Океанология, 2021, T. 61, № 3, стр. 377-386

1. ВВЕДЕНИЕ

Предлагаемая работа посвящена изучению водообмена в Керченском проливе на основе данных контактных измерений и является продолжением ранее опубликованной статьи [31], в которой мы проводили аналогичные исследования с использованием спутниковых данных и численной модели. Данная тема продолжает вызывать интерес, несмотря на то, что ее исследованию посвящено множество работ [1–19, 21–29]. Для изучения водообмена между Черным и Азовским морями применялись различные методы исследования. Существуют эмпирические методы, которые, главным образом, основываются на связях течений с различными гидрометеорологическими условиями (ветровым потоком, уровнем моря, атмосферным давлением) [8, 16, 17, 27]. Также широко использовался метод, учитывающий зависимость водообмена от составляющих пресноводного баланса (речной сток, испарение, осадки), что подразумевает совместное решение уравнений водного и солевого балансов [6, 7, 9, 21, 22]. Более современный подход основывается на численном моделировании и комбинированных методах расчета течений и расходов воды [14, 24, 26, 28, 29]. Указанные методы имеют свои недостатки, заключающиеся в сложности точного учета многих факторов, что приводит к существенным различиям в оценке азовоморского и черноморского потоков.

Поэтому проведение и анализ контактных измерений являются важным аспектом в изучении факторов, влияющих на процесс водообмена в Керченском проливе.

Последнее систематическое исследование водообмена в Керченском проливе проводилось в период с 1981 по 2006 гг. и заключалось в регулярном измерении течений в северной части пролива [15]. Также существует статистика по водообмену в более ранний период (1923–1981 гг.), которая, в большей степени, строилась на косвенных расчетах, основанных либо на водно-балансовых методах, либо на решениях гидродинамических уравнений движения [10].

Можно сказать, что на сегодняшний день мы не имеем полного представления о том, как происходит водообмен между Азовским и Черным морями. К тому же, с течением времени могут изменяться условия и факторы, влияющие на изучаемый процесс. Так, например, происходящие климатические изменения атмосферной циркуляции в исследуемом регионе и компонент водного баланса Азовского моря будут оказывать влияние на процесс водообмена в Керченском проливе.

2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В ранее опубликованной статье [31] мы получили результаты, которые требовали подтверждения на натурных данных для применения нового метода расчета расхода азовоморской воды через Керченский пролив. В дальнейшем мы будем ссылаться на данную статью, поскольку результаты, полученные в ней и в этой работе, во многом дополняют друг друга. В данной работе мы будем рассматривать, главным образом, результаты экспедиции, которая проходила с 22 по 25 апреля 2019 г. В первые два дня экспедиции происходило ослабление сильного северо-восточного ветра, что позволило наблюдать изменение направления и интенсивности водообмена в Керченском проливе. В [31] был сделан вывод о том, что интенсивный сток азовоморских вод в Черное море происходит вследствие воздействия сильного северо-восточного ветра. В данном случае северо-восточным ветром мы называем ветер, направление которого соответствует диапазону 10°–80° по азимуту. Именно такой ветер был отмечен в исследуемом районе с 19 по 23 апреля (рис. 1). Также благоприятным было и то, что в этот период стояла безоблачная погода, и мы имели возможность получить спутниковые снимки района исследования (рис. 2).

Район исследования охватывал прибрежную акваторию Черного моря от мыса Чауда на Крымском полуострове до мыса Железный Рог на Таманском полуострове (рис. 3). Подробные измерения были проведены в Керченском проливе 23 и 24 апреля 2019 г. в форме двух разрезов поперек пролива. Гидрофизические измерения на каждой станции проводились посредством CTD-зонда (SBE Seaсat 19plus) и ADCP-зонда (Teledyne RDI Workhorse Sentinel). Также на одной из станций, расположенной у мыса Опук на Крымском полуострове, с 23 по 25 апреля была установлена заякоренная термокоса, состоящая из 15 термодатчиков, расположенных равномерно от поверхности до дна (станция 6 на рис. 3). Кроме натурных данных, в работе использовались спутниковые изображения (спектрорадиометр MODIS, NASA) исследуемого региона. Ветровые данные были получены из реанализа NCEP/NCAR, которые показали хорошее соответствие с данными прямых измерений ветра на метеостанции в г. Керчь (рис. 1).

3. РЕЗУЛЬТАТЫ

В первый день экспедиции в регионе еще действовал достаточно сильный северо-восточный ветер (рис. 1) и спутниковые снимки показывали наличие области с высокой концентрацией взвешенного вещества у черноморского побережья и в западной части Керченского пролива (рис. 2а). Предположение о том, что формирование данной области является следствием стока азовоморских вод в Черное море, нуждалось в подтверждении контактными измерениями.

