Динамико-стохастическое моделирование многолетнего уровенного режима Каспия применительно к раннехвалынской и позднехвалынской трансгрессиям
- Authors: Фролов А.В.1
-
Affiliations:
- Институт водных проблем РАН
- Issue: Vol 51, No 4 (2024)
- Pages: 393-403
- Section: ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ И РЕЖИМ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ
- URL: https://journals.eco-vector.com/0321-0596/article/view/659926
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0321059624040029
- EDN: https://elibrary.ru/AQBQKU
- ID: 659926
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:
, (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
, (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. 1а и 1б – максимальная и минимальная отметки смоделированного УКМ для РХвТ, 2а и 2б – 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
, (3)
где σh2 – дисперсия уровня, σ(dh/dt) – стандарт производной уровня по времени; дисперсия производной уровня по времени равна
, (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
- Багров Н.А. О колебаниях уровня бессточных озер // Метеорология и гидрология. 1963. № 6. С. 41–46.
- Бадшкова Е.Н. Возраст хвалынских трансгрессий Каспийского моря // Океанология. 2007. Т. 47. № 3. С. 432–438.
- Будыко М.И., Юдин М.И. О колебаниях уровня непроточных озер // Метеорология и гидрология. 1960. № 8. С. 15–19.
- Варущенко С.И., Варущенко А.Н., Клиге Р.К. Изменение режима Каспийского моря и бессточных водоемов в палеовремени. М.: Наука, 1987. 240 с.
- Водный баланс и колебания уровня Каспийского моря. Моделирование и прогноз / Под ред. Е.С. Нестерова. М.: Триада лтд, 2016. 378 с.
- Добровольский С.Г. Глобальные изменения речного стока. М.: ГЕОС, 2011. 660 с.
- Каспийское море. Гидрология и гидрохимия / Под ред. С.С. Байдина, А.Н. Косарева. М.: Наука, 1986. 261 с.
- Крицкий С.Н., Менкель М.Ф. Колебания уровня замкнутых водоемов // Тр. Гидропроекта. Энергия: 1964. Сб. 12. С. 29–61.
- 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.
- 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.
- 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.
- Малинин В.Н. Проблема прогноза уровня Каспийского моря. СПб.: РГГМИ, 1994. 60 с.
- 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.
- Музылев С.В. Теоретико-вероятностный анализ колебаний уровней бессточных водоемов // Вод. ресурсы. 1980. № 5. С. 21–40.
- Музылев С.В., Привальский В.Е., Раткович Д.Я. Стохастические модели в инженерной гидрологии. М.: Наука, 1982. 283 с.
- 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.
- Панин Г.Н. Испарение и теплообмен Каспийского моря. М.: Наука, 1987. 86 с.
- Привальский В.Е. Климатическая изменчивость. М.: Наука, 1985. 203 с.
- Рычагов Г.И. К методике геоморфологических исследований (геоморфологические уроки Каспия) // Вестн. Московского ун. Сер. Геоморфология. 2019. № 4. С.27–39.
- Рычагов Г.И. Уровенный режим Каспийского моря за последние 10 000 лет // Вестн. Московского ун. Сер. 5, География. 1993. № 2. С. 38–49.
- Рычагов Г.И. Хвалынский этап в истории Каспийского моря // Вестн.Московского ун-та. Сер. 5, География. 2014. № 4. С. 3–9.
- 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.
- Свиточ А.А. Палеогеография большого Каспия // Вестн. Московского ун-та. Сер. 5, География. 2015. № 4. С. 69–79.
- Свиточ А.А., Янина Т.А. Четвертичные отложения побережий Каспийского моря. М.: РАСХН, 1997. 267 с.
- 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.
- 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.
- Фролов А.В. Динамико-стохастические модели многолетних колебаний уровня проточных озер. М.: Наука, 1985. 103 с.
- 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.
- 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.
- Фролов А.В. Моделирование многолетних колебаний уровня Каспийского моря: теория и приложения. М.: Геос, 2003. 170 с.
- Фролов А.В. Особенности механизма многолетних колебаний уровня Каспийского моря // Ученые записки РГГМУ. 2019. № 55. С.120–128.
- Хубларян М.Г., Найденов В.И. О тепловом механизме колебаний уровня водоемов // ДАН СССР. 1991. Т. 319. № 6. С. 1438–1444.
- Шнитников А.В. Изменчивость общей увлажненности материков северого полушария // Зап. Геогр. о-ва СССР. 1957. Т. 16. С. 23–57.
- 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.
- 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.
- 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.
- Gates D.G., Diesendorf M. On the fluctuations in levels of closed lakes // J. Hydrol. 1977. V. 33. № 3/4. P. 267–285.
- Harrison S.P., Saarse L., Digerfeldt G. Holocene changes in lake levels as climate proxydata in Europe // Paletoklimaforsch. 1991. № 6. P. 159–170.
- Huybers K., Rupper S., Roe G.H. Response of closed basin lakes to interannual climate variability // Climate Dynamics. 2016. V. 46. P.3709–3723.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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
- 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
- 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
at mean effective evaporation layersequal to 0.71 and 0.75 m/year. Coordinates of points M and N correspond to the Caspian water balances for RCWT and PCWT
