Субмезомаcштабные динамические процессы и их влияние на распределение взвешенного вещества у берегов Крыма

Во введении представлена общая характеристика работы, включающая акту- альность и степень разработанности темы, цель исследования, поставленные задачи, новизну работы, ее практическую значимость, положения, выносимые на защиту, степень достоверности и апробацию результатов, личный вклад автора и список публикаций по теме диссертации.
В первом разделе представлен обзор исследований субмезомасштабных про- цессов, которые были выполнены до настоящего времени. В подразделе 1.1 приве- ден литературный обзор исследований субмезомасштабных вихрей, даны их харак- теристики. Отмечено, что субмезомасштабные вихри являются промежуточным звеном между мезомасштабной циркуляцией океана и мелкомасштабными турбу- лентными процессами, отвечающими за перемешивание в океане. Выполнен обзор исследований субмезомасштабных вихрей в cеверных морях, Каспийском и Балтий- ском морях. Субмезомасштабные процессы имеют малые масштабы и короткое время жизни, поэтому их изучение с помощью контактных данных представляет со- бой сложную задачу. Изучение пространственной и временной изменчивости таких процессов стало возможным только с появлением спутниковых данных с высоким пространственным разрешением. Это дало возможность определять характеристики субмезомасштабных процессов и выделить районы наиболее частых их проявлений. Подраздел 1.2 посвящен исследованию субмезомасштабных процессов в Черном море по спутниковым измерениям. Мониторинг позволил выявить основные районы наиболее частых проявлений мелкомасштабных вихрей и вихревых диполей на ра- диолокационных снимках [Лаврова и др. 2011]. Показано, что субмезомасштабные процессы в Черном море изучались также по контактным и модельным расчетам [Зацепин и др., 2013; Дымова, 2016, 2017]. Анализ литературных источников пока- зал, что в настоящее время недостаточно исследованы как пространственно- временные характеристики субмезомасштабных процессов Черного моря, особенно в районе шельфа Крымского полуострова, так и их роль в перераспределении взве- шенных веществ.
Второй раздел посвящен определению температуры поверхности Черного моря по спутниковым данным высокого разрешения. В данном разделе описан двухканальный алгоритм восстановления температуры по измерениям Landsat-8 (TIRS) на основе использования калиброванных измерений температуры поверхности моря (ТПM) спутника MODIS-Aqua. Информация о температуре поверхности на малых пространственных масштабах особенно актуальна для решения многих прикладных задач региональной океанологии. В подразделе 2.1 приводится обоснование двухканального метода восстановления температуры
поверхности моря. Сущность двухканального метода определения ТПМ состоит в том, что излучательные характеристики атмосферы в двух каналах различны, а характеристики излучения поверхности моря одинаковы [McClain et al., 1985; Schluessel et al., 1990; Brown et al., 1999]. Сигнал, принимаемый спутником, является суммой сигнала от поверхности моря (собственно ТПМ) и от атмосферы (связанный с пропусканием атмосферы). Двухканальный метод лежит в основе современных методов восстановления температуры по измерениям приборов MODIS и AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer) [McClain et al., 1985; Brown et al., 1999]. В подразделе 2.2 представлен алгоритм восстановления ТМП по данным спутника Landsat-8. Для определения температуры по измерениям Landsat-8 (T) предлагается использовать формулу:
T = T10 + a·(T10 – T11) + b, (1)
где T10 – яркостная температура по измерениям Landsat-8 по ИК данным в 10-м канале, °К; T11 – яркостная температура по измерениям Landsat-8 по ИК данным в 11-м канале, °К; a и b – безразмерные коэффициенты.
Для определения коэффициентов a и b в качестве температуры T используются калиброванные данные о температуре, полученные по измерениям зонда MODIS. Для разработки алгоритма восстановления температуры использовались данные сенсора TIRS, установленного на спутнике Landsat-8 (TIRS), за период с июня 2013 г. по август 2014 г. Снимки спутника Landsat-8 подбирались по двум критери- ям: отсутствие облачности и большие перепады яркостной температуры на снимке. Для определения констант a и b были подобраны квазисинхронные снимки MODIS- Aqua и Landsat-8. Всего было выбрано 12 снимков. Конечная формула для расчета температуры по данным Landsat-8 (Tm) имеет вид:
(2)
где А, В, С – безразмерные коэффициенты.
