Справочник «Органическое вещество
Азовского моря и
прилегающих районов Чёрного моря»

Работа выполнена в рамках проекта РФФИ №15-05-08547 Долговременные изменения первичной продукции и биогеохимической трансформации органического вещества в экосистеме Азовского моря под действием природных и антропогенных факторов в 1950-2014 гг.

Ссылка на статью:
Сорокина В.В., Кулыгин В.В. Долговременная изменчивость относительной прозрачности вод Азовского моря // Океанология. 2013. Т. 53. № 3. С. 324–331.

Прозрачность вод

ДОЛГОВРЕМЕННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ПРОЗРАЧНОСТИ ВОД АЗОВСКОГО МОРЯ

На основе базы данных за период 1922–2009 гг. исследуется пространственная, сезонная и межгодовая изменчивость относительной прозрачности (глубины видимости белого диска) вод Азовского моря наряду с влияющими на нее метеорологическими, гидрологическими и гидробиологическими параметрами. Определены четыре основных типа сезонной изменчивости относительной прозрачности азовских вод, дифференцированных по пространству моря. Среднемноголетние значения глубины видимости белого диска рассчитаны для разных периодов, характеризующихся изменением относительной роли влияющих на данную величину факторов, связанных как с климатообусловленными преобразованиями в самой экосистеме Азовского моря, так и с антропогенной деятельностью.

---

Проведение систематических наблюдений за параметрами среды в Азовском море началось в 1922 г. в Азово-Черноморской научно-промысловой экспедиции под руководством Н.М. Книповича (Гидрологические исследования…, 1932), который уделял внимание исследованию прозрачности природных вод, относимой им «к числу факторов, имеющих большое значение как в гидрологии водоема, так особенно в его биологии» (Книпович, 1938). Определение относительной прозрачности вод Азовского моря с тех пор традиционно выполняется с помощью диска Секки. Опубликованная обобщенная информация о «прозрачности» вод Азовского моря основана на данных глубины видимости белого диска (Гидрологические исследования…, 1932; Гидрометеорологический справочник…, 1962; Гидрометеорологические условия…, 1986; Гидрометеорология и гидрохимия…, 1991; Фоменко и др., 2006). Сведений о регулярных, длительных измерениях ослабления направленного света зондирующими прозрачномерами в Азовском море найти не удалось.

Относительная прозрачность, несмотря на существующие погрешности ее определения, является косвенной характеристикой прозрачности воды поверхностного слоя водоема. За вековой период измерения этой величины в Азовском море накоплен большой массив данных, позволяющий судить о сезонных и многолетних колебаниях, о влиянии на оптические свойства воды антропогенного эвтрофирования, а также гидродинамических и гидробиологических процессов, обусловленных климатическими вариациями.

Сведения (обобщенные материалы) об относительной прозрачности вод Азовского моря в разные периоды ХХ века содержатся в справочных изданиях (Гидрологические исследования…, 1932; Гидрометеорологические условия…, 1986; Гидрометеорологический справочник…, 1962; Гидрометеорология и гидрохимия…, 1991), где общее количество анализируемых первичных данных варьирует от 206 (Гидрологические исследования…, 1932) до порядка 9500 (точное количество – не указано) (Гидрометеорология и гидрохимия…, 1991). По разным оценкам средняя величина относительной прозрачности вод Азовского моря составляет 1,5 м (за период 1922–1990 гг. (Гидрометеорологические условия…, 1986; Гидрометеорологический справочник…, 1962; Гидрометеорология и гидрохимия…, 1991)); 1,9 м (за период 1960–2005 гг. (Фоменко и др., 2006)). Различаются также значения относительной прозрачности по сезонам года; собственно моря и Таганрогского залива. Такое несоответствие объясняется использованием авторами указанных работ разной временной выборки первичных данных: в первом случае – это в основном первая половина ХХ века, во втором – вторая, сильно отличающиеся по характеру происходящих в бассейне Азовского моря природных процессов и интенсивности антропогенной нагрузки.).

