ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2007, № 5, с. 3-10
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА
УДК 551.46(262.5)+519.246.8+629.78
ПРОСТРАНСТВЕННАЯ АНИЗОТРОПИЯ МЕЖГОДОВОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОДЫ ЧЕРНОГО МОРЯ (ПО СПУТНИКОВЫМ ДАННЫМ)
© 2007 г. В. Н. Еремеев1, А. Н. Жуков2*, Н. Е. Лебедев2, А. А. Сизов2
Океанологический центр НАН Украины, Севастополь 2Морской гидрофизический институт НАН Украины, Севастополь Тел.: (0692) 54-15-73; *е-таИ: sa@alpha.mhi.iuf.net Поступила в редакцию 24.01.2006 г.
Представлены результаты исследований пространственной анизотропии изменчивости поля температуры поверхности воды Черного моря на межгодовых масштабах. Анализ выполнен по спутниковым данным PODAAC JPL AVHRR Pathfinder за 1985-2005 гг. Описаны особенности структуры полей средних годовых и средних за 21 год значений температуры воды. Показано существование пространственных волн в изменчивости полей температуры по двум основным направлениям - зональному и меридиональному. Исследовано характерное для этих полей свойство внутриспектраль-ной изменчивости (ВСИ) по пространству.
ВВЕДЕНИЕ
Изменчивость тепловых процессов и полей в пространстве и времени является одним из основных факторов, формирующих глобальные и региональные особенности климата Земли [1]. Изучение взаимосвязей такой изменчивости на межгодовых и больших временных масштабах с динамикой морских экосистем является одной из актуальных задач в рамках создания глобальных систем наблюдения и мониторинга с использованием спутниковых данных [2]. В этом отношении термодинамика Черного моря является характерным примером выраженной взаимосвязи между региональной и глобальной (в первую очередь Северного полушария) изменчивостью климатических и погодных условий [3].
В последнее время в науках о Земле существенное внимание стало уделяться исследованию закономерностей изменчивости характеристик спектральной структуры природных процессов по времени и пространству [4, 5], т.е. их ритмодинамики. Ряд предположений, сделанных в связи с этим в [6], сводится к тому, что для квазипериодических процессов в атмосфере и гидросфере общий характер такой изменчивости по времени и по пространству может быть подобным. Иными словами, если для ритмодинамики по времени какого-либо процесса характерны свойства внутриспектральной изменчивости (ВСИ) [7] и фрактально-волновой структуры такой изменчивости (ФВСИ) [6], то эти свойства
также должны быть характерны и для пространственной изменчивости этих параметров.
Предложенное в [6] понятие ФВСИ означает, что, если временная изменчивость процесса на каком-либо масштабе может быть в основном сведена к суперпозиции группы нескольких доминирующих квазипериодических колебаний, каждое из которых также может быть представлено аналогичной группой квазипериодических колебаний и т.д. (свойство ВСИ), то в целом такую спектральную структуру изменчивости процесса следует считать устроенной фрактально - волновым способом, с учетом таких известных свойств фракталов как вложенность и самоподобие. При таком подходе функциональной траекторией изменчивости должен быть круг, состоящий из меньших кругов, каждый из которых устроен также.
Цель данной работы - исследование особенностей пространственной изменчивости температуры воды Черного моря с использованием спутниковых данных, поиск устойчивых масштабов такой изменчивости и определение их характеристик на основе аналитических подходов, сформулированных и изложенных в [6, 7].
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
Для проверки указанных выше предположений на мезомасштабах по пространству были использованы данные спутниковых наблюдений темпе-
Широта, град
Долгота, град
Рис. 1. Расположение узлов сетки 18 х 18 км спутниковых данных /° Черного моря.
ратуры поверхности воды (tW) Черного моря за период 1985-2005 гг. [8]. Данный выбор связан с тем, что существование свойств ВСИ и ФВСИ для изменчивости временных рядов температуры воды, воздуха и других физических параметров Черного моря было показано ранее на большом массиве данных контактных измерений [6, 7]. Из архивов спутниковых данных PODAAC JPL AVHRR Pathfinder 4 и Pathfinder 5 [http: //poet.jpl.nasa.gov]
нами взяты среднемесячные значения tw для ночного времени наблюдений на равномерной сетке 18 х 18 км. Всего было использовано 1462 узла сетки в пределах прямоугольника 41°-46.5° с.ш. и 27.9°-41.8° в.д. (рис. 1).
Пропуски в измерениях по отдельным узлам заполнялись с помощью линейной интерполяции. При этом в первую очередь использовались данные не менее чем по двум ближайшим узлам за тот же месяц, либо за предыдущий и последующий месяцы для этого же узла. Если такие данные для какого-либо узла отсутствовали, то рассчитывалось среднее для него на этот месяц значение температуры за все время наблюдений. Кроме того, часть данных за 2003-2005 гг. из-за изменения параметров исходной сетки Pathfinder Data была пересчитана по данным сетки 4 х 4 км также с помощью линейной интерполяции.
