Characteristics of the Kuban River Plume According to Satellite Data

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

According to satellite data from Landsat 8, 9 and Sentinel-1,2 for the period 2017–2024, the spatiotemporal variability of the Kuban River plume distribution was studied. The features of plume manifestation on radar images, as well as in the visible and infrared range, were studied. It is shown that the Kuban plume is formed from two main jets, as well as the waters of the Kurchansky estuary near the river mouth. Based on the analysis of long-term optical data, 4 types of plume propagation were identified: “western,” “eastern,” “northern,” and “alongshore.” The most extensive spread of the plume occurs during the “northern” type, when the plume spread to a distance of up to 15.5 km from the coastline. The main reason for changes in plume distribution is variability in wind conditions. The seasonal and interannual variability of the distribution of Kuban waters has been studied. For the period 2019–2023 in most cases, plumes of a “western” direction were recorded (2019 – 45%, 2020 – 49%, 2022 – 35% and 2023 – 45% of cases), except for 2021, when more often plumes spread to the east (in 37% of cases) under the influence abnormal wind conditions.

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Кубань является одной из крупнейших рек, впадающих в акваторию Азовского моря, значительно влияющих на оптические характеристики вод и его экосистему в целом. Речной сток осуществляется через два основных дельтовых рукава (рук. Кубань и рук. Протока), их среднее значение годового стока за 2008–2018 гг. составляло 5,3 км3/год и 5,2 км3/год соответственно (Решетняк, Комаров, 2023). Пресноводный сток реки Кубань является важной составляющей водного баланса акватории, а также существенно влияет на термохалинную структуру вод (Симов и др., 2010; Гетманенко и др., 2010; Спиридонова, Панов, 2021). Со стоком Кубани в воду поступает большое количество биогенных элементов и органического вещества, которые во многом определяют биопродуктивность морской среды (Ломакин и др., 2016; Сорокина, Бердников, 2018). Твердый сток Кубани является важной компонентой осадконакопления в Азовском море (Сорокина, Бердников, 2008).

Исследованиям поступающих в море речных вод и плюмов на основе спутниковой информации посвящено множество работ отечественных и зарубежных авторов (Shi, Wang, 2009; Brando et al., 2015; Lavrova et al., 2016; Кубряков и др., 2013; Иванов и др., 2018; Назирова и др., 2019; Kubryakov et al., 2018; Осадчиев, 2017). Было показано, что речные плюмы наблюдаются по полю яркости в видимом диапазоне из-за содержания большого количества взвешенных и биогенных веществ, а также по данным о температуре поверхностного слоя моря (ТПМ), данным о полях солености, уровню моря.

Несмотря на то, что Кубань является второй рекой по величине объема стока в Азовское море и имеет высокую значимость для всей экосистемы акватории, в особенности в условиях маловодности реки Дон (Косенко и др., 2018) и роста средней солености (Бердников и др., 2019; Спиридонова, Панов, 2021), на настоящий момент известны единичные исследования, посвященные распространению вод Кубани под действием различных гидрометеорологических факторов (Щеголихина, Лаврова, 2018; Лаврова и др., 2020). Цель настоящей работы – изучение пространственно-временной изменчивости проявления плюмов Кубани на спутниковых изображениях.

В разделе 1 рассматриваются особенности проявления плюмов поступающих из основного рукава Кубань по оптическим, инфракрасным и радиолокационным спутниковым данным. В разделе 2 дана классификация плюмов по направлению распространения в акватории Азовского моря и гидрометеорологические факторы их определяющие. В 3 разделе представлена межгодовая и межсезонная изменчивость распространения плюмов Кубани за 2019–2023 гг.

ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДАННЫЕ

В данной работе использовались оптические спутниковые высокого разрешения MSI (Multispectral Instrument) Sentinel-2 с пространственным разрешением 10 м. Данные были получены на портале Copernicus Data Space Ecosystem (URL: https://dataspace.copernicus.eu). Также использовались данные OLI (Operational Land Imager) Landsat 8, 9 с пространственным разрешением 30 м. Данные были получены на портале USGS (URL: https://earthexplorer.usgs.gov/). Рассматривались изображения за период 2015–2023 гг. в псевдонатуральных цветах RGB-композита (Red – красный, Green – зеленый, Blue –синий), а также поле яркости в 4 канале MSI Sentinel-2 (band 4 – 664,6 нм). Используемые спутниковые изображения были получены в рамках госзадания FNNN-2024-0012.

Для исследования влияния речного стока на термические условия вод Азовского моря применялся двухканальный метод восстановления температуры поверхностного слоя моря по данным TIRS (Thermal InfraRed Sensor) Landsat 8, 9 предложенный (Алескерова и др., 2016).

Дополнительно проявление поступающих вод Кубани и их влияние на шероховатость поверхности моря рассматривалось на радиолокационных спутниковых изображениях C-SAR (C-Band Synthetic Aperture Radar) Sentinel-1 c VV-поляризацией. Данные были получены на портале Copernicus Data Space Ecosystem (URL: https://dataspace.copernicus.eu).

