Структура гидрофизических полей в шельфовой зоне моря и в устьях рек

Согласно принятому в 1953 году международному определению, шельф — это мелководная зона, простиравшаяся вдоль материков от линии малой воды до глубины, на которой становится заметным увеличение наклона дна в сторону возрастающих глубин, Зона, где такое увеличение угла наклона имеет место, называется краем шельфа. Обычно она располагается на глубине около 200 м и является внешней, океанской его границей, за краем которой начинается континентальный склон, оканчивающийся областью отложения осадочных пород — континентальным подъемом, переходящим в ложе океана (абиссаль). N.

Внутреняя граница шельфа проходит вдоль линии малой воды у суши и захватывает устья рек. Воздействие шельфа на нижний участок реки является определягацим, так что устьем реки можно назвать её нижний участок, где режим реки сильно изменен влиянием моря или океана, в который она впадает. Обратное воздействие реки на шельф также может быть очень существенным, например Сем. § 3.2 данной диссертации), воды Амазонки распространяются в океан на расстояние порядка нескольких тысяч километров. Эти обстоятельства в сущности и обусловили содержание диссертации — мы будем изучать здесь гидрофизические процессы в устьях рек и на шельфе, а также их взаимное влияние, очень сложное и почти не исследованное в настоящее время.

Изучение шельфов и устьев рек необходимо для решения многих научных и народохозяйственных проблем. Среди них основное место занимают проблемы обеспечения страны водными, пищевыми, минеральными и энергетическими ресурсами, а также решение многочисленных задач, обусловленных потребностями морского хозяйства, морского промысла, морского транспорта, строительства, сельского хозяйства, медицины. Программа КПСС ставит задачу наиболее эффективного использования богатств и сил природы в интересах народа. Решение этой задачи требует глубоких научных знаний процессов, происходящих в природе, в частности физических процессов, происходящих в шельфовой зоне и в устьях рек.

Динамика устьев рек, эстуариев, фиордов и шельфов настолько своеобразна, что по данному вопросу имеется своя обширная литература, как периодического, так и монографического характера. Движению вод в устьях рек и на шельфах, присущи многие закономерности, характерные для речных потоков. С другой стороны, воды в устьях рек часто стратифицировании по температуре и солености, что вовсе не характерно для речных потоков и наоборот сближает динамику устьев рек с динамикой океанов и морей. Очевидно, что устье реки и прилегающие шельфовые воды нельзя считать ни рекой, ни морем, а справедливо выделять в особую, переходную, пограничную область взаимодействия реки и моря или океана. как.

Отмеченная особенность шельфов и устьев рек пограничных областей сразу же показывает основную трудность, возникающую при гидродинамическом моделировании этих уникальных природных объектов. Известно, что факторы, являющиеся пренебрежимо малыми в основном потоке, становятся существенными при изучении пограничных слоев. В устьях рек и на шельфах это правило приводит к тому, что для полного и точного описания их необходимо использовать полные уравнения гидромеханики турбулентно движущейся жидкости. Возможность пренебрежения каким-либо членом уравнений отсутствует и именно это обстоятельство представляло основную трудность для первых исследователей гидродинамики устьев рек и прилегающих шельфовых вод, основные усилия которых были направлены в сторону поиска путей разумного упрощения задачи.

Несмотря на невозможность упрощения задачи в общем случае, определенные успехи на этом пути были достигнуты при изучении устьев отдельных рек, например, при исследовании устьев рек Потомак, Джеймс, Коннектикут и других. Очевидным недостатком такой тенденции, распространенной в настоящее время довольно широко, является потеря общих подходов к решению задачи. В результате, исследователи отдельных участков шельфа или устьев рек перестают понимать друг друга, а литература по рассматриваемой тематике изобилует региональными исследованиями отдельных устьев или отдельных участков шельфа, никак не связанных друг с другом. И хотя устья отдельных рек или отдельные участки прибрежной зоны действительно часто отличаются друг от друга и допускают различные упрощения задачи, необходимо помнить, что конечной целью исследований является построение общей, внутренне непротиворечивой теории, выводы из которой соответствуют наблюдениям и которая способна описать любой шельф или любое устье. Построение подобной теории нужно начинать с анализа основных факторов, определяющих динамику рассматриваемых областей? к числу которых нужно отнести ветер и речной сток, пространственную неоднородность поля плотности, пршшвообразующие силы, силу Кориолиса, рельеф дна и боковые границы, а также потоки тепла, соли и вещества.

— 7 через границы рассматриваемой акватории.

Цель диссертации, изучение нескольких из указанных факторов, в частности исследование влияния ветра, стока реки, пространственной неоднородности поля плотности и боковых границ на циркуляцию в шельфовой зоне моря и в устьях рек. Метод исследования, применённый нами для решения поставленной задачи — инструментальные наблюдения и теоретическое моделирование*.

