ОДЕСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ЕКОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Доценко Сергій Аркадійович

УДК 551.46 (262.5)

МІНЛИВІСТЬ ОСНОВНИХ ГІДРОЛОГІЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК

ОДЕСЬКОГО РЕГІОНУ ПІВНІЧНО-ЗАХІДНОЇ ЧАСТИНИ ЧОРНОГО МОРЯ

11.00.08 – океанологія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата географічних наук

Одеса – 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеському філіалі Інституту біології південних морів НАН України

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

Тучковенко Юрій Степанович,

Одеський філіал Інституту біології південних морів

НАН України, старший науковий співробітник відділу

проблем якості водного середовища

Офіційні опоненти: доктор географічних наук, професор

Михайлов Валерій Іванович,

Український науковий центр екології моря, директор

кандидат географічних наук, старший науковий співробітник

Большаков Вадим Миколайович,

Одеський філіал Інституту біології південних морів

НАН України, старший науковий співробітник відділу океанологічних основ морського природокористування

Провідна установа: Морський гідрофізичний інститут НАН України, м. Севастополь

Захист відбудеться “ 10 ” квітня 2003 р. о 1330 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради

Д 41.090.01 в Одеському державному екологічному університеті за адресою:

65016, м. Одеса, вул.. Львівська 15, ОДЕКУ.

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

Автореферат розісланий “ 5 ” березня 2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Лобода Н.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Одеський регіон займає особливе положення в північно-західній частині Чорного моря (ПЗЧМ). На значній частині узбережжя регіону розташована Одеська міська агломерація - найбільша на берегах Чорного моря. В Одеській затоці, Сухому і Григорівському лиманах розташовано три найбільших порти України: Одеський, Іллічівський та Южний. По акваторії регіону пролягають основні маршрути судноплавства. Одеський регіон ПЗЧМ активно використовується в рекреаційних цілях. Води регіону характеризуються значною біологічною різноманітністю і високою біологічною продуктивністю. Разом з тим, масштаби антропогенного впливу на морське середовище регіону набагато більші, ніж в інших районах північно-західної частини Чорного моря. В зв'язку з цим в регіоні спостерігається високий рівень евтрофікації вод, у водах і донних відкладеннях відзначений підвищений зміст багатьох забруднюючих речовин. Зокрема, забруднення акваторії нафтопродуктами в середньому досягає рівня 0,05 мг/л, а нерідко і перевищує цю величину. В літній період в регіоні почастішали явища гіпоксії і, як наслідок, масові замори. Будівництво біля Григорівського лиману морського нафтового терміналу з обсягом вантажоперевезень до 40 млн. т і збільшення танкерного флоту, що його обслуговує, призведе до значних додаткових навантажень на екосистему регіону.

Зростання антропогенного впливу на екосистему Одеського регіону ПЗЧМ викликає необхідність досконального вивчення динаміки природних процесів. Термохалінна структура вод безпосередньо впливає на кисневий режим. Вивчення особливостей термохалінної мінливості допоможе визначити характер розвитку явищ гіпоксії. Знання гідрологічних умов, циркуляції вод дозволять передбачити наслідки можливих екологічних катастроф при аварійних розливах нафти і нафтопродуктів, а також допоможе визначити траєкторії переміщення забруднюючих речовин, що надходять у море, оцінити процеси їхньої трансформації і нагромадження.

Тенденції і характер зміни гідрологічних характеристик представляють науковий інтерес, тому що дозволяють контролювати і прогнозувати умови зміни абіотичних і біотичних факторів морського середовища. Знання міжрічної і внутрішньовікової мінливості гідрологічних характеристик дозволить з достатньою точністю дати прогноз їхніх коливань на тривалий період, що особливо важливо при вивченні біологічних процесів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертаційної роботи є складовою частиною:

- проекту Державного комітету науки та техніки “Розробити наукові основи комплексного використання ресурсів шельфу і захисту прибережної зони Чорного та Азовського морів” (2.05.01/297-93);

- проекту “Комплексне океанологічне дослідження глибоководної, шельфової і прибережної зон Чорного моря, встановлення діагнозу сучасного стану морського середовища, розробка методів прогнозу еволюції океанологічних підсистем екосистеми Чорного моря, розробка методів управління морським середовищем в умовах впливу антропогенних навантажень” (Шифр: “Чорне море”, Контракт з МГІ НАН України № 6.5/8);

- прикладної теми “Розробити математичну модель якості морського середовища Одеського регіону північно-західної частини Чорного моря” (№ державної реєстрації 0101U000166).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є виявлення особливостей сезонної мінливості термохалінної структури вод, міжрічної і внутрішньовікової мінливості основних гідрологічних характеристик і встановлення особливостей циркуляції вод в Одеському регіоні північно-західної частини Чорного моря.

