Океанология, 2022, T. 62, № 5, стр. 677-689

Приливные колебания уровня Азовского моря

А. И. Корженовская 12*, И. П. Медведев 2, В. С. Архипкин 1

1 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
Москва, Россия

2 Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН
Москва, Россия

* E-mail: A79198153474@yandex.ru

Поступила в редакцию 22.10.2021
После доработки 02.12.2021
Принята к публикации 16.12.2021

Полный текст (PDF)

Аннотация

Длительные ряды ежечасных наблюдений на 14 прибрежных мареографах были использованы для исследования особенностей приливных колебаний уровня Азовского моря. Спектральный анализ показал наличие острых пиков, соответствующих суточным и полусуточным приливным гармоникам. Гармонический анализ приливов для отдельных годовых серий уровня моря с последующим векторным осреднением за весь период наблюдений был использован для оценки амплитуд и фаз 11 приливных гармоник. Амплитуда основных суточных гармоник в основном больше, чем полусуточных. Амплитуда суточной радиационной гармоники S1 меняется от 6 см в вершине Таганрогского залива до 0.5 см в Керченском проливе, тогда как амплитуда основной полусуточной гравитационной гармоники M2 внутри акватории моря меняется от 1.0 см в юго-восточной части Азовского моря до 0.38 см на станции Мысовое. Установлено, что внутри Азовского моря характер прилива существенно изменяется от правильного суточного на севере до неправильного полусуточного вблизи Керченского пролива. Максимальная теоретическая величина прилива обнаружена в вершине Таганрогского залива – до 19.5 см, а наименьшая отмечена в Керченском проливе – 4.9 см. Предположение о преимущественно радиационной природе суточных приливов подтверждается сезонной изменчивостью их спектра. Вероятно, радиационные приливы в Азовском море формируются под влиянием бризовой циркуляции, которая лучше всего выражена в летний период.

Ключевые слова: Азовское море, приливы, спектральный анализ, радиационные приливы

1. ВВЕДЕНИЕ

Азовское море – самое изолированное и мелководное море Мирового океана. Его максимальная глубина составляет 13.5 м. Оно соединяется с другим сильно изолированным от Мирового океана морем – Черным морем – через Керченский пролив, ширина которого – 5–15 км [2]. Основными видами мезомасштабных колебаний уровня здесь являются штормовые нагоны и сейши. Но также в Азовском море наблюдаются и приливные колебания уровня. В начале XX века И.В. Курчатов [4] обратил внимание на близость периода собственных колебаний Азовского моря (23 ч) с периодом “метеорологической приливной волны”. Первые оценки амплитуд основных приливных гармоник в Азовском море были представлены Эндрёсом в 1932 г. [12]. В монографии [1] дается краткое упоминание, что в акватории Азовского моря присутствуют периодические суточные и полусуточные колебания уровня, которые, как предполагают авторы, вызваны волной, возникающей “в результате частичной передачи энергии приливных колебаний уровня Черного моря через Керченский пролив водным массам Азовского моря”. К сожалению, в [1] были использованы короткие временны́е ряды данных, что не позволило получить высокое частотное разрешение и определить генезис колебаний.

Традиционно основное внимание при численном моделировании короткопериодных колебаний уровня Азовского моря уделяется сгонно-нагонным явлениям [3, 7, 10] и сейшам [5, 9]. В последние годы, с развитием методов численного моделирования, несколько научных исследований косвенно рассматривали приливы в Азовском море [13, 14]. Основное внимание в этих исследованиях уделялось Средиземному [13] и Черному [13, 14] морям. Анализ многолетних рядов данных наблюдений за уровнем Азовского моря в этих исследованиях не проводился.

2. ДАННЫЕ

В настоящей работе были использованы данные наблюдений на 14 прибрежных гидрометеорологических пунктах Азовского моря, расположение которых показано на рис. 1, а их характеристики представлены в табл. 1.

Рис. 1.

Схема расположения станций, использованных в работе. Номера на рисунке соответствуют номерам станций, указанным в табл. 1.

Таблица 1.  

Характеристики станций, использованных для анализа колебаний уровня Азовского моря. В последней колонке представлены годы наблюдений, для которых выполнялся гармонический анализ

  Станция Широта
°с.ш.
Долгота
°в.д.
Период наблюдений Гармонический анализ
1 Таганрог 47.20 38.90 1977–2003
2 Перебойный 47.18 39.23 1980–1984 1981–1982
3 Рогожкино 47.17 39.33 1977–1984 1978, 1982–1983
4 Дугино 47.17 39.43 1977–1984 1978, 1980–1983
5 Ейск-порт 46.80 38.27 1977–1995 1977–1984, 1986–1987, 1989–1994
6 Приморско-Ахтарск 46.03 38.15 1977–1982 1977–1981
7 Кубанская устьевая 45.32 37.38 1977–1978 1977–1978
8 Темрюк-порт 45.28 37.37 1979–2017 1979–1987, 1989, 1991–2016
9 Тамань 45.22 36.72 1977–1992 1977–1984
10 Керчь 45.40 36.42 1977–2017 1977–1989
11 Опасное 45.40 36.60 1977–1995 1977–1995
12 Мысовое 45.50 35.80 1977–1995 1977–1994
13 Геническ 46.17 34.82 1977–1995 1983–1995
14 Мариуполь 47.03 37.50 1977–1995 1977–1995

