CC BY
87
ИЗМЕНЕНИЕ ГИДРОЛОГИИ КАСПИЙСКОГО МОРЯ
И ЕГО ПОБЕРЕЖЬЯ В СОВРЕМЕННУЮ ЭПОХУ
УДК.551.463.22
В.С. Тужилкин1, А.Н. Косарев2, В.С. Архипкин3, Р.Е. Никонова4
МНОГОЛЕТНЯЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ ГИДРОЛОГИЧЕСКОГО РЕЖИМА
КАСПИЙСКОГО МОРЯ В СВЯЗИ С ВАРИАЦИЯМИ КЛИМАТА
По данным многолетних судовых и береговых гидрологических наблюдений установлено, что резкое изменение климатического режима в конце 1970-х гг., сопровождавшееся увеличением притока пресных вод и усилением северо-западного атмосферного переноса, привело к значительному повышению среднего уровня Каспия, понижению солености и формированию ее статически устойчивой вертикальной структуры. Это в свою очередь вызвало усиление плот-ностной стратификации вод моря, ослабление (вплоть до полного прекращения) вентиляции глубинных слоев каспийских котловин и общее ухудшение экологического состояния Каспия. Показаны региональные особенности гидрологической реакции вод Каспийского моря на климатические вариации внешних воздействий.
Ключевые слова: Каспийское море, гидрология вод, многолетняя изменчивость, внешние воздействия, климатические вариации.
Введение. Замкнутое Каспийское море представляет собой конечный приемник и естественный интегратор эффектов внешних воздействий различного масштаба. Поэтому долговременные изменения природных условий выражены в нем отчетливее, чем в океанах и открытых морях, соответственно намного значительнее и следствия таких изменений для его экосистемы и условий природопользования. Это определяет высокую актуальность изучения проблемы многолетней изменчивости вод Каспия.
Гидрологические аспекты этой проблемы имеют наиболее богатую историю исследований (см. обзоры в [1—3, 8]). Однако при этом более 75% публикаций о многолетней гидрологической изменчивости вод Каспия посвящено его среднему уровню. Значительно менее исследована многолетняя изменчивость его температурной и соленостной структуры. Лишь в конце ХХ в. удалось накопить и систематизировать данные судовых глубоководных гидрологических наблюдений [5], позволяющие рассматривать некоторые аспекты проблемы с необходимой степенью обоснованности и достоверности количественных оценок. Основной вклад в исследования этого направления в последние десятилетия принадлежит авторам статьи (см. обзор в [15]).
В кратком изложении главные выводы предыдущих исследований заключаются в следующем [11, 20]:
— многолетняя изменчивость гидрологического состояния Каспия весьма велика во всей толще его вод от поверхности до дна;
— по размаху значений большинства гидрологических характеристик (уровень моря, соленость вод, параметры термохалинной структуры) она сопоставима или превышает их сезонные вариации за исключением температуры воды в верхнем 50-метровом слое;
— многолетняя гидрологическая изменчивость в Каспийском море, как и во многих других внутренних морях и регионах Мирового океана, представляет собой суперпозицию процессов двух типов: 1) квазипериодических (но не вполне гармонических) колебаний, наиболее низкочастотные из которых интерпретируются как тренды; 2) довольно быстрых (в течение 1—3 лет) переходов от одного статистически однородного состояния к другому, так называемых режимных сдвигов.
Цель статьи — уточнение и развитие полученных результатов и выводов путем комплексирования всех имеющихся данных контактных наблюдений (судовые, береговые, результаты гидрометеорологического реанализа). При этом особое внимание уделено анализу различий режима многолетней гидрологической изменчивости в Каспийском море до и после наиболее резкого из известных режимных сдвигов в системе Мировой океан — глобальная атмосфера в ХХ столетии, имевшего место во второй половине 1970-х гг. [19, 21]. Одним из его наиболее ярких и широко известных проявлений была резкая смена быстрого понижения среднего уровня Каспия в 1970—1977 гг. на столь же быстрое его повышение в 1978—1995 гг. Кроме того,
1 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, географический факультет, кафедра океанологии, профессор, докт. геогр. н., e-mail: tvsmsu@gmail.com
2 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, географический факультет, кафедра океанологии, веду. науч. с., докт. геогр. н., профессор, e-mail: akosarev@mail.ru
3 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, географический факультет, кафедра океанологии, доцент, канд. геогр. н., e-mail: victor_arkhipkin@gmail.com
4 ФГУ "Государственный океанографический институт имени Н.Н. Зубова", науч. с.
именно этот режимный сдвиг наиболее обеспечен данными наблюдений.
