Динамико-стохастическое моделирование многолетнего уровенного режима Каспия применительно к раннехвалынской и позднехвалынской трансгрессиям

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Приведены результаты динамико-статистического моделирования многолетних колебаний уровня Каспийского моря применительно к раннехвалынской (буйнакская стадия) и позднехвалынской (махачкалинская стадия) трансгрессиям. Обоснована применимость для палео-Каспия линеаризованной модели колебаний уровня Каспия с отрицательной обратной связью, формируемой зависимостью площади акватории моря от уровня воды в нем. Расчеты проводились на основе результатов имитационного и аналитического моделирования. Показано, что режимы многолетних колебаний уровня палео-Каспия для рассмотренных трансгрессий различаются. Например, для ранне- и позднехвалынской трансгрессий дисперсия уровня Каспийского моря равна 4.2 и 2.5 м2 соответственно, средняя длительность выбросов уровня за равновесную отметку в течение одного выброса равна ~50 и ~40 лет соответственно. Оценки длительности выбросов могут быть использованы для оценки возможности образования во время длительных выбросов уровня Каспия различных прибрежно-шельфовых геоморфологических форм. Полученные характеристики процессов многолетних колебаний уровня моря – дисперсия, автокорреляция, плотность распределения вероятности, средняя длительность выбросов выше (ниже) заданных отметок уровня в течение одного выброса, зависимость параметра инерционности колебаний уровня существенно расширяют представления о характере колебаний уровня Каспия в палеовремени.

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Обращение к палеоистории Каспия дает возможность исследовать его уровенный режим в климатических условиях, существенно отличающихся от современных, и тем самым расширить представления о закономерностях колебаний уровня моря.

Выбор стадий хвалынских трансгрессий для моделирования колебаний уровня Каспийского моря (УКМ) обусловлен учетом следующих обстоятельств.

Во-первых, для исследуемых стадий равновесные отметки уровня Каспия находятся на расстоянии, обеспечивающим отсутствие пересечений моделируемых реализаций уровня. Под равновесной отметкой уровня h* воды в бессточном водоеме понимается та отметка, при которой площадь акватории F* расходует слой эффективного испарения е* (разность между слоями испарения и осадков на акваторию), равный слою поступления воды в водоем q*; площадь акватории F* в этом случае называется равновесной площадью. Разница в ~20 м между равновесными отметками уровня УКМ для ранне- и позднехвалынской трансгрессий (РХвТ и ПХвТ) обеспечивает моделирование колебаний уровня, моря происходивших в “непересекающихся” климатических условиях.

Во-вторых, существенно, что выделение именно этих трансгрессий в палеоистории Каспия надежно подтверждается результатами геоморфологического анализа рельефа и слагающих его осадков на фоне и с учетом общегеографических закономерностей [4, 11, 16, 19, 20]

Многолетний режим колебаний уровней воды в естественных водоемах зависит в основном от двух факторов, условно называемых внешним и внутренним. Под внешним фактором понимается влияние климатических условий в бассейнах водоемов, внутренний фактор определяется особенностями механизма колебаний уровня [3, 4, 12–13, 16, 21–24, 33–36, 38–40, 42–48] Действие внешнего фактора проявляется в изменениях параметров водного баланса водоемов. Внутренний фактор обусловлен особенностями морфометрии водоемов и для проточных озер наличием зависимости оттока из водоема от уровня воды в нем. Уровни воды и площади акваторий озер интегрально реагируют на изменения составляющих водного баланса озерных водосборов, тем самым выступая косвенными индикаторами (“proxy-indicators” [43]) климатических изменений на водосборах.

Ранне- и позднехвалынская трансгрессии Каспия происходили при различных режимах водного баланса и уровня моря. Оценки времени и продолжительности хвалынских трансгрессий различных авторов различаются. Примерные времена ХвТ и ПХвТ оцениваются интервалами: от >30 000 до 17 000 л. н. и 16 000–9 000 л. н. соответственно [2, 4, 10, 20–24].

Для РХвТ Каспия моделировали многолетние колебания УКМ для буйнакской стадии, когда равновесный уровень, по оценкам [16, 20, 35–36], был ~ +21…+22 м БС. Для моделирования многолетних колебаний УКМ в ПХвТ рассматривалась стадия ее максимального развития – махачкалинская – при отметках равновесного уровня 0…+2 м БС [4, 16, 20]. Поскольку отток морской воды через Манычский пролив и демпфирующее влияние оттока в зал. Кара-Богаз-Гол отсутствовали на рассматриваемых стадиях хвалынских трансгрессий – буйнакской стадии РХвТ (например, [20]) и махачкалинской стадии ПХвТ – Каспийское море рассматривалось как бессточный водоем.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Цель настоящего исследования – моделирование многолетних колебаний уровня Каспия для условий РХвТ и ПХвТ и выявление особенностей многолетнего уровенного режима моря при существенно более высоких, по сравнению с современными, отметок уровня моря.

