальный, в подобных неоднозначных случаях дает возможность уловить общую тенденцию. Таким образом, оценку “Отсутствие тренда” будем относить к категории “Слабый положительный тренд”, “Устойчивое состояние” – “Слабый отрицательный тренд”.

Для сглаживания эффекта возможных случайных ошибок исходные данные предварительно усреднялись по пространственным координатам; при этом формировалась прямоугольная сетка со сторонами приблизительно в 15 км.

Результаты анализа возможных трендов в колебаниях среднегодовых значительных высот и мощностей ветровых волн и зыби приведены на рис. 13. Данные рис. 13 показывают, что за последние 42 года, возможно, несколько уменьшились высоты ветровых волн и зыби в центральной части моря и возросли в западной. С определенной уверенностью можно утверждать об уменьшении высот волн зыби в Таганрогском заливе. Вероятнее всего, это связано с наблюдаемым за последние десятилетия увеличением повторяемости ветров восточных направлений в Азово-Черноморском бассейне [2]. Для мощностей ветрового волнения и зыби (рис. 13в, 13г) указанные тенденции более очевидны, уменьшение мощности компонентов поверхностного волнения в восточной части Азовского моря можно признать статистически достоверным.

Рис. 13.

Оценка линейных трендов в межгодовых колебаниях среднегодовых значений значительных высот и мощностей ветровых волн (a, в) и зыби (б, г) за период с 1979 по 2020 г.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основная цель представленной работы – получение и анализ климатических полей течений на акватории Азовского моря, а также значительных высот волн и мощностей компонентов поверхностного волнения (чисто ветрового и зыби). Исследования проведены методами математического моделирования с использованием современных гидродинамической и спектральной волновой моделей. Важной особенностью подхода является учет ледового покрова, существенным образом влияющего на морские течения и ветровое волнение.

Обобщим основные полученные результаты:

1. За период с 1979 по 2020 г. и с дискретностью в 1 ч для акватории Азовского моря получены пространственные поля скоростей и направлений морских течений, а также основных параметров ветровых волн и зыби.

2. В структуре климатических течений центральную и восточную части моря занимает обширное циклоническое образование, в западной части моря генеральное движение вод осуществляется в антициклоническом направлении.

3. Средняя скорость морских течений составляет 0.05–0.07 м/с. Максимальные средние скорости, превышающие 0.1 м/с, наблюдаются в проливе, соединяющем основной бассейн с Таганрогским заливом, и на севере моря в районе Бердянска.

4. Максимальное поверхностное волнение развивается в центральной, относительно глубоководной, части моря. В этом регионе средние значения значительных высот ветровых волн составляют 0.70–0.75 м, волн зыби – в два раза меньше и не превышают 0.30 м.

5. Ветровое волнение преобладает над зыбью по высотам волн – в 2–2.5 раза, по мощности – в 5–10 раз. При этом на юго-востоке моря в районе Темрюка ветровые волны и зыбь в климатическом смысле практически сравнимы по высоте.

6. За последние четыре десятилетия несколько уменьшились высоты ветровых волн и зыби в центральной части моря и возросли в западной, что связано, скорее всего, с наблюдаемым за последние десятилетия увеличением повторяемости ветров восточных направлений в Азово-Черноморском бассейне. Для мощностей ветрового волнения и зыби указанные тенденции более очевидны, при этом уменьшение мощности компонентов поверхностного волнения в восточной части Азовского моря статистически достоверно.