Для исследования влияния ветровых условий на распространение плюмов в акватории привлекались данные глобального реанализа ERA5 от Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды (ECMWF) с пространственным разрешением 0,25° и дискретностью 1 ч, а также данные реанализа MERRA-2 (Modern-Era Retrospective analysis for Research and Applications, Version 2) с пространственно-временным разрешением 0,5° × 0,66°, 6 ч.

Использованы данные о количестве осадков в районе бассейна реки Кубань по данным MERRA-2 Model с пространственным разрешением 0,5° × 0,625° и дискретностью 1 ч.

Информация об уровне воды на гидропосту в г. Темрюк были получены на портале https://allrivers.info/ по данным Центра регистра и кадастра.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Проявление плюма р. Кубань по спутниковым данным в видимом диапазоне

Плюм Кубани содержит в своих водах большое количество взвешенного вещества, и, чаще всего отличается повышенной мутностью относительно окружающих вод моря.

На спутниковых изображениях в естественных цветах (RGB-композит) плюм имеет более высокие значения коэффициента яркости и может выделяться как зона коричневых, зеленоватых, желтоватых цветах (рис. 1, а). Как правило, плюм основного рукава Кубани формируется в виде двух основных струй. Кроме того, вблизи устья Кубани в отдельных случаях формируется выраженный плюм вод мелководного Курчанского лимана (глубина до 1,5 м), питание которого также происходит за счет Кубанских вод (Гарькуша и др., 2022).

 

Рис. 1. Проявление плюма реки Кубань по спутниковым данным: а – OLI Landsat-8 от 05.09.2016 г. в естественных цветах (RGB-композит); б – MSI Sentinel-2 (band 4) от 04.03.2020 г.

 

Из-за большого количества взвеси конфигурация и направление плюма хорошо идентифицируется на спутниковых изображениях по полю яркости в красном канале (664,6 нм для MSI Sentinel-2 (рис. 1, б)).

Попадая в Темрюкский залив, на границе пресных речных вод формируются зоны конвергенции, которые фиксируются на спутниковых изображениях и выглядят как тонкие полосы на поверхности моря с более высокими значениями сигнала. Такая ситуация показана на примере спутникового снимка OLI Landsat 8 от 16.05.2019 г. (рис. 2), где предполагаемая зона конвергенции находится на некотором отдалении от устья и непосредственно плюма (выделена красными стрелками).

 

Рис. 2. Спутниковое изображение OLI Landsat 8 от 16.05.2019 г.

 

При некоторых гидрометеорологических условиях идентифицировать плюм Кубани по оптическим спутниковым данным невозможно или затруднительно. В первую очередь это может быть связано с обширным облачным покровом над районом исследования. Во-вторых, при интенсивном ветровом воздействии происходит перемешивание вод до дна, что приводит к взмучиванию донных осадков и росту мутности вод. В результате, речной плюм будет либо также подвержен интенсивному перемешиванию с окружающими водами, либо не будет выделяться относительно взмученных вод акватории. Примеры такого интенсивного ветрового взмучивания показаны на спутниковых изображениях Landsat 8 от 13.10.2018 г. и Sentinel-2 от 13.02.2020 г. (рис. 3, а, б). В случае от 13.10.2018 г. (рис. 3, а) над исследуемым районом наблюдался интенсивный северо-восточный ветер со скоростью более 10 м/с (рис. 3, в) длительностью около суток, что привело к сильному взмучиванию вод Темрюкского залива. Аналогичная ситуация наблюдается и в случае от 13.02.2020 г. (рис. 3, б), когда на спутниковом снимке плюм речных вод также не идентифицируется при сильном перемешивании вод из-за длительного (более 2 суток) воздействия ветра со скоростью более 8 м/с (рис. 3, г).

 

Рис. 3. а – спутниковое изображение OLI Landsat 8 от 13.10.2018 г.; б – спутниковое изображение MSI Sentinel-2 от 13.02.2020 г; в – данные о полях ветра MERRA-2 от 13.10.2018 г.; г – данные о полях ветра MERRA-2 от 13.02.2020 г.

 

Несмотря на то, что период половодья реки Кубань приходится на весенне-летний период (Бандурин и др., 2022), обширные плюмы ежегодно наблюдаются и в другие месяцы. В первую очередь это связано с кратковременными паводками внутри года, возникающими в результате обильных осадков в районе бассейна реки. Помимо естественных причин, влияющих на количество поступающего стока в акваторию и его внутригодовое распределение, важную роль играет антропогенный фактор, а именно забор и перераспределение вод реки в водохозяйственных нуждах (Михайлов, Магрицкий, 2008). В Верхнем течении Кубани речной сток регулируется системой Большого Ставропольского канала и Невинномысским каналом, которые обеспечивают орошение сельскохозяйственных земель, организацию промышленного и питьевого водоснабжения близлежащих областей (Папенко и др., 2008; Косолапова, 2016). Далее в зоне средней Кубани сток значительно регулируется Краснодарским водохранилищем, которое обеспечивает мелиоративные мероприятия для 211,1 тыс. га посевных площадей, в большей части используемых для рисовых культур (Малышева, Якуба, 2017). После Краснодарского водохранилища в нижнем течении Кубани на гидроузле Тиховском происходит искусственное распределение стока воды на рук. Кубань, рук. Протока и магистральный канал Петровско-Анастасиевской оросительной системы (Михайлов, Магрицкий, 2008).