Общеизвестно, что при анализе многолетней изменчивости, сезонной ритмики природных процессов, выявлении природных закономерностей необходимо иметь длительный, непрерывный временной ряд наблюдений. Но существующие на данный момент базы данных принадлежат различным ведомствам, охватывают разные периоды, что затрудняет анализ первичной информации за период инструментальных наблюдений и установление причинно-следственных связей экосистемных процессов.

В данной работе сделана попытка выявить и проанализировать основные особенности сезонной, пространственной и многолетней изменчивости относительной прозрачности вод Азовского моря за вековой период совместно с влияющими на нее метеорологическими, гидрологическими и гидробиологическими характеристиками.

Материал и метод

К настоящему времени в базе данных Южного научного центра РАН по Азовскому морю (Матишов и др., 2009; Matishov at al, 2008) собраны сведения о глубине видимости белого диска Ζ_б (м) за период с 1922 г. по 2009 г. Общее количество наблюдений, прошедших процедуру контроля качества (соответствие местоположения станции акватории моря и значения относительной прозрачности глубине места, проверка на дубликаты), составляет 12623, из которых в зимний сезон выполнено 360, в весенний – 2615, в летний – 5962, в осенний – 3686 (в соответствии с рисунком 1). Накопленные первичные данные охватывают не все годы, а лишь 48 лет из рассматриваемого периода. Ни для одного района моря нельзя построить непрерывный ряд значений глубины видимости белого диска не содержащий пропусков. Это в сочетании с высокой пространственно-временной изменчивостью поля прозрачности вод затрудняет применение методов статистического анализа по отношению к имеющимся данным. Тем не менее, такой анализ представляется не безнадежной задачей, а значительный объем накопленной информации позволяет надеяться на получение достоверных результатов.

В ходе исследования многолетней динамики относительной прозрачности и обобщения результатов нами использована дополнительная информация (среднегодовые значения Ζ_б) из литературного источника (Фоменко и др., 2006 для временного интервала 1960–2002 гг. Данные о стоке взвешенных веществ р. Дон и р. Кубань получены из гидрологических и метеорологических ежегодников, работы (Сорокина и др., 2010); о максимальной скорости ветра – из справочного издания (Гидрометеорологические условия…, 2009); о содержании хлорофилла «а» в водах Азовского моря – из работ (Матишов и др., 2010; Gitelson at al., 2011).

С целью установления сезонной изменчивости относительной прозрачности вод по квадратам 0,5°*0,5° рассчитаны среднемноголетние и среднемесячные значения, а также среднеквадратические отклонения её годового хода (в соответствии с рисунком 2).

Информация, представленная на рисунке 2, демонстрирует пространственную неоднородность поля Ζ_б. Аналогично работе (Кропотов, 1996) (по Черному морю) установлено, что целесообразно использовать нормированные среднемесячные величины, рассчитанные для каждого квадрата по формуле:

(1)

где – среднее значение Ζ_б для i-го месяца; и – среднемноголетнее значение Ζ_б и среднеквадратическое отклонение среднемесячных значений для данного квадрата соответственно.

Результаты и обсуждение

После проведения сравнительного анализа результатов расчётов по формуле (1) выявлено 4 основных типа сезонной изменчивости относительной прозрачности азовских вод. Пространственное распределение этих типов по акватории моря представлено на рисунке 3 и, в целом, соответствует границам районов, определённых в гидрологическом справочнике (1962 г.) (Гидрометеорологический справочник…, 1962).

Анализ морфологических особенностей выявленных типов сезонной изменчивости и их географического распределения показал следующее.

Первый тип (I) сезонного хода относительной прозрачности (в соответствии с рисунком 4а) характерен для акватории Таганрогского залива. Таганрогский залив является самым мелководным районом моря. Он отличается низкой величиной Ζ_б на протяжении почти всего года в большинстве случаев не превышающей 1,0 м. Исключение составляет период с января по март, когда залив часто практически полностью покрывается льдом. С началом половодья на р.Дон (в апреле) относительная прозрачность вод Таганрогского залива (особенно его северо-восточной части) резко падает. В летне-осеннее время (июнь – октябрь) главную роль в режиме прозрачности вод залива играет бурно развивающийся планктон, низкую относительную прозрачность обеспечивает активный фотосинтез растений, в ноябре – декабре – увеличение интенсивности волнения и взмучивания донного ила. Средняя величина Ζ_б в Таганрогском заливе составляет 0,7 м, в летне-осеннее время – 0,5 м, в зимний период – увеличивается до 1,1 м.

