Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Структура и изменчивость динамической топографии поверхностного слоя арктического бассейна

ВАК РФ 11.00.08, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Структура и изменчивость динамической топографии поверхностного слоя арктического бассейна"

^ ц РД

>едеральная служба россии по ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ . мониторингу окружающей СРЕДЫ

:ударственный научный центр российской феди'лщ : арктический и антарктический научно-

I

исследовательский шститу г

На правах рукописи УДК: 551.46:519.24 (268)

Колтышев Алексей Евгеньевич

груктура и изменчивость динамической топографии поверхностного слоя арктического бассейна

11.00.8 - океанология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидат-: географических наук

Санкт-Петербург - 1998 г.

1 лбота выполнена в Государственном Научном Центре Российской дерации Арктический и Антарктический научно-исследовательский и]

|!1>Г • •

Научный руководитель: доктор физ.-мат. наук

Л.А.Тимохов

Официальные оппоненты: доктор географических наук доктор физ.-мат. наук, профессор

З.МГудкович О.М.Покровский

Ведущая организация - Российский государственный гидрометеорологический университет

Защита состоится 24 декабря 1998 г. в,13 часов 00 мин на заседани Диссертационного Совета Д.024.04.01 в Государственном Научном Цеш Российской Федерации Арктический и Антарктический научно-исследо! тельсхий инсттут по адресу:

133Ж}

499224, Санкт-Петербург, ул. Беринга, 38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ААНИИ.

Автореферат разослан

1998 г.

110<:ь:й секретарь Диссертационного Со

В.П.Каркл1

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальностъ темы. Арктический бассейн (АБ) играет ключевую роль в арктической климатической системе, в формировании циклических колебаний различного временного и пространственного масштаба. Состояние поверхностных вод АБ оказывает влияние на гидрологический режим арктических морей и на ледовые условия по трассе Северного Мо некого пути. Объяснение причин изменений положения и состояния главных ледяных массивов, колебаний ледовитости морей, во многом зависит от понимания природы образования и механизмов динамики поверхностного слоя (ПС) АБ. Изучение термохалинного состояния и динамики ПС АБ остаётся важной проблемой современной полярной океанологии,-имеющей большое прикладное значение.

Анализ состояния вопуоса показывает, что как термохалннный режим, так и поверхностная циркуляция АБ изучены недостаточно. Так, инструментальные измерения течений сравнительно редки, по ним трудно получить представление об изменчивости циркуляции. Поэтому о циркуляции ПС многие годы судили по косвенным данным, например, по дрейфу льдов. Поскольку дрейф льдов отражает лишь часть циркуляции вод в ПС и ввиду недостаточного количества инструментальных измерений течений, в отечественной океанологии сложилась практика использования геострофической модели, в которой в качестве показателя циркуляции ПС используются динамические высоты относительно поверхности 200 дб (З.М. Гудко-вич, 1961; А.Ф. Трешников и др., .1976). В связи с развитием в 80-х - 90-х гг. численных гидродинамических моделей появилась возможность непосредственных расчетов скоростей течений и уровня моря, в силу чего отождествление циркуляции с динамическими высотами перестало быть актуальным. При этом динамическая топография как показатель термохалинного состояния слоя, геострофической циркуляции и уровня моря, остается одной из наиболее универсальных; океанологических характеристик, позво-

ляющей на базе эмпирических данных наблюдений исследовать межгодовую изменчивость состояния ПС. Поэтому дальнейшее изучение структуры и изменчивости динамической топографии АБ остается актуальной задачей.

Цель работы - установить основные особенности пространственно-временной изменчивости динамической топографии ПС АБ в зимний период по эмпирическим данным; исследовать сопряженность изменчивости динамических высот с другими элементами климата Арктики. Научная повита работы заключается в следующем:

1. Впервые по материалам наиболее полной в мире базы океанологических данных АБ были сделаны эмпирические оценки пространственно-вр'еменной изменчивости динамической топографии ПС АБ.

2. Разработана методика реконструкции океанологических полей на базе эмпирических ортогональных функций (ЭОФ) по нерегулярно заданным точкам без предварительной интерполяции исходных данных в узлы сетки.

3. Впервые с помощью объективного метода классификации выполнена типизация режимов циркуляции АБ по полям динамических высот.

4. Впервые выявлена эмпирическая связь изменчивости динамических высот АБ с аномалиями уровня на арктических станциях.

5. По длительному ряду выявлены основные тенденции в изменении динамической топографии ПС АБ за период 1954 - 1993 гг.

6. Разработаны и исследованы отдельные звенья физико-стохастической модели гидрологического режима региона.

Практическая значимость работы иллюстрируется следующими возможностями применения полученных результатов: .1. Рассмотрен и решен ряд вопросов, связанных с адаптацией современных методов статистического анализа на базе ЭОФ применительно к условиям АБ.

2. Предложенная методика реконструкции океанологических полей может быть применена для • восстановления рядов других океанологических характеристик.

3. Реконструированный ряд полей динамических высот АБ включен в Атлас CJIO [Environmental Working Group, 1997] в качестве составной части и молет быть использован для исследований гидрологического режима региона.