Ниже мы последовательно рассмотрим сложившиеся представления о многолетней изменчивости и новые факты о проявлении этого режимного сдвига во временном ходе значений показателей внешних воздействий (речной сток, ветер, индексы атмосферных макропроцессов), среднего уровня моря и термоха-линной структуры вод в основных регионах Каспийского моря (Северном, Среднем и Южном Каспии).
Материалы и методы их обработки. В качестве информационной основы исследования использованы архивные банки данных судовых и береговых (островных) наблюдений за температурой и соленостью морской воды, уровнем моря, речным стоком [1, 4, 5, 9], массивы данных реанализа гидрометеорологических характеристик NCEP [18]. Временные рамки используемых данных зависят от их вида. Наиболее продолжительны столетние (1905—2007) ряды среднего уровня Каспия и индексов атмосферных макропроцессов. Ряды наблюдений ветра, речного стока, температуры и солености воды на гидрометеостанции (ГМС) о. Тюлений имеют более чем полувековую длину (1949—2005). Судовые наблюдения использованы за 1949—1999 гг., но подробно рассмотрен наиболее обеспеченный данными интервал 1972—1988 гг., включающий исследуемый режимный сдвиг. Географическое положение названных видов данных представлено на рис. 1.
Стационарные островные наблюдения на ГМС о. Тюлений на рис. 1 обозначены символом 1, данные реанализа ветра над Северным Каспием и восточным шельфом Среднего Каспия — 2, среднее положение наиболее глубоководных судовых наблюдений в Среднем и Южном Каспии — 3, положение стандартных разрезов в Северном Каспии, вдоль которых рассчитывались параметры соленостной фронтальной зоны (максимальные градиенты солености и их широты) — линиями 4.
Исходные данные подвергнуты предварительной обработке для формирования многолетних временных рядов рассматриваемых характеристик с месячным и годовым осреднением по технологиям, описанным в [4, 5, 11]. Сформированные ряды обработаны методами стандартного статистического анализа [17].
Результаты и их обсуждение. Внешние воздействия. Основными показателями внешних воздействий, определяющих общие особенности гидрологических условий Каспия в многолетнем масштабе, служат компоненты внешнего водного баланса (речной сток, количество осадков, испарение, сток в залив Кара-Богаз-гол) и ветер. Водный баланс формирует многолетний режим уровня и солености, которая на 70—90% определяет трехмерное поле плотности Каспия [5] и все эффекты бароклинности его вод. Ветер формирует общую циркуляцию вод и трехмерное перераспределение их гидролого-гидрохимических свойств. Тепловые потоки значительно менее эффективны в формировании многолетней (с временным масштабом более 5—7 лет) термической изменчивости Каспия, столь
47° 48° 49° 50° 51° 52° 53° 54°в.д.
Рис. 1. Рельеф дна Каспийского моря (изобаты, м) и схема расположения использованных данных наблюдений: 1 — ГМС о. Тюлений; 2 — узлы сетки реанализа NCEP, 3 — наиболее глубоководные станции стандартных разрезов в Среднем (Дивичи—Кендерли) и Южном (о. Куринский Камень — о. Огурчинский) Каспии, 4 — стандартные разрезы в Северном Каспии
же значимой для его гидрологической природы, как вариации уровня и солености воды.
На рис. 2, а, б представлена многолетняя изменчивость с месячной дискретностью стока р. Волга (около 80% всего речного стока в море) и компонентов ветра — положительных на восток над Северным Каспием и вдоль берега на северо-запад над восточным шельфом Среднего Каспия (положение соответствующих узлов сетки реанализа NCEP показано на рис. 1), это наиболее надежно определяемые показатели внешних воздействий.
Отметим, что многолетняя изменчивость ежегодных половодных максимумов стока на рис. 2, а довольно однородна — самые большие и малые значения повторяются с интервалами от 2 до 5 лет. Долговременные тенденции характернее для остальных (меженных) месяцев. В частности, меженные стоки были очень малы в 1949—1955 гг., когда наполнялись волж-
Рис. 2. Многолетняя изменчивость: а — месячных сумм стока Волги, км3; б — среднемесячных значений компонентов скорости ветра, м ■ с-1: 1 — на северо-запад над восточным шельфом Среднего Каспия, 2 — на восток над Северным Каспием (жирные линии — полиномиальные тренды 8-го порядка); в — годового индекса западной формы циркуляции по Вангенгейму (3) и среднегодового уровня, м БС, Каспия (4); 5 — положение режимных сдвигов. Штриховые линии — кусочно-линейные тренды
ские водохранилища, и в 1972—1977 гг., когда большие изъятия стока на орошение совпали с природной маловодностью Волги в эти годы. Широко известное резкое увеличение стока с 1978 г. обусловлено преимущественно меженными месяцами (рис. 2, а), поскольку величина половодных стоков в эти годы находилась в пределах интервала значений предыдущих лет (рис. 2). Это подтверждают годовые циклы волжского стока (представленные на рис. 3, а), средние для интервалов лет с относительной стабилизацией уровня
(1949—1969), его быстрого понижения (1970—1977) и повышения (1978—1995). Отметим, что превышение стока в третьем интервале над таковым во втором интервале статистически значимо во все месяцы года на уровне стандартных ошибок [17], показанных на рис. 3, а.
