Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Общие сведения об охотском море 12
1.1. Географические сведения 12
1.2. Атмосферное давление и система ветров над Охотским морем 14
1.3. Гидрологические и метеорологические условия Охотского моря 18
1.4. Ледовые условия Охотского моря 24
1.5. Поверхностная циркуляция вод Охотского моря 26
1.6. Средний уровень Охотского моря 31
ГЛАВА 2. Используемые материалы и методы исследования 36
2.1. Данные наблюдений на береговых уровенных постах 36
2.2. Материалы спутниковых альтиметрических съемок 39
2.3. Методы исследования
2.3.1. Вычисление линии тренда 41
2.3.2. Гармонический анализ 41
2.3.3. Расчет уровня моря по альтиметрическим данным 43
ГЛАВА 3. Вариации среднего уровня охотского моря по данным береговых постов 47
3.1. Линейный тренд в межгодовых колебаниях уровня моря 47
3.1.1. Параметры линейного тренда на станциях Охотского моря 47
3.1.2. Вариации среднего уровня моря в результате вертикальных смещений земной поверхности в районе Южных Курильских островов в связи с Шикотанским землетрясением 4.10.1994 г 54
3.2. Статистические характеристики сезонных вариаций уровня моря 59
3.3. Спектральный анализ сезонных вариаций уровня 67
3.4. Гармонический анализ вариаций уровня моря
3.4.1. Сезонная изменчивость основных гармонических параметров 72
3.4.2. Межгодовые вариации амплитуд и фаз основных гармоник 76
3.5. Взаимосвязь вариаций атмосферного давления и уровня моря 78
3.5.1. Спектральный анализ атмосферного давления 80
3.5.2. Оценка характера взаимосвязи 81
3.5.3. Изменения амплитуд основных гармоник 84
3.6. Выводы по Главе 3 90
ГЛАВА 4. Изменчивость уровня охотского моря по данным спутниковой альтиметрии 93
4.1. Сезонные вариации уровня по спутниковым данным 94
4.2. Сравнение спутниковых и береговых измерений уровня моря 104
4.3. Изучение колебаний уровня моря в районе Северных Курильских островов 107
4.4. Колебания уровня между островами Сахалин и Хоккайдо 111
4.5. Сезонные колебания уровня моря в Татарском проливе 118
4.6. Выводы по Главе 4 127
Заключение 129
Работы автора по теме диссертации 131
Список литературы
- Гидрологические и метеорологические условия Охотского моря
- Материалы спутниковых альтиметрических съемок
- Вариации среднего уровня моря в результате вертикальных смещений земной поверхности в районе Южных Курильских островов в связи с Шикотанским землетрясением 4.10.1994 г
- Изучение колебаний уровня моря в районе Северных Курильских островов
Введение к работе
Актуальность. Сезонные и многолетние вариации уровня моря отражают сложные динамические процессы, происходящие в морях и океанах, обусловленные циркуляцией вод, радиационным прогревом, воздействием атмосферных процессов, влиянием речного стока, образованием и таянием ледяного покрова и рядом иных факторов, которые в каждом конкретном бассейне обладают специфическими особенностями. Это определяет научный интерес к изучению вариаций уровенной поверхности и оценке основных факторов, их определяющих. Данная задача имеет также выраженный прикладной аспект для геодезии, картографии, навигации, строительства в прибрежных районах и т.д.
Колебания среднего уровня моря в течение многих лет привлекают внимание исследователей. Детальные обзоры сезонных изменений уровня Тихого океана содержатся в работах: Lisitzin E. (1974), Гидрология Тихого океана (1968), Белоненко Т.В., Колдунов В.В., Старицын Д.К. и др. (2009).
Также довольно хорошо изучены колебания уровня Японского моря и обуславливающие их механизмы, уровенные измерения охватывают всю акваторию моря. В то же время Охотское море можно отнести к числу наименее изученных бассейнов. Это связано с большой протяженностью и труднодоступностью побережий моря, сложностью установки береговых уровенных постов и получения достоверных и продолжительных рядов наблюдений. В последние десятилетия появилась возможность измерения вариаций уровня при помощи альтиметров, установленных на искусственных спутниках Земли. Благодаря полному охвату акватории изучаемого бассейна, альтиметрические наблюдения позволяют рассмотреть пространственное распределение сезонных колебаний уровня. Но в то же время привлечение материалов спутниковых наблюдений за акваторией Охотского моря осложняется влиянием ледяного покрова и сильных приливов.
