Синоптическая изменчивость уровня и течений в морях, омывающих северо-западное и арктическое побережья России

В береговых пунктах Баренцева моря значимые пики спектральной плотности, превышающие 95% доверительный интервал чаще всего приходятся на периоды около 1 года и 15 cуток. На станции Бугрино, кроме перечисленных периодов, значимые пики, превышающие 95% доверительный интервал, отмечаются также на периодах 7.4 и 5.8 суток. Частотно-временные спектры синоптических колебаний уровня в различных береговых пунктах Баренцева моря выявили, что на северо-западе Баренцева моря у побережья Шпицбергена (станция Баренцбург) максимальные значения спектральной плотности отмечались весной 1978 г на периодах около 63 суток и летом 1979 г. на периодах около 31 суток. В другие годы оценки спектральной плотности в синоптическом диапазоне частот были заметно ниже. В 1981 г. наблюдались два равнозначных пика спектральной плотности: сначала весной на периоде около 12.5 суток, а затем летом на периоде около 63 суток. В 1983 г. на этой станции также отмечались два равнозначных по оценкам спектральной плотности пика приблизительно на периоде около 63 суток: первый - зимой, а второй - летом.

У побережья Кольского полуострова (станции Териберка и Йоканьга) максимальные пики спектральной плотности приходятся в основном на периоды около 30 и 60 суток. Однако в некоторые годы они наблюдаются в более высокочастотной области синоптического диапазона. Так, в 1979 г. энергетические максимумы отмечались здесь весной на периодах около 10 - 12 суток, в 1980 г. - зимой на периодах около 18 суток, а в 1994 г., также, зимой на периодах около 12 суток.

На станции Бугрино в районе юго-восточного побережья Баренцева моря частоты энергетических максимумов варьируют в основном в диапазоне 0.6 - 0.1 рад/сут (10 - 63 сут), однако здесь, как уже отмечалось выше, отчетливо выделяется еще один узкий диапазон 1.0 - 0.8 рад/сут (6 - 8 сут), где часто отмечаются выраженные пики спектральной плотности, причем в 1986 и 1996 гг. энергонесущие максимумы в этом диапазоне преобладают по спектральной плотности.

На южном побережье арх. Новая-Земля (станция Малые Кармакулы) наблюдается очень значительное «блуждание» от года к году пиков спектральной плотности в низкочастотной области синоптического диапазона частот. А на севере Новой Земли (станция Русская Гавань) и у побережья ЗФИ (Обсерватория Кренкеля), наоборот, максимальные пики спектральной плотности локализуются чаще всего на периоде около 31 день.

Спектры низкочастотных колебаний уровня в 20 береговых пунктах Карского моря показали, что значимые пики спектральной плотности, превышающие 95% доверительный интервал чаще всего приходятся на периоды 13.7 cуток, 1 год и 4.3 суток. Пики спектральной плотности, превышающие 80% доверительный интервал, помимо указанных выше, в большинстве случаев приходятся здесь на периоды 2.4-2.8, 3.1, 5-7, 15-16, 52-77 суток. Частотно-временные спектры выявляют выраженную межгодовую изменчивость синоптических колебаний уровня моря. Циклы наступления максимумов колебаний уровня моря в диапазоне синоптической изменчивости меняются приблизительно от 2 до 9 лет. Максимальная спектральная плотность колебаний уровня синоптического масштаба сосредоточена в основном в диапазоне периодов от 50 до 90 суток. Однако в отдельные годы на некоторых станциях максимальные значения спектральной плотности наблюдаются на периодах около 40 (Амдерма, 1963 год) и 20-34 суток (например: м. Желания, 1963; Амдерма и о. Исаченко, 1981 год).

