Синоптическая изменчивость уровня и течений в морях, омывающих северо-западное и арктическое побережья России Захарчук Евгений Александрович

Содержание к диссертации

Введение

Методы исследования синоптической изменчивости уровня и течений

Особенности статистического анализа скалярных и векторных океанологических процессов в синоптическом диапазоне пространственно-временных масштабов

1.1.1. По диапазонный дисперсионный анализ нестационарных случайных скалярных и векторных процессов

1.1.2. Автокорреляционный и взаимный корреляционный анализ уровня моря

1.1.3. Спектральный и взаимный спектральный анализ уровня моря

1.1.4. Векторно-алгебраический метод анализа течений

1.1.5. Вейвлет-анализ

1.1.6. Частотно-направленный спектральный анализ полей уровня и течений по методу Лонге-Хиггинса-Свешникова

1.1.7. Гармонический анализ приливов по методу наименьших квадратов Численное гидродинамическое моделирование синоптических полей уровня и течений /

Пространственно-временная изменчивость статистических характеристик возмущений уровня и течений синоптического масштаба в морях, омывающих северо-западное и арктическое побережья России

Оценки дисперсии и максимальных величин колебаний уровня и течений в диапазонах разных временных масштабов

Основные энергонесущие максимумы в спектрах низкочастотных колебаний уровня в береговых пунктах

Вероятностные характеристики синоптических возмущений течений, оцененные на основе измерений на буйковых станциях и плавмаяках

Оценки статистических характеристик колебаний уровня по данным спутниковых альтиметрических измерений

Глава 3 Выделение низкочастотных волн и оценка их характеристик по данным контактных и спутниковых измерений уровня и течений 177

3.1 Оценки характеристик низкочастотных волновых возмущений уровня по данным береговых уровенных измерений 177

3.2 Оценки характеристик низкочастотных волновых возмущений в альтиметрических полях уровня Балтийского моря, полученные на основе метода Лонге-Хиггинса-Свешникова 184

3.3 Характеристики низкочастотных волн в полях течений арктических морей по данным наблюдений на полигонах буйковых станций 190

3.4 Сравнительное кинематическое описание низкочастотных волн и синоптических вихрей 199

Глава 4 Сравнение теоретических и эмпирических дисперсионных соотношений низкочастотных волн 208

4.1 Балтийское море 210

4.2 Баренцево море 218

4.3 Карское море 221

4.4 Моря Лаптевых и Восточно-Сибирское 223

4.5 Чукотское море . 227

Глава 5 Оценки статистических связей синоптических возмущении течений с различными метеорологическими факторами .

Вынужденные анемобарические низкочастотные волны. 230

Район материкового склона морей Лаптевых и Восточно-Сибирского 231

Чукотское море и Берингов пролив 235

Глава 6 Численные эксперименты на гидродинамической модели по оценке сравнительного вклада различных процессов и факторов в формирование синоптических полей уровня и течений в шельфовых, частично замкнутых морях (на примере Балтийского моря) 240

6.1 Собственные низкочастотные колебания Балтийского моря 240

6.1.1. Свободные баротропные колебания, вызванные импульсной линейной денивеляцией уровня 242

6.1.2. Свободные баротропные колебания, вызванные прохождением серии атмосферных циклонов. 252

6.2 Движения без учета вращения Земли 259

6.3 Постоянный параметр Кориолиса и у? - эффект 270

6.4 Переменная и постоянная глубина моря 282

6.5 Баротропные и бароклинные условия 287

6.6 Оценка влияния адвективных ускорений 291

Заключение

• Автокорреляционный и взаимный корреляционный анализ уровня моря
• Оценки дисперсии и максимальных величин колебаний уровня и течений в диапазонах разных временных масштабов
• Оценки характеристик низкочастотных волновых возмущений в альтиметрических полях уровня Балтийского моря, полученные на основе метода Лонге-Хиггинса-Свешникова
• Моря Лаптевых и Восточно-Сибирское

Введение к работе

Под синоптической изменчивостью в океанологии принято понимать неоднородности в океанологических полях, имеющие характерные временные и пространственные масштабы от нескольких суток до месяцев PI ОТ десятков до тысяч километров, соответственно (Монин, 1972; Каменкович и др., 1987; Лаппо и Гулев, 1990).

Силы, вызывающие возмущения синоптического масштаба в полях уровня моря и течений известны, это силы тангенщхального напряжения ветра, горизонтального . градиента атмосферного давления, приливообразующие силы и потоки плавучести. Под действием этих сил в синоптическом диапазоне частот генерируются разнообразные физические процессы, которые в той или иной мере находят отражения в колебаниях течений и уровня. За последние десятилетия теоретические и эмпирические исследования показали, что процессы синоптического масштаба в океанах и морях отличаются большим разнообразием и вносят определяющий вклад в энергию движения морских вод.

Особенности низкочастотной динамики вод морей, омывающих северо-западное и арктическое побережья России (Балтийского, Белого, Баренцева, Карского, Лаптевых, Восточно-Сибирского и Чукотского (Добровольский и Залогин, 1982)), определяются их географическим.положением и совокупностью целого ряда гидрометеорологических процессов.

Арктические моря России (Баренцево, Карское, Лаптевых, Восточно-Сибирское и Чукотское), относятся к материковым окраинным (шельфовым) морям Северного Ледовитого океана (Добровольский и Залогин, 1982; Суховей, 1986) и имеют свободный водообмен с глубоководным Арктическим бассейном этого океана. Балтийское море - внутриконтинентальное шельфовое море Атлантического океана (Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР. Балтийское море. 1992), связь с которым осуществляется через Северное море. Водообмен между Балтийским и Северным морями затруднен из-за узости и мелководности соединяющих эти моря Датских проливов (глубины на порогах 7 - 18 м).

На рис. В1 представлена схема процессов синоптического масштаба, которые, согласно теоретическим и экспериментальным исследованиям (Loguet-Higgins, 1968; Тареев, 1974; Mysak et al, 1979; ЛеБлон, П., Л. Майсек, 1981; Фукс,1982; Айтсам и Талпсепп, 1982; Талпсепп, 1983; Козлов, 1983; Ефимов и др., 1985; Каменкович и др., 1987; Коротаев, 1988; Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР. Балтийское море. 1992; Белоненко и др., 2004), могуг вносить определенный вклад в динамику вод изучаемых морей.

Прохождение над акваторией морей атмосферных циклонов и антициклонов приводит к формированию в синоптическом диапазоне частот систем ветровых течений, переносящих огромные массы воды в сторону берега (или от него), что в прибрежной зоне может приводрггь СИНОПТИЧЕСКАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ УРОВНЯ И ТЕЧЕНИЙ В МОРЯХ, ОМЫВАЮЩИХ СЕВЕРО-ЗАПАДНОЕ И АРКТИЧЕСКОЕ ПОБЕРЕЖЬЯ РОССИИ Неволновые движения Ветровые Бароградиентные Статические колебания уровня Стерические Рис. В1. Океанологические процессы, которые могут вносить определенный вклад в синоптическую изменчивость уровня и течений в морях, омывающих северо-западное и арктическое побережья России к формированию интенсивных сгонно-нагонных колебаний уровня, Р1ногда катастрофического масштаба (Мустафин, 1961; Пясковский и Померанец, 1982).

В шельфовых областях океана образуются различные виды захваченных низкочастотных волн, типа волн Кельвина и шельфовых, которые генерируются или от начальных анемобарических сил или в результате резонанса между атмосферными возмущениями и собственными низкочастотными колебаниями бассейна. По характеру возвращающих сил волны Кельвина относятся к классу гравитационных волн, а шельфовые - к градиентно-вихревым волнам, являющимся следствием принципа сохранения потенциального вихря (Тареев, 1974; Ефимов и др., 1985; Белоненко и др., Баротропная и бароклинная неустойчивость квазипостоянных течений может приводить к образованию синоптических вихрей, которые в отличие от волн при своем движении переносят водную массу (Каменкович и др., 1987).

Синоптические вихри возникают также в результате динамической неустойчивости самих низкочастотных волн, и, наоборот, релаксация вихрей может происходить в виде различных мод низкочастотных волновых движений. Так, например, теоретические исследования показывают, что любое начальное локализованное вихревое возмущение одного знака не может оставаться стационарным и начинает излучать в окружающее пространство низкочастотнью волны, типа волн Россби, (Коротаев, 1988).

Согласно теоретическим и экспериментальным исследованиям, при взаимодействии крупномасштабных течений с неоднородностями донной топографии, в синоптическом диапазоне пространственно-временных масштабов формируются стационарные
(захваченные) и свободные топографические вихри, типа столбов Тейлора и конусов Тейлора-Хогга (Козлов, 1983). При этом за препятствием могут генерироваться топографические волны Россби, которые, в зависимости от соотношения скорости фонового течения и фазовой скорости волн, или сносятся вниз по потоку, или преобразуются в стационарные волны (Россбиевский волновой след) (Козлов, 1983).

В зонах термохалинных и динамических фронтов в морях и океанах могут генерироваться еще несколько типов захваченных низкочастотных волновых движений — фронтальные и сдвиговые волны (Белоненко и др., 2004). Частным случаем сдвиговых волн являются струйные волны (Мс Williams, 1978; Захарчук и Фукс, 1999). Силы, вызывающие эти волновые возмущения, такие же, как и для других видов низкочастотных волн, а волнообразующими механизмами для них служат сдвиговые эффекты в системах квазистационарных течений и горшонтальные градиенты плотности в термохалинных фронтальных зонах.

Суперпозицией и нелинейным взаимодействием перечисленных физических процессов и должна определяться синоптическая изменчивость уровня и течений в морях, омывающих северо-западное и арктическое побережья России. Однако, синоптические возмущения уровня и течений в этих морях остаются недостаточно изученными, хотя все имеющиеся исследования показывают, что связанные с ними процессы вносят значительный вклад в динамику вод.

В начале 20 века Экман (Ekman, 1905) разработал теорию дрейфовых течений и теоретически описал механизм генерации сгонно-нагонных колебаний уровня моря под действием сил Кориолиса и тангенциального напряжения ветра.

Долгое время после этого динамика вод в шельфовых морях России в синоптическом диапазоне пространственно-временных масштабов связывалась с ветровыми течениями и сгонно-нагонными колебаниями уровня.

Систематическое из5И[ение сгонно-нагонных колебаний уровня по натурным данным в Баренцевом море началось после Великой Отечественной войны. В работах Ю. В. Преображенского (Преображенский, 1947) показано, что на побережье Мурмана отклонения уровня под действием метеорологических факторов находятся в пределах 100- 125 см, а основной причиной сгонно-нагонных колебаний является статическое действие атмосферного давления и, в меньшей степени, воздействие ветра.

