Одеський державний екологічний унiверситет

Васіла Абдель-Монім Мубарак

УДК 551.468

ОСОБЛИВОСТІ ГіДРОЛОГіЧноЇ СТРУКТУРИ та ДИНАМІКи ВОД ПЕРСИДСЬКОЇ ЗАТОКИ

11.00.08–океанологія

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата географічних наук

Одеса-2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Морському гідрофізичному інституті НАН України

Науковий керівник: кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник

Кубряков Олександр Іванович,

Морський гідрофізичний інститут НАН України, старший науковий співробітник відділу гідрофізики шельфу

Офіційні опоненти: доктор географічних наук, старший науковий співробітник

Ломакін Павло Дем'янович,

Морський гідрофізичний інститут НАН України, провідний науковий співробітник відділу океанографії

кандидат географічних наук, старший науковий співробітник

Большаков Вадим Миколайович,

Інститут біології південних морів, Одеський філіал, НАН України, старший науковий співробітник відділу океанологічних основ морського природокористування

Провідна установа: Український науково-дослідний центр екології моря,

Міністерства екології та природних ресурсів, м. Одеса.

Захист відбудеться “ 16 ” травня 2002 року о 1300 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.090.01 в Одеському державному екологічному університеті за адресою: 65016, м. Одеса – 16, вул. Львівська, 15 ОДЕКУ.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Одеського державного екологічного університету за адресою: 65016, м. Одеса – 16, вул. Львівська, 15 ОДЕКУ.

Автореферат розісланий “ 16 ” квітня 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Лобода Н.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Регіон Персидської затоки представляє надзвичайний інтерес для світової спільноти. Передусім тому, що це одна з самих багатих нафтою ділянок земної кори, де знаходиться біля 60 % світового запасу нафти. Через затоку проходить найважливіший морський торговий шлях між країнами Персидської затоки і країнами північно-східної Азії та Східної Африки. Про це свідчить той факт, що в годину пік через Ормузську протоку кожні шість хвилин проходить одне судно.

З давніх пір суворий клімат і неродючість земель примушували жителів цього регіону наближатися до прибережної зони затоки в пошуках більш сприятливих умов існування. У теперишній час всі країни цього регіону, так чи інакше, залежать від стану вод Персидської затоки, що природним шляхом сприяло інтенсифікації і розширенню використання морських ресурсів затоки. Це, в свою чергу, спричинило розвиток і поглиблення океанографічних знань про Персидську затоку, в тому числі про структуру і циркуляцію його вод.

Як правило, зростання антропогенного впливу на навколишнє середовище приводить до необхідності аналізу і обліку наслідків людської життєдіяльності на природний хід процесів. Знання гідрологічної структури і регіональної циркуляції вод Персидської затоки необхідно, передусім, для запобігання екологічних катастроф, викликаних розливом нафти і нафтових продуктів внаслідок аварій і воєнних дій (наприклад, аварія на платформі “Новруз” в 1982 р., війна з Іраком в 1992 р.). Для країн затоки це питання процвітання і життя або деградації і смертей. Так, за оцінками Міжнародної статистики нафтових розливів (IOSS) в 1982 р. внаслідок бомбардування Іраком нафтової платформи “Новруз” (Іран) в затоку вилилося біля 80 млн. галонів сирої нафти. Новрузсікий розлив зайняв четверте місце в світі по кількості розлитої нафти і продовжувався близько 8 місяців, внаслідок чого загинуло багато видів морської фауни Персидської затоки.

Оскільки Персидська затока в більшій частині мілководна і припливо-відливні рухи в ньому грають суттєву роль, то знання циркуляційного режиму надто необхідне для безпечної навігації. Від стану морських вод залежить їх біологічна продуктивність і умови промислу. Ці проблеми вимагають детального вивчення гідрометеорологічного режиму затоки і його мінливості.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження цієї дисертаційної роботи проводилися в рамках наступних програм і проектів:

·

· Проект Міністерства науки і освіти України “Створення системи спостережень, контролю і оцінки прибережної зони моря (Прибережна зона, шифр 0197U017082)”.

· Проект НАН України “Розробка теоретичних і технологічних основ діагностування і прогнозування систем, управління їх ресурсним потенціалом, забезпечення еколого-технічної безпеки і рекультивації водного середовища (Регіон, шифр 0196U017322)”.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є виявлення особливостей структури термохалінних полів та розрахунки циркуляції вод і поширення забруднюючих речовин Персидської затоки на основі математичного моделювання.

У процесі виконання роботи необхідно було вирішити наступні задачі:

·

· провести діагноз циркуляції вод на основі математичної моделі і даних гідрологічних зйомок;

· дослідити сезонні варіації температури вод Персидської затоки за архівними даними;

· дослідити особливості циркуляції вод в центральній частині затоки за даними прямих вимірювань експедиції на судні NOAA “Mt. Mitchell” в 1992 р.;

· провести сценарні розрахунки поширення забруднюючих речовин в Персидській затоці для зимових і літніх умов.

Виконана диссертаційна робота являє собою суцільну наукову працю, що відображає сучасний стан знань про регіональну гідрологію і динаміку вод Персидської затоки.

