Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Спектр изменчивости уровня Балтийского моря в диапазоне периодов от часов до лет

ВАК РФ 25.00.28, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Спектр изменчивости уровня Балтийского моря в диапазоне периодов от часов до лет"

005553553

На правах рукописи

МЕДВЕДЕВ Игорь Павлович

СПЕКТР ИЗМЕНЧИВОСТИ УРОВНЯ БАЛТИЙСКОГО МОРЯ В ДИАПАЗОНЕ ПЕРИОДОВ ОТ ЧАСОВ ДО ЛЕТ

Специальность 25.00.28 - Океанология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

г 3 ОКТ 2014

Москва —2014

005553553

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, доцент Куликов Евгений Аркадьевич

Официальные оппоненты:

Носов Михаил Александрович, доктор физико-математических наук, профессор, профессор Физического факультета Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова»

Диденкулова Ирина Игоревна, доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева»

Ведущая организация:

Санкт-Петербургское отделение Федерального государственного бюджетного учреждения «Государственный океанографический институт им. H.H. Зубова»

Защита состоится <с^/">> 2014 г. в ч. мин. на заседании

диссертационного совета Д 002.239.02 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук по адресу: 117997, г. Москва, Нахимовский пр., 36.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН и на сайте Института http://vvww.ocean.ru/disser/.

Автореферат разослан 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат физико-математических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Объект исследования и актуальность темы. Колебания уровня моря являются одним из наиболее ярких проявлений гидрометеорологических процессов в Мировом океане. Экстремальные изменения уровня моря, вызываемые цунами, штормовыми нагонами и паводками, являются причиной стихийных бедствий в прибрежной зоне, жертвами которых становятся тысячи людей. Знание особенностей отдельных видов колебаний уровня моря и их возможного проявления представляется актуальной задачей как с научной точки зрения, так и с практической.

Колебания уровня моря возникают под влиянием различных внешних и внутренних факторов: метеорологического воздействия, приливообразующих и гелиогеофизических сил, изменения полей плотности морской воды, океанической циркуляции, изменений водного баланса и морфометрических особенностей бассейна. Балтийское море - почти полностью замкнутый внутриматериковый шельфовый бассейн, сообщающийся с открытым океаном через узкие и мелководные Датские проливы. Эти топографические особенности приводят к возникновению внутри моря совершенно нетипичной для открытого океана изменчивости уровня моря. Отдельные виды колебаний уровня Балтийского моря имеют более чем вековую историю изучения. Так, приливы подробно рассматриваются в работах Е. Лисицыной (1943, 1944), Л. Магаарда и В. Краусса (1966); сейши - в работах Е. Лисицыной (1974), X. Вюббера и В. Краусса (1979); долгопериодные колебания уровня Балтийского моря - в работах М. Экмана (1990, 1996, 2009 и др.), К. Вунша (1974, 1986), И.В. Максимова (1965, 1970 и др.); синоптические колебания уровня - в работах Е.А. Захарчука и соавторов (2004, 2007, 2008, 2011 и др.). При этом мало внимания уделялось рассмотрению этих динамических явлений в виде широкого спектра колебаний уровня Балтийского моря, позволяющего определить механизмы формирования отдельных составляющих и их взаимодействие, оценить их общий энергетический вклад и относительную значимость. В частности, до сих пор остается неясным механизм формирования аномально высокого полюсного прилива в Ботническом заливе Балтийского моря. Более того, неясно, является ли эта аномалия отличительной особенностью именно Ботнического залива или она проявляется и в других районах Балтийского моря, в частности, в Финском заливе.

В целом можно сказать, что Балтийское море представляет собой чрезвычайно интересный физический объект, особенности которого определяются морфометрическими характеристиками всего водоема и его отдельных частей, характером внешних сил, воздействующих на поверхность моря, а также взаимодействием с Северным морем.

Цель работы - изучение спектра колебаний уровня почти полностью замкнутого Балтийского моря в широком диапазоне периодов, выявление физических механизмов формирования отдельных составляющих спектра и оценка их относительной значимости. Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

1) Сбор и верификация необходимых гидрометеорологических данных и информации.

2) Разработка алгоритмов и программ исследования собранного материала с использованием современных возможностей анализа временных рядов.

3) Описание спектра изменчивости уровня Балтийского моря в широком диапазоне периодов и оценка относительного вклада его различных составляющих в общую дисперсию (энергию) колебаний.

4) Выявление физических механизмов формирования различных видов колебаний уровня в Балтийском море: приливов, сейш, штормовых нагонов, сезонных колебаний, полюсного прилива.

