ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2015, том 463, № 3, с. 347-352
= ОКЕАНОЛОГИЯ
УДК 551.465
О ФОРМИРОВАНИИ СПЕКТРА КОЛЕБАНИЙ УРОВНЯ БАЛТИЙСКОГО МОРЯ
© 2015 г. И. П. Медведев
Представлено академиком РАН Р.И. Нигматулиным 26.11.2013 г. Поступило 12.12.2013 г.
По данным длительных ежечасных рядов наблюдений и среднемесячных значений на четырех станциях в Балтийском и Северном морях получены количественные оценки вкладов различных частотных диапазонов изменчивости в суммарную дисперсию колебаний уровня моря. Показано, что энергия долгопериодных процессов однородна на всей акватории системы Северное море—Балтийское море, тогда как короткопериодные процессы демонстрируют значительную неравномерность распределения знергии по акватории, концентрируясь в отдельных бухтах и заливах.
Б01: 10.7868/80869565215210185
Балтийское море — внутриматериковый шель-фовый бассейн Атлантического океана. Почти полная замкнутость и сообщение с открытым океаном через узкие мелководные Датские проливы приводят к возникновению внутри моря совершенно не типичной для открытого океана изменчивости уровня [1]. Колебания уровенной поверхности моря — это "дыхание океана" [2], формирующееся под влиянием различных факторов: приливообразующих сил, метеорологического воздействия, компонент водного баланса, изменений плотности воды. Эти факторы захватывают широкий диапазон периодов, причем относительная роль отдельных процессов существенно различается для разных акваторий.
Для понимания динамики вод Балтийского моря необходимо иметь представление о формировании всего спектра колебаний уровня моря с периодами от часов до десятков лет. Основываясь на [3], для классификации колебаний уровня моря с периодами менее 10 лет можно выделить следующие 5 частотных диапазонов изменчивости: мезомасштабный (2 ч—2 сут), синоптический (2сут—1 мес.), внутригодовой (1 мес.—1 год), сезонный (годовой период и кратные ему гармоники), межгодовой (1 год—10 лет). В открытом океане наибольший энергетический вклад в дисперсию колебаний уровня моря вносят приливы (около 85%). Вследствие узкости Датских проливов приливы в Балтийское море почти не прони-
Институт океанологии им. П.П. Ширшова
Российской Академии наук, Москва
E-mail: medvedev@ocean.ru, patamates007@yandex.ru
кают и мезомасштабная изменчивость уровня определяется в основном собственными колебаниями, которые возникают непосредственно внутри моря [4]. При этом долгопериодные колебания уровня проникают из Северного моря почти неискаженными.
Объект исследования нашей работы — система Северное море — Балтийское море. Подобный подход позволяет детально рассмотреть механизмы формирования спектра изменчивости уровня Балтийского моря в различных частотных диапазонах и выявить его основные особенности.
Колебания уровня удобно рассматривать как вероятностный процесс, для оценки частотного распределения энергии которого можно использовать методы спектрального анализа случайных процессов. Колебания уровня моря не являются строго стохастическим процессом, так как большое влияние на них оказывают приливы — регулярный детерминированный процесс, который проявляется в спектрах колебаний уровня в виде резких дельтаоб-разных пиков (дискретный спектр). Сезонные колебания также имеют дискретный спектр, в котором преобладают годовая и полугодовая гармоники, хотя эти колебания и не являются строго детерминированными [5]. Особый тип колебаний уровня моря — "полюсный прилив", который в Балтийском и Северном морях носит аномальный характер [6]: этот процесс тоже является гармоническим (с периодом около 14 месяцев, обусловленным чандлеровскими колебаниями оси вращения Земли), но его доминантный период испытывает определенные временные вариации. Остальные составляющие изменчивости уровня моря носят характер случайного шума и форми-
Таблица 1. Характеристика используемых данных
Станция Координаты, град Страна Период наблюдения, годы
с. ш. в. д. среднемесячные данные ежечасные данные
Куксхафен 53.87 8.72 Германия 1916-2005 1918-1981
Стокгольм 59.32 18.08 Швеция 1916-2005 1918-1981
Кронштадт 60.00 30.00 Россия 1916-2005 1977-2006
Фуруогрунд 64.92 21.23 Швеция 1916-2005 1918-1981
руют непрерывное распределение энергии по частоте (континуум).
В нашей работе при помощи спектрального анализа был описан спектр изменчивости уровня и оценен энергетический вклад его различных частотных диапазонов в общую дисперсию колебаний. Для этого были рассмотрены длительные ряды данных ежечасных наблюдений и среднемесячных значений изменений уровня моря на четырех береговых мареографических станциях: Куксхафен (Германия) в Северном море, Стокгольм, Фуруогрунд, Кронштадт в Балтийском мо-
ре (табл. 1; рис. 1). Совместное использование длительных рядов среднемесячных значений вместе с качественными ежечасными данными (процент пропусков на всех станциях не превышал 1%) дало возможность оценить энергию колебаний уровня моря в широком диапазоне периодов с максимально высоким спектральным разрешением.
Датские проливы, отделяющие Балтийское море от Северного, служат своего рода "низкочастотным фильтром", пропускающим в Балтийское море долгопериодные колебания уровня мо-
66° с.ш.
