Океанология, 2021, T. 61, № 1, стр. 5-20

1. ВВЕДЕНИЕ

В Черное море с территории республики Абхазия поступает значительный материковый сток, составляющий около 30 км³ в год [3]. Из этого количества менее половины приходится на долю нескольких крупных рек: Кодор (4.2 км³), Бзыбь (3.8 км³), отводящий канал Ингурской ГЭС (3.2 км³), Ингур (1.2 км³) и Гумиста (1.1 км³) (рис. 1). Большая же часть общего материкового стока с территории Абхазии поступает в Черное море из более чем 30-ти малых рек, чьи водосборные бассейны расположены в многочисленных ущельях южной части Главного Кавказского хребта и по площади не превышают 500 км².

Рис. 1.

Основные реки, города и донная топография абхазского участка побережья Черного моря. Название р. Кодор выделено жирным шрифтом.

Абхазия занимает всего 5% от общей длины черноморской береговой линии, в то время как пресноводный сток с территории Абхазии составляет 8–10% суммарного пресноводного стока в Черное море [2, 3]. Таким образом, роль пресноводного стока в формировании гидрологической структуры и динамических процессов в прибрежной зоне моря в этом регионе существенно выше, чем в среднем в Черном море. Эти процессы особенно сильно выражены во время периодов весенне-летнего половодья и краткосрочных осенних дождевых паводков, когда в результате повышенного расхода многочисленных рек вдоль протяженных участков абхазского побережья формируются опресненные водные массы, существенно влияющие на структуру и динамику прибрежной зоны (рис. 2).

Рис. 2.

Многочисленные речные плюмы вдоль побережья Абхазии и участки вдольберегового опреснения 6 апреля 2018 г. во время весеннего половодья, видимые на спутниковом снимке оптического диапазона Landsat 8.

Регулярные океанографические измерения в прибрежной зоне моря Абхазии активно велись вплоть до начала 1990-х гг., результатом чего стала относительно хорошая по меркам тех лет изученность общей структуры прибрежной зоны в районах поступления материкового стока. Тем не менее измерения с применением современных методик и приборов в этом регионе практически не проводились, так как на протяжении почти 30-ти последних лет исследования в прибрежной зоне моря Абхазии сводились к эпизодическим мониторинговым измерениям. За этот период произошли значительные изменения температурного режима и годового количества осадков, зафиксированные на метеорологических станциях республики Абхазия, по сравнению с состоянием в 1950-х–1980-х годах. В результате этого современное влияние стока рек Абхазии на структуру и динамику прибрежной зоны моря является практически не изученным. В современной научной литературе имеются лишь единичные и довольно ограниченные по объему данные об этих процессах [8, 11, 12], которые имеют важное социально-экономическое и рекреационное значение для республики Абхазия.

Проведенные исследования плюмов, сформированных малыми реками Абхазии, имеют также важное фундаментальное значение в контексте изучения общих аспектов динамики малых речных плюмов. Процессы трансформации пресноводного материкового стока в результате его взаимодействия с морскими водами можно рассматривать и анализировать на различных пространственных и временны́х масштабах. Изначально речной сток поступает в море из речного устья и формирует субмезомасштабную или мезомасштабную водную массу, называемую речным плюмом, чья соленость существенно меньше солености окружающей морской воды. Сила плавучести играет важную роль в распространении и перемешивании этой опресненной водной массы, поэтому динамика речных плюмов и окружающих вод моря различна из-за различий в их солености [40, 43]. Таким образом, соленость является основной характеристикой, используемой для разделения речных плюмов и морской воды, т.е. для определения зоны смешения, где заканчивается речной плюм и начинается морская вода.

Речной плюм в общем случае формируется одним или несколькими разделенными источниками пресноводного стока. Структура и динамические характеристики внутри речного плюма существенно неоднородны. В частности, поля солености и скорости течения в плюме вблизи источника/источников пресноводного стока и во внешней части плюма значительно отличаются [16, 21, 27, 33, 34]. Речной плюм распространяется и перемешивается с окружающей морской водой, что, с одной стороны, приводит к его трансформации, а, с другой стороны, влияет на физические, биологические и геохимические характеристики окружающих вод моря. Степень и пространственный масштаб этого влияния в основном зависят от объема пресноводного стока и варьируются от незначительного воздействия малых речных плюмов, формируемых реками с небольшим объемом стока [5, 24, 42–45, 49, 53], до формирования опресненных водных масс в поверхностном слое моря на обширных прибрежных и шельфовых территориях [9, 14, 17, 35, 38, 39, 41, 47, 48, 52]. Эти водные массы, называемые также опресненными линзами, характеризуются более однородной структурой, существенно большими пространственными масштабами и меньшей временнóй изменчивостью по сравнению с речными плюмами.