Об'єктом дослідження являється морська система Персидської затоки.

Предметом дослідження є характеристика гідрологічної структури і динаміки вод Персидської затоки та їх мінливість.

Метод дослідження – це порівняльний аналіз просторової і часової мінливості розподілу термохалінних характеристик, математичне моделювання, статистичний аналіз, спектральний аналіз.

Наукова новизна одержаних результатів. Внаслідок виконаної роботи вперше отримані наступні наукові результати, що виносяться на захист:

·

· Проведені сценарні розрахунки поширення забруднюючих речовин в Персидській затоці.

· Проведене гідрологічне районування Персидської затоки в залежності від гідрометеорологічних особливостей і умов;

· Виділені особливості просторової структури основних елементів динаміки вод в центральній частині затоки, в тому числі:

·

· регулярні низькочастотні коливання з періодами 4 і 14 діб;

· крупномасштабні коливання течій в діапазоні 32- 42 доби;

· сезонні коливання кліматичної фронтальної зони;

· регіональні особливості режиму течій в поверхневому і придонному шарах.

·

Практичне значення одержаних результатів. Загалом результати, викладені в дисертації, уточнюють ті, що є в теперішній час уявленням про гідрологічну структуру і циркуляцію вод і заглиблюють знання про їх просторово-часові характеристики.

Отримані результати можна широко використати у практичних наукових і учбових цілях, що стосуються гідрології і циркуляції вод Персидської затоки. Результати розрахунку сезонних варіацій температури можуть служити основою для створення атласу гідрологичних параметрів Персидської затоки.

Виконані розрахунки циркуляції вод, поширення домішок і адаптована до умов Персидської затоки модель РОМ можуть служити основою для дослідження і прогнозу перенесення різних забруднюючих домішок в затоці.

Особистий внесок здобувача. Автором цієї дисертації:

отримані дані в Катарському Університеті в 1997 р., зібрана і узагальнена інформація, що стосується Персидської затоки з літературних джерел в Катарі, ОАЄ, Англії і Україні. Оброблені і проаналізовані вихідні дані, побудовані всі карти і графіки, що входять в цю дисертацію. Підготовлені масиви даних, виконані необхідні розрахунки, проведений аналіз і зіставлення результатів з натурними даними.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації доповідалися на двох наукових семінарах відділу гідрофізики шельфу Морського гідрофізичного інституту НАН України (м. Севастополь, квітень 1999 р, серпень 2001 р.), конференції “Системи контролю навколишнього середовища-2001” (м. Севастополь, вересень 2001 р.), конференції “Студентська конференція” (м. Одеса, квітень 2001 р.) і розширеному науковому семінарі в Одеському державному екологічному університеті.

Публікації. Результати дисертаійних досліджень опубліковані у 5 наукових статтях, 3 з них у виданнях, рекомендованих ВАК України.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел і додатку. Повний обсяг роботи складає 167 сторінок, містить 57 рисунків і 9 таблиць, список використаних джерел, куди входить 78 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовується актуальність, наукова новизна, практичне значення дисертаційної роботи, формулюється мета і задачі досліджень, викладені основні положення, що виносяться на захист.

У першому розділі дається загальна фізико-географічна характеристика Персидської затоки.

Персидська затока займає велике мілководдя у північно-західній частині Аравійського моря і сполучається з Оманською затокою через Ормузську протоку. Довжина Персидської затоки біля 990 км; максимальна ширина біля 338 км, мінімальна ширина 65 км поблизу протоки. Площа затоки і об'єм води приблизно становлять 239 тис. км2 і 8630 км3 відповідно. Середня глибина в затоці біля 36 м і лише в декількох місцях перевищує 100 м.

Клімат Персидської затоки жаркий, атмосферних опадів випадає мало, вологість повітря висока. Над затокою переважають північно-західні або східні вітри. Протягом всього року часто спостерігаються північно-західні вітри Шамаль.

Циркуляція вод затоки в основному циклонічна і визначається негативним прісним балансом і підвищенням щільності води від Ормузської протоки в напрямі на північний захід, а також пануючими вітрами.

Літня температура води по затоці від вершини до Ормузської протоки знаходиться в межах 20-30 ?С, а взимку знижується на 5-10 ?С.

Солоність води біля входу в затоку 37-38 ‰, далі на захід і північний захід вона підвищується до 40-41 ‰.

Приливи Персидської затоки неправильні півдобові, місцями неправильні добові. Максимальна величина приливів 3.4 м., а мінімальна- 1.1 м.

Вивченню океанографії Персидської затоки присвячували свої роботи такі вчені, як В.Ф. Канаєв, К.Т. Богданов, В.Ф. Суховій, Hunter, Lehr, Colbron, Privett, Lamb, Emry, Alsaid Hassan, Algundi, Elsamra, Alhagiri і інш.

Аналіз літературних джерел показав, що найбільш вевченою з точки зору регіональної гідрології Персидської затоки є її західна частина.