Реконструкции колебаний УКМ для различных интервалов палеовремени в том или ином виде содержатся в работах Г.И. Рычагова; О.К. Леонтьева и П.В. Федорова; С.И. Варущенко, А.Н. Варущенко и Р.К. Клиге; А.А. Свиточа; Т.А. Яниной [4, 11, 19–24, 35, 36] и многих других исследователей.

Шаг по времени отметок уровня моря в этих исследованиях составляет порядка ста лет при длительности рассматриваемых периодов времени в тысячи лет. Исключение, по-видимому, – только реконструкция УКМ для последних примерно 2600 лет [4] с 10-летней дискретностью. В настоящем исследовании дискретность вариаций УКМ равна 1 году, что позволяет сравнивать статистические параметры уровня палео- и современного Каспия.

Особенность данного исследования, в отличие от проведенных ранее, заключается в моделировании, но не реконструкции (не восстановлении календарного хода) уровня палео-Каспия. Моделирование колебаний УКМ в этом случае не требует календарных рядов восстановленных величин речного притока в море и эффективного испарения, обычно оцениваемых по не очень надежным корреляционным зависимостям с температурой воды в море, воздуха и т. п. В данном случае под сценариями водного баланса палео-Каспия понимаются некоторые наборы статистических характеристик компонент водного баланса моря. Для оценки этих характеристик применялась экстраполяция соответствующих современных зависимостей, установленных С.Г. Добровольским [6], например – зависимость коэффициента вариации притока в море от площади водосбора водоема и т. п.

Моделирование многолетних колебаний УКМ на основе сценариев (вариантов) водного баланса моря проводилось в рамках динамико-стохастического (ДС) подхода.

При этом решались следующие задачи: 1) обоснование сценариев водного баланса моря для РХвТ и ПХвТ; 2) оценка влияния параметров притока в море и эффективного испарения с его акватории, а также особенностей морфометрии чаши моря на основные характеристики многолетних колебаний УКМ, в частности, на параметр инерционности УКМ. Другими словами, оценивалось влияние внешней и внутренней составляющих механизма формирования уровенного режима Каспия на статистические характеристики колебаний УКМ.

Существенно, что данный подход гарантирует сохранение физически обоснованных корреляционных зависимостей между компонентами водного баланса моря (между притоком и эффективным испарением, между уровнем и притоком, между уровнем и эффективным испарением).

Применение динамико-стохастической модели многолетних изменений УКМ дает возможность оценить, в дополнение к существующим оценкам среднего (равновесного) уровня моря, целый набор существенных для понимания характера колебаний уровня статистических параметров УКМ – размах (дисперсию), среднюю продолжительность выбросов уровня за определенные отметки, автокорреляцию уровня и др.

Заметим, что во многих исследованиях по колебаниям уровней естественных водоемов понятия “равновесный” и “средний” уровни отождествляются, что в общем случае, как показано в [14, 15], не вполне корректно. Однако для условий Каспия, в первом приближении при независимом от уровня моря испарении с акватории и для достаточно длительных интервалов времени, можно принять, что отметки уровня моря, равновесные и средние, близки.

Источниками информации о характерных отметках УКМ и основных характеристиках водного баланса моря применительно к рассматриваемым этапам хвалынских трансгрессий и к современному режиму УКМ были данные из [4, 5, 7, 14, 15, 17, 25, 26].

СЦЕНАРИИ ВОДНОГО БАЛАНСА КАСПИЯ ДЛЯ РХВТ И ПХВТ

Принятые в работе варианты водного баланса палео-Каспия используют результаты исследований специалистов в палеогеографии и палеогеоморфологии [16, 19–26, 35, 36]. Следует заметить, что характеристики компонент водного баланса Каспия могут несколько различаться у различных авторов. Даже для времени инструментальных наблюдений нет принятого всеми исследователями единого “канонического” водного баланса Каспия (например, в [5, 7, 41]. Таким образом, допуская примерно равную обоснованность всех вариантов водного баланса палео-Каспия, возможно допустить некоторую свободу выбора того или иного варианта.

За среднемноголетний сток Волги принималась величина 500 км3/год [26, 27]. Предполагалось, что современное соотношение между стоком Волги и суммарным стоком остальных рек, впадающих в море (~85% и ~15% соответственно) выполнялось во времена РХвТ и ПХвТ. Следовательно, суммарный речной приток оценивается величиной qVolga = 588 км3/год, речной приток в море без стока Волги равен qother rivers = 88 км3/год. С учетом подземного притока в 4 км3/год суммарное поступление воды с поверхностным и подземным притоком для РХвТ равно 592 км3/год. Отсюда, в соответствии с зависимостями между объемом притока, площадью акватории Каспия и слоем эффективного испарения, полученными А.В. Паниным и Е.В. Селезневой [16], среднемноголетний слой эффективного испарения в РХвТ оценивается величиной 0.71 м/год.