Данные наблюдений отвечают условиям однородности: все ряды наблюдений имеют дискретность 1 ч, вертикальное разрешение данных – 1 см, все они приведены ко времени Гринвичского меридиана (UTC), принадлежат к единой системе высот (БС + 5 м). Ряды записей на большинстве пунктов начинаются с 1977 года. Данные взяты с сайта Единой государственной системы информации об обстановке в Мировом океане (ЕСИМО).

В рядах наблюдений были устранены выбросы и сбои, короткие пропуски интерполированы. Ряды наблюдений, имеющие длительные пропуски, были исключены из анализа (например, гидрометеорологический пост в Таганроге). Таким образом, анализ приливов в Азовском море проводился по данным 13 прибрежных пунктов наблюдений.

3. СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ

Спектральный анализ позволяет подробно рассмотреть структуру колебаний, узнать природу отдельных пиков в спектре колебаний уровня и понять, на какие частоты приходится наибольшее количество волновой энергии. В данной работе был применен распространенный в естественных науках метод Уэлча, основанный на быстром преобразовании Фурье. Спектры были рассчитаны на основе данных многолетних рядов наблюдений за уровнем с использованием спектрального окна Кайзера-Бесселя N = 8192 ч, с половинным перекрытием.

В качестве примера на рис. 2 представлены спектры колебаний уровня моря на четырех станциях, расположенных в различных районах Азовского моря: Дугино (4) – в вершине Таганрогского залива, Приморско-Ахтарск (6) – на восточном побережье, Тамань (9) и Керчь (10) – в Керченском проливе (номера в скобах соответствуют номерам станций на рис. 1 и в табл. 1).

Рис. 2.

Спектры колебаний уровня моря на станциях Дугино, Приморско-Ахтарск, Тамань, Керчь. Отмечены пики суточных (D) и полусуточных (SD) приливных гармоник, показаны 95% доверительные интервалы, указано число степеней свободы при расчетах спектров (ν).

Несмотря на то, что приливы в Азовском море имеют малые амплитуды, они хорошо выделяются на всех четырех спектрах в виде острых пиков на частотах основных суточных и полусуточных гармоник. В Дугино и Приморско-Ахтарске суточные пики существенно превышают пики в области полусуточных частот. В Керчи спектральная плотность суточных и полусуточных пиков имеет близкий порядок значений. В Тамани полусуточные составляющие преобладают над суточными.

В целом с увеличением частоты колебаний спектральная плотность непрерывной части (континуума) спектра на всех станциях спадает как функция f 2. Локальные нарушения этого закона спадания спектра связаны с влиянием метеорологических возмущений, энергия которых концентрируется вблизи периодов собственных колебаний бассейна – сейш Азовского моря. Так, в Дугино наблюдается увеличение континуума в широком диапазоне периодов от 0.05 до 2–3 цикл/сут, что связано с усилением сгонно-нагонных колебаний уровня моря в вершине Таганрогского залива. На частотах меньше 1 цикл/сут спектральная плотность спадает как функция f 1.5, на частотах выше 1 цикл/сут энергия уменьшается по закону f 2.5, что связано с концетрацией энергии вблизи периода собственных колебаний (~24 ч). В Приморско-Ахтарске преобладают сейши с частотами около 1.8 и 3.5 цикл/сут. На спектрах в Керчи проявляются пики собственных колебаний уровня с высокими частотами, около 3.7 и 7.9 цикл/сут, в Тамани проявляется один пик собственных колебаний уровня с частотой около 7.8 цикл/сут.

Как известно [6, 14, 15 ], суточные и полусуточные приливные спектральные пики состоят из большого числа отдельных компонент, имеющих различные механизмы формирования. Для изучения тонкой спектральной структуры суточных и полусуточных пиков и определения их генезиса требуется проведение анализа с высоким частотным разрешением.

4. СПЕКТРЫ С ВЫСОКИМ РАЗРЕШЕНИЕМ

Спектральный анализ с высоким разрешением позволяет на основе длительных рядов наблюдений выделить из суточных и полусуточных пиков отдельные приливные составляющие. В данной работе спектры с высоким разрешением так же, как и обычные спектры, рассчитывались с помощью быстрого преобразования Фурье, но с длиной спектрального окна N = 87 660 ч. На рис. 3 представлены спектры с высоким разрешением для четырех станций, наиболее ярко отражающих особенности приливов в разных частях акватории Азовского моря.

Рис. 3.