В море Лаптевых спектральный анализ рядов среднесуточных значений уровня в 10 береговых пунктах, проведенный в стационарном приближении, выявил значимые пики спектральной плотности, превышающие 95% доверительный интервал, на периодах 1 год, 2.2 и 4 суток. Пики спектральной плотности, превышающие 80% доверительный интервал, помимо указанных выше, в большинстве случаев приходятся на периоды 2.7, 3.2, 3.5, 4.3, 5.2-5.3, 15-17, 61-98 суток. На частотно-временных спектрах в юго-западной части моря Лаптевых (о. Преображения) максимальные оценки спектральной плотности в синоптическом диапазоне частот отмечались зимой 1964 г. на периодах изменчивости около 60 суток, зимой 1968 г. на периодах около 40 -21 суток и с 1971 по 1973 гг. на периодах изменчивости около 70 суток. Низкая интенсивность синоптических колебаний уровня здесь отмечалась в середине 60-х и начале 80-х лет прошлого столетия. Период начала 80-х выделятся также тем, что в эти годы максимумы спектральной плотности колебаний уровня отмечались в более высокочастотной области синоптического диапазона частот, на периодах изменчивости около 16-18 суток. На юго-востоке моря Лаптевых (порт Тикси) анализировался почти сорокалетний ряд изменчивости синоптических колебаний уровня моря. В большинстве случаев максимальные оценки спектральной плотности синоптических колебаний здесь сосредоточены в диапазоне частот 0.06 - 0.4 рад/сут. (105 - 21 суток). Выделяются несколько периодов, когда интенсивность синоптических колебаний в этом частотном диапазоне особенно высокая - это: 1970, 1973 , 1977-1981 гг., продолжительный период с 1985 по 1995 г. и 1998 - 2000 гг. Чаще всего максимальные пики спектральной плотности в этом диапазоне отмечаются на периодах около 60-70 и 25-30 суток. В некоторые годы основные энергонесущие максимумы в диапазоне синоптической изменчивости наблюдаются в более высокочастотной области. Так зимой 1971 г. максимальный пик спектральной плотности отмечался на периодах около 12 суток, зимой 1976-1977 г. - на периодах около 7 суток, зимой 1996 г. - на периодах около 10.5 суток, зимой 1997 г - на периодах изменчивости около 13 суток.

Спектры среднесуточных значений уровня в береговых пунктах Восточно-Сибирского моря (о.Жохова, Амбарчик и Валькаркай) и береговых пунктах Чукотского моря (о.Врангеля, м. Шмидта, м.Ванкарем, о.Колючин, м. Нэттэн, о.Ратманова) выявили, что значимые пики спектральной плотности, превышающие 95% доверительный интервал, чаще всего приходятся на периоды 1 год и 3.7 суток. 80% доверительный интервал, кроме указанных выше, в большинстве случаев превышали пики спектральной плотности на периодах 2.4, 2.8, 2.9, 3.1, 3.2, 6, 8, 14, 17-20, 61-69 суток. На частотно-временных спектрах в северо-западной части Восточно-Сибирского моря (о. Жохова) наибольшие значения спектральной плотности в синоптическом диапазоне частот отмечаются в 1964 - 1967 гг. на периодах изменчивости около 60 суток. Несколько меньшие по интенсивности энергонесущие максимумы отмечаются в 1971-1974 гг. Однако в это время частоты основных энергонесущих максимумов заметно менялись. Так, зимой 1971 года максимальный пик спектральной плотности отмечался на периодах около 36 суток, летом 1972 г. - на периодах около 62 суток, а зимой 1973-1974 гг. основной энергонесущий максимум отмечался на периодах около 28 суток. В период 1975-1976 гг. на северо-западе Восточно-Сибирского моря наблюдается снижение активности синоптических процессов в изменчивости уровня моря, а в 1977-1979 гг. значения спектральной плотности в низкочастотной области синоптического диапазона опять незначительно возрастают. В этот период максимальные пики спектральной плотности отмечаются на периодах от 36 до 78 суток.

На юго-востоке Восточно-Сибирского моря (порт Певек) в 1963-1966 гг. отмечается низкая активность процессов синоптического масштаба в изменчивости уровня, а самые большие значения спектральной плотности в синоптическом диапазоне частот отмечаются в 1967 - 1971 гг. на периодах изменчивости от 42 до 65 суток. Зимой 1974 г. значительные пики спектральной плотности отмечаются не только в низкочастотной, но и в высокочастотной области спектра на периодах около 6 и 8 суток. В период с 1976 по 1984 гг. периоды основных энергонесущих максимумов сначала уменьшаются до 21 суток в 1978 г, а с 1979 г. опять начинают увеличиваться до 62 суток в 1984 г.