В работах более позднего периода к таким же выводам приходит и В. Е. Привальский (1970) На основе методов математической статистики им было показано, что в спектре колебаний уровня отчетливо выражен максимум на периоде 3 суток, колебания уровня на побережье Мурмана тесно связаны с изменением атмосферного давления и сравнительно слабо зависят от широтной составляющей скорости ветра.

Более полное физико-статистическое исследование штормовых нагонов в Баренцевом и Белом морях было выполнено В. А. Потаниным (1969, 1971, 1972, 1976). Он приходит к выводу, что механизм формирования штормового нагона заключается в трансформации длинной вынужденной волны, образующейся вследствие статического (75%) и динамического воздействия перемещающегося циклона на водные массы морей.

Это направление исследований было продолжено в работах В. А. Потанина и В. В. Денисова (1976, 1980), а также В. А. Пономарева (1978, 1979). В этих работах изз^ались процессы формирования и затз^сания баренцевоморских штормовых нагонов и сгонов, вызванных перемещающимися атмосферными циклонами и антрщиклонами. Выявлена связь штормовых нагонов с осенне-зимним максимумом циклонической деятельности и сгонов с весенне-летним максимумом антициклонической деятельности атмосферы.

Показано, что общей закономерностью в распределении средних и максимальных нагонов является их возрастание вдоль побережья Мзфмана с запада на восток. В юго-восточной части моря наибольшие нагоны наблюдаются в районе Печорской губы (о. Варандей).

Сгонные понижения уровня повсеместно меньше нагонных повышений, в среднем в 1,4-
1,8 раза, и для них характерна сравнительно небольшая пространственная изменчивость.

На. Мурманском побережье Баренцева моря максимальные значения величин нагонов 'варьируют от 31 до 142 см, а их периоды колеблются от 3 до 8 сзпгок. Для сгонов эти соотношения другие: 27-79 см и 4,7-12,7 суток, соответственно.

Первое, наиболее полное описание сгонно-нагонных колебаний уровня в морях Сибирского шельфа было сделано В'. Г. Кортом (Корт, 1941). Под этим явлением он понимал колебания уровня, которые обусловлены перемещениями водных масс под действием силы тангенциального напряжения ветра. В других работах под сгоннонагонными колебаниями уровня моря понимаются нерегулярные подъемы и спады уровня, вызываемые суммарным воздействием- ветра и атмосферного давления (например, Топорков, 1970).

В. Г. Корт оценил характеристики сгонов и нагонов, а также их связь с анемобарическим режимом в 2 береговых пунктах Карского моря (м, Ям-Сале и о. Диксон); в бухте Тикси моря Лаптевых и бухте Амбарчик Восточно-Сибирского моря.

При этом он использовал ряды значений уровня моря разной дискретности, от ежечасных до среднесуточных.

В Обской губе у мыса Ям-Сале оценки сгонно-нагонных колебаний уровня были произведены В. Г. Кортом пО(ежечасным измерениям уровня продолжительностью от 0.5 до 2.5 месяца, полученным в навигационный период. Им было показано, что режим сгонно-нагонных колебаний уровня у мыса Ям-Сале самым тесным образом связан с режимом ветра над данным районом моря, амплитуда непериодических колебаний уровня более чем на порядок превышает амплитуду сизигийного прилива и почти в 4 раза — амплитуду сезонных колебаний; однозначные отклонения уровня от среднего многолетнего положения продолжаются от 1.5-2 до 18-20 суток.

Анализ сгонно-нагонных колебаний уровня в бухте Диксон производился В. Г. Кортом по ряду среднесуточных значений, продолжительностью около 3-х лет, полученному на основе срочных измерений. Было показано, что сгонно-нагонные колебания уровня в бухте имеют довольно отчетливо выраженный годовой ход с двумя максимумами и двумя минимумами. Первый максимум для.нагонов наблюдается в апреле, когда начинают преобладать ветры северных румбов и весь Енисейский залив забит льдом, а второй - в декабре, когда преобладающее направление переходит ю* ветрам южной половины горизонта. Первый максимум повторяемости сгонов наступает в июне.

когда начинают преобладать северо-восточные ветра. Затем происходит уменьшение сгонов до ноября, когда повторяемость сгонов опять начинает возрастать, достигая своего второго максимума в феврале при преобладании южного ветра. Общая максимальная амплитуда сгонно-нагонных колебаний уровня в бз^сге Диксон равна 143 см и относится к зимнему периоду (ноябрь). Максимальная летняя амплитуда сгонно-нагонных колебаний равна 80 см. Отмечается различная продолжш-ельность стадий подъема и спада уровня в сгонно-нагонных колебаниях, которая варьирует от нескольких суток до 46 - 57 суток.

В море Лаптевых сгонно-нагонные колебания уровня исследовались В. Г. Кортом (1941) по ежечасным измерениям, полученным с помощью мареографа, установленного в конце 1935 г. в заливе Сого у полярной станции Тикси и работавшего с большими перерывами до конца 1937 г. Было показано, что летом нагонными для бухты Тикси являются почти все ветры северной половины горизонта, а сгонными - южной половины горизонта. Максимальная повторяемость нагонов отмечается летом в июле-августе. По мере приближения к зиме повторяемость нагонов уменьшается, а повторяемость сгонов увеличивается, достигая максимума в марте-апреле, когда преобладают юго-западнью ветра. В середине зимы, несмотря на увеличение повторяемости наиболее сильных ветров (больше 20 м/с), амплитуды сгонов относительно невелики из-за влияния ледового покрова. Максимальная амплитуда нагона в бухте Тикси за рассматриваемый период составила 178 см (ноябрь 1937 г.), а максимальная амплитуда сгона -99 см (октябрь 1937).

В. Г. Кортом было показано, что наибольшая величина сгонно-нагонных колебаний в бухте Тикси составляет 277 см и она почти в 7 раз больше, чем сизигийная амплитуда прилива, и в 4.5 — 5.5 раз больше величины сезонных колебаний уровня.

Для изучения сгонно-нагонных колебаний уровня в Восточно-Сибирском море В. Г. Корт использовал ряд срочных значений уровня в районе устья реки Колымы с октября 1936 г. до июня 1938 г., полученный по измерениям на мысе Медвежий, который является северо-восточным входом в бухту Амбарчик. Было показано, что в этом районе наиболее эффективными нагонными ветрами для уровня воды являются северо-северо-западные ветры, а наиболее эффективными сгонными ветрами - восточные-юго-восточные.

Повторяемость нагонов в течение года имеет два хорошо выраженных максимума. Один из них относится к июлю, другой к январю. Для сгонов отмечается только один максимум в августе. Максимальная амплитуда нагона, равная 109 см, относится к ноябрю, максимальная амплитуда сгона равна 91 см (сентябрь).

С развитием вычислительной техники и статистических методов анализа случайных процессов, для изучения синоптических колебаний уровня стали активно использовать различные методы корреляционного и спектрального оценивания.

На основе статистического анализа срочных измерений уровня в береговых пунктах морей Сибирского шельфа, полз^енных в навигационный перрюд, Г. В. Алексеев показал, что во всех слз^аях в спектрах отмечаются пики на периодах 2 - 1 0 суток (Алексеев, 1969). При этом в Карском море преобладают периоды большей продолжительности, чем в морях Лаптевых и Восточно-Сибирском.

Б. А. Крутских исследовал синоптические колебания в арктических морях Сибирского шельфа на основе рядов среднесуточных значений уровня в навигационный период (июнь-октябрь) с 1955 по 1972 гг. (Крутских, 1978). Им было показано, что во всех спектрах обнаруживаются энергетические максимумы в диапазонах периодов 4-6 и 7-10 суток, которые Б. А. Крутских называет естественными гидрологическими периодами.

Для уточнения пространственно-временной изменчивости уровня в рамках естественного гидрологического периода автор использует разложение информации на естественные ортогональные функции.

В. В. Измайлов (1975) исследовал изменчивость уровня в Чукотском море на основе ежечасных измерений продолжительностью 120 суток (в навигационный период) на береговых станциях о. Колючин и о. Ротманова в диапазоне периодов от 4 часов до 13 суток. Спектральный анализ этих рядов уровня показал, что в синоптическом диапазоне частот максимальные пики спектральной плотности приходятся на периоды 6-8 суток.

Амплитуда этих колебаний, по оценкам автора статьи, в 2-3 раза превышала амплитуду полусуточных приливов. В. В. Измайлов предположил, ссылаясь на работу И. В. Максимова (1970), что выделенные энергонесущие максимумы могут быть связаны с динамикой долгопериодных приливов.

Для исследования механизма формирования сгонно-нагонных колебаний уровня в арктических морях оценивались статистические связи между уровнем моря и метеорологическими характеристиками. В работах Г. В.Алексеева (1969, 1972) было показано, что тесная связь между колебаниями уровня моря и различными параметрами ветровых полей (градиента атмосферного давления, среднего ветра над морем и т. д.) постепенно убывает по мере удаления пунктов регистрации уровня на восток от области оценки ветровых полей. В других работах отмечалось, что воздействие атмосферной циркуляции на воды носит черты действия квазипериодической силы, в метеорологических характеристиках и ходе уровня прослеживаются близкие по частотам ритмы. При этом интенсивность ррггмов в ходе уровня соответствует интенсивности ритмов в атмосферном давлении (Топорков, 1970). В то же время, было замечено, что частоты сршоптических колебаний уровня в Восточно-Сибирском море заметно смещены относительно соответствующих частот колебаний атмосферного давления в сторону высоких частот. Смещение тем заметнее, чем значительнее выражены максимумы в энергетических спектрах (Дюбкин и Топорков, 1965).

В работе И.М.Ашика (1997) было описано и проанализировано возникновение и развитие катастрофических штормовых нагонов в южной части моря Лаптевых вследствие резонанса между анемобарическими силами и собственными колебаниями бассейна. При этом самые большие нагоны отмечались при регенерации циклонов.

Однако, все эти работы связаны с исследованием сгонно-нагонных колебаний уровня в арктических морях с перрюдами, в основном, от 2 до 10 суток. Эти колебания уровня по представлениям подавляющего большинства исследователей являются самыми интенсивными среди колебаний всего синоптического диапазона и превышают по величине приливные колебания в большинстве береговых пунктов (Корт, 1941; Алексеев, 1969; Крутских 1978). Хотя подобный вывод основывался чаще всего на интуитивных взглядах. Специальных сравнительных оценок интенсршности колебаний уровня моря на различных частотах всего синоптического диапазона изменчивости не проводилось, так как сгонно-нагонные колебания уровня моря исследовались, главным образом, по данным, полученным в короткий навигационный период (в основном в июле
• сентябре). Такие ряды не позволяют исследовать внутригодовую и межгодовую изменчивость колебаний синоптического масштаба.