Второй тип (II) сезонного хода относительной прозрачности выявлен для центральной части Азовского моря (в соответствии с рисунком 4б). Центральный район моря – наиболее глубоководный, удаленный от источников поступления взвешенного материала, характеризуется наибольшими величинами Ζ_б (в среднем – 2,0 м), в весенний сезон здесь выделяются области со значениями более 4,0 м. Для данного типа характерно повышение относительной прозрачности в апреле – июне и понижение в июле – октябре, что практически полностью можно объяснить влиянием фитопланктона. Зимой область с более прозрачными водами смещена к югу центрального района, Керченскому проливу, весной и летом – занимает центральную часть моря, а осенью – северо-восточную часть собственно моря.

Для прибрежных районов западной и восточной частей Азовского моря, в целом, сезонный ход относительной прозрачности имеет схожие черты - два максимума в апреле – мае и октябре. Но существует и ряд отличий, которые можно объяснить влиянием разных факторов.

Для третьего типа (III) сезонного хода относительной прозрачности в западной части собственного моря характерно её увеличение с марта по май, а затем уменьшение с июня по сентябрь, резкое увеличение в октябре и снова уменьшение в период с ноября по февраль (в соответствии с рисунком 4в). Прозрачность вод западного района моря зависит в основном от двух факторов: гидродинамической активности (в период с ноября по февраль) и жизненных циклов фитопланктона (в весеннее – летнее – осеннее время). Величины относительной прозрачности в данном районе моря относительно высоки, в среднем составляют 1,6 м.

В восточном районе моря к указанным выше факторам добавляется поступление взвешенного материала со стоком р. Кубань и в результате абразии берегов, широко распространенной от основания косы Долгой до дельты Кубани, а также относительная мелководность, поэтому и средние величины глубины видимости белого диска здесь характеризуются меньшими значениями (1,0 м). Для данной части собственно моря выявлен четвертый тип (IV) сезонного хода Ζ_б (в соответствии с рисунком 4г). Он отличается тем, что максимум относительной прозрачности приходится на апрель, после чего происходит её уменьшение. В мае – июне это связано с влиянием стока р. Кубань, а в июле – сентябре – с активностью фитопланктона, некоторое уменьшение которой в октябре приводит к увеличению глубины видимости белого диска. Действие штормов способствует уменьшению прозрачности особенно поздней осенью, зимой и ранней весной.

Следует отметить, что наиболее неоднородно поле прозрачности в юго-восточной части Азовского моря (Темрюкский залив). Относительная прозрачность здесь имеет наиболее сложный сезонный ход. Это связано с сочетанием многих факторов, а именно: относительной мелководностью района, сложным рельефом дна и характером течений, влиянием Черноморских вод в результате водообмена через Керченский пролив, действием речного стока Кубани, взмучиванием донных осадков, сезонными особенностями развития фитопланктона, фотосинтезирующего в начале марта, а затем активно развивающегося с июля по сентябрь.