В процесі виконання роботи були поставлені такі задачі:

- установити регіональні особливості термохалінної структури вод та її просторово-часової мінливості в різні сезони року на підставі даних регулярних зйомок, проведених Одеським філіалом Інституту біології південних морів (ОФ ІнБПМ) за період 1988-1999 рр.;

- установити характер загальної циркуляції вод на підставі даних натурних вимірів течій, проведених ОФ ІнБПМ за період 1990-1991 рр. і ретроспективних даних рейдових спостережень станції Одеса-порт за період 1984-1988 рр.;

- за допомогою тривимірної гідродинамічної моделі виконати розрахунки вітрової циркуляції з використанням даних про повторюваність вітрів і мінливості вітрової ситуації протягом типового природного синоптичного періоду;

- провести діагностичні розрахунки термохалінної циркуляції за даними реальних полів температури і солоності води, отриманих в результаті зйомок ОФ ІнБПМ за період 1988-1999 рр.;

- виявити трендові зміни і характер циклічних коливань у міжрічній і внутрішньовіковій мінливості основних гідрологічних характеристик, визначити межі періодів і на підставі цього прогнозувати зміни цих характеристик на найближчі десятиріччя.

Об'єкт дослідження - Одеський регіон північно-західної частини Чорного моря.

Предмет дослідження - термохалінна структура, циркуляція вод, а також їхня мінливість.

Методи дослідження - порівняльний аналіз при вивченні просторової і часової мінливості гідрологічних характеристик, методи статистичного і спектрального аналізу, математичне моделювання.

Наукова новизна одержаних результатів. Найсуттєвіші нові наукові результати, які автор одержав особисто, це:

- виявлено регіональні відмінності сезонної мінливості термохалінної структури Одеського регіону від сезонної мінливості для всієї північно-західної частини Чорного моря;

- вперше для досліджуваного району детально описано структуру вітрових і термохалінних течій;

- установлено найбільш ймовірну мінливість тривимірної структури вітрових течій на часовому відрізку природного синоптичного циклу;

- визначено особливості сезонної мінливості термохалінних течій;

- одержало подальший розвиток дослідження багаторічних і внутрішньовікових коливань основних гідрологічних характеристик, пов'язаних з діяльністю Сонця та відповідними кліматичними змінами;

- зроблено прогноз трендових змін основних гідрологічних характеристик Одеського регіону на найближчі десятиріччя.

Практичне значення одержаних результатів. Результати, викладені в даній роботі, уточнюють і поглиблюють сучасні знання про термохалінну структуру і циркуляцію вод в Одеському регіоні північно-західної частини Чорного моря. Практичне значення дисертаційної роботи полягає у можливості використання її результатів при гідрологічних, гідрохімічних і гідробіологічних дослідженнях північно-західної частини Чорного моря, при інженерно-розвідувальних роботах, а також для потреб морського охоронного і морського господарчого комплексу України. Отримані результати можуть бути застосовані і при подальшому моніторингу морського середовища.

Виконані розрахунки вітрових і термохалінних течій можуть служити основою при плануванні господарської діяльності і розробці природоохоронних заходів в Одеському регіоні ПЗЧМ, а також бути використаними при створенні атласу течій регіону і всієї північно-західної частини Чорного моря, послужити базисом для визначення траєкторій переміщення забруднюючих речовин, що надходять до акваторії, а також при прогнозуванні розвитку можливих екологічних аварій.

Результати, отримані при вивченні багаторічних коливань гідрологічних елементів, служитимуть основою для прогнозу гідрологічних умов на тривалий період.

Особистий внесок здобувача. В роботах, опублікованих з співавторами, внесок здобувача виражається в розробці задач дослідження, обробці та узагальненні масивів даних вимірів, отриманих в експедиційних роботах ОФ ІнБПМ у 1988-1999 рр., а також ретроспективних даних вимірювань течій станцією Одеса-порт. Автором проведений аналіз, розрахунки і зіставлення результатів з натурними даними. Автором особисто обґрунтовано і зроблено основні висновки, наведені в роботі.

Адаптація гідродинамічних моделей до умов досліджуваного регіону виконана в співавторстві з Тучковенко Ю.С.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації доповідались на міжнародній науково-практичній конференції “Вода і здоров'я – 98” (м. Одеса, 15-18 вересня 1998 р.), міжнародній науково-технічній конференції “Гідрометеорологія і охорона навколишнього середовища – 2002” (м. Одеса, ОДЕКУ, 25-27 вересня 2002 р.), розширеному науковому семінарі відділу проблем якості водного середовища ОФ ІнБПМ НАН України (листопад 2002 р.).

Публікації. Результати дисертаційних досліджень опубліковані у 8 наукових роботах, з них 5 опубліковані у виданнях, рекомендованих ВАК України.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел (88 найменувань) і додатків. Повний обсяг роботи становить 230 сторінок, 12 таблиць, 66 рисунків, 3 додатки на 59 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкривається сучасний стан наукової проблеми, обґрунтовується актуальність теми, формулюються мета і задачі дослідження, наведено наукову новизну і практичне значення результатів роботи, а також відомості про випробовування і публікації результатів дисертації.

У першому розділі “Характеристика району досліджень та його вивченість” надається загальна фізико-географічна характеристика Одеського регіону ПЗЧМ, приведені головні типи синоптичних процесів і вітровий режим. В цьому ж розділі наводиться характеристика вивченості гідрологічного режиму регіону за даними літературних джерел.