4. Результаты изучения связей динамических высот с природными процессами в Арктике могут быть использованы при разработке методов долгосрочных прогнозов крупных аномалий ледово-гидрологического режима.

Положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Численные оценки пространственных и временных изменений динамических высот, включая оценки математического ожидания, дисперсии, пространственных и временных автокорреляционных функций, горизонтальных градиентов.

2. Методика реконструкции океанологических полей АБ на основе ЭОФ по нерегулярно заданным точкам без предварительной интерполяции исходных данных в узлы сетки. • Реконструированный ряд полей динамических высот АБ относительно поверхности 200 дб для периода март - май 1949, 1950 и 1954 - 1993 гг.

}. Результаты исследований межгодовой изменчивости динамической голографии ПС АБ. В межгодовых изменениях динамических высот АБ преобладает пяти - шестилетняя периодичность и отмечаются признаки низкочастотной составляющей с периодом 32 - 34 г.

I, Результаты типизации циркуляции АБ на основе полей динамических. 1ысот. Выделено три основных типа циркуляции Г1С АБ, дана их характе-шстика.

>. Численные оценки статистических связей изменчивости динамической опографии с аномалиями уровня моря на арктических станциях, атмо-ферной циркуляцией и речным стоком.

Лпрощания работы. Основные резул;>гаты работы докладывались и обсуждались на международной конференции ACSYS по полярным процессам и глобальному климату на о.Оркас (США) в 1997 г.; на итоговых сессиях Ученого совета ААНИИ г.о результатам работ 1996 и 1997 гг.; на научно-технических семинарах лаборатории гидрологического режима отдела океанологии ААНИИ. В Атласе (Environmental Working Group, 1997) приведены реконструированные-по предложенной методике поля динамических еысот и глубин залегания верхней границы атлантических вод \Б.

Струхтупп и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Обший объем работы составляет 182 страницы, включая 48 рисунков, 15 таблиц и приложение на 8 страницах. Список литературы насчитывает 79 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель исследования, приведены положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен аналитический обзор исследований циркуляции ПС АБ на основ; полей динамических высот. Основное внимание уделено опубликованным в литературе результатам изучения циркуляции как элемента климатической системы Арктики. Представление о циркуляции вод АБ развивалось с появлением новых данных. В ЗОтХ - 40-х гг. впервые были получены данные о дрейфе льдов и циркуляции поверхностных вод, в 50-х гг. была построена динамическая карта АБ • (А.Ф.Трешников, 1959), выявившая основные особенности циркуляции ПС: Трансарктическое течение, антициклонический круговорот в Амеразий-ском суббассейне и ряд циклонических круговоротов к югу от Трансарктического" течения. Позднейшие исследования подтвердили эту схему, дополнив ее деталями типа локальных циркуляции (З.М. Гудкович, 1961) или

подразделением Трансарктического течения на Полярную и Сибирскую ветви (П.А. Гордиенко, А.Ф. Лактионов, 1969).

Вторая глаза посвящена изучению пространственно-временной стругауры полей динамических высот для горизонта 5 м относительно поверхности 200 дб по данным наиболее полных квазксиноптических океанологических съемок АБ. В качестве исходных данных использовались наблюдения за температурой и соленостью (март - май), содержащиеся в базе данных ААНИИ, в которую входят все отечественные наблюдения на акватории АБ и шельфовых морей, а также большая часть открытых зарубежных наблюдений. Тем не менее, освещенность АБ имеющимися данными недостаточна для построения длительных рядов. В связи с этим обоснована необходимость разработки методики реконструкции океанологических полей. Намечены два подхода к изучению динамической топографии АБ: на основе имеющихся натурных данных наиболее полных съемок и на основе реконструированного ряда полей динамических высот.

На основе определения динамической высоты обоснована целесообразность выражения ее в виде суммы двух частей - константы и аномалии, связанной с аномалией удельного объема относительно реперного значения, что позволило исключить из дальнейшего рассмотрения константу (189 дин. м). Динамические высоты рассчитывались по значениям температуры и солености на стандартных горизонтах (для вычисления плотности использовалось уравнение состояния УС-80). За период 1948 - 1994 гг. динамические высоты были рассчитаны для 3726 станций на акватории АБ и сопредельных частей морей глубиной более 200 метров. Полученные значения подвергались экспертному контролю, в результате которого 185 значений были признаны сомнительными.

Рассмотрены некоторые аспекты формирования аномалий динамических высот АБ. С помощью линейной аппроксимации уравнения состояния оценено влияние изменений температуры и солености на динамическую высоту, рассмотрена пространственно-временная изменчивость этого

влияния. Для того чтобы выяснить, насколько изменяется динамическая высота при изменении температуры или солености столба воды, был предпринят масштабный анализ для десяти типичных станций, расположенных в разных частях АБ. Моделировалась ситуация, когда значения температуры увеличиваются на 1° на всех горизонтах при сохранении профиля солености неизменным, и когда значения солености на всех горизонтах увеличились на 1%о при сохранении профиля температуры неизменным. Оказалось, что при заданном увеличении температуры динамическая высота увеличивается на 5 -15 дин. мм, а при заданном увеличении солености - во всех случаях уменьшается примерно на 150 дин. мм.

