Размещено на http://www.allbest.ru/

Морський гідрофізичний інститут

Національної академії наук України

УДК 551.465 (262.5)

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата географічних наук

Термохалинна і гідролого-акустична структура вод Чорного моря

11.00.08 - океанологія

Белокопитов Володимир Миколайович

Севастополь 2004

Загальна характеристика роботи

термохалинна структура Чорне море

Актуальність теми. Однією з основних, традиційних завдань регіональної фізичної океанографії є вивчення термохалинної структури вод. Незважаючи на довгу історію океанографічних досліджень Чорного моря, багато аспектів його термохалинної структури мають різне тлумачення, зокрема, кількість і об'єм водних мас, утворення вод холодного проміжного шару, сезонний хід геострофічної циркуляції, характеристики глибинних шарів. Не є виключенням і останні з великих кліматичних узагальнень термохалинних характеристик, виконані в 1980-1990 рр. Масиви даних, на яких вони засновані, з погляду сучасної інформаційної бази недостатньо забезпечені.

В даний час, виявлення регіональних проявів глобальної мінливості клімату є однією з актуальних завдань гідрометеорології. Замкнутість басейну Чорного моря підвищує його чутливість до зовнішніх впливів, як природного, так і антропогенного походження. Для надійного виділення багаторічних тенденцій, відомості про які на даний момент досить суперечливі, необхідні як статистично значимі кліматичні середні характеристики, так і оцінки основних видів часової мінливості

Також недостатньо досліджений у Чорному морі розподіл такої важливої в прикладному плані характеристики, як швидкість звуку. Традиційно вона пов'язана з задачами картографування дна і пошуку підводних біологічних і технічних об'єктів. Останнім часом акустичний моніторинг розвивається і в наукових цілях, перспективним є створення акустичних трас у водах економічної зони України.

Значне збільшення кількості матеріалів гідрологічних спостережень за останні десятиліття в результаті національних і міжнародних проектів по пошуку та обміні архівними даними, а також зросла якість сучасних вимірювальних засобів, дозволяють створити новий кліматичний масив температури і солоності Чорного моря, і виявити нові особливості термохалинної і гідролого-акустичної структури Чорного моря.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Результати, покладені в основу дисертаційної роботи, були отримані в рамках наступних наукових програм:

Програма фундаментальних досліджень Національної Академії наук України:

проект “Розробка теоретичних і технологічних основ діагностування і прогнозування стану складних морських систем, керування їхнім ресурсним потенціалом, забезпечення еколого-техногенної безпеки і рекультивації водного середовища на прикладі Азово-Чорноморського басейну” (шифр “Регіон”, № держреєстраціі 0196U017322);

проект “Міждисциплінарні дослідження фундаментальних процесів формування й еволюції екосистеми глибоководної частини Чорного моря в умовах інтенсивного антропогенного навантаження, регіональних варіацій і глобальних змін клімату” (шифр “Екосистема”, № держреєстраціі 0101U001020);

Національний Атлас України (тематичний блок “Моря і ресурси”, № держреєстраціі 0104U000582);

Національна програма досліджень і використання ресурсів Азово-Чорноморського басейну, інших районів Світового океану на період до 2000 р. Міністерства України по справах науки і технологій:

проект “Створення комплексного цифрового атласу-довідника Азово-Чорноморського басейну й інших районів Світового океану з використанням баз океанологічних даних і знань” (шифр “Комп'ютерний морський атлас”, № держреєстраціі 0194U022918);

проект “Створення і впровадження в експлуатацію національної автоматизованої комп'ютерної системи збору, передачі, збереження й аналізу океанологічної інформації” (шифр “Національний банк океанологічних даних”, № держреєстраціі 0195U012255);

проект “Створення баз океанологічних знань, морських експертних систем, систем підтримки прийняття рішень з використанням баз даних і знань про стан морського середовища в інтересах науки, народного господарства й оборони України” (шифр “Морські експертні системи”, № держреєстраціі 0194U022914);

проект “Система спостереження за довгостроковими змінами морського середовища, викликаними антропогенними і природними причинами (шифр “Прогноз”, № держреєстраціі 0194U022993);

Міжнародні науково-дослідні проекти:

проект “Археологія і порятунок середземноморських даних по температурі, солоності і біохімії” (шифр MEDAR/MEDATLAS II, № держреєстраціі 0101U000069);

проект “Порятунок чорноморських гідрологічних даних, створення цифрового атласу і дослідження сезонної і міжрічної мінливості океанологічних характеристик Чорного моря” (шифр CRDF UG0-1270, № держреєстраціі 0102U002920).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є виявлення нових особливостей термохалинної і гідролого-акустичної структури Чорного моря на основі нового кліматичного масиву температури і солоності з найбільшою забезпеченістю первинними гідрологічними даними.

Для досягнення поставленої мети вирішувалися наступні задачі:

Зібрати і систематизувати всі доступні первинні матеріали гідрологічних спостережень у Чорному морі, провести експертний контроль якості даних;

Розрахувати кліматичні поля температури і солоності, оцінити ступінь статистичної значимості просторових відминностей і виділення сезонного ходу;

Виявити регіональні особливості термохалинної структури, визначити характеристики сезонної еволюції холодного проміжного шару, провести об'ємний T,S-аналіз водних мас;

Оцінити середній сезонний хід геострофичної циркуляції;

Виявити особливості кліматичних полів швидкості звуку, включаючи характеристики звукових каналів, провести географічне районування гідролого-акустичної структури;

Оцінити мезомасштабну, синоптичну, міжрічну і сезонну мінливість термохалинних полів і визначити їхнє співвідношення.

