Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2022, T. 502, № 2, стр. 107-114

Динамика и термохалинная структура вод контактных зон Азовского моря

Академик РАН Г. Г. Матишов 12, К. С. Григоренко 1*

1 Южный научный центр Российской академии наук
Ростов-на-Дону, Россия

2 Мурманский морской биологический институт Кольского научного центра Российской академии наук
Мурманск, Россия

* E-mail: Klim_grig@mail.ru

Поступила в редакцию 20.10.2021
После доработки 27.10.2021
Принята к публикации 28.10.2021

Полный текст (PDF)

Аннотация

Представлены результаты инструментальных измерений термохалинной структуры и течений в районах смешения пресных речных вод (Таганрогский и Темрюкский заливы) и черноморских вод (Керченский пролив) с водами Азовского моря за период 2018–2021 гг. На основе данных о водообмене построена предварительная классификация течений Таганрогского залива и Керченского пролива. Наибольшие скорости течений в Керченском проливе отмечены при северном и южном ветрах. При западном и восточном ветрах формируется мозаичная гидродинамическая картина. В Таганрогском заливе существует сложная система собственных колебаний водного бассейна, которая раскачивается восточными и западными ветрами и подпитывается донским стоком. Течения Азовского моря имеют более сложную структуру нежели считалось ранее. Повсеместно, помимо дрейфовой, существует и градиентная (сейшевая) составляющая, за счет которой наблюдаемые течения часто оказываются направлены против ветра, циклически меняют направление и скорость на противоположные.

Ключевые слова: Азовское море, маловодье Дона, сгонно-нагонные явления, сейши, морские течения

Проблема классификации течений в Азовском море актуальна, несмотря на десятилетия исследований. Контактных данных немного, и они достаточно фрагментарны [13]. Множество оценок получено по результатам математического моделирования [47], однако расчеты часто противоречат наблюдениям [8, 9]. Соленость Азовского моря изменяется под влиянием пресного речного стока и вод, поступающих из Черного моря. Испарение, атмосферные осадки и приток подземных вод не оказывают решающего воздействия на соленость, в то время как речной сток испытывает межгодовые и сезонные климатообусловленные колебания водности [10]. Проблема периодических изменений солености неоднократно рассматривалась ранее [11, 12]. В 2020 г. падение стока Дона привело к осолонению Азовского моря несравнимо больших масштабов, нежели в 70-е годы ХХ в. Ослабевшее стоковое течение Дона оказалось компенсировано за счет усиления черноморской адвекции. Изменения термохалинной структуры наиболее заметны в устьевой области Дона, а также в Керченском проливе. Влияние Кубани заметно в широком Темрюкском заливе только в узкой вдольбереговой полосе. Изучение механизма осолонения на основе новых данных является общей целью работы.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Для исследования использованы материалы экспедиций НИС “Денеб” 15.11–02.12.2018, 30.11–25.12.2020 и 15–29.04.2021. Вертикальные разрезы солености построены по данным CTD-измерений океанографическими зондами SBE-19 и CTD-90m. Параметры течений Таганрогского залива и Керченского пролива измерены доплеровским измерителем течений Aanderaa RCM 9LW, который последовательно подвешивался на нескольких горизонтах измерений каждой станции. Метеорологические характеристики в морских условиях получены с помощью судовой метеостанции нис “Денеб” Vaisala.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕДИЦИОННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Частые сгоны в устьевой области Дона позволяют предположить, что в наиболее глубоких частях залива должно существовать компенсационное течение, стремящееся выровнять водную поверхность. В восточной части Таганрогского залива, в 10 км к западу от Таганрога и Чумбур-косы в ноябре 2018 г., декабре 2020 г. и апреле 2021 г. проведены съемки параметров переноса вод на запад и на восток (рис. 1). Условия измерений осенне-зимних съемок в 2018 и 2020 г. достаточно сильно отличались, при этом оба раза зафиксирован значительный зональный перенос вод. В 2018 г., 18–19 ноября, наблюдался слабый (2 м/с) восточный ветер и “откат” масс воды в Таганрогском заливе после “сильной верховки” из моря к реке. 4 декабря 2020 г. измерения проводились в активную фазу интенсивного ветрового сгона при восточном ветре 10 м/с. Это привело к падению уровня воды на метр и сокращению площади сечения разреза. Крайние северная и южная станции выполнялись немного ближе к соседним относительно сетки 2018 г.