64
62
60
58
56
54
52
5 10 15 20 25 30° в.д.
Рис. 1. Схема расположения станций длительных наблюдений за уровнем моря, данные которых были использованы в анализе.
1 — Куксхафен, 2 — Стокгольм, 3 — Фуруогрунд, 4 — Кронштадт. Д — Датские проливы (Зунд, Большой Бельт, Малый Бельт), Р — Рижский залив, П — Пярнуский залив, Н — Невская губа.
О ФОРМИРОВАНИИ СПЕКТРА КОЛЕБАНИЙ
349
Рис. 2. Спектры колебаний уровня моря на станциях: 1 — Куксхафен, 2 — Стокгольм, 3 — Кронштадт, 4 — Фуруогрунд. ю-1, ю-25 — законы спадания спектральной энергии для синоптического и мезомасштабного диапазонов соответственно; I — частота разделения спектров Северного и Балтийского морей во внутригодовом диапазоне, II — частота разделения спектров Балтийского моря в синоптическом диапазоне; D — спектральный пик суточного прилива, SD — спектральный пик полусуточного прилива.
ря (многолетние, сезонные) и подавляющим синоптические и мезомасштабные колебания уровня [7]. По этой причине синоптические и мезомасштабные изменения уровня формируются непосредственно внутри Балтийского моря и являются собственными (внутренними) колебаниями [8]. Структура собственных колебаний уровня Балтийского моря выглядит таким образом, что пучности образуются в юго-западной части моря и Финском заливе. Центральная часть моря находится на узловой линии собственных колебаний, что позволяет рассматривать изменчивость уровня на станции Стокгольм как средний уровень всего Балтийского моря.
На рис. 2 представлены спектры колебаний уровня на 4 станциях. Характерная особенность уровенной изменчивости Балтийского моря — наличие в ее многолетнем ходе однонаправленного линейного тренда, вызванного вертикальными движениями земной коры. Это приводит к увеличению спектральной энергии во внутривековом частотном диапазоне колебаний уровня (более 10 лет) в Балтийском море по отношению к Кукс-хафену, где внутривековая изменчивость формируется под влиянием глобального потепления. Значения спектральной плотности в межгодовом диапазоне колебаний уровня для Северного, Бал-
тийского морей примерно одинаковы. Изменчивость уровня в этом диапазоне частот формируется под влиянием общей атмосферной циркуляции, на изменения которой Северное, Балтийское моря реагируют как единый бассейн.
Существенный вклад в общую дисперсию колебаний уровня вносит сезонная изменчивость (годовая, полугодовая), формирующаяся под воздействием ряда гидрометеорологических факторов: изменений плотности воды, вклада различных компонент водного баланса, изменений атмосферного давления и ветрового напряжения, а также астрономических долгопериодных приливных составляющих. В Северном море преобладают годовые колебания уровня. В Балтийском море сезонные колебания выражены годовой, полугодовой компонентами.
Наибольший вклад в общую энергию колебаний Балтийского моря вносит внутригодовая уровенная изменчивость. На рис. 2 видно, что на частотах выше 0.011 цикл/сут (период примерно 90 сут) спектры колебаний уровня начинают разделяться: на балтийских спектрах наблюдается резкое падение энергии с увеличением частоты колебаний. Именно на этих частотах начинает действовать эффект низкочастотной фильтрации уровня моря Датскими проливами.
1400
1200
с1000
я
рси 800 е п с
и Д
600
400
200 - 23%
Мезомасштабные
Синоптические
Внутригодовые
Сезонные
Межгодовые
Куксхафен Стокгольм Кронштадт Фуруогрунд
Рис. 3. Энергетический бюджет неприливных колебаний уровня в Северном, Балтийском морях.
На гистограмме - процентные вклады в суммарную неприливную дисперсию отдельных диапазонов изменчивости уровня моря.
В синоптическом диапазоне колебаний уровня (на частотах выше 0.033 цикл/сут) на станции Куксхафен начинается падение спектральной энергии с частотой, описываемой по закону ю-1, где ю — частота спектральной гармоники. Этот закон монотонного спадания спектральной энергии характерен для синоптической изменчивости атмосферного давления и ветрового напряжения, которые оказывают доминирующее влияние на формирование колебаний уровня в этом частотном диапазоне. На частотах выше 0.033 цикл/сут происходит разделение спектров собственных колебаний уровня Балтийского моря. В мелководных заливах - Ботническом (Фуруогрунд), Финском (Кронштадт) спектральная энергия синоптических колебаний примерно на порядок выше, чем в глубоководной центральной части Балтийского моря (Стокгольм). В Северном море спектральная плотность синоптической изменчивости уровня на полпорядка выше, чем в балтийских заливах.
На частотах выше 0.27 цикл/сут начинают проявляться индивидуальные особенности спектров основных балтийских заливов: Ботнического, Финского, Рижского. Их характер определяется частотно-избирательными свойствами самих заливов. Так, в Финском заливе формируется широкий пик, соответствующий основной сей-шевой моде залива с периодом 26-29 ч [1, 4]. В Ботническом заливе собственные частоты в ме-зомасштаб
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.