Спектры с высоким разрешением колебаний уровня Азовского моря для суточного и полусуточного диапазонов частот на станциях (а) Дугино, (б) Приморско-Ахтарск, (в) Тамань и (г) Керчь, показаны 95% доверительные интервалы. Отмечены пики, соответствующие главным приливным гармоникам (O1, S1, K1, M2, S2 и др.), а также показана частота, на которой отсутствует гармоника – “O1?”.

В суточном приливном диапазоне на всех рассматриваемых станциях наибольшей по амплитуде является радиационная гармоника S1, превосходящая гравитационные O1, K1 и P1 (рис. 3). На большинстве станций отличительной особенностью суточного приливного частотного диапазона является отсутствие основной гравитационной гармоники O1. Эта гармоника присутствует только в Тамани (рис. 3в) и Керчи (рис. 3г), на остальных станциях она не превышает уровень шума. Составляющие K1 и P1 на большинстве станций (например, рис. 3а, 3б) имеют близкие значение спектральной плотности, хотя в приливном потенциале амплитуда K1 в 3 раза превышает амплитуду гармоники P1 (табл. 2). В Тамани (рис. 3в) и Керчи (рис. 3г) спектральная плотность гармоники P1 заметно ниже, чем у K1, но все равно на всех станциях ее амплитуда больше, чем у гармоники O1, хотя в приливном потенциале она меньше в 1.5 раза. Все перечисленные особенности тонкой спектральной структуры суточных приливов связаны с влиянием радиационных приливов.

Таблица 2.  

Амплитуда (H, см) и фаза (G, °) основных приливных гармоник, тип прилива (F) и максимальный размах приливных колебаний (R, см), в том числе с учетом суточной радиационной составляющей (R + S1, см) на станциях Азовского моря. Теоретические значения приливного потенциала – по Картрайту [11]

Станция Sa Ssa Q1 O1 P1 S1 K1
H G H G H G H G H G H G H G
2 Перебойный 13.8 118 4.0 192 0.39 176 0.76 280 2.55 144 6.04 8 2.21 169
3 Рогожкино 12.8 121 2.9 193 0.17 125 0.98 301 2.05 140 6.00 10 1.75 159
4 Дугино 14.9 129 6.3 143 0.22 107 0.92 289 2.06 139 5.78 13 2.15 173
5 Ейск-порт 12.9 149 5.3 193 0.22 338 0.41 274 1.28 107 4.49 330 1.58 138
6 Приморско-Ахтарск 14.2 149 4.6 130 0.26 274 0.27 203 0.76 25 3.48 255 0.84 68
7 Кубанская устьевая 16.6 150 1.6 60 0.42 158 0.23 194 0.58 3 1.63 217 0.14 124
8 Темрюк-порт 9.8 134 3.2 221 0.06 301 0.22 188 0.52 343 2.12 225 0.17 13
9 Тамань 10.6 135 3.1 226 0.07 290 0.25 275 0.15 286 0.48 231 0.34 288
10 Керчь 10.2 133 3.3 224 0.05 248 0.17 240 0.29 306 0.84 197 0.43 291
11 Опасное 9.9 135 3.7 220 0.10 233 0.14 161 0.42 306 1.36 182 0.24 329
12 Мысовое 9.9 124 3.1 227 0.06 181 0.22 98 0.61 287 2.17 154 0.63 330
13 Геническ 8.4 129 2.2 188 0.14 97 0.33 71 0.93 304 3.34 159 1.33 350
14 Мариуполь 12.1 134 4.2 197 0.06 34 0.23 334 0.80 150 3.43 22 0.89 209
  Приливной потенциал 0.01156 0.07281 0.07217 0.37694 0.17543 0.00416 0.53011
Станция N2 M2 S2 K2 F R R + S1
H G H G H G H G
2 Перебойный 0.18 292 0.45 304 0.23 86 0.05 70 4.36 7.30 19.4
3 Рогожкино 0.24 302 0.64 309 0.10 41 0.13 92 3.69 6.95 19.0
4 Дугино 0.21 306 0.58 320 0.22 104 0.12 119 3.82 7.73 19.3
5 Ейск-порт 0.08 136 0.42 126 0.20 231 0.01 83 3.21 5.20 14.2
6 Приморско-Ахтарск 0.09 291 0.65 332 0.83 22 0.09 57 0.75 5.16 12.1
7 Кубанская устьевая 0.14 297 0.98 266 0.65 344 0.10 195 0.23 3.99 7.2
8 Темрюк-порт 0.21 263 0.75 280 0.63 354 0.14 234 0.29 3.54 7.8
9 Тамань 0.20 257 0.99 259 0.38 298 0.13 261 0.43 3.93 4.9
10 Керчь 0.14 217 0.77 223 0.34 241 0.14 224 0.55 3.43 5.1
11 Опасное 0.14 259 0.65 256 0.32 336 0.14 228 0.39 2.69 5.4
12 Мысовое 0.06 218 0.38 226 0.23 333 0.05 171 1.42 2.92 7.3
13 Геническ 0.22 155 0.90 156 0.13 187 0.22 90 1.61 5.37 12.1
14 Мариуполь 0.13 80 0.59 79 0.17 264 0.06 320 1.49 3.77 10.4
  Приливной потенциал 0.17386 0.90809  0.42248  0.11498