Известно, что, помимо концентрации взвешенного вещества, одним из основных показателей, характеризующих различие Черного и Азовского морей, является значение солености воды. Среднее значение солености Азовского моря составляет порядка 11 епс, тогда как соответствующий показатель для Черного моря достигает значения 18 епс на поверхности [12]. Поэтому основным критерием обнаружения азовоморских вод в Черном море является наличие стратификации по солености.

Результаты измерений 22 апреля на разрезе возле мыса Чауда в Черном море (станции 1–5 на рис. 3) показали наличие опресненного слоя шириной до 5 км у поверхности, нижняя граница которого достигала 20 м (рис. 4а). Длина разреза составляла 8 км. Средняя скорость северо-восточного ветра 22 апреля составляла 9–10 м/с (рис. 1).

Результаты измерений 23 апреля на разрезе возле мыса Опук (станции 6–10 на рис. 3) также показали наличие опресненного слоя, но значительно меньших размеров (рис. 4б). Толщина этого слоя в данном случае составляла порядка 15 м, в то время как его ширина на поверхности уменьшилась до 3 км. 23 апреля северо-восточный ветер начал ослабевать, и его средняя скорость не превышала 5 м/c (рис. 1). В 2 км от берега была установлена термокоса (станция 6 на рис. 3), которая показала наличие температурной стратификации и в первые часы измерений зарегистрировала наибольшую область с повышенным значением температуры воды у поверхности за все время наблюдения (рис. 5). Размер данной области практически совпадал по глубине с опресненным слоем на этом же разрезе. Также следует отметить, что температура воздуха повышалась на протяжении всего периода экспедиции и достигла своего пика 25 апреля.

Данные по солености, полученные 23 апреля на первом разрезе в Керченском проливе (станции 11–18 на рис. 3), показали сильно опресненную область в западной части пролива (рис. 6а).

В проливе установилось преимущественно черноморское течение (из Черного моря в Азовское море) до 25 см/c, несмотря на воздействие слабого северо-восточного ветра (рис. 7). Азовоморское течение (из Азовского моря в Черное море) занимало незначительную область в проливе, и скорость течения не превышала 5 см/c на поверхности.

Результаты измерений 24 апреля на втором разрезе в Керченском проливе (станции 24–30 на рис. 3) показали, что распределение солености в значительной степени отличалось от той, которая была получена на первом разрезе. В частности, результаты измерений показали отсутствие опресненного слоя в западной части пролива (рис. 6б). 24 апреля в районе исследований присутствовал слабый южный ветер до 2 м/c (рис. 1).

В этот же день проводились измерения на разрезе в Черном море к востоку от Керченского пролива, возле мыса Железный рог (станции 19–23 на рис. 3). Результаты измерений не выявили определенных особенностей и показали однородное распределение солености на поверхности.

25 апреля на разрезе возле мыса Такиль, расположенного непосредственно у выхода из Керченского пролива (станции 31–34 на рис. 3), зарегистрирована незначительная опресненная область вблизи поверхности (рис. 4в). На протяжении всего дня в регионе наблюдался практически полный штиль (рис. 1).

4. ОБСУЖДЕНИЕ

Несмотря на то, что в Керченском проливе в значительной степени преобладало черноморское течение (рис. 7), данные измерений показали, что мы были свидетелями интенсивного стока азовоморских вод в Черное море. Действительно, спутниковые данные (рис. 2а) хорошо согласуются с результатами контактных измерений, которые показали наличие опресненного слоя у юго-восточного побережья Крымского полуострова и в западной части Керченского пролива 22 и 23 апреля (рис. 4а, 4б, 6a). После завершения периода действия северо-восточного ветра азовоморский плюм более не наблюдался на спутниковых снимках (рис 2б, 2в), и результаты контактных измерений также показали отсутствие азовоморских вод у границы Керченского пролива с Черным морем (рис. 4в, 6б).