В пользу большой значимости меженных стоков в гидрологических особенностях Каспия свидетельствует и то, что половодные стоки поступают и распространяются в море в месяцы особо интенсивного
испарения (июнь—август), когда соленость повсеместно повышается, даже в Северном Каспии (рис. 2, г). Это означает, что сильно нагретая вода в линзах (в зарубежной литературе именуемых плюмами), опресненных речным стоком, буквально "улетает в небо" [13]. Таким образом, гидрологически наиболее значимым оказывается осенне-зимний речной сток.
В последние 15 лет половодные максимумы и меженные минимумы стока установились на промежуточных уровнях значений, что выразилось в стабилизации среднего уровня Каспия и его соленостного режима (см. ниже).
Анализ многолетней изменчивости (рис. 2, б) и годовых циклов (рис. 3, б, в) динамически значимых компонентов ветра (зонального, положительного на восток над Северным Каспием и вдольберегового, положительного на северо-запад над восточным шельфом Среднего Каспия) свидетельствует об их синхронности и многолетних тенденциях среднегодового уровня значений. В 1977—1978 гг. зональный ветер над Северным Каспием (кривая 2 на рис. 2, б и рис. 3, б) сменил отрицательный знак (направление на запад) на слабоположительный (направление на восток). Первый режим должен способствовать экмановскому дрейфовому запиранию опресненных вод в Северном Каспии, второй режим в годы с наибольшим развитием восточного компонента ветра должен благоприятствовать выносу северокаспийских вод на юг и компенсационному придонному подтоку среднекаспийских вод. Одновременно над восточным шельфом Среднего Каспия (кривая 1 на рис. 2, б и рис. 3, в) вдольберего-вой ветер на северо-запад, способствующий опусканию (даунвеллингу) прибрежных вод, сменился на благоприятствующий апвеллингу ветер, направленный на юго-восток. Реакцию гидрологии Каспия на эти воздействия рассмотрим ниже.
Отмеченные особенности многолетней изменчивости внешних воздействий на гидрологические условия Каспия связаны с макропроцессами в системе Мировой океан—глобальная атмосфера, которые климатологи индексируют различными размерными и безразмерными показателями. Это многократно показано, например, в публикациях, где рассмотрены качественные и количественные статистические связи между индексами атмосферных процессов (таких, как Северо-Атлантическое колебание) и средним уровнем Каспия [4, 6—8, 20].
Для иллюстрации этого положения нами выбран широко известный годовой индекс западной О формы атмосферных макропроцессов в Атлантико-Европейском секторе по Вангенгейму, столетний ряд которого представлен кривой 3 на рис. 2, в. Его значения отражают годовую повторяемость западного переноса в этом регионе. На основе экспертного анализа соответствующего графика мы разделили его на несколько сегментов, для каждого из которых оценили линейный тренд. В результате получили кусочно-линейную аппроксимацию, более точную, чем любой из нелинейных трендов всей реализации в целом.
Рис. 3. Средние годовые циклы: 1 — за 1949—1969 гг., 2 — за 1970—1977 гг., 3 — за 1978—1999 гг. месячных сумм стока Волги, км3 (а); компонента скорости ветра, м ■ с-1, на восток над Северным Каспием (б); компонента скорости ветра, м ■ с-1, на северо-запад над восточным шельфом Среднего Каспия (в); солености воды, %с, на ГМС о. Тюлений (г). Для двух последних временных интервалов показаны стандартные ошибки средних значений
Границы выделенных сегментов практически совпали с режимными сдвигами в глобальных полях температуры поверхности Мирового океана, выделенными в [21]. В этой работе выделен также режимный сдвиг в 1970 г., который прослеживается на рис. 2, а, б как начало переходного режима в виде значительнго уменьшения волжского стока, зонального компонента ветра над Северным Каспием, направленного на запад, и вдольберегового ветра на северо-запад над восточным шельфом Среднего Каспия. Отсутствие этого сдвига на рис. 2, в, объясняется тем, что он нечетко выражен в значениях индекса ' В дальнейшем мы все же выделяем интервал между 1970 и 1977 г. (для глубинных слоев Каспия — между 1970 и 1981 г.) как характеризуемый особым типом режима.