Об'єктом дослідження є басейн Чорного моря, що включає в себе як шельфові райони, так і глибоководну частину моря.

Предметом досліджень є термохалинна і гідролого-акустична структура вод, процеси часової мінливості гідрофізичних полів різних масштабів.

Методи дослідження. Робота заснована на архівних матеріалах експедиційних досліджень, для обробки яких розроблене спеціальне програмне забезпечення. Були використані методи статистичного аналізу, метод об'єктивної інтерполяції кліматичних полів, об'ємний T,S-аналіз.

Наукова новизна отриманих результатів. Наукова новизна результатів, отриманих автором особисто, полягає у наступному:

уперше створений кліматичний масив термохалинних полів Чорного моря з оцінкою статистичної значимості;

уперше визначені кількісні показники відносного внеску регіональних джерел утворення вод холодного проміжного шару;

запропоновано нову схему підрозділу водних мас на основі об'ємного T,S-аналізу;

запропоновано нове районування гідролого-акустичної структури вод Чорного моря;

запропоновано нову схему сезонного циклу геострофичної циркуляції в Чорному морі.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблені здобувачем програмне забезпечення, кліматичний масив і бази гідрометеорологічних і океанографічних даних були впроваджені в Морському відділенні УкрНДГМІ Міністерства екології і природних ресурсів (Акт упровадження від 23.02.2004).

Отримані автором результати послужили основою створення: блоку гідролого-акустичних характеристик для комплексного цифрового атласу-довідника Азово-Чорноморського басейну (шифр проекту “Морський комп'ютерний атлас”), карт кліматичних термохалинних характеристик для Національного Атласу України, цифрового атласа “Physical Oceanography of the Black Sea” (шифр проекту CRDF UG0-1270).

Створений автором новий кліматичний масив термохалинних характеристик може надалі використовуватися для дослідження кліматичних тенденцій і математичного моделювання фізичних і екологічних процесів у басейні. Кліматичні поля швидкості звуку можуть бути використані при розробці акустичного моніторингу в Чорному морі.

Особистий внесок здобувача. Здобувачем спільно з науковим керівником проводилася постановка задачі дослідження, обговорення основних результатiв i висновкiв. Здобувачем особисто проводився вибір методів дослідження, розробка програмного забезпечення, виконання всіх розрахунків і аналіз отриманих результатів. Здобувач неодноразово брав участь в експедиційних роботах на науково-дослідних суднах, матеріали з яких використовувалися в дисертації.

У роботах, опублікованих зі співавторами, конкретний внесок здобувача полягав у наступному:

для атласу [2] підготовлені кліматичні карти термохалинних полів для літнього і зимового періоду; у роботі [3] проведений аналіз вертикальної структури швидкості звуку біля Кримського узбережжя; у роботі [4] проведено розрахунок і аналіз основних видів мінливості гідрометеорологічних полів Чорного моря; у роботах [7,8] розраховані і проаналізовані середньомісячні кліматичні вертикальні розподіли і загальна мінливість термохалинних характеристик в шельфових районах північно-західної частини моря; у роботі [9] аналізувалася сезонна мінливість полів вітру над західною частиною акваторії Чорного моря; у роботах [5,14] виявлялися періоди інтенсивного відновлення вод холодного проміжного шару і їхній зв'язок із зовнішніми факторами; у роботі [15] оцінювалася якість даних експедиційних спостережень, виконаних суднами Гідрометслужби.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися на наступних наукових конференціях, що проводилися в Україні і за рубежем: Морські технології і приладобудування. МГІ НАН України, Севастополь, 1993; Symposium on scientific results of NATO TU-Black Sea project, Crimea, Ukraine, 1997; 22 General Assembly of the European Geophysical Society. Vienna, Austria, 1997; International Symposium on Information Technology in Oceanography (ITO-98), Goa, India, 1998; International conference "Oceanography of the Eastern Mediterranean and Black Sea. Similarities and differences of two interconnected basins", Athens, Greece, 1999; 22 General Assembly of the International Union of geodesy and geophysics IUGG-99, Birmingham, U.K., 1999; 25 General Assembly of the European Geophysical Society. Nice, France, 2000; An Ocean Odyssey - Joint Assemblies IAPSO-IABO, Mar del Plata, Argentina, 2001; Системи контролю навколишнього середовища. МГІ НАН України, Севастополь, 2002; Second international conference "Oceanography of the Eastern Mediterranean and Black Sea. Similarities and differences of two interconnected basins", Ankara, Turkey, 2002; Scientific and policy challenges towards an effective management of the marine environment. Emphasis on the Black Sea and the Mediterranean regions, Varna, Bulgaria, 2003.

Публікації. Наукові результати дисертації опубліковані в 1 монографії, у 1 атласі, 3 статтях у наукових журналах, у 10 статтях у збірниках наукових праць і в 13 тезах і матеріалах наукових конференцій. У виданнях, рекомендованих ВАК України, опубліковано 7 робіт.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, огляду літератури, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел. Повний обсяг дисертації складає 160 сторінок. Вона містить 20 таблиць, 65 малюнків, 2 додатка на 40 сторінках. Список літератури включає 136 найменувань.