В полусуточном приливном диапазоне на всех станциях хорошо выделяется гармоника M2, несколько меньшую спектральную плотность имеют N2, T2 и R2, но все равно они заметны над уровнем шума; R2 не наблюдается только в Приморско-Ахтарске (рис. 3б). Также почти на всех станциях присутствует гармоника S2, в некоторых случаях сравнимая или даже превышающая M2. Таким образом, радиационные приливы оказывают существенное влияние и на полусуточный диапазон частот.

Для всех станций, кроме Тамани (рис. 3в) и Керчи (рис. 3г), характерно превышение суточной радиационной гармоники S1 над полусуточной гравитационной M2. Особенно ярко это заметно в вершине Таганрогского залива, на станции Дугино (рис. 3а). В западной (Геническ) и восточной (Дугино, Приморско-Ахтарск и др.) частях Азовского моря хорошо развиты сгонно-нагонные колебания уровня моря. Под их влиянием поднимается фоновый уровень спектральной энергии (естественный длинноволновый шум), и некоторые приливные гармоники совсем немного его превышают. В Керченском проливе метеорологические колебания уровня моря менее развиты и как следствие – уровень спектрального шума на станциях Тамань и Керчь существенно ниже и приливные составляющие заметно его превышают. Для аккуратной оценки амплитуд приливных составляющих был проведен гармонический анализ.

5. ГАРМОНИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРИЛИВОВ

Гармонический анализ проводился по методу наименьших квадратов. Сначала рассчитывались амплитуды и фазы основных приливных гармоник для каждого отдельного года, а затем полученные значения осреднялись за весь период наблюдений (табл. 2).

Амплитуды основных суточных гармоник в основном больше, чем у полусуточных. Суточная радиационная гармоника S1 достигает наибольшей амплитуды в вершине Таганрогского залива – до 6 см на станции Перебойный, а самые низкие значения наблюдаются в Керченском проливе на станции Тамань, где ее амплитуда не превышает 0.5 см (рис. 4в). Суточные гравитационные гармоники O1 и Q1 на всей акватории не превышают 1 см и максимальных значений достигают на станции Рогожкино, в Таганрогском заливе (рис. 5в) и на станции Кубанская устьевая соответственно.

Рис. 4.

Распределение амплитуд (H, см) и фаз (G, °) суточной гармоники S1 (а), годовой гармоники Sa (б) и полугодовой гармоники Ssa (в) по результатам гармонического анализа многолетних рядов данных.

Рис. 5.

Приливные карты полусуточной M2 (а) и суточных K1 (б) и О1 (в) гармоник в Азовском море по данным численных расчетов и наблюдений. Сплошной линией изображены котидали (линии одинаковых фаз в градусах), цветом показаны амплитуды (см) по данным численных расчетов. Значения амплитуд и фаз гармоник, рассчитанные по натурным наблюдениям рядом с соответствующими пунктами: в числителе амплитуда (обычным черным шрифтом), в знаменателе – фаза (синим курсивом).

Гармоники K1 и P1 на некоторых станциях могут достигать 2.2 и 2.5 см соответственно. Такие значения наблюдаются в вершине Таганрогского залива (рис. 5б). На некоторых станциях наблюдается нехарактерное для данных гармоник свойство – их амплитуды практически равны. На некоторых станциях амплитуды P1 значительно превышают амплитуды K1, что говорит об аномальном характере суточных гравитационных приливов. Так происходит на станциях Темрюк и Кубанская устьевая. На станции Тамань отношение амплитуд K1 к P1 составляет около 2.3, что близко к отношению их амплитуд в статической теории приливов – 3.0.

Наибольших амплитуд в полусуточном частотном диапазоне достигает главная лунная гармоника M2. Амплитуда гармоники M2 по всей акватории колеблется от 0.98 см в юго-восточной части Азовского моря до 0.38 на станции Мысовое (рис. 5а). Амплитуды полусуточных гармоник N2 и K2 на всех станциях не превышают 0.25 см. Гармоника S2 достигает своего максимального значения 0.83 см в Приморско-Ахтарске, а также 0.65 см на станции Кубанская устьевая и в Темрюке, а в остальном сравнима по значениям с амплитудами N2 и K2.

Анализ рядов наблюдений колебаний уровня моря позволил оценить характер прилива (F) в Азовском море, представляющий собой отношение амплитуд суточных гармоник K1 и O1 к полусуточным M2 и S2. В северо-восточной части моря, в районе Таганрогского залива, преобладает правильный суточный прилив (F > 3), в южной – смешанный неправильный полусуточный (0.3 < F < < 0.6), на западных станциях преобладает неправильный суточный (1.5 < F < 3). Таким образом, внутри Азовского моря характер прилива существенно изменяется от правильного суточного на севере до неправильного полусуточного вблизи Керченского пролива.