Средний уровень моря. Как уже отмечалось, многолетняя изменчивость среднего уровня Каспия наиболее исследована. Известная многолетняя кривая
его хода, представленная на рис. 2, в (кривая 4), показывает, насколько хорошо она аппроксимируется кусочно-линейным трендом, очень близким тренду индекса М Это подобие отражает логически простые и понятные прямые связи между интенсивностью западного переноса в атмосфере, увлажнением в водосборе Каспия, стоком рек и, наконец, его средним уровнем.
Другим подтверждением таких связей служат данные табл. 1, где представлены компоненты внешнего водного баланса Каспия в единицах приращения его среднего уровня за интервалы лет, соответствующие выделенным на рис. 2, в. Методика их расчета описывалась неоднократно [1, 4]. Близость результирующих балансовых и наблюденных годовых приращений среднего уровня убедительно свидетельствует в пользу климатической обусловленности его многолетней изменчивости.
Отметим, что большая часть понижения уровня за 1996—2008 гг. приходится на 1996 г., когда фактически имел место "рецидив" процессов, наблюдавшихся в 1970—1977 гг. (экстремально малые значения индекса М и стока Волги, а также большое испарение и сток в залив Кара-Богаз-Гол). В дальнейшем до настоящего времени уровень Каспия колебался в узком диапазоне от -27,2 до -27,0 м БС. Экстремальное лето 2010 г., возможно, существенно нарушит сложившийся режим.
Северный Каспий. Этот регион Каспия, непосредственно принимающий волжский сток, казалось бы, должен однозначно реагировать на его изменения, однако все не так просто. В частности, увеличение притока пресных вод в Каспийское море после 1978 г. имело адекватную реакцию в виде статистически значимого уменьшения солености вод в южном направлении лишь при ее осреднении по крупным регионам Северного Каспия: прибрежному (внутренний шельф), фронтальному (средний шельф) и мористому (внешний шельф) [16].
При более детальном региональном анализе обнаруживаются существенные особенности многолетней гидрологической изменчивости в Северном Каспии. На рис. 4 представлена многолетняя изменчивость температуры и солености воды по данным наиболее длительных наблюдений на ГМС о. Тюлений (положение см. на рис. 1).
В изменчивости температуры (рис. 4, а, б) значимые тренды и устойчивые колебания не выделяются, августовские и февральские значения не коррелиро-ваны между собой. Можно лишь выделить повышенную суровость зим в 1970—1977 гг., отмеченную в [14], и значительное повышение температуры зимой и летом с 1999 по 2005 г. За исключением экстремально холодной зимы 2008 г., режим относительной многолетней стабильности гидрологических условий сохраняется и в последние годы. Соленость воды (рис. 4, в) до 1979 г. испытывала значительные колебания с размахом до 6%о и периодами 5—7 лет, которые отсутствовали в волжском стоке. Затем, после резкого уменьшения солености в 1979 г. до 2% , началось ее постепенное увеличение к середине 1990-х гг., несмотря на значительный сток Волги. В последние годы соленость у о. Тюлений стабилизировалась на уровне значений 4—8%.
Наиболее четко региональные различия реакции Северного Каспия на внешние воздействия демонстрирует рис. 5, где показана многолетняя изменчивость величины и положения (широты) максимального градиента солености (ядра соленостной фронтальной зоны) вдоль стандартных разрезов IIIa и III (положение см. на рис. 1).