Оценка степени вносимых при этом искажений в ряды исходных значений и их спектры показала, что их уровень в основном не превышает 0.1°C для исходных значений и 5-10% для амплитуд гармоник соответствующих спектров. Однако поскольку для более чем 93% использованных узлов обеспеченность данными измерений со-
ставляла не хуже 95%, то существенного влияния на полученные результаты такого рода искажения не оказали.
АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ
Полученное после проведенных расчетов поле средних за все время наблюдений (21 год) значений ^ Черного моря хорошо согласуется как с данными контактных измерений [3], так и с известными представлениями об особенностях циркуляции воды в этом бассейне [9-11]. В частности, на рис. 2 хорошо видны области повышенных значений температуры воды вдоль берегов и пониженных в центре моря (область подъема глубинных вод) в виде вытянутого с запада на восток
эллипса между 31° и 36° в.д. Перепад ^ в этой области относительно соседних участков моря составляет 0.25°-0.3°С. Характерной чертой поля в целом является наличие существенных различий средних температур воды между западной и восточной частями моря (1.5°-2.0°С) в сравнении с направлением север-юг (1.0°-1.2°С). Наиболее
высокие значения ^ > 15.5°С отмечены в акватории восточнее 38° в.д. Другая область повышенной поверхностной температуры расположена в прибосфорском районе между 30° и 32° в.д.
Некоторые особенности временной изменчивости среднегодовых значений поверхностной температуры показаны на рис. 3. На этом рисунке представлены данные по трем узлам сетки, отмеченным на рис. 1 треугольниками. Как хорошо
видно, временная изменчивость ^ и ее спек-
с.ш., град
I I I I I
в.д., град
45
Температура, град 16
15 14
42
36 34
в.д., град
с.ш., „рад 42 4^2В
Рис. 2. Среднее за все время наблюдений (1985-2005 гг.) поле температуры поверхности Черного моря по спутнико вым данным. (Область равных значений температуры, окаймляющая контур моря, соответствует суше.)
тральные оценки (рис. 3а, б) показывают существование масштабов с периодом 3-5 лет. Трендо-
,о
вый характер изменчивости tw свидетельствует о
существовании ее низкочастотной составляющей. Можно предполагать, что это фрагмент известного 40-50-летнего масштаба. Показанные
на рис. 3, в, „ данные наблюдений t^ в Ялте, пропущенные через полосовой, нерекурсивный фильтр с диапазоном 20-40 лет и фильтр скользящего среднего (ФСС) с периодом 10 лет [12], подтверждают существование таких масштабов изменчивости. Следует отметить, что близкие к вышеуказанным масштабы изменчивости ^ были получены в [13, 14] по вековым рядам температуры воздуха и воды Черного моря.
Значимые отличия в величинах t°w для соседних узлов сетки (0.1°-0.7°С) проявляются, начиная с 36 км, т.е. с удвоенного расстояния между узлами. Причем по направлению запад-восток эти отличия с расстоянием растут несколько быстрее, чем по направлению север-юг. Изложенные ниже результаты подробного анализа ритмодинамики поля tW позволяют дать предварительное объяснение такого рода особенностям.
Для этого целесообразно условно разделить акваторию Черного моря по 34° в.д на западную и восточную части. Анализ пространственной изменчивости полей аномалий температуры (после удаления из каждого временного ряда его постоянной составляющей) показал, что для межгодовых масштабов изменение средних по узлам сетки
Температура, град 16.5
Амплитуда гармоники, ед.
1985
1990
1995
2000
2005
12
16
20
1900 1920
1940 Год
1960 1980
0.08
0.06
0.04
0.02
20
40 60 Период, лет
80
100
Рис. 3. Ряды средних годовых значений температуры поверхности Черного моря: для узлов сетки с координатами 1 -43.7° с.ш., 28.9° в.д., 2 - 43.2° с.ш., 33.7° в.д., 3 - 42.3° с.ш., 38.2° в.д. (а), соответствующий спектр для ряда узла 2 (•), для Ялты: 1 - после полосового фильтра, 2 - после ФСС (в) и соответствующий спектр ряда Ялты после фильтрации (г).
аномалий для западной и восточной частей Черного моря в основном происходит синхронно (рис. 4). Такой квазисинхронный характер колебаний по всему морю обычно объясняется определяющим влиянием крупномасштабных синоптических процессов [3, 13]. Вместе с тем анализ показывает существование значимых (0.5°-1.0°С) различий в амплитудах таких колебаний по пространству, что качественно совпадает с результатами [13]. Для более детального анализа особенно-
о .О
стей межгодовой изменчивости tw по пространству из общей сетки данных были выделены два участка с координатами 42.2°-43.8° с.ш., 28.8°-39.4° в.д. (для анализа пространственной ритмоди-намики по оси запад-восток) и 41.5°-45.9° с.ш., 30.2°-31.8° в.д. (аналогично по оси север-юг). Эти участки являются наиболее протяженными в данных направлениях и вместе с тем имеют минимальное количество пропусков наблюдений по
входящим в них узлам. Выбранные участки показаны на рис. 1 пунктиром.
По рядам средних годовых значений ^ для каждого узла на этих участках были рассчитаны с помощью полного преобразования Фурье соответствующие спектры за 21 год. Для каждой гармоники этих спектров было построено поле распределения ее амплитуды по пространству для
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.