Мы рассматриваем речные плюмы как водные массы, получающиеся в результате трансформации пресноводного стока в прибрежной зоне моря на временны́х масштабах от суточного до синоптического, а опресненные линзы – в результате трансформации пресноводного стока на временны́х масштабах от сезонного до годового. Речные плюмы, вложенные в опресненные линзы, представляют собой непрерывный процесс трансформации пресноводного стока и тем самым не могут быть четким образом отделены друг от друга. С другой стороны, у речных плюмов и опресненных линз очень разные термохалинные и динамические свойства. Поэтому взаимодействие речных плюмов и окружающих их опресненных линз существенно влияет на динамику распространения и перемешивания речных плюмов на синоптических временны́х масштабах [23, 34, 36, 37, 46].

В этой статье мы рассматриваем малые речные плюмы, поэтому необходимо задать характеристики малых речных плюмов, которые отличают их от больших речных плюмов. Мы определяем малые речные плюмы как плюмы, которые не формируют опресненные линзы, т.е. время существования опресненной воды в малом речном плюме имеет масштаб от часов до дней [43]. Диссипация опресненной воды в результате перемешивания малого плюма с нижележащими морскими водами практически не влияет на окружающие воды моря и не приводит к аккумуляции пресноводного стока в прилегающих районах моря. В результате этого малые плюмы характеризуются значительными градиентами солености (и плотности) на их границе с окружающими морскими водами. Эти градиенты плотности препятствуют вертикальному обмену энергии между малым плюмом и нижележащим слоем моря.

Подобное свойство сильно влияет на динамику распространения малого плюма в силу следующих причин. Во-первых, большая часть ветровой энергии, передаваемой в море, остается в малом плюме, так как вертикальный поток импульса значительно уменьшается на градиенте плотности между плюмом и нижележащим слоем моря. Таким образом, напряжение трения ветра концентрируется в узком опресненном поверхностном слое, что приводит к более высоким скоростям движения и более быстрому отклику динамики малого плюма на изменчивость ветрового воздействия по сравнению с окружающими водами [6, 7]. Во-вторых, циркуляция в окружающих морских водах слабо влияет на динамику малого плюма из-за того, что градиент плотности препятствует вертикальному потоку энергии от нижележащего слоя моря к малому плюму [42]. В результате этих факторов динамика малых плюмов определяется в первую очередь ветром, что приводит к очень высокой временнóй изменчивости их расположений, форм и площадей [31, 32, 40, 53]. Тип распространения малого плюма может кардинально измениться в течение нескольких часов, что регулярно регистрируется натурными измерениями и спутниковыми наблюдениями. Высокая пространственно-временнáя изменчивость малых плюмов и их малые вертикальные размеры часто приводят к большой неоднородности их горизонтальной структуры.

2. РАЙОН РАБОТ И ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ДАННЫЕ

Кодор – крупнейшая река Абхазии и всего северо-восточного побережья Черного моря. Река Кодор впадает в Черное море в 20 км к югу от г. Сухум на выступающем в море участке побережья, расположенном между Сухумским и Скурчинским заливами. При впадении в море река Кодор образует дельту площадью 10 км² с несколькими рукавами, искусственно созданными в последние годы в результате строительства дополнительных дельтовых русел, берегозащитных и гидротехнических сооружений. Водный режим р. Кодор имеет ярко выраженное весенне-летнее половодье и осенне-зимнюю межень [1]. Кроме того, на реке ежегодно формируются более десятка интенсивных, но краткосрочных дождевых паводков, большинство из них происходит в осенне-зимний период. Резкие подъемы и спады уровня воды во время паводков вызваны большим уклоном водосбора реки Кодор (до 40°–60°), занимающего горные ущелья южной части Главного Кавказского хребта, и высокой густотой речной сети, что приводит к быстрому поступлению дождевой воды в речные русла. В силу сравнительно небольшой площади водосбора (около 2000 км²) и малой длины реки (84 км), расход воды в низовьях р. Кодор и тем самым объем речного стока в море может резко увеличиваться в течение нескольких часов после начала интенсивных осадков.