Согласно результатам измерений течения в Керченском проливе, сток азовоморских вод прекратился уже 23 апреля, когда средняя скорость северо-восточного ветра по данным метеостанции составляла 4.8 м/c (рис. 1). Несмотря на то, что в проливе еще присутствовали азовоморские воды (рис. 6а), северо-восточный ветер уже не мог способствовать их стоку в Черное море, и в поверхностном слое стало формироваться слабое черноморское течение до 25 см/c (рис. 7). Данные наблюдения, в некоторой степени, подтверждают выводы, сделанные нами в предыдущей работе [31], где было эмпирически определено, что сток азовоморских вод происходит под воздействием северо-восточного ветра, скорость которого превышает 5 м/с. Именно при таком пороговом значении скорости ветра мы получали минимальную погрешность (среднеквадратичную ошибку) при построении зависимостей пространственных характеристик азовоморского плюма от параметров ветра. Здесь также будут показательны результаты осенней экспедиции (3–5 сентября 2019 г.), когда проводились аналогичные исследования в условиях слабого северо-восточного ветра (до 4 м/c) и не было обнаружено никаких следов азовоморского стока в южной части Керченского пролива и прилегающей акватории Черного моря за весь период экспедиции.

Необходимо также объяснить причину возникновения черноморского течения в проливе. В нашей работе [31] мы описывали похожие случаи притока черноморских вод в Азовское море после длительного периода интенсивного стока азовоморских вод в Черное море. Данный процесс был идентифицирован на спутниковых снимках, и численная модель также успешно воспроизводила его. Мы объясняем это явление реверсом баротропной составляющей градиента давления, что вызывает компенсационное течение, направленное в обратную сторону (из Черного моря в Азовское море). Подобный процесс уже был описан нашими коллегами, исследовавшими водообмен между лагуной Патос и Атлантическим океаном в Бразилии [30]. Примечательно, что через два дня после окончания экспедиции было обнаружено проникновение черноморских вод в Азовское море на спутниковых снимках (рис. 2в).

Результаты измерений в Керченском проливе позволили сделать еще одно интересное наблюдение. На рис. 6а видно, что область, соответствующая азовоморским водам, занимает весьма значительный объем и располагается по всей глубине Керченского пролива. Причем мы наблюдаем данную ситуацию уже после ослабления северо-восточного ветра. Поэтому допустимо предположить, что в период интенсивного стока азовоморские воды занимали еще больший объем в проливе. Тем более, можно заметить, что взаимное расположение областей с разной соленостью на рис. 6а весьма характерно в условиях отсутствия влияния сильного ветра и соответствует представлениям о том, как более плотные массы вытесняют азовоморские воды в придонном слое. Если учитывать, что северная часть пролива довольно узкая и неглубокая, то мы можем с большой уверенностью говорить о том, что водообмен в данном случае имел односторонний характер.

Этот вывод подтверждают результаты измерений наших коллег в 2011 г. в северной части Керченского пролива, когда в регионе присутствовал такой же сильный северо-восточный ветер и было зарегистрировано азовоморское течение по всей глубине пролива [13]. С другой стороны, по данным измерений течения в Керченском проливе за период 1981–2006 гг. было определено, что наибольшие расходы воды приходятся именно на односторонние течения [15]. В более ранних работах немаловажную роль в водообмене отводили речному стоку в Азовское море [4, 9, 10]. Однако исследования последних лет говорят о тенденции к снижению объема стока таких крупных рек, как Дон и Кубань [12]. Подобный вывод мы уже делали в предыдущей работе [31], где показали, что в современных условиях речной сток в Азовское море не может оказывать существенного влияния на водообмен на синоптическом и межсезонном масштабах. Поэтому, исходя из данных рассуждений и полученных оценок масштаба азовоморского плюма, мы полагаем, что определяющим фактором в процессе водообмена между Азовским и Черным морями является именно ветер.

Исходя из данного вывода, мы можем сформировать статистику по стоку азовоморских вод в Черное море за последние двадцать лет на основе данных реанализа ветра (табл. 1) и применить новый метод для расчета расхода азовоморской воды через Керченский пролив. Из табл. 1 видно, что наибольшая вероятность стока азовоморских вод соответствует осеннему и зимнему периодам, когда наблюдаются наиболее сильные и продолжительные северо-восточные ветра. Летом же, наоборот, ветра утихают, и вероятность стока азовоморских вод достигает своих минимальных значений.

Расчет объема азовоморского стока, представленного в табл. 1, основывается, главным образом, на оценке пространственных характеристик азовоморского плюма в Черном море и, в частности, на определении зависимости его площади от параметров ветра. В предыдущей работе [31] мы получили данную зависимость на основе анализа спутниковых данных:

где S – искомая площадь азовоморского плюма, км²; τ_t – напряжение трения ветра, осредненное за период времени t, Н/м²; t – период времени, когда направление ветра соответствует диапазону 10°–80° по азимуту и скорость ветра превышает 5 м/с. Среднеквадратичная ошибка при определении площади азовоморского плюма составляла 163 км².