Одеський регіон являє собою прибережну акваторію північно-західної частини Чорного моря (рис.1), обмежену береговою рисою від селища Санжейка на південному заході до селища Южне на північному сході. Південна границя проходить по широті 46?10?, східна - по довготі 31?10?. В ландшафті дна регіону велику частину займає палеодолина Дніпра і Одеська банка. Палеодолина Дніпра має широтний напрямок і витягнута вузьким п'ятикілометровим жолобом від Дніпровсько-Бузького лиману на захід, відокремлюючи Одеську банку від прибережного схилу. Біля західного краю банки Дніпровський жолоб приймає меридіональний напрямок і, розширюючись, утворює південніше Одеську котловину з глибинами близько 25 м. Максимальна глибина акваторії - 28 м. Середня

глибина – 14 м.

Рис. 1. Схема Одеського регіону північно-західної частини Чорного моря і станції зйомок

Характер клімату Одеського регіону ПЗЧМ визначається взаємодією Сибірського і Азорського антициклонів. Переміщення з північного заходу (зі Скандинавії) і північного сходу (з Азії) холодних повітряних мас і теплих мас, що надходять з півдня або південного заходу (з Атлантики і Середземного моря), визначають розходження в умовах погоди регіону. Вплив антициклонів призводить до стійкої ясної погоди – холодної узимку і теплої влітку. Вторгнення циклонів з Атлантики і Середземномор'я створює теплу вологу погоду узимку і прохолодну влітку.

Проходження циклонів із заходу на схід над півднем України призводить до наступних явищ. По-перше, коли проходить східна частина циклона, над досліджуваною акваторією починають діяти південні і південно-західні вітри, часто сильні, але нетривалі. Потім, при проходженні південної частини циклону, коли вітер змінює напрямок, спостерігаються стійкі західні вітри, часом сильні. Якщо в район приходить західна частина циклону, починають діяти північно-західні і північні вітри. Спочатку нестійкі, вони потім стають сильними і тривалими. Надалі північні вітри змінюються північно-східними і східними. Після видалення циклона спостерігається мало-градієнтне баричне поле й вітри слабшають. Тривалість цієї синоптичної ситуації складає приблизно 7 діб. Вона характерна для всіх сезонів року і тому послужила основою для одного з варіантів модельних розрахунків вітрової циркуляції в Одеському регіоні ПЗЧМ.

За даними станції Одеса-порт найбільшу повторюваність в регіоні мають північно-східні, північні та північно-західні вітри. Протягом усього року повторюваність вітрів північних румбів складає 46 %. Найбільш виражена перевага вітрів північних напрямків у зимовий сезон (у грудні-лютому), яка становить 50 %. Середньорічна швидкість вітру складає 5,4 м/с. В холодне півріччя швидкості вітрів більше, ніж у тепле півріччя. Найбільшу повторюваність (21,5 %) протягом усього року мають швидкості 4-5 м/с. Повторюваність швидкості 2-3 м/с складає 18,2 %. В 29,6 % випадків спостерігаються швидкості 6-9 м/с. Близько 17 % мають повторюваність вітри швидкістю 10-20 м/с. В зимовий сезон швидкість вітру може досягати значень 25-30 м/с, хоча їхня повторюваність невелика (менш 1 %).

Аналіз літературних джерел за вивченістю гідрологічного режиму моря поблизу берегів Одеси показав, що до теперішнього часу Одеський регіон не виділявся як особливий географічний район північно-західної частини Чорного моря. Як правило, об'єктом досліджень була вся північно-західна частина Чорного моря в цілому (Толмазін Д.М., 1969 р.; Большаков В.С., 1970 р.). В досліджуваному районі вивчалися лише окремі гідрологічні характеристики. Через це число робіт, в яких розглядаються особливості гідрологічного режиму поблизу узбережжя Одеси, невелике. В основному ці роботи використовували дані багаторічних спостережень станції Одеса-порт і лише в окремих випадках базувались на матеріалах небагатьох експедиційних досліджень даної акваторії. Практично відсутні роботи з циркуляції вод регіону.

Дані, отримані за результатами досліджень ОФ ІнБПМ за період 1988-1999 рр. (зйомки проводились тричі на рік у середині сезонів, за виключенням зими, і всього було зроблено 31 зйомку акваторії), дозволили більш детальніше дослідити регіональні особливості гідрологічного режиму і циркуляції вод в Одеському регіоні ПЗЧМ і розглянути його як особливий географічний район північно-західної частини Чорного моря.

У другому розділі “Сезонна мінливість основних гідрологічних характеристик Одеського регіону” проведено аналіз термохалінної структури вод Одеського регіону ПЗЧМ та її сезонної мінливості. В цьому ж розділі встановлено основні особливості загальної циркуляції вод в регіоні.

Аналіз показав, що гідрологічні сезони в Одеському регіоні такі: весна – квітень, травень, червень; літо – липень, серпень, вересень; осінь – жовтень, листопад, грудень; зима – січень, лютий, березень. Березень відноситься до зими через низьку температуру води, а червень - до весни через знижену солоність, тому що температура води в цьому місяці досить висока і може вважатися літньою.