Г. В. Алексеев был первым, кто обратил внимание на волновой характер распространения низкочастотных возмущений уровня в морях Сибирского шельфа (Алексеев, 1969). По сдвигам максимумов взаимных корреляционных функций неприливньк колебаний уровня в различных береговых пунктах арктических морей он выявил, что колебания уровня синоптического масштаба во всех сл)^аях распространялись на восток в виде прогрессивных волн. Исследуя взаимосвязь между колебаниями уровня и различными параметрами ветровых полей, Г. В. Алексеев приходит к выводу, что выявленнью волны являются вынужденными, но тесная связь между колебаниями уровня моря и различными параметрами ветровьрс полей (градиента атмосферного давления, среднего ветра над морем и т. д.) постепенно убьшает по мере удаления пунктов регистрацрш уровня на восток от области оценки ветровых полей.

Делается предположение, что эти волны образуются за счет резонанса между вынуждающими силами и собственными колебаниями бассейна. Однако эти результаты не получили дальнейшего развития и типы волн не были определены. К тому же в этой работе из-за сравнительно коротких рядов исследовался только узкий, самый вьюокочастотный диапазон колебаний уровня синоптического масштаба (1-6 суток), и большая часть их спектра оставалась за рамками исследования.

Исследованию течений в арктических морях Сибирского шельфа в диапазоне синоптической изменчивости по натурным измерениям посвящены работы Г. А. Баскакова и др. (Баскаков и др., 1999; Баскаков и др., 2001). В этих работах анализировались данные измерений течений на буйковых станциях в Карском море и море Лаптевых в летне-осенний период. Путем центрирования исходных рядов выделялись непериодические течения, которые интерпретировались как ветровые.

Однако, попытки оценить взаимосвязь между течениями синоптического масштаба, локальным ветром и ветровым полем в Карском море привели к отрицательным результатам. Максимальные величины коэффициентов взаимной корреляции между течениями, из которых была исключена приливная-составляющая, локальным ветром и ветровым полем были очень низкими (0.11 - 0.43) (Беляков, 1960).

Подробный статистический анализ изменчивости синоптических течений в море Лаптевых был выполнен А. Ю. Ипатовым по данным измерений течений на буйковых станциях, работавших в период 1959 - 1973 гг. (Ипатов, 2003). Им была построена схема циркуляции ВОД' моря Лаптевых в синоптическом диапазоне масштабов. Проведено районирование моря на основе выделения.комплекса характерных черт циркуляционного режима, и его изменчивости, указаны временные диапазоны, определяющие основные черты циркуляции вод синоптического масштаба. Выделены временные диапазоны преобладающей изменчивости.течений, колебаний уровня моря, атмосферного давления и ветра в диапазоне их синоптической изменчивости. Выявлена устойчивость во времени (год от года) частотной структуры колебаний течений и показана ее пространственная изменчивость. Показана устойчивость во времени линейных связей синоптических колебаний течений в море и уровня моря, атмосферного давленрш и скорости ветра на береговых пунктах. К недостаткам работы следует отнести небольшую продолжительность рядов измеренных течений, не позволяющз^ю исследовать статистическую структуру течений во всем диапазоне синоптической изменчивости, а также отсутствие идентификации выделенных синоптических возмущений течений, как конкретных физических процессов.

Первым, кто использовал волновую интерпретацию возмущений течений синоптического масштаба в арктических морях, омывающих Россию — был В. В. Измайлов (Измайлов, 1975). Он анализировал данные наблюдений за течениями в Чукотском море на 4 буйковых станциях, максимальная продолжительность которых достигала 78 суток. На. основе покомпонентного метода взаимно-корреляционного и взаимно-спектрального анализа им было установлено, что флуктуации течений с характерными масштабами 10-13 суток представляют собой волнообразные возмущения с пространственными масштабами 230-375 км и скоростями перемещения около 39 см/с.

Однако, идентификация этих волн В. В. Измайловым не была проведена. К тому же, используемый им покомпонентный метод статистического анализа векторных процессов имеет существенные недостатки и ограничения, подробно описанные в работе (Белыщев и др., 1983).

Представления о колебаниях уровня в Балтийском море сложились на основе футшточных и мареографных наблюдений приблизительно на 110 береговых постах (Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР: Балтийское море. 1992). Согласно этим представлениям, наряду с вьюокочастотными колебаниями уровня (частота выше частоты инерционных колебаний) отмечаются низкочастотные колебания, которые в диапазоне синоптических масштабов не могут быть объяснены баротропными инерционногравитационными колебаниями сейшевого типа.

Наибольшие по периоду (Г = 20-40 часов) сейшевые колебания системы Западная Балтика - Ботнический залив очень неустойчивы и быстро затухают (Neunann G, 1941; Maagard and Krauss, 1966; Краусс, 1968; Lisitzin E, 1974; Wubber, 1979; Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР, 1992). В то же время- эмпирические спектры колебаний уровня моря указывают на наличие в области низких частот энергонесущих максимумов на периодах 10, 15, 20 и 30 суток (Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР, 1992), которые не могут быть объяснены только локальными анемобарическими эффектами. Есть основания предположить, что они связаны с градиентно-вихревыми волнами типа топографических волн Россби. Подтверждением этого являются особенности статистических характеристик течений, выявленные по наблюдения на автономных буйковых станциях (АБС) и плавмаяках, которые обобщены в монографии (Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР, 1992). Спектральный анализ временных рядов измерений скорости течений на АБС, расположенных в разных районах Балтийского моря показал, что в синоптическом диапазоне выделяются две основные энергонесущие зоны: 2-3 и 8-10 суток (Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР. Балтийское море. 1992). Довольно часто отмечалось разделение по преобладающему направлению изменений вектора скорости на различных, но близких частотах: по часовой стрелки у колебаний с цикличностью 5-7 суток и против часовой стрелки у колебаний с периодом 2-3 суток. Спектральный анализ показал также, что интенсивность изменений скорости синоптических течений в открьггых районах Балтийского моря, как правило, выше, чем в прибрежных районах, и для них свойственны частотная и амплитудная модуляция.

Господствовавшее представление о механизме синоптической изменчивости полей океанологических характеристик в Балтийском море чаще всего связано с мезомасштабными вихрями. Согласно интерпретации результатов, полученных в работе (Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР. Балтийское море. 1992), возмущения, называемые мезомасштабными вихрями Балтийского моря (временной масштаб от суток до нескольких десятков суток, горизонтальный масштаб от километров до десятков километров и более, скорости течения от 10 до 50 см/сек), вносят основной вклад в общую энергию движения вод. Вихревые возмущения этого типа регистрируют в поле температуры, солености и скорости течения По поводу механизма генерации этих возмущений высказывались различные предположения, связанные с динамической неустойчивостью внутренних инерционных волн; динамической неустойчивостью меандров фронтальных зон и динамической неустойчивостью потоков, вызванных особенностями подводной топографии.

При этом, по непонятным причинам не рассматриваются механизмы возникновения мезомасштабных вихрей, связанные с градиентно-вихревыми волнами типа топографических волн, в частности, шельфовых волн, волн Россби и сдвиговых волн.

Вероятно, первая волновая интерпретация низкочастотных возмущений в динамических полях Балтийского моря была дана А.М. Айтсамом и Л.А. Талпсеппом (Айтсам и Талпсепп, 1982; Талпсепп, 1982; Талпсепп, 1983) на основе покомпонентного спектрального анализа наблюдений за течениями в открытой части Балтийского моря полученных при помощи АБС, снабженных самописцами течений Аандераа. В рядах 102- суточной продолжительности были вьщелены 6-8 суточные колебания зональных и меридиональных составляющих скорости течения, атаюке меньшие по интенсивности 14- 18 суточные колебания меридиональной составляющей скорости течения. Эти колебания интерпретируются авторами, как неустойчивые бароклиннью топографические волны (Айтсам и Талпсепп, 1982) и захваченные придонные волны (Талпсепп, 1983). Длина 6-8 суточных волн составляет, по их оценкам, 22-25 км, а 14-18 суточных волн- 45 км.

Несмотря на то, что исследованию синоптических возмущений уровня и течений в морях, омывающих северо-западное и арктическое побережья России уделялось определенное внимание, очень многие вопросы, связанные с их динамикой, на сегодняшний день являются еще открытыми. Не исследованы собственные низкочастотные колебания уровня и течений во всем диапазоне их синоптической изменчивости. Не определены пространственные масштабы возмущений уровня и течений синоптического масштаба. Не оценен сравнительный вклад ветровых течений, синоптических вихрей и различных типов низкочастотных волн в формирование полей океанологических характеристик этих морей. Не проведено сравнение теоретических и эмпирических дисперсионных соотношений различных типов низкочастотных волн. Не исследованы механизмы генерации возмущений уровня моря- и течений в диапазоне синоптической изменчивости.

В последнее время резко возрос и качественно изменился поток гидрометеорологической информации, что позволяет провести исследования, океанологических процессов синоптического масштаба в океанах и морях на совершенно новом, более представительном уровне. Прежде всего, стали доступны для широкого круга пользователей спутниковые альтиметрические данные об изменчивости уровня моря. Эти данные являются более подробными, и в пространстве и во времени по сравнению с традищюнной океанографической информацией (судовые съемки и разрезы, полигоны буйковых станций, береговые наблюдения за уровнем моря), что позволяет перейти от изучения изменчивости уровня.моря в отдельных, главным образом береговых пунктах, к исследованию ансамблей полей уровня. Кроме того, спутниковые альтиметрические измерения дают возможность рассчитывать по уклонам уровня моря поля градиентных течений. Все это открывает уникальные возможности для организации оперативного синоптического мониторинга в океанах и морях.

Качественно изменилась и метеорологическая- информация. В. настоящее время в рамках международного проекта, по реанализу метеорологических данных на. основе усвоения натурных измерений в гидродинамических моделях подготовлены и стали доступны для широкого пользования поля атмосферного давления и ветра с существенно улучшенным пространственно-временным разрешением. Эти метеорологические данные позволяют на более репрезентативном уровне провести численные эксперименты на гидродинамических моделях для исследования механизмов формирования и генерации возмущений синоптического масштаба в океанологических полях за счет атмосферных процессов.