Научную новизну работы составляют основные положения, выносимые на защиту:

1. Выделены основные диапазоны изменчивости уровня Балтийского моря на периодах от часов до лет, и впервые оценен относительный вклад каждого типа составляющих в общую энергию колебаний уровня моря. Показано, что Датские проливы являются «низкочастотным фильтром», пропускающим в Балтийское море долгопериодные колебания уровня моря (многолетние, сезонные), наблюдаемые в Северном море, и подавляющим синоптические и мезомасштабные колебания. Оценена частота «отсечки» фильтра: 0.014 цикл/сут (период - 74 сут).

2. Получены спектральные оценки собственных колебаний уровня всего Балтийского моря и его основных заливов (Финского, Ботнического, Рижского). На базе модельной системы ROMS создана диагностическая численная модель, позволяющая адекватно воспроизводить спектральные и

статистические характеристики изменчивости уровня Балтийского моря. Модель дает возможность определить роль отдельных физических составляющих и механизмов формирования изменчивости уровня моря.

3. Получены детальные оценки приливных колебаний уровня Балтийского моря и выявлен физический механизм их формирования. Показано, что возрастание суточного прилива в Финском заливе обусловлено его резонансным усилением вследствие близости приливного периода к периоду фундаментальной собственной моды залива (27 ч).

4. Рассчитаны интегральные амплитуды полюсного прилива в Балтийском море и показан их аномальный характер. Обнаружено, что максимальные в Мировом океане амплитуды достигаются в Финском заливе, а не в Ботническом, как считалось ранее. Выявлены существенные многолетние вариации периодов и амплитуд полюсного прилива и отсутствие прямой связи с изменениями амплитуды чандлеровских биений, считающихся его причиной.

5. Выявлена доминирующая роль ветрового напряжения в формировании изменчивости уровня Балтийского моря в широком диапазоне периодов. Показано, что изменения ветра на периодах от часов до месяца являются основной вынуждающей силой синоптических и мезомасштабных колебаний, формирующихся непосредственно в акватории Балтийского моря, а на периодах от нескольких месяцев до лет изменения ветра определяют особенности сезонных колебаний и полюсного прилива, индуцированных колебаний уровня моря в масштабах системы Северное море - Балтийское море.

6. Построены карты распределения энергии мезомасштабной и синоптической изменчивости уровня моря, схемы распределения амплитуд и фаз отдельных составляющих колебаний уровня Балтийского моря: основных приливных гармоник, сезонных компонент (годовой и полугодовой). Впервые подробно описана пространственная структура полюсного прилива в Балтийском море.

Методы исследований и степень достоверности результатов. Для

изучения особенностей изменчивости уровня Балтийского моря применялись современные методы анализа временных рядов: спектральный, взаимный спектральный, гармонический и частотно-временной (вейвлет). Результаты, полученные в ходе исследований, были сопоставлены с результатами других авторов. Хорошая согласованность между результатами численных расчетов и

натурными данными свидетельствует об обоснованности полученных результатов. Достоверность полученных результатов подтверждается их представлением на крупнейших международных форумах.

Практическая значимость работы. Приливы, сезонные колебания и полюсный прилив - это регулярные периодические и квазипериодические колебания уровня моря и течений, постоянно присутствующие в Балтийском море. Их предсказуемость очень важна, так как все другие волновые процессы, в том числе штормовые нагоны, происходят на их фоне. Результаты, полученные в настоящей работе, углубляют понимание физических механизмов формирования различных типов колебаний уровня Балтийского моря, позволяют перейти от диагностических численных моделей к прогностическим и в будущем помогут осуществлять прогноз колебаний уровня моря.

Личный вклад соискателя. Соискатель принимал активное участие в сборе данных наблюдений о колебаниях уровня Балтийского моря, выполнил их статистическую обработку и анализ, участвовал в адаптации численной модели ROMS к условиям Балтийского моря, осуществил валидацию модели и выполнил с её помощью диагностические численные эксперименты. Автор, в рамках научного коллектива, принимал активное участие в обсуждении и интерпретации научных результатов исследований, в подготовке результатов к опубликованию в журналах и лично представлял их на международных конференциях.

Апробация работы. Основные результаты диссертации были представлены на международных конференциях, таких как ежегодная ассамблея Европейского Геофизического Союза (EGU, Вена, Австрия: 2013, 2014), Ассамблея Гидрологической, Океанологической и Сейсмологической ассоциаций Международного Союза Геодезии и Геофизики (IAHS-IAPSO-IASPEI Assembly, Гетеборг, Швеция: 2013), Балтийский Симпозиум IEEE/OES (Таллинн, Эстония: 2014).

Материалы диссертации в качестве апробации заслушивались на: семинарах Лаборатории цунами Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН, заседаниях Ученого совета Физического направления Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН, ученых советов Института морской геологии и геофизики ДВО РАН и Института кибернетики Таллиннского технологического университета (Эстония).

