ОКЕАНОЛОГИЯ, 2015, том 55, № 1, с. 5-15
= ФИЗИКА МОРЯ =
УДК 551.465
РОЛЬ БАРОТРОПНОГО ВОДООБМЕНА В ФОРМИРОВАНИИ СПЕКТРА КОЛЕБАНИЙ УРОВНЯ БАЛТИЙСКОГО МОРЯ
© 2015 г. Е. А. Куликов1, 2, И. П. Медведев1, 2, К. П. Колтерманн2
Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва 2Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, географический факультет
e-mail: KulikovE@ocean.ru Поступила в редакцию 08.11.2013 г., после доработки 07.02.2014 г.
По данным длительных (от 15 до 124 лет) уровенных рядов наблюдений в 3-х пунктах Балтийского и 2-х пунктах Северного морей анализируется спектр низкочастотной изменчивости уровня моря. Выделены основные периодические составляющие спектра: сезонные и приливные, включая полюсный прилив с периодом около 14 мес. С помощью взаимного спектрального анализа рассчитана частотная характеристика отклика уровня Балтики на изменения уровня в Северном море. Показано, что основным фактором, определяющим низкочастотный спектр колебаний уровня Балтийского моря, является баротропный водообмен через Датские проливы. Ограниченная пропускная способность этих проливов является естественным низкочастотным фильтром, который успешно подавляет короткопериодные колебания уровня, приходящие извне. Простая модель водообмена, использованная в работе, позволила оценить параметры этого фильтра. Показано, что "частота отсечки" составляет 0.014 цикл/сут (период 74 сут): энергия колебаний уровня такой частоты уменьшается в два раза после проникновении их в Балтику.
Б01: 10.7868/80030157415010116
1. ВВЕДЕНИЕ
Балтийское море является внутриматерико-вым морем. Его площадь составляет 393 тыс. км2, средняя глубина — 54 м, максимальная — 459 м. Через узкие и мелководные Датские проливы (Большой Бельт и Малый Бельт, Зунд) Балтийское море соединяется с Северным морем. Установлено, что расход течения через эти проливы достигает значений, превосходящих речной сток примерно в 20 раз [18]. Фактически этот баротропный водообмен является основным фактором, формирующим низкочастотную изменчивость уровня моря. Быстрые изменения уровня в проливе Каттегат с трудом проникают в Балтику через узкие и мелководные проходы — они демпфируются из-за диссипации волновой энергии в турбулентном потоке. Как указывает Карлссон [8], система проливов является своего рода "низкочастотным фильтром", который успешно подавляет высокочастотные колебания уровня, при этом медленные (низкочастотные) изменения уровня проникают в Балтику неискаженными.
В работе [17] предложено разделять изменчивость уровня Балтийского моря на два типа: 1) "внешние" колебания, формируемые изменениями уровня снаружи (в проливе Каттегат и в Северном море) и поступлением пресной воды в акваторию в результате речного стока; 2) "внутрен-
ние" колебания, обусловленные воздействием на поверхность моря переменного атмосферного давления, ветра и вариаций плотности в Балтике. При этом внутренние колебания определяют спектр изменчивости уровня моря в диапазоне периодов менее 2 сут — они существенным образом связаны с собственными свободными колебаниями (сейшами) в Балтийском бассейне. В свою очередь изменения уровня, вызванные внешними факторами, доминируют в спектре колебаний уровня с периодами более одного месяца.
В работе [3] представлены результаты спектрального анализа изменчивости уровня Балтийского моря по данным длительных ежечасных наблюдений в 22-х пунктах на побережье России, Финляндии, Латвии и Эстонии. Диапазон анализируемых частот изменчивости уровня соответствует, согласно определению [17], "внутренним" колебаниям моря. Показано, что спектр колебаний уровня формируется преимущественно под влиянием воздействия на поверхность моря переменного поля атмосферного давления и ветра. Большую роль играют частотно-избирательные свойства акваторий моря, которые определяют пространственную структуру колебаний моря и резонансные эффекты [4].
В свою очередь внешние низкочастотные колебания уровня в Балтике обусловлены в большей степени крупномасштабным взаимодействием ат-
Характеристика используемых данных
№ Название пункта °с.ш. °в.д. Страна Интервал времени, гг.
1 Куксхафен 53.87 8.72 Германия 1917-1987
2 Гетеборг 57.68 11.79 Швеция 1967-2006
3 Стокгольм 59.32 18.08 Швеция 1889-2012
4 Горный ин-т 59.93 30.28 Россия 1977-2006
5 Владиславово 54.80 18.42 Польша 1992-2006
мосферы и океана в Северной Атлантике. В известной работе Корта [2] рассмотрены закономерности этого взаимодействия и показаны физические механизмы формирования низкочастотной изменчивости.
В продолжение исследований изменчивости уровня Балтийского моря в данной работе представлены результаты изучения спектра низкочастотных колебаний уровня Балтики, охватывающих диапазон периодов от двух суток до 20 лет, определяемых как "внешние" колебания. Особое внимание уделено влиянию водообмена между Балтикой и Северным морем на формирование спектра колебаний уровня моря.
