Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Разработан новый метод восстановления циркуляции в поверхностном слое моря на основе анализа спутниковых снимков Landsat 8 и Sentinel-2, сделанных с небольшим временным интервалом. Несколько раз в год спутники Landsat 8 и Sentinel-2 пролетают над одним и тем же регионом с интервалом менее 10-15 минут. Анализ таких пар практически одновременных изображений цвета океана с помощью численных алгоритмов распознавания объектов и регистрации их движения дает возможность восстанавливать структуру поверхностных течений в период спутниковой съемки с высокой точностью. Особенно эффективно эти алгоритмы восстанавливают смещение хорошо различимых на спутниковых снимках и динамически активных фронтальных зон и внутренних волн, образующихся в результате формирования и распространения речных плюмов в прибрежной зоне моря. На основе полей течений, восстановленных с помощью вышеописанных алгоритмов, было показано, что структура и динамика исследуемых малых речных плюмов в российском и абхазском секторах Черного моря существенным образом отличается от классической структуры и динамики речных плюмов. Высокая скорость речного потока при относительно малом объеме стока и, тем самым, малой энергии потока, приводит к формированию гидравлического скачка в приустьевой зоне и быстрой диссипации инерционной энергии потока в результате трения с нижележащими морскими водами. В результате этого приустьевая часть плюма, характеризуемая инерционным движением, имеет малые размеры, и на ее границе формируются значительные градиенты давления, не характерные для плюмов более крупных рек или рек с менее быстрым течением. Из-за этого даже при слабом ветровом воздействии в исследуемых плюмах не формируется антициклоническая рециркуляция в приустьевой области. В результате этого поступающий пресноводный сток не аккумулируется в этой области и быстро выносится во внешнюю часть плюма, чья динамика определяется, в первую очередь, ветровым воздействием. Восстановленные поля поверхностных течений демонстрируют существенную изменчивость угла между направлением ветра и экмановского транспорта внутри исследуемых плюмов. Этот угол изменяется от 30-40° во внешних частях плюма до 60-80º в приустьевых зонах, что, по-видимому, вызвано неоднородностью толщины экмановского слоя в речном плюме. Аномально большие значения этого угла в приустьевых зонах приводят к существенным различиям в направлении переноса опресненных вод по сравнению с большими речными плюмами. В частности, пресноводный сток и поступающие с ним взвешенные и растворенные вещества аккумулируются в приустьевой зоне под воздействием нагонных ветров, выносятся в открытое море под воздействием апвеллинговых ветров, переносятся вдоль берега в северо-западном направлении под воздействием сгонным, даунвеллинговых и слабых ветров. Изучен и описан процесс формирования опресненных вдольбереговых геострофических течений в результате резкого увеличения расходов малых рек на протяженных участках северо-восточной части черноморского побережья во время краткосрочных дождевых паводков. Многочисленные малые реки, впадающие в море в этом регионе, в большинстве своем характеризуются малыми водосборами, малыми объемами годового стока и очень ограниченно влияют на прибрежные воды в течение большей части года. Тем не менее, расходы этих рек характеризуются быстрым откликом на жидкие осадки на своих водосборах, в результате чего на этих реках около 10 раз в год случаются краткосрочные и интенсивные дождевые паводки. В результате этого, ливневые дожди, регулярно идущие на больших участках северо-восточного побережья Черного моря, приводят к резкому увеличению расходов многочисленных малых рек. Плюмы этих рек увеличиваются, смыкаются между собой и формируют опресненные и мутные вдольбереговые геострофические течения, направленные на северо-запад из-за действия силы Кориолиса. На основе натурных данных, спутниковых наблюдений и численного моделирования описаны гидрофизическая и гидрохимическая структура этих течений, получены оценки на время их существования после окончания паводкового события. Эти течения приводят к интенсификации северо-западного вдольберегового переноса растворенных и взвешенных веществ, поступающих в море с материковым стоком. Это, в свою очередь, существенным образом влияет на региональное качество прибрежных вод и приводит к существенно более интенсивной седиментации на протяженных участках узкого шельфа северо-восточной части Черного моря по сравнению со среднегодовыми условиями. Изучен и описан новый механизм формирования высокочастотных внутренних волн в речных плюмах. Во многих регионах мира реки с малым уровнем расхода воды, но с высокой скоростью течения впадают в море. Трение между впадающим потоком речной воды, имеющим высокую скорость, и нижележащим морем, имеющим на порядок меньшую скорость, приводит к резкому замедлению опресненного потока и увеличению его глубины, т.