Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2022, T. 503, № 1, стр. 65-70

ВВЕДЕНИЕ

Азовское море замыкает цепь средиземноморских морей, связанных с Атлантическим океаном и опоясывающих южные берега Европы. Его небольшие размеры (площадь 39 тыс. км², максимальная глубина 13 м (средняя – 7 м) [1]) обусловливают существенную зависимость гидрологического режима и биологической продуктивности от внешнего влияния. На рубеже XX и XXI веков в бассейне Азовского моря произошли существенные изменения, обусловленные колебаниями климата и возросшей антропогенной нагрузкой на регион [2–4].

В данной статье для Азовского моря выполнено сопоставление двух важных гидрологических (и экосистемных) параметров его вод: среднегодовых осредненных в пределах акватории значений солености и температуры между собой и с температурой воздуха, ледовитостью и суммарным речным стоком. Именно эти характеристики определяют жизнедеятельность гидробионтов и хозяйственную деятельность человека в акватории. Рассмотрен почти 100-летний ряд инструментальных наблюдений и показано, что экосистема Азовского моря на рубеже XX и XXI веков перешла в новое состояние, не наблюдавшееся ранее.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Основным источником была общедоступная океанографическая база данных по Азовскому морю [5, 6], которая содержит более 47 000 станций с данными по солености за 1924–2012 гг. (рис. 1 а). Для периода 2013–2019 гг. использованы более 1500 станций морских наблюдений ЮНЦ РАН [7, 8] (рис. 1б). Среднегодовые осредненные по акватории моря значения солености рассчитаны согласно [9].

Рис. 1.

Морские станции с измерениями солености: (а) распределение количества станций по годам; (б) пространственное распределение станций за 2013–2019 гг.

Средняя годовая температура воды и воздуха для моря в целом рассчитывалась по данным 6 гидрометеорологических станций (ГМС): Таганрог, Ейск, Приморско-Ахтарск, Кубанская устьевая, Геническ, Бердянск по информации из общедоступной базы данных ВНИИГМИ-МЦД [10] в соответствии с подходом, предложенным в [11].

Средняя сезонная ледовитость моря за 1950–1977 гг. по данным наблюдений приведена согласно [1]. За 2001–2019 гг. ледовитость рассчитана по данным Международного Центра Данных – Морской Лед [12]. Пропуски за 1924–1949 и 1978–1999 гг. заполнены расчетным методом с помощью гидрологической модели, апробация которой в части расчета ледовитости и сравнимость полученных результатов с оценками по данным натурных наблюдений и космоснимкам представлены в [13].

Анализ рядов солености и температуры воды Азовского моря и их аномалий относительно среднемноголетних значений 1924–2019 гг. позволил с применением кластерного анализа выделить следующие периоды: 1924–1935, 1936–1940, 1945–1949, 1950–1971, 1972–1978, 1979–1992, 1993–1999, 2000–2010 и 2011–2019 гг. (рис. 2). Из-за отсутствия большей части данных наблюдений в период Великой Отечественной войны интервал 1941–1944 гг. отсутствует.

Рис. 2.

Динамика среднегодовых осредненных по морю значений температуры 1 и солености 2 вод Азовского моря, границы периодов 3.

Для выделенных периодов и рассматриваемых переменных состояния (температуры воздуха и воды, солености вод, ледовитости, суммарного речного стока) построены эллипсы рассеяния (ЭР), главные оси которых определяются собственными векторами ковариационной матрицы этих величин, а большой и малый полудиаметры эллипса равны среднеквадратичным отклонениям значений рассматриваемых факторов. Построение ЭР позволило рассмотреть изменения во времени взаимосвязи между факторами и разброс их значений, влиявших на Азовское море на протяжении ХХ–ХХI вв.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Построение ЭР для среднегодовых значений температур воздуха и воды ожидаемо показало их высокую взаимозависимость (рис. 3а), при этом отчетливо виден рост температур для двух последних периодов при незначительных колебаниях между ними ранее.

Рис. 3.

Взаимосвязи температуры воздуха (а) и ледовитости (б) с температурой вод Азовского моря. Стрелками показано направление смещения центров ЭР при переходе от одного периода к другому.

Столь же ожидаема полученная взаимосвязь сокращения ледовитости с ростом средней температуры воды (рис. 3б). Возвратно-колебательные движения от периода к периоду на протяжении ХХ в. сменились однонаправленным снижением ледовитости в ХХI в.

Наиболее интересно изменение во времени взаимосвязи главных характеристик состояния морской воды: солености и температуры (рис. 4а), являющихся ведущими факторами для экосистемы. На основе ЭР можно выделить пять достаточно самостоятельных состояний Азовского моря за период 1924–2019 гг. На протяжении ХХ в. среднегодовая температура вод находилась в коридоре значений от 10.3 (1987 г.) до 13.2°С (1966 г.), при этом можно наблюдать три состояния в вариациях солености: низкая (периоды 1924–1935, 1945–1949, 1993–1999 гг.), средняя (1936–1940, 1950–1971, 1979–1992 гг.) и высокая (1972–1978 гг.). Начальный период ХХI в. характеризовался низкой соленостью и высокой температурой, во втором десятилетии при сохранении высоких температур воды мы наблюдаем очень высокую соленость моря. Подобное состояние гидрологического режима моря не наблюдалось ранее за рассматриваемую историю инструментальных наблюдений.