Диаграмма рассеяния между температурой, определенной по данным MODIS, и температурой, восстановленной по данным Landsat-8 (TIRS), изображена на Рисун- ке 1. Видно, что эти величины хорошо коррелируют между собой. Для этих двух ря- дов были рассчитаны статистические характеристики: коэффициент корреляции, ко- торый составил 0,99, и среднеквадратичное отклонение, равное 0,58°С.

Рисунок 1 – Диаграмма рассеяния между температурами по данным MODIS (T) и по данным Landsat-8 (TIRS) (Tm) [Aleskerova et al., 2016]
В подразделе 2.3 рассмотрены причины различия температуры по данным MODIS и температуры, восстановленной по данным Landsat-8 (TIRS). В работе по- казано, что температура по данным спектрорадиометра MODIS в летний период выше, чем температура, восстановленная по данным Landsat. Это связано с различием во времени пролета спутников. Спутник MODIS-Aqua пролетает над Черным морем примерно в 11 часов UTC, a Landsat в 8 часов UTC, что соответствует 14 и 11 часам местного времени. Таким образом, MODIS измеряет температуру верхнего слоя в период максимального дневного прогрева. Величины дневного прогрева в Черном море, оцененные в работе [Акимов и др., 2014] по данным прибора SEVIRI (Spinning Enhanced Visible and Infrared Imager), могут достигать 1 – 4°С. Вторая причина возникающих ошибок связана с наличием специфических полос в данных Landsat-8 (TIRS). Одно изображение Landsat-8 (TIRS) может состоять из трех зон, в которых яркостная температура отличается друг от друга на несколько десятых градуса. Эти ошибки, вероятно, связаны с инструментальными погрешностями прибора. При этом эти полосы не всегда присутствуют на изображениях. В подразделе 2.4 представлены примеры восстанов- ления температуры Черного моря по спутниковым данным с высоким разрешением.
В третьем разделе проводится исследование распространение взвешенного вещества (ВВ) под влиянием штормовых ветров у Западного побережья Крыма.
В подразделе 3.1 описывается ветровой режим в районе Западного Крыма. Анализ показал, что суммарная доля ветров южного румба, которые являлись наиболее волноопасными для Западного побережья Крыма в 1999 – 2009 гг., со- ставляла 30%. Примерно такая же доля отмечена и для северо-восточных ветров. Реже фиксировались западные (12%) и восточные (11%) ветры. Наиболее часто сильные северо-восточные ветры наблюдаются в октябре и декабре, январе. В марте и ноябре отмечается увеличение повторяемости сильных юго-восточных ветров. Реже всего в данном районе встречаются сильные северо-западные ветра. В теплый период года наиболее часты южные, юго-восточные, восточные и запад- ные ветры. Сильные ветры северо-восточного направления преобладают с августа по апрель. Под сильными ветрами здесь и ниже подразумеваются ветры со скоростью 8 м/с и более.
В подразделе 3.2 дается описание источников взвешенного вещества у Западно- го берега Крыма. По данным зонда MODIS с использованием регионального алго- ритма [Кременчуцкий и др., 2014] рассчитано среднемноголетнее пространствен- ное распределение концентрации ВВ в акватории северной части Черного моря за период 2003 – 2015 гг. В северной части Черного моря выделяются три наиболее значительные зоны с повышенными значениями концентрации ВВ. Это районы мелководных Каркинитского и Каламитского заливов, а также Керченского про- лива с акваториями, прилегающими к Керченскому и Таманскому полуостровам. Типичные среднемноголетние значения концентрации ВВ здесь составляют 5 – 10 мг/л, причем наибольшие значения отмечаются у берега. Основной источ- ник повышенных концентраций ВВ в прибрежной зоне российского сектора Чер- ного моря связан с разрушением глинистых клифов в Каркинитском и Каламит- ском заливах и Керченском проливе. В Каламитском заливе наибольшее поступ- ление ВВ в море дают участки берега, где пляжи или отсутствуют, или их ширина небольшая. В этом случае энергия волнения не гасится на пляже, а расходуется на разрушение глинистых клифов. На остальных участках с глинистым клифом и от- носительно широким пляжем основной механизм поступления ВВ – отмывание грунта, оказавшегося на пляже в результате обвальных и оползневых процессов. Вторым по значимости источником является разрушение активного бенча – гли- нистой, конгломератовой или песчаной поверхности прибрежного дна. Подчинен- ное значение имеет поступление ВВ из рек и временных водотоков, в первом при- ближении оно меньше на порядок, чем поступление из-за разрушения клифов. Наконец, определенное количество вещества поступает с песчаных пляжей в море в период преобладающих в холодный период сильных ветров северных направле- ний (эоловые процессы).