Дисперсия и коэффициент автокорреляции суммарного притока в Каспий оценены экстраполяцией зависимостей [6] между средним стоком рек и его важнейшими статистическими параметрами – коэффициентами вариации и автокорреляции. С помощью экстраполяции на время РХвТ зависимостей для современных рек получены следующие характеристики стока палео-Волги: коэффициент автокорреляции r и коэффициент вариации r стока оцениваются величинами r ~ 0.3 и 0.17 соответственно, дисперсия стока палео-Волги – (0.17×500)2 ~ 7.2×103 (км3/год)2.

Оценка дисперсии D[q] суммарного поверхностного притока q = q Volga + qother rivers в море была получена с учетом современных данных, содержащимися в [5, 41], D[q] ~ 8.1×103 (км3/год)2. При этом принимались следующие предположения: коэффициент вариации Cvq other rivers = 0.15, дисперсия суммы стока рек без стока Волги равна D[qother rivers] ~ 180 (км3/год)2, коэффициент взаимной корреляции между стоком Волги и остальной частью притока равен r (qVolga qother rivers) = 0.3. Коэффициент вариации суммарного поступления воды с речным и подземным притоком оказывается при этом равным Cv = (8.1×103)0.5/592 ~ 0.15.

По параметрам эффективного испарения с акватории Каспия для палеоусловий РХТ по аналогии с современными климатическими условиями принимаем допущение о величине коэффициента вариации Cvevap = 0.1 и коэффициента автокорреляции revap = 0.2.

Коэффициент взаимной корреляции между эффективным испарением и суммарным речным притоком в море принимался равным –0.3, т. е. предполагалась физически допустимая слабая отрицательная корреляция.

Аналогично оценены параметры суммарного речного (включая подземный) притока и эффективного испарения для ПХвТ.

Равновесные характеристики уровня воды, площади и основных составляющих водного баланса Каспия для РХвТ и ПХвТ приведены в табл. 1.

 

Таблица 1. Равновесные характеристики уровня, площади суммарного притока и эффективного испарения для ранне- и позднехвалынских трансгрессий Каспия (использованы зависимости между равновесными величинами уровня, площади и основных составляющих водного баланса, полученные А.В. Паниным и Е.В. Селезневой [16])

Равновесные характеристики

Стадии хвалынских трансгрессий Каспия

ранняя

поздняя

Уровень, м БС

+22

0

Площадь акватории, тыс. км2

834

704

Суммарный приток, км3/год

592

528

Эффективное испарение, м/год

0.71

0.75

 

Средний слой эффективного испарения с акватории Каспия оценен величиной 0.75 м/год, что несколько меньше аналогичной оценки для условий ПХвТ. Увеличение слоя эффективного испарения с акватории Каспия для ПХиТ соответствует характеристике Т.А. Яниной [35], данной позднехвалынскому Каспию как “умеренно тепловоднодного” водоема по сравнению с “холодноватым” раннехвалынским Каспием.

ВЫБОР ДИНАМИКО-СТОХАСТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ МНОГОЛЕТНИХ КОЛЕБАНИЙ УКМ

В настоящее время имеются два основных вида ДС-модели колебаний уровня Каспия, отличающиеся описанием процесса многолетних колебаний эффективного испарения с морской акватории.

К первому виду относятся модели из [1, 3, 8, 9, 14, 15], в которых эффективное испарение рассматривается как случайный процесс, не зависящий от уровня воды в море. Этот вид модели колебаний УКМ получил значительное развитие в фундаментальных работах С.В. Музылева [14, 15], посвященных построению дифференциальной стохастической модели колебания уровня бессточного озера на основе методов неравновесной статистической механики и статистической радиотехники. Несколько позже В.Е. Привальский [18] разработал дискретный аналог ДС-модели С.В. Музылева. Результаты моделирования колебаний УКМ с учетом оттока морской воды в зал. Кара-Богаз-Гол впервые были опубликованы в 1985 г. в монографии автора настоящей статьи [27]. Перечисленные модели иногда называются “линейными” по типу исходного уравнения, описывающего колебания уровня водоема моря, допускающего линеаризацию без потери физического смысла.

Второй вид моделей колебаний УКМ, в котором представлена функциональная зависимость эффективного испарения e(h) с акватории водоема от глубины h, впервые предложен М.Г. Хубларяном и В.И. Найденовым [32]. Этот вид иногда называют “нелинейными моделями” в том смысле, что уравнение, описывающее колебания воды в водоеме, не допускает линеаризацию без существенной потери физического смысла. Дальнейшие исследования “нелинейной” ДС-модели УКМ получили развитие в работах автора настоящей статьи [28–31].

Влияние зависимости испарения от глубины водоема на колебания уровня воды в нем определяется наличием мелководий, занимающих значительную часть акватории [27].