Дослідженню загальної динаміки вод Персидської затоки присвячували свої роботи Hunter J.R. і Khalid R. Al-Hajri. Для розрахунку шляхів і міри поширення нафтових плям в Персидській затоці раніше застосовувалося декілька чисельних моделей, самі відомі з них GulfSlik (1979), OSSM-NOAA (1983) і TOS-UQAR (1985).

У другому розділі на основі архівних даних і даних двох зйомок аналізується гідрологічна структура Персидської затоки та її сезонна мінливість.

Для дослідження і аналізу гідрологічної структури і розрахунків циркуляції були використані два масиви даних:

1. архівні дані (так званий масив Левітуса), що включають результати вимірювань, виконаних в Світовому Океані за період з 1944 по 1998 рр. У Персидській затоці загалом було виконано 4580 океанографічних станцій, дані являють собою комплекс батометричних станцій, батитермографічних вимірювань і ХВТ-вимірювань. Ці дані були отримані в МГІ НАН України;

2. дані експедиції на судні NOAA “Mt. Mitchell” в 1992 р. що включають:

·

· п'ять заякорених автономних притоплених буйкових станцій (АБС), встановлених в центрі затоки на період з березня по травень 1992 р. Визначення модуля швидкості і напрямку вектора течій виконувалися стандартними ейлеровими вимірниками при часовому інтервалі між вимірами, рівному 20 хв. Прилади також вимірювали температуру і электропровідность морської води на горизонті настанови.

Слід відзначити, що до війни 1991 р. комплексні гідрологічні спостереження на більшій частині акваторії Персидскої затоки не проводилися. Ці дані були люб'язно надані завідуючим відділом океанології Катарського університету доктором Абдель-Рахманом Муфтахом.

На основі архівних даних отримані і описані статистично забезпечені характеристики внутрирічної мінливості температури.

З метою адекватного опису найбільш загальних закономірностей внутрирічної еволюції термічного стану Персидської затоки, в 6-ти його базових точках, що складають океанографічний розріз, який орієнтувався вздовж осі затоки були обчислені амплітудно-фазові характеристики річної і піврічної гармонік і оцінені вклади цих гармонік в загальну дисперсію температури. Обчислені також середньокліматичні щомісячні значення температури води. В залежності від глибини місця розрахунки здійснювались для горизонтів 0, 10, 20, 30, 50 і 75 метрів. Щомісячні значення температури води і характеристики внутрирічної мінливості температури обчислювалися для широтных смуг, перекриваючих одна одну в меридіанальному напрямку, а також перекриваючих всю акваторію Персидської затоки в зональному напрямку. В зв'язку з цим точки 1 – 6 розглядалися як центри сферичних прямокутників впливу зі сторонами, рівними 1.5° по широті і 2.5° по довготі. Просторові масштаби прямокутників впливу при відносно малих розмірах Персидської затоки були підібрані таким чином, щоб в них влучало не менше сотні океанографічних станцій, більш-менш рівномірно розподілених по місяцям року, що дозволяє отримати вірогідний кліматичний річний сигнал. Окрім цього, щомісячні середньобагаторічні поля поверхневої температури води аналогічним чином були обчислені в вузлах рівномірної 20-хвилинної сітки. В цьому випадку вузли сітки розглядалися як центри перекриваючих один одного квадратів впливу зі сторонами, що дорівнюють 40 милям. Розрахунки здійснювалися відповідно до алгоритму, суть якого полягає в тому, що для кожної точки, що досліджується, обчислювалися сукупності середньобагатогорічних місячних значень {} (i =1,2,3…12), які потім були піддані гармонічному аналізу. При розрахунку величин результати всіх вимірювань, що попадали у прямокутники впливу, використовувалися з вагою, зворотньо пропорційною квадрату відстані від точки вимірювання до центру прямокутника. Гармонічного аналізу зазнавали лише ряди {} в яких пропуски значень не перевищували двох місяців.

Розрахунки показують (табл. 1), що сукупний внесок річної і піврічної гармонік в загальну дисперсію температури варіюється від 60% в північно-західній частині затоки до 90% в центральній і південно-східній її частинах.

При цьому домінуючу роль в сезонних змінах температури води грає річна гармоніка. Рівень дисперсії, зумовленої піврічною гармонікою зневажливо малий. З урахуванням цього результату середньокліматичний річний хід температури води представлений лише однією річною гармонікою.

Сезонні коливання температури Персидської затоки в межах всіх акваторій відбуваються синфазно.

Були виділені три типи термічної структури: зимовий, літній і осінній.

Зимовий тип (грудень – березень) характеризується вираженою вертикальною однорідністю і мінімальними величинами температури. Для літнього типу (травень – вересень) характерна наявність трьохшарової вертикальної структури, представленої верхнім і нижнім квазіізотермічними шарами, розділеними термокліном. Осінній тип (жовтень, листопад) володіє специфічними рисами, а саме, наявністю двох шарів: поверхневого квазіізотермічного і придонного стратифіцированого. Два місяці, що залишилися, березень і квітень вважаємо початковою фазою розвитку літньої структури.

Таблиця 1

Характеристики внутрирічної мінливості температури

в Персидській затоці.