В результате проведенного анализа установлено, что сезонный ход относительной прозрачности вод всех выделенных типов (I – VI) имеет сходные черты с динамикой фитопланктона, в том числе его видового состава. Сопоставление графиков нормированных значений годового хода Ζ_б и концентрации хлорофилла «а» (в соответствии с рисунком 4) показало, что их внутригодовые колебания происходят практически в противофазе. Это вполне объяснимо, так как относительная прозрачность отражает состояние верхнего слоя водной массы, в котором происходит фотосинтез. Минимальные значения глубины видимости белого диска характерны для конца лета – начала осени, когда наиболее активно синтезируют сине-зеленые и динофитовые водоросли. Второй минимум относительной прозрачности характерен для зимнего и ранневесеннего периода, который совпадает с развитием диатомовых водорослей, но основное влияние на прозрачность в это время оказывает взмучивание донных осадков в результате увеличения ветровой активности и повышенной гидродинамики водных масс. В Таганрогском заливе, почти ежегодно покрывающемся льдом, в январе – марте значения Ζ_б (тип I) выше по сравнению с остальными месяцами. Сток взвешенных наносов влияет на уменьшение относительной прозрачности лишь в период половодья: в Таганрогском заливе (р. Дон) – в апреле, в восточном районе моря (р. Кубань) – в мае – июне. Для собственно моря увеличение глубины видимости белого диска (типы II – IV) происходит в апреле – июне и октябре, – в периоды, характеризующиеся умеренной штормовой активностью и сменой доминирующих видов фитопланктонного сообщества.

В целом для исследуемого периода времени выявленные типы изменчивости годового хода относительной прозрачности устойчивы, как во времени, так и в пространстве. Расчёты показали, что уменьшение как временного (до 10 лет), так и пространственного шага осреднения (до 0,5°*0,5°) не выявило каких-либо существенных отличий от приведенных выше типов.

Наличие данных о глубине видимости белого диска за длительный период времени (87 лет), а также проведенный анализ её сезонной изменчивости позволяют более обоснованно, чем это было сделано в предыдущих работах (например, Жукова, Фоменко, 1999; Фоменко и др., 2006), подойти к проблеме анализа вековой динамики этой гидрологической характеристики.

В соответствии с рисунком 5 период 1922–1953 гг. характеризуется относительно низкими значениями Ζ_б вод Азовского моря, в среднем составляющими 1,4 м (в собственно море – 1,5 м, в Таганрогском заливе – 0,5 м). Межгодовые колебания относительной прозрачности и стока наносов рек Дон и Кубань происходят практически в противофазе вплоть до 1964 г. (рв соответствии с рисунком 5), что дает основание определить роль твёрдого стока рек в формировании поля прозрачности Азовского моря как одну из основных в рассматриваемый период.

Относительное увеличение значений Ζ_б вод моря произошло начиная с 1954 г. (в соответствии с рисунком 5), что в первую очередь связано с радикальным и безвозвратным сокращением стока взвешенных наносов рек, вследствие введения в строй и эксплуатации гидротехнических сооружений. Основными из них являются Цимлянское водохранилище на р. Дон (1952 г.) и Краснодарское водохранилище на р. Кубань (1972 г.), аккумулирующие большую часть взвесей приносимых водным стоком с верховьев рек. Твердый сток р. Дон сократился с 4,4 млн. т/год в условно естественный период (1940–1952 гг.) до 0,4 млн. т/год в последнее время (1983–2004 гг.); сток взвешенных наносов р. Кубань – с 8,2 млн. т/год (1942–1963 гг.) до 2,2 млн. т/год (вершина дельты, хут. Тиховский) и 1,41 млн. т/год (замыкающие створы) (1987–2000 гг.) (Сорокина, 2008; Сорокина, Бердников, 2008; Сорокина и др., 2010).

Среди основных источников взвеси в море следует также отметить взмучивание донных осадков и биологическую компоненту (первичную продукцию органического вещества и биомассу фитопланктона).

Интенсивность взмучивания донного ила зависит от частоты и силы штормов. Принимая во внимание наблюдающуюся с 1975 г. общую тенденцию уменьшения ветровой активности в бассейне Азовского моря (Матишов и др., 2003; Сорокина, 2008), сокращение в связи с этим частоты и силы штормов, можно предположить, что эти факторы способствовали увеличению относительной прозрачности в период 1975–2000 гг.

Кроме того, в период 1970–2000 гг. отмечалась относительно низкая биомасса фитопланктона в море, что было в большей степени обусловлено относительно высокой соленостью, особенно в 1970–1990 гг. Тенденция уменьшение солености в период с 1990 г. по 2006 г. способствовала постепенному росту биомассы фитопланктона в указанное время (в соответствии с рисунком 5). Этот факт, в свою очередь, мог являться основной причиной уменьшения Ζ_б начиная с 1994 г., наряду с незначительным увеличением стока наносов р. Кубань (1990–1998 гг.).

Следует отметить, что на современном этапе (2006–2011 гг.) в Азовском море происходят очередные изменения, это касается климатообусловленного сокращения пресного стока Дона; отмеченного (в экспедиционных исследованиях ЮНЦ РАН и ИАЗ ЮНЦ РАН в 2010–2011 гг.) роста солености вод моря; относительно более низких оценок первичной продукции органического вещества (330 гС_орг/м² в 2008 г. (Матишов и др., 2010) , полученных с помощью спутниковой информации в отличие от предыдущих оценок на уровне 450 – 750 гС_орг/м² (Александрова, Баскакова, 2002; Александрова и др., 2008) в период 1988–2007 гг. Сочетание указанных факторов способствует тенденции роста относительной прозрачности вод Азовского моря наметившейся с 2007 г.

Начиная с 1954 г. по настоящее время можно выделить несколько временных интервалов подъема (1954 –1963 гг., 1972–1994 гг., 2007–2009 гг.) и спада (1964–1971 гг., 1994–2006 гг.) относительной прозрачности азовских вод (в соответствии с рисунком 5). В общем, за период, характеризующийся относительно высокой глубиной видимости белого диска (с 1954 г. по 2000 г.), среднее значение Ζ_б, определённое методом средневзвешенной величины с учетом площадей четырех гидрологических районов (в соответствии с рисунком 3), составляет 2,1 м (в собственно море – 2,3 м, в Таганрогском заливе – 0,8 м), в последующий период (2004–2009 гг.) – 1,5 м (в собственно море – 1,7 м, в Таганрогском заливе – 0,7 м).

Таким образом, выполненный анализ данных наблюдений Ζ_б, за вековой период (1922–2009 гг.), позволил уточнить существующие представления и выявить закономерности пространственно-временной изменчивость относительной прозрачность вод Азовского моря. Среднемноголетние значения глубины видимости белого диска определены для разных периодов, характеризующихся изменением относительной роли влияющих на прозрачность воды факторов, связанных как с климатообусловленными преобразованиями в самой экосистеме Азовского моря, так и с антропогенной деятельностью.

Накопленные исторические данные и результаты исследования наряду с другими параметрами среды могут быть использованы для оценки динамики взвеси, седиментационных и продукционных процессов в море за длительный (начиная с 1920-х годов) период времени.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Программы Президиума РАН «Фундаментальные проблемы океанологии: физика, геология, биология, экология» (2011-2012 гг.), гранта Президента РФ МК-1355.2009.5.