Для Каспия при отметке –28.0 м БС площадь мелководного Северного Каспия со средней глубиной 4.4 м вместе с мелководьями в прибрежных частях акватории (вдоль береговой линии длиной ~7000 км) составляет >25%. Столь значительная площадь мелководий резко отличает современный Каспий от всех крупных озер мира, и именно эта морфометрическая особенность способствует формированию зависимости эффективного испарения от уровня моря. Однако для времен РХвТ и ПХвТ, рассматриваемых в данном исследовании, равновесные отметки уровня, относительно которых колеблется УКМ, существенно выше современных, ~0 и ~+22 м БС соответственно. В работе автора настоящей статьи [28] показано, что при достаточном повышении уровня Каспия, вследствие уменьшения доли мелководий в общей площади морской акватории, влияние зависимости испарения от уровня становится пренебрежимо малым. Поэтому для времен РХвТ и ПХвТ многолетние колебания эффективного испарения с акватории Каспия моделируются случайным марковским процессом, не зависящим от уровня воды в море, что позволяет применить “линейную” модель колебаний УКМ.

МОДЕЛИРОВАНИЕ МНОГОЛЕТНИХ КОЛЕБАНИЙ УКМ

Для имитационного моделирования колебания УКМ использовалось система разностных стохастических уравнений: водобалансовое уравнение, описывающее вариации уровня моря ht, и уравнения, описывающие многолетние изменения суммарного речного притока в море qt и эффективного испарения et:

ht=ht-1+qtFht-etqt=ρqqt-1+wtqet=ρqet-1+wte, (1)

где F(ht) – площадь акватории моря как функция уровня воды ht в водоеме; qt и et – процессы авторегрессии 1-го порядка; ρq и ρe – коэффициенты автокорреляции притока и эффективного испарения соответственно; wtq и wte – белые негауссовы шумы в моделях qt и et соответственно; t – время (годы). Предполагалось, что процессы qt и et в общем случае взаимно коррелированы.

На рис. 1 приведены нелинейная зависимость площади акватории Каспия F(h) от уровня воды h в море и ее линейные аппроксимации вида F(h) = a + bh, где a и b – числовые коэффициенты.

 

Рис. 1. Зависимость площади акватории Каспия от уровня моря F(h), по данным [16], сплошная линия; координаты точек M и N – равновесные уровни и площади акватории Каспия для РХвТ и ПХвТ соответственно; прямые пунктирные линии 1 и 2 – линейные аппроксимации зависимости F(h) в окрестностях точек M и N соответственно

 

Очевидно, что числовые параметры линейных аппроксимаций зависят от равновесного уровня. Повышение равновесного уровня h* при нелинейной монотонно возрастающей выпуклой вверх зависимости F(h) приводит к уменьшению производной dF(h)/dh в точке h*. Физически это означает уменьшение действия отрицательной обратной связи в механизме колебаний УКМ, т. е. происходит увеличение “вертикальности” берегов моря. При колебаниях уровня моря относительно равновесных отметок, принимаемых за начало отсчета, коэффициент а имеет смысл равновесной площади; коэффициент b показывает изменение площади акватории при изменении уровня на 1 м. Для РХвТ a = 834 тыс. км2, b = 5.1 тыс. км2/м; для ПХвТ a = 704 тыс. км2, b = 7.6 тыс. км2/м.

Результаты модельных расчетов приведены в табл. 2.

 

Таблица 2. Статистические характеристики смоделированных составляющих водного баланса Каспия и УКМ для ранне- и позднехвалынской трансгрессий и современных условий

Характеристика

Среднее

Дисперсия

Равновесные

Параметр УКМ α, год–1

площадь Каспия, км2

уровень, м БС

Раннехвалынская трансгрессия

Приток, q

592 км3/год

8.1×103 (км3/год)2

834×103

+22

4.3×10–3

Эффективное испарение, e

0.71 м/год

5×10–3 (м/год)2

УКМ, h

21.91 м БС

4.2 м2

Позднехвалынская трансгрессия

Приток, q

528 км3/год

6.5×103 (км3/год)2

704×103

0

8.1×10–3

Эффективное испарение, e

0.75 м/год

6×10–3 (м/год)2

УКМ, h

0.02 м БС

2.5 м2

Позднехвалынская трансгрессия*

Приток, q

396 км3/год

3.528×103 (км3/год)2

661×103

0

6.9×10–3

Эффективное испарение, e

0.60 м/год

3.6×10–3 (м/год)2

УКМ, h

0.02 м БС

2.5 м2

Современный баланс Каспия **

Приток, q

281 км3/год

2.5×103 (км3/год)2

365×103

–28.5

3.0×10–2

Эффективное испарение, e

0.77 м/год

6.0×10–3 (м/год)2

УКМ, h

–28.48 м БС

0.9 м2

*По данным [4].