На юго-западе Чукотского моря (мыс Шмидта) максимальные значения спектральной плотности в синоптическом диапазоне частот отмечаются в 1964-1965 гг. на периодах 62 и 21 суток и в 1967 - 1971 гг. на периодах изменчивости от 37 до 62 суток. В 1973-1974 основные энергонесущие максимумы наблюдаются в более высокочастотной области синоптического диапазона на периодах около 8 суток. С 1976 по 1979 гг. максимальные пики спектральной плотности отмечаются на периодах около 30 суток, а с 1980 по 1984 гг. - на периодах около 62 суток.

На юге Чукотского моря (мыс. Неттен) наблюдается очень значительное «блуждание» от года к году максимальных пиков спектральной плотности практически во всей частотной области синоптического диапазона на периодах от 6 до 70 суток.

Сравнительно большая плотность станций в арктических морях, омывающих побережье России и синхронность измерений уровня позволяют провести взаимный спектральный анализ между низкочастотными колебаниями уровня в различных береговых пунктах. Такой анализ показал, что ширина частотного диапазона, где отмечается высокая когерентность (более 0.60), обратно пропорциональна расстоянию между береговыми пунктами. С увеличением расстояния диапазон периодов с высокой когерентностью уменьшается в сторону низких частот. Так, в западном секторе Арктики, если двигаться вдоль берега от станции Диксон на восток, высокая когерентность (от 0.60 до 0.91) отмечается в диапазоне периодов от 3 суток до 1 года на расстоянии приблизительно до 700 км (о. Диксон - о. Гейберга). При увеличении расстояния до 800 км, диапазон периодов, где отмечается высокая когерентность, сокращается от 10-12 суток до 1 года (например: между станциями Амдерма и Диксон, или м. Желания и м. Песчаный). При увеличении расстояния до 1500-1650 км высокая когерентность отмечается только в диапазоне сезонной изменчивости (от 0.5 до 1 года) и на отдельных периодах синоптического диапазона изменчивости: 67, 38, 13.6 суток (Амдерма - м. Челюскин) или 61 день (м. Желания - о. Котельный). Увеличение расстояния между береговыми пунктами до 2000 - 3000 км приводит к тому, что высокая когерентность отмечается только в диапазоне периодов близких к годовому ходу уровня моря (например: Амдерма - Терпяй-Тумса, Амдерма - Тикси, м. Желания - о. Врангеля). Такая же закономерность отмечается, если мы будем двигаться в меридиональном направлении. Например, между о. Диксон и о. Визе (670 км) высокая когерентность (0.65-0.88) отмечается в диапазоне периодов от 3 суток до 1 года. Похожие результаты взаимного спектрального анализа были получены в восточном секторе Арктики. Здесь при увеличении расстояния до 1900 км между береговыми пунктами (Кигилях - м. Неттен) высокая когерентность отмечается только на периодах 1 год и 7.7 суток. При увеличении расстояния до 2300 км (Тикси - м. Неттен) когерентность во всей частотной области падает до оценок менее 0.60.

Полученные результаты показывают, что взаимосвязь между низкочастотными возмущениями уровня в арктических морях отмечается на больших расстояниях (700-1650 км для колебаний синоптического масштаба и приблизительно 2000-3000 км для сезонных колебаний уровня моря).

В параграфе 2.3 приведены результаты векторно-алгебраического анализа рядов остаточных среднесуточных значений течений (исключены приливы и сезонные колебания) в Балтийском море и арктических морях, омывающих побережье России.

На графиках временного хода рядов среднесуточных значений течений, измеренных на плавмаяках Балтийского моря отчетливо выделяются синоптические возмущения течений с периодами приблизительно 5 - 30 суток, максимальные скорости в которых достигают 25 - 35 см/с. Скорости среднего потока в районах работы плавмаяков очень низкие и не превышают 0.5 - 2.0 см/с. Скорость среднего течения во всех случаях в 5 - 24 раза меньше линейного инварианта тензора ср. кв. отклонения , т. е. течения являются существенно неустойчивыми (r > 1). Этот результат может свидетельствовать о том, что в низкочастотной области спектра в динамических полях Балтийского моря по интенсивности преобладают течения синоптического масштаба. На плавмаяках Реландерсгрунд и Сторкаллегрунд синоптические возмущения течений являются анизотропными (>), в то время как на двух других плавмаяках вращение вектора синоптических течений осуществляется по траекториям близким к окружности. Во всех случаях направление большой оси у эллипсов дисперсии синоптических течений близко к направлению линии берега.