Номер розрахункової точки Середньорічне значення (°С) Внесок річної гармоніки в загальну дисперсію (%) Внесок піврічної гармоніки в загальну дисперсію (%) Амплітуда річної гармоніки (°С) Фаза річної гармоніки (місяць настання максимума) Амплітуда піврічної гармоніки (°С) Залишкова дисперсія (%) Загальна кількість станцій

0 м

1 24.2 56.7 0.9 7.5 8 0.9 42.4 265

2 25.5 69.3 0.2 6.5 8 0.3 30.1 585

3 26.4 82.2 0.7 6.3 8 0.6 17.1 789

4 26.4 86.4 0.7 6.0 8 0.6 12.9 893

5 27.3 80.5 0.4 5.5 8 0.4 19.1 515

6 27.4 83.9 0.1 5.3 8 0.2 16.0 646

10 м

1 23.7 56.9 1.1 6.9 8 1.0 42.0 229

2 25.1 73.1 0.2 6.4 8 0.4 26.4 583

3 26.2 84.2 0.5 6.3 8 0.5 15.3 787

4 26.2 87.8 0.5 6.0 8 0.4 11.8 876

5 26.9 80.0 0.1 5.3 8 0.2 19.9 512

6 27.2 84.2 0.0 5.3 8 0.1 15.8 644

20 м

1 22.8 57.6 2.6 5.2 9 1.1 38.8 140

2 24.4 72.1 0.3 5.8 8 0.4 27.6 543

3 25.4 86.5 0.1 5.9 9 0.2 13.4 771

4 25.7 89.8 0.1 5.6 9 0.2 10.2 810

5 25.6 70.8 2.6 4.1 9 0.8 26.6 504

6 26.7 82.9 0.2 5.1 9 0.3 16.9 618

30 м

1 22.9 58.1 3.6 4.6 9 1.2 37.3 89

2 23.2 70.4 2.5 4.7 9 0.9 27.1 492

3 24.0 81.3 2.4 5.0 9 0.9 16.3 725

4 24.6 82.2 1.4 4.8 9 0.6 16.4 736

5 24.5 63.2 6.0 3.4 10 1.0 30.8 483

6 26.0 78.2 0.4 4.6 9 0.3 21.4 556

50 м

2 21.1 58.7 7.7 2.5 9 0.9 33.6 189

3 21.7 70.9 6.3 3.6 10 1.1 28.8 517

4 22.1 62.9 5.5 3.2 10 1.0 31.6 585

5 22.5 54.3 8.0 2.3 11 0.9 37.7 390

6 24.3 66.0 2.5 3.2 9 0.6 31.5 328

75 м

4 21.1 29.0 10.2 1.4 10 0.8 69.8 118

5 21.4 45.3 7.5 1.5 11 0.6 47.2 151

На основі даних спостережень “Mt. Mitchell” були побудовані сім вертикальних розрізів, що охоплюють всі акваторії затоки, і шістнадцять карт горизонтального розподілу температури і солоності для зимового і літнього сезонів за допомогою методів інтерполяції, що включені в стандартні пакети програмного забезпечення.

За цими ж даними спостережень побудовані T,S-криві для літнього сезону на станціях в характерних районах Персидської затоки.

Внаслідок аналізу акваторію Персидської затоки по характерним особливостям в розподілі температури і солоності можна умовно розділити на чотири частини: район Ормузської протоки, мілководну частину на півдні затоки, область у вершині затоки у берегів Кувейту та Іраку і центральну частину затоки (рис. 1). Цей розподіл є об'єктивним наслідком наявності факторів, в основному визначаючих особливості розподілу гідрологічних характеристик в Персидській затоці, а саме: інтенсивне випаровування, річковий стік, мілководність басейну її водообмін з Оманською затокою. На фоні впливу цих чинників спостерігається сезонна мінливість полів температури і солоності.

T,S–аналіз для літнього періоду свідчить, що в літній сезон води Персидської затоки сильно стратифіковані, в основному мають двушарову будову: верхній і придонный шари розділені термокліном. У вершині затоки, де домінує вплив стоку р. Шатт-Аль-Араба, відсутній термоклін.

Отримані результати аналізу вертикальних і горизонтальних розподілів дозволили істотно уточнити вертикальні і горизонтальні розподіли температури і солоності у різних частинах Персидської затоки.

У третьому розділі виконано аналіз особливостей циркуляції вод в центральній частині затоки на основі первинних даних ейлерових вимірників течій, отриманих експедицією “Mt. Mitchell” з березня по травень 1992 р., а також матеріалів гідрологічних зйомок, описаних раніше.

Для обробки експериментального матеріалу використані пакети прикладних програм обробки векторних даних, розроблені в МГІ НАН України для узгодженого використання даних сучасних різновидів єйлерових вимірників течій і їх комбінацій, включаючи векторно-усереднюючі. Послідовно був виконаний ряд процедур, включаючи спеціальне векторне усереднення одиничних векторів, а потім традиційне комплексне векторне усереднення реалізацій при стандартних наборах ядер згладжуючого фільтра.