**По данным [5].

 

Заметим, что для предполагаемых вариантов водного баланса Каспия (табл. 2) можно качественно оценить некоторые особенности колебаний УКМ для РХТ и ПХТ, не прибегая к имитационному моделированию. Для этого сравним параметры инерционности α уровня Каспия, предполагая выполнение условий применимости линеаризованной модели колебаний УКМ для указанных трансгрессий. Параметр α инерционности уровня бессточного водоема определяется формулами

α=bqa2=be2q=bea, (2)

где a и b – коэффициенты в зависимости F(h) при отсчете уровня от равновесной отметки, принимаемой за нулевую, <q> и <e> – средние величины притока в водоем (км3/год) и слоя эффективного испарения с акватории водоема (м/год) [14, 15, 42, 46]. Величина α влияет на все статистические характеристики колебаний уровня водоема, в частности – на коэффициент автокорреляции уровня rh. Чем больше α, тем меньше автокорреляция уровня rh (при прочих равных), и наоборот. Зависимости α от среднего притока <q> в Каспийское море для двух различных средних величин слоя эффективного испарения <e> приведены на рис. 2.

 

Рис. 2. Зависимости параметра инерционности α уровня Каспия от среднего притока в море <q> при средних слоях эффективного испарения <e>, равных 0.71 и 0.75 м/год. Координаты точек М и N соответствуют водным балансам Каспия для РХвТ и ПХвТ

 

Из формулы (2) следует, что при фиксированных среднем и дисперсии эффективного испарения увеличение среднего притока (при неизменной дисперсии) в Каспий приводит к уменьшению параметра инерционности α и к соответствующему увеличению дисперсии колебаний УКМ. Аналогичное уменьшение α происходит при фиксированных параметрах притока и уменьшении среднего испарения (при неизменной дисперсии).

Поскольку автокорреляционная функция уровня rh(τ) в данном случае имеет вид rh (τ) ≈ exp (-ατ), то величина τ = 1/α приближенно определяет время корреляции уровня [14, 15], или, в англоязычном варианте, “equilibrium response time” [42, 45]. С учетом данных о водном балансе Каспия из табл. 1 получаем оценки времени корреляции УКМ – τ ≈ 230 и τ ≈ 120 лет для РХвТ и ПХвТ соответственно. Отсюда следует, что режимы колебаний УКМ при РХвТ и ПХиТ были заметно разными. Для сравнения приведем современные оценки τ для уровенного режима: для бессточного Каспийского моря τ ≈ 33 года [15], для уровня Большого Соленого озера τ ~ 8 лет (по одному из вариантов [45]). Для “проточного” Каспия с зависимостью оттока морской воды в зал. Кара-Богаз-Гол от уровня моря, действовавшей в 1948–1980 гг., время корреляции уровня уменьшается до τ ~ 20 лет [27].

По смоделированным рядам УКМ длительностью 105 лет построены соответствующие гистограммы и гауссовы плотности распределения вероятности (ПРВ) (рис. 3).

 

Рис. 3. Гистограммы (столбики) и плотности распределения вероятности (линии) уровня Каспия: (а) для раннехвалынской, (б) для позднехвалынской трансгрессий

 

Как и следовало ожидать, распределение вероятностей УКМ в обоих случаях близко к гауссову распределению – в силу теоремы о нормализации выходного процесса инерционной линейной системой [14, 15].

Для визуального сравнения многолетних режимов колебаний УКМ для РХвТ и ПХвТ на рис. 4 приведены фрагменты смоделированных рядов УКМ.

 

Рис. 4. Фрагменты смоделированных рядов УКМ для РХвТ и ПХвТ. и максимальная и минимальная отметки смоделированного УКМ для РХвТ, и – то же для ПХвТ

 

Реализации УКМ на рис. 4 наглядно показывают различие режимов колебаний УКМ. Например, размах колебаний уровня во время РХвТ больше, чем во время ПХвТ, и составляет 15.5 м и 12.0 м соответственно.

Представляет интерес оценка среднего времени пребывания χ (l) выше (или ниже) заданной отметки уровня l в течение одного выброса. Такая оценка может быть полезна при изучении особенностей формирования береговых форм палеорельефа. Согласно [15], теоретическая зависимость χ(l) имеет вид

χl=2πσhσdhdt1-Φlσhexpl22σh2, (3)

где σh2 – дисперсия уровня, σ(dh/dt) – стандарт производной уровня по времени; дисперсия производной уровня по времени равна

σdhdt2σq2a2-2σqσea+σe2, (4)

где σq2 – дисперсия притока в море, σe2 – дисперсия эффективного испарения, a – равновесная площадь акватории Каспия, Φ(l/σh) – интеграл вероятности. На рис. 5 представлены графики зависимостей среднего времени пребывания УКМ χ(l) выше (или ниже) заданной отметки уровня l в течение одного выброса для РХвТ и ПХвТ, построенные в соответствии с (3)–(4), и оценки, полученные по смоделированным рядам УКМ.

