1.3. Закономерности изменчивости течений Каспийского моря

                       

 

            В Среднем Каспии длительное время (1957-1975г.г.) производились  наблюдения в пункте Нефтяные Камни за течениями и ветром на нескольких горизонтах с неподвижного основания (гидрологическая и метеорологическая сеть).

Рис.1.8. Спектры изменчивости скорости ветра и скоростей течений (Лаппо, 1979) а) скорости ветра в нижнем слое атмосферы (Van der Hoven, 1957); б) скоростей течений на горизонтах 500, 1000, 1500 м. в западной части Атлантического океана, точка В (Rhines P. 1971); Функции спектральной плотности течений Среднего Каспия в пункте Нефтяные камни (А. Л. Бондаренко) (справа).

 

            Анализ этих измерений явился важным, очень информативным этапом исследований природы течений Каспийского моря (Бондаренко А. Л. и др 2004, Щевьев В. А. 2007).         Энергетический спектр, построенный по этим данным дает хорошее представление о видах течений в Среднем Каспии (рис. 1.8, справа). На графике представлен мощный пик на инерционном периоде, и очень мощный пик на периоде 140 час. Это означает, что основная энергия течений сосредоточена в захваченных берегом волновых течениях и в инерционных.

            Период изменчивости длиннопериодных волновых течений (ДПВТ) и инерционных (ИТ) сильно отличается, поэтому их легко разделить и изучать закономерности отдельно. На рис. 1.9а представлена изменчивость низкочастотной вдольбереговой составляющей течения в пункте Нефтяные камни за год, осредненная фильтром скользящее равновесное среднее (Тоср.=48час.).

                   

Рис. 1.9. Изменчивость вдольбереговой компоненты скорости в продолжении года в пункте наблюдения «Нефтяные Камни», отфильтрованная фильтром скользящее среднее с временем осреднения 48 часов а; та же временная серия осредненная фильтром с временем осреднения Т = 140 час., по существу изменчивость скорости квази-постоянной циркуляции Среднего Каспия б;  Та же временная серия, но за 3 года. Осреднение 48 час. С помощью полинома показана изменчивость квази-постоянной крупномасштабной циклонической циркуляции Среднего Каспия за 3 года ( c ).

 

             Нормальная к берегу составляющая мала и поэтому не рассматривалась. На рисунке хорошо видно, что скорость течения изменяется от нуля (иногда имеет отрицательную величину) до 15 см/с. с периодом 140 час. Это и есть длиннопериодные или захваченные берегом волновые течения, самое распространенное название – волны Россби.

            На рис  1.9 б представлена та же вдольбереговая составляющая, но отфильтрованная с интервалом сглаживания 240 час. По существу мы видим изменение скорости квазипостоянной циркуляции. На рис. 1.9 в представлена та же составляющая, но за 3 года. Время осреднения Тоср.= 240 час. С помощью полинома получена закономерность изменчивости квазипостоянной циркуляции за 3 года (жирная линия).

            Мы видим, как изменяется квазипостоянное циркуляционное течение за наблюдаемый трехлетний период (1962-1964 г.г.). В начале 1962 г. скорость уменьшалась от от 7 см./с. до 5 см/с., затем скорость увеличивалась до 12 см/с. до середины 1963 г. и в последующий промежуток времени скорость уменьшалась до 6 см/с. Можно отметить, что нет периодичностей сезонной и годовой.

            Таким образом, с большой вероятностью можно объяснить наблюдаемые факты следующим образом: долгопериодные волны существуют всегда. Их результирующее движение и есть крупномасштабная циклоническая циркуляция.

                      

Рис. 1.10. Энергетические спектры течений в виде функций распределения дисперсии по периодам в точке 1 на горизонтах 10 м. (а), 25 м. (б), 50 м. (в); В точке 4 на горизонтах 50 м. за периоды ноябрь-декабрь (г), апрель (д), июнь (е) и на горизонте 200 м. (ж) за ноябрь-декабрь. Точки на кривой спектра –дисперсия на различных периодах. (Блатов А. С., Косарев А. Н., Перминов С. М., Тужилкин В. С. 1986).

 

            Подобные исследования проводились в южном Каспии (Блатов А. С. и др. 1986). Автономные приборы БПВ были выставлены в 4 точках вдоль западного побережья от Апшеронского до р. Куры (рис.1.10.). Энергетические спектры (рис. 1.10.) показывают, что максимумы энергии выделяются на периодах близких к 19 часам (инерционные) и 5 суткам (120 ч.). Авторы относят их к шельфовым волнам. Обращаем внимание: период волновых течений в Среднем Каспии 140 ч. К сожалению дальнейшего продолжения и развития эти исследования не получили.