Работа по изучению плюма Кодора основана на натурных данных, собранных в ходе двух прибрежных экспедиций в придельтовую зону р. Кодор, которые проводились при различных условиях речного стока: в период краткосрочного дождевого паводка 29 августа–2 сентября 2018 г. и в период зимне-весенней межени 1–4 апреля 2019 г. Экспедиционные работы велись на малых рыболовецких судах “Владимир” и “Адыгеец” и включали в себя гидрофизические, гидрохимические и гидробиологические исследования. В этой статье мы рассматриваем и интерпретируем результаты гидрофизических измерений, в то время как гидрохимическим исследованиям посвящена сопутствующая статья [10].

Используемые натурные данные включают непрерывные измерения температуры и солености в поверхностном слое (на глубине 1 м) вдоль хода движения судна с помощью проточной системы, оборудованной CTD-зондом (Yellow Springs Instrument 6600 V2) [4, 5], и измерения вертикальных профилей температуры, солености и скорости течения на гидрологических станциях, полученные с помощью CTD-ADCP-зонда (Aanderaa SeaGuard RCM) с 29 августа по 2 сентября 2018 г. и CTD-зонда (Sea-Bird Electronics 19plus) с 1 по 4 апреля 2019 г. (рис. 3).

Рис. 3.

Расположение гидрологических станций в зоне распространения плюма Кодора 29 августа–2 сентября 2018 г. (а) и 1–4 апреля 2019 г. (б).

В рамках экспедиционных работ использовался беспилотный летательный аппарат (квадрокоптер DJI Phantom 4Pro). Габариты этого квадрокоптера позволяют осуществлять взлет и посадку с палубы маломерного судна. Во время полета осуществлялась фото- и видеосъемка ключевых морфологических зон и динамических особенностей речного плюма для рекогносцировки, наблюдений за динамикой речного плюма, выбора точек гидрофизических работ и позиционирования судна. Также для исследования структуры поверхностных течений в приустьевой зоне речного плюма был проведен эксперимент с использованием плавучих дрифтеров. В р. Кодор были запущены две серии дрифтеров. Перемещение дрифтеров в прибрежной зоне с момента их попадания в море отслеживалось с помощью видеосъемки с квадрокоптера. На основе компьютерной обработки полученных видеозаписей были восстановлены скорости и траектории течений в приустьевой части плюма.

Основные метеорологические характеристики (скорость и направление ветра, температура, влажность, атмосферное давление) измерялись при помощи портативной метеорологической станции Gill GMX200. Метеостанция была установлена на высоте 10 м на пирсе в районе м. Красный маяк (г. Сухум) на расстоянии 30 м от берега вдали от возвышений рельефа, высоких деревьев и сооружений. Дискретность измерений метеорологических характеристик составляла 1 мин. Кроме натурных данных, в работе использовались спутниковые изображения исследуемого региона, полученные сенсорами Landsat 8 OLI (http://earthexplorer.usgs.gov/) и Sentinel-2 MSI (https://scihub.copernicus.eu/).

3. РЕЗУЛЬТАТЫ

3.1. Гидрологическая структура плюма Кодора. Гидрологическая структура плюма р. Кодор изучалась на основе натурных данных, спутниковых снимков и коптерной съемки. На основе натурных измерений были построены карты распределения солености в поверхностном слое моря в области влияния стока р. Кодор, которые дают представление о термохалинной структуре и пространственных масштабах плюма. На рис. 4 показаны карты поверхностного распределения солености за 31 августа, 1 и 2 сентября 2018 г., построенные по данным измерений проточной системы. Коптерная аэрофотосъемка плюма, проведенная в рамках экспедиционных работ, позволила уточнить пространственные масштабы плюма, исследовать его мелкомасштабную внутреннюю структуру и короткопериодную временнýю изменчивость (рис. 5). Спутниковые снимки Landsat 8 и Sentinel-2 исследуемого региона, полученные в период экспедиционных работ, позволяют сопоставить изображения плюма Кодора в оптическом диапазоне с распределениями поверхностной солености и сравнить соленостную и мутностную структуры поверхностного слоя моря в области влияния стока р. Кодор (рис. 6). Последующий анализ оптических спутниковых снимков Landsat 8 и Sentinel-2 исследуемого региона, сделанных в 2013–2019 гг., позволяет изучить синоптическую и сезонную изменчивость плюма Кодора, в частности оценить его отклик на колебания стока во время весеннего половодья–летней межени, а также краткосрочных осенне-зимних паводков.

Рис. 4.