Основними факторами, що формують термохалінну структуру у весняний період, є стік річок та прогрівання води. Як правило, “язик” прісної води від Дніпровсько-Бузького лиману просувається уздовж північного берега, досягає Одеси і далі рухається в південному напрямку. Згідно даним станції Одеса-порт за період 1915-1963 рр. зафіксовано абсолютне мінімальне значення солоності 1,3 ‰. Під час проведення зйомок ОФ ІнБПМ мінімальне значення солоності води на поверхні (5,3 ‰) зафіксовано поблизу Григорівського лиману. Вітри західних румбів перешкоджають проникненню до берегів Одеси прісних вод. В такому випадку вода від Дніпровсько-Бузького лиману розтікається в південно-західному напрямку у вигляді “язика” або “віяла”, що призводить до незначного розпріснення поблизу берегів Одеси. До кінця весни, зі зменшенням річкового стоку, солоність на поверхні підвищується.

Розпріснення і одночасний прогрів поверхні формують навесні шар стрибка густини. На початку сезону температура води поверхневого шару складає 7-9?С, у травні - 13-15?С, у червні вона підвищується до 18–19?С. Температура придонного шару на початку сезону складає 4-5?С, а до кінця сезону підвищується до 7-8?С. Солоність на поверхні в пік поводі біля північного берега знижується до 6-8 ‰, а до кінця сезону підвищується до 13-15 ‰. Біля дна при цьому солоність протягом сезону коливається в межах 15-17‰, і лише на мілководді через перемішування може знижуватись до 9-11 ‰.

Влітку шар стрибка з прогрівом поступово опускається на глибину 10-11м. Температура води поверхневого шару в літній період складає 21-23?С, у придонному шарі вона коливається від 8-10?С під шаром стрибка до 17-22?С на мілководді. Солоність на поверхні змінюється в межах 14-17 ‰, а біля дна - 16,0-17,5 ‰. Найчастіше спостерігається просторова однорідність розподілу температури води і солоності в поверхневому шарі. Це пов'язано з тривалими періодами затишшя в цей час. Але і в літній період вітер нерідко є основним чинником, який визначає просторову мінливість термохалінної структури району, що найбільш яскраво виявляється в явищах згону та нагону. Згінно-нагонові явища спостерігаються в усі сезони року, але влітку мають найбільш виражений характер. Прогріта вода поверхневого шару відганяється від берега у бік відкритого моря, а її місце, в результаті компенсаційних течій, займає холодна вода з підвищеною солоністю, яка піднімається з глибин. Найчастіше це явище носить в просторі локальний характер, тобто просліджується у виді окремих плям і тільки в окремих випадках охоплює великі простори. Явище згону було відзначено у серпні 1988 р., коли в Одеській затоці спостерігався вихід на поверхню придонних вод. Температура води на поверхні при цьому складала 10,3-12,0?С, солоність - 16,3-17,0 ‰, а на глибині, відповідно, - 9,3-10,0?С і 17,1-17,3 ‰. Ще одна локальна пляма виходу на поверхню придонних вод з температурою 11?С і солоністю 16,7 ‰ просліджувалась поблизу Григорівського лиману. Інший простір при цьому був зайнятий досить прогрітими водами з характерною літньою солоністю. Подібні явища були зафіксовані також під час зйомок у серпні 1990 р., у серпні 1992 р. і у вересні 1997 р.

Восени відбувається інтенсивне охолодження поверхневого шару. Посилення вітрів сприяє конвективному перемішуванню, що призводить до руйнування вертикальної стратифікації. Якщо на початку осені (жовтень) температура води поверхневого шару складає 15-17?С, то наприкінці осені (грудень) вона знижується до 6-8?С. Коло дна на початку осені температура води може підвищуватись до 15-17?С. В такому разі спостерігається вертикальна ізотермія. Наприкінці осені поблизу дна температура води знижується до 6-11?С. Приблизно з середини осені зі збільшенням стоку річок спостерігається зниження солоності поверхневого шару. Наприкінці осені також відбувається і вирівнювання значень температури води і солоності у просторі, що призводить до однорідної водної маси з температурою 8-9?С і солоністю 16,5-17,0 ‰.

Зима характеризується подальшим зниженням температури води. Мінімальна температура води відзначається у лютому, в межах 0,3-0,9?С, у той же час біля дна, на глибинах понад 20 м, температура води становить близько 2?С. Солоність у цей період змінюється в невеликих межах.

Течії Одеського регіону характеризуються значною мінливістю і складністю структури. Найчастіше швидкості течій невеликі, порядку 0,1-0,2м/с. Однак у деяких випадках течії інтенсифікуються і їхня швидкість зростає до 0,4 м/с і вище. Так, 25 липня 1991 р. поблизу мису Великий Фонтан при слабкому південно-східному вітрі швидкістю 3-5 м/с в поверхневому шарі спостерігалась вздовж-берегова течія північно-східного напрямку швидкістю 0,25-0,40 м/с.

Рози повторюваності течій для трьох районів акваторії, побудовані за результатами обробки даних постійних рейдових спостережень, показують, що в поверхневому та придонному шарі спостерігаються течії різних напрямків. Але в поверхневому шарі Одеської затоки найбільшу повторюваність мають течії південного напрямку (18 %), поблизу м. Великий Фонтан – південно-західного напрямку з повторюваністю 25 %, а біля Сухого лиману – північно-східного напрямку (20 %). В придонному шарі картина така ж сама. В Одеській затоці та близько мису Великий Фонтан переважно спостерігаються південні течії (28–38 %), а біля Сухого лиману – північно-східні (20 %).