Изучению вариаций уровня Охотского моря посвящена работа Ю.В. Любицкого (1987), где для побережья о. Сахалин оценивались характеристики
сезонных и многолетних колебаний. В работе О.Н. Лихачевой и А.Б. Рабиновича (1984) исследовалась связь сезонных колебаний уровня моря с метеорологическими факторами в г. Северо-Курильск. В то же время характер сезонных и межгодовых вариаций уровня и их связь с внешними факторами на других станциях детально не анализировались. Оценка параметров линейного тренда на станциях южной части о. Сахалин и Курильских островов проводилась в работах А.В. Савельева (1984) и Г.Г. Якушко (1975, 1982). Однако эти исследования проводились достаточно давно и охватывали небольшой период времени. Значительный интерес представляет анализ развития этих тенденций в последующий период.
Так как сезонные вариации уровня в Охотском и Японском морях имеют
противоположный характер, то очень интересно рассмотреть их
взаимодействие в районе, прилегающем к проливу Лаперуза. Через этот пролив происходит поступление в Охотское море теплых и соленых япономорских вод, которые транспортируются течением Соя вдоль северного берега о. Хоккайдо в сторону Южных Курильских островов. Альтиметрические измерения дают возможность исследовать характер взаимного влияния сезонных вариаций уровня в Охотском и Японском морях.
Известной главной особенностью годового хода уровня Охотского моря
является наличие устойчивого максимума на всех уровенных станциях в
декабре–январе. Это очень необычный феномен, так как охлаждение
поверхностных вод в холодный период года приводит к повышению плотности
вод и понижению среднего уровня. Именно так обстоит дело в Японском море.
Противоположная ситуация в Охотском море пока не получила
удовлетворительного объяснения, но очевидно, что стерический эффект не играет определяющей роли в годовом ходе уровня в данном бассейне.
Физические причины, вызывающие максимум уровня на береговых станциях зимой, а также пространственная структура уровенной поверхности Охотского моря в холодный период года и ее связь с состоянием основных течений и атмосферными процессами до настоящего времени не изучены.
Цель данной диссертационной работы – исследование характера сезонных и долгопериодных колебаний уровня Охотского моря и определение основных факторов, их обуславливающих. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
сформировать базу данных наблюдений за уровнем Охотского моря и прилегающих акваторий, включающих средние месячные значения уровня на береговых постах, а также рассчитанные по материалам спутниковых альтиметрических измерений;
рассчитать характеристики тренда уровня моря для береговых уровенных постов;
методами спектрального и гармонического анализов изучить структуру сезонных колебаний уровня Охотского моря и их связь с метеорологическими факторами;
исследовать межгодовые вариации среднего уровня Охотского моря и их связь с положением и выраженностью Алеутской депрессии;
на основе спутниковых альтиметрических данных выявить пространственное распределение уровенной поверхности Охотского моря в различные сезоны года;
исследовать особенности сезонных колебаний в районе, прилегающем к проливу Лаперуза, оценить характер взаимного влияния сезонных вариаций уровня в Охотском и Японском морях.
Научная новизна
1. Впервые на основе осредненных за 1993–2002 гг. материалов
альтиметрических наблюдений со спутника TOPEX-Poseidon построены и
проанализированы пространственные распределения уровенной поверхности
Охотского моря для различных сезонов года. Выявлен ряд региональных
особенностей изменчивости уровенной поверхности. Показано, что в декабре–
январе в центральной части бассейна формируется область с низкими, а вдоль
побережья – с высокими значениями уровня.
2. Новым результатом является выявленное резкое возрастание уровня
моря на станциях, расположенных на Южных Курильских островах, которое
связано с вертикальными смещениями земной поверхности, обусловленными сильным землетрясением, произошедшем на о. Шикотан 4 октября 1994 г.
3. В результате анализа альтиметрических данных на треках ИСЗ TOPEX-Poseidon, пересекающих залив Анива и южную часть Татарского пролива Японского моря, впервые обнаружены границы влияния:
сезонных вариаций уровня Охотского моря в Японском (14150' в.д.), сезонных вариаций уровня Японского моря в Охотском (зона течения Соя).
