научная статья по теме О ПРИЧИНАХ УВЕЛИЧЕНИЯ ЧАСТОТЫ НЕВСКИХ НАВОДНЕНИЙ В ПОСЛЕДНИЕ ДЕСЯТИЛЕТИЯ Геофизика

Текст научной статьи на тему «О ПРИЧИНАХ УВЕЛИЧЕНИЯ ЧАСТОТЫ НЕВСКИХ НАВОДНЕНИЙ В ПОСЛЕДНИЕ ДЕСЯТИЛЕТИЯ»

УДК 556.535.2(282.247.21)

О причинах увеличения частоты невских наводнений в последние десятилетия

Е. А. Захарчук* **, В. Н. Сухачев* **, Н. А. Тихонова*

На основе статистического анализа гидрометеорологической информации исследуются причины межгодовых изменений частоты опасных подъемов уровня Балтийского моря на востоке Финского залива. Полученные результаты не подтвердили гипотезу о влиянии межгодовой изменчивости характеристик атмосферных циклонов на увеличение частоты наводнений в устье Невы в последние десятилетия. В противоположность результатам взаимного корреляционного анализа числа наводнений и характеристик атмосферных циклонов для ряда районов Балтийского моря отмечается значимая корреляция между числом опасных подъемов уровня моря на востоке Финского залива и изменениями его бароклинных условий. Этот результат интерпретируется с учетом особенностей динамики бароклинных топографических волн, оказывающих значительное влияние на формирование опасных подъемов уровня моря на востоке Финского залива.

Ключевые слова: опасные подъемы уровня моря, невские наводнения, характеристики атмосферных циклонов, межгодовая изменчивость, бароклинные условия, статистический анализ.

Введение

В конце XX в. и начале XXI в. в восточной части Финского залива заметно увеличилась частота опасных подъемов уровня. Результаты, представленные на рис. 1, свидетельствуют о том, что за последние 30 лет число наводнений в устье Невы увеличилось в 1,6 раза. Несмотря на ввод в эксплуатацию в 2010 г. комплекса защитных сооружений Санкт-Петербурга от наводнений (КЗС), опасные подъемы уровня воды продолжают наносить ущерб прибрежным территориям, расположенным западнее КЗС. Это определяет необходимость разработки более точного прогноза невских наводнений.

Считается, что физический механизм наводнений в устье Невы достаточно хорошо изучен. Установлено, что 90% случаев зарегистрированных наводнений произошло в осенне-зимний период, с сентября по февраль [12], когда отмечается усиление циклогенеза в атмосфере умеренного пояса Северного полушария. При движении глубоких циклонов над открытой Балтикой преимущественно с запада на восток формируется возмущение уровня, которое после прекращения действия возмущающих сил распространяется на восток, в Финский залив, в виде свободной длинной гравитационной волны [2, 6, 9]. При приближении к вершине Финского залива амплитуда длинной гравитационной волны увеличивается из-за уменьшения площади поперечных сечений залива.

* Санкт-Петербургский государственный университет; e-mail: spbsoi@rambler.ru.

** Санкт-Петербургское отделение Государственного океанографического института им. Н. Н. Зубова.

Рис.

1711 1741 1771 1801 1831 1861 1891 1921 1951 1981 2011 1. Распределение числа случаев невских наводнений по годам и за каждые 30 лет.

При совпадении скорости движения атмосферных циклонов со скоростью свободной гравитационной волны происходит резонанс, что приводит к особенно значительному увеличению ее амплитуды [9]. Еще одним важным сопутствующим фактором при формировании особо опасных и катастрофических подъемов уровня являются дующие в тылу циклонов над Финским заливом сильные западные или юго-западные потоки, создающие значительный ветровой нагон уровня моря, совмещающийся с гребнем длинной гравитационной волны [9].

Ранее [8] было высказано сомнение относительно единственно возможной идентификации волн невских наводнений как длинных гравитационных. С учетом того, что характерные периоды волн наводнений больше локального периода инерционных колебаний, проведено сравнение их характеристик с теоретическими дисперсионными соотношениями градиентно-вихревых волн [8]. Это позволило идентифицировать волны невских наводнений как бароклинные топографические волны. На основе данных численного гидродинамического моделирования и анализа метеорологической информации было показано, что эти волны генерируются в результате резонанса между анемобарическими силами в глубоких атмосферных циклонах и собственными низкочастотными колебаниями в системе Финский залив — открытая Балтика, которые идентифицируются как свободные топографические волны. Подобный резонанс осуществляется, когда скорость движения глубоких атмосферных циклонов становится равной фазовой скорости свободных топографических волн. Во время резонанса генерируются вынужденные топографические волны, амплитуда которых особенно значительно увеличивается. Распространяясь на восток Финского залива, эти волны в ряде случаев являются определяющими в формировании наводнений в Невской губе.