Максимально возможную теоретическую величину прилива можно оценить по формуле

(1)
$R = 2\left( {{{H}_{{{{{\text{K}}}_{1}}}}} + {{H}_{{{{{\text{O}}}_{{\text{1}}}}}}} + {{H}_{{{{{\text{M}}}_{2}}}}} + {{H}_{{{{{\text{S}}}_{1}}}}}} \right),$
где H – амплитуда гармоники.

Максимальная величина прилива приходятся на вершину Таганрогского залива – до 19.5 см, а наименьшая наблюдается в Керченском проливе – 4.9 см (табл. 2). Так как амплитуда суточной радиационной гармоники S1 для ряда пунктов существенно превосходит амплитуды всех других гармоник, в настоящем исследовании также была рассчитана максимальная величина приливных колебаний уровня с учетом S1. В южной части акватории и в Керченском проливе величина меняется несущественно, но в северной части Азовского моря учет гармоники S1 увеличил максимальную вкличину прилива более чем в 2 раза.

Анализ дисперсии различных типов колебания уровня Азовского моря позволил установить, что относительный вклад суммарного (гравитационного и радиационного) прилива в дисперсию колебаний уровня с периодами 4 ч – 10 суток составляет от 4.8% для станции Мысовое до 17.7% в Перебойном, а для периодов 4–30 ч – от 92% на станции Перебойный до 12% на Кубанской устьевой. Таким образом, суточные и полусуточные приливы – важная составляющая мезомасштабных колебаний уровня Азовского моря.

6. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРИЛИВОВ

Представленные результаты гармонического анализа дают информацию об особенностях прилива в отдельных пунктах побережья, но не отображают полной приливной картины во всем Азовском море. Для выявления пространственных особенностей приливов в Азовском море было выполнено численное моделирование. Расчеты проводились на модели приливов Черного и Азовского морей, соединяющихся Керченским проливом [14], в основе которой лежит Принстонская модель океана (POM). Вынуждающая сила задавалась через градиенты приливного потенциала над рассматриваемой акваторией:

(2)
${{\bar {F}}_{T}} = - \left( {1 + k - h} \right)\nabla {{\bar {\Omega },}}$
где ${{\bar {F}}_{T}}$ – приливообразующая сила, ${{\Omega }}$ – приливной потенциал, а h и k – числа Лява, характеризующие соответственно отношение высоты земного прилива к высоте статического прилива в океане и отношение дополнительного гравитационного потенциала к приливному потенциалу [17]. Приливной потенциал ${{\Omega }}$ рассчитывался по формулам, представленным в работе [16]. Отклик уровня моря на изменения приливного потенциала воспроизводился с помощью 2D-версии модели, основанной на осредненных по глубине уравнениях движения в длинноволновом приближении. В уравнениях движения сила трения определяется величиной модуля скорости придонного течения и коэффициентом трения ${{C}_{b}}$:
(3)
${{\tau }_{{bx}}} = {{C}_{b}}{{u}_{b}}\sqrt {u_{b}^{2} + {v}_{b}^{2}} \,\,\,{\text{и}}\,\,\,{{\tau }_{{by}}} = {{C}_{b}}{{{v}}_{b}}\sqrt {u_{b}^{2} + {v}_{b}^{2}} ,$
где ${{u}_{b}}$ и ${{{v}}_{b}}$ – компоненты скорости течения выше придонного пограничного слоя (для двумерной модели полагается равной баротропной скорости). На месте пролива Босфор была задана стенка (условие непротекания). Таким образом, численная модель воспроизводила только собственный прилив бассейна Черного и Азовского морей. Расчеты выполнялись на сетке с равномерным шагом по широте и долготе с разрешением 0.01°, созданной на основе данных о батиметрии GEBCO и уточненной для прибрежных участков Азовского моря с помощью навигационных карт. Были воспроизведены приливы в Азовском море для годовой серии (8760 часов). При помощи гармонического анализа были рассчитаны амплитуды и фазы основных приливных гармоник. В этом разделе мы рассмотрим пространственную структуру суточных и полусуточных приливов на примере гармоник M2, K1 и O1.

Полусуточный прилив M2 распространяется в Азовском море в виде двух амфидромических систем (рис. 5а). Основная система представляет собой амфидромию Тейлора с центром на основной оси моря. Приливная волна распространяется в ней в направлении против часовой стрелки. Для этой волны характерно полное отражение от боковых границ и почти отсутствие диссипации приливной энергии. Вторая амфидромия располагается в Таганрогском заливе. Это вырожденная амфидромия со сгущением котидальных линий у северного побережья залива. Эту систему можно представить как суперпозицию двух встречных волн Кельвина. Вероятно, амплитуда отраженной волны существенно уменьшается вследствие диссипации в области дельты р. Дон (восточное побережье моря). Области минимальных амплитуд наблюдаются вблизи амфидромических точек. Области максимальных амплитуд располагаются на западном побережье (вблизи Геническа) – 1.7 см, на юго-восточном побережье (Темрюк) – 1.0 см, в вершине Таганрогского залива – 1.8 см. Локальный максимум также наблюдается в Таманском заливе Керченского пролива, до 1.7 см.