е. к формированию гидравлического скачка, который вызывает генерацию высокочастотных внутренних волн. Эти волны распространяются от речного устья в сторону открытого моря в стратифицированном слое между речным плюмом и нижележащим морем и влияют на турбулентность и перемешивание в этом слое. На основе натурных и спутниковых данных были получены оценки длин, фазовых скоростей и частот внутренних волн, генерируемых в плюмах малых рек северо-восточного побережья Чёрного моря. Вышеописанный процесс, по-видимому, существенным образом влияет как на структуру и динамику речных плюмов, так и на физические, биологические и геохимические процессы в прибрежной зоне. Процесс генерации, распространения и диссипации вышеописанных внутренних волн представляет собой трансформацию кинетической энергии речного потока в энергию турбулентности на нижней и боковой границах речного плюма. Этот процесс усиливает перемешивание во фронтальных зонах и, тем самым, способствует уменьшению объема пресной воды в плюме. Подобный механизм трансформации энергии речного потока, наблюдаемый, в частности, у малых рек северо-восточного побережья Черного моря существенно отличается от трансформации энергии у больших рек или менее быстрых рек. Стоки этих рек формируют рециркулирующие субмезомасштабные структуры (bulge) в приустьевой зоне и не формируют гидравлические скачки. В результате этого кинетическая энергия речного потока преобразуется в кинетическую энергию рециркулирующего приустьевого течения и потенциальную энергию градиента давления между ним и окружающим морем. Таким образом, в этом случае кинетическая энергия реки способствует аккумуляции пресноводного стока в плюме и уменьшает скорость перемешивания между плюмом и окружающим морем. Поэтому генерация высокочастотных внутренних волн в плюмах, формируемых маленькими и быстрыми реками приводит к существенным отличиям как в структуре, так и в динамике распространения и перемешивания по сравнению с плюмами больших или медленных рек. Получены оценки поступления пресной воды, взвешенных и растворенных веществ в результате переноса вод Азовского моря в Черное море через Керченский пролив. Установлено, что синоптическая и сезонная изменчивость интенсивности переноса вод из Азовского моря в Черное море определяется в первую очередь изменчивостью ветра. На основе анализа натурных и спутниковых данных получены среднемесячные и среднегодовые численные оценки частоты формирования, продолжительности периодов затока опресненных вод Азовского моря в Черное море через Керченский пролив. Также создана численная эмпирическая зависимость объема переноса опресненных вод Азовского моря в Черное море через Керченский пролив на основе характеристик регионального ветрового воздействия. На основе этой зависимости определены периоды за 2000-2017 годы, когда происходил подобный заток, рассчитаны соответствующие объемы поступления пресных вод в Черное море через Керченский пролив, рассчитаны их среднемесячные и среднегодовые значения.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Создан программно-вычислительный комплекс для оперативного прогноза распространения взвешенных и растворенных загрязняющих веществ, а также плавающего мусора, поступающего в прибрежную зону северо-восточного побережья Черного моря с речным стоком. Программно-вычислительный комплекс включает в себя систему современных численных моделей атмосферной циркуляции WRF, речного гидрографа KW-GIUH, морской циркуляции INMOM и речного плюма STRiPE. Создание программно-вычислительного комплекса позволяет не только осуществлять оперативный прогноз распространения загрязняющих веществ, поступающих в море с материковым стоком, но и служит инструментом идентификации районов побережья и шельфа северо-восточной части Черного моря, наиболее уязвимых по отношению к антропогенным загрязнениям. С помощью данного комплекса может быть выработана методика оперативного и долгосрочного прогнозирования конкретных гидрологических процессов, наиболее важных для формирования показателей качества морских вод и функционирования экосистем в различных районах прибрежной зоны, находящихся в зоне воздействия материкового стока. Изучены процессы водообмена между Азовским и Черным морями через Керченский пролив. Установлено, что процесс водообмена между этими морями определяется баротропным градиентом давления, индуцируемым ветровым воздействием. Колебания стоков рек Дон и Кубань в Азовское море не оказывают значимого влияния на направление и интенсивность водообмена через Керченский пролив на синоптическом и сезонном временных масштабах в силу