Поверхностное распределение солености в области влияния стока р. Кодор 31 августа (а), 1 сентября (б) и 2 сентября (в) 2018 г.

Рис. 5.

Аэрофотоснимки южной части плюма Кодора, сделанные 1 сентября 2018 г. (а), 2 сентября 2018 г. (б), 3 апреля 2019 г. (в). Стрелкой показано расположение мыса Кодор.

Рис. 6.

Спутниковые снимки Sentinel-2 исследуемого полигона в оптическом диапазоне, сделанные 27 июня (а), 31 августа (б) и 5 октября (в) 2018 г. Стрелкой показано расположение мыса Кодор.

Натурные термохалинные измерения показали, что плюм Кодора четко характеризуется пониженными значениями солености (<15 епс) по сравнению с соленостью (16–18 епс) окружающих морских вод (рис. 4). Температура в плюме также была меньше температуры морской воды из-за снежно-ледникового типа водного питания р. Кодор [1]. Разница между температурой поверхностного слоя моря и плюма была сравнительно невелика в период полевых работ в конце холодного периода года в апреле 2019 г. (0.5°С), но в августе–сентябре 2018 г. в условиях прогретого моря она составляла существенные 3–4°С. Внешние границы областей пониженной температуры, пониженной солености и повышенной мутности в поверхностном слое хорошо коррелируют между собой. При пересечении четкого фронта между морем и плюмом соленость поверхностного слоя резко падала с 16–18 до 13–15 епс на расстоянии менее 5 м, что сопровождалось падением температуры и повышением мутности. Подобные резкие градиенты свидетельствуют о малом влиянии процесса перемешивания речного плюма с солеными морскими водами на термохалинные и оптические свойства окружающих вод моря. Подобная ситуация характерна для плюмов, формируемых малыми реками на открытых участках побережья, в частности для плюмов малых рек российского участка побережья Черного моря [5, 31, 42].

Мы провели сравнение гидрологической структуры плюма р. Кодор и плюма р. Мзымта, крупнейшей эстуарной реки российского участка побережья Черного моря, чье устье расположено в 120 км к северо-западу от дельты р. Кодор. Плюмы р. Кодор и Мзымта формируются в схожих гидрологических, метеорологических и океанографических условиях. Натурные измерения в этих плюмах проводились в периоды схожего уровня расхода воды (100–150 м³/с) и схожего атмосферного воздействия (ветер < 5 м/с). Тем не менее пространственные масштабы и аномалия солености плюма р. Кодор оказались существенно выше, чем у плюма р. Мзымта. Так, вдольбереговая протяженность плюма Кодора составляла 10–15 км, в то время как пространственные масштабы плюма Мзымты при аналогичных внешних условиях не превышали 3–5 км [5, 31, 37]. Поверхностная соленость в плюме Кодора изменялась от 0–1 епс на расстоянии 100 м до 8–10 епс на расстоянии 2 км от устьев дельтовых рукавов (рис. 4). Поверхностная соленость в плюме Мзымты при аналогичных условиях превышала 6 епс на расстоянии 100 м от речного устья и 14 епс на расстоянии 2 км от устья [5, 42].

Вертикальные масштабы плюмов Кодора и Мзымты также имеют значительные различия. Толщина плюма Кодора составляла 1.5–2.5 м на всей площади плюма (рис. 7а) за исключением узких (десятки метров) областей вдоль внешних границ плюма (рис. 7б). Измерения 3 апреля 2019 г. показали, что толщина плюма резко увеличивается до 4–6 м на расстоянии 15–20 м от четкой границы плюма и окружающих вод моря (профили 6 и 7 на рис. 7б). При этом толщина плюма на расстоянии 100 м от границы плюма (профиль 5 на рис. 7б) составляла всего 2 м. Подобный эффект, по-видимому, вызван конвергенцией и даунвеллингом плюма на четкой фронтальной границе между плюмом и морем [25, 26, 30]. Толщина плюма Мзымты, по данным измерений различных лет, была в среднем почти в два раза больше и уменьшалась от 4–5 м в приустьевой зоне до 2–3 м у границы плюма [5, 37].

Рис. 7.

Вертикальные профили солености в плюме Кодора, измеренные 31 августа 2018 г. (а): на расстоянии в 200 м (1, красный), 300 м (2, коричневый), 500 м (3, синий) и 1100 м (4, зеленый) от устья дельтовой протоки; 3 апреля 2019 г. (б): в плюме на расстоянии 100 м (5, красный), 15 м (6, коричневый) и 1 м (7, синий) от границы плюма и в окружающих морских водах на расстоянии 4 м от границы плюма (8, зеленый). Пунктирными линиями показано расположение условной границы плюма (изохалина 16 епс).

