Введение к работе
Актуальность темы.
Под синоптической изменчивостью в океанологии принято понимать неоднородности в океанологических полях, имеющие характерные временные и пространственные масштабы от нескольких суток до месяцев и от десятков до тысяч километров, соответственно (Монин, 1972; Каменкович и др., 1987; Лаппо и Гулев, 1989).
Силы, вызывающие возмущения синоптического масштаба в полях уровня моря и течений известны, это силы тангенциального 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 (Loguet-Higgins, 1968; Тареев, 1974; Mysak et al, 1979; Коротаев, 1988; Козлов, 1983; Ефимов и др., 1985; Каменкович и др., 1987; Белоненко и др., 2004).
Особенности низкочастотной динамики вод морей, омывающих северо-западное и арктическое побережья России (Балтийского, Белого, Баренцева, Карского, Лаптевых, Восточно-Сибирского и Чукотского) определяются совокупностью целого ряда гидрометеорологических процессов. 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 приводить к формированию интенсивных сгонно-нагонных колебаний уровня, иногда 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., 2004).
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 низкочастотные 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, могут, или сноситься вниз по потоку, или преобразовываться 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 (Mc 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 горизонтальные 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 (Еkman, 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 синоптическом диапазоне пространственно-временных масштабов в шельфовых морях России связывалась с ветровыми течениями и сгонно-нагонными колебаниями уровня. Исследованию этих процессов в арктических морях России по натурным данным посвящено большое количество работ (например: Корт, 1941; Преображенский, 1947; Привальский, 1970; Потанин, 1969, 1971, 1972, 1976; Потанин и Денисов, 1976, 1980; Алексеев,1969, 1972; Топорков, 1970; Алексеев и Мустафин, 1972; Баннов-Байков, 1974; Крутских 1978). Однако, все эти работы связаны с исследованием сгонно-нагонных колебаний уровня моря с периодами, в основном, от 2 до 10 суток. Эти колебания уровня по представлениям подавляющего большинства исследователей арктических морей 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 интенсивности колебаний уровня моря на различных частотах всего синоптического диапазона изменчивости не проводилось, так как сгонно-нагонные колебания уровня моря исследовались по данным, полученным в короткий навигационный период (в основном в июле - сентябре). Такие ряды не позволяют исследовать внутригодовую и межгодовую изменчивость колебаний синоптического масштаба.
Механизмы генерации колебаний уровня синоптического масштаба в морях Сибирского шельфа недостаточно изучены. 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. Было выявлено, что возмущения уровня синоптического масштаба распространяются на восток в виде вынужденных прогрессивных волн. Делается предположение, что эти волны образуются за счет резонанса между вынуждающими силами и собственными колебаниями бассейна. Однако при этом, изучался только узкий, самый высокочастотный диапазон колебаний уровня синоптического масштаба (1 - 6 суток) и выделенные волны не были идентифицированы.
Попытки в полевых условиях проверить экмановский механизм генерации ветровых течений в Карском и Восточно-Сибирском морях, путем оценки статистических связей между течениями синоптического масштаба, локальным ветром и ветровым полем, 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; Mnchow et al., 1999).
При изучении возмущений течений синоптического масштаба, как правило, отсутствует волновая интерпретация. Не исследованы их пространственные масштабы, не оценен сравнительный вклад ветровых течений, синоптических вихрей и различных типов низкочастотных волн в формирование полей океанологических характеристик арктических и северо-западных морей России. 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 традиционной 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 синоптического океанологического мониторинга. Однако, переход от изучения океанологических процессов в отдельных точках моря к ансамблям полей требует адекватного их статистического описания.
В последние годы 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 ветра и атмосферного давления с достаточно подробным пространственно-временным разрешением. Эти метеорологические данные позволяют более представительно 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. За рамками численных экспериментов оставались: собственные низкочастотные колебания морей, баротропная и бароклинная неустойчивость течений, и генерация синоптических вихрей; исследование динамики различных видов низкочастотных волн и механизмов их генерации.
Актуальность диссертационной работы определяется необходимостью решения этих насущных научных и прикладных проблем.
Цель работы – исследование пространственно-временной структуры и механизмов формирования возмущений уровня 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 пространственно-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 спутниковых 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 уровня и течений синоптического масштаба в шельфовых, частично замкнутых морях, на примере Балтийского моря.
9. Описать механизмы генерации и формирования синоптических возмущений уровня 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 арктическое 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 на гидродинамической модели оценены и описаны вклады различных процессов и факторов в формирование и эволюцию полей уровня и течений Балтийского моря 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 связанные 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, выполнявшихся в рамках целевой научно-технической программы (ЦНТП-7) «Гидрометеорологические прогнозы для обеспечения морских отраслей экономики, исследования гидрометеорологических процессов и режима морей России, Арктики, Антарктики и Мирового океана»; подпрограммы «Комплексные исследования океанов и морей, Арктики и Антарктики» Федеральной целевой научно-технической программы (ФЦНТП) «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения»; подпрограммы «Гидрометеорологическое обеспечение безопасной жизнедеятельности и рационального природопользования» 1-й части Федеральной целевой программы (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 научно-технической фирмы «Комплексные системы» и ООО НПК «Морская информатика» (г. Мурманск) в 2001 – 2005 гг.; в рамках договора между ГАО РАН и СПО ГУ «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 ООО «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»). Санкт-Петербург. (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 г.), а 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; 98-05-64468-а; 03-05-64755-а; 06-05-64908-а).
Личный вклад автора. В большинстве публикаций, содержащих основные результаты диссертационной работы, автору принадлежат идеи исследования, формулировка целей и задач, сбор необходимой натурной информации, проведение статистического анализа уровня и течений, идеология 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 научно-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.