Анализ показал, что положение максимального градиента солености на обоих разрезах изменяется достаточно синхронно (рис. 5, в), тогда как изменчивость величины градиентов находится преимущественно в противофазе (рис. 5, б). Сделано предположение, что это обусловлено разным генезисом широтных смещений ядра фронтальной зоны на рас-
Таблица 1
Среднемноголетние (над чертой) и экстремальные (под чертой) значения составляющих водного баланса (в см слоя) Каспийского моря за интервалы лет с разным режимом гидрометеорологических процессов
Интервалы, Средний уровень моря Сток рек Количество осадков Испарение Сток в залив Кара-Богаз-Гол Расчетное годовое изменение уровня Наблюденное годовое изменение уровня
м БС см см см см см см
1900—1929 -26,1 83,3 17,3 -96,6 -5,4 -1,4 -1,2
-26,6 --25,7 55-115 11-22 -85 --115 -3 --7 -44-28 -30-31
1930—1941 -26,8 69,1 18,3 -100,7 -3,1 -16,4 -15,6
-27,9 --26,1 56-89 14-24 -94 --106 -2 --5 -30-11 -32-10
1942—1977 -28,3 75,5 19,3 -96,1 -2,7 -3,9 -3,3
-29,0 --27,8 56-98 12-33 -72 --117 -1 --4 -30-29 -30-17
1978—1995 -27,8 84,1 22,7 -91,9 -2,2 12,7 13,6
-28,9--26,6 70-98 16-28 -84 --103 0 --12 -13-30 -14-36
1996—2008 -27,0 74,9 20,3 -96,0 -5,0 -5,8 -5,2
-27,2 --26,8 52-85 14-31 -80 --108 -4 --7 -29-14 -40-22
Рис. 4. Многолетняя изменчивость: а — средней за август и б — средней за февраль температуры воды, °С; в — среднемесячной солености, %с, на ГМС о. Тюлений. Жирная линия на рис. 4, в — полиномиальный тренд 8-го порядка
сматриваемых разрезах. На более западном разрезе IIIa смещение фронтальной зоны обусловлено повышением объема поступающего сюда волжского стока, например в 1979 и 1985 гг. (рис. 5, а, в), когда градиент солености увеличивался (рис. 5, б). На разрезе III, который находится между основными рукавами дельты Волги, южное смещение фронтальной зоны обусловлено направленным на восток (положительным на рис. 5, а) зональным компонентом ветра, когда соответствующий южный дрейфовый перенос вод "принудительно" удаляет ее от источника пресных вод, что приводит к уменьшению градиента солености. Особенно четко описанная выше схема связей отражена в табл. 2, где представлены средние по интервалам лет значения параметров фронтальной зоны.
Из данных табл. 2 следует, что увеличение речного стока при зональном компоненте ветра на восток после режимного сдвига в 1977—1978 гг. привело к южному смещению фронтальной зоны на двух разрезах. Однако на западном разрезе IIIa это сопровождалось увеличением градиента солености, а на более восточном разрезе III — его уменьшением. Большая часть этих изменений (в табл. 2 отмечены звездочками) статистически достоверна на уровне стандартных ошибок.
Средний и Южный Каспий. В [14] показано, что в глубоководных областях Каспийского моря режим-
ный сдвиг конца 1970-х гг. привел к изменению типа вертикальной термохалинной структуры вод с субтропического с квазиоднородной по вертикали соленостью к умеренному с устойчивой соленостной стратификацией. В результате плотностная устойчивость промежуточных и глубинных вод Каспийского моря увеличилась в 2 раза. В [12] показано, что в таких условиях вентиляция глубинных вод Каспийских котловин практически прекратилась, это негативно отразилось на экологическом состоянии Каспия [9].
Распределение междесятилетних изменений температуры и солености в верхнем слое различных регионов Каспия представлено в табл. 3. Значительная часть изменения температуры и практически все изменение солености статистически значимы на уровне стандартных ошибок. Зимой после режимного сдвига поверхностная температура в большинстве районов понизилась, а на глубине ниже слоя конвективного перемешивания (от 30 до 150 м), наоборот, повысилась. Это свидетельствует о значительной тепловой изоляции различных слоев Каспия в условиях усиления соленостной (и плотностной) устойчивости вертикальной стратификации вод [14], которое привело к повышенному зимнему охлаждению более тонкого поверхностного слоя моря.
Летом охлаждение поверхностного и особенно подповерхностного слоев после режимного сдвига,
Рис. 5. Многолетняя изменчивость среднегодовых значений: а — 1 — годового объема стока Волги, км3, (1) и 2 — восточного компонента ветра, м/с, (2) над Северным Каспием; б — величины максимального градиента солености, %с/км, вдоль стандартных разрезов IIIa (3) и III (4); в — широты его положения на разрезах, °с.ш.
Таблица 2
Средние за 1973—1977 и 1978—1988 гг. среднемесячные значения максимального градиента солености воды (%о/км) и его положения (°с.ш.)