Таким чином, в Одеському регіоні, незважаючи на велику мінливість, найбільшу повторюваність в поверхневому шарі поблизу західного берега мають сумарні течії південних напрямків. Це свідчить про перевагу в поверхневому шарі акваторії загальної циркуляції вод циклонічного характеру. В шарі 2-5 м більш можливе переважання антициклонічного типу циркуляції.

У третьому розділі “Особливості циркуляції вод Одеського регіону за результатами математичного моделювання” виконано розрахунки і проведено аналіз особливостей вітрової циркуляції вод на підставі даних про вітри, а також термохалінної циркуляції на підставі полів температури води і солоності, отриманих під час зйомок ОФ ІнБПМ.

Для розрахунків вітрових течій застосовувалась трьохмірна нестаціонарна гідродинамічна модель (ОФ ІнБПМ, 1993 р.). При рішенні швидкість течії розщеплялась на баротропну та бароклінну складові. Оцінка баротропної складової швидкості течії виконувалась через введення поняття інтегральної функції току і чисельного рішення рівняння еволюції вихору для баротропної компоненти руху. Бароклінна складова визначалась за допомогою еволюційного рівняння для вертикальних зсувів швидкості.

При розрахунках застосовувалась сітка з числом вузлів 61?72 і кроком, що дорівнює 500 м. По вертикалі використовувалось 10 розрахункових горизонтів: 0,5; 1,5; 2,5; 4; 7; 10; 13; 17; 21 і 25 м. Часовий крок складав 100 с. Рахунок проводився до встановлення полів швидкостей течій при даній силі вітру, тобто до моменту стабілізації кінетичної енергії полів.

Розрахунки проводились для двох різних ситуацій. В першому випадку був обраний постійний вітер швидкістю 7 м/с восьми основних румбів. В другому випадку задавалась послідовна зміна вітрів з дискретністю 6 годин на протязі семи діб розвитку синоптичної ситуації при проходженні циклона із заходу на схід.

Морфометричні особливості басейну обумовили домінування баротропної складової при формуванні горизонтальної просторової структури полів течій. Отримані в результаті розрахунків поля інтегральної функції току (повних потоків) характеризуються утворенням замкнутих баротропних кругообігів різної завихоренності. Певно, що це є наслідком існуючого рельєфу дна і конфігурації берегової риси. Наявність Одеської банки створює умови, коли течії як би прагнуть обігнути її, що призводить до виникнення кругообігів над нею. Над Одеською котловиною, що займає основний простір регіону, в той же час утворюються найбільші кругообіги. При вітрах, напрямок яких відрізняється один від одного на 180?, загальна структура полів інтегральної циркуляції вод змінюється на протилежну. Циклонічний рух вод змінюється на антициклонічний і навпаки. Відповідним чином на протилежні змінюються також і поля течій на всіх горизонтах. Вдалині від берегів швидкості течій не перевищують 0,1 м/с. В поверхневому шарі спостерігається відхилення течій від напрямку вітру праворуч на 45?. Ближче до берегів кут відхилення від напрямку вітру зменшується і на мілководді течії спрямовуються в напрямку вітру. З глибиною швидкості течій зменшуються, а напрямок усе більше повертає праворуч від напрямку вітру. На глибині більш 13 м течії спрямовуються в протилежну, в порівнянні з поверхневим шаром, сторону. Течії швидкістю 0,20-0,24 м/с спостерігаються в поверхневому шарі (у розрахунках - горизонт 0,5 м) поблизу берегів, утворюючи стрічку вздовж-берегового потоку. З глибиною швидкості течій в потоці трохи знижуються. Але напрямок течій на всіх горизонтах до дна зберігається практично незмінним. Тобто вздовж-береговий потік існує від поверхні до дна (до 10-12м). Ширина цього потоку досягає 2,0-2,5 км.

Час повного встановлення полів вітрової циркуляції при рівномірному за простором і постійному помірному вітрі складає пів доби.

Розрахунки вітрової циркуляції для ситуації проходження циклона із заходу на схід і послідовній зміні вітрів від південно-західного до північно-східного за напрямком годинної стрілки протягом семи діб показали, що в досліджуваному регіоні в полі інтегральної функції току відбувається поступова зміна інтегральної антициклонічної циркуляції на циклонічну. В поверхневому шарі зміни в полі течій відбуваються у відповідності зі зміною вітрів. При посиленні вітрів циркуляція інтенсифікується. Аналогічні зміни відбуваються і на інших горизонтах. В період дії західного і північно-західного вітрів (протягом другої і третьої доби) вздовж-береговий потік слабшає. В цілому, перебудовування полів течій відбувається в межах дискретності метеорологічних спостережень (6 годин), тому просторова структура полів течій, отриманих в дискретні моменти часу імітаційного розрахунку, відповідає результатам розрахунків для постійних вітрів відповідних напрямків.