Методы исследований и степень достоверности результатов. Для изучения особенностей изменчивости уровня Охотского моря применялись известные, хорошо апробированные методы анализа временных рядов: статистический, спектральный и гармонический. Достоверность полученных результатов определяется значительным объемом и высоким качеством материалов наблюдений за уровнем моря - как полученных на береговых мареографных станциях, так и при помощи альтиметров, установленных на искусственных спутниках Земли. Результаты, полученные в ходе исследований, согласуются с результатами других авторов. Достоверность полученных результатов подтверждается их представлением на крупных отечественных и международных форумах.
Практическая значимость. Оценки линейных трендов, а также статистические характеристики сезонных и межгодовых вариаций уровня моря, полученных на основе наблюдений на различных станциях Охотского моря и прилегающих акваторий, могут быть использованы при расчете экстремальных колебаний уровня, оценках риска цунами и некоторых других характеристик, важных для функционирования существующих или проектирования новых объектов в береговой зоне. Интенсивное освоение минеральных ресурсов шельфа, прежде всего морских месторождений нефти и газа у северовосточных берегов о. Сахалин, большая сложность строительства объектов нефтегазового комплекса и высокая степень риска для экосистемы острова являются причиной высоких требований к точности промерных работ, привязке проектируемых сооружений к единой высотной основе, расчету динамических
нагрузок и других параметров, при определении которых используются уровенные наблюдения. Расчеты долгопериодных вариаций уровня на станциях Охотского моря, отражающие изменчивость циркуляции вод, могут быть использованы при решении ряда задач гидробиологии, в частности, при оценках формирования первичной продукции.
Защищаемые положения
-
Установлена главная особенность пространственного распределения среднего уровня Охотского моря в зимний период: формирование максимальных значений уровня по периферии бассейна и минимальных – в центральной его части, что отражает интенсификацию циклонической циркуляции моря и ее основных звеньев.
-
Выявлены распределения аномалий уровенной поверхности в летний период, имеющие противоположный характер – в центральной части моря формируется слабо выраженный максимум при низких значениях уровня на восточном шельфе о. Сахалин и западном шельфе п-ва Камчатка.
3. Показано, что амплитуда годовой гармоники уровня (и,
соответственно, выраженность зимнего максимума, а также интенсивность
циклонической циркуляции) характеризуется сильными межгодовыми
вариациями, для которых установлена тесная корреляционная связь с
колебаниями приземного атмосферного давления в центре Алеутской
депрессии.
Апробация. Результаты работы на разных ее этапах докладывались на семинарах Лаборатории цунами и секциях Ученого совета ИМГиГ ДВО РАН, на океанологических семинарах ТОИ (г. Владивосток, 2010, 2013), на семинаре Ученого совета Физического направления ИО РАН им. П.П. Ширшова (г. Москва, 2014), на международных и региональных конференциях «Стихия. Строительство. Безопасность» (г. Владивосток, 1997), «Гидрометеорология Дальнего Востока и окраинных морей Тихого океана» (г. Владивосток, 2000), «Okhotsk Sea & Sea Ice» (г. Момбетсу, Япония, 1998, 2001, 2003, 2004), «Дистанционное зондирование окружающей среды: научные и прикладные исследования в азиатско-тихоокеанском регионе (RSAP2013)» (г. Владивосток,
2013, на IX тихоокеанском конгрессе (г. Тайбэй, Китай, 1998), Генеральной ассамблее IUGG (г. Бирмингем, Великобритания, 1999), «Геодинамические процессы и природные катастрофы» (Южно-Сахалинск, 2011, 2015), «300-лет освоения Курильских островов русскими людьми» (г. Южно-Сахалинск, 1997), конференциях молодых ученых ТОИ ДВО РАН (г. Владивосток, 2004) и ИМГиГ ДВО РАН (г. Южно-Сахалинск, 2004, 2006).
Личный вклад автора. Автор непосредственно участвовал во всех этапах диссертационной работы: обработке и анализе натурных данных с помощью статистических методов, выполнении необходимых графических построений, обсуждении и интерпретации полученных результатов. Автор принимал участие в подготовке результатов исследований к опубликованию в журналах и лично представлял их на конференциях.
Публикации. Материалы диссертации полностью изложены в работах, опубликованных соискателем. По теме диссертации опубликовано 30 работ, включая 3 статьи в рецензируемых журналах из списка ВАК, 15 работ – в сборниках статей и 12 тезисов докладов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4-х глав и заключения. В работе содержится 66 иллюстраций и 10 таблиц. Список цитированной литературы насчитывает 85 источников. Общий объем диссертации – 141 страница.
