Отчет по проекту РФФИ № 20-05-00009
«Изучение и прогноз динамики песчаных пляжей южных морей России» за 2020 год (Косьян Р.Д.)

Заявленные цели Проекта на период, на который предоставлен грант

Цели и задачи проекта в 2020 г.:
• выбор изучаемых аккумулятивных береговых геосистем южных морей России;
• систематизация и анализ архивных материалов;
• сбор и анализ материалов по гидрометеорологическому, гидродинамическому и литодинамическому режиму;
• определение основных характеристик математических моделей, выбор алгоритма выполнения расчетов, проведение предварительных расчетов гидродинамических характеристик;
• параметризация процессов транспорта наносов при экстремальных штормовых нагонах;
• проведение экспедиционных работ по изучению выбранных районов, выявлению методом естественной индикации признаков проявления природных процессов или антропогенного воздействия, отбор проб для определения гранулометрического и минерального состава отложений;
• составление качественной характеристики современного состояния изучаемых аккумулятивных береговых геосистем, с анализом важнейших природных процессов,определяющих их развитие.

Полученные за период, на который предоставлен грант, результаты с описанием методов и подходов, использованных в ходе выполнения проекта (описать, уделив особое внимание степени оригинальности и новизны)

1. В 2020 г. в рамках задачи по исследованию волнового климата Черного моря получены климатические поля значительных высот волн смешанного волнения, ветрового волнения и зыби по всей акватории Черного моря за период с 1979 по 2018 гг., определены возможные тренды в климатических колебаниях значительных высот ветровых волн, волн зыби и смешанного волнения, оценены величины климатических трендов в колебаниях средних скоростей ветра на акватории Черного моря.
При расчетах использовалась спектральная волновая модель MIKE 21 SW Датского Гидравлического института, реализующая основные физические механизмы зарождения, трансформации и затухания ветрового волнения.
Проведен анализ возможных трендов в колебаниях среднегодовых и среднемесячных значительных высот волн для смешанного волнения, а также двух его компонентов (чисто ветрового волнения и зыби).

Вероятностная оценка линейных трендов в колебаниях среднегодовых значительных высот смешанного волнения (а), ветрового волнения (b) и зыби (с)

Основной особенностью климатической изменчивости среднегодовых полей значительных высот волн на акватории Черного моря является выраженная пространственная, или, точнее, зональная неоднородность. В западной части моря наблюдается некоторое снижение штормовой активности. Для восточной части характерно увеличение среднегодовых значительных высот волн. Статистически достоверные положительные тренды в колебаниях значительных высот волн наблюдаются в широкой прибрежной полосе от юго-восточного побережья Крыма до побережья Грузии. Наиболее заметно подобное увеличение проявляется в поле ветровых волн; для смешанного волнения увеличение трактуется как «вероятное». За последние 40 лет волны зыби усилились в районе турецкого побережья восточнее Синопа и акватории, прилегающей к Керченскому проливу.
Получены вероятностные оценки линейных трендов в колебаниях среднемесячных значительных высот смешанного волнения, ветрового волнения и зыби. Как показывают результаты расчетов, относительную стабильность волновой климат проявляет в январе, феврале и июне. В эти месяцы по всей акватории Черного моря фиксируются незначительные отрицательные и положительные тренды в полях ветрового и смешанного волнения. Исключением является зыбь, усиливающаяся в феврале в северной части моря.

Вероятностная оценка линейных трендов в колебаниях среднемесячных значительных высот смешанного волнения (а), ветрового волнения (b) и зыби (с)

 Отметим статистически значимые тренды в среднемесячных колебаниях значительных высот волн: положительные – в марте (западная часть моря), августе (восточная), сентябре (восточная и центральная), октябре (центральная и юго-восточная); отрицательные – в мае (восточная и центральная части), июле (юго-восточная), ноябре (восточная), декабре (юго- западная и центральная). Таким образом, наблюдается общее снижение штормовой активности в зимние месяцы и ее рост в весенне-осенние.
Также рассчитаны значения среднемесячных трендов в колебаниях значительных высот волн смешанного волнения в абсолютном выражении (в см/год).

Пространственные распределения величин среднемесячных трендов (см/год) в колебаниях значительных высот смешанного волнения

Пространственные распределения величин среднемесячных трендов (м/с/год) в колебаниях средних скоростей ветра

Пространственные особенности климатических колебаний параметров ветра и поверхностного волнения практически совпадают. Наибольший рост высот волн наблюдается в марте в восточной части моря и составляет 0.5-0.6 см/год. Этому соответствует рост средних скоростей ветра на величины порядка 0.025 м/с/год. В ноябре наблюдается снижение штормовой активности в западной части моря, что выражается в уменьшении средних величин значительных высот волн на 0.8 см/год. Это падение (для западной части) настолько ощутимо, что его не компенсирует средний рост высот волн в августе-сентябре.
Оценены межгодовые величины трендовых составляющих в колебаниях значительных высот волн смешанного волнения, его компонентов, а также средних скоростей ветра.

Пространственные распределения величин среднегодовых трендов в колебаниях значительных высот смешанного волнения (а), ветрового волнения (b), зыби (с), а также средних скоростей ветра (d)

За последние 40 лет на акватории Черного моря наблюдается ярко выраженное перераспределение волновой энергии (в терминах значительных высот волн в нашем случае). Несмотря на то, что юго-западная часть моря по-прежнему является самой бурной, здесь наблюдается уменьшение среднегодовых высот волн со скоростями порядка 0.08 см/год. Вся восточная часть моря подвержена усилению штормовой активности с увеличением среднегодовых высот волн в полях смешанного и ветрового волнения на величины в 0.10-0.15 см/год. Аналогичная картина наблюдается в распределении величин трендов для волн зыби: в западной части происходит уменьшение высот зыби на величины около 0.05 см/год, в центральной и восточной областях – увеличение на величины того же порядка. Указанные особенности являются отражением климатических колебаний средних скоростей ветра, для которых характерно ослабление ветра в западной части моря (0.010-0.015 м/с/год) и усиление в восточной (0.015-0.020 м/с/год).

2. В 2020 г. проведено математическое моделирование полей ветрового волнения на Азовском море с учетом ледового покрова. Получены пространственные карты с дискретностью в 1 час и за период с 1979 по 2019 гг. следующих параметров:

- значительных и максимальных высот ветровых волн и зыби;
- средних периодов и периодов пика спектра ветровых волн и зыби;
- направлений распространения ветровых волн и зыби;
- мощностей компонент волнения;
- скоростей и направлений течений;
- возвышений уровня моря.

Полученные данные позволят проанализировать основные особенности межгодовых колебаний параметров волнения и течений, а также выявить возможные климатические тренды. Также данные позволяют рассчитывать вдольбереговые потоки твердого материала и анализировать закономерности трансформации береговой линии в интересующих районах Черного и Азовского морей.

3. В 2020 г. развернут натурный эксперимент по исследованию ветрового волнения. Точка постановки волноизмерительного буя Spoondrift Spotter – 6.5 км мористее Геленджикской бухты на глубине 74 м. Буй входит в состав измерительного гидрофизического полигона РАН. Буй Spotter установлен в июле 2020 г. В настоящее время этот прибор является единственным специализированным прибором, установленным на российских морях.
С дискретностью в полчаса получены величины: значительных и средних высот волн; средних периодов и периодов пика спектра; средних направлений распространения и углового рассеивания. Отличительной особенностью Spotter является запись хронограмм трех компонент смещения буя с частотой 2.5 Гц, причем запись ведется непрерывно с момента начала регистрации. Это позволяет, при необходимости, реализовывать собственные алгоритмы обработки волновой информации. В настоящее время буй временно выведен из эксплуатации. С января 2021 г. предполагается продолжение исследований.

 4. В рамках проекта создана база данных параметров ветрового волнения на Черном море по экспериментальным данным.
Ссылка: http://coast-crimea.ru/index.php/projects/165-experimental-studies-of-the-parametersof-wind-waves-on-the-black-sea-shelf
В настоящее время база работает в тестовом режиме, в дальнейшем предполагается разработка удобного функционала

ЗАЯВКА НА СЛЕДУЮЩИЙ ГОД

Корректировка плана исследований на следующий период реализации проекта

Задачи очередного этапа исполнения проекта:

1. Исследование морфодинамических особенностей развития песчаной Бакальской косы (западный Крым) за последние 30 лет.
2. Исследование климатических колебаний мощностей поверхностного волнения Азовского моря.

В результате выполнения работ:
1. Будут получены оценки межгодовых вариаций площадей намывов (размывов) береговой линии Бакальской косы за исторический промежуток времени. Будет выполнен анализ межгодовой изменчивости параметров ветрового волнения, а также определены характеристики поверхностного волнения (или сочетание нескольких), ответственных за процессы эрозии или аккумуляции донного материала в прибрежной зоне Бакальской косы.

2. Будет рассчитаны климатические характеристики (среднегодовые, среднемесячные) для мощностей ветровых волн и зыби, а также определены возможные трендовые составляющие в климатических колебаниях этих параметров на акватории Азовского моря. Комплекс работ будет проведен на основании расчетов по полной гидродинамической модели с учетом влияния течений, возвышений уровня и ледового покрова.
В подобной постановке (по полноте описанию) задача формулируется впервые.