Диссертация состоит из четырех глав, В первой главе работы рассматриваются исходные уравнения и граничные условия, позволяющие ставить и решать различные физико-математические задачи, с помощью которых изучается циркуляция вод на шельфах и в устьях рек. Рассматриваются характерные особенности этой циркуляции, а также основные направления её теоретического моделирования. Во второй главе диссертации описываются наблюдения, проведенные автором в экспедициях на шельфах Каспийского и Черного морей, а также в устье реки Волги. Наблюдаемая структура гидрофизических полей в шельфовой зоне этих морей и в устье Волги исследуются в третьей и четвертой главах диссертации с помощью теоретических моделей. Приводится сравнение результатов расчетов с наблюдениями. В заключении резюмируются основные результаты полученные, а работе, а также намечаются пути дальнейших исследований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Результаты диссертационной работы можно резюмировать следу пцим образом :

1. Исследована пространственно-временная структура гидрофизических полей при сгонно-нагонных явлениях, наблюдаемых на шельфах Каспийского и Черного морей. Описаны особенности вертикального, продольного и поперечного распределения течений в устье реки Волги.

2. Построена одномерная стационарная модель течений и турбулентности в хорошо перемешанных устьях рек, позволяющая прогнозировать их вертикальное распределение. Исследовано воздействие ветра на течения и турбулентность в потоке на наклонной плоскости.

3. Построена трехмерная стационарная модель течений хорошо перемешанных устьях рек, включающая эффекты обусловленные рельефом дна, силой Кориолиса, вертикальным турбулентным трением и боковыми границами. В отличии от имеющихся моделей построенная модель позволяет описать стоковые (речные) течения на устьевом участке реки, а также учесть влияние ветра на тече ния в устьях рек.

4. Получены и проанализированы точные аналитические решения уравнений модели для устьев нескольких идеализирован ных форм. Изучено асимптотическое поведение решения при удалении от устьевого створа вглубь реки и на устьевое взморье. На основании найденных асимптотических законов затухания скоростей течений при удалении от устья, получены величины максимальной дальности распространения речных струй в море. Эти величины хорошо соответствуют наблюдениям.

5. На основе построенной трехмерной, теоретической модели течений в хорошо перемешанных устьях рек проведен расчет пространственной структуры течений в устьях рек Волги, Индиана (США) и в порту Аджиро (Япония). Результаты хорошо соответствуют наблюдениям. На основе построенной модели проведен также анализ влияния ветра на течения в устьях рек. Результаты анализа позволяют объяснить явление втягивания (эжекции) морских вод в реку при сгонных ветрах, а также усиление придонных течений из устья в море при нагонных ветрах, наблюдаемое в устьях рек Дон и 1*удзон (США).

6. Построена двухмерная теоретическая модель квазистационарной сгонно-нагонной циркуляции на шельфах, учитывающая эффекты стратификации. Модель позволяет правильно описать наблюдаемые особенности структуры течений и температуры на шельфе Каспийского моря, Построена двумерная, нестационарная модель течений и эволюции стратификации на шельфах. Изучена возможность описания явления реакции верхнего слоя моря на бриз в области шельфа с помощью построенной модели.

7. На основании найденного теоретического решения исследованы резонансные эффекты в верхнем слое моря при бризе. Решение хорошо объясняет данные наблюдений, полученные на шельфе Черного моря. Исследованы особенности переходных, неустановившихся явлений на шельфе. С помощью теоретического решения и данных наблюдений определен коэффициент трения.

В заключении отметим, что поставленная во введении задача создания теории способной описать динамику шельфов и устьев рек решена в диссертации лишь частично. Дальнейшее развитие теорий течений в устьях рек должно идти по пути учета нестационарности, нелинейности, горизонтального обмена количеством движения и стратификации. Теоретические разработки нужно сочетать с измерениями в природе, многие наблюдаемые явления в устьях рек еще не нашли объяснения: например, формирование устьевых ям и резкое усиление скоростей течений в канале, вблизи устьевого створа. Общая картина все еще неясна, не хватает деталей, но, говоря словами Филлипса (1980): «ключи к решению проблем лежат в море и в лаборатории, а так же в наших головах, если у нас достаточно разума и терпения, чтобы их найти.» .

Н.К.Шелковников и Г. Ф. Красножон руководили и участвовали в исследованиях, использованных при написании диссертации.

Некоторые ее разделы основаны на работах выполненных автором совместно с С. В. Доброклонским, А. И. Фельзенбаумом, Ю.З.Миро-польским, Н. А. Пантелеевым, Г. Г. Сутыриным и Р. М. Мамедовым.

При подготовке окончательного варианта диссертации ценные критические замечания были высказаны сотрудниками Гидрофизического отдела Института Водных Проблем АН СССР и сотрудниками кафедры Физики моря и вод суши Физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова.

Всем этим лицам приношу свою искреннюю благодарность.