            Исследование шельфовых течений в юго-восточной (иранской) части Каспийского моря (Ghaffari P., Chegini V. 2009) производилось в 4х км. от берега (глубина места 14 м.) с помощью доплеровского измерителя профиля (ADCP) с 1 августа по 24 ноября 2003 г. Наиболее значимой причиной возникновения течений авторы считают ветровое воздействие.

            На рис. 1.11. представлены результаты измерения скорости и направления ветра. Видно 2 типа ветрового воздействия. Первые 720 часов направления изменяются с периодом 1 сутки (морской бриз). С 05.00 ч. ветер действует в направлении берега, с 16.00 направление меняется в сторону моря. Последующие 740 ч. морской бриз действует меньше, преимущественно ветер дует с берега и наблюдались эпизоды штормов (скорость 15-20 м/с) преимущественно с.з. направления.

            Авторы считают, что влияние морского бриза на поверхностную циркуляцию значительно. Но анализ представленных на рис. 1.11. векторных диаграмм ветра и течений показывает, что скорость течения изменяется независимо от изменений скорости ветра, и синхронно на всех трех горизонтах (верхний, средний (7 м) и придонный (14 м). Исходя из того, что коэффициент корреляции между ветром и течением вдоль берега равен около 0,2, делается вывод что локальное ветровое воздействие создает около 25% изменчивости скорости течения. Результаты наблюдений (рис. 1.11) подтверждают вывод (Бондаренко 1993), в соответствии с которыми влияние ветра на течения не наблюдается даже при сильных ветрах.

                                

Рис. 1.11. Вектора скорости ветра и течений на трех горизонтах (поверхностный,

               средний 7 м, придонный (14 м.) (Ghaffari P., Chegini V. 2009).

 

            Авторы (Ghaffari P., Chegini V. 2009) считают, что появление эпизодов с высокой скоростью течения (15-20 см/с) объясняется прохождением контролируемых берегом волн с периодом около 6 суток, таких же как были зарегистрированы в Среднем Каспии Бондаренко А. Л. (1993). Авторы апроксимируют наблюдаемые волны как шельфовые, и считают, что они приходят из других районов моря, а не образуются в районе наблюдений. Волны проявляются так же в изменении уровня моря. Таким образом, для выявления этих волн важны оба процесса – данные течений и уровня моря одновременно.      

                             

Рис. 1.12. Изменчивость вдольбереговой компоненты скорости течения в пунктах 1 и 2 (Zaker N. H., Ghaffari P., Jamshidi S. 2011).

 

            Такие же наблюдения скорости и направления течения на южном континентальном шельфе Каспийского моря (Иран), проводились на двух АБС, каждая с тремя измерителями течений на том же разрезе и в те же сроки, но несколько дальше от берега (в 15 и в 20 км. от берега) (Zaker N. H., Ghaffari P., Jamshidi S. 2011).

            Прямые измерения проводились с целью ответа на вопросы: 1) Как изменяются течения на шельфе в разных масштабах времени (сутки, сезон, год). 2) Генерируются они ветром или другими причинами.

            На рис. 1.12. мы видим временную последовательность изменчивости вдольбереговой компоненты скорости течений в пункте 1 и 2 на трех горизонтах в каждом пункте. Хорошо видно, что закономерность изменчивости течений в обоих пунктах измерения и на всех горизонтах  очень похожа. Низкочастотные флюктуаций с периодами 7 – 9 суток (рис. 1.13) с преимущественным направлением на восток до 20 см/с инициируют возникновение циркуляцию против часовой стрелки в масштабах всего моря.

            Компонента скорости поперек берега гораздо меньше вдольбереговой компоненты. Результаты измерений показывают что скорость и направление течений не зависит от ветра.

 Возникает гипотеза о существовании проходящих с запада на восток захваченных берегом волн вдоль южного берега Каспийского моря.

 

                              

Рис. 1.13. Низкочастотная компонента ветрового воздействия и вдольбереговой

               скорости течения в пунктах наблюдения 1 и 2 (Zaker N. H., Ghaffari P.,

                Jamshidi S. 2011).