Публикации по теме диссертации. Основные положения диссертации представлены в 12 публикациях, из них 3 статьи - в журналах, включенных в список ВАК, и 9 тезисов докладов. Еще 5 статей находятся в печати в журналах из списка ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из Введения, 5 глав и Заключения. В работе содержится 45 иллюстраций и 7 таблиц. Список цитированной литературы насчитывает 159 источников. Общий объем диссертации составляет 143 страницы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении описывается основная проблематика работы, обосновывается ее актуальность, формулируются цели и задачи исследования, научная новизна, практическое значение и положения, выносимые на защиту.

В Главе 1 описаны данные и методы, используемые в исследовании. В §1.1.1 раздела 1.1 дана характеристика ежечасных и среднемесячных данных мареографов на побережье Балтийского моря и соседних акваторий. Всего в работе были использованы данные 100 мареографических станций (рис. 1). Для анализа долгопериодной изменчивости уровня использовались среднемесячные ряды наблюдений, которые были сформированы преимущественно на основе архива службы PSMSL (Ливерпуль, Англия). Для анализа синоптической и мезомасштабной изменчивости уровня использовались ряды ежечасных наблюдений на 60 мареографах. Для изучения роли метеорологического воздействия в формировании колебаний уровня были использованы данные о приземном ветре и атмосферном давлении, полученные на основе атмосферных реанализов NCEP/CFSR (временное разрешение -1ч, период покрытия - 19792012 гг.) и 20th Century Reanalysis (временное разрешение - 1 месяц, период покрытия — 1871—2012 гг.). Характеристика этих данных представлена в §1.1.2. В разделе 1.2 рассмотрены основные методы анализа данных: спектральный, взаимный спектральный и гармонический. В рамках настоящего исследования расчет спектральных функций выполнялся при помощи пакета программ, в основе которых лежит метод Уэлча: с использованием быстрого преобразования Фурье и осреднения по отрезкам (§1.2.1). Для расчета

приливных колебаний уровня моря применялся гармонический анализ с помощью метода наименьших квадратов (§1.2.2).

В Главе 2 рассматриваются особенности спектра колебаний уровня Балтийского моря в широком диапазоне частот. В разделе 2.1 исследовано формирование спектра колебаний уровня Балтийского моря в 5 частотных диапазонах изменчивости: мезомасштабном (от 2 ч до 2 сут), синоптическом (от 2 сут до месяца), внутригодовом (от месяца до года), сезонном (годовой период и кратные ему гармоники) и межгодовом (от года до 10 лет). Спектры колебаний уровня Северного (рис. 2 - Куксхафен) и Балтийского морей (рис. 2 - Стокгольм, Кронштадт и Фуруогрунд) в межгодовом диапазоне практически идентичны и формируются, преимущественно, под влиянием общей атмосферной циркуляции. Наибольший вклад в общую энергию колебаний Балтийского моря вносит внутригодовая уровенная изменчивость. На частотах выше 0.011 цикл/сут (период = 90 сут) спектры колебаний уровня Балтийского и Северного морей начинают заметно различаться. На частотах выше 0.27 цикл/сут характер спектров определяется частотно-избирательными свойствами основных балтийских заливов: Ботнического, Финского и Рижского. На частотах выше 3 цикл/сут уже могут значительно отличаться спектры, полученные в двух близлежащих бухтах внутри одного залива.

В разделе 2.2 оценивается вклад отдельных составляющих спектра в общую дисперсию остаточных (неприливных) колебаний уровня Балтийского моря. В Северном море (Куксхафен) доминирующий вклад в неприливные колебания уровня моря вносит синоптическая изменчивость - 60%. В Балтийском море ее вклад в общую дисперсию варьируется от 12% в глубокой части моря (Стокгольм) до 25% в заливах (Кронштадт и Фуруогрунд). Наибольший вклад в дисперсию остаточных колебаний уровня Балтийского моря вносит внутригодовая изменчивость уровня с периодами от месяца до года - 42-45%. Относительный вклад сезонных и межгодовых колебаний в Балтийском море составляет 14-17% и 15-19% соответственно, превышая тем самым их вклад в Северном море в 3-4 и 5 раз. Мезомасштабные неприливные колебания в Балтийском море хорошо выражены в Финском заливе и в юго-западной части моря и составляют 12% в дисперсии колебаний уровня.

В разделе 2.3 рассматривается роль баротропного водообмена между Балтийским и Северным морями в формировании спектра уровня Балтики.

10 15 20 25 30-в.д.