относительно большого объема Азовского моря по сравнению с объемами стоков этих рек. Переносы вод из Азовского моря в Черное море вызываются умеренными и сильными северо-восточными ветрам, что приводит к формированию приповерхностного плюма опресненных азовоморских вод в Черном море. Азовоморский плюм характеризуется повышенными концентрациями взвешенного вещества и хлорофилла а и может быть детектирован на спутниковых снимках. Азовоморский плюм распространяется в форме квази-геострофического течения вдоль юго-восточного побережья Крыма, но не затрагивает область к востоку от Керченского пролива, в частности прибрежную зону Краснодарского края, из-за влияния даунвеллинговых ветровых условий и силы Кориолиса. В силу своей зависимости от локальных ветровых условий, водообмен в Керченском проливе характеризуется значительной синоптической изменчивостью. Продолжительность большинства периодов затока азовоморских вод в Черное море не превышает 5 дней. Из-за этого наибольшие зарегистрированные вдольбереговая протяженность и площадь азовоморского плюма не превышают 200 км и 2000 км2. После прекращения действия северо-восточного ветра и поступления азовоморских вод в Черное море азовоморский плюм диссипирует в течение нескольких дней. Краткосрочные, но регулярные периоды формирования и распространения азовоморского плюма в северо-восточной части Черного моря приводит к существенному понижению солености, повышению уровня взвешенных и растворенных загрязняющих веществ вдоль юго-восточного побережья Крыма, что влияет на многие физические, биологические и геохимические процессы в этом регионе. Получены численные зависимости пространственных характеристик азовоморского плюма от условий ветрового воздействия, в частности, вдольбереговой протяженности и площади плюма, а также объема поступающих азовоморских вод через Керченский пролив. Полученные уравнения позволяют численно описать процесс поступления азовоморских вод в Черное море с воспроизведением синоптической изменчивости и неравномерной интенсивности этого процесса. Использование подобных новых параметризаций для численных моделей циркуляции Черного моря позволит улучшить задание граничных условий поступления пресных вод через Керченский пролив и, тем самым, повысить точность численного моделирования физических, биологических и геохимических процессов в Черном море. Изучены процессы формирования опресненных вдольбереговых геострофических течений во время краткосрочных дождевых паводков и их влияние на распределение загрязняющих веществ, в том числе плавучего мусора, на прибрежные воды российского побережья Черного моря. Меньше чем через сутки после начала паводка и резкого увеличения речных расходов вдоль всего рассматриваемого участка побережья Черного моря образуется узкая опресненная полоса, состоящая из слившихся, но отдельных речных плюмов. Эта полоса формирует квази-геострофическое вдольбереговое течение и постепенно смещается на северо-запад. В первые дни после начала паводка сохраняются четкие границы между отдельными плюмами, которые взаимодействуют как отдельные динамические структуры. Потом эти границы начинают диссипировать за счет адвекции плюмов, отдельные плюмы перемешиваются между собой и сливаются в единую опресненную полосу. Через 8-10 дней после начала паводка отдельные речные плюмы полностью смешиваются, границы между ними исчезают, но граница между прибрежным опреснением и соленым морем сохраняется в течение некоторого времени. Вдольбереговая полоса опреснения формируется вдоль южной части российского участка черноморского побережья в среднем 16-20 раз за год, а суммарная продолжительность этого процесса составляет 12-16% времени за год. Таким образом, процесс формирования опресненных вдольбереговых геострофических течений во время паводков оказывает существенное влияние на гидрофизические процессы и качество прибрежных вод российского побережья Черного моря. На основе данных натурных измерений и аэрофотосъемки плюмов крупнейших рек северо-восточного побережья Черного моря был описан процесс формирования, роста, слияния и диссипации вихреобразных структур, возникающих на границе между плюмами и окружающим морем из-за бароклинной неустойчивости. Наличие значительного горизонтального градиента солености (4-8 епс на расстоянии 2-3 м) на границе между опресненным плюмом (толщиной 4-5 метров) и соленым морем является источником потенциальной энергии и создает условия развития бароклинной неустойчивости на этой границе. Малые возмущения этой границы расширяются до вихреобразных структур с пространственным масштабом 2-10 м из-за роста латерального градиента давления с увеличением возмущения, обеспечивающего положительную обратную связь в рассматриваемом процессе. Увеличиваясь, соседние вихреобразные структуры сливаются, механически захватывая области соленой морской воды (площадью 0.1-0.5 м2) и перенося их через границу плюм-море. В результате перемешивания морской воды на этом участке плюма повышается соленость, что уменьшает градиент давления и останавливает дальнейший рост вихреобразной структуры на данном участке границы, увеличивая вероятность возникновения возмущения на смежных участках. Временной масштаб жизни индивидуальной вихреобразной структуры от начала ее формирования до слияния и диссипации по данным квадрокоптерной видеосъемки составлял 1-2 минуты. С помощью алгоритма оптического потока, примененного к квадрокоптерной видеозаписи, было восстановлено поле скоростей в поверхностном слое моря в районе фронтальной зоны между плюмом и морем. Полученная циркуляционная структура хорошо согласуется с вышеописанным механизмом формирования и слияния вихреобразных структур в результате бароклинной неустойчивости и роста латерального градиента давления при формировании возмущения границы плюма и моря. Получена оценка средней интенсивности переноса морской воды через 1 м границы плюма и моря в результате слияния вихреобразных структур, составляющая 0.02 м2/с, что сравнимо с интенсивностью перемешивания плюма и моря под воздействием турбулентности из-за сдвига скоростей в приустьевой части плюма. Анализ данных спутниковых наблюдений показал, что образование подобных вихреобразных структур и формирование этого механизма перемешивания характерно для плюмов малых рек во многих прибрежных регионах мира. Таким образом, описание этого механизма, впервые осуществленное в рамках данного проекта, существенно уточняет существующие представления о процессах трансформации и диссипации материкового стока в море.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В 2020 году в рамках данного проекта было проведено исследование гидрофизической структуры и циркуляции плюма Кодора, формируемого стоком крупнейшей реки Абхазии. Натурные термохалинные измерения и квадрокоптерная съемка показали большое число сложных и динамически активных фронтальных зон внутри плюма Кодора. Резкие суточные и межсуточные колебания речного расхода, характерные для малых горных рек, в число которых входит Кодор, приводят к большой изменчивости размеров плюма Кодор в отдельно взятые моменты времени. В частности, во время кратковременных дождевых паводков площадь исследуемого плюма может изменяться в несколько раз за период 1–2 дня, что было зафиксировано в период экспедиционных работ. Из-за этого сформированный ранее и не диссипировавший остаточный плюм имеет существенно различные термохалинные и динамические характеристики с новым плюмом, что приводит к формированию сложной системы внутренних фронтов. Таким образом, помимо изменчивости ветровых условий, колебания речного расхода очень существенно влияют на структуру и динамику плюма Кодора на внутрисуточном и межсуточном временных масштабах. Кроме того, в плюме Кодора наблюдались четкие внутренние фронты, формировавшиеся в результате обтекания мелководных банок динамически активными участками плюмов. Еще одним важным фактором формирования внутренних фронтов в исследуемом плюме является наличие нескольких близкорасположенных и крупных дельтовых рукавов, служащих источниками пресноводного стока в море. Исследования циркуляции в плюме Кодора показали значительные отличия его динамики от динамики окружающих морских вод. С помощью квадрокоптерной аэрофотосъемки было зарегистрировано формирование и диссипация вихря в плюме и последующее формирование, распространение и диссипация внутренних волн от внешней границы этого вихря. С помощью дрифтерного эксперимента в приустьевой зоне плюма было зафиксировано замедление впадающего в море быстрого речного потока (2.5 м/с) за счет его латерального расширения и в результате трения с нижележащими морскими водами. Было установлено, что инерционная часть плюма Кодора имеет относительно малые масштабы (150–200 м), в результате чего в приустьевой части плюма не формируется антициклоническая циркуляция, характерная для плюмов крупных рек при слабом ветровом воздействии. После диссипации инерции впадающей речной струи траектории дрифтеров демонстрируют очень быстрый отклик (менее минуты) скорости и направления течения в плюме на колебания ветрового воздействия, что также не характерно для плюмов больших рек. Река Кодор имеет высокую скорость течения (2.5 м/с), но сравнительно небольшую глубину дельтовых рукавов (около 1 м). Из-за этого впадающий в море речной поток имеет высокую скорость, но небольшие вертикальный масштаб и объем, что приводит к быстрой диссипации его инерции. В результате этого пространственный масштаб инерционной части плюма Кодора оказывается на порядок меньше, чем у рек со схожим объемом стока, но более низкой скоростью течения. Пространственный масштаб инерционной части плюма Кодора также на порядок меньше, чем его предсказывают существующие параметризации масштаба инерционной части речного плюма по характеристикам впадающего речного потока на основе чисел Бюргера и Россби. Малые масштабы инерционной части плюма и отсутствие антициклонической циркуляции в приустьевой зоне существенным образом влияют на структуру и динамику речного плюма. В частности, сток реки Кодор быстро выносится в область плюма, чья динамика определяется ветровым воздействием, что препятствует аккумуляции пресноводного стока в приустьевой зоне, описанной в ряде предыдущих работ. Вышеописанные результаты, полученные в рамках данного проекта, важны для понимания общих аспектов структуры и динамики малых речных плюмов северо-восточного побережья Черного моря. В 2020 году в рамках данного проекта были выполнены два численных эксперимента по воспроизведению выноса загрязнений с азовоморскими водами в Черное море с помощью добавления пассивных безмассовых трейсеров, моделирующих загрязнители. В первом эксперименте источник трейсеров находится в Керченском проливе, во втором в устье реки Дон. Такие эксперименты позволяют оценить в какие сроки и в каком объеме загрязнения распространяются по акватории Чёрного моря. Когда источник загрязнения находится в устье Дона, первые частицы достигают Чёрного моря приблизительно через 5 месяцев, далее ещё через 5 месяцев переносимые ОЧТ они достигают пролива Босфор, еще через 2 месяца делают полный оборот вокруг всего бассейна и достигают Керченского пролива с востока. Наибольшему влиянию выносов азовоморских вод из Керченского пролива подвержены акватории вдоль южного побережья Крыма. Зачастую область распространения загрязняющих веществ ограничена шельфовой зоной. По глубине распространение трейсеров ограничивается галоклином находящимся на отметках от 100 м до 200 м. В 2020 году в рамках данного проекта было проведено исследование распространения плавучего морского мусора (пластикового мусора), поступающего в море с речным стоком. Плавучий мусор в выносится речными плюмами от речных устьев в открытое море, однако значительная его часть в дальнейшем выбрасывается на берег. На основе численного моделирования было изучено распространение плавучего мусора во время краткосрочных речных паводков в северо-восточной части Черного моря и идентифицированы области его накопления в море и на береговой линии. Резкое увеличение речных плюмов в исследуемом регионе в результате дождевого паводка приводит к формированию четких зон конвергенции поверхностных течений на их внешних границах. Большая часть плавучего мусора аккумулировалась в этих зонах конвергенции, имеющих сравнительно небольшую площадь. Дальнейшее увеличение речных плюмов в исследуемом регионе приводит к слиянию плюмов в опресненные полосы вдоль протяженных участков побережья в исследуемом регионе. В результате этого зоны конвергенции на внешних границах отдельных плюмов сливаются в единую зону конвергенции шириной всего в несколько метров вытянутую вдоль береговой линии на расстоянии 6-8 км от берега. Плавучий мусор, выносимый разными реками региона, аккумулируется в этой единой зоне конвергенции и затем переносится вдоль этой линии в северо-восточном направлении. В результате этого плавучий мусор быстро выносится от речных устьев и перемешивается между собой. В течение периода половодья и сразу после него около половины плавучего мусора выносится на берег в результате действия стоксова дрейфа. Расположение областей накопления плавучего мусора на береговой линии зависит от уровня речного стока, ветрового воздействия, формирования квази-геострофического вдольберегового плотностного течения и субмезомасштабных вихрей. Для большинства рек исследуемого региона эти области расположены на расстоянии менее 10-15 км к северу от речных устьев. Итак, взаимодействие и слияние малых речных плюмов во время паводков оказывает существенное влияние на распространение плавучего мусора в прибрежной зоне из-за того, что плавучий мусор речного происхождения накапливается в речных плюмах и не выносится сразу в открытое море. Этот процесс приводит к значительному уменьшению количества выносимого на берег мусора. Таким образом, стоки малых рек оказывают существенно влияние на загрязнение моря вдоль российского побережья Черного моря во время паводковых периодов. Суммарная продолжительность этих периодов составляет лишь несколько недель в году, однако за это время в море поступает значительное количество плавучего мусора, который впоследствии выносится на берег. В результате этого стоки малых рек необходимо учитывать при мониторинге и прогнозе загрязнения прибрежных морских акваторий пластиковым мусором в российской секторе Черного моря.