До последнего времени гидродинамическое моделирование изменчивости течений и уровня Балтийского и арктических морей в синоптическом диапазоне масштабов носило односторонний характер. Приоритет отдавался численному моделированию ветровых, термохалинных течений и сгонно-нагонных колебаний уровня-моря (Павлов и др, 1978; Прошутинский, 1986; Кулаков, 1993; Павлов и Становой, 1999). За рамками численных экспериментов оставались: собственные низкочастотные колебания морей во всем диапазоне синоптической изменчивости, баротропная и бароклинная неустойчивость течений и генерация синоптических вихрей; исследование динамики различных видов низкочастотных волн и механизмов их генерации. В связи с этим, в рамках диссертационной работы существенно расширен круг численных экспериментов по изучению возмущений синоптического масштаба в гидродинамических полях.

Актуальность диссертационной работы определяется необходимостью решения этих насущных научных и прикладных проблем.

Основная цель работы - исследование пространственно-временной структуры и механизмов формирования возмущений зфовня и течений синоптического масштаба в морях, омывающих северо-западное и арктическое побережья России.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи в региональном приложении:
1. Разработать общую концепцию исследования синоптической изменчивости уровня и течений в шельфовых, частично замкнутых морях.

2. Создать для исследуемых морей информационную базу репрезентативных контактных и спутниковых измерений для изучения колебаний уровня и течений в синоптическом диапазоне пространтвенно-временных масштабов.

3: Оценить, картировать и описать особенности пространственно-временной изменчивости статистических характеристик колебаний уровня и течений в синоптическом диапазоне масштабов по данным контактных и спзпгниковых альтиметрических измерений.

4. Выделить низкочастотные волны в полях уровня и течений и описать их характеристики.

5. Произвести сравнительное кинематическое описание синоптических вихрей и низкочастотных волн, и разработать критерии их разделения.

6. Идентифицировать выделенные низкочастотные волны путем сравнения их теоретических и эмпирических дисперсионных соотношений.

7. Оценить статистические связи синоптических возмущений течений в арктических морях с различными метеорологическими характеристиками.

8. Провести численные эксперименты на гидродинамической модели для оценки сравнительного вклада различных процессов и факторов в формирование полей зфовня и течений синоптического масштаба в шельфовых, частично замкнутых морях, на примере Балтийского моря.

9. Описать механизмы генерации и формирования синоптических возмущений Зфовня и течений в морях, омывающих северо-западное и арктическое побережья России Методы исследования. Для изучения синоптической изменчивости уровня и течений в морях, омывающих северо-западное и аркпиеское побережья России, использовались различные методы статистического анализа стационарных и нестационарных случайных процессов и полей (подиапазонный дисперсионный анализ нестационарных случайных скалярных и векторных процессов, автокорреляционный и взаимный корреляционный анализ уровня моря, спектральный и взаимный спектральный анализ уровня моря, векторно-алгебраический метод анализа течений, частотно-направленный спектральный анализ полей уровня по методу Лонге-Хиггинса-Свешникова, гармонический анализ приливов по методу наименьших квадратов), а также вейвлет-анализ. Идентификация выделенных низкочастотных волновых возмущений в поле уровня и течений производилась путем сравнения их характеристик с известными теоретическими дисперсионными соотношениями баротропных и бароклинных градиентно-вихревых волн и волн Кельвина. Оценка сравнительного вклада различных процессов и факторов в формирование полей уровня и течений синоптического масштаба производилась с помощью численных экспериментов на гидродинамической модели Балтийского моря.

Для этого сравнивались низкочастотные поля уровня, течений и их вероятностные характеристики, полученные путем решения полной задачи и при различных упрощающих сценариях.

Научная новизна работы состоит в следующем: • Впервые исследованы особенности синоптической изменчивости уровня и течений в морях, омывающих северо-западное и арктическое побережья России с учетом динамики градиентно-вихревых волн и волн Кельвина.

• Впервые для исследования синоптической изменчивости уровня в северо-западных и арктических морях России использованы спутниковые альтиметрические данные.

• На основе подиапазонного дисперсионного анализа рядов уровня и течений, выполненного в нестационарном приближении, получена временная, изменчивость количественных оценок интенсивности синоптических возмущений по сравнению с колебаниями других временных масштабов.

• Оценены различные эмпирические характеристики низкочастотных волновых возмущений уровня и течений и проведено их сравнение с теоретическими дисперсионными соотношениями разных видов низкочастотных волн • На основе векторно-алгебраического метода анализа случайных процессов получены количественные оценки статистических связей синоптических возмущений течений с различными метеорологическими характеристиками и выдвинута гипотеза о резонансном механизме их генерации • Впервые на основе численных экспериментов с гидродинамической моделью, на примере Балтийского моря, оценены и описаны вклады различных процессов и факторов в формирование и эволюцию полей уровня и течений в шельфовых частично замкнутых морях в синоптическом диапазоне пространственно-временных масштабов.

На защиту выносится новая концепция интерпретации механизмов формирования полей уровня и течений синоптического масштаба в морях, омывающих северо-западное и арктическое побережья России, которая заключается в следующих положениях:
1. Вопреки широко распространенным взглядам, изменчивость уровня и течений в морях, омывающих северо-западное и арктическое побережья России, в синоптическом диапазоне пространственно-временных масштабов определяется, главным образом, не локальным воздействием на них анемобарических сил, возбуждающих ветровые, бароградиентные течения и связаннью с ними колебания уровня моря, а низкочастотными волновыми возмущениями, типа градиентно-вихревых волн' и бароклинных волн Кельвина, генерируемых перемещающимися циклонами и антициклонами.

2. Основные механизмы передачи энергии от атмосферных возмущений к движению вод исследуемых морей в синоптическом диапазоне масштабов связаны с релаксацией начальных возмущений метеорологического происхождения в виде свободных низкочастотных волн различных типов и с резонансным механизмом генерации вынужденных анемобарических волновых возмущений.

3. Особенности динамики низкочастотных волновых возмущений в морях, омывающих северо-западное и арктическое побережья России, связаны с эффектами сферичности и вращения^ Земли, донной топографии, плотностной стратификации вод и в отдельных районах с существенным вкладом нелинейных эффектов, обусловленных влиянием адвективных ускорений.

Практическая значимость работы. Результаты работы вошли в материалы отчетов по темам НИОКР Росгидромета по подпрограмме «Гидрометеорологическое обеспечение безопасной жизнедеятельности и рационального природопользования» 1-й части ФЦП «Экология и природные ресурсы России», а также по теме «Комплексные исследования процессов, характеристик и ресурсов российских морей Северо-Европейского бассейна» подпрограммы «Исследование природы Мирового океана» ФЦП «Мировой океан».

Результаты работы нашли свое приложение в исследованиях изменчивости океанологических условий рыбного промысла в Норвежском, и Баренцевом морях, выполненных для наз^но-технической фирмы «Комплексные системы» и 0 0 0 ^ НПКг «Морская информатика» (г. Мурманск) в 2001 - 2005 гг.; в рамках договора между ГАО РАН и СПО РУ «ГОИН» по теме: «Гидрологический анализ репрезентативности и класса инструментального обеспечения измерений колебаний уровня моря на Шепелевском гидролого-геодинамическом полигоне» в 2005 г.; при инженерно-экологических изысканиях в районе Калининградского побережья Балтийского моря, выполненных по заказу 0 0 0 «Подземгазпром» (г. Москва) в 2007 г.

Результаты работы можно использовать также при построении гидродинамических моделей для прогнозирования физического и биохимического состояний шельфовых морей; для уточнения мер контроля за загрязнением морей, а также для разработки репрезентативной системы их гидрометеорологического и экологического мониторинга.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на российских и международных семинарах, конференциях и симпозиумах: First International Research Conference «Barents Sea Impact Study (BASIS). Global Changes and the Barents Region». St.

Petersburg, Russia, February 22 - 25. (1999). Fifth Workshop on Russian-German Cooperation: Laptev Sea System. State Research Center-Arctic and Antarctic Research Institute. St.

Petersburg, Russia, November 25-29. (1999) Sixth Workshop on Russian-German Cooperation: Laptev Sea System. State Research Center-Arctic and Antarctic Research Institute. St.

Petersburg, Russia, October 12-14. (2000). PORSEC-2000, Goa, India. (2000). Всероссийской научной конференции «Дистанционное зондирование земных покровов и атмосферы аэрокосмическими средствами». Муром, 20-22 июня. (2001 г). Научной конференции по результатам исследований в области гидрометеорологии и мониторинга загрязнения природной среды в государствах - участниках СНГ, посвященной 10-летию образования Межгосударственного совета по гидрометеорологии Санкт-Петербург. (2002 г). PORSEC- 2002. Bali. (2002) Seventh International Conference Remote Sensing for Marine and Coastal Environments, Miami, Florida. (2002) Пятой Российской научно-технической конференции «Современное состояние и проблемы навигации и океанографии» («НО-2004»). СанктПетербург. (2004 г.) V международном экологическом форуме «День Балтийского моря» посвященном 30-летию подписания Хельсинской Комиссии. Санкт-Петербург. (2004 г.).

7-й Международной конференции и выставки «Акватерра». (Санкт-Петербург, 2004 г.).

VII Международном экологическом форуме «День Балтийского моря». Санкт-Петербург.

(2006 г.). International Workshop "Extreme water levels in the Eastern Baltic". St. Petersburg, Russia. (2007 r ) , a также в Нансеновском центре дистанционных исследований окружающей среды (Берген, Норвегия, 2000 г.). Океанографической комиссии Русского Географического общества (Санкт-Петербург, 2001, 2002, 2003 гг.), итоговых сессиях Ученого совета ГУ «ГОИН» и СПО ГУ «ГОИН» (2001 - 2007 гг), семинарах в СПбГУ. Результаты работы вошли в отчеты по проектам РФФИ (96-05-65157-а, 98-05-644б8-а; 03-
05-б4755-а; 06-05-64908-а).

Личный вклад автора Результаты исследований опубликованы автором как единолично, так и с участием его коллег и учеников. В публикациях выполненных в соавторстве, автору принадлежат идеи исследования, формулировка целей и задач, сбор необходимой натурной информации и выбор методов ее обработки и анализа, проведение статистического аналриа уровня и течений, разработка идеологии численных экспериментов на гидродинамической модели, а также физическая интерпретация результатов статистического анализа и численного гидродинамического моделирования.