Гидрологические и метеорологические условия Охотского моря
Одним из факторов, влияющим на изменчивость высоты уровня моря, является плотность морской воды, зависящая, в свою очередь, от температуры и солености.
Внутригодовые изменения температуры воды значительны. В зимний период температура поверхностного слоя воды снижается, достигая минимальных значений в марте. Весенний прогрев поверхности моря начинается в апреле. Повсеместно происходит увеличение температуры воды. Полная перестройка температурного поля к летнему состоянию происходит в июне, а самая высокая температура поверхности наблюдается в августе. В сентябре начинается охлаждение поверхностных вод, переход к зимнему типу температурного режима вод происходит в ноябре. В январе распределение температуры полностью отражает зимнее состояние (рис. 1.4).
Максимальные значения температуры воды на поверхности летом варьируются от 15,2С (в южной части моря и в Сахалинском заливе) до 10,8С (у берегов п-ва Камчатка). Минимальная температура воды поверхностного слоя Охотского моря изменяется от -1,0 до -1,8С [Веселова, 1972; Гидрометеорология..., 1998].
Сравнение кривых годового хода уровня моря и температуры воды для станции Корсаков показало: небольшое летнее повышение уровня соответствует прогреву поверхностных вод. В то же время в зимний период наблюдается максимальная высота уровня и минимальная температура воды. Похожая картина наблюдается на восточном побережье о. Сахалин на станции Стародубское (рис. 1.5).
В районе Курильских островов прослеживается аналогичная ситуация. Температурный максимум совпадает с повышением уровня моря в летний период (рис. 1.6).
Соленость вод Охотского моря зависит от многих факторов: влагооборота между водной поверхностью и атмосферой, материкового стока в прибрежных районах, ледообразования и таяния снега, течений и процессов перемешивания различного происхождения. В течение всего года соленость и ее пространственные градиенты в различных частях моря претерпевают изменения. Больше всего соленость варьируется в прибрежных районах.
Максимум солености для большей части моря наблюдается в холодное время года. В разных частях моря наступление максимального пика солености может варьироваться, в среднем это период с декабря по март. Основной причиной максимума солености является развитие ледяного покрова. В некоторых районах южной части моря наблюдается до трех периодов повышения солености, что объясняется поступлением более соленых тихоокеанских и япономорских вод. 140
Наступление минимальной солености вод варьируется во времени и пространстве в широких пределах и наблюдается в теплый период года. В прибрежных районах часто наблюдается два минимума, связанные с весенним паводком рек и таянием льда и с осенним половодьем рек, возникающим в результате выпадения большого количества осадков. В открытых районах моря уменьшение солености обусловлено выходом циклонов, в том числе и тропических (рис. 1.7).
Соленость поверхностных вод Охотского моря на основной части его акватории изменяется в пределах 31,0-33,2 %о, в прибрежных районах в период максимального влияния речного стока отмечены значение менее 28,0 %о [Гидрометеорология..., 1998].
Распределение плотности морских вод во времени и пространстве имеет сложный характер и определяется пространственно-временными изменениями температуры и солености.
На поверхности моря наблюдается наибольшая внутригодовая изменчивость плотности воды. Максимум плотности приурочен к зимнему времени (январь-апрель), а минимум - к летнему (июль-сентябрь). На формирование внутригодовых особенностей плотности поверхностных вод Охотского моря доминирующее влияние оказывает температура воды. Пространственное распределение поля плотности в большей мере связано с градиентами солености в разных частях моря.
Время наступления максимума плотности поверхностных вод связано с понижением температуры воды и осолонением вод при льдообразовании. Максимум плотности поверхностных вод также приурочен к местам поступления и районам дальнейшего распространения тихоокеанских вод.
Снижение плотности в теплое время года связано, в первую очередь, с процессом таяния ледяного покрова, приводящим к распреснению поверхностных вод, затем начинает проявляться распресняющее воздействие стока рек. Возрастание температуры поверхностных вод также приводит к снижению плотности. В конце лета сказываются выходящие на юг Дальнего Востока тропические циклоны, приносящие значительное количество атмосферных осадков. Пространственные градиенты плотности поверхностных вод в центральной и южной частях Охотского моря минимальны. По мере приближения к берегам они возрастают (рис. 1.8). 1.7. Распределение солености (%о) поверхностных вод Охотского моря в различные сезоны года [Гидрометеорология..., 1998] Рис. 1.8. Распределение плотности (усл. ед.) поверхностных вод Охотского моря в различные сезоны года [Гидрометеорология..., 1998] 1.4. Ледовые условия Охотского моря
По суровости ледовых условий Охотское море приближается к арктическим морям. Средняя продолжительность ледового периода составляет от 260 на севере до 120 суток на юге. В суровые зимы льдом покрывается до 99 %, а в мягкие зимы - около 65 % всей акватории моря [Гидрометеорология..., 1998].