 

            Авторы (Zaker N. H., Ghaffari P., Jamshidi S. 2011) считают, что выявить природу течений можно с помощью анализа прямых измерений. Прямые измерения в двух точках показали наличие течений с низкочастотными флюктуациями с периодами 7 – 9 суток. Авторы считают, что это можно объяснить контролируемыми берегом волнами. которые инициируют возникновение циклонической циркуляции. Роль ветра в образовании течений мала.

            Ценность этих исследований для нас в том, что они подтвердили наш вывод: крупномасштабная циклоническая циркуляция Каспийского моря это есть движение захваченных берегом волн (шельфовых волн, волн Россби), это результирующее движение течений волновой природы.

            Показано, что течения изменяются синхронно на трех горизонтах. Период изменчивости равен 4 суткам (100 ч.). Измерения (Блатов и др. 1986) показали период изменчивости течений в северо-западной части южного Каспия 120 ч.

            В этих исследованиях приборы располагались поперек шельфа. Измерения показывают распределение скорости течений по мере удаления от берега. Это очень интересно. При расположении приборов вдоль берега можно показать распространение фазы волнового течения и определить фазовую скорость по измерениям.

            В последние годы проводится много дрифтерных наблюдений за течениями. Данные таких наблюдений помещены в Интернете. Траектории дрифтеров в Среднем и Южном Каспии показаны на рис. 1. 14. Эти траектории показывают конфигурацию циркуляций. Они в деталях отличаются от общепринятой вдоль берега. Так же происходит и в Черном море. И это требует дополнительных исследования. Но в общем случае они подтверждают существующую циркуляцию.

                     

Рис. 1.14. Траектории дрифтеров в Каспийском море.

 

            Волновую природу течений Каспийского моря можно показать по изменчивости скорости перемещения дрифтеров, как это делали (Бондаренко 2010, рис. 2.8; и Журбас и др. 2001, рис. 2.6) по наблюдениям в Черном море.

 

1.4. Выводы

 

            Анализ результатов выше приведенных инструментальных наблюдений, полученных нами в Среднем Каспии, и опубликованных позволяют сделать следующие выводы.

            1. Течения Каспийского моря существуют в основном в виде захваченных берегом волн, период которых зависит от длины окружности (шельфовой зоны) водоема. В Среднем Каспии их период равен 140 ч, в Южном Каспии- 120 ч. амплитуда до 30-40 см/с.

            2. Циклонические циркуляции во всех внутренних морях и крупных озерах - это результирующий перенос захваченных берегом волн.

            3. Энергия инерционных волновых течений меньше энергии захваченных берегом волновых течений. Период инерционных течений в Среднем Каспии - 17,5ч., амплитуда меняется в пределах до 70 см/с.

            4. Роль ветровых течений по измерениям установить не удалось. По функциям спектральной плотности эта энергия была оценена в пределах 1% от всей энергии течений Каспийского моря (Бондаренко А. Л. 1993). И это тем более странно, что нет сомнения в ветровой природе нагонов и вдольбереговых течений. Наши измерения районы этих явлений не охватывали.

            5. Роль термохалинных течений совершенно не ясна. Математические модели течений Каспийского моря, в основе которых расчеты термохалинных течений не соответствуют наблюдениям (Филатов Н. Н. 1991).

            Для того, чтобы понять роль ветровых  и термохалинных течений были проведены отдельные исследования (гл. 3, 4).

            6. Методические и методологические выводы.

Существует 2 метода исследования природы течений Каспийского Моря.

            - Метод анализа результатов инструментальных наблюдений.

            - Метод математического моделирования.

            В 50е – 60е годы прошлого века появилось большое количество математических моделей течений Северного Каспия. Линейкин, Фельзенбаум, Ржеплинский,   . Инструментальные наблюдения сложно произвести, приборов для автономных наблюдений не было. Сложилось мнение, что целесообразней разработать математическую модель течений, и затем, экспериментируя на этой модели, выявить закономерности течений.

            Итог этой деятельности подвел А. Н. Косарев (географический факультет Московского университета): «Модели (Бахмалов 68; Шкудова 72; Гетман, Кутало 72; Казаков 76) из-за своих ограничений не могли дать ответа на главный вопрос:  при каких ветрах и за какое время формируются характерные циркуляционные системы в Северном Каспии. Между тем именно это имеет наибольшее практическое значение». (Косарев А. Н. 1975). Бондаренко А. Л. показал, что роль ветровых течений в динамике моря ограничена 5 %. Ясно, как далеки модели от действительности. Пока все закономерности изменчивости Каспийского моря выявлены посредством анализа наблюдений.