В связи с этим, гидрометеорологические условия рассматривались только для зоны нижнего течения реки Кубань (после Краснодарского водохранилища). Так, на рис. 4, а показан пример интенсивного плюма Кубани, наблюдаемый на спутниковом изображении OLI Landsat 8 от 10.02.2022 г. после увеличения осадков над исследуемым регионом. Интенсивный поток мутных речных вод, резко отличающихся по оптическим характеристикам от окружающих морских вод, направлен на восток от устья и распространяется вдоль береговой линии Темрюкского залива. На графике изменчивости количества осадков по данным MERRA-2 Model (рис. 4, б) видно, что предварительно 08-09.02.2022 г. наблюдается резкое увеличение осадков до 0,3 мм/час. При этом 07.02 отмечается резкое повышение температуры воздуха до 9°С 08.02 (рис. 4, в), что в совокупности с дождевыми осадками привело к резкому сокращению снежного покрова в районе нижнего течения р. Кубань. В результате в этот период на гидропосту в г. Темрюк (рис. 4, г) регистрируется увеличение уровня воды в реке с 120 см (на 08.02) до 138 см (09.02).

 

Рис. 4. а – Спутниковое изображение OLI Landsat 8 от 10.02.2022 г.; б – количества осадков в районе бассейна реки Кубань по данным MERRA-2 Model за период 07.02.2022-12.02.2022 гг.; в – Изменчивость температуры воздуха над районом нижнего водосборного бассейна реки Кубань по данным MERRA-2 Model за период 06.02.2022-12.02.2022 гг.; г – График уровня воды в реке Кубань по гидропосту в г. Темрюк за период 01.02.2022-13.02.2022 гг. Данные получены на портале https://allrivers.info/.

 

Проявление плюма р. Кубань в инфракрасном диапазоне

В силу разницы термических характеристик, попадая в акваторию речные воды часто проявляются по полю температуры поверхности моря (ТПМ). Причем в большинстве рассмотренных случаев зона плюма Кубани была теплее азовоморских вод, что связано с тем, что нижнее и среднее течение реки проходит по равнинной местности и воды имеют более быстрый прогрев относительного морских вод, в отличии от других рек Кавказа. На рис. 5 показан характерный пример такого проявления плюма реки Кубань от 28.02.2017 г. в естественных цветах (рис. 5, а) и по ТПМ (рис. 5, б), восстановленной по данным Landsat 8 (Алескерова и др., 2016). Плюм распространяется в виде двух основных струй мутных речных вод на расстояние около 11 км севернее от устья реки. Такая же конфигурация плюма наблюдается и по данным о ТПМ, где видно, что зона непосредственно плюма в виде двух струй теплее окружающих вод на 2–3 градуса.

 

Рис. 5. Проявление плюма Кубани по данным Landsat 8. а – RGB-композит в натуральных цветах от 28.02.2017 г.; б – поле температуры поверхностного слоя моря от 28.02.2017 г.; в – RGB-композит в натуральных цветах от 19.10.2023 г.; г – поле температуры поверхностного слоя моря от 19.10.2023 г.

 

При этом воды, поступающие из Курчанского лимана через гирло Соловьевское, в отдельных ситуациях могут быть значительно холоднее или теплее, чем азовоморские и основной плюм Кубани. Такой случай наблюдался 19.10.2023 г. (рис. 5, в, г), когда распространявшийся плюм из гирла Соловьевского был холоднее на 3°С. В тоже время плюм Кубани в приустьевой зоне не имеет существенной разницы в значениях температуры относительно окружающих морских вод. Это вероятно связано с тем, что из-за мелководья Курчанского лимана (глубина до 1,5 м), его воды охлаждаются и прогреваются быстрее, чем поступающие воды Кубани.

Проявление плюма р. Кубань на радиолокационных спутниковых изображениях

На радиолокационных изображениях в приустьевом районе часто могут наблюдаться зоны со сглаженной шероховатостью поверхности моря, визуально представляющие собой более темные пятна относительно окружающей морской поверхности (рис. 6, а). Вероятно, такое изменение шероховатости поверхности связано с поступлением вместе с речными водами поверхностно-активных веществ. При этом такие зоны не всегда совпадают с конфигурацией плюма на оптических спутниковых изображениях, полученных с некоторым временным интервалом (рис. 6, б), что может говорить также о влиянии других факторов, например, формированию зоны ветровой тени вблизи данного участка побережья или объясняться разностью по времени между снимками, за которую конфигурация могла измениться. Типичные скорости движения фронта плюма 0,25–0,35 м/с (оцениваемые по последовательным снимкам) не противоречат наблюдаемым на представленных снимках смещениям.

 

Рис. 6. Спутниковые изображения от 31.08.2022 г. а – SAR-C Sentinel-1 (03:40 UTC); б – MSI Sentinel-2 (08:37 UTC).