Ледовый режим Охотского моря в значительной степени определяется его физико-географическими особенностями: сложная береговая линия; мелководность проливов между Охотским и Японским морями, затрудняющая поступление более теплых япономорских вод; водообмен с Тихим океаном, осуществляющийся через более глубоководные Курильские проливы; расположение моря на границе Азиатского материка и Тихого океана. Эти особенности определяют существенные различия в ледовой обстановке различных частей моря.
Первый лед появляется во второй половине октября в некоторых закрытых бухтах северной части Охотского моря, в декабре-январе ледяной покров образуется в северной и западной частях моря. Распространение ледяного покрова к югу в западной половине моря происходит благодаря как выхолаживающему эффекту низких температур воздуха, так и общей циркуляции вод, способствующей генеральному дрейфу льда с севера на юг вдоль восточного побережья о. Сахалин. Постоянные и сильные северные ветра зимой также способствуют образованию полыней на северном шельфе и дрейфу льда в южную часть моря. Максимум распространения ледяного покрова наступает в первой половине марта. Начиная с апреля, общая ледовитость моря сокращается.
В восточной половине моря ледяной покров образуется сравнительно узкой полосой вдоль побережья п-ва Камчатка, но на некотором удалении от полуострова благодаря интенсивному поступлению теплых тихоокеанских вод формируется обширная область, свободная ото льда. Лишь в самые суровые зимы льдом покрывается практически все море, за исключением небольшого участка, прилегающего к Курильским проливам (рис. 1.9).
Материалы спутниковых альтиметрических съемок
В 90-х годах сеть наблюдательных станций сильно сократили, многие мареографные пункты были закрыты. Основным источником данных о высоте уровня моря стали альтиметрические наблюдения.
В качестве второй составляющей информационной базы данной работы использовались материалы измерений, полученные при помощи альтиметров, установленных на спутниках TOPEX-Poseidon (ТР) за период 1993-2002 гг. и Jason-1 за 2003-2009 гг. Исходные данные получены от центра PO.DAAC в JPL NASA, где они формировались в виде временных рядов с дискретностью 10 суток (с пропусками в период развития ледяного покрова) в точках, которые выбирались вдоль треков (рис. 2.1).
Для определения пространственной структуры сезонных колебаний уровня на акватории Охотского моря и в прилегающих районах использовалась сетка точек с вдольтрековым шагом около четверти градуса. При формировании рядов альтиметрических данных использовалась поправка на среднюю уровенную поверхность MSS [Benada, 2002], которая учитывает влияние геоида, а также наклоны уровня, связанные с системой квазистационарных течений. Иными словами, рассматривались аномалии уровенной поверхности. При этом происходило подавление влияния вариаций геоида сравнительно небольшого пространственного масштаба, которые не учитываются общей моделью, а также некоторых других случайных факторов. Осреднение выполнялось при каждом пролете спутника, в указанную окрестность обычно попадало 7-8 измеренных значений.
Помимо стандартных поправок, вводилась поправка на приливы. Расчет производился по специальной методике [Шевченко и Романов, 2004], в каждой точке рассчитывались амплитуды и фазы 18 основных приливных волн, а затем предвычисленные приливные колебания вычитались из исходных значений. Эта процедура обязательна при вычислении сезонных вариаций, так как вследствие преобладающей роли в формировании приливов в данном бассейне главной суточной волны К1, период которой весьма близок к 24 часам, зачастую оказывается, что для некоторых месяцев все три измеряемых значения уровня приходятся на одну и ту же фазу прилива, из-за чего погрешности расчета могут быть значительными. Надежный метод фильтрации приливов позволил корректно исследовать поставленную задачу.