Анализ спутниковых снимков Landsat 8 и Sentinel-2 за 2013–2019 гг. подтвердил, что площадь плюма Кодора в среднем в несколько раз больше площади плюма Мзымты. На 184-х спутниковых снимках плюма Мзымты и 235-ти спутниковых снимках плюма Кодора, сделанных в различные дни, были определены границы этих плюмов, исходя из соответствия градиентов мутности и солености на внешних границах этих плюмов [31, 42]. На основе полученных данных были рассчитаны среднемесячные и среднегодовые значения площадей плюмов Мызмты и Кодора (рис. 8). Годовой сток р. Кодор (4.2 км³) примерно в 2.5 раза больше годового стока р. Мзымта (1.6 км³) [3]. Тем не менее, по данным спутниковых снимков, среднегодовая площадь плюма Кодора (53.9 км²) более чем в 4 раза превышает среднегодовую площадь плюма Мзымты (12.9 км²). Средние значения площадей плюмов Кодора и Мзымты во время весеннего половодья (апрель–июнь), рассчитанные по доступным безоблачным спутниковым снимкам, составили 98.7 и 21.2 км² соответственно. Влияние краткосрочных осенних дождевых паводков также более ярко выражено у плюма Кодора, чем у плюма Мзымты. Средняя площадь плюма Кодора в сезон паводков (сентябрь–ноябрь) составляет 32.3 км², а средняя площадь плюма Мзымты – всего 11.7 км².

Рис. 8.

Среднемесячные значения расходов (тонкие линии) и площадей (толстые линии) плюмов рр. Кодор (сплошные линии) и Мзымта (пунктирные линии). Площади плюмов рассчитаны по доступным безоблачным спутниковым снимкам Landsat 8 и Sentinel-2 за 2013–2019 гг.

В рамках экспедиционных работ был изучен отклик поверхностной структуры плюма Кодора на краткосрочное паводковое событие, вызванное сильным ливнем в ночь с 31 августа на 1 сентября 2018 г. Дождевой паводок на р. Кодор продолжался не более 6 ч, однако он оказал существенное влияние на речной плюм, что было зафиксировано данными контактных измерений и аэрофотосъемкой. Паводок вызвал не только увеличение речного расхода, но и сопровождался резким увеличением концентрации терригенной взвеси в речном стоке. В результате этого мутность плюма Кодора сразу после паводка 1 сентября была существенно выше, чем накануне 31 августа (рис. 9). Пространственные размеры плюма также увеличились более чем в два раза по сравнению с состоянием до паводка (рис. 4), в то время как толщина и аномалия солености в придельтовой части плюма практически не изменились. Измерения, проведенные 2 сентября, показали, что через сутки после краткосрочного паводка мутность в плюме Кодора понизилась до допаводковых значений (рис. 9), но площадь плюма оставалась гораздо больше своего допаводкового состояния (рис. 4).

Рис. 9.

Аэрофотоснимки придельтовой части плюма Кодора, сделанные 31 августа (а), 1 сентября (б), 2 сентября (в) 2018 г.

В отличие от большинства малых речных плюмов [44, 45, 53], в том числе плюмов малых рек российского участка побережья Черного моря, горизонтальное распределение солености в плюме Кодора крайне неоднородно и не имеет прямой связи с расстоянием до ближайшего источника пресноводного стока, т.е. устья ближайшей дельтовой протоки. Подобный эффект, по-видимому, является следствием сразу нескольких особенностей формирования и распространения плюма Кодора. Во-первых, как было сказано выше, во время кратковременных дождевых паводков площадь исследуемых плюмов может изменяться в несколько раз менее чем за сутки. Из-за этого плюм, сформировавшийся ранее и не успевший диссипировать в результате перемешивания с морскими водами, имеет существенно различные термохалинные и динамические характеристики с плюмом, формируемым в момент измерений. Остаточный и новый плюмы, таким образом, создают сложную систему внутренних фронтов и взаимодействуют как отдельные водные массы.