 

Рис. 5. Среднее время χ(l) пребывания УКМ выше заданной отметки h = l во время одного выброса: линии 1, 2 и 3 – теоретические зависимости для РХвТ, ПХвТ и современных условий соответственно; кружки и треугольники – выборочные оценки для РХвТ и ПХвТ соответственно

 

Из приведенных на рис. 5 графиков следует для РВхТ и ПХвТ следующее. Во-первых, реально нахождения УКМ, например, выше равновесных отметок на 2 м в течение относительно длительного времени, примерно 15–25 лет. То же относится к аналогичной возможности пребывания УКМ ниже равновесных отметок уровня Каспия. Во-вторых, длительность одного выброса выше (ниже) равновесных отметок УКМ для РХвТ заметно превышает соответствующую характеристику для ПХвТ (рис. 5).

Разница между величинами χ(l) для РХвТ и ПХвТ объясняется влиянием меньшего параметра инерционности УКМ α = 4.1×10–3 год–1 во время РХвТ по сравнению с величиной α = 6.9–8.1×10–3 год–1 во время ПХвТ. Для сравнения, в отсутствие оттока из Каспия в зал. Кара-Богаз-Гол современная величина α ~ 3×10–2 год–1.

ВЫВОДЫ

Для палеовремени – РХвТ и ПХвТ – при высоких равновесных уровнях моря, равных –22 и ~0 м БС соответственно, действие в механизме колебаний уровня положительной обратной связи, образованной зависимостью между уровнем и слоем испарения с акватории, становится пренебрежимо малым. Причина – превращение Северного Каспия из мелководной в “глубоководную” часть моря и соответствующее относительное уменьшение площади мелководий по отношению ко всему Каспию. При колебаниях УКМ в окрестностях отметок 0 и +22 БС отсутствует демпфирующее влияние оттока морской воды через прол. Маныч в Черное море и в зал. Кара-Богаз-Гол. Поэтому для моделирования многолетних колебаний УКМ применена динамико-стохастическая модель только с одной, отрицательной, обратной связью, формируемой зависимостью площади акватории моря от уровня воды в нем.

На уровенный режим Каспия, кроме составляющих водного баланса моря, определяющего положение равновесного уровня, влияет параметр a в зависимости площади акватории от уровня F(h). Для Каспия, чем выше равновесный уровень h*, тем меньше параметр инерционности уровня (при прочих равных), тем больше дисперсия уровня УКМ и тем больше разность между временами корреляции уровня и речного притока в море.

Для уровенного режима Каспия в палеовремени характерны более длительные по сравнению с современными серии лет с высоким (низким) положением уровня моря.

Смоделированные ряды многолетних колебаний УКМ могут быть использованы для оценки возможности образования различных прибрежно-шельфовых геоморфологических форм во время длительных выбросов уровня моря.

Полученные характеристики процессов многолетних колебаний уровня Каспия – дисперсия, автокорреляция, плотность распределения вероятности, средняя длительность выбросов выше (ниже) заданных отметок уровня в течение одного выброса, зависимость параметра инерционности колебаний УКМ – существенно расширяют представления о характере колебаний уровня Каспия в РХвТ и ПХвТ.

×

About the authors

А. В. Фролов

Институт водных проблем РАН

Author for correspondence.
Email: anatolyfrolov@yandex.ru
Russian Federation, Москва

