1. Довготривалі МІНЛИВІСТЬ ВІДНОСНОЇ ПРОЗОРОСТІ ВОД АЗОВСЬКОГО МОРЯ
2. Матеріал і метод
3. Результати та обговорення

Довготривалі МІНЛИВІСТЬ ВІДНОСНОЇ ПРОЗОРОСТІ ВОД АЗОВСЬКОГО МОРЯ

На основі бази даних за період 1922-2009 рр. досліджується просторова, сезонна і міжрічної мінливість відносної прозорості (глибини видимості білого диска) вод Азовського моря поряд з впливають на неї метеорологічними, гідрологічними і гідробіологічними параметрами. Визначено чотири основні типи сезонної мінливості відносної прозорості азовських вод, диференційованих по простору моря. Середнебагаторічні значення глибини видимості білого диска розраховані для різних періодів, що характеризуються зміною відносної ролі впливають на дану величину факторів, пов'язаних як з кліматообусловленнимі перетвореннями в самій екосистемі Азовського моря, так і з антропогенною діяльністю.

Проведення систематичних спостережень за параметрами середовища в Азовському морі почалося в 1922 р в Азово-Чорноморської науково-промислової експедиції під керівництвом Н.М. Книповича ( Гідрологічні дослідження ..., 1932 ), Який приділяв увагу дослідженню прозорості природних вод, які відносять їм «до числа факторів, що мають велике значення як в гідрології водойми, так особливо в його біології» ( Книпович, 1938 ). Визначення відносної прозорості вод Азовського моря з тих пір традиційно виконується за допомогою диска Секкі. Опублікована узагальнена інформація про «прозорості» вод Азовського моря заснована на даних глибини видимості білого диска ( Гідрологічні дослідження ..., 1932 ; Гідрометеорологічний довідник ..., 1962 ; Гідрометеорологічні умови ..., 1986 ; Гідрометеорологія і гідрохімія ..., 1991 ; Фоменко і др., 2006 ). Відомостей про регулярні, тривалих вимірах ослаблення спрямованого світла зондувальними прозрачномерамі в Азовському морі знайти не вдалося.

Відносна прозорість, незважаючи на існуючі похибки її визначення, є непрямою характеристикою прозорості води поверхневого шару водойми. За столітній період вимірювання цієї величини в Азовському морі накопичений великий масив даних, що дозволяє судити про сезонні і багаторічних коливаннях, про вплив на оптичні властивості води антропогенного евтрофування, а також гідродинамічних і гідробіологічних процесів, обумовлених кліматичними варіаціями.

Відомості (узагальнені матеріали) про відносну прозорості вод Азовського моря в різні періоди ХХ століття містяться в довідкових виданнях ( Гідрологічні дослідження ..., 1932 ; Гідрометеорологічні умови ..., 1986 ; Гідрометеорологічний довідник ..., 1962 ; Гідрометеорологія і гідрохімія ..., 1991 ), Де загальна кількість аналізованих первинних даних варіює від 206 ( Гідрологічні дослідження ..., 1932 ) До порядку 9500 (точну кількість - не вказано) ( Гідрометеорологія і гідрохімія ..., 1991 ). За різними оцінками середня величина відносної прозорості вод Азовського моря становить 1,5 м (за період 1922-1990 рр. ( Гідрометеорологічні умови ..., 1986 ; Гідрометеорологічний довідник ..., 1962 ; Гідрометеорологія і гідрохімія ..., 1991 )); 1,9 м (за період 1960-2005 рр. ( Фоменко і др., 2006 )). Відрізняються також значення відносної прозорості за сезонами року; власне моря і Таганрозької затоки. Така невідповідність пояснюється використанням авторами зазначених робіт різної тимчасової вибірки первинних даних: в першому випадку - це в основному перша половина ХХ століття, у другому - друга, сильно відрізняються за характером відбуваються в басейні Азовського моря природних процесів і інтенсивності антропогенного навантаження.).

Загальновідомо, що при аналізі багаторічної мінливості, сезонної ритміки природних процесів, виявленні природних закономірностей необхідно мати тривалий, безперервний часовий ряд спостережень. Але існуючі на даний момент бази даних належать різним відомствам, охоплюють різні періоди, що ускладнює аналіз первинної інформації за період інструментальних спостережень і встановлення причинно-наслідкових зв'язків екосистемних процесів.

У даній роботі зроблена спроба виявити і проаналізувати основні особливості сезонної, просторової і багаторічної мінливості відносної прозорості вод Азовського моря за столітній період спільно з впливають на неї метеорологічними, гідрологічними і гідробіологічними характеристиками.

Матеріал і метод

До теперішнього часу в базі даних Південного наукового центру РАН по Азовському морю ( Матішов і ін. 2009 ; Matishov at al, 2008 ) Зібрані відомості про глибину видимості білого диска Ζб (м) за період з 1922 р по 2009 р Загальна кількість спостережень, які пройшли процедуру контролю якості (відповідність розташування станції акваторії моря і значення відносної прозорості глибині місця, перевірка на дублікати), становить 12623 , з яких в зимовий сезон виконано 360, в весняний - 2615, в літній - 5962, в осінній - 3686 (відповідно до малюнком 1). Накопичені первинні дані охоплюють не всі роки, а лише 48 років з розглянутого періоду. Ні для одного району моря не можна побудувати безперервний ряд значень глибини видимості білого диска який не містить пропусків. Це в поєднанні з високою просторово-часової мінливістю поля прозорості вод ускладнює застосування методів статистичного аналізу по відношенню до наявних даних. Проте, такий аналіз видається не безнадійною завданням, а значний обсяг накопиченої інформації дозволяє сподіватися на отримання достовірних результатів.

В ході дослідження багаторічної динаміки відносної прозорості та узагальнення результатів нами використана додаткова інформація (середньорічні значення Ζб) з літературного джерела ( Фоменко і др., 2006 для тимчасового інтервалу 1960-2002 рр. Дані про стік зважених речовин р. Дон і р. Кубань отримані з гідрологічних і метеорологічних щорічників, роботи ( Сорокіна та ін. 2010 ); про максимальну швидкість вітру - з довідкового видання ( Гідрометеорологічні умови ... 2009 ); про зміст хлорофілу «а» в водах Азовського моря - з робіт ( Матішов і ін. 2010 ; Gitelson at al., 2011 ).

З метою встановлення сезонної мінливості відносної прозорості вод по квадратах 0,5 ° * 0,5 ° розраховані среднемноголетние і середньомісячні значення, а також среднеквадратические відхилення її річного ходу (відповідно до малюнком 2).

Інформація, представлена ​​на малюнку 2, демонструє просторову неоднорідність поля Ζб. Аналогічно роботі ( Кропотов, 1996. ) (По Чорному морю) встановлено, що доцільно використовувати нормовані середньомісячні величини, розраховані для кожного квадрата за формулою:

де - середнє значення Ζб для i-го місяця; і - среднемноголетнее значення Ζб і середньоквадратичне відхилення середньомісячних значень для даного квадрата відповідно.

Результати та обговорення

Після проведення порівняльного аналізу результатів розрахунків за формулою (1) виявлено 4 основних типи сезонної мінливості відносної прозорості азовських вод. Просторовий розподіл цих типів по акваторії моря представлено на малюнку 3 і, в цілому, відповідає межам районів, визначених в гідрологічному довіднику (1962 р) ( Гідрометеорологічний довідник ..., 1962 ).

Аналіз морфологічних особливостей виявлених типів сезонної мінливості і їх географічного розподілу показав наступне.

Перший тип (I) сезонного ходу відносної прозорості (відповідно до малюнком 4а) характерний для акваторії Таганрозької затоки. Таганрозька затока є самим мілководним районом моря. Він відрізняється низькою величиною Ζб протягом майже всього року в більшості випадків не перевищує 1,0 м. Виняток становить період з січня по березень, коли залив часто практично повністю покривається льодом. З початком водопілля на р.Дон (в квітні) відносна прозорість вод Таганрозької затоки (особливо його північно-східній частині) різко падає. У літньо-осінній час (червень - жовтень) головну роль в режимі прозорості вод затоки грає бурхливо розвивається планктон, низьку відносну прозорість забезпечує активний фотосинтез рослин, в листопаді - грудні - збільшення інтенсивності хвилювання і взмучивания донного мулу. Середня величина Ζб в Таганрозькій затоці становить 0,7 м, в літньо-осінній час - 0,5 м, в зимовий період - збільшується до 1,1 м.

Другий тип (II) сезонного ходу відносної прозорості виявлено для центральної частини Азовського моря (відповідно до малюнком 4б). Центральний район моря - найбільш глибоководний, віддалений від джерел надходження зваженого матеріалу, характеризується найбільшими величинами Ζб (в середньому - 2,0 м), в весняний сезон тут виділяються області зі значеннями більше 4,0 м. Для даного типу характерно підвищення відносної прозорості в квітні - червні і зниження в липні - жовтні, що практично повністю можна пояснити впливом фітопланктону. Взимку область з більш прозорими водами зміщена на південь центрального району, Керченській протоці, навесні і влітку - займає центральну частину моря, а восени - північно-східну частину власне моря.

Для прибережних районів західної і східної частин Азовського моря, в цілому, сезонний хід відносної прозорості має схожі риси - два максимуму в квітні - травні та жовтні. Але існує і ряд відмінностей, які можна пояснити впливом різних факторів.

Для третього типу (III) сезонного ходу відносної прозорості в західній частині власного моря характерно її збільшення з березня по травень, а потім зменшення з червня по вересень, різке збільшення в жовтні і знову зменшення в період з листопада по лютий (відповідно до малюнком 4в ). Прозорість вод західного району моря залежить в основному від двох факторів: гідродинамічної активності (в період з листопада по лютий) і життєвих циклів фітопланктону (в весняне - літній - осінній час). Величини відносної прозорості в даному районі моря відносно високі, в середньому становлять 1,6 м.

У східному районі моря до вказаних вище факторів додається надходження зваженого матеріалу зі стоком р. Кубань і в результаті абразії берегів, широко поширеною від підстави коси Довгої до дельти Кубані, а також відносна мелководность, тому і середні величини глибини видимості білого диска тут характеризуються меншими значеннями (1,0 м). Для даної частини власне моря виявлено четвертий тип (IV) сезонного ходу Ζб (відповідно до малюнком 4г). Він відрізняється тим, що максимум відносної прозорості припадає на квітень, після чого відбувається її зменшення. У травні - червні це пов'язано з впливом стоку р. Кубань, а в липні - вересні - з активністю фітопланктону, деяке зменшення якої в жовтні призводить до збільшення глибини видимості білого диска. Дія штормів сприяє зменшенню прозорості особливо пізньої осені, взимку і ранньою весною.

Слід зазначити, що найбільш неоднорідний поле прозорості в південно-східній частині Азовського моря (Темрюкську затоку). Відносна прозорість тут має найбільш складний сезонний хід. Це пов'язано з поєднанням багатьох факторів, а саме: відносної мілководністю району, складним рельєфом дна і характером течій, впливом Чорноморських вод в результаті водообміну через Керченську протоку, дією річкового стоку Кубані, взмучіванія донних опадів, сезонними особливостями розвитку фітопланктону, фотосинтезуючого на початку березня, а потім активно розвивається з липня по вересень.

В результаті проведеного аналізу встановлено, що сезонний хід відносної прозорості вод всіх виділених типів (I - VI) має схожі риси з динамікою фітопланктону, в тому числі його видового складу. Зіставлення графіків нормованих значень річного ходу Ζб і концентрації хлорофілу «а» (відповідно до рисунка 4) показало, що їх внутрішньорічні коливання відбуваються практично в протифазі. Це цілком зрозуміло, тому що відносна прозорість відображає стан верхнього шару водної маси, в якому відбувається фотосинтез. Мінімальні значення глибини видимості білого диска характерні для кінця літа - початку осені, коли найбільш активно синтезують синьо-зелені і динофітових водорості. Другий мінімум відносної прозорості характерний для зимового і ранневесеннего періоду, який збігається з розвитком діатомових водоростей, але основний вплив на прозорість в цей час робить взмучіваніе донних опадів в результаті збільшення вітрової активності і підвищеною гідродинаміки водних мас. У Таганрозькій затоці, майже щорічно береться кригою, в січні - березні значення Ζб (тип I) вище в порівнянні з іншими місяцями. Сток зважених наносів впливає на зменшення відносної прозорості лише в період повені: в Таганрозькій затоці (р. Дон) - в квітні, в східному районі моря (р. Кубань) - в травні - червні. Для власне моря збільшення глибини видимості білого диска (типи II - IV) відбувається в квітні - червні і жовтні, - в періоди, які характеризуються помірною штормовий активністю і зміною домінуючих видів фітопланктону співтовариства.