Рис. 1. Схема расположения мареографных станций

Куксхафен Стокгольм Кронштадт Фуруогрунд

Система

Северное море - Балтийское моря

Замкнутое Балтийское море

I I I щи г~ 10"4 10"3 10"2 10"1

Частота, цикл/сут

Рис. 2. Спектры колебаний уровня моря на станциях: Куксхафен, Стокгольм, Кронштадт и Фуруогрунд. Условные обозначения: I - частота разделения спектров Северного и Балтийского морей; II - частота разделения спектров Балтийского моря: III - частота разделения спектров Балтийского моря; D - суточный прилив; SD — полусуточный прилив

Датские проливы являются «низкочастотным фильтром», пропускающим в Балтийское море долгопериодные колебания уровня моря (многолетние, сезонные) и подавляющим синоптические и мезомасштабные колебания уровня. Простая аналитическая модель водообмена, обсуждаемая в разделе 2.4, позволяет оценивать расход воды через Датские проливы, используя только знание разности уровней в проливе Каттегат и в Балтике. Показано, что колебания уровня в Северном море с периодом 10 суток проникают в Балтийское море ослабленными в 10 раз. Частоту «отсечки» фильтра можно оценить как 0.014 цикл/сут (период -74 сут), коэффициент ослабления энергии колебаний для нее составляет 1/2.

В Главе 3 рассматриваются собственные колебания Балтийского моря в синоптическом и мезомасштабном частотных диапазонах. В разделе 3.1 показано, что дисперсия синоптических колебаний уровня достигает наибольших значений в вершинах Ботнического и Финского заливов и в юго-западной части моря. Максимальные значения дисперсии мезомасштабных колебаний уровня наблюдаются в Финском заливе и в юго-западной части моря, где располагаются пучности основной сейшевой моды всего Балтийского моря с периодом 26-28 ч.

В разделе 3.2 выявлены основные особенности структуры стоячих волн в основных заливах Балтийского моря. Взаимный спектральный анализ синхронных рядов наблюдений (§3.2.1) показал, что в Финском заливе отчетливо прослеживаются узловые линии стоячих продольных волн с периодами ~ 22.6 ч и 18.5 ч. Моды собственных колебаний Финского залива с близкими периодами (22.38 ч и 19.79 ч) были получены при помощи численного моделирования в работе (Wubber and Kraitss, 1979). Выполненные оценки статистической связи колебаний уровня моря с изменениями ветра и атмосферного давления (§3.2.2) указывают на доминирующую роль зональной компоненты ветра при формировании экстремальных колебаний уровня в Финском заливе. В спектре собственных колебаний Рижского залива (§3.2.3) выделяются три основные моды, две из которых с периодами 5.6 ч и 4.8 ч характерны для всего залива, а одна с периодом ~ 3 ч - только для Пярнуского залива. Наибольших амплитуд две основные моды собственных колебаний достигают также в Пярну. В Куршском заливе (§3.2.4) спектр изменчивости уровня моря подчиняется известному закону со"2. На частоте 7.63 цикл/сут (период Т = 3.15 ч) располагается широкий спектральный максимум, соответствующий основной одноузловой моде собственных колебаний залива.

В разделе 3.3 рассматривается разработанная в Лаборатории цунами ИО РАН на базе модельной системы ROMS численная диагностическая модель, позволяющая адекватно воспроизводить спектральные и статистические характеристики изменчивости уровня Балтийского моря. Вынуждающая сила в модели была представлена в виде полей градиентов атмосферного давления и касательного ветрового напряжения, рассчитываемых по данным реанализа NCEP/CFSR приземного ветра и атмосферного давления на уровне моря. Вынуждающая сила задавалась в виде касательного напряжения ветра:

{Tx,Ty) = pACD\x}w\{Uw,Vw), (1)

где Uи*— скорость ветра (м с1), рл = 1.25 кг м "3, Сц - коэффициент ветрового трения. Диссипация энергии возникающих течений обусловлена процессами, связанными с вертикальной турбулентной вязкостью. В уравнениях движения сила трения определяется величиной модуля скорости придонного течения и коэффициентом трения Q,:

(»■*х.^) = (с4и4|и4|,СЛ|й4|), (2)

где иь = (иь, vh) - скорость течения выше придонного пограничного слоя (для двумерной модели полагается равной баротропной скорости 0). Вынуждающая сила, связанная с переменным атмосферным давлением, задается в уравнениях движения через градиенты полей давления:

P = —VPa, (3)

Pg

где Ра — атмосферное давление, р - плотность морской воды, g - ускорение свободного падения. Результаты численных экспериментов показали, что ветровое напряжение является доминирующим фактором, влияющим на формирование мезомасштабной изменчивости уровня Балтийского моря. В §3.3.2 был определен оптимальный коэффициент ветрового трения, использование которого в модели наилучшим образом отображает статистические характеристики колебаний уровня всего моря: CD= 1.4. Спектры, рассчитанные по модельным и наблюденным рядам колебаний уровня, демонстрируют высокое качество воспроизведения частотной структуры изменчивости уровня Балтийского моря (§3.3.3).

