Термохалинная структура и циркуляция вод Большого Аральского моря в начале XXI века

• Автор: Ижицкий, Александр Сергеевич
• Шифр специальности: 25.00.28
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 112 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ИСТОРИЯ И СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ АРАЛЬСКОГО

1.1. Палеоистория Арала
1.2. Исторический обзор исследований Арала
1.3. Аральское море в его «условно-естественном» состоянии
1.3.1.Физико-географические условия
1.3.2. Гидрологическая структура
1.3.3. Циркуляция вод
1.4. Современное состояние вопроса
ГЛАВА 2. ТЕРМОХАЛИННАЯ СТРУКТУРА ВОД БОЛЬШОГО АРАЛЬСКОГО МОРЯ И ЕЕ ИЗМЕНЧИВОСТЬ
2.1. Методы исследования термохалинной структуры
2.2. Распределения термохалинных полей в 2009-2013 гг
2.3. Выводы по Главе
ГЛАВА 3. ЦИРКУЛЯЦИЯ ВОД БОЛЬШОГО АРАЛЬСКОГО МОРЯ ПО ДАННЫМ
НАТУРНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
3.1. Методика натурных исследований циркуляции вод
3.2. Циркуляция вод и ее отклик на ветровое воздействие
3.2.1. Общая характеристика течений в Большом Арале
3.2.2. Формирование циркуляции вод и отклик на ветровое воздействие
3.3. Выводы по Главе
ГЛАВА 4. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЦИРКУЛЯЦИИ БОЛЬШОГО АРАЛЬСКОГО МОРЯ
4.1. Методика модельных экспериментов
4.2. Результаты численного моделирования
4.3. Выводы по Главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
К середине XX столетия Аральское море, бессточное «море-озеро» в Средней Азии [Добровольский и Залогин, 1982], занимало четвертое место по площади среди крупнейших озер земного шара, уступая лишь Каспийскому морю и озерам Верхнее и Виктория. Аральское море оказывало определенное смягчающее влияние на климат в приморской зоне от нескольких десятков до нескольких сотен километров [Муминов и Игнатова, 1995]. Однако начиная с 1960 г. уровень Аральского моря начал катастрофически снижаться, главным образом, в связи с интенсивным отбором стока питающих море рек Амударья и Сырдарья на нужды ирригации. В сравнении с «условно-естественным» состоянием моря, уровень его к настоящему времени понизился более чем на 27 м, в результате чего море потеряло более 90% объема своих вод [Завьялов и др., 2012]. Высыхание Аральского моря привело к глубоким изменениям его экосистемы, развитию процессов опустынивания на окружающей территории, а также значительным негативным социально-экономическим последствиям для региона в целом (например, [Михайлов, 1999]).
Проблема Аральского моря вызывает постоянный интерес мирового научного сообщества. Изучение современного состояния Арала имеет как прикладное, так и фундаментальное научное значение. С одной стороны, состояние Аральского моря оказывает решающее воздействие на природные особенности окружающих территорий, социально-экономические условия в регионе, здоровье местного населения и структуру хозяйства. С другой стороны, значение экологического кризиса Аральского моря не ограничивается только региональными и прикладными аспектами. Современный Арал представляет собой своего рода «природную лабораторию», в которой может изучаться отклик физических, химических и биологических систем крупного внутреннего водоема аридной зоны на экстремальное антропогенное вмешательство. Результаты наблюдений и исследований в данной области могут быть применены, в том числе, для предотвращения возникновения и смягчения последствий подобных экологических кризисов в других районах земного шара [Zavialov, 2005].
На протяжении большой части XX столетия Аральское море было одним из наиболее хорошо изученных морей СССР. В этот период проводились систематические наблюдения за физическим, химическим и биологическим состоянием моря. Регулярно выполнялись научные рейсы исследовательских судов, непрерывные гидрометеорологические измерения велись на прибрежных и островных метеостанциях, проводились авиаразведки ледового режима и другие наблюдения (например [Бортник и Чистяева, 1990]). На основе этих исследований были опубликованы сотни статей и ряд книг, некоторые из которых остаются «настольными» и для современных специалистов по Аральскому морю. К сожалению, научные исследования на

Аральском море были почти полностью прекращены в начале 1990-х гг. в связи с известными политическими и экономическими последствиями распада Советского Союза. Кроме того, к тому времени практически прекратилось судоходство на Арале, а береговая линия высыхающего водоема ушла далеко от населенных пунктов, дорог и всей инфраструктуры. По этой причине выполнение исследовательских экспедиционных работ стало встречаться со значительными организационными и техническими затруднениями. Как следствие, к началу нового тысячелетия многие характеристики физических, химических и биологических систем быстро меняющегося моря оказались мало изученными, а некоторые - практически неизвестными научному сообществу. С одной стороны, именно к этому времени экологический кризис Аральского моря приобрел всемирную известность в качестве своего рода символа антропогенной угрозы окружающей среде, интерес к которому со стороны средств массовой информации постоянно возрастал. С другой стороны, уровень точных знаний о фактическом состоянии моря был (а в целом ряде отношений и остается ныне) совершенно недостаточным.
Общей целью данной диссертационной работы являлось изучение современного гидрофизического состояния Большого Аральского моря. Согласно обозначенной цели, в процессе подготовки диссертационной работы решались следующие задачи:
- описание пространственной структуры термохалинных полей современного Большого Аральского моря и установление формирующих ее факторов;
- исследование циркуляции Большого Аральского моря в его современном состоянии;
- выявление физических механизмов, определяющих особенности циркуляции современного Аральского моря.
Научную новизну исследования составляют основные положения, выносимые на защиту:
- Установлено, что высыхание Аральского моря привело к формированию повышенной вертикальной стратификации, определяющую роль в формировании которой в рассмотренный период времени (2009-2013 гг.) играл водообмен между отдельными бассейнами водоема. Роль этого водообмена, однако, снижалась по мере пересыхания восточного бассейна моря.
- На основе натурных измерений и численного моделирования показано, что, несмотря на значительные изменения объема вод, термохалинных характеристик, морфологии и донного рельефа бассейна, общая циркуляция вод Аральского моря сохраняет свои основные особенности, отмечавшиеся в условно-естественном состоянии моря: антициклонический характер в поверхностном слое, циклонический - в придонном.
- На основе численных экспериментов показано, что антициклонический характер поверхностной циркуляции вод современного Аральского моря связан с асимметрией зонального распределения глубин в рельефе дна в условиях преобладания северных ветров.

которые можно назвать конвективным и адвективным [Zavialov, 2010]. Интенсивное испарение вод летом формирует локальный максимум солености в приповерхностном слое. При этом толща воды остается устойчивой за счет присутствия резкого термоклина, но только до тех пор, пока осенне-зимнее выхолаживание не сгладит вертикальные градиенты температуры, после чего развивается конвекция. В этом заключается суть первого механизма. Адвективный же механизм формирования максимума солености связан с притоком вод в глубоководный западный бассейн из восточного мелководного бассейна через пролив. Попадая в западную часть моря, более плотные воды восточного бассейна опускаются вдоль северного склона на свой изопикнический уровень в придонном слое западной впадины. По оценкам, проведенным на основе прямых измерений в 2004 г., сток вод из восточного бассейна в западный достигал величины 1500 м3/с [Zavialov, 2005]. Т,S-анализ выполненных в 2002 г. CTD-измерений показал, что от 9 до 11 % вод придонного слоя западного бассейна имеют восточное происхождение [Zavialov, 2005]. Это создает исключительно мощную халинную и, в конечном счете, плотностную стратификацию западного бассейна. Перепады солености между нижней границей верхнего квазиоднородного слоя и дном составляли в 2002-2003 гг. до 12 г/кг при толщине галоклина около 20 м. Такие экстремальные градиенты плотности приводят к подавлению вертикального перемешивания. Типичными следствиями этого являются осенне-зимние инверсии температуры. Но наиболее ярким проявлением недостаточности вертикальных обменов в толще вод Арала является аноксия и сероводородное заражение в придонном слое [Завьялов и др., 2006]. Значение каждого из механизмов менялось год от года в зависимости от изменения морфологии пролива. До 2003 г. пролив оставался достаточно широким и глубоким, адвективный механизм имел доминирующее значение, что выражалось в наличии одного максимума солености у дна. Впоследствии значения обоих механизмов сравнялись, что привело к появлению двух локальных максимумов. Таким образом, дальнейшее развитие стратификации в западном бассейне во многом обусловлено объемами межбассейнового водообмена.