---

1. Александрова З.В., Баскакова Т.Е. Оценка тенденций изменения химических основ биологической продуктивности Азовского моря в современный период // Основные проблемы рыбного хозяйства и охраны рыбохозяйственных водоемов Азово-Черноморского бассейна: Сборник научных трудов (2000-2001 гг.). М.: Вопросы рыболовства, 2002. С. 26–37.
2. Александрова З.В., Ромова М.Г., Баскакова Т.Е. Влияние климатических факторов на изменение химических основ биопродуктивности Азовского моря в 2006–2007 гг. // Основные проблемы рыбного хозяйства и охраны рыбохозяйственных водоемов Азово-Черноморского бассейна. Сборник научных трудов (2006–2007 гг.). Ростов-на-Дону: ООО «Диапазон», 2008. С. 82–91.
3. Гидрологические исследования в Азовском море. Труды Азово-Черноморской научно-промысловой экспедиции. Вып. 5. / Под ред. Книповича Н.М. М.: Мособлполиграф, 1932. 496 с.
4. Гидрометеорологические условия шельфовой зоны морей СССР. Т.3. Азовское море / Под ред. Глуховского Б.Х. и др. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. 218 с.
5. Гидрометеорологические условия морей Украины. Том 1: Азовское море / Под ред. Ильина Ю.П. и др. – Севастополь: НВЦ «ЕКОСИ-Гидрофизика», 2009. 402 с.
6. Гидрометеорологический справочник Азовского моря. / Под ред. Аксенова А.А. Л.: Гидрометеоиздат, 1962. 854 с.
7. Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР. Т.5. Азовское море / Под ред. Гоптарева Н.П. и др.СПб.: Гидрометеоиздат, 1991. 234 с.
8. Жукова С.В., Фоменко И.Ф. Организация системы наблюдений за прозрачностью Азовского моря // Тез. докл. XI Всес. конф. по пром. океанологии (14-18 сентября 1999 г., Калининград). М.: ВНИРО, 1999. – С. 23.
9. Ковалева Г.В. Многолетние изменения биомассы фитопланктона Азовского моря // Материалы межд. науч. конф. Изучение и освоение морских и наземных экосистем в условиях арктического и аридного климата (6-11 июля 2011 г., Ростов-на-Дону). Ростов-на-Дону: Изд-во ЮНЦ РАН, 2011. С. 164–166.
10. Книпович Н.М. Гидрология морей и солоноватых вод (в применении к промысловому делу). Москва – Ленинград: Пищепромиздат. 1938. 514 с.
11. Кропотов С.И. Пространственно-временная изменчивость относительной прозрачности вод Черного моря // Морской гидрофизический журнал. 1996. № 4. С. 36–44.
12. Матишов Г.Г., Абраменко М.И., Гаргопа Ю.М., Буфетова М.В. // Новейшие экологические феномены в Азовском море. Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 2003. 442 с.
13. Матишов Г.Г., Матишов Д.Г., Гагопа Ю.М., Дашкевич Л.В., Бердников С.В., Кулыгин В.В., Архипова О.Е. Методология и опыт разработки климатических атласов // Труды Южного научного центра Российской академии наук. Том 4: Моделирование и анализ гидрологических процессов в Азовском море. Ростов-на-Дону: Изд-во ЮНЦ РАН, 2009. С. 21–48.
14. Матишов Г.Г., Поважный В.В., Бердников С.В., Мозес В.Дж., Гительсон А.А. Оценки концентрации хлорофилла «а» и первичной продукции в Азовском море с использованием спутниковых данных // Доклады академии наук. 2010. Т. 432. №4. С. 563–566.
15. Сафронова Л.М. Характеристика фитопланктона Азовского моря в современный период // Сб. науч. тр. АзНИИРХ. Ростов-на-Дону. 2006. С. 97–107.
16. Сорокина В.В. Динамика терригенного осадконакопления в Азовском море во второй половине ХХ века. // Азовское море в конце ХХ - начале XXI веков: геоморфология, осадконакопление, пелагические сообщества. Т. Х / Отв. ред. Г.Г. Матишов; ММБИ КНЦ РАН. - Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 2008. С. 32-111.
17. Сорокина В.В., Бердников С.В. Математическое моделирование терригенного осадконакопления в Азовском море // Океанология. 2008. Т. 48. № 3. С. 456–466
18. Сорокина В.В., Ивлиева О.В., Лурье П.М. Динамика стока на устьевых участках рек Дон и Кубань во второй половине XX века // Вест. Южного научного центра РАН. 2010. Т.6. №4. С. 58–67.
19. Студеникина Е.И., Алдакимова А.Я., Губина Г.С. Фитопланктон Азовского моря в условиях антропогенных воздействий. Ростов-на-Дону: Эверест, 1999. – 175 с.
20. Фоменко И.Ф., Жукова С.В., Лутынская Л.А. Пространственно-временная изменчивость прозрачности Азовского моря // Основные проблемы рыбного хозяйства и охраны рыбохозяйственных водоемов Азово-Черноморского бассейна. Сборник научных трудов (2004–2005 гг.). Ростов-на-Дону: «Медиа-Пресс», 2006. С. 63–69.
21. Экологический атлас Азовского моря / Под ред. Матишова Г.Г. и др. Ростов-на-Дону: Изд-во ЮНЦ РАН, 2011. 328 с.
22. Gitelson A.A., 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, U.S. Government Printing Office, Washington, D.C., 2008, 148 p.