Во-вторых, плюм дельтовой реки Кодор формируется несколькими разнесенными в пространстве источниками пресной воды. В результате этого прибрежная часть плюма Кодора характеризуется существенной неоднородностью термохалинных характеристик, ярко выраженной как на полученных картах температуры и солености (рис. 4), так и на спутниковых и аэрофотоснимках (рис. 10). Области плюма Кодора, прилегающие к устьям дельтовых рукавов, имеют разные гидрофизическую структуру и динамику и взаимодействуют между собой как различные водные массы. На аэрофотоснимках видны четкие фронтальные зоны между этими водными массами (рис. 4). Измерения, проведенные 2 сентября 2018 г., показали существенные отличия в солености и температуре на расстоянии менее 5 м к северу (14 и 27°С) и к югу (8–10 и 26°С) от подобной фронтальной зоны. Измерения течений зафиксировали существенно различные динамические характеристики в этих водных массах.

Рис. 10.

Аэрофотоснимки фронтальной зоны (показана красными стрелками) между водными массами плюма Кодора, сформированными соседними дельтовыми рукавами, сделанные 1 сентября 2018 г. (а), 2 сентября 2018 г. (б) и 3 апреля 2019 г. (в).

Третья причина горизонтальной неоднородности гидрофизической структуры плюма Кодора заключается во взаимодействии поступающего материкового стока с особенностями донной топографии в прибрежной зоне. Так, в плюме Кодора наблюдалась область пониженной мутности, формировавшаяся за мелководной банкой, расположенной напротив одного из дельтовых рукавов (рис. 11). Особенно ярко этот эффект был выражен в день после дождевого поводка, сопровождавшегося увеличением мутности вод плюма. Эта область также характеризовалась повышенными значениями солености, которая на 3 епс превышала соленость прилегающей мутной области плюма. Формирование этой области, по-видимому, вызвано динамическим эффектом обтекания струей реки препятствия и малой глубиной моря за косой, замедляющей скорость речного плюма.

Рис. 11.

Аэрофотоснимки области пониженной мутности и повышенной солености (показана красными стрелками), формировавшейся при обтекании плюмом Кодора мелководной банки, сделанные 1 сентября (а) и 2 сентября (б) 2018 г.

3.2. Циркуляция в плюме Кодора. В рамках экспедиционных работ были изучены некоторые особенности циркуляции плюма Кодора. Измерения вертикальных профилей течений в плюме Кодора с помощью ADCP-зонда показали, что скорость и направление течения в плюме, как правило, отличаются от скорости и направления течения в нижележащем слое моря. Так, 31 августа 2018 г. на одной из станций в плюме (на глубине 1.5–2.5 м) наблюдалось течение в восточном направлении со скоростью 0.2 м/с, а в нижележащем слое моря (на глубине 3.5–4.5 м) – течение в южном направлении со скоростью 0.1 м/с. Наличие своей собственной динамики, отличной от динамики окружающих вод моря, характерно для речных плюмов [21], в том числе и для плюмов малых рек российского участка побережья Черного моря [6, 7, 40].

Во время экспедиционных работ 1 сентября 2018 г. с помощью коптерной съемки в плюме Кодора был зафиксирован антициклонический вихрь на внешней границе плюма (рис. 12). Вихрь составлял в диаметре около 500 м, он двигался в северном направлении со скоростью порядка 0.9 м/с и закручивался со скоростью порядка 0.4 м/с. Формирование вихря, по-видимому, было вызвано обтеканием вдольбереговым течением мыса Искурия, расположенного к северу от дельты Кодора. Вихрь существовал в течение около часа, после чего он слился с внешней границей плюма и прекратил свое существование. После диссипации вихря от внешней границы плюма Кодора на этом участке фронтальной зоны отделился пакет внутренних волн, зафиксированный аэрофотосъемкой (рис. 12в, г). Скорость распространения внутренних волн в направлении открытого моря составляла около 0.3 м/с, а расстояние между волнами – 2–4 м. В центральной части цуга длиной около 50 м было 12 волн, на его периферии длиной около 200 м – 3–4 волны. На расстоянии около 500 м от места своего формирования внутренние волны диссипировали, новые внутренние волны ни в этом месте, ни на других участках фронтальной зоны между плюмом и морем не образовывались. Таким образом, мы предполагаем, что источником формирования внутренних волн стала диссипация вихря в плюме и переход энергии вихря в энергию распространения внутренних волн.

Рис. 12.

Аэрофотоснимки южной части плюма Кодора за 2.5 ч до (а) и во время (б) формирования вихря (показан красной стрелкой), аэрофотоснимки вихря (в) и отделившегося от его внешней границы пакета внутренних волн (г) (показан красными стрелками), сделанные 1 сентября 2018 г.