Для досліджень хвильової структури добових і півдобових приливів і їх гармонік був використаний фільтр з частотою зрізу енергії коливань на періодах менших двох годин. Для виключення можливого внеску енергії інтенсивних коливань в результаті подальшої спеціальної обробки і аналізу мезомасштабної і синоптичної мінливості течій послідовно були використані

процедури добової, чотирьох– і п'ятнадцятидобової фільтрації і енергетично узгодженої децимації часових векторних реалізацій. Характеристики залишкових течій визначалися після видалення з реалізацій синоптичних і мезомасштабних коливань.

Статистична обробка і спектральний аналіз векторних і скалярних реалізацій виконувалися як по традиційних, так і по оригінальних методиках. Розподіли оцінок спектральної щільності кінетичної енергії коливань за даними вимірників течій виконані традиційним методом при розкладанні векторів на ортогональні компоненти, а інваріантні оцінки – по методу компонентів, що обертаються. Результати просторово-часового спектрального аналізу дозволили детально дослідити внутрішню структуру мезомасштабних коливань.

Отримані оцінки спектрального складу, просторової структури кінематичних характеристик енергонесучих коливань і внесок їх інтенсивних рухів в динаміку центральної частини Персидської затоки.

Енергія руху вод в затоці зумовлена трьома основними вимушеними процесами, а саме дією приливів, впливом вітру і густинними відмінностями вод. Виникаючі рухи вод мають різні як просторові, так і часові масштаби.

Отримані результати підтверджують існуючі уявлення про крупномасштабну циркуляцію вод. Нарівні з цим був виділений цілий ряд нових особливостей крупномасштабної динаміки, а також специфічні хвилевихрові і квазістаціонарні рухи вод Персидської затоки, а саме:

·

· регулярні низькочастотні коливання з періодами 4 і 14 діб;

· крупномасштабні коливання течій в діапазоні 32 – 42 доби;

· сезонні коливання кліматичної фронтальної зони.

Також виділені регіональні особливості режиму течій в поверхневому і придонному шарах.

Мезомасштабні рушення. На графіках спектральної щільності кінетичної енергії достовірно виділені півдобові і добові коливання течій на різних глибинах.

Спектральні оцінки дозволили достовірно встановити поворотно-поступальний характер переміщення вод в реверсивних півдобових рухах на всіх горизонтах, а в добових хвилях переважають еліптичні орбітальні рухи, особливо чітко виражені в придонних шарах.

Синоптична мінливість. Розглянута мінливість фази векторів середніх течій в підповерхневому, проміжному і придонному шарах. Виразний цикл зміни фаз середніх течій виражений у верхніх шарах затоки. Раніше таких наочних і очевидних натурних результатів хвилевихрової динаміки синоптичних масштабів для акваторій Персидської затоки отримувати не вдавалося. У поверхневих шарах переважний внесок мають інтенсивні синоптичні рухи, але синоптична мінливість слабко виражена коло дна.

Динаміка вод в кліматичній фронтальній зоні. Досліджені особливості просторово-часової мінливості розподілу солоності вод вздовж гідрологічних розрізів, де чітко виражена сезонна мінливість фронтальної структури в центральній частині затоки. Результати аналізу дозволили уточнити сезонну структуру течій в квазістаціонарному циклонічному кругообігу. Згідно з виконаним аналізом, в центральній частині Персидської затоки в зоні контакту океанських вод з високосолоними водами мілководь був виділений кліматичний фронт з чітко вираженою сезонною мінливістю.

Залишкові течії. Залишкові течії обчислювалися після видалення з початкових реалізацій мезомасштабних і синоптичних складових. У всіх розглянутих ситуаціях залишкові придонні течії мали тенденцію витікання із затоки вздовж материкових схилів, але відповідно до локальних особливостей рельєфу дна.

Розглянуті в роботі аспекти мезо- і крупномасштабної мінливості течій взагалі раніше не обговорювалися в науковій літературі.

У четвертому розділі представлені результати діагностичних розрахунків швидкостей течій в Персидській затоці для різних сезонів, виконані на основі використання чисельної математичної моделі і даних двох гідрологічних зйомок.

Для розрахунків використовувалася модель океанічної циркуляції Принстонського університету (Princeton Ocean Model– РОМ). Ця модель заснована на повній системі рівнянь термогідродинаміки океану з вільною поверхнею в наближенні Буссинеска, гідростатики і нестисливості рідини. Однєю з особливостей моделі є використання так званих сигма-координат. Розрахунок швидкостей течій проводився діагностичним методом, тобто при заданих полях температури і солоності. Слід відзначити, що модель РОМ успішно застосовувалася і застосовується для рішення різноманітних задач динаміки моря, включаючи як дослідження в естуаріях і шельфових районах моря, так і загальної циркуляції морів і океану. На поверхні як гранична умова задавалися поля напруження вітру. Для їх обчислення використовувалися дані реаналізу про швидкості вітру, отримані Національним центром прогнозу навколишнього середовища в США. Ці дані для вибраного регіону були усереднені за часом за період 1998-2000 рр. для зимового і літнього сезонів і потім інтерпольовані бікубічними сплайнами на розрахункову сітку.