Для суточных составляющих K1 и O1 характерна одна приливная амфидромия с вращением в направлении против часовой стрелки (рис. 5б, 5в). Области наибольших амплитуд располагаются на западном (до 0.8 см для K1 и до 0.5 для O1) и восточном побережьях моря (до 1.7 см для K1 и 0.9 см для O1). Приливная амфидромия сформирована суперпозицией встречных волн Кельвина, с небольшой диссипацией в восточной части Азовского моря, вследствие чего амфидромическая точка (центр системы) сдвинута к северу относительно основной оси бассейна.

7. СЕЗОННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ ПРИЛИВОВ

Для изучения сезонных изменений спектра колебаний уровня ряды наблюдений в Азовском море были разделены на зимние (ноябрь–апрель для Дугино, декабрь–февраль для Приморско-Ахтарска, январь–март для Керчи и Тамани) и летние (май–октябрь для Дугино, март–ноябрь для Приморско-Ахтарска, апрель–декабрь для Керчи и Тамани) временны́е отрезки, выбранные в соответствии с особенностями сезонных изменений ледового режима различных частей акватории Азовского моря [2]. Для каждого временнóго отрезка рассчитывался спектр, после чего были построены спектры, осредненные по всем зимним временны́м сериям и по всем летним (рис. 6). Длина окна Кайзера-Бесселя при расчете спектров составляла N = 2048 ч, что обеспечило частотное разрешение спектра 0.0117 цикл/сут.

Рис. 6.

Сезонные спектры колебаний уровня моря на станциях Дугино (а), Приморско-Ахтарск (б), Тамань (в), Керчь (г). Красным цветом показаны летние спектры, синим цветом – зимние. Отмечены пики суточных и полусуточных приливных гармоник, показаны 95% доверительные интервалы.

Практически на всех спектрах мы видим ярко выраженную сезонную изменчивость на частотах суточных гармоник, которая проявляется в превышении летних (красных) пиков над зимними (синими) на частотах суточного диапазона колебаний уровня моря. Полусуточный диапазон гармоник, в частности, ярко выраженная составляющая M2, практически не имеет сезонной изменчивости и в разные сезоны имеет близкие значения спектральной энергии, что видно на станциях Тамань, Керчь и Опасное в южной части Азовского моря (рис. 6в, 6г). Небольшая сезонная изменчивость хода M2 присутствует в Рогожкино и Дугино (рис. 6а); это можно связать с ледовым сезоном, который в северной части акватории выражен ярче, чем в южной.

Для спектра колебаний уровня на станции Тамань характерно превышение полусуточной гармоники M2 над суточной S1 независимо от сезона (рис. 6в, 6г). В области суточных частот для этой станции зимний спектр превышает летний. Возможно, это связано с усилением непериодических (метеорологических) колебаний уровня в зимний период вблизи станции Тамань.

8. ОБСУЖДЕНИЕ

Спектральный анализ с высоким разрешением позволил на всех станциях выделить отдельные гармоники. Доминирование в суточном приливном диапазоне на всех станциях радиационной гармоники S1 и отсутствие на большинстве станций, кроме южной части моря, главной лунной суточной гравитационной гармоники O1 говорят о существенном вкладе радиационной компоненты в суммарный прилив на большей части акватории Азовского моря. Только в южной части моря и Керченском проливе гравитационные приливы сравнимы по магнитуде с радиационными.

Гармонический анализ позволил обнаружить ряд интересных особенностей. На основе распределения фаз (табл. 2) можно предположить, что суточная волна O1 распространяется в направлении против часовой стрелки, что подтверждается результатами численного моделирования (рис. 5в).

На некоторых станциях наблюдается нехарактерное для гармоник K1 и P1 свойство – их амплитуды практически равны (рис. 3а, 3б). Это происходит, к примеру, в вершине Таганрогского залива и говорит о возможном влиянии радиационных приливов на формирование этих гармоник. На некоторых станциях (Темрюк и Кубанская устьевая) амплитуды P1 значительно превышают амплитуды K1, что говорит об аномальном характере суточных гравитационных приливов.