Бароклинная структура и градиентно-вихревая природа низкочастотных волн, формирующих опасные подъемы уровня моря на востоке Финского залива, были подтверждены путем инструментальных измерений профилей скорости течений на придонной автоматической станции СПО ГОИН, а также температуры и солености на основе данных судовых наблюдений [7]. О бароклинном характере волны наводнений свидетельствовали значительные изменения дис-

персии течений с глубиной при изменении их направлений на обратные, как это происходит у волны первой бароклинной моды. Направления больших осей эллипсов среднего квадратического отклонения колебаний течений в период опасного подъема уровня моря были ориентированы не вдоль изобат, как это должно быть у длинных гравитационных волн, являющихся продольными волнами, а поперек изолиний рельефа дна, что характерно для градиентно-вих-ревых волн, которые относятся к классу горизонтально-поперечных волн. Данные судовых измерений профилей температуры и солености подтвердили сохранение выраженной стратификации в штормовых условиях, что является необходимым условием генерации бароклинных мод в волновых процессах. На основании результатов их анализа было сделано предположение, что в штормовых условиях интенсификация процессов турбулентной вязкости и диффузии сопровождается значительным усилением процессов адвекции тепла и соли в Финский залив из открытой Балтики, способствующим поддержанию устойчивой стратификации.

Таковы современные представления о механизмах формирования опасных подъемов уровня моря в восточной части Финского залива. Остается открытым вопрос о причинах и механизмах их межгодовой изменчивости, которая проявляется в заметном увеличении числа наводнений в этом регионе Балтийского моря в последние десятилетия. Данная статья посвящена исследованию проблемы путем статистического анализа гидрометеорологической информации.

Данные и методы

Для статистического анализа использовали следующую исходную информацию:

— срочные (4 раза в сутки) данные о динамике барических образований в атмосфере, полученные на основе анализа метеорологических полей по данным реанализа с пространственным разрешением 2,5 х 2,5° для периода 1948—2013 гг. [18] и 0,5 х 0,5° для периода 1979—2009 гг. [17];

— срочные (4 раза в сутки) данные инструментальных измерений скорости ветра на гидрометеорологической станции Выборг с 1985 по 2007 г.;

— данные реанализа гидрофизических полей Балтийского моря, полученные в рамках проекта "МуОсеап" и включающие массивы среднемесячных значений температуры, солености, горизонтальных составляющих скорости течений с вертикальным разрешением 5 м и пространственным разрешением 5,6 км за 1990—2009 гг., полученные путем ассимиляции судовых и спутниковых данных в трехмерной бароклинной гидродинамической модели океана Hiromb-BOOS-Model (НВМ^1) [16].

Одна из гипотез увеличения частоты наводнений в последние десятилетия может быть связана с межгодовой изменчивостью характеристик атмосферных циклонов (их глубины, траекторий движения, скорости ветра в циклоне). Для проверки этой гипотезы полезно оценить изменение во времени дисперсии горизонтального градиента атмосферного давления gradPa(0 в циклонах как показателя их интенсивности. Для этого по данным реанализа NCEP/NCAR [18] для региона, ограниченного координатами 20—90° с. ш., 80° з. д. — 60° в. д., выбирали срочные поля приземного атмосферного давления (Р ). Для каждого поля Р оценивали положительные (антициклоны) и отрицательные (циклоны) аномалии путем исключения среднего по полю значения Р Для отрицатель-

ных аномалий рассчитывали горизонтальный градиент Ра Так как

gradP(I(t) — векторный процесс, для оценки его интенсивности рассчитывался линейный инвариант тензора дисперсии gradP [11]

А(обга^=т+¿¿о, (1)

где Б ¿^ — дисперсии составляющих gradPa на параллель и меридиан; t — время. Оценку 11(0вгшРа производили с учетом нестационарности процесса: период квазистационарности для расчета принимался равным 1 году.

Межгодовую изменчивость числа атмосферных циклонов N ({) и траекторий их движения Р2п(0 над Балтийским морем изучали сотрудники СПО ГОИН

[15]. Для этого использовали данные атмосферного давления реанализа с пространственным разрешением 0,5 х 0,5° за период с 1979 по 2011 г. [17]. Для анализа был выбран район, ограниченный координатами 36—90° с. ш., 80° з. д. — 60° в. д. Согласно методике, изложенной в работах [1, 3], циклоны выделяли для каждого синоптического срока в поле атмосферного давления как области пониженного давления, ограниченные замкнутыми изобарами. Определяли координаты их центров. Для обобщения полученных результатов применительно к региону Балтийского моря оценивали среднегодовое число циклонов в синоптический срок в районе, ограниченном координатами 50—72° с. ш., 0—30° в. д., и проводили пространственно-временной квантильный анализ положений их центров.

Согласно статистическим данным, наибольшее число наводнений в устье Невы происходит при западных и юго-западных направлениях ветра со скоростью около 12 м/с [10]. Для оценки межгодовой изменчивости ветра по данным реанализа КСЕР/ЭОЕ АМ1Р-11 [17] проводили квантильный анализ скорости ветра, имеющего направление от юго-западного до западного. Для каждого года оценивали также число случаев N^,1^), когда скорость ветра указанных направлений превышала 11 м/с.

Идентификация волн невских наводнений как бароклинных топографических волн [7, 8] не исключает гипотезы о влиянии межгодовых изменений бароклинных условий Балтийского моря н

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.

Показать целиком