Соотношение между динамической высотой, температурой и соленостью было уточнено представлением горизонтального градиента среднего поля в виде суммы градиентов, связанных с пространственной структурой полей температуры и солености. Для типичных изменений температуры и

Дф AT

солености были получены оценки:

Дф д5|

= 0+0.05 дин. мм/км;

S=canst

д S д/ L

• COnSt

AT АI

= 0.02 + 0.4 дин. мм/км, где ф - динамическая высота, / - гори-

зонтальный масштаб, ? и 5 - осредненные по вертикали значения температуры и солености. На примере изменения динамических высот от '977 к 1978 г. показан вклад изменений температуры и солености в изменение динамических высот от года к году. Были получены следующие средние Аф А Т

оценки:

AT At

= 0.25 дин. мм/год (максимум - 10 - 15 дня. мм);

Аф_АБ_ AS АI

= 10 дин. мм/год (максимум - 70 - 80 дин. мм).

Т-сопЛ

Таким образом, для большей части акватории АБ пространственно-временная изменчивость динамических высот определяется преимущественно изменчивостью солености. Однако в районе распространения атлантических вод (в проливе Фрама и от Шпицбергена до Северной Земли)

вклад температуры в формирование изменений динамической топографии сравним со вкладом солености. Некоторое увеличение вклада температуры в формирование изменчивости динамических высот было отмечено в рай-эне распространения тихоокеанских вод и вдоль границы сибирского шельфа.

В разделе 2.4 предпринята попытка выявить основные черты про-лранственно-временной изменчивости динамических высот по короткому зяду реализаций поля. Приведено среднее поле динамических высот и поле :реднеквадратических отклонений. Максимальная изменчивость характер-VI для зоны между морем Лаптевых и полюсом. Проанализированы основ-1ые тенденции в межгодовых изменениях состояния и положения осьов-шх образований на акватории АБ. Так, максимальное смешение центра штищшюнического круговорота составляет около 600 км, динамическая 1Ысота в центре круговорота колеблется в пределах 990 - 1050 дин. мм, на-[равление оси меняется на 75°, существенно изменяется площадь, охва-¡енная циркуляцией. Изменчивость Трансарктического течения проявляет-я в колебании положения его оси, степени разделения на две конверги-уюшие ветви и изменении интенсивности (градиент по перпендикуляру к си течения вдоль 60° в.д. меняется от 0.19 дс 0.28 дик. мм/км). Циклони-еская циркуляция к северу от моря Лаптевых развивается спорадически.

Даны оценки временных и пространственных автокорреляционных ункций динамических высот АБ. Характерна быстрая смена знака вре-енных автокорреляционных функций (период менее года) и сохранение грицательного знака в течение пяти лет. Значения радиуса пространств :нной корреляции меняются в пределах 400 - 800 ю»1 (в среднем около 650

Третья глава посвящена использованию метода ЭОФ для изучения шенчивости динамической топографии АБ и разработки методики рекон-рукции океанологических полей. Разложение по ЭОФ оказалось устой-!втям *и; быстро сходящимся (первые три статистически значимые моды

характеризуют 75.6% дисперсии). Для выявления физического смысла мод разложения было предпринято их моделирование, позволившее выделить те особенности динамической топографии, которые определяют структуру каждой из мод. 1-я ЭОФ характеризует значительные изменения динамической топографии всего АБ, проявляющиеся в: колебании положения антициклонического круговорота л некотором изменении его интенсивности; в колебании положения, интенсивности Трансарктического течения и сте- „ пени его разделения на две ветви; в состоянии ряда локальных циклонических циркуляции АБ. 2-я ЭОФ характеризует изменения динамической топографии, проявляющиеся в: изменении интенсивности антициклонического круговорота; в колебании интенсивности Трансарктического течения и отчасти в степени его разделения на две ветви. 3-я ЭОФ характеризует преимущественно термохалинное состояние вод в зоне Трансарктического течения, на ее структуру наибольшее влияние оказывают процессы, происходящие в море Лаптевых, и (в меньшей степени) - в море Бофорта.

В пространственном распределении всех ЭОФ отмечены аномальные особенности в районе к северу от Новосибирских островов и моря Лаптевых - там находятся наиболее выраженные пучности всех трех ЭОФ. Это связано с максимальной изменчивостью динамических высот в этом районе и указывает на важную роль процессов, происходящих здесь, н? формирование изменчивости динамической топографии всего АБ.

Раздел 3.3 посвящен описанию методики реконструкции океанологических полей по нерегулярно заданным точкам и результатам его применения для реконструкции полей динамических высот АБ. Предварительно рассмотрены известные подходы и обоснована целесообразность применения метода ЭОФ. Задача сформулирована следующим образом: разработать и применить методику реконструкции океанологических полей АБ, пригодную для восстановления Полей по нерегулярным данным наблюдений. Для климатических исследований предложено ограничиться реконструкцией трех статистически значимых мод ЭОФ разложения. Полученные

поля, таким образом, будут содержать искомый климатический сигнал, а высокочастотная составляющая будет отфильтрована.