Основний зміст роботи

У вступі обгрунтовується актуальність теми, формулюються мета і задачі дослідження, наведена наукова новизна і практична значимість результатів роботи, а також приводяться відомості про апробації результатів дисертації і наукових публікацій.

В огляді літератури описані відомості про роботи, присвячені питанням термохалинної структури Чорного моря за період 1880-2002 рр. Найбільш великими, узагальнюючими роботами стали п'ять монографій: [Н.М. Книпович, 1932], [А.К. Леонов, 1960], [Д.М. Филиппов, 1968], [А.С. Блатов, Н.П. Булгаков, В.А. Іванов, А.Н. Косарев, В.С. Тужилкин, 1984], [Э.Н. Альтман, И.Ф. Гертман, 1991].

Незважаючи на тривалу історію вивчення гідрологічної структури Чорного моря, велику кількість літературних джерел, багато питань мають різні тлумачення, зокрема, кількість і обсяги водних мас, регіональні особливості утворення вод холодного проміжного шару (ХПШ), сезонний хід геострофичної циркуляції, кліматичні характеристики глибинних шарів, структура полів швидкості звуку.

У першому розділі “Матеріали спостережень і методика обробки” представлені відомості про вихідних даних спостережень, описаний метод розрахунку кліматичних полів, приведені оцінки статистичної значимості просторових відмінностей кліматичних полів і оцінки надійності виділення сезонного ходу.

Масив первинних гідрологічних даних, використований у роботі, створений на основі банків океанографічних даних МГІ НАНУ і МО УкрНДГМІ. Загальне число гідрологічних станцій склало 130320 (без багатодобових станцій 108623) за період 1910-2003 р. Для оцінки характеристик мезомасштабної і синоптичної часової мінливості був підготовлений масив багатодобових і багатосерійних станцій (загальна кількість 1044, кількість зондувань 21697). Тривалі ряди спостережень на окремих берегових гідрометеорологічних станціях, а також на платформі ЕО МГІ в сел. Кацивелі, залучалися для порівняння характеристик різних масштабів тимчасової мінливості температури і солоності у відкритому морі та в прибережній зоні. Для оцінки характеристик просторової синоптичної мінливості було виділено 76 океанографічних зйомок, що охоплюють більш половини акваторії моря. Для більш достовірної оцінки кліматичних полів у глибинних шарах був створений окремий масив даних рейсів з якісними глибоководними даними (2317 станцій, виконаних за період 33 року, на горизонтах >1000 м).

Розроблене програмне забезпечення, у тому числі геоінформаційна система “Гідрометеорологія Чорного й Азовського морів”, програма обробки океанографічних зйомок “Гідролог” дозволили автоматизувати експертний контроль якості даних, розрахунок стандартних статистичних і вторинних океанографічних характеристик, візуалізацію вертикальних профілів, карт, розрізів, часових рядів берегових станцій і суднових спостережень (опис програм винесений у Додатки А,Б).

Для розрахунку кліматичних полів була обрана схема об'єктивного аналізу, яка широко використовується в кліматологічних виданнях NOAA (США). Це ітераційна схема послідовних наближень [Cressman, 1959], [Barnes 1964], яка була застосована [Levitus, 1982] для побудови атласів Світового океану. Адаптація до умов Чорного моря, що полягає у визначенні кількісних характеристик радіусів впливу, дозволила відфільтровати шуми з просторовими масштабами сітки, зберігши великомасштабні неоднорідності кліматичного характеру. Основна формула інтерполяції має вигляд:

(1)

Де g -значення що інтерполюється,

f - вихідні значення,

l - номер ітерації,

i,j - координати поточного вузла інтерполяції,

M,N - розмірність по x і y,

w_l,m,n = exp (-4 r²_m,n R^-2) - вагарня функція;

r - відстань до вузла інтерполяції,

R -радіус впливу,

m,n - координати вихідних значень, що задовольняють умові r? R.

Методами дисперсійного аналізу встановлено, що при існуючому масиві первинних гідрологічних спостережень просторові розходження кліматичних середньомісячних значень мають високий ступінь статистичної значимості до глибини 150 м для температури і глибини 250 м для солоності, просторові розходження середньорічних значень значимі до глибини 500 м.

В другому розділі “Термохалинна структура вод і сезонна мінливість” розглядаються регіональні особливості термохалинної структури, виявлені на основі нового кліматичного масиву. Основна увага приділяється їхнім відмінностям від попередніх кліматичних узагальнень [Блатов і ін., 1984, Альтман і ін., 1991].