Рис. 1.

Разрез течений в восточной части Таганрогского залива 18–19.11.2018 и 04.12.2020.

В 2020 г. инструментально измерено компенсационное (восточное) течение Таганрогского залива в условиях сильного сгона (верховки), заполняющее наиболее глубокую часть залива – затопленное русло Палеодона, с максимальной скоростью 13.3 см/с.

Ядро сгонного (западного) течения располагалось ближе к южному берегу, было направлено на северо-запад, вдоль подводной оконечности Чумбурской косы. Максимальная скорость его восточной компоненты составила 19.2 см/с. Общее направление течений соответствует батиметрии залива. В придонном слое течение направлено вдоль изгибов долины. В приповерхностном – сгонное течение “растекается” по более широким и приглубым берегам Таганрогского залива, вдоль подводных кос (Чумбурская банка на южном берегу, Петрушино – на северном).

Во время весенней съемки в апреле 2021 г. расходы воды в Дону в ст. Раздорской достигали 350–400 м3/с. Измерения проводились в условиях слабого (до 5 м/с) западного (нагонного) ветра (рис. 2) и при практически полном отсутствии половодья. Уровень воды в дельте за период измерений поднялся на 0.5 м. В наиболее глубокой части разреза обнаружена струя, направленная на северо-восток с максимальной скоростью 21 см/с. Поток заполнил весь объем от поверхности до дна. С севера и юга от центральной струи обнаружены противотечения.

Рис. 2.

Разрез течений и солености в восточной части Таганрогского залива 17.04.2021.

В районе Чумбурской банки, у южной границы разреза зафиксирована стратификация восточной компоненты течений, приповерхностный слой движется на восток, придонный – на запад, в сторону моря. Оба потока при этом имели южную составляющую.

Вклад Кубанского половодья в распреснение и динамику вод Азовского моря весной 2021 г. оказался особенно заметным. Приток в Краснодарское водохранилище 19 апреля 2021 г. составил 837 м3/с, а сброс – 750 м3/с [13]. Визуально воды Кубани оказались различимы на расстоянии 10–15 км от берега. Они отличались по цвету, прозрачности и большому количеству вынесенного мусора. Распреснение поверхностного слоя Темрюкского залива заметно на расстоянии 25 км от берега, где зафиксированы воды с соленостью менее 15 е.п.с. На поверхности наиболее близких к берегу станций соленость понизилась до 8 е.п.с. Слой скачка солености располагался на глубине около 2 м. Придонный слой имел соленость 15–15.5 е.п.с.

Течения имели беспорядочную структуру. Кубанские воды распространяются в циклоническом направлении со скоростью до 25 см/с в верхнем двухметровом слое на крайней береговой станции. На пятикилометровом удалении от берега обнаружена струя антициклонического направления с максимумом до 5 см/с. Еще через 5 км расположены потоки, движущиеся против и по часовой стрелке вдоль берега, с переносом в обоих до 8 см/с. На мористых станциях, расстоянии 15 км и далее от берега, наблюдалось движение воды преимущественно циклонического направления со средними скоростями 4–6 см/с и максимумом у поверхности – 14 см/с (рис. 3).

Рис. 3.

Разрез течений и солености в Темрюкском заливе Азовского моря 19.04.2021. Скорости течений нормализованы относительно плоскости разреза А–Б.

В северной части Керченского пролива (рис. 4) при восточном ветре формируется интенсивное вдольбереговое западное течение. Инструментально зарегистрирован перенос непосредственно черноморских вод (с соленостью более 17 е.п.с.) с максимальными скоростями более 10 см/с, и отклонением на запад. У Крымского берега западное ветровое течение складывается с придонным. Результирующий перенос, от поверхности до дна, направлен на северо-запад. Ядро течения (до 27 см/с) расположено на глубине 7–8 м. Центр переноса на юг находится в придонном горизонте, в пяти километрах от западной границы разреза. Наиболее интенсивное течение на запад (более 36 см/с) расположено на глубине 4 м, в 3 км от восточной границы разреза.