Оценки двухмерных плотностей распределения вероятностей векторов скорости среднесуточных течений показали, что в Финском заливе и на входе в Ботнический залив распределение вероятностей векторов скорости синоптических течений стремится к равномерному, а в восточной части Ботнического залива (плавмаяки Реландесгрунд и Сторкаллегрунд) проявляется двухмодовая структура векторного распределения вероятностей, с разностью между модами по направлению, близкой к 180. Результаты спектрального анализа рядов среднесуточных течений на плавмаяках Балтийского моря показывают, что в Финском заливе на обоих горизонтах плавмаяка Арансгрунд максимальные значимые пики спектральной плотности приходятся на период изменчивости около 30 суток. В диапазоне сезонной изменчивости разрешается пик на периоде около 130 суток, но оценки спектральной плотности здесь заметно ниже. На самых низких частотах значения спектральной плотности близки к нулю, что говорит об отсутствии тренда. В более высокочастотной области синоптического диапазона происходит довольно резкое снижение энергии возмущений течений, при отсутствии значимых пиков спектральной плотности.

На входе в Ботнический залив (плавмаяк Сторброттен) наибольшая энергия сосредоточена на частотах сезонной изменчивости. По сравнению с Финским заливом в низкочастотной области синоптического диапазона на периодах приблизительно от 15 суток до нескольких месяцев в спектрах течений отмечается существенное уменьшение дисперсии. В более высокочастотной области синоптического диапазона отмечаются значимые пики спектральной плотности на периодах около 13, 7 и 4 суток.

На юго-востоке Ботнического залива (плавмаяк Реландерсгрунд) снова отмечается существенный рост энергии практически во всем синоптическом диапазоне частот. Здесь основной энергонесущий максимум приходится на период 28 суток. Менее энергичные, но также значимые пики спектральной плотности отмечаются на периодах около 11, 7, 5 и 4 суток.

В центральной части Ботнического залива (плавмаяк Сторкаллегрунд) отмечается довольно значительное снижение спектральной плотности практически во всем диапазоне синоптических частот. Исключение составляет узкий диапазон частот 0.8 - 1.0 рад/сут, где происходит увеличение энергии и отмечается значимый пик спектральной плотности на периоде около 7 суток. Второй, менее энергичный, значимый пик спектральной плотности приходится на период около 30 суток.

За исключением плавмаяка Сторброттен, во всех других случаях оценки спектральной плотности на энергонесущих максимумах для линейного инварианта везде значительно выше, чем у индикатора вращения, что свидетельствует о том, что наибольший вклад в синоптическую изменчивость течений вносят не вращательные, а коллинеарные изменения скорости.

Оценки двухмерных плотностей распределения вероятностей векторов скорости течений в западной части Баренцева моря показали, что в большинстве случаев распределение вероятностей векторов скорости синоптических течений стремится к равномерному, и только на двух самых нижних горизонтах станции N1 отмечается двухмодовая структура векторного распределения вероятностей с разностью между модами по направлению близкой к 180, что свойственно волновому процессу.

Намного более упорядоченная картина отмечается в двухмерных плотностях распределения вероятностей векторов синоптических течений на северо-востоке Баренцева моря. Здесь в большинстве случаев отмечается двухмодованя структура векторного распределения с приблизительно противоположно направленными течениями.

Спектральный анализ остаточных среднесуточных рядов течений (исключены приливы и сезонные колебания) выявил в Баренцевом море в большинстве случаев наличие узкополосных значимых пиков спектральной плотности. В западной части моря наибольшие значения спектральной плотности в синоптическом диапазоне частот отмечаются на буйковых станциях, работавших в зоне действия Нордкапского течения (N1, SB, SC). На других станциях оценки спектральной плотности резко снижаются более чем на порядок. Можно видеть также, что в этом регионе моря в более низкочастотной области спектра ( < 0.4 рад/сут) отмечается, как правило, значительное преобладание коллинеарных изменений скорости течений над ее вращательными компонентами, в то время, как в более высокочастотной области спектра интенсивность вращательных изменений скорости приближается к ее оценкам для коллинеарных значений. На западе моря максимальные значимые пики спектральной плотности отмечаются на периодах 73-56, 31, 16, 8-9 и 5 суток.