 

При рассмотрении приустьевого района на радиолокационных изображениях был обнаружен интересный случай проявления стока реки Кубань в Азовское море в зимний период (рис. 7). Попадая в Азовское море пресные воды Кубани распространяются в поверхностном слое. В силу различий в значениях температуры замерзания, зона распространения пресных речных вод покрывается льдом раньше, чем соленые воды акватории. На изображении за 30.01.2017 г. (рис. 7) хорошо видно первоначальное формирование ледовых областей, которое вытянуто от устья на северо-восток, уже затем 31.01.2017 г. ледовое покрытие наблюдается во всем Темрюкском заливе.

 

Рис. 7. Спутниковое изображение SAR-C Sentinel-1 от 30.01.2017 г.

 

Типы распространения вод Кубани по спутниковым данным

Многолетний анализ спутниковых данных высокого разрешения Landsat 8, 9 и Sentinel-2 позволил выделить четыре условных типа распространения вод Кубани: “северный” (рис. 8, а), “восточный” (рис. 8, б), “западный” (рис. 8, в), “вдольбереговой” (рис. 8, г). Наиболее эффективно конфигурация и направление плюмов идентифицировались на оптических спутниковых изображениях в видимом диапазоне. Анализ гидрометеорологических характеристик показал, что направление распространения плюма зависит в первую очередь от ветровых условий.

 

Рис. 8. Примеры распространения плюмов по данным Sentinel-2 (band 4). а – 18.02.2020 г. (“северный” тип распространения); б – 04.04.2017 г. (“восточный” тип распространения); в – 02.08.2017 г. (“западный” тип распространения); г – 12.07.2020 г. (“вдольбереговой” тип распространения).

 

Северный тип распространения

К “северному” типу распространения относились плюмы, которые продвигались на север от устья реки, затем, на некотором расстоянии под влиянием текущей циркуляции вод акватории, поток мутных речных вод мог отклоняться западнее или восточнее. Наиболее интенсивное и обширное проявление плюма до центральной части Азовского моря наблюдается именно при северном типе, т.к. взвешенное вещество преимущественно распространяется в водной среде, в отличие от западного, восточного и вдольберегового направления, когда взвешенное вещество будет частично попадать обратно на берег. В некоторых случаях плюм продвигался на расстояние до 15,5 км от береговой линии. Чаще всего “северный” тип плюмов наблюдается при южном и юго-восточном ветре. Реже такой тип встречается при восточном и юго-западном ветре, что вероятно связано с отклонением потока вправо под влиянием силы Кориолиса. Как правило, наиболее обширное распространение плюма отмечается в условиях низкой ветровой активности (скорость до 5 м/с), что вероятно связано с отсутствием интенсивного перемешивания с окружающими водами. На рис. 9 показаны примеры проявления таких интенсивных плюмов в различные сезоны на спутниковых изображениях Sentinel-2 от 05.03.2017 г. (рис. 9, а), Landsat 8 от 07.12.2021 г. (рис. 9, б), Sentinel-2 от 30.09.2022 г. (рис. 9, в). Во всех представленных примерах на рис. 9 (а, б, в) плюм мутных речных вод распространялся на север и достигал 45°29’ с.ш. при воздействии юго-восточного ветра со скоростью до 5,5 м/с (рис. 9, г, д, е). При этом также фиксируется выход мутных вод из Курчанского лимана через гирло Соловьевское (отмечено красным на рис. 9, а, б, в).

 

Рис. 9. а – Спутниковое изображение MSI Sentinel-2 от 05.03.2017 г.; б – спутниковое изображение OLI Landsat 8 от 07.12.2021 г.; в – спутниковое изображение MSI Sentinel-2 от 30.09.2022 г.; г – данные о полях ветра MERRA-2 от 05.03.2017 г.; д – данные о полях ветра MERRA-2 от 07.12.2021 г.; е – данные о полях ветра MERRA-2 от 30.09.2022 г.

 

Западный тип распространения

Наиболее часто по спутниковым данным наблюдается смещение плюма Кубань на запад – “западный” тип (35% за 2019–2023 гг.). Пример таких плюмов продемонстрирован на спутниковых изображениях MSI Sentinel-2 от 03.07.2017 г. (рис. 10, а) и OLI Landsat 8 от 02.09.2018 г. (рис. 10, б). В случае от 03.07.2017 г. мутные речные воды продвигаются в западном направлении, в то время как над акваторией наблюдался северо-западный ветер со скоростью до 5–6 м/с (рис. 10, в). Аналогично распространялся плюм зафиксированный 02.09.2018 г. при воздействии западного ветра до 8 м/с (рис. 10, г).

 

Рис. 10. а – Спутниковое изображение MSI Sentinel-2 от 03.07.2017 г.; б – спутниковое изображение OLI Landsat 8 от 02.09.2018 г.; в – данные о полях ветра MERRA-2 от 03.07.2017 г.; г – данные о полях ветра MERRA-2 от 02.09.2018 г.

 

Восточный тип распространения

На рис. 11, а, б представлен пример распространения плюма Кубани на восток. В первую очередь, “восточный” тип распространения плюма спутниковых данных фиксируется при ветре западных румбов. В случае, продемонстрированном на спутниковом изображении Landsat 8 от 11.05.2020 г. (рис. 11, а) поток речных вод направлен на восток под действием продолжительного и интенсивного юго-западного ветра со скоростью до 8 м/с (рис. 11, в).

