Океанология, 2022, T. 62, № 4, стр. 532-537

ВВЕДЕНИЕ

Под мангистауским шельфом (красный прямоугольник на рис. 1) понимается район у побережья полуострова Мангышлак (Мангистау) в казахстанском секторе Каспийского моря. В этом районе находится крупнейший порт Казахстана и город с двухсоттысячным населением – Актау, целый ряд предприятий горнодобывающей и химической промышленности, осуществляется добыча и транспортировка углеводородного сырья. Годовой объем добычи нефти здесь превышает 20 миллионов тонн. Достаточно хорошо развито и рыбопромышленное производство: в 2020 г. уловы промысловых рыб составили 2.3 тысячи тонн. Очевидно, что информация о морских течениях – и, прежде всего, шельфовых, – необходима для прогнозирования переноса загрязнений, обеспечения деятельности морского транспорта, рыболовства и решения многих других практических задач. Между тем для мангистауского шельфа наиболее “свежие” натурные данные о течениях (как и о других океанологических характеристиках моря) датируются 1988 г., причем и тогда подобные измерения в этом районе были лишь единичными (см., например, [2, 5]). За прошедшие с тех пор десятилетия климат в каспийском регионе существенно изменился [3], а уровень самого моря сперва повысился более чем на 1 м, а потом снова опустился на 2.1 м [3, 7]. Можно предположить, что и режим шельфовых течений при этом претерпел изменения. В 2010 г. в 35-м рейсе НИС “Рифт” Института океанологии РАН недалеко от интересующего нас района было выполнено зондирование течений бортовым профилографом ADCP [1], но это было лишь однократное измерение.

Рис. 1.

Район исследования и расположение заякоренных автономных буйковых станций 1 и 2. Желтым кружком показано расположение г. Актау и метеостанции.

В этой связи для исследования современной прибрежной циркуляции на мангистауском шельфе в 2021 г. был реализован совместный казахстанско-российский проект “Пилотное исследование морских течений на мангистауском шельфе Каспийского моря”. Финансирование проекта осуществлялось Министерством образования и науки Республики Казахстан, организациями – инициаторами являлись Каспийский университет технологий и инжиниринга им. Ш. Есенова (г. Актау, Казахстан) и Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН (г. Москва, Россия).

ВЫПОЛНЕННЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Район исследования и расположение точек установки измерительного оборудования показаны на рис. 1. В этих точках на протяжении 69 суток находились заякоренные автономные буйковые станции (АБС), оснащенные инклинометрическими измерителями скорости и направления течения в придонном слое типа SeaHorse [6, 8 ], а также датчиками температуры воды у дна. Точные координаты станции 1 – 43°37′23.9″ с.ш., 51°08′17.8″ в.д. (глубина места – 14 м), станции 2 – 43°46′26.1″ с.ш., 51°00′07.0″ в.д. (глубина места – 13 м). Каждая из станций находилась на расстоянии около 3 км от ближайшей точки берега, а дистанция между двумя станциями составляла 12 морских миль (22 км). Обе станции были установлены с борта каботажного судна 2 июня и подняты 9 августа 2021 г. Измерения в течение всего периода наблюдений выполнялись с дискретностью 20 мин. При интерпретации результатов измерений использовались также полусуточные данные по скорости и направлению ветра, а также по температуре воздуха, полученные на метеостанции г. Актау Казгидромета и доступные на сайте https://www.gismeteo.ru/diary/5320/2021/. Векторы скорости ветра были пересчитаны в напряжение трения ветра по стандартным формулам [9]. Кроме того, анализировались спутниковые изображения района исследований инфракрасного и видимого диапазонов спектра радиометра MODIS Aqua (https://oceancolor.gsfc.nasa.gov/, всего 39 изображений за период натурных измерений). В начале периода работы АБС 2 июня 2021 г. была выполнена CTD-съемка термохалинной структуры от поверхности до дна у каждой из станций с помощью CTD-зонда CastAway.

ПОЛУЧЕННЫЕ ДАННЫЕ

Результаты 69-суточных измерений скорости течения на двух станциях показаны вместе с метеоданными на рис. 2.

Рис. 2.

Изменчивость гидрофизических параметров в течение всего периода измерений со 2 июня по 9 августа 2021 г. Сверху вниз: (а) поперечная берегу (красная заливка) и вдольбереговая (синяя заливка) компоненты напряжения трения ветра и температура воздуха (черная кривая). Положительный знак поперечной берегу компоненты напряжения трения ветра соответствует направлению с моря на сушу, параллельной берегу – направлению с юго-востока на северо-запад; (б) температура воды в придонном слое на заякоренных станциях 1 (черная кривая) и 2 (фиолетовая кривая); зональная (красная кривая) и меридиональная (синяя кривая) компоненты скорости течения в придонном слое на станциях 1 (в) и 2 (г).

На протяжении всего периода измерений отмечались ветры переменной интенсивности (от 0 до 12 м/с) почти исключительно северо-западных румбов, вообще преобладающие летом в данном районе [2]. При этом значения зональной и меридиональной компонент скорости шельфовых течений на обеих станциях находились в пределах 0–20 см/с и принимали как положительный, так и отрицательный знак, то есть течение было знакопеременным. Характерные периоды изменений направления скорости течения, так же как и силы ветра, отвечают синоптическому периоду (5–8 суток). На этом фоне отмечены также более высокочастотные инерционные колебания с периодами 16–18 ч. Средние значения скорости течения за весь период наблюдений близки к нулю, но соответствуют слабому течению на северо-запад, то есть против преобладающего ветра.