Отметим, что здесь мы не анализируем подробно вековые изменения уровня Балтийского моря (тренды). Существует несколько современных исследований, где эта проблема достаточно хорошо изучена, например, [13, 16].
2. ДАННЫЕ И ОСНОВНЫЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗМЕНЧИВОСТИ УРОВНЯ МОРЯ
Для изучения низкочастотных колебаний уровня моря необходимо использовать длительные непрерывные наблюдения. На побережье Балтики существуют около 30 пунктов, где длительность измерений превышает 100 лет. Рекордной является станция Стокгольм — период наблюдений составляет 240 лет. В данной работе изменчивость уровня Балтийского моря анализировалась по данным ежечасных измерений на пяти мареографах (таблица, рис. 1): станция Горный институт (Санкт-Петербург, Россия), Гетеборг, Стокгольм (Швеция), Куксхафен (Германия) и Владиславово (Польша). Непрерывные ежечасные измерения в Стокгольме насчитывают 124 года. На станциях Горный институт и Владиславово наблюдения представлены в виде относительно коротких рядов: 30 и 15 лет соответственно. Колебания уровня в проливе Каттегат анализировались по данным измерений в Гетеборге. Длина ряда составила 40 лет. Станция Куксхафен является "внешней" для акватории Балтики, она располагается на германском побережье Северного моря. Длительность ряда для этой станции составила 81 год. Данные для
станций Куксхафен, Гетеборг и Стокгольм были взяты с портала Центра Уровня Моря Гавайского Университета (UHSLC) (http://uhslc.soest.hawaii. еёи). Измеренные значения уровня были приведены к единому отсчету времени (Гринвичскому), уровень моря — к нулю Балтийской системы высот (0 БС). Данные были тщательно проверены на наличие ошибок и сбоев, пропуски в записях заполнялись интерполированными значениями. Стоит отметить высокое качество данных, использованных в нашем анализе. Так, процент пропусков данных измерений в рассматриваемые временные промежутки не превышал на всех станциях 1%.
Уровенная поверхность Балтийского моря претерпевает постоянные изменения на различных временных масштабах. На рис. 2 представлены записи изменения уровня моря в Стокгольме, построенные по данным с разной частотой дискретизации и осреднения.
В Балтийском море наблюдаются значительные вертикальные смещения земной коры, вследствие чего для межгодовой изменчивости уровня Балтийского моря на большинстве станций характерным является наличие однонаправленного линейного тренда (рис. 2а). Наибольшие скорости вертикальных поднятий наблюдаются в северной части Ботнического залива (т.е. уровень моря резко падает). В южной части Балтийского моря происходит опускание земной коры, вследствие чего изменения уровня имеют положительный тренд. После вычитания тренда из записи межгодовая изменчивость уровня приобретает вид суперпозиции большого количества различных волн, преобладающими из которых являются сезонные колебания уровня моря (рис. 2б). В Балтийском море они выражаются в виде годовой и полугодовой составляющих. Сезонные составляющие имеют метеорологическое происхождение, вследствие чего их амплитуды и фазы подвержены заметным изменениям от года к году. В синоптическом диапазоне гидрометеорологических процессов (с периодами 2—30 сут) каких-либо ярко выраженных периодических составляющих колебания уровня моря не наблюдается — колебания уровня формируются под преобладающим воздействием метеорологических факторов (атмосферного давления и ветрового напряжения) и носят преиму-
О 10 20 30° в.д. 10 15° в.д.
Рис. 1. Карта Балтийского и Северного морей (а). Показано 5 станций длительных наблюдений за уровнем моря, данные которых были использованы в анализе. (б) На врезке показана карта Датских проливов (1 — Малый Бельт, 2 — Большой Бельт, 3 — Зунд).
щественно случайный характер (рис. 2в). На графике заметна также и регулярная составляющая — сезонный ход уровня. Наибольших амплитуд в Балтийском море достигают штормовые нагоны (до 3—4 м) и сейши, которые происходят на фоне регулярных периодических колебаний — приливов (рис. 2г).
3. СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ЗАПИСЕЙ КОЛЕБАНИЙ УРОВНЯ
Спектральный анализ случайных процессов обычно используется для оценки распределения энергии колебаний по частоте. В зависимости от природы колебаний спектр может носить или характер непрерывного распределения энергии по частоте (континуум), что типично для "шумовых" процессов турбулентного характера, или в виде резких дельтаобразных пиков (дискретный спектр), соответствующих регулярным гармоническим составляющим с фиксированными частотами. Например, приливные колебания уровня проявляются в спектре в виде дельтаобразных пиков с частотами основных приливных гармоник (К1, 01, М2, 82 и др.). В свою очередь изменения уровня, вызываемые воздействием на поверхность моря переменного атмосферного давления и ветра, в основном носят характер случайного
шума и имеют спектр в виде непрерывной функции от частоты.
Результаты спектрального анализа записей уровня моря по данным ежечасных измерений представлены в диапазоне частот от 10-4 до 0.5 цикл/сут. Чтобы полнее отобразить спектральную зависимость для такого широкого диапазона частот, расчет спектра выполнялся с использованием алгоритма быстрого преобразования
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.