На разрезе буйковых станций, работавших на северо-востоке Баренцева моря, спектральный анализ остаточных среднесуточных рядов течений, показал, что максимальная энергия синоптических колебаний наблюдается в диапазоне временных масштабов от 17 до 75 суток. В этом диапазоне отмечаются значимые узкополосные пики спектральной плотности на периодах 17 - 19, 38, 41 - 46 и 75 суток. Кроме описанного диапазона выделяется еще один, менее значимый по энергетике диапазон периодов 5 - 7 суток, где также отмечаются значимые пики спектральной плотности. Результаты спектрального анализа показывают также, что в более низкочастотной области спектра (Р>10 сут.) синоптической изменчивости течений наблюдается значительное преобладание их коллинеарных изменений над ортогональными (I1() > D()), в то время, как в более высокочастотной области синоптического диапазона в ряде случаев значения спектральной плотности для коллинеарных и вращательных изменений скорости близки по оценкам.

Взаимный корреляционный анализ между низкочастотными колебаниями течений на различных горизонтах в западной части Баренцева моря (станция N1) показал, что в вертикальном направлении корреляция между ортогональными изменениями скорости течений во всех случаях очень низкая. Между коллинеарными изменениями скорости течений высокие значения корреляции отмечаются только в отдельных слоях. Так, самые высокие значения корреляции (0.84) отмечаются при нулевых сдвигах в придонном слое 276 - 323 м. В целом же, с глубиной, при движении от верхних горизонтов к самым нижним горизонтам корреляция между коллинеарными изменениями скорости течений заметно снижается (от 0.57 до 0.29).

В кросс-спектрах |I1VU()| и |DVU()| в подавляющем большинстве случаев наибольший вклад во взаимосвязь течений по вертикали на различных частотах также оказывают коллинеарные изменения скорости течений [F2кол() > F2орт()]. Для цикличности 22 дня высокая когерентность (0.91-0.62) по вертикали между низкочастотными возмущениями течений на верхнем горизонте и нижележащими горизонтами отмечается до глубины 276 м, при небольшом увеличении с глубиной фазовых сдвигов от 5 до 15.

В глубинном слое для этой цикличности взаимосвязь между течениями низкая, и только в придонном слое 276 - 323 м когерентность опять возрастает до значений 0.82. В более высокочастотной области спектра высокая когерентность (0.86-0.69) по вертикали между низкочастотными возмущениями течений на верхнем горизонте и нижележащими горизонтами отмечается только до глубины 25 м. Для цикличности 9 суток также высокие значения когерентности отмечаются в слое 50 - 323 м, а для цикличности 3.7 суток - только в придонном слое 276 - 323 м. При этом в одних случаях наблюдается запаздывание возмущений течений на верхних горизонтах относительно нижних горизонтов, а на других, наоборот, возмущения течений в верхних слоях опережают возмущения течений в более нижних слоях. Эти результаты могут говорить о том, что значительный вклад в изменчивость течений синоптического масштаба вносят бароклинные возмущения течений.

На северо-востоке Баренцева моря взаимный корреляционный анализ между синоптическими колебаниями течений на различных горизонтах показал, что за исключением станции МО3 в вертикальном направлении отмечаются высокие значения прямой корреляции от 0.66 до 0.93 между коллинеарными возмущениями скорости течений во всех слоях при нулевых временных сдвигах. На станции МО3 высокие значения корреляции (0.75) между коллинеарными возмущениями скорости синоптических течений отмечаются только в слое 270 - 343 м. Между вращательными компонентами скорости синоптических течений высокая корреляция (0.61 - 0.77) также при нулевых сдвигах отмечается во всех слоях только на станции МО1 и в отдельных слоях на станции МО3. Полученные результаты показывают, что на станции МО3 значительный вклад в синоптическую изменчивость течений оказывает бароклинная составляющая, а на других станциях - баротропная.

В районе материкового склона морей Лаптевых и Восточно-Сибирского двухмерные плотности распределения вероятностей векторов скорости течений выявляют в большинстве случаев их двухмодовую структуру, причем почти всегда при этом разность между модами по направлению близка к 180.