 

Рис. 11. а – Спутниковое изображение OLI Landsat 8 от 11.05.2020 г.; б – спутниковое изображение OLI Landsat 8 от 11.04.2018 г.; в – данные о полях ветра MERRA-2 от 11.05.2020 г.; г – данные о полях ветра MERRA-2 от 11.04.2018 г.

 

Однако достаточно часто поток мутных речных вод попадая в акваторию отклоняется на восток при условиях низкой скорости ветра независимо от направления, как в случаях 11.04.2018 г. (рис. 11, б) когда скорость ветра над акваторией не превышала 2–3 м/с (рис. 11, г). Причиной такого отклонения является, по-видимому, сила Кориолиса, которая вызывает перенос легких пресных вод вправо от устья в Северном полушарии.

Вдольбереговой тип распространения

В случае если мутные речные воды прижаты к берегу, такие плюмы идентифицировались как “вдольбереговые”, как показано на примере от 04.05.2017 г. и 16.09.2017 г. (рис. 12, а, б). Как правило, этот тип распространения возникает при ветрах северных румбов (рис. 12, в, г). При этом поток мутных вод может распространяться вдоль берега в большей мере в западном или восточном направлении. Однако достаточно часто под влиянием ветра плюм прижимает воды в разные стороны от устья и определить преимущественное направление плюма затруднительно.

 

Рис. 12. а – Спутниковое изображение MSI Sentinel-2 от 04.05.2017 г.; б – спутниковое изображение MSI Sentinel-2 от 16.09.2017 г.; в – данные о полях ветра MERRA-2 от 04.05.2017 г.; г – данные о полях ветра MERRA-2 от 16.09.2017 г.

 

Межгодовая и межсезонная изменчивость распространения плюмов Кубани по спутниковым данным

На основе многолетнего анализа спутниковых данных Landsat-8,9 и Sentinel-2 за 2019–2023 гг. была проанализирована частота наблюдения различных типов распространения плюмов (рис. 13, 14). Всего было проанализировано 266 снимков, на которых отсутствовало интенсивное взмучивание вод и обширный облачный покров над Темрюкским заливом.

 

Рис. 13. а – Направление распространения плюмов за 2019–2023 гг. по безоблачным спутниковым данным MSI Sentinel-2 и OLI Landsat 8-9 по сезонам; роза ветров за 2019–2013 гг. по данным реанализа ERA5: б – январь; в – апрель; г – июль; д – октябрь.

 

Рис. 14. Направление распространения плюмов по спутниковым данным и роза ветров за: а – 2019 г.; б – 2020 г.; в – 2021 г.; г – 2022 г.; д – 2023 г.; е – направление распространения плюмов по спутниковым данным за исследовательский период 2019–2023 гг.

 

Результаты анализа сезонной изменчивости (рис. 13, а) показали, что в летне-осенние месяцы мутные речные воды чаще продвигались на запад (42% и 60% соответственно), что соответствует преимущественному восточному и северо-восточному направлению ветра в эти сезоны, как показано на примере розы ветров для июля и октября (рис. 13, г, д). Весной большинство наблюдаемых плюмов относилось к “восточному” типу распространения (37%) и несколько реже к “западному” (32%) при воздействии преобладающих юго-западных и немного реже северо-восточных ветров (рис. 13, в). В зимний период 42% зафиксированных плюмов были направлены на север. Следует отметить, что в силу регулярного и обширного облачного покрова над районом исследования, для зим доступно наименьшее количество подходящих оптических спутниковых изображений.

За исследуемый период 2019–2023 гг. в большинстве случаев фиксировались плюмы западного направления (2019 – 45%, 2020 – 49%, 2021 –31%, 2022 – 35% и 2023 – 45% случаев), кроме 2021 года, когда чаще плюмы распространялись на восток, как показано на рис. 14. Всего за исследовательский период “западный” тип распространения наблюдался в 35% случаев, “восточный” тип в 25%, “северный” тип – 21%, “вдольбереговой” – 19% (рис. 14, е).

Полученные результаты по годам также сопоставлялись с данными о направлении ветра. Было установлено, что преимущественное западное направление распространения плюма совпадало с преобладающим северо-восточным направлением ветра над акваторией (Дьяков и др., 2010; Наумова и др., 2010). Исключением являлся 2021 год. По розе ветров за 2021 год (рис. 14, г) видно, что наряду с доминирующим северо-восточным ветром наблюдается усиление юго-западного ветра, что, вероятно и поспособствовало более частому продвижению плюмов на восток Темрюкского залива.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Кубань является одной из важнейших рек, впадающих в Азовское море, в значительной мере влияющих на экологическое состояние акватории. С речными водами в Темрюкский залив попадает большое количество взвешенных и биогенных веществ. На основе спутниковых данных исследованы особенности проявления плюмов реки Кубань.

На спутниковых изображениях в естественных цветах плюмы Кубани представляют собой мезомасштабную структуру в приустьевой зоне в виде двух основных струй вод с повышенной мутностью. При высоких скоростях ветра воды Азовского моря подвергаются интенсивному взмучиванию, в результате чего плюм Кубани может не идентифицироваться.

В силу температурных отличий поток речных вод также может выделяться по полю ТПМ. В большинстве наблюдаемых случаев плюмы основного устья реки Кубань были либо теплее окружающих, либо были близки к температуре морских вод.

На основе анализа многолетнего архива оптических спутниковых данных было выделено 4 типа распространения вод Кубани: “северный”, “восточный”, “западный”, “вдольбереговой”. За период 2019–2023 гг. в большинстве случаев фиксировались плюмы западного направления (2019 – 45%, 2020 – 49%, 2022 – 35% и 2023 – 45% случаев), кроме 2021 года, когда чаще плюмы распространялись на восток (в 37% случаев), что связано с усилением в этот год юго-западного ветра. Всего за исследовательский период “западный” тип распространения наблюдался в 35% случаев, “восточный” тип в 25%, “северный тип” – 21%, “вдольбереговой” – 19%.

Направление распространения плюма реки Кубань в основном определяется ветровыми условиями. Обширные плюмы могут наблюдаться течении всего года независимо от времени года. Связаны с кратковременными паводками в результате обильных осадков. Как правило, наиболее обширные плюмы проявляются на спутниковых изображениях при “северном” типе распространения.

ИСТОЧНИК ФИНАНСИРОВАНИЯ

Исследование было выполнено при поддержке гранта РНФ 23-27-00421 “Развитие методов спутникового мониторинга аномальных процессов в морских экосистемах на основе многоспектрального подхода”.

×

About the authors

N. V. Vasilenko

Marine Hydrophysical Institute of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: nadinkot.nk@gmail.com
Russian Federation, Sevastopol

A. A. Kubryakov

Marine Hydrophysical Institute of the Russian Academy of Sciences

Email: nadinkot.nk@gmail.com
Russian Federation, Sevastopol

S. V. Stanichny

Marine Hydrophysical Institute of the Russian Academy of Sciences

Email: nadinkot.nk@gmail.com
Russian Federation, Sevastopol

References

  1. Aleskerova A.A., Kubryakov A.A., Stanichny S.V. A two-channel method for retrieval of the Black Sea surface temperature from Landsat-8 measurements // Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2016. Vol. 52. No. 9. P. 1155–1161. doi: 10.1134/S0001433816090048
  2. Bandurin M.A., Volosukhin V.A., Prikhodko I.A., Romanova A.S. Features of growing irrigated soybeans with complex mineral nutrition // Agrarnyy nauchnyy zhurnal. 2022. No. 11. P. 9–14. (In Russian) http://10.28983/asj.y2022i11pp9-14
  3. Berdnikov S.V., Dashkevich L.V., Kulygin V.V. Climatic conditions and hydrological regime of the Sea of Azov in the XX – early XXI centuries // Vodnye bioresursy i sreda obitaniya. 2019. Vol. 2. No. 2. P. 7–19. (in Russian)
  4. Gar’kusha, D., Fedorov, Yu., Trubnik, R., Dotsenko, N. Methane and hydrogen sulfide in the bottom sediments of the estuaries of the Azov-Black sea basin // Anthropogenic Transformation of Nature, 2022. 8(1). pp. 6–20. (in Russian) https://doi.org/10.17072/2410-8553-2022-1-6-20
  5. Getmanenko V.A., Gubanov E.P., Izergin L.V. Impact assessment of the regulation of rivers on preservation and reproduction of the Azov sea biological resources // Trudy Yuzhnogo nauchno-issledovatel’skogo instituta rybnogo hozyajstva i okeanografii. 2010. Vol. 48. P. 52–58. (in Russian)
  6. Dyakov N.N., Fomin V.V., Martynov E.S., Garmashov A.V. Wind and wave regime of the sea of Azov // Ecological Safety of Coastal and Shelf Zones and Comprehensive Use of Shelf Resources. 2010. No. 22. P. 228–239. (in Russian)
  7. Zavialov P.O., Makkaveev P.N., Konovalov B.V., Osadchiev A.A., Khlebopashev P.V., Pelevin V.V., Grabovskiy A.B., Izhitskiy A.S., Goncharenko I.V., Polukhin A.A., Soloviev D.M. Hydrophysical and hydrochemical characteristics of the sea areas adjacent to the estuaries of small rivers of the Russian coast of the Black Sea // Oceanology. 2014. Vol. 54, No. 3. P. 265–280. doi: 10.1134/S0001437014030151. Vol. 1. No. 3–4. P. 32–39. (in Russian)
  8. Ivanov A.Yu., Khlebnikov D.V., Konovalov B.V., Evtushenko N.V., Terleeva N.V. Manifestations of river outflows in the Black Sea in remote sensing data // Sovremennye problemy distantsionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa. 2018. Vol. 15. No. 5. P. 191–202. doi: 10.21046/2070-7401-2018-15-5-191-202 (in Russian)
  9. Kosenko Yu.V., Baskakova T.E., Kartamysheva Т.B. Role of the Don river flow in productivity formation of the Taganrog bay // Vodnye bioresursy i sreda obitaniya. 2018.
  10. Kosolapova N.A. Water resource development potential regions in the basins of the rivers Don and Kuban // Upravlenie e`konomicheskimi sistemami: e`lektronny`j nauchny`j zhurnal. 2016. No. 7 (89). P. 18. (in Russian)
  11. Kubryakov A.A., Stanichny S.V., Zatsepin A.G., Kremenetskiy V.V. Distribution of river waters in the Black and Kara seas according to satellite measurements of level, salinity and chlorophyll A // Ecological Safety of Coastal and Shelf Zones and Comprehensive Use of Shelf Resources. 2013. No. 27. P. 394–398. (in Russian)
  12. Lavrova O.Yu., Nazirova K.R., Alferyeva Ya.O., Knyazev N.A. Removal of the river Kuban to Temryuk Bay: satellite observations and in-situ measurements // Materialy 18 Vserossijskoj Otkrytoj konferencii s mezhdunarodnym uchastiem
  13. Sovremennye problemy distantsionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa”. 16–18 Nov. 2020. Space Research Institute, 2020. P. 218. doi: 10.21046/18DZZconf-2020a (in Russian)
  14. Lomakin, P.D., Chepyzhenko A.I., Chepyzhenko А.А. Field of the Colored Dissolved Organic Matter Concentration in the Sea of Azov and the Kerch Strait Waters Based on Optical Observations // Physical Oceanography. 2016. No. 5. P. 71–83. doi: 10.22449/1573-160X-2016-5-71-83
  15. Malysheva N.N., Yakuba S.N. Development of Melioration in Kuban and Rational Water Use in Irrigation of Rice // Risovodstvo. 2017. No. 4. P. 47–56. (in Russian)
  16. Mikhailov V.N., Magritskij D.V. Water balance of Kuban river delta and evaluation of Kuban water inflow into the Azov Sea. Trudy Gosudarstvennogo okeanograficheskogo instituta, 2008, No. 211, P. 222–248 (in Russian)
  17. Nazirova K.R., Lavrova O.Yu., Krayushkin E.V., Soloviev D.M., Zhuk E.V., Alferyeva Ya.O.
  18. Features of river plume parameter determination by in situ and remote sensing methods // Sovremennye problemy distantsionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa. 2019. Vol. 16. No. 2. P. 227–242. doi: 10.21046/2070-7401-2019-16-2-227-243 (in Russian)
  19. Naumova V.A., Evstigneev M.P., Evstigneev V.P., Lyubarec E.P. Wind-wave conditions of the Azov-Black Sea coast of Ukraine // Sbornik nauchnyh trudov UkrNIGMI. 2010. 259. P. 263–283. (in Russian)
  20. Osadchiev A.A. Spreading of the Amur River plume in the Amur Liman, Sakhalin Gulf, and the Strait of Tartary // Oceanology. 2017. Vol. 57. No. 3. P. 376–382. doi: 10.1134/S0001437017020151
  21. Papenko I.N., Epatko A.F., Tkhagapso F.A. Regulation of Water in the Kuban River Basin // Politematicheskij setevoj e`lektronny`j nauchny`j zhurnal Kubanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2008. No. 37. P. 27–48. (in Russian)
  22. Reshetnyak O.S., Komarov R.S. Interannual and seasonal variability of chemical runoff along the main delta branches of the Kuban river // Vestnik Moskovskogo universiteta. Seriya 5. Geografiya. 2023. No. 1. P. 95–105. doi: 10.55959/MSU0579-9414.5.78.1.8 (in Russian)
  23. Simov V.G., Dyakov N.N., Shevela L.A. Inflow of river water into the Sea of Azov // Ecological Safety of Coastal and Shelf Zones and Comprehensive Use of Shelf Resources. 2010. No. 23. P. 145–152. (in Russian)
  24. Sorokina V.V., Berdnikov S.V. Mathematical modeling of the terrigenous sedimentation in the Sea of Azov // Oceanology. 2008. Vol. 48. No. 3. P. 418–427. doi: 10.1134/S0001437008030144.
  25. Sorokina V.V., Berdnikov S.V. Nutrient Loading of the Don and Kuban on the Ecosystem of the Sea of Azov // Water Resources. 2018. Vol. 45, No. 6. P. 920–934. doi: 10.1134/S0097807818060143
  26. Spiridonova E.O., Panov B.N. Сhanges of the Structure Indicators and the Salinity Field Average Value in the Sea of Azov // Physical Oceanography. 2021. Vol. 28. No. 3. P. 282–293. doi: 10.22449/1573-160X-2021-3-282-293
  27. Shchegolikhina M.S., Lavrova O.Yu. Monitoring of river and bay discharges with the help of satellite images of visible range // Vestnik Tverskogo gosudarstvennogo universiteta, Seriya “Geografiya i Geoekologiya”, 2018, No. 3, pp. 180–191. https://doi.org/10.26456/2226-7719-2018-3-180-191 (in Russian)
  28. Brando V.E., Braga F., Zaggia L., Giardino C., Bresciani M., Matta E., Bellafiore D., Ferrarin C., Maicu F., Benetazzo A., Bonaldo D., Falcieri F.M., Coluccelli A., Russo A., Carniel S. High-resolution satellite turbidity and sea surface temperature observations of river plume interactions during a significant flood event // Ocean Science. 2015. Vol. 11. No. 6. P. 909–920. doi: 10.5194/os-11-909-2015
  29. Kubryakov A.A., Stanichny S.V., Zatsepin A.G. Interannual variability of Danube waters propagation in summer period of 1992–2015 and its influence on the Black Sea ecosystem // Journal of Marine Systems. 2018. Vol. 179. P. 10–30. doi: https://doi.org/10.1016/j.jmarsys.2017.11.001
  30. Lavrova O.Yu., Soloviev D.M., Strochkov M.A., Bocharova T.Y., Kashnitsky A.V. River plumes investigation using Sentinel-2A MSI and Landsat-8 OLI data // Remote Sensing of the Ocean, Sea Ice, Coastal Waters, and Large Water Regions 2016. SPIE. 2016. Vol. 9999. P. 125–136.
  31. Shi W., Wang M. Satellite observations of flood‐driven Mississippi River plume in the spring of 2008 // Geophysical Research Letters. 2009. Vol. 36. №. 7. doi: 10.1029/2009GL037210

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Manifestation of the Kuban River plume according to satellite data: a - OLI Landsat-8 from 05.09.2016 in natural colours (RGB composite); b - MSI Sentinel-2 (band 4) from 04.03.2020.

Download (325KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. OLI Landsat 8 satellite image from 16.05.2019.

Download (330KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. a - OLI Landsat 8 satellite image from 13.10.2018; b - MSI Sentinel-2 satellite image from 13.02.2020; c - MERRA-2 wind field data from 13.10.2018; d - MERRA-2 wind field data from 13.02.2020.

Download (890KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. a - Satellite image OLI Landsat 8 from 10.02.2022; b - Precipitation amounts in the Kuban River basin area according to MERRA-2 Model data for the period 07.02.2022-12.02.2022; c - Air temperature variability over the lower catchment area of the Kuban River basin according to MERRA-2 Model data for the period 06.02.2022-12.02.2022. c - Variability of air temperature over the lower catchment area of the Kuban River basin according to MERRA-2 Model data for the period 06.02.2022-12.02.2022; d - Graph of water level in the Kuban River according to the gauging station in Temryuk for the period 01.02.2022-13.02.2022. Data obtained from the portal https://allrivers.info/.

Download (361KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Manifestation of the Kuban plume according to Landsat 8 data. a - RGB composite in natural colours from 28.02.2017; b - sea surface layer temperature field from 28.02.2017; c - RGB composite in natural colours from 19.10.2023; d - sea surface layer temperature field from 19.10.2023.

Download (697KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Satellite images from 31.08.2022 a - SAR-C Sentinel-1 (03:40 UTC); b - MSI Sentinel-2 (08:37 UTC).

Download (260KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Satellite image of SAR-C Sentinel-1 from 30.01.2017.

Download (647KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Examples of plume spreading from Sentinel-2 data (band 4). a - 18.02.2020 (‘northern’ type of spreading); b - 04.04.2017 (‘eastern’ type of spreading); c - 02.08.2017 (“western” type of spreading); d - 12.07.2020 (‘longshore’ type of spreading).

Download (941KB)
Indexing metadata
10. Fig. 9. a - MSI Sentinel-2 satellite image from 05.03.2017; b - OLI Landsat 8 satellite image from 07.12.2021; c - MSI Sentinel-2 satellite image from 30.09.2022; d - MERRA-2 wind field data from 05.03.2017; e - MERRA-2 wind field data from 07.12.2021; f - MERRA-2 wind field data from 30.09.2022.

Download (817KB)
Indexing metadata
11. Fig. 10. a - MSI Sentinel-2 satellite image from 03.07.2017; b - OLI Landsat 8 satellite image from 02.09.2018; c - MERRA-2 wind field data from 03.07.2017; d - MERRA-2 wind field data from 02.09.2018.

Download (802KB)
Indexing metadata
12. Fig. 11. a - OLI Landsat 8 satellite image from 11.05.2020; b - OLI Landsat 8 satellite image from 11.04.2018; c - MERRA-2 wind field data from 11.05.2020; d - MERRA-2 wind field data from 11.04.2018.

Download (790KB)
Indexing metadata
13. Fig. 12. a - MSI Sentinel-2 satellite image from 04.05.2017; b - MSI Sentinel-2 satellite image from 16.09.2017; c - MERRA-2 wind field data from 04.05.2017; d - MERRA-2 wind field data from 16.09.2017.

Download (799KB)
Indexing metadata
14. Fig. 13. a - Direction of plume propagation for 2019-2023 from cloud-free MSI Sentinel-2 and OLI Landsat 8-9 satellite data by season; wind rose for 2019-2013 from ERA5 reanalysis data: b - January; c - April; d - July; e - October.

Download (619KB)
Indexing metadata
15. Fig. 14. Plume propagation direction from satellite data and wind rose for: a - 2019; b - 2020; c - 2021; d - 2022; e - 2023; f - plume propagation direction from satellite data for the research period 2019-2023.

Download (396KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences