Исследования течений Северного и Среднего Каспия, проведенные А. Л. Бондаренко

главная	астрономия	гидрометеорология	имена на карте	судомоделизм
навигация	устройство НК	памятники	морпесни	морпрактика
протокол	сокровищница	флаги	семафор	традиции
морвузы	моравиация	мороружие	словарик	кают-компания

в океанах, морях и в озерах

Виктор Алексеевич Шевьёв

Сотрудники Института Водных проблем РАН начинали исследования природы течений мелководного Северного Каспия в предположении, что течения ветровые. В соответствии с таким пониманием выбирался метод исследования – измерение параметров движения воды и ветра, вид приборов, расположение их по пространству, дискретность измерения, способы обработки информации.

Первоначально произвели наблюдения на двух АБС в пунктах 1 и 2 (рис. 1.1) в продолжении 21 суток. Результаты измерений скорости и направления ветра (верхняя диаграмма) и скорости и направления течений приведены на рис.1.2. За весь срок наблюдались две ветровые ситуации – первые 8 дней был ветер западного направления, затем 13 дней восточного. Средний период изменчивости течений равен одним суткам, наибольший период – 8 суток, наименьший – 6 часов. Общий характер изменения параметров течений приблизительно одинаков, расстояние между пунктами наблюдения 9 км. Сравнивая закономерности изменения ветра и течений, можно сказать, что они различны.

Рис. 1.1. Схема квазипостоянных течений Северного и частично Среднего Каспия.

1 – поверхностные течения, 2 – придонные течения. 3 - линия раздела двух потоков воды. Цифры – пункты стационарных измерений течений, солености и температуры воды. ПМ – плавмаяк Астраханский приемный (Бондаренко А. Л. 1993).

Для обнаружения статистических зависимостей средних величин скорости течений в точках 1,2 от ветра, были построены векторы средней скорости течения в этих точках и ветра в зависимости от направления их движения по румбам через 45, а так же расхода воды и воздуха за время наблюдения (рис. 1.3). При этом за направление принимается направление движения воды ± 22,5от основного направления. Например, за направление движения на север принимается направление движения воды в секторе от 337,5 до 22,5.

Рис. 1.2. Резльтаты измерений скорости и направления течений в точках 1, 2 (1982 г.). Продолжительность 21 сутки.

Расход воды и перенос воздуха по принятому направлению равен сумме скоростей этого же направления за время проведения наблюдений (с 11 августа по 1 сентября), умноженному на дискретность измерения.

Рис. 1.3. Средние за время эксперимента скорости течений (см/с) по различным направлениям в точках 1 (а) 2 (б); средние скорости ветра (м/с) (в); и расход воздуха через сечение (м) (г); Жирной стрелкой (г) указан результирующий вектор потока воздуха. Расход воды (м) за время эксперимента через сечение в точках 1 (д), 2 (е).Результирующие вектора течений указаны жирными стрелками.

На рис. 1.3 г,д,е. жирными стрелками показаны вектора результирующего переноса за срок наблюдения ветра и течения в точках 1,2. На рис. 1.3 д,е. показано, что результирующий перенос воды имеет направление на восток и северо-восток, и скорость 1,12 см/с. и 1,47 см/с. при результирующем восточном ветре со скоростью 1,9 см/с. Вместе с тем, вектора основного расхода изменяющихся по направлению течений направлены на северо-запад и юго-восток (рис. 1.3 а,б).

Анализ полученных результатов позволяет выделить два типа движения воды в море – изменяющиеся по направлению течения – высокочастотные, со средним периодом 1 сутки и средней скоростью 10 см/с., и общий перенос масс воды, результирующий перенос в восточном направлении со скоростью 1 – 1,5 см/с. Если принять, что вода движется однонаправлено, то за 1 сутки массы воды смещаются на восток на 800-1200 м. Таким образом, за 21 сутки вода сместиться на 20 км.

Если допустить, что скорость и направление результирующих течений изменяются мало (в зависимости от изменения стока рек, испарения или уровня моря), тогда в течение года массы воды сместятся в восточном направлении на расстояние 200 – 300км., т. е. проникнут во всю восточную часть Северного Каспия. Этот вывод подтверждает результаты исследований Ф. И. Валера и Е. Г. Егорова (1980), согласно которым в восточную часть Северного Каспия вода проистекает с результирующей скоростью 1,5 см/с.

Величина ВРП при увеличении длины ряда изменяется (табл. 1.1). Но при достижении определенной длины ряда, величина изменений ВРП становится незначительной. Таким образом, можно определить необходимую длину ряда наблюдений, что бы ошибка в определении величины ВРП была в допустимых пределах.

В таблице 1.1. приведены значения результирующего вектора для различной длины ряда. Видно, что при увеличении ряда больше 15 суток значение ВРП изменяется мало.

Планирование следующего эксперимента происходило с учетом как наших результатов, так и результатов других исследователей. Основная цель эксперимента – выявление закономерностей водообмена на границе между западной и восточной частями Северного Каспия. Для этого с 11 августа по 6 сентября 1984 г. в точках 3,4,5,6,7 Кулалинского порога были проведены измерения с помощью приборов АЦИТТ параметров течения, температуры и солености с дискретностью 15 мин. на горизонте, равном половине глубины места, которая равна 4 м. (рис. 1).

Рис. 1.4. Средние за время эксперимента скорости течений (см/с) по различным направлениям в точках 3, 4, 5, 6, 7; Жирной стрелкой показан результирующий вектор течений.

Для точек 3, 4, 5, 6, 7 были определены средние (результирующие) значения векторов течений. На рис. 1.4 для точек 3 -7 приведены результаты расчета расхода воды по разным направлениям в пересчете на интервал времени один месяц, и результирующие векторы за весь срок наблюдений. В точке 7 зарегистрирован постоянный поток, направленный почти на запад (260), со скоростью 2,7 см/с.,

Полученные параметры квазипостоянных течений подтверждают точку зрения, согласно которой на севере в восточную часть Северного Каспия воды должны втекать, а на юге вытекать. При этом, в отличие от прежних представлений о незначительности водообмена через пролив, нами получено значение результирующей скорости 2,7 см/с., что дает изменчивость водообмена в пересчете на год 84 км.

По результатам анализа произведенных наблюдений можно сделать следующие выводы. Ветровое воздействие приводит к образованию изменяющихся по направлению течений, которые турбулизируют среду. Перенос водных масс осуществляется квазипостоянными течениями. Широко распространенное мнение о преимущественно ветровом характере водообмена в Северном Каспии этими наблюдениями не подтверждается.

Для выявления этого переноса необходимо: а) проведение точных, продолжительных измерений скорости и направления течений; б) расчет векторов результирующего переноса.

Следующий эксперимент выполнялся в июле - августе 1989 г. Приборы АЦИТТ были установлены в точках 15 – 20 на нескольких горизонтах вдоль восточного побережья Среднего Каспия (рис.1.1). Расстояние между станциями в точках 16 и 20 равно 195 км. Станции в точках 16, 17, 19 и 20 были установлены на глубине 23 м., в 10 км от берега, в точке 18 на глубине 45 м. на расстоянии от берега равном 20 км.

Приборы АЦИТТ устанавливались на двух горизонтах: 5,5 м. от поверхности моря и 1,5 м. от дна. Исследования в этом районе планировались, так же как и раньше с целью изучения пространственно – временной изменчивости течений и выявления причинно – следственных связей. Специфическим явлением для этого района наличие апвеллинга. Очень важно получить инструментальные наблюдения, позволяющие уточнить природу этого явления.

Рис. 1.5. Вектора течений на горизонте 5,5 м. в пунктах 16, 17, 18, 19, построенные

Образцы векторных диаграмм ветра и течений полученных в точках 16 – 20 представлены на рис. 1.5. Хорошо видна изменчивость направления инерционных течений (рис. 1.5 г). Общий характер изменения инерционных течений наблюдается во всех точках наблюдения, но в точках 16, 17, 19, 20 направление вектора не меняется, изменяется его величина. Таким образом проявляется влияние неровностей береговой линии и дна.

На рис. 1.6 представлены векторные диаграммы низкочастотных течений (время осреднения 60 ч.). Закономерность изменчивости течений в точках 16,17,18 очень похожи, а в точке 19 отличается. Расстояние между точками 16 и 17 равно 75 км. Можно считать, что масштаб однородности низкочастотных движений превышает это расстояние.

Четкой квазигармонической картины в колебаниях течений не наблюдается. Об их периоде можно судить по отдельным колебаниям течений. Он равен приблизительно 150 ч.