Рис. 4.

Течения в северной части Керченского пролива 12.12.2020.

Съемка северной части Керченского пролива в апреле 2021 г. проходила в условиях усиления юго-юго-западного ветра. Схема течений и солености (рис. 5) с восточной стороны соответствует практически штилевой погоде (менее 2 м/с). Окончание работ на западной стороне сопровождалось семибалльным ветром (14 м/с). Зафиксированная схема течений, таким образом, имеет слабо показательную пространственную структуру, но ярко выраженную временную.

Рис. 5.

Течения в северной части Керченского пролива 20.04.2021.

В начальный период отмечены слабые движения (2–4 см/с) и перемена направлений во всей толще – с севера на юг, с востока на запад. Хорошо заметна стратификация солености – распреснение водами кубанского половодья на поверхности (12.4 е.п.с.) и заполнение понижений дна водами с соленостью 15.6 е.п.с. В центральной части разреза ветер усилился до 7–9 м/с, водная толща устремилась в северо-западном направлении со скоростью до 19 см/с. Течение заметно ослабевало с глубиной. Глубже 5 м скорости достигали 2–4 см/с на север и 0–2 см/с на запад. Сильный юго-юго-западный ветер (12–14 м/с) у берегов Крыма усилил течение до 42 см/с на запад-северо-запад.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

В табл. 1 собраны все оценки переноса вод в Керченском проливе и Таганрогском заливе, полученные при измерениях НИС “Денеб” в 2018–2021 гг. Северный ветер средней силы приводит к пятикратному превышению переноса из Азовского моря (3988 м3/с) над переносом из Черного моря (729 м3/с). Расходы северного течения вдвое больше, чем среднегодовые расходы Волги [14] во время сильного южного ветра. Расход воды в южном направлении при этом минимальный – 70 м3/с, в 240 раз меньше, чем с юга на север. При восточном ветре поток с севера на юг более чем вдвое превышает поток с юга на север (4874 и 1874 м3/с соответственно, 519 м3/с для непосредственно черноморских вод).

Таблица 1.

Перенос вод через Керченский пролив и Таганрогский залив при разных метеоусловиях

Северная часть Керченского пролива
Дата измерений Перенос вод, м3 Направление и скорость ветра
На север (в Азовское море) На юг (в Черное море)
25–26.11.2018 [8] 1920 150 Юго-юго-западный, 3 м/с
15.04.2019 [8] 17 100 70 Юго-юго-западный, 12 м/с
24.07.2019 [9] 729 3988 Северный, 7 м/с
12.12.2020 1874 4874 Восточный, 8 м/с
(519 для вод с соленостью более 17 е.п.с.)
20.04.2021 11853 48 Юго-юго-западный 0–14 м/с
Восточная часть Таганрогского залива
  На восток (к Дону) На запад (в Азовское море)  
18–19.11.2018 1250 37 Восточный, 2 м/с
04.12.2020 380 1590 Восточный, 10 м/с
17.04.2021 2218 1742 Западный, 5 м/с

В целом проведенные измерения позволяют сказать, что при современном низком пресном речном стоке в Азовское море, практически при любых направлениях ветра, происходит адвекция (накачка) черноморских вод.

Кубань распресняет поверхностный слой Темрюкского залива Азовского моря. С изменением стока меняется масштаб зоны распреснения, при этом систематических отличий по сравнению с предыдущими измерениями не обнаружено [9].

В зависимости от межгодовой цикличности речного стока и преобладающего ветрового режима, в зонах контакта Азовского моря с Доном и Черным морем, выделяются несколько типов стратификации течений.

В период осенне-зимней межени в Таганрогском заливе, в условиях ветрового сгона, установлено наличие сгонного и компенсационного течений. Весной, при отсутствии половодья, во время ветрового нагона, выделены нагонное и стоковое течения.