на стандартных разрезах Северного Каспия
Характеристика Максимальный градиент солености (%/км) вдоль стандартного разреза
Разрез Разрез IIIa Разрез III
Годы 1973—1977 1978—1988 СО 1973—1977 1978—1989 СО
Апрель -0,93 -1,05 0,17 -0,31 -0,26 0,02*
Июнь -0,59 -1,04 0,06* -0,27 -0,24 0,02*
Август -0,37 -0,57 0,05* -0,42 -0,34 0,03*
Октябрь -0,70 -0,88 0,10* -0,38 -0,30 0,03*
Характеристика Широта (°с.ш.) положения максимального градиента солености на стандартном разрезе
Разрез Разрез IIIa Разрез III
Годы 1973—1977 1978—1988 СО 1973—1977 1978—1989 СО
Апрель 44,58 44,64 0,01* 45,28 45,08 0,03*
Июнь 44,65 44,50 0,02* 45,20 45,07 0,03*
Август 44,61 44,60 0,03 45,35 45,32 0,02*
Октябрь 44,76 44,59 0,02* 45,27 45,23 0,03*
Примечания. СО — среднеквадратическая (стандартная) ошибка средних значений по временным интервалам; * — случаи превышения СО межинтервальными разностями.
Таблица 3
Средние за 1970—1981 и 1982—1999 гг. среднемесячные значения в феврале и августе температуры (°С) и солености (%о) вод на стандартных
горизонтах над глубоководными котловинами Среднего и Южного Каспия
Стандартные горизонты 1970— 1981 гг. 1982— 1999 гг. СО 1970— 1981 гг. 1982— 1999 гг. СО 1970— 1981 гг. 1982— 1999 гг. СО 1970— 1981 гг. 1982— 1999 гг. СО
Температура воды в феврале, °С
Запад Среднего Каспия Центр Среднего Каспия Восток Среднего Каспия Склон Северного Каспия
0 3,79 4,11 0,69 6,26 6,71 0,25* 5,76 4,68 0,73* 3,33 2,66 0,74
30 5,10 4,72 0,61 6,14 6,75 0,20* 6,55 6,79 0,42 4,40 4,92 0,46*
Запад Южного Каспия** Центр Южного Каспия Восток Южного Каспия*** Апшеронский порог
0 6,55 6,48 0,19 9,99 9,27 0,38* 6,90 8,53 0,76* 8,76 7,99 0,46*
100 7,41 7,61 0,05* 7,99 8,36 0,20* 9,87 8,39 0,23* 7,54 7,61 0,25
Температура воды в августе, °С
Запад Среднего Каспия Центр Среднего Каспия Восток Среднего Каспия Склон Северного Каспия
0 24,75 22,65 0,57* 24,86 24,28 0,49* 21,98 20,53 0,87* 21,70 21,81 1,14
30 12,03 10,90 1,41 13,21 12,10 1,29 10,83 9,91 0,61* 9,25 8,89 0,55
Запад Южного Каспия Центр Южного Каспия Восток Южного Каспия Апшеронский порог
0 26,20 25,42 0,51* 27,12 26,07 0,50* 26,26 26,93 0,61* 25,70 25,24 0,45*
30 19,23 21,18 1,60* 16,75 16,41 1,75 17,73 13,49 1,12* 16,40 13,49 1,45*
Соленость воды в феврале, %%
Запад Среднего Каспия Центр Среднего Каспия Восток Среднего Каспия Склон Северного Каспия
0 12,42 12,10 0,23* 12,87 12,53 0,06* 12,90 12,66 0,10* 12,54 11,44 0,21*
30 12,91 12,61 0,07* 12,94 12,64 0,05* 12,90 12,68 0,07* 12,84 12,80 0,09*
Запад Южного Каспия Центр Южного Каспия Восток Южного Каспия Апшеронский порог
0 12,06 12,04 0,25 12,95 12,64 0,06* 13,13 12,78 0,09* 12,78 12,61 0,09*
30 12,73 12,49 0,14* 12,99 12,71 0,06* 13,13 12,90 0,05* 12,87 12,70 0,08*
Примечания. СО — среднеквадратическая стандартная ошибка средних значений по временным интервалам; * — случаи превышения СО разностями между временными интервалами, лет; ** — рассмотрен горизонт 150 м; *** — рассмотрен горизонт 30 м.
наиболее выраженное в восточных регионах Каспия, обусловлено усилением здесь прибрежного апвеллин-га за счет поворота ветра на юго-восток (см. выше).
Уменьшение солености в верхнем 30-метровом слое достаточно велико не только на севере Каспия, но и на восточном шельфе, что свидетельствует о существенном уменьшении здесь испарения при отмеченном выше понижении зимней и летней поверхностной температуры.
Многолетние изменения температуры и солености в глубинных слоях каспийских котловин, а также на восточных шельфах представлены на рис. 6, который подтверждает выводы [14] о формировании значимой устойчивой соленостной стратификации во всей толще вод Каспия после режимного сдвига конца 1970-х гг. При этом значительное понижение солености и более медленное повышение температуры в глубинных слоях лучше выражено в Среднем Каспии (рис. 6, а, б).