Для каждой точке полученные остаточные ряды группировались по месяцам, после чего рассчитывались средние месячные значения уровня моря. Использование данных наблюдений за 10-летний период позволяет рассчитывать на снижение влияния случайных колебаний, обусловленных метеорологическими причинами, которое неизбежно проявляется при попытке оценки распределений уровня в различные сезоны отдельных лет вследствие низкой частоты альтиметрических измерений. Для некоторых точек в период максимального развития ледяного покрова (январь-март) имеются значительные пропуски в данных, так как в этом случае данные отбраковывались. Также резко уменьшалось количество материалов наблюдений (а также их качество) в прибрежной зоне моря. Соответствующее среднемесячное значение исключалось из дальнейших расчетов, если количество отсчетов составляло менее 20% от их возможного числа. Тем не менее, несмотря на возникшие в результате такой процедуры в некоторых районах «белые пятна», удалось получить вполне удовлетворительные пространственные распределения высот уровня Охотского моря в различные месяцы года.
Для более подробного анализа использовались материалы наблюдений за уровнем моря на треках спутника TOPEX-Poseidon, пересекающих залив Анива, Татарский пролив (северная часть Японского моря выше 45 параллели), и охватывающие акваторию вокруг северных и центральных островов Курильской гряды. 2.3.1. Вычисление линии тренда %(tk) = b + att, (2.1) где х( ) - средние годовые значения уровня; tk - порядковый номер года. Для определения коэффициентов линейной функции а и Ъ, а также их доверительных интервалов применялась стандартная процедура статистического пакета Excel. Мерой качества аппроксимации исходных временных рядов трендами служит коэффициент детерминации R2, который определяется как квадрат коэффициента корреляции между данными и трендом. Значимость тренда можно оценить по распределению Стьюдента r\JN -1 = / 2 , (2.2) л/1- г где г - коэффициент корреляции между исходными данными и трендом, N - длина ряда. r\(ti) = Ao + Aicos((dti - фі) + A2Cos(2(dtj - фг) + 3COS(3B - фз) + є(ґг), (2.3) 2.3.2. Гармонический анализ 42 где А0 - средний уровень; А1 А2 и А3 - амплитуда годовой, полугодовой и третьгодовой гармоник; фі, фг и фз - их фазы, со = 2тг/12 - годовая частота (цикл/месс), tt - время в месяцах, є -остаточные нерегулярные колебания. Раскрывая косинус по формуле сложения, перейдем к уравнению для центрированного : t{t) = r\(t) -А0 = A1 [cos(co ) cos(cpi) - sin(co ) зіп(фі)] + 42 [cos(2 ) соз(фг) - sin(2 ) sin )] + + A3 [cos(3 ) соз(фз) - sin(3 ) зіп(фз)] + є(ґг). (2.4) Можно ввести новые переменные Xj = АІ соз(фг); 7г =At зіп(фг), которые определяются стандартным методом наименьших квадратов. Обычная процедура приводят к следующей системе из шести уравнений с шестью неизвестными:
Вариации среднего уровня моря в результате вертикальных смещений земной поверхности в районе Южных Курильских островов в связи с Шикотанским землетрясением 4.10.1994 г
Для исследования характера сезонной изменчивости уровня моря в каждом из пунктов наблюдения проводилось осреднение среднемесячных значений за соответствующее количество лет, и по ним были построены кривые внутригодового хода.
Для всей акватории Охотского моря характерна в целом общая картина внутригодовой изменчивости - максимальные значения наступают в декабре-январе (на некоторых станциях в ноябре), минимальные: в марте-апреле. Практически на всех станциях отмечается второй максимум летом. Основные различия характера сезонных вариаций в разных районах моря связаны со степенью выраженности максимумов.
Характерные величины колебаний (размахи) в Охотском море лежат в интервале от 15 до 30 см, в зависимости от расположения пункта. Для большинства станций размах составляет 15-20 см, а в районе м. Крильон и на станциях Ох отек и Северо-Курильск он доходит до 30 см, в Москальво даже превышает. В таблице 3.3 представлены минимальные и максимальные значения уровня моря за весь период наблюдений, а также месяц и год, когда эти величины были зафиксированы.
Основными характеристиками периодически коррелированного случайного процесса являются оценки математического ожидания и дисперсии. Для каждого месяца вычислены "средние многолетние" высоты уровня относительно нулевого значения, полученные осреднением среднемесячных значений за соответствующее количество лет и вычитанием общего среднего, и в качестве характеристики рассеяния - величины среднеквадратических отклонений, а также наблюдавшиеся максимальные и минимальные высоты уровня.