В подразделе 3.3 приводится среднемноголетнее распределение ВВ. На средне- многолетнее распределение большое влияние оказывают эпизодические события – штормы, которые резко увеличивают концентрацию ВВ. Пространственное распре- деление концентрации ВВ при южных и юго-западных ветрах достаточно хорошо совпадает со средней картой концентрации ВВ. Это направление наиболее эффек- тивно для поступления в море и поддержания высоких концентраций ВВ, что связа- но с максимальной для Каламитского залива длиной разгона волн (от 350 до 550 км). Кроме этого, повторяемость штормов данного направления в исследуемый пе- риод была максимальна. Концентрации ВВ очень высоки и достигают 200 мг/л, что и дает основной вклад в среднее распределение. Распределение концентрации ВВ для северо-восточных ветров показывает, что основная область взмучивания не вы- ходит за пределы Каламитского залива. Величины концентрации ВВ по сравнению с предыдущим случаем более чем на порядок меньшие (1 – 5 мг/л). Видимо, основной источник ВВ – это взмучивание водной толщи в восточной части Каламитского за- лива. При действии северных и северо-западных ветров к области взмученных вод в Каламитском заливе (с концентрациями 2 – 8 мг/л) добавляется аналогичная область вокруг Гераклейского полуострова. Однако здесь концентрация ВВ относительно невелика (2 мг/л).
В подразделе 3.4 рассматривается распределение взвешенного вещества при действии различных ветров на конкретных примерах. На основе проведенного ана- лиза были получены схемы образования и распространения ВВ у западного побере- жья Крыма, которые изображены на Рисунке 2.
Рисунок 2 – Схемы образования и распространения ВВ при южном и юго-западном ветрах (а); при северо-восточном ветре (б); при северном и северо-западном ветрах (в).
Серая стрелка – направление ветра, синяя – направление волн, красная – направление течения, зе- леная – направление экмановской скорости; голубая область – зона ветрового сгона, апвеллинга, синяя область – взмученные воды; желтые стрелки – направление движения вод на мелководье под действием северо-восточного ветра [Алескерова и др., 2019]
Четвертый раздел посвящен исследованию распространения азовоморских вод, проникающих в Черное море через Керченский пролив, на термохалинную структуру, оптические, химические свойства и экосистему северо-восточной части Черного моря. В подразделе 4.1 приводится описание различий в термохалинных и оптических свойствах Черного и Азовского морей.
В подразделе 4.2 описывается распространение азовоморских вод при различных штормовых ветрах на конкретных примерах. На основе спутниковых данных проведена классификация распространения азовоморских вод, которую можно разделить на три типа: «западное» и «центральное» распространения и блокирование азовоморских вод в проливе.
При действии северных и северо-восточных ветров наблюдается «западное» распространение, которое усиливает приток азовоморских вод и приводит к их движению на запад в виде потока, прижатого к южному побережью Крыма. Наиболее часто на спутниковых снимках наблюдаются полосы вод шириной от 1 до 10 км с повышенными концентрациями ВВ, распространяющиеся вдоль берегов Крымского полуострова. В отдельных случаях, чаще всего в зимний период, эти полосы прослеживаются вплоть до западной оконечности полуострова Крым (м. Херсонес) иногда даже западнее его до 31 – 32° в.д. Площадь, занятая водами с повышенными концентрациями ВВ, и расстояние, на которое они распространяются, тесно связаны с силой и продолжительностью штормов. Как правило, площадь распространения максимальна в холодный период при северо- восточных ветрах.