Кратковременные и быстрые повышения солености (например, в Среднем Каспии в конце 1970-х гг. и середине 1980-х гг.) свидетельствуют локальной во времени вентиляции глубинных вод. Увеличение размаха таких вариаций с глубиной свидетельствует о том, что их источник действует именно в придонных слоях. В [12] показано, что таким источником может быть только склоновый каскадинг (медленное опускание по материковому склону в квазигеострофическом режиме) плотных зимних вод преимущественно с восточного шельфа Каспия. Исходные термохалинные (Т, 6) свойства таких вод (на рис. 6 показаны звездочками) позволяли им регулярно достигать максимальной глубины в Каспии только до режимного сдвига в конце 1970-х гг. [12].
Весьма немногочисленные экспедиционные исследования в последнее десятилетие свидетельствуют о неизменности гидрологических условий, наблюдав-
шихся в глубоководных котловинах Каспия в конце 1990-х гг. В частности, по данным [10], в Дербентской котловине Среднего Каспия придонная температура в эти годы была чуть менее 5°С, а соленость варьировала от 12,5% в поверхностном слое до 12,8—12,85% в придонном. Вместе с тем весьма значительные аномалии внешних воздействий в самые последние годы (экстремально холодная зима 2008 г. и засушливое лето 2010 г.), возможно, приведут к значительным изменениям и даже к новому режимному сдвигу в гидрологических условиях Каспия.
Заключение. Представленные результаты исследования многолетней гидрологической изменчивости Каспийского моря позволяют сделать следующие выводы.
Режимный сдвиг природных процессов в глобальной системе океан—атмосфера в конце 1970-х гг. проявился в значительном изменении внешних воз-
действий на Каспийское море — в увеличении притока пресной воды (прежде всего в климатически значимый меженный период), повороте зонального компонента ветра над Северным Каспием на восток и усилении апвеллинговых ветров над восточным шельфом Среднего Каспия.
Наиболее отчетливая и адекватная реакция на эти воздействия наблюдалась в многолетней изменчивости среднего уровня Каспия, имеющей очевидный климатический генезис вследствие ее обусловленности внешним водным балансом и близкого соответствия изменению макропроцессов в атмосфере.
Соответствующая реакция гидрологии вод Северного Каспия, в частности параметров ее соленостной фронтальной зоны, пространственно неоднородна даже в сравнительно небольшом масштабе в связи с разной степенью обусловленности отдельными внешними факторами.
Рис. 6. Многолетняя изменчивость температуры, °С (а, в) и солености, % (б, г) в глубоководных котловинах Среднего (а, б) и Южного (в, г) Каспия на горизонтах: 1 — 150 м, 2 — 300 м в Среднем и 400 м в Южном Каспии, 3 — 600 м в Среднем и 800 м в Южном Каспии, 4 — минимальная годовая температура и соответствующая ей соленость на восточных частях шельфа Среднего и Южного Каспия.
Стрелки — значения температуры, выходящие за пределы графиков
В глубоководных областях Каспийского моря на внешние воздействия отчетливее реагируют воды Дербентской котловины Среднего Каспия, чем воды южно-каспийской котловины.
Соленость вод Каспия во всей толще от поверхности до дна испытывает значительно более значимые и долговременные изменения, чем температура.
Вентиляция глубинных вод Каспийского моря в последние десятилетия имела локальный во времени характер и была обусловлена склоновым каскадингом
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гидрометеорология и гидрохимия морей. Т. VI. Каспийское море. Вып. 1. Гидрометеорологические условия. СПб.: Гидрометеоиздат, 1992. 360 с.
2. Каспийское море. Гидрология и гидрохимия / Ред. С.С. Байдин, А.Н. Косарев. М.: Наука, 1986. 261 с.
3. Косарев А.Н. Гидрология Каспийского и Аральского морей. М.: Изд -во Моск. ун-та, 1975. 272 с.
4. Косарев А.Н., Никонова Р.Е. Современные колебания уровня Каспийского моря: причины, последствия, тенденции // Вестн. Каспия. 2006. № 4. С. 40—59.
5. Косарев А.Н., Тужилкин В.С. Климатические термо-халинные поля Каспийского моря. М.: СОРБИС, 1995. 96 с.
6. Мещерская А.В., Голод М.П., Белянкина И.Г. Колебания уровня Каспийского моря в связи с особенностями общей циркуляции атмосферы в ХХ веке // Изменения климата и их последствия. СПб.: Гидрометеоиздат, 2000. С. 180—194.
7. Нестеров Е.С. Низкочастотная изменчивость циркуляции атмосферы и уровень Каспийского моря во второй половине ХХ века // Метеорология и гидрология. 2001. № 11. С. 27—36.