В цілому для досліджуваного періоду часу виявлення типи мінливості річного ходу відносної прозорості стійкі, як у часі, так і в просторі. Розрахунки показали, що зменшення як тимчасового (до 10 років), так і просторового кроку осреднения (до 0,5 ° * 0,5 °) не виявило яких-небудь істотних відмінностей від наведених вище типів.

Наявність даних про глибину видимості білого диска за тривалий період часу (87 років), а також проведений аналіз її сезонної мінливості дозволяють більш обгрунтовано, ніж це було зроблено в попередніх роботах (наприклад, Жукова, Фоменко, 1999. ; Фоменко і др., 2006 ), Підійти до проблеми аналізу вікової динаміки цієї гідрологічної характеристики.

Відповідно до рисунка 5 період 1922-1953 рр. характеризується відносно низькими значеннями Ζб вод Азовського моря, в середньому становлять 1,4 м (в власне море - 1,5 м, в Таганрозькій затоці - 0,5 м). Міжрічні коливання відносної прозорості і стоку наносів річок Дон і Кубань відбуваються практично в протифазі аж до 1964 р (рв відповідно до рисунка 5), що дає підставу визначити роль твердого стоку річок у формуванні поля прозорості Азовського моря як одну з основних у розглянутий період.

Відносне збільшення значень Ζб вод моря відбулося починаючи з 1954 р (відповідно до рисунка 5), що в першу чергу пов'язано з радикальним і безповоротним скороченням стоку зважених наносів річок, внаслідок введення в дію та експлуатації гідротехнічних споруд. Основними з них є Цимлянське водосховище на р. Дон (1952 г.) і Краснодарське водосховище на р. Кубань (1972 р), що акумулюють більшу частину суспензій принесених водним стоком з верхів'їв річок. Твердий стік р. Дон скоротився з 4,4 млн. Т / рік в умовно природний період (1940-1952 рр.) До 0,4 млн. Т / рік останнім часом (1983-2004 рр.); стік зважених наносів р. Кубань - з 8,2 млн. Т / рік (1942-1963 рр.) До 2,2 млн. Т / рік (вершина дельти, хут. Тиховська) і 1,41 млн. Т / рік (що замикають створи) (1987 -2000 рр.) ( Сорокіна, 2008 ; Сорокіна, Бердников, 2008 ; Сорокіна та ін. 2010 ).

Серед основних джерел суспензії в море слід також відзначити взмучіваніе донних опадів і біологічну компоненту (первинну продукцію органічної речовини і біомасу фітопланктону).

Інтенсивність взмучивания донного мулу залежить від частоти і сили штормів. Беручи до уваги що спостерігається з 1975 р загальну тенденцію зменшення вітрової активності в басейні Азовського моря ( Матішов і др., 2003 ; Сорокіна, 2008 ), Скорочення в зв'язку з цим частоти і сили штормів, можна припустити, що ці фактори сприяли збільшенню відносної прозорості в період 1975-2000 рр.

Кроме того, в период 1970-2000 рр. відзначалася відносно низька біомаса фітопланктону в море, что Було в більшій мірі обумовлено відносно скроню солоністю, особливо в 1970-1990 рр. Тенденція зменшення солоності в період з 1990 р по 2006 р сприяла поступовому зростанню біомаси фітопланктону в зазначений час (відповідно до рисунка 5). Цей факт, в свою чергу, міг бути основною причиною зменшення Ζб починаючи з 1994 р, поряд з незначним збільшенням стоку наносів р. Кубань (1990-1998 рр.).