В Главе 4 рассмотрены особенности приливных колебаний уровня Балтийского моря. В разделе 4.1 показано, что приливы в спектрах

изменчивости уровня Балтийского моря выражены узкими и острыми пиками на частотах главных приливных гармоник: суточных К] (период - 23.93 ч), О, (25.82 ч) и полусуточных М2 (12.42 ч), 82 (12.00 ч). Амплитуды суточных приливных гармоник заметно преобладают над полусуточными, особенно это проявляется в восточной части Балтийского моря и, прежде всего, в вершине Финского залива. На некоторых станциях, в частности, в Нарве и Даугаве, хорошо выражены спектральные максимумы на частотах 3, 4, 5, 6, 7 и 8 цикл/сут, кратных циклу солнечных суток, которые обусловлены радиационным воздействием Солнца на уровень моря (раздел 4.2). В разделе 4.3 спектральный анализ с высоким разрешением для станций Горный институт (31 год) и Таллинн (18 лет) выявил ярко выраженную тонкую структуру приливных пиков. Спектральные пики, соответствующие главным приливным гармоникам, четко выделяются над уровнем шума (рис. 3).

95%

bliJ

0.88 0.9 0.92 0.94 0.96 0.98 1 1.02 1.04 1.88 1.9 1.92 1.94 1.96 1.98 2 2.02 2.04

Частота, цикл/сут

Рис. 3. Спектры с высоким разрешением колебаний уровня Балтийского моря для суточного и полусуточного диапазонов частот на станции Горный Институт. Тонкой штриховой линией показаны 95% доверительные интервалы для суточных и полусуточных гармоник

В разделе 4.4 при помощи гармонического анализа были вычислены приливные составляющие для 35 станций Балтийского моря. Амплитуды суточных гармоник О, и К] примерно равны, и своих наибольших значений они достигают в вершине Финского залива - до 3 см. Максимальные амплитуды гармоники М2 наблюдаются в вершине Финского залива - до 2 см. В Финском и Рижском заливах наблюдается правильный суточный прилив, в южной части Балтийского моря (Владиславово, Балтийск) и на входе в Ботнический залив (Фегло, Раума, Ханко) прилив носит неправильный полусуточный характер. Максимальные значения приливов (до 18 см) приходятся на вершину Финского

залива (Кронштадт, Горный институт). В разделе 4.5 проводится сопоставление гармонических постоянных, рассчитанных по наблюдениям, с результатами численного моделирования приливных колебаний уровня Балтийского моря (Schmager е! а1, 2008).

В разделе 4.6 для изучения эффекта резонансного усиления суточного прилива в Финском заливе рассматриваются отношения (В и) рассчитанных амплитуд гармоник Кь О] и СЬ к их теоретическим значениям из приливного потенциала. В центральной части Балтийского моря Вн близок к 1 для всех трех гармоник в суточном диапазоне частот. При перемещении к вершине Финского залива значения коэффициента увеличиваются, и в самой вершине значение коэффициента Вн для гармоники К) составляет ~ 6, тогда как для гармоники -до 10. Это усиление суточных приливных составляющих вызвано влиянием собственных колебаний Финского залива и всего Балтийского моря с периодом ~ 27 ч: чем ближе частота приливной гармоники к собственной частоте бассейна, тем больше отношение рассчитанных амплитуд гармоник к их теоретическим значениям из приливного потенциала.

Спектральный анализ с высоким разрешением позволил в разделе 4.7 исследовать механизм формирования приливных колебаний в Куршском заливе. На станции Балтийск приливы носят «классический» характер -спектральные пики соответствуют главным приливным гармоникам: полусуточным М2, 82, N2 и суточным Кь Оь Р). Совершенно другой характер носят приливы на станции Открытое - здесь доминирует гармоника Б|, заметны гармоники К], Р] и 82, а вот гармоники М2, N2 и О! пренебрежимо малы. Приливные колебания Куршского залива являются аномальными и формируются радиационными приливами, а именно - бризовыми ветрами и связанными с ними сгонно-нагонными движениями внутри залива. Дальнейшее исследование характера колебаний уровня моря в Открытом (раздел 4.8) показало, что спектральные пики К] и Р1, хорошо выделяющиеся на спектрах с высоким разрешением для этой станции, не связаны с одноименными гравитационными приливными гармониками, а являются следствием сезонной модуляции главной суточной радиационной гармоники Б].

Глава 5 посвящена долгопериодным колебаниям уровня Балтийского моря. В разделе 5.1 рассматриваются сезонные колебания уровня моря. В низкочастотной части спектров на всех станциях преобладает годовая

составляющая (Ба) (§5.1.1). Также в спектрах выделяются полугодовая составляющая (8за), а на некоторых станциях проявляются более высокие гармоники сезонных колебаний: третьгодовая ^а), четвертьгодовая (Бца). При помощи гармонического анализа были рассчитаны климатические средние амплитуды и фазы составляющих 8а, Зэа, 81а и Бяа. Средняя многолетняя амплитуда годовой гармоники достигает в Балтийском море 13 см, полугодовой -5 см.

