ОКЕАНОЛОГИЯ, 2013, том 53, № 2, с. 167-174
ФИЗИКА МОРЯ
УДК 551.465
ИЗМЕНЧИВОСТЬ УРОВНЯ БАЛТИЙСКОГО МОРЯ И НАВОДНЕНИЯ В ФИНСКОМ ЗАЛИВЕ
© 2013 г. Е. А. Куликов, И. П. Медведев
Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва e-mail: KulikovE@ocean.ru Поступила в редакцию 09.07.2012 г.
Статистический анализ многолетних данных об изменчивости уровня Балтийского моря выявил сложный характер волновой структуры колебаний. Волновое поле, сформированное под воздействием переменных ветров и возмущений атмосферного давления над Балтикой, представляет собой суперпозицию стоячих колебаний со случайными фазами. Взаимный спектральный анализ синхронных рядов наблюдений за уровнем показал, что в Финском заливе отчетливо прослеживаются узловые линии стоячих продольных волн с частотами, соответствующими расстоянию от узловой линии до вершины залива (четверть длины волны). Можно выделить несколько участков акватории с ярко выраженными частотно—избирательными свойствами — это Финский, Рижский и Ботнический заливы, Невская губа и др. Выполненные оценки статистической связи колебаний уровня моря с изменениями ветра и атмосферного давления указывают на доминирующую роль зональной компоненты ветра при формировании наводнений в Финском заливе. Вероятной причиной экстремальных наводнений в Санкт Петербурге может быть эффект резонансного «раскачивания» собственных колебаний, соответствующих основной фундаментальной сейшевой моде Финского залива с периодом 27 ч, когда повторные атмосферные возмущения над Балтикой возникают с периодом порядка 1—2 суток.
Б01: 10.7868/8003015741302010Х
ВВЕДЕНИЕ
Среди экстремальных морских явлений в Балтийском регионе наибольшую опасность представляют наводнения в Финском заливе. Штормовые нагоны в Санкт-Петербурге проявляются в виде подъема уровня воды в дельте р. Невы и восточной части Невской губы. Вследствие этого затапливается значительная часть исторического центра города. В ночь на 30 ноября 1999 г. в Санкт-Петербурге произошло самое крупное наводнение за последние годы. На город обрушился ураган со скоростью ветра до 32 м/с. В Санкт-Петербурге уровень Невы превысил критическую отметку на 2.5 м. На Васильевском острове был затоплен ряд подвальных помещений. Вода проникла в тоннели питерского метро: на несколько часов было прекращено движение на одной из основных веток. Погибли 2 человека. Ущерб составил 0.6 млн. долларов [1].
Считается, что экстремальные подъемы уровня в Финском заливе вызываются циклонами над акваторией Балтийского моря с преобладанием западных ветров, которые формируют нагонную волну. Подъем воды усиливается из-за мелководья, а также сужающегося к невской дельте залива. Также заметный вклад при формировании
экстремальных подъемов уровня в Невской губе оказывают сейши Финского залива.
Регулярное слежение за изменениями уровня Балтийского моря выполняется с 1703 г., а непрерывные измерения проводятся с 1898 г. с помощью мареографа, установленного в Кронштадте. Это наиболее длительные инструментальные наблюдения за уровнем моря в России.
Всего за более чем 300 лет в Санкт-Петербург произошло 309 наводнений. Первое, отмеченное документально, относится к периоду строительства города: в ночь на 31 августа 1703 г. вода в устье Невы поднялась на 7 футов (213 см). За всю историю Санкт-Петербурга произошло 3 катастрофических наводнения (с подъемом воды свыше 300 см) - в 1777, 1824 и 1924 гг. Самым памятным для Санкт-Петербурга было наводнение 19 (7 ст.ст.) ноября 1824 г., увековеченное А.С. Пушкиным в "Медном всаднике". Уровень воды поднялся на 421 см, 324 дома были полностью разрушены, 325 строений были повреждены.
В настоящее время наводнениями признаются подъемы уровня воды более чем 160 см над нулем Кронштадского футштока или выше 150 см над ординаром у Горного института. Введена следующая классификация наводнений: наводнения с подъемом воды до 210 см считаются опасными, от
Время, г
Рис. 1. Наводнения в Санкт-Петербурге. Все события с к > 150 см отмечены вертикальными столбиками. Горизонтальные штриховые линии показывают уровни моря, превышения которых соответствует классификации "особо опасных" и "катастрофических" наводнений.
Период 10 1 Годы
J_ll I I I I I I_I_Mi I I I I I_I
100 10 1 Сутки
Рис. 2. Спектр колебаний уровня Балтийского моря по ежечасным данным уровенной ст. Кронштадт (1992-2006 гг.).
211 до 299 см — особо опасными, свыше 300 см — катастрофическими (см. рис. 1).
Согласно статистике наблюдений за уровнем моря в Санкт-Петербурге с 1703 по 2012 гг. зарегистрировано 309 наводнения. При этом 58 из них относятся к особо опасным. Катастрофические наводнения отмечались 3 раза: 21 сентября 1777 г., 19 ноября 1824 г. и 23 сентября 1924 г. Таким образом, в среднем наводнения происходят раз в год, при этом особо опасные имеют повторяемость около 5—6 лет, а катастрофические наводнения случаются примерно раз в 100 лет.
В 1979 г. началось строительство дамбы (комплекса защитных сооружений Ленинграда от наводнений). В конце 1990-х гг. выполнение проекта, готового примерно на 60%, было заморожено. В 2001 г. работы были возобновлены и к 2011 г. строительство дамбы завершилось.