Сравнение векторных диаграмм течений в точках 16, 17 показало, что движение воды одинаковой фазы в точке 17 наступает на 60 часов позже, чем в точке 16. Эта величина определяется по разности времени между моментами регистрации подошвы или гребня волны в точках 16, 17. Если рассматривать эти движения как волновые, тогда сдвиг фаз равен около 60 ч. Тогда фазовая скорость будет равна 0,35 м/с., т. е. расстояние между точками 16, 17 (75 км.), деленное на сдвиг фазы (60 ч.). Соответственно, длина волны, определяемая как произведение фазовой скорости (0,35 см/с) на период волны (150 ч.), равна около 200 км.

Рис. 1.6. Векторные диаграммы составляющих ветра в пункте порт Шевченко(а), течений в точках 16, 17, 18, 19 (б-ж), температуры воды в точках 16, 17, 19 на гор. 5,5 м. (б,г,е).

Закономерность и параметры течений у поверхности и у дна в точке 16 практически одинаковы; в точке 17 течения у поверхности и у дна похожи по их изменчивости во времени, но их скорости у дна меньше, чем у поверхности. Такой характер распределения скоростей позволяет отнести наблюдаемые волны к баротропным. Следовательно, это не волны Кельвина, что так же подтверждается следующим. В волнах Кельвина амплитуда колебаний скорости течений (и уровня моря) уменьшается по мере удаления от берега. В данном эксперименте мы наблюдаем обратное, скорости течений в точке 18, расположенной ближе к свалу глубин, больше, чем в точке 17.

Подобное распределение скоростей течений характерно для шельфовых волн с максимальными значениями скоростей у свала глубин.

Анализ измеренных течений Северного и Среднего Каспия показал, что характерные для шельфовых волн течения прослеживаются на всех записях непрерывно, амплитуда их скоростей мало изменяется во времени (10-20 см/с). Несмотря на то, что энергия переменного ветра и течений шельфовых волн сосредоточена приблизительно на одинаковых периодах, корреляционную связь апмлитуд шельфовых волн со скоростью непосредственно измеренного или осредненного (за 60 ч.) ветра проследить не удалось.

По результатам анализа наблюдений предыдущих исследователей и собственных в Северном и Среднем Каспии А. Л. Бондаренко разработал схему течений Каспийского моря (рис. 1).

В соответствием с этой схемой втекающие воды Волги встречаются с водами циркуляции Среднего Каспия и растекаются на с. в и ю. з. Правая ветвь циркуляции Среднего Каспия направлена вдоль восточного берега, достигает втекающих вод Волги, образуется область смешения (гидрофронт).

Правая ветвь разделяется на западную и восточную. Восточная с водами Волги втекает в восточную часть Северного Каспия обходит ее по периметру, и вытекает севернее и южнее о. Кулалы, и встречаясь с водами циркуляции поворачивает на юг. западная ветвь оттесняет воды Волги к западу, и они, подхваченные циркуляцией проникают далеко на юг.

О природе течений были сделаны следующие выводы.

1. Основная доля энергии знакопеременных течений Каспийского моря принадлежит волновым течениям. Не вызывает сомнения, что высокочастотные течения до периодов 60 ч. обусловлены в основном инерционными волнами. Течения в низкочастотной области обусловлены, в основном, шельфовыми волнами со средним периодом 150 ч. Судя по всему, энергия ветровых течений существенно меньше энергии течений шельфовых волн и сосредоточена в области низких частот с периодами больше чем 60 ч.

Инерционные и шельфовые волны образуются в глубоководном Среднем и Южном Каспии. В Северный Каспий они проникают в деформированном мелководьями виде. Инерционные и шельфовые волны – энергетически устойчивые, постоянно существующие, слабо изменяющиеся во времени образования. Время «жизни» инерционных и шельфовых волн намного больше их периода.

2. Можно предполагать, что шельфовые волны вызваны атмосферной активностью (ветром, атмосферным давлением) с периодом синоптической изменчивости, а инерционные волны – ветровыми или течениями шельфовых волн.

3. Предположительно, круговые квазипостоянные течения порождаются шельфовыми волнами.

4. Убедительных доказательств позволяющих установить генератор этих волн и получить полное представление о пространственно-временной изменчивости их параметров пока нет. Необходимы дополнительные исследования.