Для оцінки в першому наближенні особливостей термохалінної циркуляції вод використовувалась трьохмірна діагностична модель Саркіс'яна (1991 р.) без урахування впливу вітру. Даними для розрахунків послужили поля температури води і солоності, отримані в результаті зйомок акваторії Одеського регіону ПЗЧМ. При розрахунках обрана сітка з числом вузлів 9?10 і кроком, що дорівнює 5,55 км, і горизонтами 0, 5, 10, 15 і 20 м. Значення температури і солоності води у вузлах сітки визначались по картах відповідних полів.

Просторовий розподіл відхилень рівня і термохалінних течій, отриманих при розрахунках, добре узгоджується з просторовим розподілом температури і солоності води на поверхні. Ізолінії відхилень рівня в цілому повторюють положення ізохалін та ізотерм на поверхні. Області підйому рівня відповідають областям з більш високою температурою і зниженою солоністю, тобто областям вод зниженої густини. Навпаки - області зниження рівня відповідають областям з водами більшої густини. Структура течій являє собою систему циклонічних і антициклонічних вихорів. Областям зниженого рівня (водам з більшої густиною) відповідає циклонічний характер циркуляції (циклонічні кругообіги), областям підвищеного рівня – антициклонічний характер (антициклонічні кругообіги). Діапазон мінливості модуля швидкості течій складає 0,0-0,9 м/с. Але домінуючі швидкості знаходяться в межах від 0 до 0,3м/с. Максимальні швидкості спостерігаються в зонах великих градієнтів густини. Результати розрахунків течій на горизонтах 5, 10, 15 і 20 м показали, що при майже повному збереженні структури циркуляції, що утворилася, швидкості течій з глибиною помітно зменшуються і на 20-ти метровій глибині (на більшій частині акваторії відповідної чи близької до дна) швидкості течій близькі до нуля. Це підтверджує той факт, що в утворенні термохалінної циркуляції в досліджуваному районі визначальну роль відіграє неоднорідність густини поверхневого шару.

Отримані карти течій дозволили відзначити деякі сезонні особливості в характері термохалінної циркуляції Одеського регіону. Найбільш складні ситуації спостерігаються навесні. Надходження до району розпрісненних вод із Дніпровсько-Бузького лиману і вплив вітрів створюють складну картину розподілу температури і солоності в просторі. Найбільш частіше проникнення розпрісненних вод відбувається уздовж північного берега. В такому випадку центральна область району зайнята водою з підвищеною солоністю. В результаті цього в північно-східній частині і біля північного берега виникає антициклонічна завихореність. В центральній і південній частині району в той же час виникає циркуляція циклонічного характеру, відповідно до перебування тут вод підвищеної густини. Перебудова полів температури і солоності під дією вітру, призводить або до утворення системи вихорів різного знака, або до зсуву в просторі основних кругообігів, але в цілому не порушують основну картину циклонічного характеру.

Влітку термохалінна циркуляція носить антициклонічний характер. Це пов'язано з особливостями літнього просторового розподілу температури води і солоності. Із зменшенням річкового стоку основний простір акваторії до глибини 10-12 м зайнято добре прогрітою єдиною водною масою. При цьому поблизу берегів найчастіше спостерігається вода з трохи меншою температурою і трохи більш високою солоністю. Це результат апвелінга вод при явищах згону, що призводить до утворення тут невеликих циклонічних вихорів, а основний простір займає єдиний великий антициклонічний кругообіг. Швидкості течій у літній період 0,05-0,06 м/с. Лише на границях зон апвелінгу спостерігаються течії швидкістю 0,11-0,25 м/с.

Наприкінці літа та восени, з посиленням стоку р. Дніпро, у районі спостерігаються такі ж градієнти щільності, як і навесні. Тому підйом рівня біля північного берега супроводжується виникненням невеликих, але досить інтенсивних антициклонічних кругообігів, що співіснують з основним циклонічним кругообігом, який займає велику частину простору акваторії. Зростають і швидкості течій, максимальні до 0,36 м/с, середні до 0,15-0,20 м/с.

У четвертому розділі “Багаторічна мінливість температури і солоності води в Одеському регіоні” виділено періоди міжрічної і внутрішньовікової мінливості температури і солоності води біля берегів Одеси. Виявлено зв'язок багаторічної мінливості цих гідрологічних характеристик з мінливістю сонячної активності та деяких кліматичних характеристик.

Для аналізу були застосовані ряди середньорічних значень температури і солоності води за даними станції Одеса-порт за період 1948-2000 рр. і за даними Геофізичної лабораторії Одеського державного екологічного університету (ГФЛ ОДЕКУ) за період 1951-2001 рр.

На спектрограмах обох рядів середньорічної температури води виділено піки, що показують періодичність у 2,2; 2,8 і 4,2 років. В ряді, за даними станції Одеса-порт, також виділений пік з періодом у 10 років, а в ряді за даними ГФЛ ОДЕКУ - пік з періодом у 8,3 років. Усі ці піки є статистично значущими. Виділяються ще кілька піків, але вони не значущі. На спектрограмах рядів середньорічної солоності виділено перевищуючі рівні значущості піки, що відповідають періодам у 4 і 10,4 років за даними станції Одеса-порт, і значущі піки з періодом у 4,6; 7,1 і 12,5 років за даними ГФЛ ОДЕКУ.

