ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2014, № 1, с. 120-128
УДК 550.34.01
СРАВНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЕТА ОКЕАНИЧЕСКОГО ГРАВИМЕТРИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА С ДАННЫМИ НАБЛЮДЕНИЙ
© 2014 г. Е. А. Спиридонов, О. Ю. Виноградова
Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва E-mail: sp287@mail.ru Поступила в редакцию 06.12.2012 г.
Проведено сравнение расчетов теоретического океанического гравиметрического эффекта с некоторыми относительно недавними результатами наблюдений. Показано достаточно хорошее согласие теоретических значений амплитуд и фаз, рассчитанных при помощи разработанной авторами настоящей работы программы ATLANTIDA3.0, с их экспериментальными значениями в различных точках земного шара. В частности, установлено, что полученные нами результаты почти в 80% случаев лучше совпадают с наблюдениями, нежели значения, рассчитанные программой LOAD89 из пакета ETERNA3.3 Венцеля.
DOI: 10.7868/S0002333714010086
ВВЕДЕНИЕ
Обсуждаемая здесь программа расчета океанического гравиметрического эффекта ATLANTIDA3.0 разработана на основе подходов и методов подробно изложенных в работах [Виноградова, Спиридонов, 2012; 2013a; Vinogradova, Spiridonov, 2013]. В программе применено разложение высоты прилива по сферическим функциям (функции Грина не используются). При вычислении нагрузочных чисел Лява учтена диссипация. Все наши расчеты проведены для двух моделей строения Земли — PREM и IASP91 (1 с — без диссипации и 12 ч — с диссипацией) и трех океанических моделей: FES95.2, CSR3.0 и SCW80.
Сравнительный анализ рассчитанного в настоящей работе океанического гравиметрического эффекта с наблюдениями проводился по полученным в работах разных авторов данным с 21 станции и 22 инструментов. Две станции располагались на Канарских островах, еще две — на острове Шпицберген, 5 станций с инструментами SLR — в Европе и 12 станций со сверхпроводящими гравиметрами принадлежали сети GGP. Парк инструментов состоял из: 12 сверхпроводящих гравиметров, 8 гравиметров Ла Коста-Ром-берга и 2 гравиметров Аскания. Помимо сравнения наших расчетных данных с результатами наблюдений, внимание было уделено сравнению с результатами расчетов, проводимых другими авторами при помощи программ, использующих в том числе региональные океанические модели.
Ряд численных результатов, обсуждаемых в настоящей работе (таблицы и рисунки) можно найти в монографии [Спиридонов, Виноградова, 2013b].
1. Острова Тенерифе и Лансароте (Канарский архипелаг) по данным [Arnoso et al., 2006]
Общая характеристика полученных экспериментальных данных и условий наблюдения подробно изложена в работе [Arnoso et al., 2006].
На Лансароте, станция Gueva de los Verdes (CV) расположена в Геодинамической Лаборатории Лансароте, которая находится внутри лавового туннеля вулкана La Corona, в северо-западной части острова (29.1601° с.ш., 13.4411° з.д., высота над уровнем моря — 37 м, удаление от береговой линии — 1.6 км). На Тенерифе, станция Teide-Parador (TP) находится в основании Parador Nacional, на территории Национального парка Las Caiiadas del Teide (28.2167° с.ш., 16.6167° з.д., высота над уровнем моря — 2150 м, удаление от береговой линии — 18 км).
Гравиметрические измерения на станции (CV), на Лансароте, проводились на гравиметре Ла Коста-Ромберга G434 в течение 10-летнего периода (с мая 1987 по март 1997). На Тенерифе применялся гравиметр LCR G665, и измерения длились 7 месяцев (с декабря 1998 по июнь 1999).
Приливной анализ рядов данных осуществлялся при помощи метода среднеквадратичного гармонического анализа, по программе Венедикова. Применялся приливной потенциал Тамуры, а отклик Земли для объемных приливов рассчитывался по упругой модели DDW [Dehant et al., 1999].
Среднеквадратические ошибки рассчитывались также по программе Венедикова, учитывающей цветной характер шума. Эти ошибки относятся к внутренней точности рядов, связанной с ошибками калибровки гравиметра. В пересчете на экспериментальный нагрузочный приливной
1.00Е+01 -9.00Е+00 -
0 00Е+00 ........................................................................
с^^чоооос^^^оооос^^^оооос^^^оооос^^^оооос^^^оооос^^^о
Зависимость амплитуд суммарного (верхняя кривая), нагрузочного (средняя кривая) и ньютоновского (нижняя кривая) океанических эффектов от порядка разложения высоты прилива по сферическим функциям на станции СУ(Лан-сароте). Вертикальная ось — амплитуда (мкГал), горизонтальная — порядок (от 2 до 720). РКЕМ_12И, С8К3.0.
эффект (плюс прямое ньютоновское притяжение) на Лансароте они составляют для волны М2 ±0.07 мкГал по амлитуде и ±0.02° по фазе, а для волны 01 — ±0.04 мкГал и ±0.04°. На Тенерифе: для М2 - ±0.07 мкГал и ±0.07° и для 01 - ±0.13 мкГал и ±0.17°.
Для вычисления океанического нагрузочного эффекта и прямого притяжения [Атп080 е! а1., 2006] применяли программу АТС. Эта программа рассчитывает нагрузочный эффект как стандартный интеграл сверки распределения океанического прилива и гравитационных фарелловских функций Грина для модели Земли Гутенберга-Буллена.