Розміри боксів по горизонталі становили приблизно 14 км вздовж широти і довготи. По вертикалі використовувалося 10 рівнів, причому ці рівні густішали експонентно у напрямі від серединних шарів до поверхні і до дна моря для кращого розділення поверхневого і придонного прикордонних шарів. Мінімальна глибина моря становила 1 м, максимальна 100 м. Стік річок не враховувався. Для баротропної моди крок за часом становив 40 с, для бароклинної ~ 33 хв.

Як показали проведені розрахунки, циркуляція встановлюється практично через 60 діб розрахункового часу. У роботі приведені і аналізуються результати розрахунків полів швидкості течій в період після часу встановлення.

Зимова циркуляція.

Особливості зимової циркуляції в басейні виразно помітні на картах розподілів поверхневих і придонних течій і функції струму повних потоків. У розподілі функції струму повних потоків було виділено три області антициклонічної завихореності і одна область циклонічної циркуляції.

У поверхневому шарі має місце яскраво виражена антициклонічна циркуляція з характерними швидкостями перенесення 10-20 см/с. Величини швидкостей течій в поверхневому шарі моря знаходяться в діапазоні до 21 см/с.

Швидкості течій в придонному шарі набагато менше в порівнянні з поверхневим. Тут максимальні значення швидкостей (> 3 см/с) а мінімальні - (< 0.4 см/с).

Літня циркуляція.

Влітку в поверхневому шарі північно-західної частини затоки має місце, в основному, циклонічна завихореність, за винятком району близ побережжя Саудівської Аравії. Величини швидкостей течій в поверхневому шарі коливаються від 0.3 і до 25 см/с. В придонних шарах виразно спостерігається характерна для Персидської затоки циркуляція. Добре виражена струйна течія, що проходить вздовж Аравійського півострова на південний схід. На південному мілководді між Катаром і ОАЄ має місце локальний антициклонічний вир.

Розрахунки розповсюдження домішок, що забруднюють.

Висока ймовірність всіляких аварій в регіоні, що приводять до надходження в води затоки різноманітних домішок, що забруднюють, викликає необхідність створення і впровадження систем контролю морського середовища, управління і підтримки прийняття рішень, направлених на вироблення різноманітного роду рекомендацій по мінімізації нанесених збитків. Такі системи контролю і управління повинні передбачати не тільки кількісні спостереження (концентрація тих або інших хімічних елементів, швидкість течій, температура і т. д.), але характер і механізми взаємодії різноманітних процесів.

Інтегровані в такі системи математичні моделі, що описують механізми взаємодії між елементами морського середовища, дозволяють виявити основні тенденції і спрогнозувати поведінку середовища при різноманітних стратегіях антропогенного впливу. А сценарні розрахунки за такими моделями дозволяють більш обгрунтовано визначитися в виборі заходів по контролю і зниженню забруднення і ліквідації наслідків тих або інших катастрофічних аварій, викидів і т. д., а також уникнути невиправдано великих фінансових витрат при здійсненні цих заходів.

Метою проведених сценарних розрахунків є визначення шляхів і міри розповсюдження нафтового забруднення на протязі місяця після можливої аварії для оцінки, передусім, поверхневого розповсюдження забруднення, як найбільш несприятливого для прибережних районів розглядуваного регіону. І оскільки не ставиться задача детального опису динаміки нафтової плями, то в першому наближенні можна не враховувати його трансформацію, зумовлену такими процесами, як випаровування, фракціонуваня, декомпозиція, ефектами поверхневого натягу, іншими хімічними і біологічними процесами

Розрахунок поширення умовної домішки проводився для зими і літа в трьох різних регіонах Персидської затоки. Метою проведених сценарних розрахунків є визначення шляхів і міри поширення нафтового забруднення протягом місяця після можливої аварії для оцінки, передусім, поверхневого поширення забруднення як найбільш несприятливого для прибережних районів регіону, що розглядаються.

Процес перенесення забруднюючої домішки описувався рівнянням, що виражає зміну її концентрації у часі і просторі. При чисельному рішенні цього рівняння застосовувалася ітеративна схема Смоларкевича з антидифузійною швидкістю, що спеціально визначається.

Внаслідок проведених розрахунків отримані трьохмірні поля течій для зимового і літнього сезонів в Персидській затоці. Досить добре просторове розділення дозволяє детально описати структуру течій в різних шарах. Отримана задовільна якісна і кількісна відповідність результатів розрахунку даним спостережень.

Виконані розрахунки циркуляції вод і сценарні розрахунки забруднюючих домішок за допомогою адаптованою до умов Персидської затоки моделі РОМ можуть служити основою для дослідження перенесення різних забруднюючих домішок в затоці.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової задачі, що виявляється в діагностичному розрахунку циркуляції вод і поширення забруднюючих речовин в Персидській затоці на основі математичного моделювання.

Головні наукові і практичні результати роботи.