В рядах середньорічних значень температури води за весь період дослідження не виявлені значущі лінійні тренди (рис.2). В цілому криві за даними двох станцій мають ідентичний характер. В обох випадках на кривих середніх значень (індексів середнього)

Рис. 2. Багаторічна мінливість температури води за даними станції

Одеса-порт (а) і ГФЛ ОДЕКУ (б)

1 – хронологічний графік середньорічних значень;

2 - осереднених за 3-річчям;

3 – за 5-річним ковзним середнім відхиленням від норми;

4 – за 11-річним ковзним середнім відхиленням від норми;

5 – різницева інтегральна крива у модульних коефіцієнтах

просліджуються помітні піки найменшої потужності, що показують границі 9-12-ти річних періодів коливань. Криві 5-річних і 11-річних ковзних середніх значень показують, що з другої половини 60-х до початку 90-х рр. спостерігалась вітка спаду температури води. До цього періоду, тобто з початку 50-х рр., на станції Одеса-порт спостерігалось зростання температури. Дані ГФЛ ОДЕКУ не показують будь-якої визначеної тенденції в цей період. А з початку 90-х рр. і по теперішній час в обох випадках спостерігається зростання температури води. Ці результати підтверджуються і різницевими інтегральними кривими. З середини 70-х рр. минулого сторіччя криві мають чіткий нахил вниз, показуючи, що в цей період температура була нижче норми. Починаючи з першої половини 90-х рр., ситуація змінилась і температура води стала перевищувати норму. Таким чином, у її міжрічному ході можна визначити коливання з періодом в 9-12 років, а у внутрішньовіковому ході періоди більшої довжини. Обмеженість рядів не дала можливості досить точно визначити їхні границі і тривалість, тому що наявна тільки одна ціла вітка спаду, і лише за її тривалістю можна приблизно припустити, що довжина цих циклів складає 35-40, а, можливо, і більше років.

В рядах середньорічних значень солоності в обох випадках за весь період спостережень виявлений відємний лінійний тренд (рис.3). В першому випадку його величина становить -0,6 ‰, у другому - –1,4 ‰. На фоні загального зниження солоності, на графіках середніх значень в тому чи іншому випадку просліджуються одинакові періоди тривалістю від 9 до 15 років. Криві 5-річного і 11- річного ковзного осереднення в обох випадках дозволяють виділити вітку зниження солоності від початку спостережень до початку 80-х рр. Потім, за даними Одеса-порт, приблизно до середини 90-х рр. спостерігається деяке зростання солоності. А після цього знову солоність починає знижуватися. За даними ГФЛ ОДЕКУ підвищення закінчується на початку 90-х рр. і після цього також спостерігається зниження солоності. Ці ж тенденції добре видні і на відповідних різницевих інтегральних кривих. В обох випадках до середини 60-х рр. криві йдуть вгору, що обумовлено перевищенням солоності над нормою в цей період. Потім до початку 80-х рр. криві спрямовані вниз, тобто солоність стає нижче норми. Подалі хід інтегральних кривих цілком повторює хід кривих середніх ковзних значень. Таким чином за розглянутий період біля берегів Одеси у внутрішньовіковому ході спостерігалася загальна тенденція зниження солоності. Тільки протягом 10 років, з початку 80-х до початку 90-х рр., спостерігалось деяке зростання солоності. Потім солоність знову знижувалась.

Першопричиною внутрішньовікових коливань кліматичних характеристик є циклічність сонячної активності. На початку 90-х рр.. минулого сторіччя відбулась зміна вітки спаду сонячної активності вікового 90-річного циклу на вітку зростання. Це призвело до зміни кліматичних умов півкулі. Збільшення повторюваності зональної форми циркуляції обумовило зменшення континентальності клімату. Підвищення водності, збільшення стоку річок, потепління зим стало причиною зниження солоності і підвищення температури води поверхневого шару біля берегів Одеси в останнє десятиріччя.

Рис. 3. Багаторічна мінливість солоності за даними станції Одеса-порт (а)

і ГФЛ ОДЕКУ (б)

1 – хронологічний графік середньорічних значень;

2 - осереднених за 3-річчям;

3 – за 5-річним ковзним середнім відхиленням від норми;

4 – за 11-річним ковзним середнім відхиленням від норми;

5 – різницева інтегральна крива у модульних коефіцієнтах

Аналіз рядів середньорічних обсягів стоку р. Дунай за період 1921-2001 рр. і р. Дніпро за період 1818-2000 рр. показав, що домінуюча роль у внутрішньовіковій мінливості солоності в другій половині XX-го сторіччя в Одеському регіоні обумовлена коливаннями стоку р. Дунай. В той же час на цьому фоні стік р. Дніпро визначає високочастотну складову мінливості солоності, тобто міжрічні і сезонні коливання солоності. Свій внесок у характер багаторічної мінливості солоності вносить також мінливість опадів.