Равенство амплитуд гармоник K1 и P1 может быть объяснено модуляцией радиационных приливов. В разложении приливного потенциала амплитуды этих гармоник соотносятся примерно как 3 : 1, но в северной части Азовского моря их амплитуды сопоставимы. Частоты гармоник К1 и Р1 связаны с частотой гармоники S1 простым соотношением

(4)
$f\left( {{{K}_{1}},{{P}_{1}}} \right) = f\left( {{{S}_{1}}} \right) \pm \Delta {\kern 1pt} {{f}_{y}},$
где $\Delta {{f}_{y}}$ = 1 цикл/год, из которого следует, что добавление к доминирующей гармонике S1 гармоник К1 и Р1 должно приводить к годовой модуляции несущей гармоники [8]. В этом случае К1 и Р1 являются гармониками-сателлитами по отношению к гармонике S1 и появляются из-за ее сезонной модуляции. Таким образом, гармоники в северной части моря имеют не гравитационное, а радиационное происхождение.

Распределение отношения амплитуд главной лунной полусуточной гармоники M2 к главной радиационной гармонике S1 показывает, что M2 вносит больший вклад в общий размах колебаний в южной части Азовского моря, в Керченском проливе. Гармоника S1, в свою очередь, вносит больший вклад на севере Азовского моря, в Таганрогском заливе. Таким образом, можно сделать вывод о преобладании радиационных приливов в северной части Азовского моря и в Таганрогском заливе и гравитационно-радиационных приливов в южной части моря.

Результаты гармонического анализа полусуточных приливных колебаний для пунктов наблюдений достаточно хорошо согласуются с результатами численного моделирования. Так, разница в расчетах фазы гармоники M2 по наблюдениям и модели для Геническа, Мысового, Темрюка, Приморско-Ахтарска составляет менее 6°. Амплитуда гармоники M2 в зависимости от станции различается на 0.1–0.3 см. Существенные отличия в амплитуде и фазе приливной гармоники по наблюдениям и моделированию получены для вершины Таганрогского залива. Расчет приливов проводился на расчетной сетке с минимальной глубиной до 1 м, а на боковых границах выполнялось условие непротекания. В реальности в восточной части Таганрогского залива находится устьевая область р. Дон, по руслам дельты которой приливная волна продолжает распространяться и частично диссипирует.

Модельные расчеты для суточной гармоники O1 существенно лучше соотносятся с результатами анализа прибрежных наблюдений, чем для гармоники K1. Ошибка в расчете амплитуды O1 составляет от 0.05 до 0.15 см в зависимости от станции. Разница в оценках фазы гармоники по модельным и наблюденным рядам для большинства станций – менее 10°, что достаточно хорошо с учетом малых значений амплитуды. В расчетах амплитуд и фаз гармоники K1 обнаружена большая разница между модельными результатами и наблюденными. Видимо, это связано с тем, что приливные характеристики гармоники K1, рассчитанные по наблюдениям, в малой степени связаны с гравитационной природой этой гармоники, а скорее вызваны влиянием радиационных приливов с суточной периодичностью.

Остается важный вопрос – приливные колебания Азовского моря формируются вследствие проникновения черноморской приливной волны или движениями водной толщи моря, образующимися непосредственно под влиянием изменений приливообразующих сил? Для ответа на этот вопрос при помощи численной модели было проведено два эксперимента. В первом эксперименте численное моделирование проводилось на совместной модели Черного и Азовского морей, которые сообщались через Керченский пролив. Во втором эксперименте Азовское море было полностью замкнутым и приливные колебания возбуждались непосредственно изменением приливного потенциала над акваторией бассейна. Результаты показали, что энергия приливной волны, проникающей из Черного моря в Азовское, при прохождении через Керченский пролив существенно уменьшается. Амплитуды суточных приливов на западном и восточном побережьях полностью замкнутого Азовского моря (2-ой эксперимент) увеличились на 6% по сравнению с амплитудами, полученными в рамках первого эксперимента, где учитывался водообмен с Черным морем через Керченский пролив. Амплитуды полусуточной составляющей M2 уменьшились на 5–12% во втором эксперименте по сравнению с первым. Таким образом, можно сделать вывод, что приливы в Азовском море образуются под непосредственным влиянием приливообразующих сил, которые выводят из равновесия водную толщу бассейна. Приливная волна, проникающая из Черного моря в Азовское, меняет амплитуды основных гармоник менее чем на 12%.

Сезонные спектры позволяют выявить выраженную сезонную изменчивость на частотах суточных гармоник, которая проявляется в превышении летних пиков над зимними на частотах суточного диапазона колебаний уровня моря, что подтверждает предположение о преимущественно радиационной природе суточных гармоник. Вероятно, радиационные приливы в Азовском море формируются под влиянием бризовой циркуляции, которая лучше всего выражена как раз в летний период.

9. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Многолетние ежечасные наблюдения изменений уровня Азовского моря позволили изучить происхождение приливных колебаний уровня данной акватории и выявить особенности их формирования. На основе длительных ежечасных рядов наблюдений были исследованы особенности приливных колебаний уровня Азовского моря. Результаты спектрального анализа показали наличие острых пиков, соответствующих суточным и полусуточным приливным гармоникам. На большей части акватории Азовского моря суточные пики превосходят полусуточные, и только в южной части они сравнимы или слабее.