Для вычисления объема азовоморского стока, помимо площади распространения, необходимо также определить среднюю толщину условного слоя, соответствующего азовоморским водам. По очевидным причинам мы не можем использовать толщину азовоморского плюма, поскольку, попадая в Черное море, азовоморские воды подвергаются интенсивному перемешиванию под воздействием сильного северо-восточного ветра и черноморского течения. Поэтому мы можем ориентироваться только на глубину Керченского пролива, а точнее, его западной части, где располагаются азовоморские воды согласно спутниковым и натурным данным. Но и в данном случае этого недостаточно, поскольку искомая толщина, в условиях распространения азовоморских вод в Черном море, должна быть значительно меньше глубины пролива. Тем не менее, благодаря многолетним измерениям расходов воды в Керченском проливе, существует возможность определить необходимую величину эмпирическим путем.

В монографии [15] указывается диапазон годового расхода азовоморской воды за период 1981–2006 гг. (34–74 км³/год). При расчете расхода воды новым методом за данный период, полученные значения равномерно распределялись в указанном диапазоне, при значении толщины азовоморского слоя, равном 2.7 метра (рис. 8). Но особенно примечательно, что рассчитанное по новому методу среднее значение годового расхода азовоморской воды (53 км³/год) практически совпадает со средним значением из всех оценок водообмена через Керченский пролив (55 км³/год) [12]. Интересно, что похожий результат мы получили и при расчете среднегодового расхода азовоморской воды за последние двадцать лет (табл. 1).

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключении следует отметить, что одним из важных результатов проведенной экспедиции является определение соответствия между спутниковыми и натурными данными. Несмотря на то, что численная модель воспроизвела сток азовоморских вод в Черное море, необходимо было убедиться в том, что область, которую мы называем азовоморским плюмом и наблюдаем на спутниковых снимках, действительно определяет наличие азовоморской воды в Черном море. Причем желательно было убедиться в этом на достаточно большом расстоянии от Керченского пролива, так как азовоморский плюм может быть довольно протяженным и в некоторых случаях достигать южной оконечности Крымского полуострова. Именно данное наблюдение позволило нам оправдать, в должной мере, использование нового метода расчета расхода азовоморской воды. Представленный метод, очевидно, не может претендовать на высокую точность, однако его преимущество заключается в простоте использования, что позволяет приблизительно оценить расход азовоморской воды по данным реанализа ветра за любой период времени.

Полученная зависимость объема поступающей азовоморской воды в Черное море от ветрового воздействия – это простой и эффективный инструмент для численного моделирования поступления азовоморских вод в Черном море. Многие численные модели Черного моря не воспроизводят Азовское море и, как правило, задают сток азовоморских вод как граничное условие на основе среднемесячных или среднесезонных значений. С другой стороны, данный процесс характеризуется значительной синоптической изменчивостью, чем обуславливается существенное преимущество использования предлагаемой в статье параметризации на основе ветрового воздействия по сравнению со среднеклиматическими значениями стока.

Также следует отметить важность отношения объемов эстуария лагунного типа и поступающего в него речного стока, которое определяет относительные роли речного стока и ветра в формировании водообмена. В данной работе мы сделали вывод о том, что ветер является определяющим фактором в процессе водообмена между Азовским и Черным морями. В качестве противоположного примера можно привести водообмен в Амурском лимане [20], где сезонные колебания речного стока оказывают доминирующее влияние. В лагуне Патос, в Бразилии, водообмен с Атлантическим океаном в равной степени зависит от речного стока и ветра [30].

Важно и то, что впервые удалось оценить масштабы азовоморского плюма в условиях сильного северо-восточного ветра. В данном аспекте проведенная экспедиция отличается от более ранних исследований, где основное внимание уделялось измерениям течений в Керченском проливе [13, 15, 19].

К сожалению, нам не удалость привести аналогичных рассуждений и результатов в отношении процесса притока черноморских вод в Азовское море. Продвижение в данном направлении требует дальнейших исследований. Тем не менее, обнаружение факта формирования черноморского течения в Керченском проливе после интенсивного стока азовоморских вод представляется важным аспектом в изучении водообмена между Черным и Азовским морями.

Источники финансирования. Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ, тема 0149-2019-0003 (анализ натурных исторических данных) и была частично поддержана грантами Российского научного фонда, проект 18-17-00156 (анализ распространения азовоморского плюма) и Российского фонда фундаментальных исследований, проекты 18-05-80049 (исследование структуры течений в Керченском проливе), 19-55-80004 (разработка спутниковых алгоритмов для определения параметров плюма) и 20-55-75002 (применение реанализов полей ветра для оценок водообмена через пролив), а также грантом РНФ 18-47-06202 (статистики расходов воды в Керченском проливе и речного стока в Азовское море).