Слід зазначити, що на сучасному етапі (2006-2011 рр.) В Азовському морі відбуваються чергові зміни, це стосується кліматообусловленного скорочення прісного стоку Дону; зазначеного (в експедиційних дослідженнях ЮНЦ РАН і ІАЗ ЮНЦ РАН в 2010-2011 рр.) зростання солоності вод моря; щодо більш низьких оцінок первинної продукції органічної речовини (330 гСорг / м2 в 2008 р ( Матішов і ін. 2010 ), Отриманих за допомогою супутникової інформації на відміну від попередніх оцінок на рівні 450 - 750 гСорг / м2 ( Александрова, Баскакова, 2002 ; Александрова та ін., 2008 ) В період 1988-2007 рр. Поєднання зазначених факторів сприяє тенденції зростання відносної прозорості вод Азовського моря, що намітилася з 2007 р

Починаючи з 1954 року по теперішній час можна виділити кілька тимчасових інтервалів підйому (1954 -1963 рр., 1972-1994 рр., 2007-2009 рр.) І спаду (1964-1971 рр., 1994-2006 рр.) Відносної прозорості азовських вод (відповідно до рисунка 5). Загалом, за період, що характеризується відносно високою глибиною видимості білого диска (з 1954 по 2000 рік), середнє значення Ζб, певне методом середньозваженої величини з урахуванням площ чотирьох гідрологічних районів (відповідно до малюнком 3), становить 2,1 м (в власне море - 2,3 м, в Таганрозькій затоці - 0,8 м), в наступний період (2004-2009 рр.) - 1,5 м (в власне море - 1,7 м, в Таганрозькій затоці - 0,7 м).

Таким чином, виконаний аналіз даних спостережень Ζб, за столітній період (1922-2009 рр.), Дозволив уточнити існуючі уявлення і виявити закономірності просторово-часової мінливість відносної прозорість вод Азовського моря. Середнебагаторічні значення глибини видимості білого диска визначені для різних періодів, що характеризуються зміною відносної ролі впливають на прозорість води факторів, пов'язаних як з кліматообусловленнимі перетвореннями в самій екосистемі Азовського моря, так і з антропогенною діяльністю.

Накопичені історичні дані і результати дослідження поряд з іншими параметрами середовища можуть бути використані для оцінки динаміки суспензії, седиментаційних і продукційних процесів в море за тривалий (починаючи з 1920-х років) період часу.

Робота виконана за часткової фінансової підтримки Програми Президії РАН «Фундаментальні проблеми океанології: фізика, геологія, біологія, екологія» (2011-2012 рр.), Гранту Президента РФ МК-1355.2009.5.