Амплитуда основных суточных гармоник в основном больше, чем полусуточных. Амплитуда суточной радиационной гармоники S1 меняется от 6 см в вершине Таганрогского залива до 0.5 см в Керченском проливе, тогда как амплитуда основной полусуточной гравитационной гармоники M2 внутри акватории моря меняется от 1.0 см в юго-восточной части Азовского моря до 0.38 см на станции Мысовое. Оценка отношения амплитуд главной гравитационной гармоники M2 к главной радиационной гармонике S1 позволила выявить преобладание радиационных приливов в северной части Азовского моря и в Таганрогском заливе и гравитационно-радиационных приливов в южной части моря. Установлено, что внутри Азовского моря характер прилива существенно изменяется от правильного суточного на севере до неправильного полусуточного вблизи Керченского пролива. Максимальная теоретическая величина прилива обнаружена в вершине Таганрогского залива – до 19.5 см, а наименьшая отмечена в Керченском проливе – 4.9 см. Без учета амплитуды суточной радиационной гармоники S1 в северной части Азовского моря величина приливных колебаний уменьшается в ~2 раза.

Предположение о преимущественно радиационной природе суточных приливов подтверждается сезонной изменчивостью их спектра. Вероятно, радиационные приливы в Азовском море формируются под влиянием бризовой циркуляции, которая лучше всего выражена в летний период.

Использование численного моделирования позволило построить первые детальные карты амплитуд и фаз основных гармонических составляющих прилива в Азовском море. Результаты численных экспериментов позволяют предположить, что приливы в Азовском море образуются под непосредственным влиянием приливообразующих сил, которые выводят из равновесия водную толщу бассейна.

Источники финансирования. Работа выполнена в рамках государственного задания ИО РАН (тема № 0128-2021-0004) и при финансовой поддержке РНФ (грант № 20-77-00099).

Список литературы

  1. Герман В.К., Левиков С.П. Вероятностный анализ и моделирование колебаний уровня моря. Л.: Гидрометеоиздат, 1988. 229 с.

  2. Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР. Том 5: Азовское море / под ред. Н.П. Гоптарева. Санкт-Петербург: Гидрометеоиздат, 1991. 236 с.

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

  4. Курчатов И.В. Сейши в Черном и Азовском морях // Изв. Центр. гидромет. бюро ЦУМОРТа. 1925. Вып. 4. С. 149–158.

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

  6. Медведев И.П., Рабинович А.Б., Куликов Е.А. Приливные колебания в Балтийском море // Океанология. 2013. Т. 53. № 5. С. 596–611. https://doi.org/10.7868/S0030157413050134

  7. Попов С.К., Лобов А.Л. Диагноз и прогноз наводнения в Таганроге по оперативной гидродинамической модели // Труды Гидрометцентра России. 2016. Вып. 362. С. 92–108.

  8. Рабинович А.Б., Медведев И.П. Радиационные приливы у юго-восточного побережья Балтийского моря // Океанология. 2015. Т. 55. № 3. С. 357–365.

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

  10. Черкесов Л.В., Шульга Т.Я., Дьяков Н.Н., Станичная Р.Р. Численное исследование сгонно-нагонных процессов и течений Азовского моря в период экстремальных ветров // Морской гидрофизический журнал. 2017. № 5 (197). С. 3–20.

  11. Cartwright D.E., Tayler R.J. New computations of the tide-generating potential // Geophysical Journal International. 1971. V. 23. № 1. P. 45–73.

  12. Endros A. Die Seiches des Schwarzen und Azowschen meers und die dortigen Hubhohen der Gezeiten // Ann. Hyd. Mar. Met. 1932. V. 60. P. 442–453.

  13. Ferrarin C., Bellafiore D., Sannino G. et al. Tidal dynamics in the inter-connected Mediterranean, Marmara, Black and Azov seas // Progress in Oceanography. 2018. V. 161. P. 102–115. https://doi.org/10.1016/j.pocean.2018.02.006

  14. Medvedev I.P. Tides in the Black Sea: observations and numerical modelling // Pure and Applied Geophysics. 2018. V. 175. № 6. P. 1951–1969. https://doi.org/10.1007/s00024-018-1878-x

  15. Medvedev I.P., Rabinovich A.B., Kulikov E.A. Tides in three enclosed basins: the Baltic, Black and Caspian seas // Front. Mar. Sci. 2016. V. 3. № 46. https://doi.org/10.3389/fmars.2016.00046

  16. Munk W.H., Cartwright D.E. Tidal spectroscopy and prediction // Phil. Trans. Roy. Soc. London. Ser. A. 1966. V. 259. № 1105. P. 533–581. https://doi.org/10.1098/rsta.1966.0024

  17. Pugh D., Woodworth P. Sea-level science: understanding tides, surges, tsunamis and mean sea-level changes. Cambridge: Cambridge University Press, 2014. 395 p.

Дополнительные материалы отсутствуют.