В §5.1.2 рассматривается временная изменчивость амплитуд годовой и полугодовой составляющих от года к году. Датские проливы почти не искажают годовые колебания: разница в значениях амплитуды сезонной гармоники в проливе Скагеррак (на станции Смоген) и внутри Балтийского моря (Кунгсхолмсфорт) мала, а изменения амплитуды во времени происходят синхронно в пределах от 5 до 30 см. Спектрально-временные диаграммы показали, что годовой сигнал ярко выражен на всем протяжении наблюдений, а полугодовой сигнал имеет большую временную изменчивость в интенсивности колебаний. Наблюдаемые биения амплитуды годовых колебаний, вероятно, вызваны временной изменчивостью факторов, формирующих сезонные колебания уровня. В пространственном распределении средних многолетних амплитуд годовой гармоники (§5.1.3) наблюдается существенное увеличение от Датских проливов (4 см) в направлении Ботнического (13 см) и Финского (12 см) заливов (рис. 4). Максимум в годовом ходе изменения уровня на южном побережье Балтийского моря наступает примерно на 1.5 месяца раньше, чем в северной части моря: в южной Балтике — в середине июля, в северной Балтике -в начале сентября. Максимальные амплитуды полугодовой гармоники наблюдаются в центральной мелководной части Балтийского моря в районе Аландских островов — до 5 см.

В разделе 5.2. по многолетним ежечасным и ежемесячным измерениям уровня моря были получены оценки амплитуд и выявлены основные особенности полюсного прилива в Балтийском море. В §5.2.1 спектральный анализ длительных рядов (> 100 лет) наблюдений позволил обнаружить расщепление широкого пика полюсного прилива на несколько отдельных локальных пиков (рис. 5). Основной пик, ярко выраженный в спектрах, соответствует периоду ~ 434 сут, также выделяются близкие пики с периодами 443 и 417 сут.

Рис. 4. Распределение амплитуд (цветом) и фаз (изолинии) годовой (а) и полугодовой (б) составляющих сезонных колебаний уровня Балтийского моря

Рис. 5. Спектры колебаний уровня моря на периодах от 300 до 500 суток на станциях Стокгольм (а). Оулу (б), Свиноуйсьце (в), Кронштадт (г). Сплошная красная линия - спектр при максимальном разрешении и V = 2, синий пунктир - сглаженный спектр при N = 343 и

у = 14 (а). 8(6). 12 (в) и 10 (г)

Рис. 6. Схема распределения интегральной амплитуды полюсного прилива в Балтийском море по ежечасным (а) и ежемесячным (б) наблюдениям за колебаниями уровня моря. Красными кружками обозначены амплитуды полюсного прилива на станциях, где наблюдения велись в конце XIX - начале XX в.

1 -0.9 0.8 0.7 0.6 0.5

;а) - _

Движение полюса!

Í6)--

— ' 'АГд

____^ . • " ' J - . "¡¿а

6-Е'. * ^^ * -

5 _(в) ■ - g Кронштадт. (г) ^^ - _ Куксхафен — Www^

300

400 500 600

О

700 ^ О S а. 300 ш С

500 600 700

1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000

Годы

Рис. 7. Спектрально-временные диаграммы колебаний уровня моря в Стокгольме (б), Кронштадте (в), Куксхафене (г) и движения полюса Земли (а)

Подобное деление широкого максимума на несколько локальных пиков при увеличении спектрального разрешения, вероятно, вызвано изменчивостью доминирующего периода полюсного прилива во времени. Из-за малого числа степеней свободы и слишком широкого доверительного интервала затруднительно получить качественную оценку существования нескольких локальных максимумов полюсного прилива.

Результаты спектрального анализа позволили исследовать пространственное распределение амплитуд полюсного прилива по акватории Балтийского моря (§5.2.2). Для всех станций были рассчитаны интегральные амплитуды полюсного прилива:

а/Х ■?,(/;)

(4)

где Д/ - спектральное разрешение, а - спектральная плотность в

частотном диапазоне от 0.81 до 0.91 цикл/год (400^150 сут) для /-ой станции. Результаты анализа показывают, что полюсный прилив в Балтийском море аномально высокий (значительно выше, чем следует из статической теории), при этом наблюдается явное возрастание амплитуды прилива на северо-восток, т.е. от Датских проливов (1.5-2 см) к Финскому (до 7 см) и Ботническому (4.5 см) заливам (рис. 6). Обнаружено, что максимальные амплитуды в Мировом океане достигаются в Финском заливе, а не в Ботническом, как считалось ранее.