Как показывает анализ спутниковых снимков, при воздействии сильных ветров от южных направлений азовские воды в Черном море могут распространяться как на восток, так и на запад от пролива. В этих случаях азовоморские воды обычно проникают до восточного побережья Таманского полуострова или до Анапы на востоке и в Феодосийский залив на западе. Условно обозначим такой тип распространения как «центральный».
При действии сильных южных и западных ветров иногда наблюдаются области взмученных вод, напоминающие «центральный» тип распространения. Однако в отличие от него при высоких концентрациях ВВ пониженных значений температуры не наблюдается. Такое сочетание свойств поверхностных вод можно связать с непосредственным воздействием штормовой ситуации на береговую зону, проявляющуюся в виде разрушения глинистых клифов и взмучивания донных наносов. Данные ветра уменьшают распространение азовоморских вод через Керченский пролив и могут полностью его блокировать.
В подразделе 4.3 исследуется влияние мезомасштабных вихрей на перенос азовоморских вод, в частности значительное влияние оказывает горизонтальная ад- векция мезомасштабными антициклоническими вихрями. Мезомасштабные антициклонические вихри, распространяющиеся в циклоническом направлении по континентальному склону, часто наблюдаются к югу от Керченского пролива на спутниковых снимках [Гинзбург и др., 2002; Митягина и др., 2010] и выделяются по данным альтиметрии [Коротаев и др., 2003]. Мезомасштабные вихри – антициклоны могут вовлекать азовоморские воды в свое орбитальное движение и относить их на расстояние равное диаметру вихря в глубоководную часть моря. Субмезомасштабные вихри могут захватывать азовоморские воды в свои ядра и переносить их на значительные расстояния на запад в потоке Основного Черноморского течения.
В подразделе 4.4 проведен анализ штормового воздействия на концентрацию взвешенного вещества в районе Керченского пролива. Для исследования влияния штормов на повышение концентрации ВВ в районе Керченского пролива были построены композитные карты концентрации ВВ во время штормов различного направления. Полученные композитные карты (Рисунок 3) можно субъективно разделить на два типа. В первом, во время штормовых ветров северо-восточного, восточного и юго-восточного направлений концентрация ВВ значительно выше к западу от Керченского пролива, чем к востоку от него (Рисунок 3, а, б, в). Во вто- ром, во время южных, юго-западных и западных ветров концентрация ВВ вблизи Таманского полуострова значительно возрастает, высокие значения наблюдаются как к востоку, так и к западу от пролива.

Рисунок 3 – Композитные карты концентрации ВВ при действии штормовых ветров: при северо- восточных (а), восточных (б), юго-восточных (в), южных (г), юго-западных (д) и западных ветрах (е) [Kubryakov et al., 2019]
В подразделе 4.5 оцениваются сезонная и пространственная изменчивость концентрации взвешенного вещества в районе Керченского пролива. Анализ спутниковых данных показал, что зоны повышенных концентраций ВВ (более 2 мг/л) при штормах локализуются в виде полосы вдоль побережья Керченского полуострова до Феодосийского залива или западнее его, либо в виде двух полос одновременно к западу и востоку от Керченского пролива. Данные полосы расположены вдоль побережья шириной приблизительно 30 км на мелководных участках шельфа (с глубинами менее 30 м). Самые высокие значения концентрации ВВ наблюдаются вблизи побережья и составляют в среднем 5 мг/л. Эти значения соответствуют средней концентрации ВВ в Азовском море и Керченском проливе. Концентрация ВВ увеличивается от значений 0,15 мг/л до более 50 мг/л в водах Черного моря во время штормовых ветров. Поэтому штормовые ситуации вносят большой вклад в полученное среднее распределение концентрации ВВ. Это означает, что усредненные по времени карты не отражают значения концентрации ВВ, наблюдаемые большую часть времени в этой области и, как правило, отражают распределение концентрации ВВ во время типичных штормовых условий. Месячные карты концентрации ВВ, осредненные за 2003 – 2016 гг. показали, что самые высокие значения концентрации ВВ наблюдаются как к югу от Керченского пролива, так и в Азовском море зимой – ранней весной (с января по апрель) (концентрация ВВ больше 10 мг/л). Штормовые ветры в эти месяцы вызывают интенсивное взмучивание донных осадков. Наибольшее проникновение азовоморских вод к западу от пролива наблюдается в феврале. В январе и марте распространение азовоморских вод на запад немного меньше, но в это время максимальна концентрация ВВ наблюдается к востоку от пролива, что указывает на усиление «центрального» типа распространения. С мая по сентябрь значения концентрации ВВ вблизи Керченского пролива значительно меньше (около 1 мг/л), так как в этот период приток азовоморских вод в Черное море уменьшается [Kubryakov et al., 2019]. Кроме того, с ослаблением штормовых ветров в теплое

время года концентрация ВВ в Азовском море, образовавшаяся в результате взмучивания донных осадков, уменьшается. С октября снова наступает штормовая погода и азовоморские воды значительно простираются как на запад до Феодосийского залива, так и на восток, доходя до Анапы (37,2 °в.д.). В ноябре направление потока азовоморских вод на запад более интенсивное из-за увеличения северо-восточных и северных штормов.