В работе [Агп080 е! а1., 2006] сравнивается девять глобальных океанических моделей в совокупности с локальной моделью С1АМ1Н1, построенной для Канарских островов.
Сравнение наших расчетов с указанными данными [Агп080 е! а1., 2006] во всех без исключения 12 случаях (три океанические модели для двух волн на двух островах) показало, что результаты, полученные по программе АТ1АМТЮА3.0, оказывались ближе к данным наблюдений, чем результаты программы ЮАБ89. Особенно отчетливо это проявлялось для волны М2, для которой соответствующие разности достигали порой 0.5 мкГал. Также во всех случаях, кроме одного (С8Я3, М2, Лансароте), наши результаты, рассчитанные по модели 1АБР9112 ч (с учетом диссипации), ближе к наблюденным значениям, нежели, рассчитанные по PREM12 ч.
Еще одной общей чертой является то, что результаты практически всех наших расчетов для
Лансароте оказались в целом гораздо ближе к данным наблюдений, нежели полученные для 9-ти океанических моделей [Arnoso et al., 2006]. В то же время, для Тенерифе наблюдается строго обратная ситуация. В связи с этим хотелось бы отметить два обстоятельства. Во-первых, станция TP на Тенерифе находится существенно выше над уровнем океана, чем станция CV на Лансароте (2150 против 37 м). Поэтому возможно, что на результаты расчетов [Arnoso et al., 2006], как и другие результаты, с которыми будет проводится сравнение в дальнейшем, могло повлиять некорректное введение поправки за высоту, систематически завышающее амплитуды. Это наблюдается, например, в программе LOAD89 из ETERNA3.3. Во-вторых, период наблюдений на Тенерифе существенно меньше, чем на Лансароте, что, в свою очередь, могло сказаться на точности оценок наблюдаемого нагрузочного прилива. Интересно, что сами [Arnoso et al., 2006] связывают свои неудачные результаты для Ланса-роте со сложной местной обстановкой в лавовом туннеле, заполненном водой.
Также [Arnoso et al., 2006] отмечают, что даже самая крупная сетка глобальных океанических моделей с разрешением 0.25° х 0.25° недостаточна для точного описания геометрии прибрежных зон и малых островов, и предлагают новую региональную модель для Канарских островов CIAM1 (Canary Island Data Assimilated Tide Model, ver. 1) с разрешением 1/12° х 1/12°, полученную путем включения данных альтиметрии TOPEX/POSEIDON и наблюдений приливометров в гидродинамическую модель.
Отметим в связи с этим следующее. Во-первых, для зоны Канарских островов разрешение модели 0.25° х 0.25°, на наш взгляд, является вполне достаточным. Это, в частности, следует из рассмотрения рисунка, на котором представлена зависимость амплитуд суммарного, нагрузочного и ньютоновского океанических эффектов от порядка разложения высоты прилива по сферическим функциям для модели PREM 12 ч и океанической модели CSR3.0. При этом котидальные карты океанической модели были подвергнуты интерполяции вплоть до разрешения 0.125° х 0.125°. Из рисунка видно, что рассчитываемое значение суммарного эффекта после 60-го порядка меняется не более чем на 0.1 мкГал, а это означает, что подавляющая часть исследуемого сигнала формируется на пространственных масштабах, выходящих за пределы трапеции размером порядка 1.5° по широте и 3° по долготе. Помимо этого, проведенные в данной работе расчеты по сетке 0.25° х 0.25° (до 360 порядка) и по сетке 0.0625° х 0.125° (до 1440 порядка) привели к точному совпадению показанных на рисунке кривых. Таким образом, учет мелких, локальных особенностей и укрупнение сетки вряд ли способны привести к объяснению показанных ранее на рисунке различий между моделями.
Во-вторых, применяемая при построении региональной модели CIAM1 модельная область в пределах 341°—347.5° по долготе и 26.5°—30° по широте лишь в два раза крупнее указанного выше характерного масштаба, на котором формируется большая часть исследуемого сигнала, поэтому включение этой модели в глобальную океаническую модель, скорее всего, не приведет к значительному улучшению результатов. Вообще говоря, априори понятно, что небольшое локальное уточнение не способно привести к существенному изменению амплитуд пространственных гармоник ниже 60 порядка для земного шара в целом. Другой вопрос, что безусловный интерес представляет объединение при высоком пространственном разрешении большого числа региональных моделей с одной, наиболее оптимальной, глобальной моделью.
Обсудим теперь результаты проводимого сравнения более детально.
Результаты наших вычислений для волны M2 на Тенерифе отстоят от данных наблюдений на 1.16—2.32 мкГал, в то время как результаты [Ar-noso et al., 2006] совпадают с ними в основном хорошо (0.09—0.66 мкГал, если отбросить модель TPXO2 (1.17 мкГал)). По всем трем океаническим моделям программа ATLANTIDA3.0 оказалась лучше LOAD89 на 0.3 (PREM 12 ч) - 0.4 мкГал (IASP9112 ч). Это в 3-4 раза меньше, чем отличие наших данных от данных [Arnoso et al., 2006]. Что несколько странно, поскольку [Arnoso et al., 2006] ссылаются на технологию, близкую к LOAD89, в
то время как методики расчета по этой и нашей программе принципиально различны при относительно близком сходстве результатов. В
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.