Для выявления роли чандлеровских биений в возбуждении полюсного прилива были проанализированы данные широтных наблюдений, описывающие движение мгновенной оси вращения Земли (§5.2.3). В движении полюса преобладает отрицательное вращение (по часовой стрелке) и выявляются две основные составляющие: годовая и чандлеровская (рис. 7а). Спектрально-временные диаграммы колебаний уровня в Кронштадте, Стокгольме, Куксхафене и движения полюса Земли показали, что чандлеровская составляющая (полюсный прилив) сильно варьируется и достаточно хорошо отображается в период наблюдений с 1920 по 2000 г. (рис. 7б-г). Удивительно, что значительное усиление сигнала полюсного прилива наблюдается в период с 1920 по 1940 г. (рис. 7б-г) - период ослабления чандлеровских биений движения полюса (рис. 7а), что не согласуется со статической теорией полюсного прилива в Мировом океане. Вероятно, чандлеровские колебания

возбуждают полюсный прилив в Балтийском море не напрямую, а опосредованно — через метеорологическое воздействие.

В разделе 5.3 обсуждаются возможные причины формирования особенностей долгопериодных колебаний уровня Балтийского моря и, в частности, аномально высокого полюсного прилива. При помощи взаимного спектрального анализа показано, что зональные изменения ветра над акваторией региона являются определяющим фактором в формировании долгопериодной изменчивости уровня Балтийского моря в диапазоне 0.3-3 цикл/год. Когерентность между колебаниями уровня моря и зональными изменениями ветра в этом диапазоне частот составляет 0.8-0.9.

В Заключении сформулированы основные результаты диссертации и намечены дальнейшие перспективы развития этой работы.

1. Выделены основные диапазоны изменчивости уровня Балтийского моря на периодах от часов до лет и впервые оценен количественный вклад каждого типа составляющих в общую энергию колебаний уровня моря. Показано, что наибольший вклад в суммарную дисперсию уровня в Балтийском море вносит внутригодовая изменчивость уровня с периодами от месяца до года - 42-52%.

2. Датские проливы являются «низкочастотным фильтром», пропускающим в Балтийское море долгопериодные колебания уровня моря и препятствующим прохождению синоптических и мезомасштабных колебаний уровня моря. Показано, что колебания уровня в Северном море с периодом 10 суток проникают в Балтийское море ослабленными в 10 раз. Частоту «отсечки» фильтра можно оценить как 0.014 цикл/сут (период - 74 сут).

3. Получены спектральные оценки собственных колебаний уровня всего Балтийского моря и его основных заливов (Финского, Ботнического, Рижского), которые характеризуют частотно-избирательные свойства бассейнов. Показано, что наибольшие значения дисперсии синоптической изменчивости уровня моря наблюдаются в вершине Ботнического залива и в юго-западной части моря, а максимальные значения дисперсии мезомасштабной изменчивости уровня моря - в местах пучности основной собственной моды Балтийского моря (26-28 ч) — в Финском заливе и в юго-западной части моря.

4. На базе модельной системы ROMS создана диагностическая численная модель, позволяющая адекватно воспроизводить спектральные и статистические характеристики изменчивости уровня Балтийского моря. Модель дает возможность оценить роль отдельных физических составляющих и механизмов при формировании изменчивости уровня моря.

5. Получены детальные оценки приливных колебаний уровня Балтийского моря и выявлен физический механизм их формирования. Показано, что усиление суточного прилива в Финском заливе обусловлено резонансной близостью приливного периода к периоду фундаментальной собственной моды залива (27 ч). На станциях Нарва и Даугава появляются пики с частотами солнечных радиационных гармоник (3, 4, 5, 6, 7 цикл/сут), связанные с воздействием бризовых ветров на этих станциях. В Куршском заливе наблюдаются только радиационные приливы, которые формируются бризовыми ветрами и связанными с ними сгонно-нагонными движениями внутри залива.

6. Оценена пространственная и временная изменчивость сезонных колебаний в акватории Балтийского моря. Показано, что годовые и полугодовые колебания уровня почти одновременно достигают максимальных значений на всей акватории. В пространственном распределении годовых колебаний внутри Балтийского моря наблюдается возрастание амплитуд от Датских проливов к вершинам Финского и Ботнического заливов.

7. Изучена спектральная структура полюсного прилива, выявлено разделение широкого пика на несколько отдельных локальных пиков при использовании длительных рядов наблюдений. Рассчитаны интегральные амплитуды полюсного прилива на побережье Балтийского моря, и показан их аномальный характер. Обнаружено, что максимальные в Мировом океане амплитуды достигаются в Финском заливе, а не в Ботническом, как считалось ранее. Выявлены существенные многолетние вариации периодов и амплитуд полюсного прилива и отсутствие прямой связи с амплитудами чандлеровских биений, считающихся его причиной.

8. Выявлена доминирующая роль ветрового напряжения в формировании изменчивости уровня в широком диапазоне периодов. Так, изменения ветра на периодах от часов до месяца являются основной вынуждающей силой синоптических и мезомасштабных колебаний, формирующихся

непосредственно в акватории Балтийского моря. На периодах от нескольких месяцев до лет изменения ветра определяют особенности сезонных колебаний и полюсного прилива, индуцированных колебаний уровня моря в масштабах системы Северное море - Балтийское море.