Метод реконструкции на основе ЭОФ хорошо известен в частной постановке, когда каждое из восстанавливаемых полей задается в узлак фиксированной сетки (A.B.Протасов, В.В.Чекурова, 1983; T.Smith et ai, 1996). Первоначально вычисляются ЭОФ обучающей выборки, то есть выборки полей, наиболее полно освещающих акваторию. Разложение выборки должно быть устойчивым, а рассматриваемый процесс - стационарным. Пусть в некоторый момент времени t значения, образующие вектор f(t), заданы подмножестве точек сеточной области (знаком подчеркивания обозначены векторы, относящиеся к выборкам, заданным в узлах сепси). Любой вектор ./$2 можно представить в следующем виде:

где Тр - выборка значений ЭОФ из К, соответствующая имеющемуся подмножеству, и£1 - вектор значений отфильтрованных полей, еД) - вектор значений "шумовой" составляющей. Искомое приближение кр'([) вектора главных компонент кр@) можно найти путем минимизации среднего квадрата е/!} на подмножестве точек в виде:

Восстановленное на сеточной области отфильтрованное поле будет иметь вид:

0)

kp'OJ-Vm, где Yp+^(Yp%J-!Yp'

(2)

ир"(0 = Y^'ftJ

(3)

В общем случае векторы наблюдений заданы в точках, не совпадающих с узлами сетки, а малое количество станций на акватории АБ и нерегулярное их расположение, меняющееся год от года, не позволяет осущестз-

1Л.

лять интерполяцию значений в узлы какой-либо сетки, что делает невозможным применение метода реконструкции в классической постановке. В связи с этим, для получения оценок главных компонент по (2), значения ЭОФ интерполируются в точки, на которых заданы векторы наблюдений, что является принципиальной особенностью предлагаемой методики. В этом случае под матрицей У понимается выборка интерполированных значений ЭОФ из матрицы У, заданная в точках, совпадающих с точками, на которых задан вектор наблюдений.

Сформулированы процедуры, являющиеся неотъемлемой составной частью методики реконструкции: прореживание натурных данных в районах учащенных наблюдений (дрейфующие станции и буи), позволяющее устранить кумулятивный эффект накопления ошибок оценок главных компонент при неравномерном расположении станций; контроль количества станций, принятых к расчету; исключение полей, представленных недостаточным для реконструкции количеством станций; контроль значений получаемых оценок главных компонент; выявление станций, вносящих неустойчивость в процесс опенки главных компонент.

Рассмотрены принципы оценки ошибок реконструкции. Поскольку методов оценки для общего случая задачи реконструкции не пока не разработано, использовались косвенные подходы:

1. Вычисление ошибок восстановления полей го обучающей выборки. Сред-неквадратические ошибки реконструкции полей обучающей выборки (1.89 дин. мм) оказались на порядок меньше климатического среднеквадрагшче-ского отклонения фильтрованных полей (15 дин. мм). .

2. Сравнение статистических характеристик обучающей и реконструированной выборок.

3. Оценки разности фактических и восстановленных значений в точках, на которых заданы векторы ¿(¡). По обучающей выборке легко оценить средне-квадратическую разность между фактическими и отфильтрованными значениями. В среднем она составляет 14.9 дин. мм, колеблясь в .пределах от 11

до 20 дин. мм для восьми лет обучающей выборки. Опыт восстановления показал, что это значение не превышает в среднем 22 дин. мм для любого из восстановленных полей.

4. Учот некоторых особенностей главных компонент. Так, известно, что средние их значения должны быть равными нулю. Вычисленные средние значения реконструированных рядов главных компонент оказались близкими к нулю.

Результаты применения косвенных методов оценки ошибок реконструкции позволили заключить, что ошибки реконструкции примерно на порядок меньше климатических среднеквадратических отклонений. Таким образом, реконструированные фильтрованные поля динамических высот содержат климатический сигнал и могут быть использованы для исследований межгодовой изменчивости циркуляции АБ и изучения гидрологического режима региона.

Реконструкция полей динамических высот оказалась успешной для 1949, 1950, 1954 - 1993 гг. Выполнено исследование временной изменчивости динамических высот на основе восстановленного ряда, расширяющее представления об изменчивости динамических высот АБ, полученные в главе 2. Во временном ходе 1-й и 2-й главных компонент выявлены признаки низкочастотных составляющих, совпадающих по периоду (оцененному в 32 -34 года) и противоположных по фазе. Экстремумы низкочастотной составляющей 1-й компоненты приходятся примерно на 1956, 1989 гг. (максимумы) и 1971 г. (минимум). Экстремумы низкочастотной составляющей 2-й компоненты приходятся примерно на 1955, 1987 гг. (минимумы) и 1970 г. [максимум). Во временном ходе 3-й главной компоненты выявлен тренд и этмечен аномальный характер изменчивости в период 1989 - 1993 гг. По-:кольку 3-я компонента характеризует преимущественно термохалинное состояние вод в зоне Трансарктического течения и проникновения в АБ шгантических вод, сделано предположение о том, что причиной является шомальное состояние вод в этой части акватории.