Во время выраженного половодья сгонное течение совпадает по направлению и усиливается стоковым. Наложение нагонного и стокового течений, в период половодья или больших попусков Цимлянского гидроузла, может приводить к опасному повышению уровня воды и затоплению всей устьевой области Дона [15].

Встречные течения Таганрогского залива имеют большую изменчивость. Два измерения проведены в позднеосенний-зимний период, при минимальных расходах Дона (300–400 м3/с) в условиях восточного ветра. В момент ослабевания сгонного ветра возвратное течение более чем в 30 раз превысило стоковое. В момент максимального развития “сильной верховки” на поверхности Таганрогского залива преобладало сгонное западное течение. Понижение дна, даже в условиях общей глубины разреза 2–3 м, наполняло компенсационное восточное течение. Расходы в нем оказались в четыре раза меньше, чем в сгонном. Сток Дона в это время (240–300 м3/с) был ниже, чем расходы компенсационного восточного течения Таганрогского залива. Весной 2021 г. перенос нагонного течения на 20% превысил расходы стоковой составляющей. Ни в одном случае измерений течение с более высокой соленостью (более 9 е.п.с.) не было направлено из моря к реке.

Объяснение этому явлению предлагается в работах [4, 16, 17], где рассматриваются свободные (сейшевые) колебания уровня Азовского моря после прекращения ветрового воздействия. В частности, по результатам моделирования показано, что спустя 9–12 ч после ослабевания сильного восточного ветра энергия одноузловой сейши рассеивается, и в Таганрогском заливе формируется собственная амфидромическая система. Пролив между отмелыми (менее 2 м) оконечностями кос Долгая и Белосарайская достигает ширины всего 20–25 км, тогда как западная часть Таганрогского залива имеет ширину около 60 км. Такая узость способствует дополнительной изоляции циклонической сейшевой системы, ухудшению водообмена, циркуляции речных и морских вод в пределах залива при непрерывных сгонно-нагонных явлениях.

Прямые измерения течений в ноябре 2018 г. подтверждают важную роль сейш в схеме течений Азовского моря (рис. 6). Первые два дня измерений течение было направлено против восточного ветра, 19 ноября поток развернулся по ветру. 20–22 ноября зарегистрированы разнонаправленные течения амфидромической системы западной части Таганрогского залива. Источником перепада уровня стал сильный восточный ветер 14–16 ноября, а спустя 4–5 сут после его ослабевания сформировалась система волновых течений, меняющих направление уже независимо от преобладающего ветра.

Рис. 6.

Суточный характер изменений направления течений в Таганрогском заливе Азовского моря.

В Азовском море существует сложная суперпозиция собственных колебаний водного бассейна, которая раскачивается восточными и западными ветрами и подпитывается донским стоком. Полноводный Дон существенно усиливает стоковое течение и может приводить к дополнительному наклону уровенной поверхности моря [18]. В современных маловодных условиях перепады уровня имеют преимущественно ветровую природу. После прекращения ветровой подпитки баланс энергии одноузловой структуры понижается по каскаду масштабов, колебания уровня многоузловых сейш становятся менее значительными, но волновые течения часто остаются направлены против наблюдающегося ветра.

ВЫВОДЫ

Наблюдения позволяют представить систему течений Азовского моря не как дрейфовую, а как дрейфово-градиентную (сейшевую). Именно сейшевые движения строго направлены против часовой стрелки, способствуют переносу донных отложений и формированию кос, независимо от направления вынуждающего ветра.

Наибольшие скорости течений в Керченском проливе отмечены при северном и южном ветрах. При западном и восточном ветрах формируется мозаичная гидродинамическая картина. В частности, 12 декабря 2020 г. преобладал перенос на юго-запад, на север двигались воды у Крымского берега, а соленые затоки из Черного моря проникали по понижениям дна Прикерченского взморья (рис. 5).

Список литературы

  1. Книпович Н.М. Гидрологические исследования в Азовском море. Москва: “Шестой Октябрь”. 1932. 496 с.