8. Родионов С.Н. Современные изменения климата Каспийского моря. М.: Гидрометеоиздат, 1989. 124 с.
9. Сапожников В.В. Изменения экосистемы Каспийского моря за последние 70 лет // Науч. бюл. Каспийского плавучего университета. 2002. № 3. С. 59—66.
10. Сапожников В.В., Катунин Д.Н., Лукьянова О.Н. и др. Гидролого-гидрохимические исследования Среднего и Южного Каспия на научно-исследовательском судне "Исследователь Каспия" (6—24 сентября 2005 г.) // Океанология. 2006. Т. 46, № 3. С. 478—480.
11. Тужилкин В.С. Сезонная и многолетняя изменчивость термохалиной структуры вод Черного и Каспийского морей и процессы ее формирования: Автореф. докт. дис. М.: МГУ, 2008. 45 с.
плотных зимних вод на восточном каспийском шельфе. В 1990—2000-х гг. этот процесс практически прекратился, что привело к дальнейшему ухудшению экологической ситуации в море.
Сделано предположение, что аномальные внешние воздействия (экстремально холодная зима 2008 г. и засушливое лето 2010 г.) могут привести к существенным изменениям, а возможно, и к новому режимному сдвигу в многолетней изменчивости гидрологии вод Каспия.
12. Тужилкин В.С., Гончаров А.В. О вентиляции глубинных вод Каспийского моря // Тр. ГОИН. 2008. Вып. 211. С. 43—64.
13. Тужилкин В.С., Косарев А.Н. Климатические особенности весенне-летней эволюции термохалинной структуры вод Каспийского моря по современным данным // Гидрометеорологические аспекты проблемы Каспийского моря и его бассейна. СПб.: Гидрометеоиздат, 2003. С. 141—151.
14. Тужилкин В.С., Косарев А.Н. Многолетняя изменчивость вертикальной термохалинной структуры вод глубоководных частей Каспийского моря // Водн. ресурсы. 2004. Т. 31, № 4. С. 414—421.
15. Тужилкин В.С., Косарев А.Н. Гидрология и динамика вод Черного и Каспийского морей (по результатам исследований кафедры океанологии МГУ им. М.В. Ломоносова) // Водные массы океанов и морей. М.: Макс-Пресс, 2007. С. 208—237.
16. Тужилкин В.С., Косарев А.Н., Архипкин В.С. Многолетняя изменчивость поверхностной солености вод на северных шельфах Черного и Каспийского морей // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. География. 2009. № 6. С. 54—59.
17. Худсон Д. Статистика для физиков. М.: Мир, 1970. 296 с.
18. Kalnay E., Kanamitsu M., Kistler R. et al. The NCEP/ NCAR 40 year reanalysis project // Bull. Arner. Meteotrol. Soc. 1996. Vol. 77. P. 437—471.
19. Steele J.H. Regime shifts in the ocean: reconciling observations and theory // Progr. Oceanogr. 2004. Vol. 60. P. 135—141.
20. Tuzhilkin V.S., Kosarev A.N. Thermohaline structure and general circulation of the Caspian Sea Waters // The Caspian Sea Environment. Hdb Env Chem. Vol. 5. Berlin; Heidelberg: Springer-Verlag, 2005. P. 33—57.
21. Yasunaka S., Hanawa K. Regime shift in the global sea—surface temperatures: its relation to El—Nino—Southern Oscillation events and dominant variation modes // Int. J. Cli-matol. 2005. Vol. 25. P. 913—930.
Поступила в редакцию 09.08.2010
N.S. Tijilkin, A.N. Kosarev, V.S. Arkhipkin, R.E. Nikonova
LONG-TERM VARIATIONS OF THE HYDROLOGICAL REGIME OF THE CASPIAN SEA
Basing on the results of long-term shipboard and coastal observations typical features of the Caspian Sea hydrology response (in terms of its mean water level and thermohaline structure) to climate-induced variations of external factors, such as river runoff, other water balance components, wind etc., are discussed. Of particular interest is the radical change of the regime of long-term variability of hydrological parameters in the second half of 1970-s. It is argued that the increased inflow of fresh water after the regime change resulted in the sea level rise, higher static stability of water stratification, poorer ventilation and overall environmental deterioration of near-bottom water of the Caspian Sea. The shift of wind transfer along the quasi-meridian axis of the sea resulted in the increase of upwelling near the eastern coast of the Caspian Sea. Such regime was persistent during the last 15 years.
Key words: the Caspian Sea, mean sea level, thermohaline structure, upwelling.