Автокорреляционный и спектральный анализ главных компонент и последовательности реконструированных полей показал наличие пяти - шестилетней периодичности в межгодовой изменчивости динамической топографии АБ.

В разделе 3.4 на основе реконструированного ряда полей динамических высот выполнена типизация циркуляции ПС АБ. Несмотря на то, что классификации подвергались поля динамических высот, уместно говорить о классификации именно циркуляции ПС, поскольку настоящая классификация на основе современных методов и дакчых развивает известную типизацию (З.М. Гудкович, 1961), где в качестве показателя поверхностной циркуляции использовались, динамические высоты относительно поверхности 200 дб. Для объективной классификации был применен кластерный анализ при использовании" евклидовой метрики и метода связывания объектов Уорда (J.Ward, 1963). Выделено три основных типа циркуляции (рис.1). Показана связь межгодовых изменений циркуляции с распространением распресненных поверхностных вод АБ.

Тип 1 характеризуется сокращенной областью антициклонической циркуляции и незначительным смещением ее центра к югу (в сравнении со средним состоянием), развитием циклонической циркуляции к северу от моря Лаптевых, смещением оси Трансарктического течения к северу и разделением его на две ветви; при этом Полярная ветвь ослаблена, а Сибирская, наоборот, усилена. Эти особенности свидетельствуют о том, что антициклоническая циркуляция и нисходящие движения вод в ее центре интенсифицированы, в связи с чем площадь, охваченная циркуляцией, сокращена.

Тип 3 характеризуется увеличением площади антициклонической циркуляции и смещением ее центра к полюсу, сокращением области циклонической циркуляции к северу от моря Лаптевых, смещением оси Трансарктического течения к шельфу, отсутствием деления его на ветви и уменьшением динамических высот в его зоне. В море Бофорта и к северу

Рис.1. Типы циркуляции: (а) - тип 1; (б) - тип 2; (в) - тип 3. В качестве примеров показаны поля 19?">, 1993 и 1961 гг. соответственно (в дин. мм)

от островов Канадского архипелага развиваются локальные циклонические циркуляции, связанные со смещением круговорота к центру бассейна, определяемым, в свою очередь, смещением Арктического максимума - при этом у берегов формируется сгон, распресненные поверхностные воды

вместе с антициклоническим круговоротом смещаются к центру бассейна, в силу чего толщина слоя поверхностных арктических вод у берега уменьшается, соленость слоя воды увеличивается, а динамическая высота, соответственно, уменьшается. Эти особенности свидетельствуют об ослаблении антициклонической циркуляции и нисходящего движения вод в ее центре при смещении центра циркуляции к полюсу, что сопровождается увеличением площади, охваченной антициклонической циркуляцией.

Тип 2 представляется промежуточным между 1 и 3, он достаточно близок к среднемноголетнему состоянию и наиболее устойчив, поскольку характеризует состояние равновесия между площадью распространения и вертикальной мощностью объема распресненных вод АБ.

Четвертая глава посвящена выявлению и изучению сопряжешюсти изменений динамической топографии АБ с изменчивостью ряда природных характеристик. Рассмотрены основные способы выявления сопряженности природных процессов и обоснована перспективность применения метода сингулярного разложения.

Предварительно приведено краткое описание метода сингулярного разложения, пока не получившего широкого распространения в отечественной океанологии. Метод близок к методу ЭОФ, но, в отличие от последнего, позволяет одновременно подвергать разложеншо два ряда различных процессов с целью выявления и максимизации корреляционной связи. Разложение взаимокорреляционной матрицы двух рядов позволяет выделить пары пространственных мод, описывающих максимально возможный процент коэффициента временных корреляций между амплитудами колебаний двух процессов. Пару сингулярных векторов с соответствующими векторами коэффициентов разложения по сингулярным значениям »ВКРСЗ) называют модой При эгом сингулярные вектора, характеризующие пространственную изменчивость статистической связи, можно рассматривать как аналоги ЭОФ, а ВКРСЗ, характеризующие временную изменчивость связи - как аналоги главных компонент. Корреляции ВКРСЗ

одинаковых номеров являются основным результатом разложения и показывают возможность диагностики аномалий одного ряда по аномалиям другого. В отличие от карт максимальных взаимокорреляций, по картам гингулярных векторов можно выявить не только районы, где корреляционная связь максимальна, но и районы, где она максимальна и наиболее устойчива во времени.

Исследована эмпирическая связь динамических высот АБ с аномалиями уровня моря на арктических станциях. Использовались наблюдения ■ за уровнем на станциях, охватывающих АБ дугой от Баренцбурга до Чукотки за 1962 - 1991 гг. (средние значения за апрель). ЭОФ разложение /ровня оказалось достаточно устойчивым (первые три моды характеризуют эколо 72% дисперсии). 1-я ЭОФ характеризует синхронное изменение /ровня на всех станциях с различным диапазоном для каждой конкретной гтанции, то есть при положительном значении 1-й компоненты значения /ровня на всех станциях выше среднемноголетних, а при отрицательном -ниже. 2-я ЭОФ меняет знак с отрицательного на положительный в районе границы морей Карского и Лаптевых, то есть она характеризует оппозицию з изменениях уровня западного и восточного секторов Арктики. Так, при уменьшении уровней в западном секторе, уровни в восточном секторе увеличиваются и наоборот. Во временном ходе 1-й и 2-й главных компонент /ровня выявлены тренды, свидетельствующие о наличии тенденции к уве-пнчению уровня на всех станциях и обострению оппозиции от начала 60-х к началу 90-х гт.