Изменчивость уровня Балтийского моря определяется колебаниями разной природы: 1) приливными, 2) метеорологическими, обусловленными воздействием на поверхность моря ветра и атмосферного давления, а также 3) гидрологическими, связанными с изменениями солености, температуры воды и стоком рек. Согласно Магаарду и Крауссу [6], приливные колебания невелики — они составляют 1—2 см для волновых составляющих M2 и K1 и только в районе датских проливов их амплитуды достигают 4—5 см. Эти проливы, соединяющие Балтику с Северным морем (Эресунн, Малый и Большой Бельт), довольно узкие и мелкие. В работе [3] они характеризуются как своего рода низкочастотный фильтр, который эффективно подавляет короткопериодные колебания, существующие в проливе Каттегат, а низкочастотные возмущения уровня проникают в Бал-
тику практически неискаженными. Для высокочастотных волн акватория Балтийского моря является замкнутым бассейном, при этом водный обмен через юго-западные мелководные проливы существенно влияет лишь на долгопериодные вариации уровня (>20 сут). Очевидно, что одним из важных факторов, определяющих спектр колебаний уровня, являются частотно-избирательные свойства акватории, обусловленные геометрией берега и батиметрией. Доминирующие собственные колебания Балтийского моря имеют период около 27 ч [10]. Структура этой моды такова, что ее вершина приходится на акваторию Финского залива. Поэтому естественно предположить, что при формировании штормовых нагонов в Финском заливе (в частности, петербургских наводнений) частотно-избирательные свойства бассейна играют важную роль [5].
Естественно, характер спектра колебаний уровня Балтийского моря определяется упомянутыми физическими причинами.
На рис. 2 приведен спектр колебаний уровня Балтийского моря по ежечасным данным уровен-ной ст. Кронштадт (1992-2006). Он представлен в линейно-логарифмическом масштабе, для которого визуально отображается распределение спектральной энергии по логарифму частоты. На графике хорошо видно, что дисперсия колебаний уровня моря распределена в диапазоне 0.001-1 цикл/сут: уровень спектральной плотности резко спадает вне этого диапазона — на низких и более высоких частотах. Существенный вклад в общую энергию (дисперсию) оказывает сезонная компонента. Приливные составляющие (суточные и полусуточные) неплохо выделяются на спектре, однако в целом вклад приливных волн пренебрежимо мал. Следует отме-
Сведения об использованных данных ежечасных наблюдений за уровнем Балтийского моря
№ Название с.ш. в.д. Страна Начало Конец
1 Приморск 60.350 28.617 Россия 26.03.80 30.04.87
2 Мощный 60.000 27.830 Россия 01.10.79 31.08.83
3 Горный институт 59.930 30.283 Россия 01.01.77 31.12.04
4 Кронштадт 60.000 29.800 Россия 01.01.92 31.12.06
5 Выборг 60.700 28.700 Россия 01.01.92 31.12.06
6 Ломоносов 59.900 29.800 Россия 01.01.92 31.12.06
7 Шепелево 60.000 29.100 Россия 01.01.92 31.06.06
8 Невская уст. 59.900 30.300 Россия 01.01.92 31.06.04
9 Гогланд 60.083 26.983 Россия 01.01.92 20.11.94
10 Балтийск 54.600 19.900 Россия 01.01.92 31.12.06
11 Открытое 54.900 21.066 Россия 01.01.92 31.12.06
12 Пионерский 54.900 20.200 Россия 01.09.98 31.10.04
13 Таллинн 59.450 24.800 Эстония 01.01.78 14.05.95
14 Нарва 59.450 28.050 Эстония 01.01.77 31.12.91
15 Даугава 57.059 24.026 Латвия 01.01.78 31.12.82
16 Ханко 59.817 22.983 Финляндия 01.10.92 30.09.08
17 Хамина 60.567 27.183 Финляндия 01.10.92 30.09.08
18 Хельсинки 60.150 24.967 Финляндия 01.10.92 30.09.08
19 Фёгло 60.050 20.730 Финляндия 01.10.92 30.09.08
20 Раума 61.124 21.457 Финляндия 01.10.92 30.09.08
21 Мантилуо 61.593 21.481 Финляндия 01.10.92 30.09.08
22 Каскинен 62.383 21.216 Финляндия 01.10.92 30.09.08
тить, что основными факторами, формирующими изменения уровня Балтийского моря, являются атмосферные процессы - переменное поле ветра и атмосферного давления. В свою очередь сезонные изменения в значительной степени связаны с вариациями температуры и солености, и, в частности, с существенными сезонными вариациями речного стока. В спектре колебаний уровня на станции Кронштадт частотно-избирательные свойства бассейна отражаются в наличии максимума в спектре с периодом около 27 ч. Этот пик хорошо известен и обусловлен существованием фундаментальной сейшевой моды Финского залива и Балтийского моря в целом.
В данной работе представлено общее описание спектральной структуры колебаний уровня в Балтийском море и, в особенности, в Финском заливе. Изучение характера фоновой изменчивости уровня Балтийского моря и ее связи с атмосферными процессами важно, прежде всего, для понимания механизмов формирования экстремальных наводнений в Финском заливе.
1. ДАННЫЕ
При анализе колебаний уровня Балтийского моря использовались массивы ежечасных наблю-
дений в 22-х пунктах побережья России, Финляндии, Латвии и Эстонии. Уровенные станции (мареографы) Балтийск, Пионерский, Открытое располагаются в Калининградской
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.