Пятый раздел посвящен исследованию субмезомасштабных процессов по спутниковым измерениям. В подразделе 5.1 проведен анализ субмезомасштабных процессов у побережья Крыма. Рассмотрены некоторые из наиболее типичных и интересных случаев субмезомасштабной динамики, наблюдаемых на изображениях Landsat и Sentinel-2 в различных частях побережья Крыма. На Рисунке 4 представлены некоторые случаи проявления субмезомасштабных вихрей.
Рисунок 4 – яркостная температура (°С) на снимке Landsat-5 от 21 июня 2009 г. при
λ = 10,40-12,50 мкм (а). Овалами обозначены вихри; RGB-композиция со спутника Sentinel-2 за 24
сентября 2017 г. (б); RGB-композиция со спутника Sentinel-2 от 2 сентября 2015 г. (в)
В подразделе 5.2 рассмотрены возможные причины образования субмезомас- штабных вихрей у берегов Крыма. По спутниковым снимкам высокого разрешения описано географическое распространение субмезомасштабных вихрей и процессы их образования в различных районах побережья Крыма. Общая географическая схема наблюдаемых процессов показана на Рисунке 5.
Рисунок 5 – Схема, иллюстрирующая географическое распределение типичных субмезомасштаб- ных структур вблизи побережья Крыма [Aleskerova et. al., 2021]
Несмотря на разнообразие рассмотренных процессов, можно выделить не- сколько основных возможных причин проявления субмезомасштабных вихрей:
1. Сдвиговая неустойчивость на периферии мезомасштабных антициклониче- ских вихрей.
2. Обтекание потоком воды мысов и выступов берегов.
3. Неустойчивость течения на периферии прибрежных апвеллингов.
4. Возникновение грибовидных течений при торможении прибрежных течений. 5. Образование грибовидных течений на фронте вод с различными свойствами.
Рисунок 6 – Схемы основных механизмов генерации субмезомасштабных процессов:
а) образование антициклонического вихря за препятствием при течении, направленном вправо относительно берега; б) образование цепочки циклонических вихрей за препятствием
при течении, направленном влево относительно берега; в) образование субмезомасштабных циклонов у берега при прохождении антициклонического вихря; г) образование грибовидных структур при действии сильных ветров, направленных от берега; д) образование грибовидных структур при возникновении апвеллинга [Aleskerova et. al., 2021]

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Диссертационная работа посвящена исследованию субмезомасштабных про- цессов в акватории у берегов Крыма и определению их влияния на пространственно- временное распределение температуры и оптических характеристик морской по- верхности и на перенос взвешенного вещества.
Основные научные результаты исследования могут быть сформулированы сле- дующим образом.
1. Разработан алгоритм восстановления температуры морской поверхности по данным спутника Landsat-8. Представленный алгоритм позволяет восстанавливать температуру поверхности с разрешением 100 м, что дает возможность анализиро- вать пространственную структуру различных явлений на поверхности моря на мел- ких масштабах. Алгоритм применялся при изучении субмезомасштабных процессов в данной работе.