Сравнение временного хода главных компонент ЭОФ разложений динамических высот АБ и уровня моря на арктических станциях позволило выявить общие тенденции в их временной изменчивости. Гак. наиболее крупные аномалии динамических высот совпадают с аномалиями уровня моря (1961 - 1962, 1973. 1978 - 1979, 1990 - 1991 гг.). Корреляции первых двух главных компонент (в сумме характеризующих 61 и 64% дисперсии динамических высот и уровня соответственно) составляют от 0.22 до 0.40,

а при использовании сглаживания по скользящим пятилетиям - от 0.42 до 0.83.

Сингулярное разложение подтвердило наличие значимой статистической связи. Так, корреляции первых трех одноименных ВКРСЗ составили, соответственно, 0.60, 0.54 и 0.58, что является высоким показателем. Сингулярный вектор для уровня свидетельствует о том, что уровни на станциях восточного сектора Арктики связаны с динамической топографией АБ в большей степени, чем уровни на станциях западного сектора, что, очевидно, определяется большей близостью береговых станции восточного сектора к АБ.

Установлено, что поднятие уровня моря на всех станциях, особенно при обострении оппозиции (положительные значения 1-й и 2-й компонент), связано с типом 1 циркуляции АБ, при котором область антициклонического круговорота сокращена, а Трансарктическое течение разделено на две ветви. Падение уровня на всех станциях при сглаживании оппозиции (отрицательные значения 1-й и 2-й компонент) свидетельствует о циркуляции по типу 3.

Раздел 4.3 посвящен исследованию влияния атмосферной циркуляции на динамическую топографию ПС АБ. Приземное атмосферное давление за 1954 - 1989 гг. задавалось в узлах сетки из 59 точек в осреднении для лета, зимы и весны (по три месяца). Были построены карты максимальных взаимокорреляций динамических высот с атмосферным давлением для трех сезонов, показавшие, что наибольшие корреляции наблюдаются с атмосферным давлением весной (до 0.52), меньшие - с давлением предшествующего лета (до 0.33), наименьшие - с давлением предшествующей зимой (до 0.25). Показано, что если для акватории Амеразийского суббассейна определяющей в формировании весенней динамической топографии является атмосферная циркуляция предшествующего лета (А.Ф. Трешников и др., 1976), то для акватории всего АБ определяющей является весенняя атмосферная циркуляция. Поэтому основное внимание было уде-

ено изучению статистической связи динамических высот с весенней атмо-ферной циркуляцией.

Коррелирование главных компонент динамических высот и атмо-ферного давления весной показало наличие влияния 2-й компоненты ат-юсферного давления на 1-ю и 2-ю компоненты динамических высот с :орреляциями, соответственно, 0.39 и -0.49. Так как 2-я компонента давле-[ия характеризует наиболее выраженное изменение интенсивности цирку-[яции, был сделан следующий вывод: развитие Арктического максимума, го смещение к центру АБ и интенсификация зонального переноса в марте мае способствуют формированию типа 3 динамической топографии АБ, о есть смещению антициклонического круговорота к центру АБ и интен-ификации Трансарктического течения. Усиление Сибирского максимума, [аоборот, способствует формированию типа 1.

Сингулярное разложение показало наличие достаточно устойчивой :вязи, корреляции первых трех одноименных ВКРСЗ составили, соответст-¡енно, 0.45, 0.22 и 0.07, при этом 1-я мода описывает до 88% наблюдаемой юрреляции. 1-й сингулярный вектор динамических высот имеет три хоро-ио выраженных экстремума. Первый примерно совпадает с районом арк-ического максимума, второй расположен в районе влияния исландского шнимума - к северу от Карского моря, третий наиболее обширен и нахо-штся между морем Лаптевых и полюсом (корреляции во всех случаях от 1.45 до 0.50). Локализацию первого и второго экстремумов можно объяс-1итъ наличием в этих районах арктического максимума и циклонов с тра-' историями от запада - юго-запада к востоку - северо-востоку. Причиной [аличия экстремума в зоне уежду морем Лаптевых и полюсом может быть :араюгер межгсдовых изменений атмосферной циркуляции, проявляющий-;я здесь в виде развития завихренности (Уи.2Ьап§, Е.Нипке, 1997).

Раздел 4.4 посвящен исследованию влияния речного стока на форми-ювание динамической топографии ПС АБ. В качестве исходных данных

использовались суммарные за июнь - сентябрь значения стока Оби, Лены, Енисея, Индигирки, Колымы за 1954 - 1989 гг.