На обеих станциях зональная и меридиональная компоненты скорости течения практически всегда имели разные знаки и менялись в противофазе – такая антикорреляция говорит о том, что преобладали течения во вдольбереговом направлении по изобате с юго-запада на северо-восток, и наоборот. Соответствующие компоненты течений на станциях 1 и 2 были коррелированы между собой в высокой степени (r ~ 0.8). Это означает, что характерные пространственные масштабы преобладающих циркуляционных структур превышали расстояние между станциями (около 30 км).

Термическое состояние придонного слоя характеризовалось почти постоянными значениями температуры около 10°С на обеих станциях в течение большей части периода наблюдений, за исключением интервала времени с 22 по 30 июня, когда наблюдался быстрый рост температуры до значений около 19°С (которые, как видно из имеющихся спутниковых данных, были близки к температуре поверхности моря на этот момент) и затем еще более быстрый возврат к прежней величине, а также последней декады измерений, когда наблюдалось постепенное повышение температуры до 15°С. В обоих случаях повышение придонной температуры сопровождало интенсификацию течений в северо-западном направлении.

Столь низкая температура воды на небольшой глубине, сохранявшаяся на протяжении всего жаркого лета (когда температура воздуха в отдельные дни достигала почти 40°С, см. рис. 2а), позволяет уверенно говорить о наличии апвеллинга.

Действительно, зарегистрированные в июне вертикальные профили температуры (рис. 3) обнаружили сильную термическую стратификацию и практически полное отсутствие верхнего квазиоднородного слоя – температура почти линейно падала от 18–19°С на поверхности до 10.8°С уже на глубине 8 м. Соленость (полученная по данным CTD-зонда, без поправок на отличный от океанского ионно-солевой состав) менялась в достаточно узком интервале значений от 11.2 до 11.4 епс.

Рис. 3.

Вертикальные профили температуры (кружки) и солености (квадратики) на станциях 1 (красный цвет) и 2 (синий цвет) по данным измерений 2 июня 2021 г.

Рис. 4.

Температура поверхности моря в среднем Каспии 20 июля 2021 г. по спутниковым данным инфракрасного диапазона радиометра MODIS Aqua. Хорошо видны проявления апвеллинга у восточного побережья. Квадратом отмечен район натурных исследований.

Проявления апвеллинга в виде филаментов относительно холодной (18–24°С) воды в узкой прибрежной полосе на фоне нагретых до 27–33°С окружающих вод отмечены на 31 из 39 рассмотренных спутниковых изображений за период измерений, то есть в 80% случаев. Исходя из спутниковых данных можно утверждать, что наиболее интенсивные апвеллинги характерны для области южнее м. Песчаный и для Казахского залива, однако они распространяются в виде сужающейся к северу полосы шириной 10–30 км по всему району исследования и к северу от него вплоть до м. Тюб-Караган на широте 44.6° с.ш. Это согласуется и с опубликованными в литературе результатами анализа более долгосрочных архивов спутниковых изображений [4]. На ряде спутниковых снимков за период наших натурных измерений видны также мезомасштабные вихревые структуры предположительно сдвиговой природы на границе апвеллинговой зоны и окружающих вод. При этом примерно в 80% случаев эти вихри имели циклонический характер и лишь в 20% – антициклонический.

ВЫВОДЫ

Интерпретация вновь полученных данных натурных и спутниковых наблюдений позволяет сделать следующие выводы о характере прибрежной морской циркуляции на мангистауском шельфе в период исследований. По нашему предположению, эта циркуляция формируется под воздействием двух конкурирующих между собой механизмов: во-первых, прямого локального действия преобладающих в этом районе ветров северо-западных румбов, способствующих развитию течений в юго-восточном направлении, и, во-вторых, влияния более крупномасштабных факторов (завихренность полей ветра, неоднородность термохалинных полей), как известно, приводящих к образованию в Среднем Каспии циклонического круговорота [2, 5] и, следовательно, течений северо-западного направления у восточного побережья моря. В периоды, когда северо-западный ветер достаточно силен, преобладает первый механизм и формируется вдольбереговое течение на юго-восток, а также ветровой прибрежный апвеллинг, ярко выраженный в мощной термической стратификации и локализации очень холодных вод на малых глубинах. Такая ситуация является менее благоприятной с точки зрения экологических условий в районе исследования, поскольку основные источники загрязнения находятся к северу от него, а стратификация может способствовать аккумуляции загрязнителей в поверхностном слое и, в ряде случаев, развитию гипоксии. Однако в периоды ослабления местного ветра баланс управляющих циркуляцией сил меняется в пользу второго механизма и формируется течение циклонического знака в северо-западном направлении, а апвеллинг прекращается или ослабевает, что приводит к росту температуры в придонном слое и постепенной релаксации стратификации. Эта концептуальная схема, однако, является пока лишь гипотетической, и ее подтверждение требует дальнейших, более долгосрочных исследований.

Успешно завершенный пилотный казахстанско-российский проект позволил получить первые за длительное время систематические данные о шельфовых течениях в одном из наименее изученных районов Каспийского моря. Он также дал возможность организовать эффективное сотрудничество российских и казахстанских ученых в области исследований Каспия, которое, как нам представляется, имеет большой потенциал дальнейшего развития в среднесрочной и долгосрочной перспективе.

Источники финансирования. Исследования выполнялись в рамках проекта AR08956547 Министерства образования и науки Республики Казахстан, темы Госзадания 0128-2021-0001 Министерства науки и высшего образования Российской Федерации, а также в составе мероприятий международной программы “The Caspian Sea Digital Twin”, одобренной в рамках Десятилетия наук об океане в интересах устойчивого развития ООН.