Публикации Научные результаты диссертации опубликованы в 5 российских и 2 зарубежных монографиях и 52 работах, включающих 12 статей в периодических реферируемых журналах, таких как «Метеорология и гидрология», «Океанология», «Известия Русского географического общества», «Вестник Санкт-Петербургского университета», а также в других изданиях: «Трудах ГОИН», материалах российских и международных конференций.

Монография «Градиентно-вихревые волны в океане» (2004 г.), одним из авторов которой был диссертант, получила в 2007 г. ведомственную премию Росгидромета за лучшие наз^но-исследовательские и опытно-конструкторские работы.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы, включающего 209 наименований. Объем работы составляет 317 страниц, включая 97 рисунков и 39 таблиц.

г л АВгА 1 МЕТОДЫгИССЛЕДОВАНИЯ СИНОПТИЧЕСКОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ УРОВНЯ И? ТЕЧЕНИЙ
1.1. Особенности статистического анализа^ скалярных и векторных процессов в синоптическом диапазоне пространственно-временных масштабов l.l'.l'. Подиапазонный дисперсионный анализ нестационарных случайных скалярных и векторных процессов Колебания уровня и течений в морях и океанах формируются под действием различных внешних и внутренних сил, испытующих значительные изменения, в пространстве и времени. Многообразие факторов, воздействующих на воды моря, приводит к формированию разнообразных океанологических процессов, таких как приливы, сейши, сгонно-нагонные колебания, внутренние волны, инерционные колебания, различные виды низкочастотных волновых движений, сезонные и многолетние колебания, которые в той или иной мере находят отражение в наблюдающихся изменениях уровня и течений в виде разномасштабных возмущений разной интенсивности, развивающиеся на фоне квазистационарного движения вод При описании пространственно-временной изменчивости уровня и течений возьмем за основу классификации А. Монина (1972) и Каменковича и др (1987) и будем подразделять возмущения в термодинамических полях на следующие основные классы:
1. Многолетние колебания (пространственные масштабы изменчивости от тьюяч до десятков тысяч километров, временные - от лет до сотен лет). Основными факторами, которью вызывают эти колебания, большинство исследователей считают межгодовую изменчивость ветра, атмосферного давления, плотности морской воды и вертикальные движения земной коры (Борисов, 1976; Дворкин и др., 1978а; Дворкин и др., 19786; Дворкин и др., 1979; Дворкин и др., 1985; Дворкин и др , 1989; Воробьев и др., 2000).

Определенный вклад в многолетние колебания уровня вносит нодальная приливная составляющая Мп с периодом 18.6 года (Воинов, 1999; Воинов, 2002).

2. Сезонные колебания (пространственные масштабы - от тысяч до десятков тысяч километров, временные - 1 год и кратные ему гармоники) вызываются сезонным ходом атмосферных процессов, которые приводят к сезонным изменениям океанологических характеристик (Топорков, 1970; Баннов-Байков, 1974; Дворкин и др., 1978а; Дворкин и др., 19786; Дворкин и др., 1979; Дворкин и др., 1985; Дворкин и др., 1989; Прошутинский, 1993; Воробьев и др., 2000). Определённый вклад в колебания сезонных масштабов вносят также годовые (Sa) и полугодовые (Ssa) гравитационные (Воробьев, 1976; Воинов, 1999; Воинов, 2002) и градиентно-вихревые (Фукс, 1977; Белоненко и др., 2004) приливные волны.

2. Синоптические возмущения (пространственные масштабы - от десятков до первых тысяч километров, временные - от суток до месяцев) вызываются главным образом анемобарическими силами, которые возбуждают ветровые течения и связанные с ними сгонно-нагонные колебания уровня моря, а также различные виды вынужденных и свободньпс низкочастотных волновых движений, типа волн Кельвина, топографических волн Россби и фронтально-сдвиговых волн (Ле Блон и Майсек, 1981; Педлоски, 1984; Ефимов и др., 1985; Белоненко и др., 2004) Бароклинная и баротропная неустойчивость постоянных течений может приводить к образованию синоптических вихрей, которые в отличие от волн при своем движении переносят водную массу (Каменкович и др., 1987).

Синоптические вихри возникают также в результате динамической неустойчивости самих низкочастотных волн Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что при взаимодействии крупномасштабных течений с неоднородностями^донной топографии, в синоптическом диапазоне пространственно-временных масштабов формирз^отся стационарные (захваченные)(и свободные топографические вихри, типа столбов Тейлора и конусов Тейлора-Хогга (Козлов, 1983). Определенный вклад в формирование синоптических возмущений^течений в морях также оказывают долгопериодные приливные волны М Ц MF, MSF (Воробьев, 1966; Воинов, 1999; Воинов и Захарчук, 1999).

3. Мезомасштабные колебания (пространственнью масштабы от километров до тысяч километров, временные — от часов до суток) вызываются в основном приливообраз)тощими силами Луны и Солнца, анемобарическими силами и связаны с такими процессами, как суточные и полусуточные баротропные приливные волны; инерционные колебания; внутренние приливные волны; штормовые нагоны, являющиеся следствием суммарного действия ветрового течения и длинной гравитационной волны анемобарического происхождения (Лабзовский, 1971); смешанные гравитационные - градиентно-вихревые волны (волны Янаи) (Ефимов и др., 1985).

4. Мелкомасштабные колебания (пространственные масштабы от метров до сотен метров, временные - от минут до часов) связаны с мелкомасштабной турбулентностью, вертикальной микроструктурой; высокочастотными внутренними гравитационными волнами с частотами f<a<N (/"= 2П зтф - параметр Кориолиса, П - угловая скорость \g 5ро вращения'Земли, N = — - частота Вяйсяля-Брента, ро - плотность морской воды, g- ускорение силы тяжести).

Изменения уровня и течений в выделенных пространствершо-временных диапазонах представляют собой выраженный случайный процесс, поэтому для их описания мы будем использовать методы вероятностного анализа и математической статистики.

Хотя приливы - детерминированный процесс, суммарные приливы формируются под действием различных астрофизических факторов, связанных с суточными и полусуточными составляющими приливообразующих сил Луны и Солнца, которые обычно представляются в виде суммы от 4 до нескольких сотен гармонических волн, амплитуды и фазы которых изменяются во времени. К тому же приливы - выраженный амплитудно- и фазово-модулированный процесс (фазовое, тропическое, параллактическое неравенства, сезонный ход гармонических постоянных основных волн прилива). Именно поэтому достаточно давно (с конца 50-х годов прошлого века) наряду с классическим гармоническим анализом приливов сформировался подход к анализу приливов, как к случайному процессу. Например, Картрайт и Тайлер применили спектральное оценивание для разложения приливного потенциала (Cartwright and Tayler, 1971). В частности, в работе Рожкова и Трапезникова (1990) убедительно показано, что баротропные приливы можно рассматривать, как полипериодически коррелированный слз'чайный процесс. Поэтому для их рюследования мы можем применить методы вероятностного анализа случайных процессов.

Представляется полезным оценить количественный вклад возмущений синоптического масштаба в суммарную дисперсию уровня и течений по сравнению с колебаниями других временных масштабов. Такие сравнительные оценки, на наш взгляд, могут приблизить к пониманию того, какие физические процессы определяют динамику вод изучаемых морей.

В работах (Воинов и Захарчук, 1999; Voinov and Zakharchuck, 1999; Захарчук, 2001; Zakharchuk, 2002; Захарчук и Тихонова, 2004 (Ь)) подобные оценки были сделаны нами в стационарном приближении с помощью дисперсионного анализа колебаний уровня в береговых пунктах арктических морей, путем оценивания дисперсии в диапазонах разных временных масштабов Однако, хотя проведенный таким образом дисперсионный анализ позволил получить ряд интересных результатов, все же с методической точки зрения он был проведен не достаточно корректно, так как, строго говоря, дисперсия случайного процесса - есть функция времени.

Для преодоления этих недостатков представим суммарнз'ю дисперсию уровня моря D(t) в виде суммы 6 составляющих: D(t) =D(t),,n +D^(t) +D,^(t) ^DUt) +DUt) +D,^(t) , (1.1.1.1) где D(t)u4 - дисперсия многолетних колебаний; / - время; Dc:i(t) - дисперсия сезонных колебаний, DcH(t) - дисперсия синоптических колебаний уровня, 2 сут. < Р < 120 сут., Р- период колебаний; DanfO — дисперсия долгопериодных приливов (волны М Ц A4F, MSF); D^nft) - дисперсия короткопериодных приливов (волны приливного потенциала из класса полусуточных и суточных приливов); D^a(0 — дисперсиямезомасштабныхнеприливных колебаний, 2 час. <Р<2 сут; Для расчета AIH из рядов среднесуточных значений уровня моря с помощью гармонического анализа приливов, выполненного по методу наименьших квадратов по программе разработанной Г. Н. Воиновым (1999, 2002) исключались сезонные колебания и долгопериодные приливы (волны Л4М, MF, MSF). Полученные остаточные ряды подвергались среднегодовому осреднению, и, затем, по рядам среднегодовых значений уровня рассчитывалась дисперсия многолетних колебаний !)„„, а также оценивалась максимальная величина этих колебаний Под сезонными колебаниями уровня моря принято понимать его изменения с периодами в 1 год и кратных году гармоник (обертонов) (Лаппо и др., 1990) В ряде работ для изучения сезонной изменчивости уровня, омывающих Россию морей, исследователи использовали гармонический анализ. При этом сезонные колебания описывались суммой двух волн - годовой и полугодовой (Гидрология Тихого океана, 1968; Советская Арктика, 1970; Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР, 1990). Однако на графиках временного хода многолетних средних месячных значений уровня в отдельных береговых пунктах хорошо выделяются также четырехмесячные колебания (Грщрометеорологические .условия шельфовой зоны морей СССР, 1985). Поэтому оценка сезонного хода уровня будет нами производиться на основе суперпозиции 3 волн: годовой, полугодовой и треть годовой. Исходя из этого дисперсия сезонных колебаний 1)сз рассчитывалась для каждого года на основе результатов гармонического анализа следующим образом: D c . = ^ 2 2 2 у (1.1.1.2) где Ai, А\/2, A\/i - амплитуды годовой, полугодовой и треть годовой гармоник, соответственно. По предвычисленным для каждого года рядам сезонных колебаний оценивалась их максимальная величина.

Дисперсии синоптических Всн(0 и неприливных мезомасштабных D^a(t) возмущений уровня моря рассчитывались следующим образом. Из исходных рядов уровня с помощью предвычисления, производившегося на основе метода наименьших квадратов гармонического анализа приливов, исключались вклады сезонных (годовая, полугодовая и треть годовая гармоники) колебаний, долгопериодных и суточных и полусуточных приливов. Таким образом, были получены остаточные ряды колебаний уровня.