По картам максимальных взаимокорреляций была дана оценка времени, в течение которого речные воды оказывают влияние на термохалин-ное состояниЫПС. Этот период составляет примерно 33 мес., что согласуется с оценками (неюолее 3-5 лет), полученными с помощью трассера (тритий) (Р.ЗсМоззег еЫ1, 1997). При временном сдвиге 9 мес. значимых корреляций 1не> имеется, что свидетельствует о том, что речные воды за такой промежуток времени не успевают достигнуть АБ. При временном сдвиге 21 мес. корреляции возрастают до 0.48. Это объяснится тем, что речные воды успевают проникнуть в АБ и оказать влияние на динамические высоты в районах к северу от моря Лаптевых и к северу от Земли Франца-Иосифа. При сдвиге 33 мес. значимые корреляции отсутствуют практически на всей акватории АБ, кроме обширного района к северу от пролива Фрама и Гренландии, где корреляции достигают величин 0.34. Это свидетельствует о том, что остатки трансформированных речных вод, примерно три года назад поступивших из рек в моря, а затем и в АБ, переносятся Трансарктическим течением и достигают за это время указанного района.

Результаты сингулярных разложений, выполненных ири временных сдвигах в 21 и 33 мес., подтверждают наличие связи аномалий речного сгока и динамических высот АБ. Корреляции первых трех одноименных ВКРСЗ при сдвиге 21 мес. составили, соответственно, 0.46, 0.29 и 0.16, при этом 1-я мода описывает до 81% наблюдаемой корреляции; при сдвиге 33 мес. корреляции составили 0.31. 0.17 и 0.15, при этом 1-я мода описывас. не более 60% корреляции. Уменьшение сходимости разложения и корреляций свидетел! <тлуег об изменении характера влияния речных вод на дина-

%

мичоскне высоты АБ при увеличении сдвига во времени. Возможны две причини: трансформация речных вод и локализация остатков речных вод в огчельмых районах АО. Карты сингулярных векторов свидетельствуют в поТГь зу обеих примНИ. Т&к'ИМ оРрпзСм^лияняе изменений объемов-речного

стока на динамические высоты ПС АБ, в отличие от атмосферного воздействия, сохраняется в течение более длительного времени.

Раздел 4.6 посвящен обобщению полученных в главе результатов и исследованию перспектив стохастической модели гидрологического режима региона. Основные результаты, полученные при анализе попарной сопряженности процессов методом сингулярного разложения, характеризующие отдельные звенья стохастической модели, сведены ь табл.1.

Табл. 1. Сводная таблица корреляций одноименных ВКРСЗ для сингулярных разложении динамических высот с сопряженными процессами

ВКРСЗ сопряженного процесса (период разложения или временной сдвиг) ВКРСЗ динамических высот (номер)

1 2 3

Уровень моря (апрель) 0.596 0.537 0.584

Атмосферное давление (весна) 0.452 0.223 0.064

Атмосферное давление (лето) ,0.237 0.170 0.031

Речной сток (за 21 мес.) 0.464 0.294 0.160

Речной сток (за 33 мес.) 0:305' 0.174 0.153

Как следует из табл.1, основными'факторами (из рассмотренных в работе), оказывающими влияние на формирование динамической топографии ПС АБ и ее изменчивость, являются: атмосферная циркуляция (по приземному давлению весной) и речной сток (заблаговременностью около двух лет).

Полученные на базе различных методов результаты анализа попарной сопряженности отдельных природных процессов в Арктике и результаты их физико-географической трактовки позволяют оптимистически оценить возможность создания стохастической модели гидрологического режима региона.

В заключении сформулированы основные результаты работа.

1. По данным девяти наиболее полных квазисиноптических океанологиче ских съемок АБ исследована пространственно-временная изменчивост динамической топографии относительно поверхности 200 дб, характера зующей термохалинное состояние ПС АБ, поверхностную циркуляцию : уровень моря. Получены оценки математического ожидания, дисперсш временных и пространственных автокорреляционных функций, горизок тальных градиентов динамических высот. Показано, что основные межгс довые изменения динамической топографии АБ проявляются в смещени центра антициклонического круговорота (до 600 км), изменении его плс щади и ориентации оси (до 75°); изменении интенсивности Трансарктиче ского течения (градиент по перпендикуляру к оси меняется от 0.19 до 0.2 дин. мм/™), положения его оси и степени разделения на две ветзи; измс нении состояния локальных циклонических циркуляций на периферии А1 Выявлено, что наибольшие межгодовые изменения динамической топе графии наблюдаются в районе к северу от моря Лаптевых, что объясняете особенностями атмосферной циркуляции над этим районом и воздействЕ ем аномалий речного стока.

2. Разработана методика реконструкции океанологических полей по нере гулярно заданным точкам без предварительной интерполяции исходны данных в узлы какой-либо сетки (на базе ЭОФ).