References

  1. Багров Н.А. О колебаниях уровня бессточных озер // Метеорология и гидрология. 1963. № 6. С. 41–46.
  2. Бадшкова Е.Н. Возраст хвалынских трансгрессий Каспийского моря // Океанология. 2007. Т. 47. № 3. С. 432–438.
  3. Будыко М.И., Юдин М.И. О колебаниях уровня непроточных озер // Метеорология и гидрология. 1960. № 8. С. 15–19.
  4. Варущенко С.И., Варущенко А.Н., Клиге Р.К. Изменение режима Каспийского моря и бессточных водоемов в палеовремени. М.: Наука, 1987. 240 с.
  5. Водный баланс и колебания уровня Каспийского моря. Моделирование и прогноз / Под ред. Е.С. Нестерова. М.: Триада лтд, 2016. 378 с.
  6. Добровольский С.Г. Глобальные изменения речного стока. М.: ГЕОС, 2011. 660 с.
  7. Каспийское море. Гидрология и гидрохимия / Под ред. С.С. Байдина, А.Н. Косарева. М.: Наука, 1986. 261 с.
  8. Крицкий С.Н., Менкель М.Ф. Колебания уровня замкнутых водоемов // Тр. Гидропроекта. Энергия: 1964. Сб. 12. С. 29–61.
  9. Крицкий С.Н., Менкель М.Ф. Некоторые положения статистической теории колебаний уровней естественных водоемов и их применение к исследованию режима Каспийского моря // Тр. Первого совещания по регулированию стока. М., Л.: Изд-во АН СССР, 1946. С. 76–93.
  10. Курбанов Р.Н., Беляев В.Р., Свистунов М.И., Бутузова Е.А., Солодовников Д.А., Таратунина Н.А., Янина Т.А. Новые данные о возрасте раннехвалынской трансгрессии Каспийского моря // Изв. РАН. Сер. геогр. 2023. T. 87. № 3. С. 403–419.
  11. Леонтьев О.К., Федоров П.В. К истории Каспийского моря в поздне- и послехвалынское время // Изв. АН СССР. Сер. геогр. 1953. Т. 4. С. 64–74.
  12. Малинин В.Н. Проблема прогноза уровня Каспийского моря. СПб.: РГГМИ, 1994. 60 с.
  13. Малинин В.Н., Гордеева С.М., Гурьянов Д.В. Малопараметрическая модель увлажнения Северо-Западного региона России для условий современных изменений климата // Уч. зап. РГГМУ. 2014. № 36. С. 35–49.
  14. Музылев С.В. Теоретико-вероятностный анализ колебаний уровней бессточных водоемов // Вод. ресурсы. 1980. № 5. С. 21–40.
  15. Музылев С.В., Привальский В.Е., Раткович Д.Я. Стохастические модели в инженерной гидрологии. М.: Наука, 1982. 283 с.
  16. Панин А.В., Селезнева Е.В. Воднобалансовые характеристики Палеокаспия на основе новой гипсографической кривой // Теоретические проблемы современной геоморфологии, теория и практика изучения геоморфологических систем. Материалы XXXI Пленума Геоморфологической комиссии РАН. Ч. I. Астрахань: Техноград, 2011. С. 77–82.
  17. Панин Г.Н. Испарение и теплообмен Каспийского моря. М.: Наука, 1987. 86 с.
  18. Привальский В.Е. Климатическая изменчивость. М.: Наука, 1985. 203 с.
  19. Рычагов Г.И. К методике геоморфологических исследований (геоморфологические уроки Каспия) // Вестн. Московского ун. Сер. Геоморфология. 2019. № 4. С.27–39.
  20. Рычагов Г.И. Уровенный режим Каспийского моря за последние 10 000 лет // Вестн. Московского ун. Сер. 5, География. 1993. № 2. С. 38–49.
  21. Рычагов Г.И. Хвалынский этап в истории Каспийского моря // Вестн.Московского ун-та. Сер. 5, География. 2014. № 4. С. 3–9.
  22. Свиточ А.А. Голоценовая история Каспийского моря и других окраинных бассейнов Европейской России: сравнительный анализ // Вестн. Московского ун-та. Сер. 5, География. 2011. № 2. С. 28–38.
  23. Свиточ А.А. Палеогеография большого Каспия // Вестн. Московского ун-та. Сер. 5, География. 2015. № 4. С. 69–79.
  24. Свиточ А.А., Янина Т.А. Четвертичные отложения побережий Каспийского моря. М.: РАСХН, 1997. 267 с.
  25. Сидорчук А.Ю, Панин А.В, Борисова О.К. Климатически обусловленные изменения речного стока на равнинах северной Евразии в позднеледниковье и голоцене // Водн. ресурсы. 2008. Т. 35. № 4. С. 406–416.
  26. Сидорчук А.Ю., Панин А.В., Борисова О.К. Речной сток на восточно-европейской равнине за последние 20 тысяч лет и проблема изменения уровней южных морей // Вопр. географии. 2018. Сб. 145. С. 144–167.
  27. Фролов А.В. Динамико-стохастические модели многолетних колебаний уровня проточных озер. М.: Наука, 1985. 103 с.
  28. Фролов А.В. Динамико-стохастическое моделирование многолетних колебаний уровня Каспия в палеовремени (14–4 тыс. лет до н. э.) // Водн. ресурсы. 2021 Т. 48. № 6. С. 633–642.
  29. Фролов А.В. Моделирование влияния оттока в залив Кара-Богаз-Гол на плотность распределения вероятности уровня Каспийского моря // Математическое моделирование и численные методы. 2016. № 3 (11). С. 79–92.
  30. Фролов А.В. Моделирование многолетних колебаний уровня Каспийского моря: теория и приложения. М.: Геос, 2003. 170 с.
  31. Фролов А.В. Особенности механизма многолетних колебаний уровня Каспийского моря // Ученые записки РГГМУ. 2019. № 55. С.120–128.
  32. Хубларян М.Г., Найденов В.И. О тепловом механизме колебаний уровня водоемов // ДАН СССР. 1991. Т. 319. № 6. С. 1438–1444.
  33. Шнитников А.В. Изменчивость общей увлажненности материков северого полушария // Зап. Геогр. о-ва СССР. 1957. Т. 16. С. 23–57.
  34. Шнитников А.В. Колебания климата и общей увлажненности в XVIII-XX столетиях и их будуще // Изв. Всесоюз. геогр. о-ва. 1975. Т. 107. Вып. 6. С. 473–484.
  35. Янина Т.А. Эволюция природной среды Понто-Каспия в условиях глобальных изменений климата в позднем плейстоцене // Вестн. Московского ун-та. Сер. 5, География. 2013. № 1 С. 3–17.
  36. Янина Т.А., Сорокин В.М., Безродных Ю.П. Отражение климатических событий позднего плейстоцена в геологической истории Каспийского моря(по материалам бурения) // Вопросы геоморфологии и палеогеографии морских побережий и шельфа. Материалы научной конференции памяти П.А. Каплина / Под ред. Т.А. Яниной, Т.С. Клювиткиной.М.: Геогр. фак. МГУ, 2017. С.161–165.
  37. Gates D.G., Diesendorf M. On the fluctuations in levels of closed lakes // J. Hydrol. 1977. V. 33. № 3/4. P. 267–285.
  38. Harrison S.P., Saarse L., Digerfeldt G. Holocene changes in lake levels as climate proxydata in Europe // Paletoklimaforsch. 1991. № 6. P. 159–170.
  39. Huybers K., Rupper S., Roe G.H. Response of closed basin lakes to interannual climate variability // Climate Dynamics. 2016. V. 46. P.3709–3723.
  40. Kutzbach J.E. Estimates of past Climate at Paleolake Chad, Noth Africa, Based on a Hydrological and Energy-Balance Model // Quaternary Res. 1980. V. 14. P. 210–223.
  41. Lahijani H., Leroy S.A.G., Arpe K., Cretaux J.-F. Сaspian Sea level changes during instrumental period, its impact and forecast: A review // Earth-Sci. Rev. 2023. doi: 10.1016/j.earscirev.104428.
  42. Mason I.M., Guzkowska M.A.J., Rapley C.G., Street-Perrott F.A. The response of lake levels and areas to climatic change // Climatic Change. 1994. V. 27. P. 161–197.
  43. Mason I.M., C.G., F.A., Guzkowska ERS-1 Observations of Lakes for Climate Research // Proc. of ESA Sympos. “European Remote Sensing Opportunities”. 1985. P. 235–241.
  44. Semenov V.A., Nikitina N.G., Mokhov I.I. Atlantic Multidecadal Variability and hydrological cycle in the Caspian Sea watershed // Research Activities Atmos. Ocean. Modelling, Rep. № 43. WCRP Rep. № 10/2013. 2013. P. 7.15–7.16.
  45. Street-Perrott F.A., Guzkowska M.A.J., Mason I.M., C.G. Response of Lake Levels to Climatic Change – Past, Present and Future // Climate Change. 1986. V. 3. P. 211–216.
  46. Street-Perrot F.A., Marchand D.S., Roberts N., Harrison S.P. Global lake-level variations from 18000 to 0 Years Ago: a palaeoclimatic analysis. 1989. 213 p. https://www.ncei.noaa.gov/access/metadata/landing-page/bin/iso?id=noaa-lakelevel-5495
  47. Vuglinsky V., Kuznetsova M. The World’s Largest Lakes Water Level Changes in the Context of Global Warming. Natural Resources. 2019. V. 10. P. 29–46. doi: 10.4236/nr..102003
  48. Woolway R.I., Kraemer B.M., Lenters J.D., Merchant C.J., O’Reilly C.M., Sharma S. Global lake responses to climate change // Nature Rev. Earth and Environ. 2020. V. 1. P. 388–403.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. Dependence of the Caspian water area on the sea level F(h), according to [16], solid line; coordinates of points M and N - equilibrium levels and areas of the Caspian water area for RCWT and PCWT, respectively; straight dashed lines 1 and 2 - linear approximations of the dependence F(h) in the vicinity of points M and N, respectively

Download (88KB)
3. Fig. 2. Dependences of the inertia parameter α of the Caspian Sea level on the mean inflow to the sea at mean effective evaporation layers equal to 0.71 and 0.75 m/year. Coordinates of points M and N correspond to the Caspian water balances for RCWT and PCWT

Download (80KB)
4. Fig. 3. Histograms (bars) and probability distribution densities (lines) of the Caspian Sea level: (a) for the Early Khvalyn and (b) for the Late Khvalyn transgressions

Download (137KB)
5. Fig. 4. Fragments of modelled MCM series for RCVT and PCVT. 1a and 1b - maximum and minimum marks of the modelled MCM for RCVT, 2a and 2b - the same for PCVT

Download (160KB)
6. Fig. 5. Mean residence time χ(l) of the MCM above a given elevation h = l during a single release: lines 1, 2, and 3 are theoretical dependencies for RCVT, PCVT and current conditions, respectively; circles and triangles are sample estimates for RCVT and PCVT, respectively

Download (86KB)

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences