Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ И ЭКОЛОГИИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ И МОНИТОРИНГУ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

ГУ «ГОСУДАРСТВЕНЫЙ ОКЕАНОГРАФИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. Н.Н. Зубова» Санкт-Петербургское отделение

На правах рукописи

УДК: (551.326.14+551.465.71)(268.52)

Специальность 25. 00. 28 - океанология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора географических наук

СИНОПТИЧЕСКАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ УРОВНЯ И ТЕЧЕНИЙ В МОРЯХ, ОМЫВАЮЩИХ СЕВЕРО-ЗАПАДНОЕ И АРКТИЧЕСКОЕ ПОБЕРЕЖЬЯ РОССИИ

Захарчук Е.А.

Санкт-Петербург - 2009 г.

Работа выполнена в Санкт-Петербургском отделении Государственного Океанографического института им. Н.Н. Зубова (СПО ГУ «ГОИН») Росгидромета

Научный консультант: з.д.н., д. г. н., проф. В. Р. Фукс

Официальные оппоненты:

Член корреспондент РАН, доктор географических наук, профессор Н.Н. Филатов;

Доктор географических наук, профессор Н. П. Смирнов;

Доктор географических наук, профессор В. В. Денисов.

Ведущая организация: Арктический и антарктический научно-исследовательский институт

Защита состоится «____» 2009 г. в _____ часов на заседании диссертационного совета Д 212.197.02 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук при Российском государственном гидрометеорологическом университете по адресу: 195196, г. Санкт-Петербург, Малоохтинский проспект, д. 98.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного гидрометеорологического университета

Автореферат разослан «_______» 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Кандидат географических наук В. Н. Воробьев

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Под синоптической изменчивостью в океанологии принято понимать неоднородности в океанологических полях, имеющие характерные временные и пространственные масштабы от нескольких суток до месяцев и от десятков до тысяч километров, соответственно (Монин, 1972; Каменкович и др., 1987; Лаппо и Гулев, 1989).

Силы, вызывающие возмущения синоптического масштаба в полях уровня моря и течений известны, это силы тангенциального напряжения ветра, горизонтального градиента атмосферного давления, приливообразующие силы и потоки плавучести. Под действием этих сил в синоптическом диапазоне частот генерируются разнообразные физические процессы, которые в той или иной мере находят отражения в колебаниях течений и уровня. За последние десятилетия теоретические и эмпирические исследования показали, что процессы синоптического масштаба в океанах и морях отличаются большим разнообразием и вносят определяющий вклад в энергию движения морских вод (Loguet-Higgins, 1968; Тареев, 1974; Mysak et al, 1979; Коротаев, 1988; Козлов, 1983; Ефимов и др., 1985; Каменкович и др., 1987; Белоненко и др., 2004).

Особенности низкочастотной динамики вод морей, омывающих северо-западное и арктическое побережья России (Балтийского, Белого, Баренцева, Карского, Лаптевых, Восточно-Сибирского и Чукотского) определяются совокупностью целого ряда гидрометеорологических процессов. Прохождение над акваторией морей атмосферных циклонов и антициклонов приводит к формированию в синоптическом диапазоне частот систем ветровых течений, переносящих огромные массы воды в сторону берега (или от него), что в прибрежной зоне может приводить к формированию интенсивных сгонно-нагонных колебаний уровня, иногда катастрофического масштаба (Мустафин, 1961; Пясковский и Померанец,1982).

В шельфовых областях океана образуются различные виды захваченных низкочастотных волн, типа волн Кельвина и шельфовых, которые генерируются или от начальных анемобарических сил или в результате резонанса между атмосферными возмущениями и собственными низкочастотными колебаниями бассейна. По характеру возвращающих сил волны Кельвина относятся к классу гравитационных волн, а шельфовые - к градиентно-вихревым волнам, являющимся следствием принципа сохранения потенциального вихря (Тареев, 1974; Ефимов и др., 1985; Белоненко и др., 2004).

Баротропная и бароклинная неустойчивость квазипостоянных течений может приводить к образованию синоптических вихрей, которые в отличие от волн при своем движении переносят водную массу (Каменкович и др., 1987).

Синоптические вихри возникают также в результате динамической неустойчивости самих низкочастотных волн, и, наоборот, релаксация вихрей может происходить в виде различных мод низкочастотных волновых движений. Так, например, теоретические исследования показывают, что любое начальное локализованное вихревое возмущение одного знака не может оставаться стационарным и начинает излучать в окружающее пространство низкочастотные волны, типа волн Россби (Коротаев, 1988).

Согласно теоретическим и экспериментальным исследованиям, при взаимодействии крупномасштабных течений с неоднородностями донной топографии, в синоптическом диапазоне пространственно-временных масштабов формируются стационарные (захваченные) и свободные топографические вихри, типа столбов Тейлора и конусов Тейлора-Хогга (Козлов, 1983). При этом за препятствием могут генерироваться топографические волны Россби, которые, в зависимости от соотношения скорости фонового течения и фазовой скорости волн, могут, или сноситься вниз по потоку, или преобразовываться в стационарные волны (Россбиевский волновой след) (Козлов, 1983).

В зонах термохалинных и динамических фронтов в морях и океанах могут генерироваться еще несколько типов захваченных низкочастотных волновых движений - фронтальные и сдвиговые волны (Белоненко и др., 2004). Частным случаем сдвиговых волн являются струйные волны (Mc Williams, 1978; Захарчук и Фукс, 1999). Силы, вызывающие эти волновые возмущения, такие же, как и для других видов низкочастотных волн, а волнообразующими механизмами для них служат сдвиговые эффекты в системах квазистационарных течений и горизонтальные градиенты плотности в термохалинных фронтальных зонах.

Суперпозицией и нелинейным взаимодействием перечисленных физических процессов и должна определяться синоптическая изменчивость уровня и течений в морях, омывающих северо-западное и арктическое побережья России. Однако, синоптические возмущения уровня и течений в этих морях остаются недостаточно изученными, хотя все имеющиеся исследования показывают, что связанные с ними процессы вносят значительный вклад в динамику вод.

В начале 20 века Экман (Еkman, 1905) разработал теорию дрейфовых течений и теоретически описал механизм генерации сгонно-нагонных колебаний уровня моря под действием сил Кориолиса и тангенциального напряжения ветра.

Долгое время после этого динамика вод в синоптическом диапазоне пространственно-временных масштабов в шельфовых морях России связывалась с ветровыми течениями и сгонно-нагонными колебаниями уровня. Исследованию этих процессов в арктических морях России по натурным данным посвящено большое количество работ (например: Корт, 1941; Преображенский, 1947; Привальский, 1970; Потанин, 1969, 1971, 1972, 1976; Потанин и Денисов, 1976, 1980; Алексеев,1969, 1972; Топорков, 1970; Алексеев и Мустафин, 1972; Баннов-Байков, 1974; Крутских 1978). Однако, все эти работы связаны с исследованием сгонно-нагонных колебаний уровня моря с периодами, в основном, от 2 до 10 суток. Эти колебания уровня по представлениям подавляющего большинства исследователей арктических морей являются самыми интенсивными среди колебаний всего синоптического диапазона и превышают по величине приливные колебания в большинстве береговых пунктов (Корт, 1941; Алексеев,1969; Крутских 1978). Хотя подобный вывод основывался чаще всего на интуитивных взглядах. Специальных сравнительных оценок интенсивности колебаний уровня моря на различных частотах всего синоптического диапазона изменчивости не проводилось, так как сгонно-нагонные колебания уровня моря исследовались по данным, полученным в короткий навигационный период (в основном в июле - сентябре). Такие ряды не позволяют исследовать внутригодовую и межгодовую изменчивость колебаний синоптического масштаба.

Механизмы генерации колебаний уровня синоптического масштаба в морях Сибирского шельфа недостаточно изучены. В работах Г. В.Алексеева (1969, 1972) было показано, что тесная связь между колебаниями уровня моря и различными параметрами ветровых полей (градиента атмосферного давления, среднего ветра над морем и т. д.) постепенно убывает по мере удаления пунктов регистрации уровня на восток от области оценки ветровых полей. Было выявлено, что возмущения уровня синоптического масштаба распространяются на восток в виде вынужденных прогрессивных волн. Делается предположение, что эти волны образуются за счет резонанса между вынуждающими силами и собственными колебаниями бассейна. Однако при этом, изучался только узкий, самый высокочастотный диапазон колебаний уровня синоптического масштаба (1 - 6 суток) и выделенные волны не были идентифицированы.

Попытки в полевых условиях проверить экмановский механизм генерации ветровых течений в Карском и Восточно-Сибирском морях, путем оценки статистических связей между течениями синоптического масштаба, локальным ветром и ветровым полем, привели к отрицательным результатам. Максимальные величины коэффициентов взаимной корреляции между течениями, из которых была исключена приливная составляющая, локальным ветром и ветровым полем были очень низкими (0.11 - 0.43) (Беляков, 1960; Mьnchow et al., 1999).

При изучении возмущений течений синоптического масштаба, как правило, отсутствует волновая интерпретация. Не исследованы их пространственные масштабы, не оценен сравнительный вклад ветровых течений, синоптических вихрей и различных типов низкочастотных волн в формирование полей океанологических характеристик арктических и северо-западных морей России. Не проведено сравнение теоретических и эмпирических дисперсионных соотношений различных типов низкочастотных волн. Не исследованы механизмы генерации возмущений уровня моря и течений в диапазоне синоптической изменчивости.

В последнее время резко возрос и качественно изменился поток гидрометеорологической информации, что позволяет провести исследования океанологических процессов синоптического масштаба в океанах и морях на совершенно новом, более представительном уровне. Прежде всего, стали доступны для широкого круга пользователей спутниковые альтиметрические данные об изменчивости уровня моря. Эти данные являются более подробными и в пространстве и во времени по сравнению с традиционной океанографической информацией (судовые съемки и разрезы, полигоны буйковых станций, береговые наблюдения за уровнем моря), что позволяет перейти от изучения изменчивости уровня моря в отдельных, главным образом береговых пунктах, к исследованию ансамблей полей уровня. Кроме того, спутниковые альтиметрические измерения дают возможность рассчитывать по уклонам уровня моря поля градиентных течений. Все это открывает уникальные возможности для организации синоптического океанологического мониторинга. Однако, переход от изучения океанологических процессов в отдельных точках моря к ансамблям полей требует адекватного их статистического описания.

В последние годы качественно изменилась и метеорологическая информация. В настоящее время в рамках международного проекта по реанализу метеорологических данных на основе усвоения натурных измерений в гидродинамических моделях подготовлены и стали доступны для широкого пользования поля ветра и атмосферного давления с достаточно подробным пространственно-временным разрешением. Эти метеорологические данные позволяют более представительно провести численные эксперименты на гидродинамических моделях для исследования механизмов формирования и генерации возмущений синоптического масштаба в океанологических полях за счет атмосферных процессов.

До последнего времени гидродинамическое моделирование изменчивости течений и уровня Балтийского и арктических морей в синоптическом диапазоне масштабов носило односторонний характер. Приоритет отдавался численному моделированию ветровых, термохалинных течений и сгонно-нагонных колебаний уровня моря. За рамками численных экспериментов оставались: собственные низкочастотные колебания морей, баротропная и бароклинная неустойчивость течений, и генерация синоптических вихрей; исследование динамики различных видов низкочастотных волн и механизмов их генерации.

Актуальность диссертационной работы определяется необходимостью решения этих насущных научных и прикладных проблем.

Цель работы - исследование пространственно-временной структуры и механизмов формирования возмущений уровня и течений синоптического масштаба в морях, омывающих северо-западное и арктическое побережья России.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи в региональном приложении:

1. Разработать общую концепцию исследования синоптической изменчивости уровня и течений в шельфовых, частично замкнутых морях.

2. Создать для исследуемых морей информационную базу репрезентативных контактных и спутниковых измерений для изучения колебаний уровня и течений в синоптическом диапазоне пространственно-временных масштабов.

3. Оценить, картировать и описать особенности пространственно-временной изменчивости статистических характеристик колебаний уровня и течений в синоптическом диапазоне масштабов по данным контактных и спутниковых альтиметрических измерений.

4. Выделить низкочастотные волны в полях уровня и течений и описать их характеристики.

5. Произвести сравнительное кинематическое описание синоптических вихрей и низкочастотных волн, и разработать критерии их разделения.

6. Идентифицировать выделенные низкочастотные волны путем сравнения их теоретических и эмпирических дисперсионных соотношений.

7. Оценить статистические связи синоптических возмущений течений в арктических морях с различными метеорологическими характеристиками.

8. Провести численные эксперименты на гидродинамической модели для оценки сравнительного вклада различных процессов и факторов в формирование полей уровня и течений синоптического масштаба в шельфовых, частично замкнутых морях, на примере Балтийского моря.

9. Описать механизмы генерации и формирования синоптических возмущений уровня и течений в морях, омывающих северо-западное и арктическое побережья России.

Методы исследования. Для изучения синоптической изменчивости уровня и течений в морях, омывающих северо-западное и арктическое побережья России, использовались различные методы статистического анализа стационарных и нестационарных случайных процессов и полей (подиапазонный дисперсионный анализ нестационарных случайных скалярных и векторных процессов, автокорреляционный и взаимный корреляционный анализ уровня моря, спектральный и взаимный спектральный анализ уровня моря, векторно-алгебраический метод анализа течений, частотно-направленный спектральный анализ полей уровня по методу Лонге-Хиггинса-Свешникова, гармонический анализ приливов по методу наименьших квадратов), а также вейвлет-анализ. Идентификация выделенных низкочастотных волновых возмущений в поле уровня и течений производилась путем сравнения их характеристик с известными теоретическими дисперсионными соотношениями баротропных и бароклинных градиентно-вихревых волн и волн Кельвина. Оценка сравнительного вклада различных процессов и факторов в формирование полей уровня и течений синоптического масштаба производилась с помощью численных экспериментов на гидродинамической модели Балтийского моря. Для этого сравнивались низкочастотные поля уровня, течений и их вероятностные характеристики, полученные путем решения полной задачи и при различных упрощающих сценариях.

Научная новизна работы состоит в следующем:

· Впервые исследованы особенности синоптической изменчивости уровня и течений в морях, омывающих северо-западное и арктическое побережья России с учетом динамики градиентно-вихревых волн и волн Кельвина

· Впервые для исследования синоптической изменчивости уровня в северо-западных и арктических морях России использованы спутниковые альтиметрические данные

· На основе подиапазонного дисперсионного анализа рядов уровня и течений, выполненного в нестационарном приближении, получена временная изменчивость количественных оценок интенсивности синоптических возмущений по сравнению с колебаниями других временных масштабов

· Оценены различные эмпирические характеристики низкочастотных волновых возмущений уровня и течений и проведено их сравнение с теоретическими дисперсионными соотношениями разных видов низкочастотных волн

· На основе векторно-алгебраического метода анализа случайных процессов получены количественные оценки статистических связей синоптических возмущений течений с различными метеорологическими характеристиками и выдвинута гипотеза о резонансном механизме их генерации

· Впервые на основе численных экспериментов на гидродинамической модели оценены и описаны вклады различных процессов и факторов в формирование и эволюцию полей уровня и течений Балтийского моря в синоптическом диапазоне пространственно-временных масштабов.

На защиту выносится новая концепция интерпретации механизмов формирования полей уровня и течений синоптического масштаба в морях, омывающих северо-западное и арктическое побережья России, которая заключается в следующих положениях:

1. Вопреки широко распространенным взглядам, изменчивость уровня и течений в морях, омывающих северо-западное и арктическое побережья России, в синоптическом диапазоне пространственно-временных масштабов определяется, главным образом, не локальным воздействием на них анемобарических сил, возбуждающих ветровые, бароградиентные течения и связанные с ними колебания уровня моря, а низкочастотными волновыми возмущениями, типа градиентно-вихревых волн и бароклинных волн Кельвина, генерируемых перемещающимися циклонами и антициклонами.

2. Основные механизмы передачи энергии от атмосферных возмущений к движению вод исследуемых морей в синоптическом диапазоне масштабов связаны с релаксацией начальных возмущений метеорологического происхождения в виде свободных низкочастотных волн различных типов и с резонансным механизмом генерации вынужденных анемобарических волновых возмущений.

3. Особенности динамики низкочастотных волновых возмущений в морях, омывающих северо-западное и арктическое побережья России, связаны с эффектами сферичности и вращения Земли, донной топографии, плотностной стратификации вод и в отдельных районах с существенным вкладом нелинейных эффектов, обусловленных влиянием адвективных ускорений.

Практическая значимость работы. Результаты работы вошли в материалы отчетов по темам НИОКР Росгидромета, выполнявшихся в рамках целевой научно-технической программы (ЦНТП-7) «Гидрометеорологические прогнозы для обеспечения морских отраслей экономики, исследования гидрометеорологических процессов и режима морей России, Арктики, Антарктики и Мирового океана»; подпрограммы «Комплексные исследования океанов и морей, Арктики и Антарктики» Федеральной целевой научно-технической программы (ФЦНТП) «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения»; подпрограммы «Гидрометеорологическое обеспечение безопасной жизнедеятельности и рационального природопользования» 1-й части Федеральной целевой программы (ФЦП) «Экология и природные ресурсы России»; а также по теме «Комплексные исследования процессов, характеристик и ресурсов российских морей Северо-Европейского бассейна» подпрограммы «Исследование природы Мирового океана» ФЦП «Мировой океан».

Результаты работы нашли свое приложение в исследованиях изменчивости океанологических условий рыбного промысла в Норвежском и Баренцевом морях, выполненных для научно-технической фирмы «Комплексные системы» и ООО НПК «Морская информатика» (г. Мурманск) в 2001 - 2005 гг.; в рамках договора между ГАО РАН и СПО ГУ «ГОИН» по теме: «Гидрологический анализ репрезентативности и класса инструментального обеспечения измерений колебаний уровня моря на Шепелевском гидролого-геодинамическом полигоне» в 2005 г.; при инженерно-экологических изысканиях в районе Калининградского побережья Балтийского моря, выполненных по заказу ООО «Подземгазпром» (г. Москва) в 2007 г.

Результаты работы можно использовать также при построении гидродинамических моделей для прогнозирования физического и биохимического состояний шельфовых морей; для уточнения мер контроля за загрязнением морей, а также для разработки репрезентативной системы их гидрометеорологического и экологического мониторинга.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на российских и международных семинарах, конференциях и симпозиумах: First International Research Conference «Barents Sea Impact Study (BASIS). Global Changes and the Barents Region». St. Petersburg, Russia, February 22 - 25. (1999). Fifth Workshop on Russian-German Cooperation: Laptev Sea System. State Research Center-Arctic and Antarctic Research Institute. St. Petersburg, Russia, November 25-29. (1999). Sixth Workshop on Russian-German Cooperation: Laptev Sea System. State Research Center-Arctic and Antarctic Research Institute. St. Petersburg, Russia, October 12-14. (2000). PORSEC-2000, Goa, India. (2000). Всероссийской научной конференции «Дистанционное зондирование земных покровов и атмосферы аэрокосмическими средствами». Муром, 20-22 июня. (2001 г).

Научной конференции по результатам исследований в области гидрометеорологии и мониторинга загрязнения природной среды в государствах - участниках СНГ, посвященной 10-летию образования Межгосударственного совета по гидрометеорологии. Санкт-Петербург. (2002 г). PORSEC-2002. Bali. (2002). Seventh International Conference Remote Sensing for Marine and Coastal Environments, Miami, Florida. (2002). Пятой Российской научно-технической конференции «Современное состояние и проблемы навигации и океанографии» («НО-2004»). Санкт-Петербург. (2004 г.). V международном экологическом форуме «День Балтийского моря» посвященном 30-летию подписания Хельсинской Комиссии. Санкт-Петербург. (2004 г.). 7-й Международной конференции и выставки «Акватерра». (Санкт-Петербург, 2004 г.). VII Международном экологическом форуме «День Балтийского моря». Санкт-Петербург. (2006 г.). International Workshop “Extreme water levels in the Eastern Baltic”. St. Petersburg, Russia. (2007 г.), а также в Нансеновском центре дистанционных исследований окружающей среды (Берген, Норвегия, 2000 г.), Океанографической комиссии Русского Географического общества (Санкт-Петербург, 2001, 2002, 2003 гг.), итоговых сессиях Ученого совета ГУ «ГОИН» и СПО ГУ «ГОИН» (2001 - 2007 гг.), семинарах в СПбГУ. Результаты работы вошли в отчеты по проектам РФФИ (96-05-65157-а; 98-05-64468-а; 03-05-64755-а; 06-05-64908-а).

Личный вклад автора. В большинстве публикаций, содержащих основные результаты диссертационной работы, автору принадлежат идеи исследования, формулировка целей и задач, сбор необходимой натурной информации, проведение статистического анализа уровня и течений, идеология численных экспериментов на гидродинамической модели, а также физическая интерпретация результатов статистического анализа и численного гидродинамического моделирования.

Публикации. Научные результаты диссертации опубликованы в 5 российских и 2 зарубежных монографиях и 52 работах, включающих 12 статей в периодических реферируемых журналах, таких как «Метеорология и гидрология», «Океанология», «Известия Русского географического общества», «Вестник Санкт-Петербургского университета», а также в других изданиях: «Трудах ГОИН», материалах российских и международных конференций.

Монография «Градиентно-вихревые волны в океане» (2004 г.), одним из авторов которой был диссертант, получила в 2007 г. ведомственную премию Росгидромета за лучшие научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы, включающего 209 наименований. Объем работы составляет 317 страниц, включая 97 рисунков и 39 таблиц.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования, отмечается научная новизна и практическая значимость работы, представлены основные положения, выносимые на защиту. Приводится краткое содержание разделов диссертации, сведения об апробации работы и ее внедрении.

В первой главе обосновывается выбор методов для исследования синоптической изменчивости уровня и течений.

В параграфе 1.1 описываются различные методы статистического анализа уровня и течений.

Для исследования вклада синоптических возмущений уровня и течений в их общую изменчивость по сравнению с колебаниями других временных масштабов предлагается использовать подиапазонный дисперсионный анализ рядов уровня и течений, выполненный в нестационарном приближении, с последующей оценкой максимальных величин колебаний в выделенных диапазонах частот. Для этого с помощью гармонического анализа приливов по методу наименьших квадратов и операций фильтрации и осреднения в рядах уровня и течений выделяются многолетние, сезонные, синоптические (по отдельности долгопериодные приливы (волны ММ, MF, MSF) и неприливные колебания), мезомасштабные (по отдельности короткопериодные приливы и неприливные колебания) и мелкомасштабные колебания. С выделенными таким образом рядами колебаний уровня и течений разных временных масштабов производятся скользящие оценки дисперсии уровня моря и линейного инварианта тензора дисперсии скорости течений (Белышев и др., 1983), а также оценки максимальных величин колебаний.

Для дальнейшего более подробного исследования особенностей статистических характеристик синоптических колебаний уровня моря и механизмов их формирования предлагается использовать традиционные, хорошо известные методы корреляционно-спектрального анализа случайных процессов (Дженкинс и Ваттс, 1971; Рожков, 1979; Фукс, 1982; Герман и Левиков, 1988). Описываются основные положения стационарного и нестационарного автокорреляционного, взаимного-корреляционного, спектрального и взаимного спектрального анализа рядов колебаний уровня моря.

Одним из основных источников информации о морских течениях являются данные продолжительных измерений их скорости и направления в фиксированных точках моря, на разных горизонтах заякоренных буйковых станциях. Показано, что наиболее представительным методом статистического анализа таких данных, является векторно-алгебраический метод анализа течений, который был разработан группой ученых Ленинградского (Санкт-Петербургского) отделения ГОИНа под руководством профессора В. А. Рожкова (Белышев и др., 1983; Методическое письмо…, 1984). В этом методе естественным образом вводится принцип объединения элементов матриц вероятностных характеристик в виде аргументированного алгоритма вычисления инвариантов тензора, раскрывающих совокупность кинематических свойств анализируемого векторного процесса. Описываются особенности расчета различных инвариантов тензора-дисперсии, автокорреляционной, взаимной корреляционной, спектральной и взаимной спектральной тензор-функций, а также инвариантов тензора-когерентности рядов скорости течений.

Показано, что для исследования нелинейных взаимодействий между синоптическими возмущениями уровня и течений разных временных масштабов, проявляющихся в перераспределении энергии по масштабам, весьма полезно использовать их вейвлет-анализ. Описываются преимущества вейвлет-анализа по сравнению с Фурье анализом. Даны формальные определения, лежащие в основе вейвлет-анализа, и основные свойства вейвлетов. Рассмотрены несколько примеров вейвлетов.

Для оценки пространственно-временной структуры синоптических полей уровня, полученных на основе спутниковой альтиметрической информации предлагается использовать частотно-направленный спектральный анализ по методу Лонге-Хиггинса-Свешникова (Свешников, 1959; Лонге-Хиггинс, 1961). На основе анализа работы Клеванцова и Рожкова (2007) описывается алгоритм расчета значений частотно-направленного спектра S(,) уровня моря.

В диапазоне синоптической изменчивости океанологических характеристик определенный вклад в формирование полей уровня и течений оказывают долгопериодные приливы 1-го и 2-го рода (Марчук и Каган, 1991; Фукс, 1977). Для выделения приливов и оценки их вклада в суммарную дисперсию уровня и течений предлагается применять широко используемый в последние десятилетия метод наименьших квадратов гармонического анализа приливов. Приводится изложение основ гармонического анализа приливов по методу наименьших квадратов.

В параграфе 1.2 обосновывается выбор метода численного гидродинамического моделирования для изучения механизмов формирования и генерации синоптических полей уровня и течений в морях, омывающих северо-западное и арктическое и побережья России. За последние десятилетия создано значительное число конкурирующих гидродинамических моделей исследуемых морей. Целью численной реализации таких моделей обычно является оценка изменчивости основных океанологических полей (уровень моря, течения, температура, соленость, плотность воды) для решения тех или иных прикладных задач. В этом отношении достигнуты определенные успехи. Однако остаются недостаточно развитыми численные эксперименты на гидродинамических моделях с целью оценки физических механизмов, управляющих изменчивостью океанологических полей и в особенности нелинейных механизмов, которые в основном определяют потоки энергии от внешних источников и ее перераспределение между явлениями различных масштабов. Остаются неразработанными теоретические основы таких экспериментов и методы вероятностного анализа их результатов.

Предлагается на примере гидродинамической модели Балтийского моря, разработанной в СПО ГУ «ГОИН» О.А. Андреевым и А.В. Соколовым, оценить вклад различных процессов и факторов в формирование синоптических полей уровня и течений. Приводится описание гидродинамической модели Балтийского моря и идеологии численных экспериментов.

Во второй главе производится сравнительное описание возможностей используемых в работе информационных баз данных контактных и спутниковых измерений уровня и течений в морях, омывающих северо-западное и арктическое побережья России для исследования синоптической изменчивости уровня и течений; описываются особенности статистических характеристик синоптических возмущений уровня моря и течений.

В параграфе 2.1 представлены результаты подиапазонного дисперсионного анализа уровня и течений в исследуемых морях, выполненного в нестационарном приближении, а также оценки максимальных величин их колебаний в диапазонах разных временных масштабов. Показано, что в Балтийском море в силу почти полной его замкнутости и сравнительно небольших размеров приливные колебания обладают наименьшей интенсивностью. На юго-западе моря и в районе Польского побережья по интенсивности доминируют синоптические колебания уровня. На востоке Финского залива наибольшие оценки дисперсии имеют неприливные мезомасштабные колебания и только в редкие годы здесь синоптические возмущения уровня могут по интенсивности приближаться к мезомасштабным. Обращает на себя внимание также довольно существенное возрастание дисперсии сезонных колебаний при движении с юго-запада на северо-восток моря. Так, на востоке Финского залива сезонные колебания в отдельные годы приближаются по интенсивности к синоптическим. Максимальные оценки дисперсии синоптических колебаний меняются от 857 до 1135 см2, а их величин - от 105 до 156 см.

В южной и северо-западной частях Баренцева моря в колебаниях уровня по интенсивности доминируют короткопериодные приливы, дисперсия которых на один - два порядка превосходит дисперсию колебаний других временных масштабов. При движении на северо-восток дисперсия полусуточных и суточных приливов резко снижается и у северных берегов Новой Земли и Земли Франца Иосифа ее оценки сравнимы с оценками дисперсии синоптических колебаний уровня. Наименьший вклад в суммарную дисперсию уровня вносят многолетние колебания и долгопериодные приливы. Синоптические колебания уровня имеют наибольшую интенсивность на юге и юго-востоке Баренцева моря, где оценки их дисперсии достигают значений от 555 до 1017 см2, а максимальные величины - 105 - 131 см. При движении на север дисперсия этих колебаний снижается до значений 424 - 270 см2, а максимальные величины колебаний уменьшаются до 80 - 60 см. На северо-востоке Баренцева моря в отдельные годы синоптические колебания по интенсивности преобладают, по сравнению с колебаниями других временных масштабов. Дисперсия синоптических колебаний испытывает значительные внутригодовые (сезонные) и межгодовые изменения. Внутри года наименьшая интенсивность синоптических колебаний чаще всего отмечается в летние месяцы, а наибольшая - в осенне-зимний период.

В Карском море у восточных берегов Новой Земли по интенсивности преобладают короткопериодные приливы, и лишь в отдельные годы здесь дисперсия синоптических колебаний может приближаться к оценкам дисперсии полусуточных и суточных приливов. При движении на северо-восток вдоль побережья материка дисперсия короткопериодных приливов снижается и в центральной части материкового побережья Карского моря, а также у северо-восточных его берегов в колебаниях уровня по интенсивности преобладают синоптические возмущения. Здесь, в районе Диксона и о. Правды, оценки дисперсии синоптических колебаний достигают значений 1187 - 1139 см2, соответственно, а максимальные величины - 159 - 138 см. При движении на север дисперсия этих колебаний снижается до значений 373 см2 (м. Желания) - 330 см2 (о. Голомянный), а максимальные величины колебаний уменьшаются на этих станциях до 88 - 100 см.

Подиапазонный дисперсионный анализ колебаний уровня в море Лаптевых проводился только для двух станций (о. Преображения и б.Тикси) из-за отсутствия в нашем распоряжении длительных ежечасных измерений уровня для других береговых пунктов. Этот анализ показал, что на выходе из Хатангского залива у побережья о. Преображения по интенсивности преобладают короткопериодные приливы, дисперсия которых более чем в полтора раза превосходит оценки дисперсии вторых по величине синоптических колебаний. Интенсивность колебаний уровня других временных масштабов здесь существенно меньше.

Совершенно иные особенности колебаний уровня отмечаются в бухте Тикси. Здесь интенсивность полусуточных и суточных приливов уменьшается в 3 раза по сравнению с Хатангским заливом, но зато значительно возрастает интенсивность неприливных мезомасштабных колебаний, дисперсия которых на сравнительно небольших временных отрезках в несколько раз превышает дисперсию вторых по величине синоптических колебаний. Максимальные оценки дисперсии синоптических колебаний меняются от 834 до 1619 см2, величины от 127 до 264 см.

Для того чтобы получить более детальную картину изменений в пространстве интенсивности синоптических колебаний уровня моря для нестационарного дисперсионного анализа был дополнительно привлечен массив длительных рядов среднесуточных значений уровня в арктических морях, омывающих Россию, и Балтийском море. В итоге были получены оценки максимальных значений дисперсии в 6 береговых пунктах Балтийского моря и 52 береговых пунктах арктических морей. Эти оценки показали, что наибольшая интенсивность синоптических колебаний уровня отмечается в центральной части материкового побережья Карского моря, на юге Восточно-Сибирского и Чукотского морей. Здесь самые высокие оценки дисперсии отмечаются в Енисейском заливе Карского моря (Сопочная Карга), где они достигают значений 3166 см2, и в районе мыса Неттен Чукотского моря (2997 см2). Низкая интенсивность синоптических колебаний уровня наблюдается на севере, востоке и юго-западе Баренцева моря (285-558 см2), на выходе из пролива Югорский Шар (542 см2), у побережий архипелага Северная Земля (330-559 см2) и о. Врангеля (503 см2). В Балтийском море на 8 анализируемых станциях самые низкие значения дисперсии синоптических колебаний уровня отмечаются на западе Польского побережья (589 см2), а самые высокие - на станции Кронштадт (1135 см2).

Результаты подиапазонного дисперсионного анализа течений в исследуемых морях, выполненного в нестационарном приближении, и оценки максимальных величин их колебаний в диапазонах разных временных масштабов показали следующее.

В западной части Баренцева моря с апреля по октябрь по интенсивности преобладают в основном баротропные короткопериодные приливные течения, реже - неприливные мезомасштабные течения. Однако, с ноября по март здесь значения дисперсии синоптических течений, на станции SB на всех горизонтах, а на станции N1 на верхнем горизонте, заметно выше по сравнению с дисперсией течений других временных масштабов. Максимальные значения дисперсии этих течений здесь отмечаются на ст. N1, где на горизонте 50 м они достигают 579 см2/с2. При движении от этой станции на север дисперсия синоптических течений резко уменьшается, более чем на порядок, достигая на станции S3, также в зимние месяцы, значений всего лишь 20 см2/с2. Эта особенность может быть связана с захватом берегом, а также неоднородностями рельефа дна, энергии низкочастотных движений, проявляющимся в генерации волн Кельвина и топографических волн, типа шельфовых, амплитуда которых значительно уменьшается при движении от берега в сторону открытого моря (Ефимов и др., 1985). На юго-западе моря наиболее сильно выражена сезонная изменчивость дисперсии синоптических течений. Так, на ст. N1, в глубинном слое дисперсия этих течений увеличивается от осени к зиме на порядок, достигая своего максимума в феврале. На ст. SB эти изменения менее выражены: здесь дисперсия синоптических течений увеличивается в 5-6 раз от своих минимальных значений, наблюдающихся в октябре-ноябре, до максимальных значений в январе-феврале. Еще севернее, на ст. S3, внутригодовые изменения дисперсии синоптических течений наименьшие (приблизительно в 2 раза). С глубиной, на ст. N1 и SB, дисперсия синоптических течений уменьшается в 2-3 раза, в то время как на ст. S3 при изменении глубины дисперсия синоптических течений практически не меняется.

На северо-востоке Баренцева моря на разрезе буйковых станций между северной оконечностью Новой Земли и Землей Франца Иосифа (ЗФИ), за исключением глубинных слоев ближайшей к ЗФИ станции разреза МО4, по интенсивности преобладают синоптические течения, и лишь в отдельные месяцы года дисперсия неприливных мезомасштабных течений может быть сравнима и даже существенно превышать оценки дисперсии синоптических течений. В глубинных слоях станции МО4 по интенсивности преобладают баротропные короткопериодные приливные течения. Дисперсия синоптических течений достигает оценок 19 - 75 см2/с2. Здесь, в отличие от западных районов моря, заметны очень большие различия в особенностях внутригодового хода дисперсии синоптических течений, как на различных станциях, так и с глубиной. Так, на станции MO1, располагавшейся ближе всего к северной оконечности арх. Новая Земля, временной ход дисперсии синоптических течений имеет приблизительно одинаковый вид на всех горизонтах: с максимумом (35 - 48 см2/с2) с ноября по январь, постепенным снижением интенсивности синоптических колебаний к середине апреля, до 8 - 10 см2/с2, и минимумом интенсивности (4 - 15 см2/с2) во второй половине весны и летом.

На станции MO2, располагавшейся на 54 километра севернее станции MO1, заметно общее увеличение дисперсии синоптических течений почти в 2 раза. Здесь, на верхнем горизонте 60 м максимальная дисперсия этих течений наблюдается в ноябре-декабре, а минимальная - в апреле. Глубже, на горизонте 100 м, нет выраженных ее экстремумов: оценки дисперсии незначительно колеблются во времени около значения 45 см2/с2. На горизонте 240 м более выражен сезонный ход дисперсии синоптических течений с продолжительным максимумом с декабря по март и минимумом в июне - июле. В придонном слое основной максимум дисперсии смещается на март месяц, а минимальные ее значения отмечаются также в июне-июле.

Еще севернее, на станции MO3, оценки дисперсии на всех горизонтах в целом опять уменьшаются приблизительно в 1.5 - 3 раза. Здесь, на горизонте 60 м выделяются несколько слабо выраженных экстремумов: два максимума в феврале-марте и июне, и два минимума в декабре-январе и апреле-мае. На горизонте 170 м выражены 2 экстремума - минимум в январе-феврале и максимум в июне-июле. На горизонте 270 м нет выраженных изменений дисперсии: её оценки незначительно колеблются во времени около значения 15 см2/с2. В придонном слое дисперсия синоптических течений достигает наибольших значений (42 см2/с2 ) по сравнению с другими горизонтами станции MO3, и, здесь отмечаются ее самые значительные и резкие изменения. Выделяются 3 максимума (в ноябре-марте, и, самый значительный - в середине апреля) и 3 минимума (в январе, начале апреля и июне).

На самой северной станции MO4 значения дисперсии колебаний течений синоптического масштаба, в основном, невысокие. В глубинном слое на горизонтах 60 и 105 м она имеет приблизительно одинаковый временной ход с двумя максимумами в ноябре и феврале-марте, а также двумя минимумами, один в декабре-январе, а другой, более продолжительный с мая по июль. В придонном слое максимальные значения дисперсии синоптических течений отмечаются в ноябре, затем дисперсия медленно уменьшается до мая и с этого месяца вплоть до начала августа имеет минимальные оценки.

Максимальные скорости синоптических течений достигают значений 40 - 50 см/с и отмечаются на горизонте 50 м станций SB и N1, работавших в юго-западной части моря в зоне действия северной и южной ветвей теплого Нордкапского течения. Интересно отметить, что в поверхностном слое на станции N1 (горизонт 3 м) максимальные скорости синоптических течений в два с лишним раза меньше их оценок на горизонте 50 м. На станции SC, работавшей вне зоны действия основных струй Нордкапского течения максимальные скорости синоптических течений снижаются до значений 21 -24 см/с. На станции S3, работавшей в зоне действия холодного Медвежинского течения, максимальные скорости синоптических течений еще меньше, 9 - 12 см/с.

На северо-востоке Баренцева моря максимальные скорости течений синоптического масштаба отмечались на станции МО1, где они достигали значений 16 - 22 см/с. При движении от этой станции к ЗФИ максимальные скорости синоптических течений снижаются до значений 12 - 13 см/с (станция МО4).

В районе материкового склона Новосибирских островов в подавляющем большинстве случаев значительную часть года интенсивность синоптических течений существенно выше интенсивности течений других временных масштабов. Только на самых верхних горизонтах измерений, в сравнительно короткие периоды года, не превышающие 5 - 15 суток дисперсия мезомасштабных течений может быть сравнима, и даже превосходить дисперсию синоптических течений. Самые большие значения дисперсии синоптических течений (120 см2/с2) отмечаются в слое действия атлантических вод на самой северной станции полигона LM-2, где они в октябре - декабре более чем на порядок превосходят оценки дисперсии течений других временных масштабов. Заметны очень большие различия в особенностях внутригодового хода дисперсии синоптических течений, как на различных станциях, так и с глубиной. Так, на верхнем горизонте 106 м станции LM-1, располагавшейся в восточной части материкового склона моря Лаптевых, временной ход дисперсии синоптических течений имеет 3 максимума (в октябре-ноябре, феврале-марте и мае-июне) и 2 минимума: в декабре-январе и августе. Дисперсия синоптических течений здесь меняется от 10 до 72 см2/с2. Глубже, на горизонте 326 м, находящимся в слое действия атлантических вод, происходит заметное общее снижение интенсивности синоптических течений, и отмечаются только 2 максимума дисперсии, так как здесь исчезает максимум дисперсии в феврале-марте, который отмечался выше. Еще глубже на станции LM-1 интенсивность синоптических течений продолжает падать и остается только один выраженный максимум дисперсии в марте-мае. Наибольшие значения максимальных скоростей синоптических течений на этой станции отмечаются на самом верхнем горизонте, где они достигают 23.6 см/с. С глубиной эти оценки снижаются до 9.6 см/с.

На самой северной станции полигона LM-2 временной ход дисперсии синоптических колебаний на верхнем горизонте практически такой же, как и на верхнем горизонте станции LM-1, с 3 максимумами (в октябре-ноябре, феврале-марте и мае-июле) и 2 минимумами в декабре-январе и августе, оценки дисперсии варьируют в течение года от 9 до 61 см2/с2. При увеличении глубины до горизонта 272 м, где уже происходит распространение атлантических вод, с октября по декабрь происходит увеличение дисперсии синоптических течений в 2 раза. Второй максимум дисперсии этих колебаний течений отмечается, также как и на верхнем горизонте, в феврале-марте. Однако по сравнению с горизонтом 112 м этой станции здесь отсутствует 3-й максимум дисперсии в мае-июле. При дальнейшем увеличении глубины до горизонта 1112 м происходит значительное уменьшение дисперсии синоптических возмущений течений, приблизительно на порядок, при сохранении структуры её временного хода с двумя максимумами и двумя минимумами. На придонном горизонте станции LM-2 отмечается повышение дисперсии синоптических колебаний приблизительно в 1.5 - 2 раза при сохранении структуры ее временного хода с 2 максимумами и двумя минимумами. Однако второй максимум дисперсии здесь отмечается не в январе-марте, как на вышележащих горизонтах, а в апреле-мае. Максимальные скорости синоптических течений на станции LM-2 меняются от 8.5 см/с на горизонте 1112 м до 29.3 см/с в слое действия атлантических вод на горизонте 272 м.

На станции LM-3, которая работала в западной части материкового склона Восточно-Сибирского моря, отмечаются заметные отличия во временном ходе дисперсии синоптических течений, по сравнению с двумя другими станциями. Общий уровень дисперсии этих течений на станции LM-3 заметно ниже. Хотя на верхнем горизонте этой станции отмечается тоже три максимума дисперсии, но наступают они несколько в другое время, по сравнению со станциями LM-1 и LM-2. Самый значительный пик дисперсии (34 см2/с2) на станции LM-3 отмечается в июле-августе, а два других - в январе-феврале и апреле-мае.

В Чукотском море и Беринговом проливе дисперсия синоптических течений чаще всего в несколько раз, а в отдельные периоды года на порядок и более, превосходит дисперсию течений других временных масштабов. Максимальные значения дисперсии течений синоптического масштаба отмечаются в осенне-зимний период в районе Берингова пролива (1252-1942 см2/с2) и на северо-востоке моря (1668 см2/с2, станция MK1), в то время как в других районах моря эти оценки существенно ниже (246-531 см2/с2). В Беринговом проливе в осенне-зимний период (ноябрь и февраль-март) выделяются два выраженных максимума во временном ходе дисперсии синоптических течений и один минимум в декабре-январе. К апрелю-маю в проливе дисперсия синоптических течений резко падает на порядок и более и в летний период сравнима с оценками дисперсии течений других временных масштабов.

В Чукотском море наблюдается один выраженный максимум во временном ходе дисперсии течений синоптического масштаба в октябре-ноябре. Затем происходит в большинстве случаев резкое падение дисперсии до минимальных значений в марте-мае для северо-западных и центральных районов моря и в мае-июле для восточных и северо-восточных регионов.

Максимальные скорости синоптических течений достигают очень высоких значений. В Беринговом проливе они колеблются от 91 до 120 см/с, на северо-востоке моря достигают 95 см/с, на востоке и западе - 64 - 65 см/с, в центральной и северо-западной части моря уменьшаются до 36 - 57 см/с.

В параграфе 2.2 представлены результаты спектрального анализа реализаций среднесуточных значений уровня моря, выполненного в стационарном и нестационарном приближении, в различных береговых пунктах морей, омывающих северо-западное и арктическое побережья России. Этот анализ показал, что в Балтийском море не отмечается значимых пиков спектральной плотности на частоте годового хода, что, по-видимому, связано с существенной его нестационарностью по амплитуде и фазе. В синоптическом диапазоне частот, значимые пики спектральной плотности отмечаются на периодах 46, 22, 19 и 7 суток в Гетеборге, 46 и 12 суток в районе польского побережья и 31 день в Кронштадте. На частотно-временных спектрах в проливе Каттегат (Гетеборг) наибольшие значения спектральной плотности отмечаются в 1993 и 1999 гг. на периодах изменчивости около 60 суток. В период 1997-1998 гг. в этом регионе интенсивность синоптических колебаний была наименьшей. В 1992 г. наблюдаются 3 практически равнозначных по спектральной плотности пика на периодах 36, 20 и 9 суток. В районе польского побережья в 1966-1967 гг. наблюдается максимальный уровень спектральной плотности синоптических колебаний уровня, в то время как в 1968 г. их интенсивность резко снижается. Максимумы спектральной плотности в зависимости от года отмечаются на разных частотах. Так, например, на западном участке Польского побережья в 1965 г. максимальная энергия синоптических колебаний была сосредоточена на периоде около 60 суток и менее выраженных пиках в 18 и 6 суток; в 1966 г - на периоде 31 суток; в 1967 г - на периодах около 80 и 8 суток, а в 1968 г. - на периоде около 16 суток. На восточном участке Польского побережья, в отличие от западного, не отмечается выраженных энергонесущих максимумов в более высокочастотной области синоптического диапазона. Здесь максимальные пики спектральной плотности синоптических колебаний сосредоточены на периодах изменчивости более 20 суток. В восточной части Финского залива (Кронштадт) максимальные значения спектральной плотности отмечаются в период 1993 - 1995 и 2002 - 2004 гг. Хорошо видно, что с 1989 по 1995 и с 2001 по 2004 гг. максимальные пики спектральной плотности синоптических колебаний здесь наблюдаются главным образом на периодах изменчивости около 60 суток. В период с 1997 по 2000 гг. спектральная структура синоптических колебаний уровня заметно меняется. В это время максимальные пики спектральной плотности смещены в основном в более высокочастотную область синоптического диапазона и наблюдаются на периодах 10,12, 28, 31, 48 суток