3. Восстановлен непрерывный ряд полей динамических высот для 1954 1993 гг., а также 1949 и 1950 гг. по фрагментарным данным наблюденш Реконструированный ряд полей динамических высот АБ содержит климг тический сигнал и может быть использован для изучения климата региона

4. На основе реконструированного ряда исследована межгодовая изменчт

%

вость динамических высот АБ за 40 лет (с 1954 по 1993 г.). Установленс что в межгодовых изменениях динамических высот преобладает пяти шестилетняя периодичность, объясняющаяся преобладанием аналогичны периодичностей в межгодовых изменениях термохалинных полей АБ. В

оеменном ходе первых двух главных компонент ЭОФ разложения дина-ических высот выявлены признаки низкочастотных составляющих с пе-иодом 32 - 34 г., совпадающих по периоду и противоположных но фазе, а

0 временном ходе третьей - тренд, при этом трендовая составляющая ха-актерна не более чем для 15% изменчивости динамических высот и не яв-яется доминирующей тенденцией. Характер изменений динамической то-ографии за период 1954 - 1993 гг. как показателя термоха. тинного сосгоя-ия ПС АБ не подтверждает популярную ныне гипотезу о "катастрофиче-ком" изменении состояния АБ в 80-х - начале 90-х гг. Выявлено, что со-гояние ПС в начале 90-х гг. близко к наблюдавшемуся в начале 50-х гг.

. На основе реконструированного ряда полей динамических высот, со-гоящего из 40 реализаций, осуществлена типизация циркуляции АБ. Под-зержден вывод З.М.Гудковича о наличии двух основных типов циркулями [21\. С помощью кластерного анализа выявлено три основных типа иркуляции. Тип 1 характеризуется сокращенной областью антицшслони-гской циркуляции, развитием циклонической циркуляции к северу от мо-ч. Лаптевых, смещением оси Трансарктического течения к северу и разде-гнием его на две ветви. Тип 3 характеризуется увеличением площади ан-щиклонкческой циркуляции и смещением ее центра к полюсу, сокраще-ием области циклонической циркуляции к северу от моря Лаптевых, смз-' ;ением оси Трансарктического теч лия к шельфу, отсутствием деления •о на ветви и уменьшением динамических высот в его зоне. Тип 2 являет-

1 промежуточным между 1 и 3 и наблюдается чаще всего. Выявлено, что ш 1 наименее устойчив (сохраняется не дольше года), тип 2 обычно со-эаняется в течение двух лет, а тип 3 - в течение двух - трех лет. ::

Выявлена эмпирическая связь уровня на арктических станциях с дина- • •

«

ической топографией АБ. Установлено, что крупномасштабные аномалии шамической топографии ПС АБ могут быть диагностированы по распре-:лению аномалий уровня на арктических станциях. Так, увеличение уров-I на всех станциях при обострении оппозиции связано с типом 1 циркуля -

ции АБ. Уменьшение уровня при сглаживании оппозиции свидетельствуе1; о циркуляции по типу 3.

7. Разработаны отдельные звенья стохастической модели гидрологическогс режима АБ. Показано значение для формирования изменчивости динами ческой топографии ПС АБ следующих факторов: атмосферной циркуляцщ (по приземному давлению весной) и речного CTOKá заблаговременностыс порядка двух лет (по суммарным за июнь - сентябрь значениям стока пяте сибирских рек).

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Колтышев А.Е. Опыт использования кластерного анализа для типизации циркуляции поверхностного слоя Арктического бассейна - Тр.ААНИИ, 1999, т.442.

2. Колгышев А.Е., Тимохов JI.A. Метод реконструкции океанографических полей и его применение для исследования межгодовой изменчивости динамических высот Арктического бассейна. - Итоговая сессия Ученого совета ААНКИ по результатам работ 1996 г. Тезисы докладов. Экспресс информация, 1996, вып.4, с.31-33.

3. Колтышев А.Е., Тимохов .НА. Метод реконструкции океанологических полей Арктического бассейна Северного Ледовитого океана. - Метеорология и гидрология, 1998, №2, с.65-72.

4. Колтышев А.Е., Тимохов Л.А. Сопряженность изменчивости динамических высот Арктического бассейна и деловитости морей сибирского шельфа. - Итоговая сессия Ученого совета ААНИИ по результатам работ 1997 г. Тезисы докладов. Экспресс информация, 1997, вып.5, с.14-16.

5. Joint US - Russian Atlas of the Arctic Ocean. Oceanography Atlas for the Winter Period. - Environmental Working Group, 1997, CD-ROM ver. 1.0, в со-

». Joint US - Russian Atlas of the Arctic Ocean. Oceanography Atlas for the >ummer Period. - Environmental Working Group, 1998, CD-ROM vcr. 1.0, в ¡оавторстве.

Koltyshev A., Colony R., Timokhov L. Spatial and temporal variability of dy-lamic height in the Arctic Basin. - Proc. of confeience on Polat Processes and jlobal Climate, Rosario, Orcas Island, Washington, USA. 3-6 November 1997, 1.130-132.

L Koltyshev A.,Timokhov L., Colony R., Tanis F. - Interannual EOF Analysis of be Arctic Ocean Surface Dynamic Height and Upper Boundatv of the Atlantic Vater. 1996 Ocean Sciences Meeting, San Diego, California, February 12 - 16, p.OS31.

. Timokhov L., Colony R., Koltyshev A. Covariance of Sea Ice Conditions and 'atterns of Surface Water Circulation in the Arctic Basin. - Proc. of conference n Polar Processes and Global Climate, Rosario, Orcas Island, Washington, JSA. 3 - 6 November 1997, p.265-267.