Северо-западная часть Охотского моря Внутригодовой ход колебания уровня на станциях северо-западной части Охотского моря не одинаков, наступление максимальных и минимальных высот уровня на станциях происходит в разные месяцы (рис. 3.12-3.14). Максимальные значения наблюдаются в ноябре-январе, в мае и в июле; а минимальные значения приходятся на март-апрель, ноябрь и июнь-июль. На материковом побережье летний максимум в июле выражен гораздо сильнее (в пунктах Охотск и Аян он основной, хотя приходится делать оговорку о нерегулярности наблюдений в последнем); зимний максимум смещен на ноябрь, а минимум - на март, исключая бухту Нагаева, где зимний максимум в декабре. В Охотске самописец уровня моря находился на устьевом участке реки Кухтуй (примерно в 5 километрах от моря) и, следовательно, годовой ход уровня в данном пункте формируется под влиянием стока реки, зависящем от количества и внутригодового распределения осадков (рис. 3.11). Для станции о. Байдуков и несколько в меньшей степени - для м. Литке и Москальво годовой ход уровня осложняется влиянием р. Амур (рис. 3.12, 3.13). Курильские острова По Курильским станциям эта картина еще более разнородная, хотя в целом по всем пунктам максимальный уровень приходится на осенне-зимний период, а минимальный - на весенне-летний (рис. 3.15-3.17).
В северной и центральной частях Курильской гряды характер внутригодовой изменчивости аналогичен наблюдаемой в юго-восточной части о. Сахалин - четко выраженный максимум зимой (январь), особенно в Северо-Курильске и о. Матуа (средняя величина отклонения около 12 см) и несколько слабее в Курильске - 8 см; весенний минимум (май, 4-5 см) и летний максимум в августе выражены более слабо.
Южная часть Курильской гряды отличается более слабым зимним максимумом (7-8 см), а также четко выраженными минимумом в апреле и летним максимумом в августе. В Зеленовске имеется дополнительный минимум (октябрь-ноябрь) и максимум (сентябрь).
С целью выявления общей энергии сезонных вариаций уровня моря, определения основных периодов колебаний ряды среднемесячных значений были подвергнуты спектральному анализу (расчеты производились для станций, где длительность наблюдений была не менее 15 лет).
Для станций юго-восточного побережья о. Сахалин спектры среднемесячных значений уровня моря имеют сходный характер - их отличает наличие выраженного годового максимума и его полугодового обертона (рис. 3.18-3.19). Общий уровень энергии в различных пунктах примерно одинаков, колебания с периодом 4 и 3 месяца имеют незначительную величину, несколько сильнее выражен пик с периодом около 2,5 мес.
На станциях северо-западной части Охотского моря уровень энергии сезонных колебаний несколько выше, чем на остальных станциях. Пики на периодах 12, 6, 4, 3 и 2,5 месяца отчетливо выделяются, а на станции о. Байдуков полугодовой максимум является основным (рис. 3.20-3.21).
В Северо-Курильске характер спектра аналогичен спектральным колебаниям на побережье о. Сахалин. В меньшей степени это проявляется в Курильске и на о. Матуа, где годовой максимум выражен несколько слабее (рис. 3.22, 3.23). В южной части Курильской гряды (Южно-Курильск, Малокурильское, Буревестник) полугодовой максимум выражен более отчетливо и по величине сравним с годовым. Также здесь хорошо выделяются пики на периодах 4, 3 и 2,5 месяца (рис. 3.23, 3.24).
Преобладание в спектрах вариаций среднего уровня годового пика и его обертонов позволяет рассматривать их как периодически коррелированный случайный процесс с периодом коррелированности, равным одному году, что согласуется с известными представлениями [Беляев и др., 1984].
Изучение колебаний уровня моря в районе Северных Курильских островов
Изменения во времени параметров основных гармоник для атмосферного давления и уровня более детально позволяют изучить характер взаимосвязи на наиболее важных, «энергонесущих» периодах. Для выделения параметров годового цикла и его основного обертона по набору среднемесячных значений атмосферного давления и уровня моря Yt обычно используется следующее представление [Лихачева и Рабинович, 1984; Поезжалова и Шевченко, 1997]: Y{t) = Y0 + A1 cos(coo +G 1) + A2 cos(2coo +G2) + s(Y), (3.1) где Y0 - среднегодовое значение данного элемента, А1,2 и G1,2 - амплитуды и фазы годовой и полугодовой гармоник, соо = 27Г/12 - частота годового цикла, t - время в месяцах, e(t) - остаточные колебания. Система уравнений, получаемая из принципа минимизации дисперсии остаточного ряда, решалась для каждого года отдельно, что позволило получить характеристики гармоник в виде временных рядов и исследовать их обычными статистическими методами.