Рис. 4.

Взаимосвязи температуры воды (а) и ледовитости (б) со средней соленостью моря; пояснение к рис. 2.

Изменения взаимосвязи ледовитости и средней солености моря (рис. 4б) повторяют характер изменений для солености и температуры вод в перевернутом виде. Но следует отметить гораздо большую величину среднего квадратичного отклонения и разброс значений для средней ледовитости.

Сопоставление межгодовых флуктуаций притока речной воды и среднегодовой солености Азовского моря за весь период наблюдений указывает на высокую степень их взаимосвязи (рис. 5), которая вместе с тем зависит от таких компонентов водного баланса моря, как осадки, испарение и водообмен через Керченский пролив. При довольно значительной межгодовой вариабельности речного стока разброс значений солености моря в пределах 1‰.

Рис. 5.

Взаимосвязь суммарного речного стока в Азовское море и солености; пояснение к рис. 2.

В период повышения увлажненности бассейна (1924–1932 гг.) средняя соленость моря снижалась от 10.5 до 9.1‰, а в фазу, относящуюся к началу 1940-х – от 11.8 до 9.2‰. В периоды недостаточного увлажнения (1933–1939, 1945–1954 гг.) средняя соленость моря достигала 11.8–12.1‰. Периоды осолонения (1912–1915, 1938–1940, 1950–1951 гг.) при незарегулированном стоке были кратковременны и разделялись продолжительными пресными фазами. С 1952 г. водность рек выше нормы и фаза повышенной увлажненности бассейна продолжались до 1968 г. Начавшаяся далее очередная фаза пониженной увлажненности привела к экстремальным значениям солености Азовского моря в 1972–1978 гг. (до 13.8‰ в 1976 г.) [14]. В 1980-х гг. водосбор моря находился в условиях пониженного увлажнения.

Если рассматривать периоды сильного осолонения (1970-х гг. и начавшийся с 2007 г. маловодный период на Дону), то можно отметить наличие некоторого критического объема годового пресного стока (примерно 25–27 км³), ниже которого Азовское море испытывает дефицит речных вод. Есть мнение, что в современных условиях низкий речной сток не оказывает влияние на водообмен через Керченский пролив, а приток черноморских вод регулируется ветровой деятельностью и может быть более интенсивным, чем в ХХ в. [15]. Видны различия в переходе к режимам осолонения. В 1970-х годах даже при большом стоке 1970 и 1971 г. уже была достаточно высокая соленость (около 12‰), а после первого же маловодного 1972 г. соленость перешла в критическую уже в 1973 г. В современный период “старт” был очень низкий (2007 г. – меньше 10‰, и даже в 2011 г. около 11‰), а затем соленость непрерывно росла до 14.0‰ в 2019 г. (немного снизившись в Таганрогском заливе в многоводном 2018 г.). Есть оценки, что среднегодовая средняя по морю соленость в 2020 г. достигла исторического максимума – 14.83‰ [16].

Речной сток в настоящее время не является единственным фактором, уменьшение которого приводит к росту солености в море. Вклад климатически обусловленных изменений атмосферных процессов в такие компоненты водного баланса, как испарение и водообмен с Черным морем (на фоне наблюдаемого роста уровня моря [17]), не оценен в полной мере и возможны каскадные эффекты, вызванные аномальным ростом температуры водных масс.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На протяжении почти всего XX века Азовское море пребывало в одном из двух состояний: распресненном или осолоненном. В первой декаде XXI в. увеличилась средняя по морю средняя годовая температура воды при относительно низкой солености вод; затем в условиях маловодья на Дону (а потом и Кубани) начался стремительный рост солености. В течение 2000–2019 гг. экосистема Азовского моря по комплексу гидрологических показателей перешла в состояние, которое не наблюдалось в период инструментальных наблюдений (1924–1999 гг.).

Закономерным следствием процесса потепления вод Азовского моря и роста солености стало существенное (в 2 раза) снижение ледовитости моря, несмотря на наблюдаемые аномальные ледовые условия в отдельные зимы (2006, 2012 г.).

Следует обратить внимание на увеличение среднеквадратичного отклонения рядов среднегодовых значений для новых состояний, как по солености, так и по температуре воды (особенно выражено при сравнении начала ХХ и ХХI в.), что можно интерпретировать как увеличение изменчивости этих характеристик в современный период.

При оценке происходящих изменений для биологических ресурсов экосистемы Азовского моря прежде всего делается акцент на росте солености и его прямой связи с дефицитом пресного стока [16]. Рост температуры воды пока остается за скобками обсуждений. Вместе с тем есть оценки, что согласованный рост температуры и солености среды может негативно повлиять на предпринимаемые меры по восстановлению запаса популяции азовского судака [18].

Необходимость всесторонних оценок происходящих изменений и поиск оптимальных условий эксплуатации истощенных биологических ресурсов моря обусловливают развитие системы мониторинга и технологий моделирования для понимания происходящих процессов.