Для оценки дисперсии неприливных мезомасштабных колебаний в остаточных рядах были отфильтрованы все колебания с периодами более двух суток с помощью полиномиального фильтра Баттерворта, восьмой степени и затем рассчитывалась скользящая не перекрывающаяся дисперсия Z)^(?i с шагом 2 суток и оценивались максимальные величины мезомасштабных колебаний.

Для оценки дисперсии синоптических колебаний, также из остаточных рядов отфильтровывались все колебания с периодами менее 2 суток и рассчитывалась скользящая дисперсия Dea(t) с шагом 2 месяца и перекрытием в одни сутки и, таюке, оценивались максимальные величины синоптических колебаний.

Для оценки дисперсии приливов по методу наименьших квадратов гармонического анализа приливов предвычислялись ряды короткопериодных приливных (83 волны приливного потенциала из класса полусуточных и суточных приливов для рядов ежечасных значений и 36 волн из того же класса для рядов срочных значений уровня) и долгопериодных приливных (волны ММ, MF, MSF) волн. Затем по предвычисленным рядам оценивалась скользящая дисперсия D^JJ) с шагом 2 суток без перекрытия и -Одп(0 с шагом 2 месяца и перекрытием в 1 сутки. Также по предвычисленным рядам оценивались максимальные величины суммарных короткопериодных и суммарных долгопериодных приливов.

Для оценки сравнительного количественного вклада возмущений разных временных масштабов в суммарную изменчивость течений, также как и для уровня, проводился нестационарный дисперсионный анализ временных рядов течений на буйковых станциях, и оценивались максимальные скорости разномасштабных возмущений.

Так как течение - векторный процесс, согласно (Белышев и др., 1983), рассчитывался линейный инвариант тензора дисперсии Ii(0) = Du+D„ (1.1.1.3) где Д,, Dv - дисперсии составляющих скорости течения на параллель и меридиан, соответственно.

Суммарная дисперсия течений /i(0)(?), представлялась в виде суммы 5 составляющих: /l(0) (/) =/i(0)e3 +/l(0)c„(0 +/1(0)д„(Г) +/1(0)кп (О +/i(0)..(/) (1.1.1.4) где /i(0)c3 - дисперсия сезонных колебаний; . /i(O)cii(0 — дисперсия синоптических колебаний течений, 2 сут. <Р < 120 сут.; А(0)дп(/) - дисперсия долгопериодных приливных течений (волны Т^ ЙЦ MF, MSF); /1(0)кп(0 дисперсР1я баротропных короткопериодных приливных течений (63 волны приливного потенциала из класса полусуточных и суточных приливов);
•^ 1(0)мз(0 — дисперсия мезомасштабных течений после исключения баротропного прилива, 2 час. <Р<2 сут; /I(0)MK(0 дисперсия мелкомасштабных течений, 10 мин < Р <1 час (так как наименьший интервал измерений течений был 10 мин).

На графиках временного хода многолетних средних месячных значений уровня в отдельных береговых пунктах Баренцева моря и среднемесячных значений скорости течений по данным годовых измерений на буйковых станциях хорошо выделяются четырехмесячные колебанР1я (Гидрометеорологические условия шельфовой зоны морей СССР, 1985, Loeng et al, 1993), которые могут быть связаны с обертонами годового хода за счет его нелинейности. Исходя из этого, сезонный ход течений описывался нами в виде суммы трех гармоник - годовой, полугодовой и треть годовой, рассчитанных на основе гармонического анализа, выполненного по методу наименьших квадратов по программе разработанной Г. Н Воиновым (1994, 1999). Так как длина наших рядов около года, дисперсия сезонных течений/i(0)c3 рассчитывалась в стационарном приближении /i(0). 2 2 { 2 1 J + ^ А^ А^ '^ (1.1.1.5), гдеЛ],,, А\/2и, Ai/зи, A[v, A\/2v, Ai/3v- амплитуды зональной и меридиональной составляющих годовой, полугодовой и треть годовой гармоник, соответственно. По пол)^енным рядам сезонных течений оценивались максимальные значения их скоростей.

Дисперсии синоптических и мезомасштабных возмущений течений рассчитывались в нестационарном приближении следующим образом. Из исходных рядов измеренных течений с помощью предвычисления, производившегося на основе метода наименьших квадратов гармонического анализа приливов, исключались вклады сезонных колебаний, долгопериодных и суточных и полусуточных приливов. Таким образом, были получены остаточные ряды проекций скоростей течений на параллель и меридиан с дискретностью от 10 до 60 минут ( в зависимости от буйковой станции).

Для оценки дисперсии синоптических колебаний в полученных остаточных рядах течений, с помощью полиномиального фильтра Баттерворта, восьмой степени по проекциям отфильтровывались все колебания с периодами менее 2 суток.

Для оценки дисперсии мезомасштабных колебаний скорости течений в остаточных рядах также с помощью полиномиального фильтра Баттерворта были отфильтрованы все колебания с периодами более двз'х суток и колебания с периодами менее 2 часов.

и, наконец, для оценки дисперсии мелкомасштабных колебаний в остаточных рядах отфильтровывались все колебания с периодами более 2 часов.

По фильтрованным остаточным рядам производились скользяш;ие оценки li(0)cn(t), /i(0)io(/) и /I(0)„K(/) а также оценивались максимальные значения течений.

Длина временных отрезков для скользящего дисперсионного анализа выбиралась такая же, как и при анализе колебаний уровня. Для синоптических колебаний длина отрезков принималась равной 2 месяцам и рассчитывалась скользящая дисперсия с перекрытием в одни сутки, для мезомасштабных колебаний длина отрезков принималась равной 2 суткам и рассчитывалась ' скользящая неперекрывающаяся дисперсия.

Визуальный анализ рядов зональной и меридиональной составляющих скорости течений измеренных на станциях Баренцева моря с дискретностью 10-20 мин показал, что в диапазоне мелкомасштабной изменчивости выделяются колебания с цикличностями приблизительно 40 - 120 мин. Поэтому при-нестационарном дисперсионном анализе для мелкомасштабных колебаний длина временных отрезков составляла 12 часов, и для них также рассчитывалась скользящая неперекрывающаяся дисперсия.

Дисперсия короткопериодных и долгопериодных баротропных приливных течений рассчитывалась следз^ощим образом. Вначале по методу наименьших квадратов гармонического анализа приливов для- каждого горизонта оценивались гармонические, постоянные короткопериодных приливных (63 волны приливного потенциала из класса полусуточных и суточных приливов) и долгопериодных приливных (волны Л<ЙЦ MF, MSF) течений. Затем производилось осреднение по вертикали, гармонических постоянных для зональной и меридиональной составляющих скорости течений. Здесь следует заметить, что в ряде случаев, которые мы будем рассматривать ниже, самые нижние измерители течений на буйковых станциях были расположены на расстоянии 3 - 11 м от дна (см. табл. 2.1.4), то есть, находились в слое придонного трения, где должна происходить значительная диссипация приливной энергии. Поэтому при вертикальном осреднении гармонических постоянных придонные горизонты в расчет не принимались. По средним гармоническим постоянным для каждой составляющей предвычислялись короткопериодные и долгопериоднью баротропные приливные течения. В предвычисление включались только те волны, амплитуда которых превосходила среднеквадратическую ошибку расчета их амплитуды, оцениваемую по методике, изложенной в работе (Pugh, 1987). По полученным предвычисленным рядам оценивалась скользящая дисперсия /I(0)KII(0 (с шагом 2 суток для.

короткопериодных приливных течений) и /1(0)д„(/) (с шагом 2 месяца и перекрытием в 1
сутки). Также по предвычисленным рядам оценивались максимальные значения скоростей суммарных короткопериодных и суммарных долгопериодных приливных течений.

Автокорреляционный и взаимный корреляционный анализ уровня моря

Исследованию течений в арктических морях Сибирского шельфа в диапазоне синоптической изменчивости по натурным измерениям посвящены работы Г. А. Баскакова и др. (Баскаков и др., 1999; Баскаков и др., 2001). В этих работах анализировались данные измерений течений на буйковых станциях в Карском море и море Лаптевых в летне-осенний период. Путем центрирования исходных рядов выделялись непериодические течения, которые интерпретировались как ветровые. Однако, попытки оценить взаимосвязь между течениями синоптического масштаба, локальным ветром и ветровым полем в Карском море привели к отрицательным результатам. Максимальные величины коэффициентов взаимной корреляции между течениями, из которых была исключена приливная-составляющая, локальным ветром и ветровым полем были очень низкими (0.11 - 0.43) (Беляков, 1960).

Подробный статистический анализ изменчивости синоптических течений в море Лаптевых был выполнен А. Ю. Ипатовым по данным измерений течений на буйковых станциях, работавших в период 1959 - 1973 гг. (Ипатов, 2003). Им была построена схема циркуляции вод1 моря Лаптевых в синоптическом диапазоне масштабов. Проведено районирование моря на основе вы деления, комплекса характерных черт циркуляционного режима, и его изменчивости, указаны временные диапазоны, определяющие основные черты циркуляции вод синоптического масштаба. Выделены временные диапазоны преобладающей изменчивости.течений, колебаний уровня моря, атмосферного давления и ветра в диапазоне их синоптической изменчивости. Выявлена устойчивость во времени (год от года) частотной структуры колебаний течений и показана ее пространственная изменчивость. Показана устойчивость во времени линейных связей синоптических колебаний течений в море и уровня моря, атмосферного давления и скорости ветра на береговых пунктах. К недостаткам работы следует отнести небольшую продолжительность рядов измеренных течений, не позволяющую исследовать статистическую структуру течений во всем диапазоне синоптической изменчивости, а также отсутствие идентификации выделенных синоптических возмущений течений, как конкретных физических процессов.

Первым, кто использовал волновую интерпретацию возмущений течений синоптического масштаба в арктических морях, омывающих Россию — был В. В. Измайлов (Измайлов, 1975). Он анализировал данные наблюдений за течениями в Чукотском море на 4 буйковых станциях, максимальная продолжительность которых достигала 78 суток. На. основе покомпонентного метода взаимно-корреляционного и взаимно-спектрального анализа им было установлено, что флуктуации течений с характерными масштабами 10-13 суток представляют собой волнообразные возмущения с пространственными масштабами 230-375 км и скоростями перемещения около 39 см/с. Однако, идентификация этих волн В. В. Измайловым не была проведена. К тому же, используемый им покомпонентный метод статистического анализа векторных процессов имеет существенные недостатки и ограничения, подробно описанные в работе (Белышев и др., 1983).

Представления о колебаниях уровня в Балтийском море сложились на основе футшточных и мареографных наблюдений приблизительно на 110 береговых постах (Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР: Балтийское море. 1992). Согласно этим представлениям, наряду с высокочастотными колебаниями уровня (частота выше частоты инерционных колебаний) отмечаются низкочастотные колебания, которые в диапазоне синоптических масштабов не могут быть объяснены баротропными инерционно-гравитационными колебаниями сейшевого типа.

Наибольшие по периоду (Г = 20-40 часов) сейшевые колебания системы Западная Балтика - Ботнический залив очень неустойчивы и быстро затухают (Neunann G, 1941; Maagard and Krauss, 1966; Краусс, 1968; Lisitzin E, 1974; Wubber, 1979; Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР, 1992). В то же время- эмпирические спектры колебаний уровня моря указывают на наличие в области низких частот энергонесущих максимумов на периодах 10, 15, 20 и 30 суток (Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР, 1992), которые не могут быть объяснены только локальными анемобарическими эффектами. Есть основания предположить, что они связаны с градиентно-вихревыми волнами типа топографических волн Россби. Подтверждением этого являются особенности статистических характеристик течений, выявленные по наблюдения на автономных буйковых станциях (АБС) и плавмаяках, которые обобщены в монографии (Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР, 1992). Спектральный анализ временных рядов измерений скорости течений на АБС, расположенных в разных районах Балтийского моря показал, что в синоптическом диапазоне выделяются две основные энергонесущие зоны: 2-3 и 8-10 суток (Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР. Балтийское море. 1992). Довольно часто отмечалось разделение по преобладающему направлению изменений вектора скорости на различных, но близких частотах: по часовой стрелки у колебаний с цикличностью 5-7 суток и против часовой стрелки у колебаний с периодом 2-3 суток. Спектральный анализ показал также, что интенсивность изменений скорости синоптических течений в открытых районах Балтийского моря, как правило, выше, чем в прибрежных районах, и для них свойственны частотная и амплитудная модуляция.

Оценки дисперсии и максимальных величин колебаний уровня и течений в диапазонах разных временных масштабов

Синоптическая изменчивость уровня моря по наблюдениям в береговых пунктах представляет собой многофакторный, разномасштабный и полициклический процесс, поэтому оценки спектральной структуры колебаний уровня в этом частотном диапазоне следует производить в нестационарном приближении. Однако для решения ряда задач, связанных с изучением синоптических колебаний уровня, полезно проводить спектральный анализ и в стационарном приближении. Вид стационарного спектра и особенности его структуры могут помочь при идентификации процессов, формирующих возмущения уровня в исследуемом диапазоне временных масштабов. Так, например, узкополосные, значимые пики спектральной плотности в стационарном спектре могут быть одним из признаков волнового процесса.

Согласно (Рожков, 1979), будем определять спектральную плотность колебаний уровня моря ф) как преобразование Фурье автокорреляционной функции К т) Sf(a ) = — \к (т)ехр{-і ох}(іт, (1.1.3.1) 2n J0 гдеК (т)- автокорреляционная функция стационарного процесса, т- временной сдвиг, rmax - максимальный временной сдвиг автокорреляционной функции, со - частота. Определение (1.1.3.1) позволяет охарактеризовать распределение квадратов амплитуд элементарных гармонических составляющих колебаний уровня по частотам со.

Для оценки изменчивости во времени спектральной структуры синоптических колебаний уровня будем рассматривать спектральную плотность в виде частотно-временного спектра (Рожков, 1979) S?(co,t) = — \K,r(t,T)exp{-i(OT}dT, (1.1.3.2) 2ж _ гдеK (t,г)- автокорреляционная функция нестационарного процесса, / - время, т временной сдвиг, rmax - максимальный временной сдвиг автокорреляционной функции, со частота.

Для изучения частотной структуры связи двух скалярных процессов вводится понятие функции взаимной спектральной плотности S ,ij(a ), которая представляет собой преобразование Фурье взаимной корреляционной функции КііП (г). Взаимная спектральная плотность S fco) стационарно-связанных скалярных процессов определяется следующим образом Sr,i,(co)\ ScJa) = — \KCv(r)exp{-icoT}dT (1.1.3.3) lmax Вследствие того, что функция взаимной корреляции K jt! (г) в общем случае не является четной, трансформанта Фурье функции S$ ,i/ a) есть комплексная величина в отличие от трансформанты Фурье автокорреляционной функции, которая всегда имеет вещественный спектр. Комплексную величину S ІЛ(Ф) можно представить в следующем виде: S ((o)= CosM+iQcv (а) (1.1.3.4)

Вещественную часть взаимной спектральной плотности Сост/ю) называют коспектром (косинус-спектр); мнимую часть 0$ ,7 (со) — квадратурным спектром (синус-спектр). Вещественная часть взаимного спектра находится как косинус-преобразование, Фурье четной части взаимной корреляции 1 " Coc„(a) = —\K+d(T)cosu)Tdt, (1.1.3.5) где КиЛг) = К Л Т)1К Лт). (1.1.3.6) Из (1.1.3.6) следует, что К+с,п(т) является четной функцией, .то есть К+,ч(т)=К+.г,( т). В силу четности функции К+,,,(т) ее можно рассматривать как некоторую корреляционную функцию. Так как К+ ,п{т)- четная функция, то и коспектр является четной функцией и его называют четной (симметричной частью взаимного спектра. Операцией (1.1.3.6) осуществляется сглаживание эффекта симметрии функции взаимной корреляции Kiv(f), которая в общем случае не является симметричной.

Симметрия К+с.п{т) относительно нулевого сдвига означает, что разность фаз между процессами равна нулю (процессы протекают синфазно). Коспектр, будучи спектральным представлением К+,г,(т), соответственно характеризует распределение по частотам энергии синхронного взаимодействия. Другими словами, коспектр характеризует вклад энергии колебаний разных частот в общую взаимную ковариацию при нулевом сдвиге двух временных рядов, то есть является мерой взаимной энергии двух процессов.

Мнимая часть взаимного спектра находится как синус-преобразование Фурье нечетной части взаимной корреляции / 0Cr;(co) = — {K c. (r)sm(OTdt, (1.1.3.7) о где К-(Т) = К С-Т)-К (Т) (1.1.3.8) Преобразованием (1.1.3.8) осуществляется усиление эффекта асимметрии, который, имеет место в функции К л{т). К (т) является нечетной функцией: К-(т)=К (-т). Асимметрия функции К (т) проявляется в смещении максимума К (г) на некоторый сдвиг ТФО. При отсутствии асимметрии К (г) О п(й)) = 0. Отличие 0 п(со) от нуля означает, что процессы имеют некоторую разность фаз, то есть происходят несинхронно. Квадратурный спектр, будучи спектральным представлением К (т), характеризует распределение по частотам энергии несинхронного взаимодействия. Иначе говоря, квадратурный спектр характеризует вклад энергии гармоник различных частот в общую ковариацию рядов при условии, что гармоники, содержащиеся во временном ряду (t), сдвинуты на четверть периода назад по отношению к временному ряду rj(t). При частотном представлении взаимной энергии процессов появляется возможность сравнивать их взаимную энергию на фиксированной частоте с энергиями каждого из процессов на той же частоте путем определения отношений этих характеристик: . , SlJco) Со3, „(a )-01 „(а) F2(a) = }_L— = — J -Cnl \ (1.1.3.9) Se(a)S4(a) S,(co)Sv(co) Функцию F(a ) называют когерентностью. Когерентность F(a ) характеризует линейную статистическую связь спектральных компонент одинаковой частоты и аналогична коэффициенту линейной корреляции, но в отличие от него зависит от частоты. В силу того, что всегда справедливо неравенство Со п(й}) + О п(са) S fcojS fco), называемое неравенством когерентности, F2(со) и F(co) могут изменяться в пределах от Одоі. Когерентность, являясь спектральным коэффициентом корреляции, одновременно служит мерой устойчивости разности фаз. Если разность фаз процессов постоянна, то F(co)=\, если разность фаз неустойчива, то F2(co) — - 0.

Оценки характеристик низкочастотных волновых возмущений в альтиметрических полях уровня Балтийского моря, полученные на основе метода Лонге-Хиггинса-Свешникова

Хорошо видно, что во всех морях выделяются зоны повышенной интенсивности низкочастотных колебаний уровня моря.

Самые интенсивные низкочастотные колебания уровня отмечаются в горле Белого моря, где ср. кв. отклонение уровня (о) достигает 46 см. Также высокая изменчивость уровня отмечается в губе Буор-Хая в море Лаптевых ( т = 34 см), севернее бухты Амбарчик (сг= 31 см) и восточнее о. Новая Сибирь (с7= 30 см) в Восточно-Сибирском море, а так же в районе мыса Нэттэн (сг= 28 см) в Чукотском море.

Интересно отметить, что во многих случаях зоны повышенных значений дисперсии низкочастотных колебаний уровня в арктических морях, оцененные для безледного периода по альтиметрическим данным хорошо согласуются с положениями стационарных и сезонных заприпайных полыней, наблюдающихся зимой (рис. 2.4.2). Так в Баренцевом море зоны повышенной изменчивости колебаний» уровня соответствуют положениям Чешской, Печерской и Западно-Новоземельской полыньям (Купецкий, 1970). В Карском море, зона повышенной интенсивности колебаний уровня моря соответствует положению стационарных Амдерминской (Купецкий, 1970), Ямальской и Обь-Енисейской и сезонной Центральной Карской заприпайным полыньям (Захаров, 1996). В море Лаптевых такое же согласие отмечается между второй (более северной) зоной высокой изменчивости уровня моря и положением Анабаро-Ленской, Западно-Новосибирской и Новосибирской стационарными заприпайными полыньями (Захаров, 1996). В Чукотском море можно видеть согласие в положениях зоны высокой изменчивости колебаний уровня моря и положением Аляскинской полыньи (Купецкий, 1970)

Учитывая, что интенсивность низкочастотных колебаний уровня в арктических морях возрастает в осенне-зимний период (Прошутинский, 1993; Воинов и Захарчук, 1999; Voinov and Zakharchuck, 1999), можно предположить, что выявленные по альтиметрическим данным зоны повышенной интенсивности колебаний уровня моря сохраняются и зимой, и, не исключено поэтому, что низкочастотные возмущения уровня моря вносят определенный вклад в формирование заприпайных полыней в арктических морях

О правомерности такой гипотезы может свидетельствовать следующий факт В 1998-1999 годах в районе Западно-Новосибирской полыньи в рамках Российско-Немецкого проекта «Система моря Лаптевых» работал доплеровский профилограф течений (ADCP) и измерялись другие океанографические параметры, в том числе- и уровня моря Результаты анализа полученных данных показали, что в зимний период колебания уровня»моря в полынье могут превышать 50 см (Дмитренко и др., 2001).

Для исследования пространственных масштабов колебаний уровня моря нами были использованы самые длинные непрерывные восходящие и нисходящие ERS-1/2 альтиметрические треки. На графиках вдольтрековых изменений уровня моря (рис. 2.4.3) хорошо видна последовательность сравнительно коротких пространственных возмущений, масштабы которых изменяются от 20 до 80 км.

Чаще всего эти колебания имеют величины 5-10 см. Однако, в отдельных случаях величины этих колебаний достигают значений 20-50 см. На рис. 2.4.3 видно также, что кроме коротких пространственных возмущений во вдольтрековых изменениях уровня моря выделяются сравнительно длинные пространственные возмущения, масштабы которых изменяются приблизительно от 350 до 1000 км, а величины - от 10 до 50 см. Также можно видеть выраженные тренды, которые могут быть связаны с низкочастотными колебаниями, пространственные масштабы которых значительно превосходят длину вдольтрековых рядов изменений уровня моря.

Можно предположить, что эти колебания с пространственными масштабами 20 — 80 км могут быть связаны с длинными гравитационными волнами, анемобарического происхождения. Рассчитаем фазовые скорости этих волн по известной формуле с = (gH)m, где с - фазовая скорость волны, g- ускорение силы тяжести, Н - глубина моря.

Глубины арктических шельфовых морей меняются в основном от 50 до 200 м Таким параметрам соответствуют фазовые скорости гравитационных волн от 23 до 45 м/с. Если принять согласно вдольтрековым альтиметрическим наблюдениям, что длины волн равны 20-80 км, то их периоды будут варьировать от 7 мин до 1 часа.

Помимо длинных гравитационных волн анемобарического происхождения, выявленные пространственные масштабы 20-80 км могут иметь и синоптические вихри.

На рис. 2.4.4 представлены оценки среднеквадратических отклонений уровня в Балтийском море, рассчитанное на основе комбинированных альтиметрических данных спутников ERS-1, ERS-2 и TOPEX/POSEIDON. Наибольшая интенсивность низкочастотных колебаний уровня отмечается в 2 районах, прилегающих с севера и юга к мелководной центральной части Ботнического залива. Также повышенные, но в меньшей степени, значения ср кв. отклонения уровня моря наблюдаются в северо-западном районе центральной Балтики между о. Готланд и шведским побережьем; в Финском заливе; в районе, прилегающем к побережью Калининградской области. Наименьшие оценки интенсивности низкочастотных колебаний уровня отмечаются на акватории, прилегающей к о-вам Эланд и Борнхольм, в северном районе центральной Балтики и на входе в Финский залив.

Моря Лаптевых и Восточно-Сибирское

В работе Бышева (Бышев, 2003) при интерпретации результатов статистического анализа метеорологических данных в Северной Атлантике показано, что в синоптическом диапазоне частот изменчивость с периодами 1.5 - 3 суток является результатом прохождения крупномасштабных анемобарических образований типа циклонов и антициклонов; масштаб 5-8 суток соответствует естественному синоптическому периоду под которым, как известно, понимается период существования определенного типа циркуляции атмосферы; с периодом 8-11 суток происходят колебания барических центров Исландского минимума и Азорского максимума, которые в свою очередь приводят к изменениям местоположения траекторий циклонов и антициклонов; и, наконец, с периодами от недель до месяцев связаны глобальные изменения атмосферной циркуляции, существенный вклад в которые вносят циклы индекса ее зональной циркуляции (Колесникова и Монин, 1965; Хромов, 1968).

Можно предположить поэтому, что в диапазоне периодов от недель до месяцев именно глобальные изменения атмосферной циркуляции приводят к значительным возмущениям водной среды и релаксация уровенной поверхности океанов и морей происходит в виде различных мод низкочастотных колебаний, в том числе и разных видов крупномасштабных волновых движений.

Для исследования гипотезы о волновой природе синоптических возмущений уровня Балтийского моря в диапазоне периодов от недель до месяцев мы воспользовались доступными в настоящее время массивами интерполированных в узлы сетки спутниковых альтиметрических данных. Эти данные дают возможность перейти от анализа точечных измерений к изучению изменчивости во времени полей уровня. Недельная дискретность и сравнительно подробное ( 0.3х0.3) пространственное разрешение альтиметрических полей делает их репрезентативными для оценки возмущений уровня в выбранном нами диапазоне временной изменчивости.

Отличительная, особенность волновых движений - наличие дисперсионного соотношения, описывающего связь волнового числа с частотой волны. Оценим с помощью статистического анализа пространственно-временные характеристики синоптических возмущений в альтиметрических полях уровня с тем, чтобы затем сравнить эти оценки с теоретическими дисперсионными соотношениями различных видов низкочастотных волн.

Массив спутниковых измерений уровня моря представляет собой комбинированные альтиметрические данные спутников TOPEX/POSEIDON, ERS-1 и ERS-2, осредненные за 7 суток в узлы неравномерной сетки с шагом вдоль долготы 1/3 и с шагом вдоль широты от 1/3 на экваторе до 0.05 - на широте 82 за период с октября 1992 по февраль 2002 г. Этот массив был произведен отделением космической океанографии во Франции (CLS), согласно заявки Европейского космического агентства с целью совместного анализа альтиметрических данных спутников ERS-1, ERS-2 и TOPEX/POSEIDON для исследований океанской циркуляции.

Способ градирования данных разработан в 1998 году (Le Traon et al, 1998) и усовершенствован в 2000 году (Ducet et al, 2000). При создании массива в исходные альтиметрические данные были введены традиционные для таких измерений поправки на ошибки измерения орбиты спутника (Le Traon and Ogor, 1998), коррекции на инструментальные ошибки, на возмущения за счет влажной тропосферы, сухой тропосферы, ионосферных эффектов. Возмущения, связанные с геоидом, из альтиметрических данных были исключены путем вычитания средних значений уровня моря. Кроме этого из альтиметрических данных были исключены: колебания за счет статического эффекта атмосферного давления (эффект обратного барометра), воздействия ветровых волн, океанских приливов, земных приливов

Наличие ансамблей альтиметрических полей уровня требует их адекватного статистического анализа. Такой анализ можно провести, используя метод Лонге-Хиггинса-Свешникова, описанный в 1-й главе (см. параграф 1.1.5).

Для этого будем рассматривать низкочастотные волновые движения в поле уровня Балтийского моря как пространственно-временное случайное поле, характеризуемое частотно-направленной спектральной плотностью S(co,9) Свешниковым (Свешников, 1959) и Лонге-Хиггинсом (Longuet-Higgins, 1961) для ветрового волнения ранее был предложен метод оценивания S(co,0) по частотам со и направлениям 6 по данным синхронных измерений волн и волновых уклонов. Рожковым (Рожков, 2002) и Бухановским и Рожковым (Бухановский и Рожков, 2002) этот метод был модифицирован для анализа волновых движений в полях атмосферного давления, температуры воды и других скалярных гидрометеорологических процессов, в том числе и уровня моря, при этом получаемый спектр позволяет определить период, направление распространения и длины волн, используя дисперсионное соотношение между волновым числом к и частотой со.

Двумерный спектр S(co,0) определяется по частотным спектрам Ss(co) колебаний уровня (/), измеренных в трех точках поля уровня C,(x,y,t), где хну- координаты, / время, и составляющих градиента уровня S X(CD),S (а). Алгоритм расчета значений S(co,0) подробно описан в работе Клеванцова и Рожкова (Клеванцов и Рожков, 2007), здесь же приведем вид частотно-направленного спектра S(co,9) уровня моря: S({a,0) = -ao{a)) + Yd[an{cv)cosn0 + bn{co)smn0], ч (3.2.1) где an, bn - коэффициенты, зависящие от значений S9(co), S (o ),Sc (р) (Клеванцов и Рожков, 2007). Располагая спектрами возвышений Sq(co) и уклонов Sc {ca),S {со), рассчитываемых через корреляционно-спектральное преобразование Фурье, дисперсионное соотношение между к и со можно вычислить по формуле I I2 (0) = - . (3-2.2) Sc(a ) где ii(co) -S {CO) + SCT{CO) — линейный инвариант тензора спектральной плотности (Белышев и др., 1983) градиента уровня.

Расчет выполнялся для трех близлежащих узлов сеточной области (Ах = Ay = 0.33) при. длине реализаций N = 679 и максимальном сдвиге xmax = 73; направление менялось через 45. В связи с существенным вкладом сезонных изменений в поле уровня, указанные колебания были предварительно отфильтрованы для более наглядного представления синоптического диапазона спектров.

Похожие диссертации на Синоптическая изменчивость уровня и течений в морях, омывающих северо-западное и арктическое побережья России

Аналитические методы в задачах инженерной геологии (на примере исследования оползней северо-западного побережья Черного моря)Янковой, Александр Павлович

Геохимические особенности природных и техногенных ландшафтов Черноморского побережья РоссииМатасова Ирина Юрьевна

Геохимия тяжелых металлов в природных и техногенных ландшафтах Черноморского побережья РоссииЛавренова, Елена Александровна

Соотношение климато-эвстатического и тектонического факторов геологического развития Северо-Западного района Черного моря после миоцена (Теория М.Миланковича и историко-генетические реконструкции в геологии)Шмуратко, Валерий Иванович

Историко-генетические предпосылки перспектив нефтегазоносности северо-восточной части Баренцева моряХромова Инга Юрьевна

Формирование геохимических полей углеводородных газов в донных осадках северо-восточной части Черного моря в связи с поисками залежей углеводородовКруглякова, Мария Владимировна

Закономерности формирования и пространственной изменчивости состава и свойств голоценовых отложений северо-западного шельфа Черного моря Леонов Юрий Викторович

Оптимизация профиля заглубления трубопровода в замерзающих морях : На примере северо-восточного шельфа о. СахалинаАстафьев Сергей Владимирович

Геологическое строение и нефтегазоносность северо-восточной части Баренцева моря по геофизическим даннымПавлов, Сергей Петрович

Синоптическая изменчивость уровня и течений в морях, омывающих северо-западное и Арктическое побережья РоссииЗахарчук Евгений Александрович