Амплитуда годовой гармоники колебаний уровня моря [Лихачева и Рабинович, 1984] в Северо-Курильске (1971-1975 гг.) изменялась в широких пределах. Представлены аналогичные графики изменения амплитуд годовой гармоники для нескольких курильских мареографных станций за анализируемый период наблюдений (рис. 3. 34 а). В северной части островной дуги такие вариации велики: для Северо-Курильска их размах составляет около 11 см при среднем значении - 9 см, среднеквадратическое отклонение - около 3,7 см. Годовые колебания менее всего проявились в 1972, 1979, 1982, 1990 гг.; их максимальная интенсивность наблюдалась в 1974, 1976-1977, 1980-1981, 1983, 1985-1988, 1992 гг. На станциях южной части гряды вариации амплитуд годовой гармоники выражены слабее - среднеквадратическое отклонение около 2,2 см, при этом их средние значения также существенно меньше (около 5 см). Наблюдается определенная связь вариаций на различных станциях: значения коэффициента корреляции, рассчитанные по совпадающим периодам наблюдений, составляют 0,57-0,6, и только между станциями с самым большим расстоянием между ними (Южно-Курильск и Северо-Курильск) - около 0,3.
Изменение амплитуд годовой (а) и полугодовой (б) гармоник уровня моря на мареографных станциях в северной (Северо-Курильск), центральной (о. Матуа) и южной частях (Курильск и Южно-Курильск) Курильской гряды Вариации амплитуд полугодовой гармоники (рис. 3.346) несколько меньше, чем годовой, но тоже достаточно велики, их среднеквадратические отклонения колеблются от 1,5 (Курильск) до 2,4 см (Северо-Курильск). Если неустойчивость годовых колебаний уменьшалась с севера на юг, то вариации параметров полугодовой гармоники максимальны на краях островной дуги (размах в Южно-Курильске и Северо-Курильске достигает 9 см) и уменьшаются в центральной ее части. Амплитуды полугодовой гармоники на различных станциях имеют более похожий характер вариаций, чем годовой: коэффициент корреляции между двумя крайними пунктами составляет 0,66, в остальных случаях - в интервале 0,73-0,75.
Фазы обоих гармоник изменяются в очень широких пределах. Для годового цикла на станции Северо-Курильск диапазон изменений составляет около 90, для остальных мареографов - до 180, высокая корреляция наблюдается только в южной части гряды между пунктами Курильск и Южно-Курильск. Между станциями Северо-Курильск и о. Матуа корреляция слабее, а между северным и южным районами практически отсутствует. Аналогичная картина наблюдается и для фаз полугодовой гармоники, только разброс значений еще больше, а корреляция между разными станциями ниже.
Изменчивость во времени параметров годовой и полугодовой гармоник для приземного атмосферного давления, по приведенным выше результатам спектрального анализа, играет основную роль в формировании сезонных вариаций. Амплитуды годовых гармоник атмосферного давления, так же как и уровня моря, обладают значительной изменчивостью (рис. 3.35а). На станциях о. Шумшу и о. Симушир максимальный размах составляет около 5 мБар, а среднеквадратическое отклонение -1,4 мБар. В южной части гряды величины примерно в два раза меньше. Между станциями на севере и в центре Курильской гряды существует достаточно тесная связь (А=0,67), а корреляция с вариациями амплитуды годовой гармоники в Южно-Курильске отсутствует. Колебания фазы на этом периоде наименьшие на севере (максимальный размах около 80, среднеквадратическое отклонение - 17), в то время как на юге гряды они наибольшие (среднеквадратическое отклонение более 60). Корреляция фаз между станциями несколько выше, чем для амплитуд, что говорит о наличии слабой связи для пары станций о. Симушир -Южно-Курильск (табл. 3.7). Таблица 3.7. Коэффициенты корреляции между рядами амплитуд (столбец ;) и фаз (Gj) годовой гармоники для приземного атмосферного давления по измерениям на станциях в северной, центральной и южной частях Курильской гряды за 1949-1995 гг.