Підрозділи 2.2 і 2.3 присвячені термічній і халинній структурі вод. Визначено, що море, у цілому, має більш різку вертикальну термічну і халинну стратифікацію, ніж це оцінювалося раніше, зі зниженими значеннями в шарі 0-75 м і підвищеними значеннями в товщі вод 75-2000 м. Джерела відновлення вод холодного проміжного шару (ХПШ) у центрах західного і східного круговоротів уперше виражені в кліматичних полях зимового періоду. Ріст забезпеченності масиву даних дозволив більш вірогідно оцінити термохалинну структуру в південній, найменш вивченій частині моря. Уточнено, зокрема, сезонний хід локального просторового мінімуму температури поверхневого шару в центральній частині Анатолійского узбережжя, викликаного стійким апвеллінгом. Він існує з травня по жовтень, з найбільшим розвитком у червні. У районах північно-західного і Керч-Феодосійського шельфу сповзання охолоджених вод по материковому схилі в зимовий період одержало кліматичне підтвердження. У той же час, вплив азовоморських вод виражено в меншій мірі, і обмежено безпосередньо Керченською протокою. Незважаючи на недостатню статистичну значимість просторових розходжень кліматичних значень у глибинних шарах, розрахованих по масиву якісних CTD-зйомок, термохалинні поля зберігають ознаки загальної циркуляції до великих глибин, а також виділяється придонний перемішаний шар товщиною 300 м.

У підрозділі 2.4 приведені результати об'ємного T,S-аналізу та запропонована модифікована схема розподілу водних мас Чорного моря, у якій границі проводяться з урахуванням повторюванності T,S-класів. Дана схема приводить до наступного розподілу об'єму моря: прибережна водна маса займає 0.5%, верхня - 2.3%, ХПШ - 2.2%, проміжна - 55%, глибинна - 40%. Там же розглянута сезонна еволюція ХПШ, однієї із найбільш характерних водних мас Чорного моря. На основі об'ємного T,S-аналізу були визначені кліматичні об'єми вод ХПШ, що утворюються в лютому в чотирьох джерелах: в західному круговороті, на північно-західному шельфі, у східному круговороті, на материковому схилі північно-західного шельфу. Відносний внесок зазначених районів склав 50:5:15:30%. Приймаючи допущення, що води північно-західного материкового схилу в однаковій мірі підпадаюти під вплив вод північно-західного шельфу і вод західного круговороту, співвідношення T,S-характеристик ХПШ західного круговороту, північно-західного шельфу і східного круговороту складе 60:25:15%. У березні біля анатолійского узбережжя утвориться обновлене ядро ХПШ, у якому змішані води з трьох джерел. Далі, починаючи з квітня, ядро ХПШ зміщається на схід уздовж ізопікни 14.5, поступово нагріваючись і стаючи більш солоним. З липня по вересень ядро ХПШ концентрується в південно-східній частині моря, утримуючись Батумським антициклоном. До жовтня воно зміщається на північі, розташовуючись уздовж кавказького узбережжя, у листопаді-грудні рівномірно розподіляється по центральній частині моря.

У підрозділі 2.5 розглянутий сезонний хід динамічної топографії, узагальнений як чергування двох піврічних періодів: практично єдиної циклонічної інтенсивної циркуляції з січня по травень і чіткий поділ на два круговороти з червня по грудень. Усередині цих двох періодів відбувається поперемінне посилення східної або західної ланки циркуляції:

січень-березень: єдиний круговорот з центром у східній частині моря;

квітень-травень: єдиний круговорот з центром у західній частині моря;

червень-липень: два круговороти, західний більш інтенсивний;

серпень-вересень: два круговороти, східний більш інтенсивний;

жовтень-грудень: два круговороти рівної інтенсивності.

Батумський антициклон простежується протягом усього року, крім періоду лютий-квітень. Севастопольський антициклон існує в усі сезони, найбільше чітко виражений з червня по серпень. Синопський антициклон виражений протягом усього року, із травня по серпень він зміщений на схід.

У третьому розділі “Поле швидкості звуку” розглянуті питання гідролого-акустичної структури Чорного моря, що включає в себе просторовий розподіл швидкості звуку і характеристики звукових каналів.

На основі емпіричних формул [UNESCO, 1983] розраховані кліматичні поля швидкості звуку. У підрозділі 3.1 розглянута вертикальна і горизонтальна структура швидкості звуку, характерними рисами якої є наявність термічного підводного звукового каналу (ПЗК) із середньою глибиною осі 55 м і швидкістю звуку на ній 1461.5 м/с; розвиток із серпня по грудень стійкого приповерхневого звукового каналу (ППЗК) товщиною 10-50 м; наявність різкого шару стрибка швидкості звуку в літній період на глибині 15-20 м, що досягає значень градієнта 2-3 з^-1. Виявлено, що в Чорному морі зміни швидкості звуку за рахунок температури перевищують зміни за рахунок солоності, сезонна мінливість швидкості звуку обмежена верхнім шаром 0-75 м. Середній річний хід умов розповсюдження звукової енергії, може бути узагальнений у виді послідовності трьох акустичних сезонів, аналогів гідрологічної зими, літа й осені:

лютий-березень: перевага позитивної рефракції;

травень-серпень: перевага негативної рефракції і ПЗК;

вересень-грудень: сполучення ППЗК і ПЗК.

У підрозділі 3.2 розглянуті характеристики звукових каналів. Розрахована повторюваність звукових каналів і визначений сезонний цикл швидкості звуку на осі ПЗК, що відповідає сезонному циклові температури в ядрі ХПШ. Шар вод з мінімальними значеннями швидкості звуку на осі ПЗК робить повільний циклонічний рух уздовж материкового схилу: від Анатолійського узбережжя в березні до північно-східної частини моря в жовтні. Починаючи з квітня, ПЗК поширюється на всю глибоководну частину моря, протягом року відбувається послідовне опускання осі ПЗК від середньої глибини 45 м у квітні до 75 м у грудні. Ширина звукового каналу підлягає значним сезонним змінам, вона максимальна в червні і вересні, обмежена глибиною моря (2000-2200 м), узимку не перевищує 40-50 м. Зміна типу звукового каналу - з першого типу на другий тип у Чорному морі спостерігається в липні.

Виявлено, що район найбільшого розвитку ППЗК знаходиться в західній частині моря в області найбільшої повторюванності штормових вітрів. Багатоканальна структура з локальними хвилеводами (>1 м/с) спостерігається рідко, її повторюванність мінімальна в лютому (0.5%) і максимальна в квітні-травні (4%). Найбільш виражені локальні хвилеводи зв'язані з перерозподілом вод ХПШ синоптичними вихровими утвореннями поблизу материкового схилу.

У підрозділі 3.3 проведене районування Чорного моря на основі відминностей у вертикальному і горизонтальному розподілі швидкості звуку, що впливають на розповсюдження звукової енергії. Виділено три великі структурні зони, що географічно відповідають трьом основним формам рельєфу дна:

зона шельфу - шельф із глибинами до 100 м. На мілководному шельфі відсутній ПЗК, характерний для основної частини моря, хвилевід існує лише поблизу материкового схилу з віссю біля дна. Узимку і пізньою осінню переважає позитивна рефракція звуку, навесні і влітку - негативна рефракція. Виділяються окремі райони: північно-західний, Керч-Феодосійський шельф та прибосфорський шельфі;

зона материкового схилу - материковий схил і частина глибоководної улоговини, що примикає, (100- 2000 м). Характеризується загальним поглиблениям осі ПЗК (60-70 м), викликаним низхідними рухами в антициклонічних вихорах, а також зниженими значеннями швидкості звуку в глибинних шарах, починаючи з осі ПЗК. Виділяються окремі райони: північно-західний, анатолійський та південно-східний;.

глибоководна зона - глибоководна улоговина, обмежена ізобатою 2000 м. Характеризується максимальним підняттям осі ПЗК до поверхні (40-45 м) у центрах висхідних рухів циклонічних круговоротів, а також підвищеними значеннями швидкості звуку в глибинних шарах, починаючи з осі ПЗК. У період осінньо-зимового охолодження над куполами круговоротів існують локальні поверхневі мінімуми швидкості звуку. У західному циклонічному круговороті вісь ПЗК ближче всього піднімається до поверхні з квітня по липень, у східному круговороті - в період із серпня по вересень. У західному круговороті протягом усього року повторюванність ППЗК підвищена в порівнянні зі східним круговоротом.

Четвертий розділ “Співвідношення основних видів часової мінливості термохалинної структури” присвячений аналізові міжрічної, синоптичної і мезомасштабної мінливості температури, солоності і швидкості звуку в Чорному морі.

За основний показник часової мінливості була прийнята дисперсія рядів спостережень відповідного діапазону:

у сезонному діапазоні - рядів кліматичних середньомісячних значень;

у міжрічному діапазоні - рядів середньомісячних значень для окремих років;

у синоптичному діапазоні - рядів середньодобових значень на багатодобових станціях після виключення складового сезонного ходу;

у мезомасштабному діапазоні - рядів аномалій від середньодобових значень.

Відзначено, що вертикальний розподіл міжрічної, синоптичної і мезомасштабної мінливості відповідає розподілові вертикальних градієнтів гідрофізичних характеристик. Для температури і швидкості звуку максимуми знаходяться в шарі сезонного термоклину, для солоності - на поверхні та в основному галоклину. Перевага сезонної мінливості над іншими видами мінливості характерно лише в шарі 0-40 м для температури і швидкості звуку. Внутрірічний хід дисперсії усіх видів мінливості зв'язаний із сезонним ходом стратифікації в термоклині та галоклині, дисперсії максимальні влітку в шарі сезонного термоклину і навесні в шарі основного галоклину.

Горизонтальний розподіл міжрічної мінливості характеризується її підвищенням від центра моря до прибережних районів. Для синоптичної мінливості також відзначаються підвищені значення на материковому схилі і прибережній зоні, для мезомасштабного діапазону мінливості значимих просторових відмінностей не виявлено.

Співвідношення синоптичних циклонічних і антициклонічних вихрових утворень за даними гідрологічних зйомок, у середньому, складає 1:3. Виділено 9 районів материкового схилу з підвищеною повторюваністю синоптичних антициклонічних вихрів.

Виявлено, що роль міжрічної мінливості в Чорному морі більш значна, чим вважалося раніше. Оцінки синоптичної і мезомасштабної мінливості, у цілому, нижче оцінок міжрічної мінливості. Тенденції довгострокових змін температури і солоності мають різний характер для:

- поверхневого шару, де вони зв'язані з міжрічною мінливістю теплового і водного балансу. Температура на поверхні в літній період має тенденцію до росту після 1978 р., у зимовий період - після 1995 р.;

- шару 20-75 м, де довгострокові тенденції зв'язані з процесами утворення вод ХПШ. Періодами інтенсивного відновлення ХПШ були 1950-1960 рр. і 1985- 1995 рр.;

- шару 75-400 м, де вони викликані великомасштабними коливаннями в основному пікноклині. З 1950 р. по 1995 р. спостерігалися стійкі тенденції підвищення температури і солоності.

Висновки

1. У роботі выявлені нові регіональні особливості термохалинної і гідролого-акустичної структури вод Чорного моря, модифікована схема поділу водних мас, запропонована нова схема сезонного циклу динамічної топографії, визначене співвідношення основних видів часової мінливості гідрофізичних полів.

2. Створено новий кліматичний масив температури і солоності Чорного моря з найбільшою забезпеченністю первинними даними по кількості станцій і періодох спостережень, що має високий ступінь статистичної значимості просторових розходжень для середньорічних значень до глибини 500 м, для середньомісячних значень температури до глибини 150 м і 250 м для солоності.

3. Розроблено програмне забезпечення, яке дозволяє автоматизувати експертний контроль якості даних, розрахунок стандартних статистичних і вторинних океанографічних характеристик, візуалізацію вертикальних профілів, карт, розрізів, часових рядів отриманих на берегових станціях і при суднових спостереженнях.

4. Виявлено сезонну еволюцію динамічної топографії і просторового розподілу термохалинних характеристик в основному пікноклині, що полягає в існуванні двох періодів: єдиної інтенсивної циклонічної циркуляції із січня по травень і двох окремих круговоротів з червня по грудень. Усередині кожного з цих періодів відбувається поперемінне посилення східної або західної ланки циркуляції.

5. Визначено співвідношення обсягів вод ХПШ із T,S-характеристиками, що відповідають трьом районам відновлення ХПШ: західного круговороту, північно-західного шельфу і східного круговороту, що складає, у середньому, 60:25:15%.

6. Проведено районування гідролого-акустичної структури Чорного моря на основі відмінностей у вертикальному і горизонтальному розподілі швидкості звуку, що впливають на розповсюдження звукової енергії, виділено три великі структурні зони, що географічно відповідають трьом основним формам рельєфу дна: зона шельфу, зона материкового схилу і глибоководна зона.

7. Виявлено, що роль міжрічної мінливості в Чорному морі більш значна, ніж це вважалося раніше, перевага сезонного ходу над іншими видами часової мінливості характерна лише в шарі 0-40 м для температури і швидкості звуку. Тенденції довгострокових змін температури і солоності мають різний характер для поверхневого шару, ХПШ і основного пікноклину.

8. Практичне застосування результатів дисертаційної роботи полягає у впровадженні їх у практику морського гідрометеорологічного забезпеченні й обґрунтування гідротехнічних проектiв, а також у їхньому

використанні при підготовці декількох комплексних атласів Азово-Чорноморського басейну. Надалі, новий кліматичний масив термохалинних характеристик може використовуватися для дослідження кліматичних тенденцій, математичного моделювання фізичних і екологічних процесів і при розробці акустичного моніторингу в Чорному морі.

Список основних опублікованих робіт з теми дисертації

1. Белокопытов В.Н. Cтруктура и организация базы знаний по термохалинным свойствам Азово-Черноморского бассейна (ЭПС ТЕРМОХАЛ). Экспериментальный макет автоматизированного рабочего места “Гидролог”. // Системы, основанные на океанологических знаниях и данных. / Под ред. В.Н.Еремеева, А.М.Суворова. - МГИ НАН Украины, Севастополь, 1995, 139 с. - С.32 - 38.

2. Атлас. Автономна республiка Крим. Чорне та Азовське моря. / Єремеев В.М, Суворов О.М., Іванов В.О., Белокопитов В.М. и др. - Київ-Сімферополь: Таврійський національний університет, Інститут географіі НАН України, 2003. - С. 42.

3. Булгаков Н.П., Белокопытов В.Н., Ломакин П.Д. Сезонная изменчивость гидролого-акустических характеристик на шельфе Черного моря у южного побережья Крыма. // Морской гидрофизический журнал. - 1996. - №3. - С.41-47.

4. В.Н.Белокопытов, Г.Ф.Кудрявцева, М.М.Липченко. Атмосферное давление и ветер над Черным морем (1961-1990 гг.). // Труды УкрНИГМИ - 1998. - Вып.246. - С.174-181.

5. Ivanov, L., Belokopytov V, V., Ozsoy, E. and Samodurov, A. ventilation of the Black Sea pycnocline on seasonal and interannual time scales. // Mediterranean Marine Science. - 2000. - Vol. 1 / 2. - P. 61-74.

6. Белокопытов В.Н. Сезонная изменчивость термохалинной и гидролого-акустической структуры вод Черного моря. // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексные исследования ресурсов шельфа: Сб. науч. трудов. - Севастополь: ЭКОСИ-Гидрофизика. - 2003. - Вып. 8. - С. 12-22.

7. Пухтяр Л.Д., Ильин Ю.П., Белокопытов В.Н. Сезонная и пространственная изменчивость термохалинной структуры вод Каркинитского залива. // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексные исследования ресурсов шельфа: Сб. науч. трудов. - Севастополь: ЭКОСИ-Гидрофизика. - 2003. - Вып. 8. - С.48-63.

8. Белокопытов В.Н., Ломакин П.Д., Субботин А.А., Щуров С.В. Фоновые характеристика и сезонная изменчивость вертикальной стратификации термохалинного поля у побережья Севастополя. // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексные исследования ресурсов шельфа : Сб. науч. трудов. - Севастополь: ЭКОСИ-Гидрофизика. - 2002. - Вып. 1 (6). - С. 22-28.

9. Репетин Л.Н., Белокопытов В.Н., Липченко М.М. Ветры и волнение в прибрежной зоне юго-западной части Крыма. // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексные исследования ресурсов шельфа: Сб. науч. трудов. - Севастополь - 2003. - Вып. 9. - С. 13-28.

10. Белокопытов В.Н.. Программное обеспечение для расчета распространения звука в морской среде в лучевом приближении. // Системы контроля окружающей среды: Сб.науч.трудов. - Севастополь: МГИ НАН Украины. - 1998 - С.109-111.

11. Белокопытов В.Н.. Применение геоинформационной системы “Гидрометеорология Черного и Азовского морей” для комплексного анализа океанографических съемок. // Системы контроля окружающей среды: Сб.науч.трудов. - Севастополь: МГИ НАН Украины. - 2002. - С.200-204.

12. Белокопытов В.Н.. Мезомасштабная изменчивость скорости звука в Черном море. // Системы контроля окружающей среды: Доклады Международного научно-технического семинара, часть 2. - Севастополь: МГИ НАН Украины. - 2002. - С. 137-138.

13. Belokopytov V. Long-Term Variability of Cold Intermediate Layer Renewal Conditions in the Black Sea. // NATO ASI ser. - Dordrecht: Kluwer Academic Publishers. - 1998. - Vol. 2/47: NATO TU-Black Sea Project Ecosystem Modelling as a Management Tool / L.Ivanov and T.Oguz (Eds.). - P. 47-52.

14. Ivanov L.I., S.Konovalov, V.Belokopytov, E.Ozsoy. Regional Peculiarities of Physical and Chemical Responses to Changes in External Conditions within the Black Sea Pycnoсline: Cooling Phase. // NATO ASI ser. - Dordrecht: Kluwer Academic Publishers. - 1998. - Vol. 2/47: NATO TU-Black Sea Project Ecosystem Modelling as a Management Tool / L.Ivanov and T.Oguz (Eds.). - P. 53-68.

15. L.Ivanov, S.Konovalov, V.Melnikov, A.Mikaelyan, O.Yunev, O.Basturk, V.Belokopytov et al. Physical, Chemical and Biological Data Sets of the TU Black Sea Data Base: Description and Evaluation. // NATO ASI ser. - Dordrecht: Kluwer Academic Publishers. - 1998. - Vol. 2/47: NATO TU-Black Sea Project Ecosystem Modelling as a Management Tool / L.Ivanov and T.Oguz (Eds.). - P. 11-38.

16. Belokopytov V. On hydrometeorological conditions of Cold Intermediate Water renewal in northern part of the Black Sea. // Abstracts of symposium on scientific results of NATO TU-Black Sea project. - Crimea, Ukraine. - 1997 - P. 15-16.

17. Belokopytov V.N. "Oceanographer": applied software for oceanographic surveys. // Abstracts of International Symposium on Information Technology in Oceanography (ITO-98). - Goa, India. - 1998. - P.79.

18. Ivanov L.I., V.N.Belokopytov, E.Ozsoy, A.Samodurov. Ventilation of the Black Sea pycnocline on a seasonal and interannual time scales and water mass formation. // International conference "Oceanography of the Eastern Mediterranean and Black Sea. Similarities and differences of two interconnected basins". - Brussels: European Commission report. - 2000 - P.176.

19. Belokopytov V.N. Marine information system in oceanography and meteorology of the Black Sea. // International conference "Oceanography of the Eastern Mediterranean and Black Sea. Similarities and differences of two interconnected basins". - Brussels: European Commission report. - 2000 - P.419.

20. Belokopytov V.N. Regional GIS "Hydrometeorology of the Black Sea". // EGS 2000, XXV General Assembly European Geophysical Society. - Nice, France. - 2000.

21. Belokopytov V. Black Sea as a hydrographic opposite to Mediterranean Sea. // 2001: An Ocean Odyssey, Joint Assemblies IAPSO-IABO. - Mar del Plata, Argentina.- 2001.

22. Belokopytov V. Seasonal and interannual variability of strong winds and storms in the Black Sea. // Oceanography of the Eastern Mediterranean and Black Sea. Similarities and differences of two interconnected basins. Second international conference. Abstracts. - Ankara, Turkey. - 2002. - P. 450.

23. Belokopytov V. Decadal variability of the Black Sea pycnocline. // Scientific and policy challenges towards an effective management of the marine environment. Emphasis on the Black Sea and the Mediterranean regions, Abstracts. - Varna, Bulgaria. - 2003. - P.277.

Анотація

Белокопитов В.М. Термохалинна і гідролого-акустична структура вод Чорного моря. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата географічних наук за спеціальністю 11.00.08 - океанологія. - Морський гідрофізичний інститут НАН України, Севастополь, 2004.

Дисертація присвячена виявленню регіональних особливостей термохалинної і гідролого-акустичної структури Чорного моря на основі нового статистично забеспеченного кліматичного масиву температури і солоності. Запропоновано нову схему сезонного циклу геострофичної циркуляції, модифікована схема підрозподілу водних мас на основі об'ємного T,S-аналізу, визначені кількісні показники відносного внеску регіональних джерел утворення вод холодного проміжного шару, визначені кліматичні характеристики звукових каналів, проведене районування гідролого-акустичної структури Чорного моря. Визначено співвідношення основних видів часової мінливості термохалинної структури. Розроблено програмне забезпечення для роботи з океанологічними і гідрометеорологічними даними. Основні результати роботи знайшли застосування в морському гідрометеорологічному забезпеченні та проведенні експертиз гідротехних проектів.

Ключові слова: термохалинна структура, водні маси, динамічна топографія, холодний проміжний шар, швидкість звуку, геоінформаційна система.

Аннотация

Белокопытов В.Н. Термохалинная и гидролого-акустическая структура вод Черного моря. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук по специальности 11.00.08 - океанология. - Морской гидрофизический институт НАН Украины, Севастополь, 2004.

Диссертация посвящена выявлению региональных особенностей термохалинной и гидролого-акустической структуры Черного моря на основе нового климатического массива температуры и солености. В климатическом массиве пространственные различия среднемесячных значений имеют высокую степень статистической значимости до глубины 150 м для температуры и глубины 250 м для солености, пространственные различия среднегодовых значений значимы до глубины 500 м

Предложена новая схема сезонного цикла геострофической циркуляции и пространственного распределения термохалинных характеристик в основном пикноклине, заключающаяся в существовании двух периодов: единой интенсивной циклонической циркуляции с января по май и двух раздельных круговоротов с июня по декабрь. Внутри каждого из этих периодов происходит попеременное усиление восточного или западного звена циркуляции.

На основе объемного T,S-анализа модифицирована схема подразделения водных масс, в которой границы проводятся с учетом повторяемости T,S-классов. Определено соотношение объемов вод ХПС с T,S-характеристиками, соответствующими трем районам обновления ХПС: западного круговорота, северо-западного шельфа и восточного круговорота, составляющее, в среднем, 60:25:15%.

Средний годовой ход условий распространения звуковой энергии, обобщен в виде последовательности трех акустических сезонов, аналогов гидрологической зимы, лета и осени: февраль-март: преобладание положительной рефракции; май-август: преобладание отрицательной рефракции и ПЗК; сентябрь-декабрь: сочетание ППЗК и ПЗК. Определены климатические характеристики подводного и приповерхностного звуковых каналов. Проведено районирование гидролого-акустической структуры на основе различий в вертикальном и горизонтальном распределении скорости звука, влияющих на распространение звуковой энергии, выделено три крупные структурные зоны, географически соответствующие трем основным формам рельефа дна: зона шельфа, зона материкового склона и глубоководная зона.

Определено соотношение основных видов временной изменчивости термохалинной структуры. Выявлено, что роль межгодовой изменчивости в Черном море более значительна, чем считалось ранее, преобладание сезонного хода над остальными видами временной изменчивости характерно лишь в слое 0-40 м для температуры и скорости звука.. Тенденции долгопериодных изменений температуры и солености имеют различный характер для поверхностного слоя, слоя 20-75 м, и слоя 75-400 м. Соотношение синоптических циклонических и антициклонических вихревых образований по данным гидрологических съемок, в среднем, составляет 1:3. Выделено 9 районов материкового склона с повышенной повторяемостью синоптических антициклонических вихрей.

Разработанное программное обеспечение, в том числе геоинформационная система “Гидрометеорология Черного и Азовского морей” и программа обработки океанографических съемок “Гидролог” позволили автоматизировать экспертный контроль качества данных, расчет стандартных статистических и вторичных океанографических характеристик, визуализацию вертикальных профилей, карт, разрезов, временных рядов береговых станций и судовых наблюдений.

Результаты работы нашли применение в морском гидрометеорологическом обеспечении народного хозяйства, при обосновании гидротехнических проектов, в создании нескольких комплексных атласов Азово-Черноморского бассейна. В дальнейшем, новый климатический массив термохалинных характеристик может использоваться для исследования климатических тенденций, математического моделирования физических и экологических процессов и при проведении акустического мониторинга в Черном море.

Ключевые слова: термохалинная структура, водные массы, динамическая топография, холодный промежуточный слой, скорость звука, геоинформационная система.

Summary

Belokopytov V.N. Thermohaline and acoustical structure of the Black Sea. - Manuscript.

The thesis to claim the academic degree of candidate of geographical sciences on the speciality 11.00.08 - oceanology. - Marine Hydrophysical Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine, Sevastopol, 2004.

The thesis is devoted to investigation of regional peculiarities of the thermohaline and sound speed structure of the Black Sea on basis of the new climatic hydrological data array. The new scheme of seasonal cycle of geostrophic circulation is proposed. Classification of water masses is modified by means of volumetric T,S analysis. Quantities of regional sources of cold intermediate layer renewal were determined. Climatic characteristics of sound channels were calculated, geographical division of the sound speed structure was carried out. Software to process oceanographic and hydrometeorological data was developed. Main results find an application for marine hydrometeorological service of Ukraine.

Key words: thermohaline structure, water masses, dynamical topography, cold intermediate layer, sound speed, geographic information system.

Размещено на Allbest.ru

...