  2. Лемешко Е.М., Морозов А.Н., Федоров С.В. Исследования течений в Керченском проливе по данным акустического доплеровского профилометра течений (ADCP) / Экология. Экономика. Информатика. Азовское море, Керченский пролив и предпроливные зоны в Черном море: проблемы управления прибрежными территориями для обеспечения экологической безопасности и рационального природопользования. Сб. мат. III Всерос. конф. Ростов-на-Дону. Изд-во Южного федерального университета. 2016. С. 213–228.

  3. Завьялов И.Б., Осадчиев А.А., Завьялов П.О., Кременецкий В.В., Гончаренко И.В. Исследование водообмена в Керченском проливе по историческим данным и данным контактных измерений 2019 г. // Океанология. 2021. Т. 61. № 3. С. 377–386.

  4. Волны, течения, сгонно-нагонные процессы и трансформация загрязнений в Азовском море. Л.В. Черкесов, Т.Я. Шульга (ред.). Севастополь: ФГБУН МГИ. 2017. 228 с.

  5. Дианский Н.А., Фомин В.В. Моделирование циркуляции Азовского моря и особенности воспроизведения экстремальнх нагонов в Таганрогском заливе // Труды ГОИН. 2017. № 218. С. 74–104.

  6. Инжебейкин Ю.И. Особенности формирования кратковременных наводнений и экстремальных течений в Азовском море // Тр. ГОИН. 2011. № 213. С. 15–102.

  7. Мизюк А.И., Коротаев Г.К., Григорьев А.В., Пузина О.С., Лишаев П.Н. Долгопериодная изменчивость термохалинных характеристик Азовского моря на основе численной вихреразрешающей модели // Морской гидрофизический журнал. 2019. Т. 35. № 5 (209). С. 496–510.

  8. Григоренко К.С., Олейников Е.П., Григоренко Е.Г. Влияние половодья Дона 2018 г. на термохалинную структуру Азовского моря // Наука юга России. 2019. Т. 15. № 3. С. 63–69.

  9. Матишов Г.Г., Григоренко К.С. Течения Азовского моря в период маловодья Дона // Океанология. 2021. Т. 61. № 2. С. 198–208.

  10. Ресурсы поверхностных вод СССР, том 7. Донской район. Кожина З.М., Потапова О.Н. (ред). 1973. Ленинград, Гидрометеоиздат. 459 с.

  11. Дашкевич Л.В., Бердников С.В., Кулыгин В.В. Многолетнее изменение средней солености Азовского моря // Водные ресурсы. 2017. Т. 44. № 5. С. 563–572.

  12. Гаргопа Ю.М., Сарвилина С.В. Климатические изменения зообентоса Азовского моря в условиях антропогенных воздействий // Водные ресурсы. 2011. Т. 38. № 6. С. 698–706.

  13. Водохозяйственная обстановка в зоне деятельности Кубанского бассейнового водного управления. Кубанское бассейновое водное управление. 2021. http://www.kbvu-fgu.ru/?path=bvu_vho&page_vho=25

  14. Ресурсы поверхностных вод СССР, том 12. Нижнее Поволжье и Западный Казахстан. Выпуск 1. Бассейн Волги ниже г. Чебоксары. Доброумова Г.Г., Потапова О.Н., Шмидт Т.С. (ред). 1971. Ленинград, Гидрометеоиздат. 459 с.

  15. Матишов Г.Г., Чикин А.Л., Бердников С.В., Шевердяев И.В. Экстремальное наводнение в дельте Дона (23–24 марта 2013 г.) и факторы, его определяющие // ДАН. 2014. Т. 455. № 3. С. 342–345.

  16. Иванов В.А., Коновалов А.В., Черкесов Л.В. Влияние циклонов на изменения уровенной поверхности Азовского и Черного морей // Метеорология и гидрология. 2003. № 4. С. 73–80.

  17. Матишов Г.Г., Инжебейкин Ю.И. Численные исследования сейшеобразных колебаний уровня Азовского моря // Океанология. 2009. Т. 49. № 4. С. 485–493.

  18. Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР. Том V. Азовское море. Гершанович Д.Е., Гопта-рев Н.П., Затучная Б.М., Симонов А.И. (ред.). 1991. Санкт-Петербург, Гидрометеозидат. 236 с.

Дополнительные материалы отсутствуют.