1. Характерними рисами Персидської затоки в порівнянні з іншими водоймищами є високі солоність і температура води, негативний водний баланс, висока інтенсивність приливів і складний, з великими градієнтами, рельєф дна;

2. Основними факторами, що визначають термохалінну структуру вод Персидської затоки, є інтенсивне випаровування, річковий стік, мілководність басейну її водообмін з Оманською затокою;

3. Домінуючу роль в сезонних змінах температури води грає річна гармоніка. Роль коливань з піврічним періодом занадто мала;

4. Амплітуди сезонних змін температури максимальні на поверхні, де вони варіюють від 7.5 °С у вершинній північно-західній частині затоки до 5.3 °С в південно-східній частині. З глибиною амплітуди сезонних змін температури меншають і в придонних горизонтах південно-східної частини затоки вони становлять 1-2 °С;

5. Сезонні коливання температури Персидської затоки в межах всіх акваторій відбуваються синфазно. Внутрирічні екстремуми повсюдно спостерігаються в одні і ті ж місяці року. На поверхні затоки температурні мінімуми спостерігаються в лютому, а максимуми – в серпні, в придонних горизонтах экстремуми запізнюються на 1–2 місяці;

6. Протягом року термічна структура вод Персидської затоки зазнає істотних змін. Виділяються три типи термічної структури: зимовий, літній і перехідний. Зимовий тип найбільш виражений в січні-лютому, літній – в червні-серпні. Навесні і восени спостерігається перехідний тип;

7. По характерних особливостях розподілу температури і солоності проведено районування акваторій Персидської затоки, виділено такі райони:

·

· мілководна частина на півдні затоки між берегами Катару і ОАЄ;

· область у вершині затоки близько до берегів Кувейту і Іраку;

· центральна частина затоки.

8. Особливостями просторової структури основних елементів динаміки вод в центральній частині затоки, а також регіональними особливостями режиму течій в поверхневому і придонному шарах, є:

· головні складові хвиль астрономічних приливних рухів;

· регулярні низькочастотні коливання з періодами 4 і 14 діб;

· крупномасштабні коливання течій в діапазоні 32 – 42 доби;

· сезонні коливання кліматичної фронтальної зони.

9. На основі чисельної моделі циркуляції і виміряних полів температури і солоності розраховані трьохмірні поля течій. Уперше отримані детальні картини розподілу швидкості течій на 10 різних горизонтах для зимового і літнього сезонів. Зіставлення розрахункових складових швидкості течій з даними спостережень показало їх задовільну якісну і кількісну відповідність;

10. За результатами розрахунків поширення забруднюючих речовин, згідно сценаріям, які імітують можливі ситуації аварійних викидів або вибухів на нафтодобувних свердловинах, побудовані карти еволюції у часі плям забруднень для зимового і літнього сезонів. Вони надають можливість оцінки напряму і площі поширення забруднень при різних метеоумовах і мірі їх впливу на екосистему Персидської затоки.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ

ДИСЕРТАЦІЇ

1. Мубарак Васила А. Персидский залив и гидрологические наблюдения 1992 г. // Метеорология, климатология, гидрология,– Одесса, 1999.– вып.36.–С.265-270.

2. Мубарак В.А., Кубряков А.И. Гидрологическая структура вод Персидского залива по данным наблюдений в 1992 году // Морской гидрофизический журнал.– 1999.– № 5.– С.51-61.

3. Мубарак В.А., Кузнецов А.С. Особенности динамики вод центральной части Персидского залива // в сб. Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа.– Севастополь: ЭКОСИ-Гидрофизика, 2000.– С.217-228.

4. Джиганшин Г.Ф., Мубарак В.А. О сезонных вариациях температуры воды в Персидском заливе // Морской гидрофизический журнал.– 2001.– № 4.– С.42-56.

5. Кубряков А. И., Мубарак Васила А. Диагостический расчет циркуляции вод в Персидском заливе по данным наблюдений в 1992 г. // в сб. Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа.– Севастополь: ЭКОСИ-Гидрофизика, 2001.– С.159-167.

АНОТАЦІЇ

Васіла Абдель-Монім Мубарак. Особливості гідрологічної структури та динаміки вод Персидської затоки.– Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступена кандидата географічних наук, спеціальність 11.00.08 – океанологія. Одеський державний екологічний університет, Одеса, 2002.

Дисертація присвячена дослідженню морської системи Персидської затоки і виявленню основних особливостей її термохалінних і гідродинамічних полів, включаючи їх просторово-часову мінливість, проведенню діагностичного розрахунку циркуляції вод і поширення забруднюючих речовин в Персидській затоці з використанням математичної моделі. Дослідження базується на основі аналізу оброблених архівних материалів і даних гідрологічних зйомок “Mt. Mitchell” в Персидській затоці в 1992 р. з використанням методів математичного моделювання та статистичного і спектрального аналізу.

Основний зміст дисертаційної роботи міститься в трьох взаємопов'язаних розділах:

1. аналіз і обробка архівних даних і натурних спостережень про термохалінну структуру вод Персидської затоки;

2. математичне моделювання динаміки вод затоки з використанням даних натурних спостережень;

3. застосування отриманих результатів розрахунку циркуляції вод до рішення екологічної задачі поширення забруднюючої домішки у верхньому шарі затоки.

Ключові слова: Персидська затока, термохалінна структура, циркуляція, математичне моделювання, поширення домішки.

Васила Абдель-Моним Мубарак. Особенности гидрологической структуры и динамики вод Персидского залива.– Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук, специальность 11.00.08 – океанология. – Одесский государственный экологический университет, Одесса, 2002.

Диссертация посвящена исследованию морской системы Персидского залива и выявлению основных особенностей ее термохалинных и гидродинамических полей, включая их пространственно-временную изменчивость, проведению диагностического расчета циркуляции вод и распространения загрязняющих веществ в Персидском заливе с помощью математической модели. Исследования базируются на основе анализа натурных и архивных данных с использованием методов математического моделирования, статистического и спектрального анализа.

Основное содержание диссертационной работы содержится в трех взаимосвязанных разделах:

1. анализ и обработка данных архивных и натурных наблюдений о термохалинной структуре вод Персидского залива;

2. математическое моделирование динамики вод залива с использованием данных натурных наблюдений;

3. приложение полученных результатов расчета циркуляции вод к решению экологической задачи распространения загрязняющей примеси в верхнем слое залива.

В работе показано, что интенсивное испарение, речной сток, мелководность бассейна и водообмен с Оманским заливом играют большую роль в определении термохалинной структуры вод Персидского залива. Также показано, что отличительными чертами Персидского залива являются высокие соленость и температура воды, отрицательный водный баланс, высокая интенсивность приливов и сложный, с большими градиентами, рельеф дна.

На основе обработанных архивных данных за период с 1944 по 1998 гг. проанализированы характеристики внутригодовой изменчивости температуры воды в Персидском заливе. Показано, что сезонные изменения температуры воды в основном описываются годовой гармоникой, вклад которой в общую дисперсию температуры варьирует от 60% в северо-западной части залива до 80% и более в центральной и юго-восточной частях. Роль колебаний с полугодовым периодом пренебрежимо мала. Выделены и описаны характерные типы термической структуры, наблюдаемые в различные фазы внутригодовой эволюции поля температуры.

Установлено, что амплитуды сезонных изменений температуры максимальны на поверхности, где они варьируют от 7.5 °С в вершинной северо-западной части залива до 5.3 °С в юго-восточной части. С глубиной амплитуды сезонных изменений температуры уменьшаются и в придонных горизонтах юго-восточной части залива они составляют1-2 °С.

Сезонные колебания температуры Персидского залива в пределах всей акватории происходят синфазно. Внутригодовые экстремумы повсеместно наблюдаются в одни и те же месяцы года. На поверхности залива температурные минимумы наблюдаются в феврале, а максимумы в августе, в придонных горизонтах экстремумы запаздывают на 1–2 месяца.

В течение года термическая структура вод Персидского залива претерпевает существенные изменения. Выделяются три типа термической структуры: зимний, летний и переходный. Зимний тип наиболее выражен в январе-феврале, летний – в июне-августе. Весной и осенью наблюдается переходный тип.

На основе материалов CTD-наблюдений “Mt. Mitchell” получены количественные характеристики сезонной изменчивости гидрологических параметров Персидского залива. Проведено районирование акватории Персидского залива по характерным особенностям в распределении температуры и солености, а именно: район Ормузского пролива на востоке залива; мелководная часть на юге залива; северо-западная часть залива и центральная часть залива.

По данным “Mt. Mitchell” выполнен анализ динамики вод в центральной части Персидского залива. Выделены и классифицированы основные элементы изменчивости региональных течений такие как: главные составляющие волн астрономических приливных движений, регулярные низкочастотные колебания, крупномасштабные колебания течений, сезонные колебания климатической фронтальной зоны. Рассмотрены особенности сезонной циркуляции поверхностных и придонных водных масс залива.

На основе модели общей циркуляции океана Принстонского университета (РОМ) и данных гидрологических съемок “Mt. Mitchell” рассчитаны поля течений в Персидском заливе. Впервые получены детальные картины распределения скорости течений на 10 различных горизонтах для зимнего и летнего сезонов. Анализировались и сопоставлялись карты поверхностных и придонных течений, а также средней циркуляции в зимний и летний сезоны.

Карты вычисленных течений впервые дают представление о распределении скоростей по акватории залива в зависимости от ветра.

Проведены сценарные расчеты распространения загрязняющих веществ, попавших в залив в результате аварийных выбросов или взрывов на нефтедобывающих скважинах, для зимнего и летнего сезонов. Построенные карты дают возможность для оценки степени загрязнения акватории залива при возможных авариях в рассмотренных регионах.

Ключевые слова: Персидский залив, термохалинная структура, циркуляция, математическое моделирование, распространение примеси.

Wasila Abdel-Monim Mubarak. Features of the hydrological structure and water dynamics of Persian Gulf- Manuscript.

Thesis for candidate's degree of geographical sciences by specialty 11.00.08 - oceanology. The Odessa State ecological university, Odessa, 2002.

Dissertation is devoted to the research of the sea system of the Persian Gulf and to the reveal of main features of it's thermohaline and hydrodynamics fields, including their spatio-temporal variability to carry out diagnostic computation of waters circulation and diffusion of pollute substance in the Persian Gulf using a mathematical model. Research is based on the analysis of archives data and data of hydrological surveys of NOAA “Mt.Mitchell” in Persian Gulf in 1992 using methods of mathematical modeling and statistic and spectral analysis.

The main contents of dissertation's work