Динамика распространения и изменчивость речных плюмов в прибрежной зоне моря

• Автор: Осадчиев, Александр Александрович
• Шифр специальности: 25.00.28
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 138 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
Глава 1. История и современное состояние исследований речных плюмов
1Л. Развитие представлений о речных плюмах
1.2. Районы натурных исследований
Глава 2. Контактные и спутниковые наблюдения изменчивости речных
плюмов
2.1. Описание измерений
2.1.1. Черноморские полигоны
2.1.2. Тайваньские полигоны
2.1.3. Карский полигон
2.2. Контактные измерения структуры и изменчивости речных плюмов
2.2.1. Плюмы малых и средних рек Черного и Южно-Китайского морей
2.2.2. Связь плюма реки Мзымта с изменчивостью локальных полей течений и ветра
2.2.3. Исследования распространения стока рек Обь и Енисей в Карском море
2.3. Анализ спутниковых данных по изменчивости речных плюмов
2.4. Выводы по второй главе
Глава 3. Численное моделирование динамики речного плюма
3.1. Лагранжева модель динамики речного плюма
3.2. Валидация модели
3.2.1. Моделирование идеализированных предельных случаев
3.2.2. Моделирование плюмов малых и средних рек в Чёрном
море и Тайваньском проливе
3.2.3. Моделирование распространения стока рек Обь и Енисей
в Карском море
3.3. Выводы по третьей главе
Глава 4. Исследование зависимости динамики речного плюма от основных
управляющих параметров
4.1. Динамика речного плюма под воздействием ветра
4.3. Динамика речного плюма под воздействием фоновых прибрежных течений
4.3. Влияние параметров реки (географическая широта и скорость
стока) на динамику речного плюма
4.4. Выводы по четвертой главе
Заключение
Список литературы
ВВЕДЕНИЕ
Пресноводный материковый сток играет важнейшую роль в физических, химических и биологических процессах в океане, особенно в шельфовых областях. Процесс распространения речного стока в прибрежной зоне моря и образования речных плюмов является основным механизмом взаимодействия океана с водами суши. Изучение динамики и изменчивости этого процесса составило основную цель исследований, проведенных в рамках данной диссертационной работы.
Суммарный среднемноголетний объем стока рек в Мировой океан оценивается в 41000 км3 в год, что составляет около десятой части приходной части водного баланса для океана в целом (437000 км3 в год) [Львович, 1986; Shiklomanov, 1997; Oki and Капав, 2006]. Оставшиеся девять десятых складываются из осадков над океаном (391000 км3 в год) и подземного стока грунтовых вод (5000 км3 в год) [Church, 1996; Shiklomanov, 1997; Oki and Капав, 2006]. Однако для отдельных шельфовых районов океана, а также внутренних и окраинных морей материковый сток может играть на порядок более существенную роль. Так, например, для Черного моря годовой речной сток (338 км3 в год) превышает объем атмосферных осадков (238 км’ в год) и приближается к объему испарения с поверхности моря (396 км3 в год) [Симонов и Альтман, 1991]. Приустьевые зоны смешения речных и морских вод, несмотря на свою сравнительно малую площадь и объем по отношению ко всему океану, в значительной степени определяют глобальные процессы переноса вещества с материка в океан. Эти зоны играют роль так называемого «маргинального фильтра» [Лисицын, 1974; 1978; 1988; 1994], который удерживает 90-95% взвешенных и 20-40% растворенных веществ, поступающих в океан с речным стоком. Как правило, в процессе перемешивания речных и морских вод в этих зонах на поверхности воды формируются мезомасштабные структуры, называемые «плюмами» (от английского «plume») - линзовидные водные массы пониженной солёности и плотности по сравнению с окружающим морем, приуроченные к устью реки. Пространственные масштабы этих опресненных линз могут составлять от десятков метров до сотен километров (для крупных рек), при этом они в большинстве случаев сохраняют резко очерченную границу, иногда толщиной всего нескольких сантиметров, с окружающими морскими водами.
Воды плюма являются переходной формой между речной и морской водой, и, в то же время, плюм представляет собой обособленную структуру со своими собственным динамическими, физическими и химическими характеристиками, отличающимися от соответствующих характеристик, как речного потока, так и окружающего моря (например, [Garvine, 1987; 1995; Simpson, 1997; Geyer et al., 2000]). Более того, динамика плюма и другие его характеристики в общем случае являются производными не только параметров образующей его реки и окружающего моря. На них также оказывает существенное воздействие целый ряд атмосферных факторов, в первую очередь ветер. Речные плюмы могут и сами существенно влиять на свойства окружающего моря. Воздействие опресненных вод материкового происхождения на стратификацию приповерхностного слоя в приустьевых областях и обеспечиваемый ими поток плавучести могут быть сравнимы или даже превосходить потоки, связанные с воздействием сезонного перепада температур [Simpson, 1997]. Опресненный поверхностный слой в прибрежной зоне моря может порождать бароклинную неустойчивость вдольберегового потока [Коротенко, 2007] и изменять его структуру, генерируя мезомасштабные вихри, меандры, струйные и грибовидные течения [Cushman-Roisin et al., 2001; 2007]. Интенсивность вдольберегового переноса также может зависеть от пресноводного стока [Orton and Jay, 2005; Sentchev and Korotenko, 2005], оказывая существенное влияние на биологические процессы на шельфе, например, на миграцию икры и личинок рыб [Sentchev and Korotenko, 2004]. С материковым стоком связаны значительные потоки тепла и импульса в океан, и, как уже было сказано выше, он является основным источником поступления в море взвешенных и растворенных терригенных и биогенных веществ, а также продуктов антропогенного загрязнения. Только в моря России с речным стоком ежегодно поступает до 1200 тысяч тонн взвешенных веществ, 200 тысяч тонн аммонийного азота, 60 тысяч тонн соединений фосфора, 50 тысяч тонн металлов, таких как железо, цинк, медь, до 30 тысяч тонн нефтепродуктов и до 1 тысячи тонн фенолов [Государственный доклад..., 2011]. Материковый сток в случае высокого содержания в нем биогенных веществ определяет уровень первичной продукции в приустьевом районе [Mallin et al., 2005], что зачастую является причиной эвтрофикации и гипоксии на обширных шельфовых территориях [Wiseman and Kelly. 1994: Rabailais at al., 1996].

Рисунок 2.8 — Монтаж заякоренной станции, оборудованной придонным измерителем течений системы БеаНогее (слева), и погружение заякоренной станции, оборудованной измерителем течений АяиаПорр (справа)
6) В руслах рек Мзымта и Вулан, на глубине 1.5-2.5 м на дистанции 50-100 м от устья в период измерений устанавливались механические измерители придонной скорости течения системы БеаНогве или акустические измерители скорости течения Ациаборр, оснащенные также датчиками температуры воды (рисунок 2.9). Приборы регистрировали течения с частотой в 1 мин и осреднением в 10 мин. Значения расхода воды в устье впоследствии оценивались на основе этих данных как произведение скорости течения и площади поперечного сечения русла.
Рисунок 2.9 — Измерители скорости течения системы ЗеаНогее (слева, показан красной стрелкой) и АяиаПорр, установленный в раму (справа), перед установкой на дно в русле реки для измерения расхода воды