Такі тенденції внутрішньовікової зміни основних гідрологічних характеристик в Одеському регіоні будуть зберігатись ще протягом 25-30 років, у продовження вітки активізації сонячної діяльності. Якщо в теперішній час середня багаторічна температура води складає 11,0 ?С (за даними станції Одеса-порт) і 11,3 ?С (за даними ГФЛ ОДЕКУ), то до 2030-2035 рр. вона збільшиться приблизно до 12,0-12,5 ?С. Середня багаторічна солоність у даний час за тими ж даними складає 14,2 ‰ і 14,5 ‰ відповідно. Тому до 2030-2035 рр. її значення знизяться до величини 13,0-13,5 ‰.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведено теоретичне узагальнення і здійснено нове вирішення наукової задачі, що полягає в діагностичному розрахунку вітрової і термохалінної циркуляції вод на основі математичного моделювання і виявленні міжрічної і внутрішньовікової періодичності основних гідрологічних характеристик Одеського регіону північно-західної частини Чорного моря.

Головні наукові та практичні результати роботи:

1. Виділено такі гідрологічні сезони: весна - квітень, травень, червень; літо - липень, серпень, вересень; осінь - жовтень, листопад, грудень; зима - січень, лютий, березень. Межі цих сезонів відрізняються від меж сезонів, раніше отриманих для північно-західної частини Чорного моря.

2. Установлено, що влітку в прибережній смузі часто спостерігається вода зниженої температури і підвищеної солоності в порівнянні з відкритою частиною акваторії внаслідок апвелінга при явищах згону.

3. Установлено, що у поверхневому шарі найбільшу повторюваність має циклонічний характер загальної циркуляції вод. Біля західного берега найбільшу повторюваність мають південні течії.

4. За результатами модельних розрахунків вітрових течій для постійних вітрів різних напрямків установлено, що в полі інтегральної функції току виникають баротропні кругообіги різної завихореності. Розташування цих кругообігів обумовлене морфометричними особливостями регіону. Центрами цих кругообігів є Одеська котловина та Одеська банка. Виявлено двошарову вертикальну структуру вітрової циркуляції. В прибережній смузі існує постійний вдовж-береговий потік.

5. Імітаційні розрахунки течій при розвитку вітрової циркуляції протягом семи діб при проходженні циклона із заходу на схід показали, що при цьому відбувається перебудова структури циркуляції. В полі інтегральної функції току антициклонічний кругообіг, що спочатку утворився над Одеською котловиною, послідовно перетворився в циклонічний кругообіг.

6. За результатами модельних розрахунків термохалінних течій установлено, що в Одеському регіоні утворюються кругообіги циклонічного або антициклонічного характеру відповідно до реально існуючих полів густини. Показано, що термохалінна циркуляція має сезонні особливості. Навесні та восени під дією зовнішніх факторів формуються такі поля густини, при яких виникає термохалінна циркуляція циклонічного характеру. В літній період на всій акваторії переважає антициклонічний кругообіг, що є наслідком прибережного апвелінга і зменшення річкового стоку, а також ослаблення в цей період вітрової діяльності. З глибиною швидкості термохалінних течій зменшуються і біля дна вони близькі до нуля, тобто термохалінна циркуляція визначається головним чином розподілом густини води на поверхні.

7. В багаторічному ході температури води біля берегів Одеси виявлено періоди міжрічних коливань у 2,2; 2,8; 4,2 і 8-10 років. В багаторічному ході солоності виявлено періоди у 4; 4,6; 7,1 і 10-12,5 років. Основною причиною міжрічної мінливості солоності води є міжрічні коливання стоку р. Дніпро.

8. Установлено, що у внутрішньовіковому ході з кінця 60-х рр. до початку 90-х рр. температура води біля берегів Одеси знижувалась, а після цього спостерігається її зростання. Солоність з кінця 40-х рр. до початку 80-х рр. знижувалась, потім до середини 90-х рр. підвищувалась, а після цього знову знижувалась. Визначають ці коливання відповідні внутрішньовікові коливання температури повітря, стоку річок (головним чином р. Дунай) і опадів, пов'язані з коливаннями сонячної активності у віковому 90-річному циклі.

9. Очікується, що до 2030-2035 рр. середня річна температура води біля берегів Одеси буде підвищуватися приблизно на 1,0-1,5 ?С і досягне значень 12,0-12,5 ?С у порівнянні з 11,0-11,3 ?С у теперішній час. Відповідно середня річна солоність знизиться на 1,0-1,5 ‰, з 14,2-14,5 ‰ до 13,0-13,5 ‰.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.Бронфман А.М., Рясинцева Н.И., Доценко С.А., Савин П.Т. Состояние экосистемы Одесского залива и прилегающих акваторий // Практическая экология морских регионов. Черное море. - К.:Наукова думка, 1990.- С.203-213.

2.Доценко С.А., Рясинцева Н.И., Савин П.Т., Саркисова С.А. Специфические черты гидрологического и гидрохимического режимов и уровень загрязнения прибрежной зоны моря в районе г. Одессы // Сб. научных трудов МГИ “Исследование шельфовой зоны Азово-Черноморского бассейна”. – Севастополь: 1995. - С. 31-43.

3.Рясинцева Н.И., Саркисова С.А., Скрипник И.А., Савин П.Т., Доценко С.А., Михалечко Ю.Е. Комплексный экологический мониторинг – как основа регламентации антропогенных