1. Александрова З.В., Баскакова Т.Є. Оцінка тенденцій зміни хімічних основ біологічної продуктивності Азовського моря в сучасний період // Основні проблеми рибного господарства і охорони рибогосподарських водойм Азово-Чорноморського басейну: Збірник наукових праць (2000-2001 рр.). М .: Питання рибальства, 2002. С. 26-37.
2. Александрова З.В., ромів М.Г., Баскакова Т.Є. Вплив кліматичних факторів на зміну хімічних основ біопродуктивності Азовського моря в 2006-2007 рр. // Основні проблеми рибного господарства і охорони рибогосподарських водойм Азово-Чорноморського басейну. Збірник наукових праць (2006-2007 рр.). Ростов-на-Дону: ТОВ «Діапазон», 2008. С. 82-91.
3. Гідрологічні дослідження в Азовському морі. Праці Азово-Чорноморської науково-промислової експедиції. Вип. 5. / Под ред. Книповича Н.М. М .: Мособлполіграф, 1932. 496 с.
4. Гідрометеорологічні умови шельфової зони морів СРСР. Т.3. Азовське море / Под ред. Глухівського Б.Х. та ін. Л .: Гидрометеоиздат, 1986. 218 с.
5. Гідрометеорологічні умови морів України. Том 1: Азовське море / Под ред. Ільїна Ю.П. та ін. - Севастополь: НВЦ «Екос-Гидрофизика», 2009. 402 с.
6. Гідрометеорологічній довідник Азовського моря. / Под ред. Аксьонова А.А. Л .: Гидрометеоиздат, 1962. 854 с.
7. Гідрометеорологія и гідрохімія морів СРСР. Т.5. Азовське море / Под ред. Гоптарєва Н.П. і др.СПб .: Гидрометеоиздат, 1991. 234 с.
8. Жукова С.В., Фоменко І.Ф. Організація системи спостережень за прозорістю Азовського моря // Тез. доп. XI Всес. конф. по пром. океанології (14-18 вересня 1999 р Калінінград). М .: ВНИРО, 1999. - С. 23.
9. Ковальова Г.В. Багаторічні зміни біомаси фітопланктону Азовського моря // Матеріали міжн. науч. конф. Вивчення і освоєння морських і наземних екосистем в умовах арктичного і арідного клімату (6-11 липня 2011 р Ростов-на-Дону). Ростов-на-Дону: Изд-во ЮНЦ РАН, 2011. С. 164-166.
10. Книпович Н.М. Гідрологія морів і солонуватих вод (в застосуванні до промислового справі). Москва - Ленінград: Піщепроміздат. 1938. 514 с.
11. Кропотов С.І. Просторово-часова мінливість відносної прозорості вод Чорного моря // Морський гідрофізичний журнал. 1996. № 4. С. 36-44.
12. Матішов Г.Г., Абраменко М.І., Гаргопа Ю.М., Буфетова М.В. // Новітні екологічні феномени в Азовському морі. Апатити: Изд. КНЦ РАН, 2003. 442 с.
13. Матішов Г.Г., Матішов Д.Г., Гагопа Ю.М., Дашкевич Л.В., Бердников С.В., Кулигін В.В., Архіпова О.Е. Методологія та досвід розробки кліматичних атласів // Праці Південного наукового центру Російської академії наук. Том 4: Моделювання та аналіз гідрологічних процесів в Азовському морі. Ростов-на-Дону: Изд-во ЮНЦ РАН, 2009. С. 21-48.
14. Матішов Г.Г., Поважний В.В., Бердников С.В., Мозес В.Дж., Гітельсон А.А. Оцінки концентрації хлорофілу «а» і первинної продукції в Азовському морі з використанням супутникових даних // Доповіді академії наук. 2010. Т. 432. №4. С. 563-566.
15. Сафронова Л.М. Характеристика фітопланктону Азовського моря в сучасний період // Зб. науч. тр. АзНДІРГ. Ростов-на-Дону. 2006. С. 97-107.
16. Сорокіна В.В. Динаміка терригенного накопичення опадів в Азовському морі у другій половині ХХ століття. // Азовське море в кінці ХХ - початку XXI століть: геоморфологія, осадконакопление, пелагические спільноти. Т. Х / Відп. ред. Г.Г. Матішов; ММБІ КНЦ РАН. - Апатити: Изд. КНЦ РАН, 2008. С. 32-111.
17. Сорокіна В.В., Бердников С.В. Математичне моделювання терригенного накопичення опадів в Азовському морі // Океанологія. 2008. Т. 48. № 3. С. 456-466
18. Сорокіна В.В., Івлієв О.В., Лур'є П.М. Динаміка стоку на гирлових ділянках річок Дон і Кубань в другій половині XX століття // Вест. Південного наукового центру РАН. 2010. Т.6. №4. С. 58-67.
19. Студеникина Є.І., Алдакімова А.Я., Губіна Г.С. Фітопланктон Азовського моря в умовах антропогенних впливів. Ростов-на-Дону: Еверест, 1999. - 175 с.
20. Фоменко І.Ф., Жукова С.В., Лутинская Л.А. Просторово-часова мінливість прозорості Азовського моря // Основні проблеми рибного господарства і охорони рибогосподарських водойм Азово-Чорноморського басейну. Збірник наукових праць (2004-2005 рр.). Ростов-на-Дону: «Медіа-Прес», 2006. С. 63-69.
21. Екологічний атлас Азовського моря / Под ред. Матішова Г.Г. та ін. Ростов-на-Дону: Изд-во ЮНЦ РАН, 2011. 328 с.
22. Gitelson AA, Bo-Cai G., Rong-Rong L., Berdnikov S., Saprygin V. Estimation of chlorophyll-a concentration in productive turbid waters using a Hyperspectral Imager for the Coastal Ocean -the Azov Sea case study // Environ. Res. Lett. № 6, Vol. 2 (April-June 2011) - doi: 10.1088 / 1748-9326 / 6/2/024023
23. Matishov G., Matishov D., Gargopa Yu., Dashkevich L., Berdnikov S., Kulygin V., Archipova O., Chikin A., Shabas I., Baranova O., Smolyar I. Climatic Atlas of the Sea of Azov 2008. / G. Matishov, S. Levitus, Eds., NOAA Atlas NESDIS 65, US Government Printing Office, Washington, DC, 2008, 148 p.