2. Исследовано влияния штормовых ветров различных направлений на образо- вание и динамику ВВ в прибрежной зоне Западного Крыма. Штормовое волновое воздействие оказывает определяющее влияние на пространственное распределение ВВ. При ветрах различных направлений определяющими распространение ВВ фак- торами являются: волновое воздействие на берега, взмучивание придонных осадков, ветровое турбулентное перемешивание, циркуляция вод при апвеллинге, вихреобра- зование.
Было отмечено, что максимальные значения концентрация ВВ принимает при южных ветрах, достигая значений 200 мг/л. Зона высоких концентрации ВВ распо- ложена в районе Западного шельфа Крыма и ограничена изобатой 50 м. Южные, юго-западные ветры разгоняют интенсивные ветровые волны, которые вызывают значительное разрушение берегов, особенно с глинистыми клифами и взмучивание донных наносов.
При северо-восточных ветрах область взмученных вод локализуется на некото- ром расстоянии от берега из-за малого разгона для образования значимых высот волн. Дополнительным фактором, который может влиять на поддержании низких концентраций взвеси непосредственно у берега, может быть подток относительно прозрачных придонных вод. Из-за отсутствия интенсивного воздействия волн на бе- рег значения концентрации взвеси в этом случае на два порядка ниже, чем для юж- ных ветров.
Особенностью действия северных и северо-западных штормов является образо- вание вдольберегового течения вдоль западного побережья. Течение возникает на фронтальной зоне апвеллинга. Поток переносит ВВ на юг от Каламитского залива и м. Лукулл в глубоководную часть моря. Концентрация ВВ в этом случае также зна- чительно ниже, чем при воздействии южных ветров, однако может достигать вели- чины 3 мг/л.
3. Исследовано пространственное распространение азовоморских вод в северо- восточной части Черноморского бассейна. Проведена классификация их распро- странения, которое можно разделить на три типа: «западное», «центральное» и бло- кирование азовоморских вод в проливе, на основе спутниковых данных. При дей-
ствии северных и северо-восточных ветров наблюдается «западное» распростране- ние, которые усиливают приток азовоморских вод и приводят к их движению на за- пад в виде потока, прижатого к южному побережью Крыма. В зимние месяцы поток азовоморских вод может максимально распространяться вдоль берега на запад. При сильных ветрах с юга, юго-запада и запада наблюдается «центральный» тип распро- странения, при котором азовоморские воды распространяются вдоль Керченского и Таманского полуостровов. В ряде случаев юго–западные и западные ветры умень- шают распространение азовоморских вод через Керченский пролив и могут полно- стью его блокировать. Однако на Керченско-Таманском шельфе наблюдается об- ласть с высокими значениями концентрации взвешенного вещества в результате взмучивания донных осадков и размыва берегов при ветроволновом воздействии. Распространение азовоморских вод также значительно зависит от мезомасштабной и крупномасштабной геострофической динамики Черного моря. Мезомасштабные ан- тициклонические вихри могут вовлекать азовоморские воды в свое орбитальное движение и способствуют их перемещению в южном направлении в центральную часть бассейна на расстояние, сравнимое с их диаметром (20–60 км). Другой меха- низм переноса связан с захватом азовоморских вод в ядра субмезомасштабных цик- лонических вихрей, которые могут переносить азовоморские воды на большие рас- стояния (более 100 км) в западном направлении.
4. На основе анализа спутниковых данных за период с 1983 по 2019 гг. выпол- нено картирование типичных субмезомасштабных процессов и определены их ха- рактеристики вблизи побережья Крыма. Отмечено, что в прибрежной зоне отмеча- ется большее количество мелких циклонических вихрей с размерами до 1-5 км, и меньше антициклонических, которые, как правило, имеют большие размеры 5-10 км. Показано, что перенос субмезомасштабных циклонических вихрей под действи- ем фоновых течений способствует выносу взвешенных веществ из шельфовых зон, что, в частности, может повлиять на вентиляцию прибрежной зоны. Продемонстри- рованы примеры образования субмезомасштабных процессов за счёт: сдвиговой не- устойчивости на периферии мезомасштабных антициклонических вихрей; обтекание потоков вод мысов и выступов берегов; неустойчивость течения на периферии при- брежных апвеллингов; возникновение грибовидных течений при торможении при- брежных течений; образование грибовидных течений на фронте вод с различными свойствами.