4 апреля 2019 г. в зоне впадения одного из дельтовых рукавов Кодора в море был проведен дрифтерный эксперимент для изучения циркуляции в придельтовой части плюма. В р. Кодор на расстоянии 200 м от места впадения в море были запущены 10 дрифтеров, которые были приурочены к приповерхностному слою. Дрифтеры были запущены двумя сериями по 5 дрифтеров, время между запуском дрифтеров внутри одной серии составляло 2 с, время между двумя сериями составило 10 мин. Перемещение дрифтеров в прибрежной зоне с момента их попадания в море отслеживалось с помощью коптерной видеосъемки с высоты 250 м над уровнем моря (рис. 13).

Рис. 13.

Траектории дрифтеров в придельтовой части плюма Кодор при первом (а) и втором (б) запусках 4 апреля 2019 г. Средняя скорость дрифтеров во время первого (синие круги) и второго (красные квадраты) запусков (в).

Восстановленные траектории и скорости движения дрифтеров позволяют изучить структуру течений в приустьевой зоне плюма Кодора. При впадении реки в море формируется ламинарное течение [18, 19], вызывающее движение дрифтеров по единой траектории в направлении исходного речного потока. При удалении от устья реки на 50–60 м ламинарное течение начинает замедляться и расширяться, что иллюстрируется расхождением траекторий дрифтеров. Дальнейшее равномерное замедление этого течения приводит к его исчезновению на расстоянии 150 м от устья реки во время первого запуска и 200 м во время второго запуска. Скорости дрифтеров во время обоих запусков были практически одинаковы и уменьшались от 2.4–2.6 м/с у устья дельтовой протоки до 0.6–0.8 м/с в зоне диссипации ламинарного течения. Таким образом, при слабом ветровом воздействии пространственный масштаб приустьевой части плюма, т.е. части, где сохраняется инерция впадающей речной струи, составлял 150–200 м. После окончательной диссипации инерции речной струи дрифтеры в течение 1–2 мин несколько раз резко и синхронно меняли направление движения под воздействием ветра. Скорости дрифтеров вне ламинарной струи также имели большую изменчивость от 0.1 до 0.8 м/с во время первого запуска и от 0.4 до 1.2 м/с во время второго запуска.

4. ОБСУЖДЕНИЕ

Измерения термохалинной структуры плюма Кодора показали, что он характеризуется аномально низкой поверхностной соленостью, по сравнению с другими малыми речными плюмами исследуемого региона. Толщина плюма, в свою очередь, не превышает 2.5 м даже в придельтовой зоне за исключением узких фронтальных зон между плюмом и морскими водами, где в результате конвергенции толщина плюма может достигать 5–6 м. Таким образом, плюм Кодора формирует относительно тонкий стратифицированный слой и в результате этого распространяется на большую площадь по сравнению с плюмом Мзымты при сходных внешних условиях. Этот эффект, по-видимому, вызван различиями в морфологии и гидрологических характеристиках рр. Мзымта и Кодор. Р. Мзымта имеет одно глубокое и широкое русло, в результате чего при впадении в море речной сток более интенсивно перемешивается с нижележащими морскими водами и формирует менее стратифицированный, более глубокий и тем самым меньший по площади плюм по сравнению с плюмом Кодора, формируемым стоками из нескольких относительно мелких дельтовых рукавов.

Натурные измерения и коптерная съемка показали большое число сложных и динамически активных фронтальных зон внутри плюма Кодора. Резкие суточные и межсуточные колебания речного расхода, характерные для малых горных рек, в число которых входит Кодор, приводят к большой изменчивости размеров плюма Кодор в отдельно взятые моменты времени. В частности, во время кратковременных дождевых паводков площадь исследуемого плюма может изменяться в несколько раз за период 1–2 дня, что было зафиксировано в период экспедиционных работ. Из-за этого сформированный ранее и не диссипировавший остаточный плюм имеет существенно различные термохалинные и динамические характеристики с новым плюмом, что приводит к формированию сложной системы внутренних фронтов. Таким образом, помимо изменчивости ветровых условий, колебания речного расхода очень существенно влияют на структуру и динамику плюма Кодора на внутрисуточном и межсуточном временны́х масштабах. Кроме того, в плюме Кодора наблюдались четкие внутренние фронты, формировавшиеся в результате обтекания мелководных банок динамически активными участками плюмов. Еще одним важным фактором формирования внутренних фронтов в исследуемом плюме является наличие нескольких близкорасположенных и крупных дельтовых рукавов, служащих источниками пресноводного стока в море. В результате этого участки плюма, сформированные разными дельтовыми рукавами, также взаимодействуют между собой как различные водные массы.