9. Построены карты распределения энергии мезомасштабной и синоптической изменчивости уровня моря, схемы распределения амплитуд и фаз отдельных составляющих колебаний уровня Балтийского моря: основных приливных гармоник, сезонных компонент (годовой и полугодовой). Впервые подробно описана пространственная структура величины полюсного прилива в Балтийском море.

Благодарности. Автор выражает глубокую признательность своему учителю и научному руководителю доктору физико-математических наук Е.А. Куликову. Автор благодарит своих соавторов и коллектив Лаборатории цунами ИО РАН за плодотворное сотрудничество и помощь в исследовательской работе. Автор особенно признателен А.Б. Рабиновичу за полезные обсуждения результатов, а также А.Ю. Медведевой, Л.В. Барминой и

0.И. Яковенко за поддержку и участие в подготовке диссертационной работы.

РАБОТЫ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи, опубликованные в изданиях из перечня ВАК

1. Куликов Е.А., Медведев И.П. Изменчивость уровня Балтийского моря и наводнения в Финском заливе // Океанология. - 2013. — Т. 53. — № 2. — С. 167-174.

2. Медведев И.П., Рабинович А.Б., Куликов Е.А. Приливные колебания в Балтийском море // Океанология. -2013. - Т. 53. -№ 5. - С. 596—611.

3. Медведев И.П., Рабинович А.Б., Куликов Е.А. Полюсный прилив в Балтийском море // Океанология. - 2014. - Т. 54. - № 2. - С. 137-148.

Опубликованные тезисы докладов на конференциях

4. Medvedev I., Kulikov Е. The Baltic sea level variability and floods in the Gulf of Finland // European Geoscience Union General Assembly 2013. - Vienna, Austria. - 2013. - EGU2013-724.

5. Medvedev L.P., Rabinovich A.B., Kulikov E.A. Tidal observations in the Baltic Sea. - IAHS-IAPSO-IASPEI Assembly, Gothenburg, Sweden. - 2013. - (Abs. No P02S3.03).

6. Medvedev I.P., Rabinovich А.В., Kulikov E.A. Pole tides in the Baltic Sea. -IAHS-IAPSO-IASPEI Assembly, Gothenburg, Sweden. - 2013. - (Abs. No P02PS01).

7. Medvedev I.P., Rabinovich A.B., Kulikov E.A. The anomalously high pole tide in the North and Baltic seas estimated by the PSMSL tide gauge data // European Geoscience Union General Assembly 2014. - Vienna, Austria. - 2014. -EGU2014-525-1.

8. Medvedev L, Kulikov E. On the proper choice of wind stress drag coefficient for ROMS model in the numerical simulation of the Baltic variability // European Geoscience Union General Assembly 2014. - Vienna, Austria. - 2014. -EGU2013-16499.

9. Kulikov E.A., Medvedev I.P., Koltermann K.P. The role of the barotropic water exchange in the formation of the Baltic sea-level spectrum // IEEE/OES Baltic International Symposium 2014. - Tallinn, Estonia, 2014. - P. 58.

10. Medvedev I. The spatial and temporal variability of the Baltic seasonal sea-level oscillations // IEEE/OES Baltic International Symposium 2014. - Tallinn, Estonia, 2014.-P. 81.

11. Rabinovich A., Medvedev I., Thomson R. A comparison of sea level spectra and energy partitioning in the Baltic Sea versus the North Sea and Pacific Ocean // IEEE/OES Baltic International Symposium 2014,-Tallinn, Estonia, 2014.-P. 101.

12. Shevchenko G„ Medvedev I. Storm surges in the Baltic Sea and the Sea of Okhotsk: Comparison of statistical properties and formation conditions // IEEE/OES Baltic International Symposium 2014,-Tallinn, Estonia, 2014.-P. 114.

Статьи, принятые к публикации

1. Куликов Е.А., Медведев И.П., Колтерманн К.П. Роль баротропного водообмена в формировании спектра уровня Балтийского моря // Океанология. - 2014. - Т. 54. - № 6 (в печати).

2. Куликов Е.А., Файн И.В., Медведев И.П. Численное моделирование анемобарических колебаний уровня Балтийского моря // Метеорология и гидрология. - 2014 (в печати).

3. Медведев И.П. Сезонные колебания уровня Балтийского моря // Метеорология и гидрология. -2014 (в печати).

4. Медведев И.П. О формировании спектра колебаний уровня Балтийского моря // ДАН. - 2015 (в печати).

5. Рабинович А.Б., Медведев И.П. Радиационные приливы у юго-восточного побережья Балтийского моря // Океанология. -2015 (в печати).

Заказ № 65-а/09/2014 Подписано в печать 19.09.2014 Тираж 150 экз. Усл. п.л. 1,0

ООО "Цифровичок", тел. (495) 649-83-30 www.cfr.rti; e-mail:zak@cfr.ru