Исследования циркуляции в плюме Кодора показали значительные отличия его динамики от динамики окружающих морских вод. С помощью коптерной аэрофотосъемки было зарегистрировано формирование и диссипация вихря в плюме и последующее формирование, распространение и диссипация внутренних волн от внешней границы этого вихря. С помощью дрифтерного эксперимента в приустьевой зоне плюма было зафиксировано замедление впадающего в море быстрого речного потока (2.5 м/с) за счет его латерального расширения и в результате трения с нижележащими морскими водами. Было установлено, что инерционная часть плюма Кодора имеет относительно малые масштабы (150–200 м), в результате чего в приустьевой части плюма не формируется антициклоническая циркуляция (“bulge” в англоязычной литературе) [16, 20, 29, 51], характерная для плюмов крупных рек при слабом ветровом воздействии. После диссипации инерции впадающей речной струи траектории дрифтеров демонстрируют очень быстрый отклик (менее минуты) скорости и направления течения в плюме на колебания ветрового воздействия, что также не характерно для плюмов больших рек [13, 15, 22, 50].

Р. Кодор имеет высокую скорость течения (2.5 м/с), но сравнительно небольшую глубину дельтовых рукавов (около 1 м). Из-за этого впадающий в море речной поток имеет высокую скорость, но небольшие вертикальный масштаб и объем, что приводит к быстрой диссипации его инерции. В результате этого пространственный масштаб инерционной части плюма Кодора оказывается на порядок меньше, чем у рек со схожим объемом стока, но более низкой скоростью течения [44, 45, 54]. Пространственный масштаб инерционной части плюма Кодора также на порядок меньше, чем его предсказывают существующие параметризации масштаба инерционной части речного плюма по характеристикам впадающего речного потока на основе чисел Бюргера и Россби [20, 51]. Малые масштабы инерционной части плюма и отсутствие антициклонической циркуляции в приустьевой зоне существенным образом влияют на структуру и динамику речного плюма. В частности, сток р. Кодор быстро выносится в область плюма, чья динамика определяется ветровым воздействием, что препятствует аккумуляции пресноводного стока в приустьевой зоне, описанной в ряде предыдущих работ [16, 20, 29].

5. ВЫВОДЫ

В рамках данной работы проведено исследование гидрофизической структуры и циркуляции плюма р. Кодор – одного из многочисленных малых речных плюмов северо-восточного побережья Черного моря. Показана значительная неоднородность структуры малого речного плюма, вызванная как особенностями формирования плюма несколькими близкорасположенными источниками пресноводного стока, подверженными резким колебаниям расхода воды, так и взаимодействием плюма с региональной донной топографией (мелководными банками). Установлены значительные пространственные масштабы отклика циркуляции в плюме на изменчивость ветрового воздействия в масштабах минут и часов. Впервые натурными измерениями и аэрофотосъемкой зафиксированы формирование и диссипация вихря внутри плюма, генерация внутренних волн на границе плюма, их последующее распространение и диссипация. Впервые получены численные характеристики скорости подобных внутренних волн. Изучена циркуляция в приустьевой зоне малого плюма, установлены малые пространственные масштабы инерционной зоны плюма. Показано отсутствие антициклонической циркуляции в приустьевой части плюма при слабом ветровом воздействии.

Результаты, полученные в рамках данной работы, важны для понимания общих аспектов структуры и динамики малых речных плюмов, которые остаются во многом малоизученными. Подавляющее большинство предыдущих исследований, посвященных речным плюмам, рассматривало плюмы, сформированные большими реками, в то время как малым речным плюмам уделялось гораздо меньше внимания. Это, по-видимому, вызвано сравнительно небольшим влиянием отдельных малых речных плюмов на прибрежную зону моря по сравнению с большими плюмами. Тем не менее общая доля малых рек в глобальном пресноводном и твердом континентальном стоке оценивается в 25 и 40% соответственно [28]. Во многих прибрежных регионах мира суммарный вклад малых рек в общий материковый сток может быть сравним или превышать вклад больших рек [23, 46, 49].

Источники финансирования: Работа выполнена при поддержке Министерства Науки и Высшего Образования РФ, тема № 0149-2019-0003 (сбор натурных данных) и проект № 14.W03.31.0006 (обработка натурных данных), а также Российского Научного Фонда, проект № 18-17-00156 (исследование речных плюмов).