Анализ спектров течений показал, что для всех рассматриваемых реализаций (13 случаев) повторяемость энергонесущих максимумов для I1() была наиболее высока у цикличностей 7.5 суток (10 раз), 120, 27 и 11 суток (6 раз), 48, 15, 6.7 и 5.2 суток (5 раз). Однако практически везде пики спектральной плотности не превышают 80% доверительный интервал. В подавляющем большинстве случаев на рассматриваемых синоптических циклах спектральная плотность с глубиной уменьшается вплоть до горизонтов 1100-1160 м. Однако, в придонных горизонтах в более высокочастотной области синоптической изменчивости происходит увеличение спектральной плотности колебаний течений по сравнению с вышележащими горизонтами. Такое изменение спектральной плотности с глубиной может свидетельствовать о наличии выраженной бароклинной составляющей у возмущений течений различных временных масштабов. Выявлено также, что в большинстве случаев на рассматриваемых синоптических циклах изменения колебаний скорости течений являются существенно анизотропными (() в несколько раз меньше 1) и тензорные кривые во всех случаях представляют собой эллипсы (1()> 2() и 1()>0, 2()>0). Во всех случаях интенсивность вращательных изменений скорости течений в несколько раз, а иногда и на порядок и более, меньше интенсивности коллинеарных изменений.

Взаимный корреляционный анализ между колебаниями течений на различных горизонтах показал, что в вертикальном направлении корреляция между ортогональными возмущениями течений во всех случаях очень низкая.

Между коллинеарными возмущениями скорости течений высокие значения корреляции отмечаются только в отдельных слоях. Так, самые высокие значения корреляции (0.81 - 0.88) отмечаются при нулевых сдвигах в слое действия атлантических вод (269 - 761 м). В целом же, с глубиной, при движении от верхних горизонтов к самым нижним горизонтам корреляция между коллинеарными изменениями скорости течений заметно снижается (от 0.75-0.78 до 0.25-0.43).

В кросс-спектрах |I1VU()| и |DVU()| чаще всего выявляются пики спектральной плотности на цикличностях 120, 48, 27, 14-15, 10-12, 7-8 и 6 суток. В подавляющем большинстве случаев наибольший вклад во взаимосвязь течений по вертикали оказывают коллинеарные изменения скорости течений [F2кол() > F2орт()].

На станции LM-1 с глубиной значения когерентности для различных цикличностей остаются высокими (0.70 - 0.82), но фазовые сдвиги увеличиваются до 17-31 и имеют отрицательные значения, что свидетельствует о запаздывании возмущений течений на верхних горизонтах относительно нижних горизонтов. Эти результаты могут говорить о том, что на станции LM-1 значительный вклад в изменчивость течений синоптического масштаба вносят как баротропные, так и бароклинные возмущения течений.

На станции LM-3, находящейся северо-восточнее станции LM-1, высокая когерентность по вертикали между низкочастотными возмущениями течений сохраняется, при увеличении с глубиной фазовых сдвигов, только для цикличности 120 суток. В более высокочастотной области спектра значения когерентности с глубиной снижаются с увеличением разности фаз между отдельными слоями до 33- 46. При этом на одних частотах наблюдается запаздывание возмущений течений на верхних горизонтах относительно нижних горизонтов, а на других, наоборот, возмущения течений в верхних слоях опережают возмущения течений в более нижних слоях. На самой северной станции LM-2, находящейся на западном склоне южной части хребта Ломоносова, на всех частотах отмечается наибольшее уменьшение с глубиной когерентности по сравнению с двумя другими станциями. Эти результаты показывают, что при движении в северном направлении в изменчивости течений синоптического масштаба возрастает вклад бароклинной компоненты.

В Чукотском море результаты векторно-алгебраического анализа течений показали, что синоптические возмущения течений являются анизотропными (>), причем эта анизотропность в большей степени выражена ближе к берегу и для станций, где отмечались повышенные значения среднего течения. В половине случаев направление большой оси у эллипсов дисперсии близко к направлению север-юг, в западной и центральной части моря большая ось имеет направление северо-запад - юго-восток, а на станции MF1 и северо-востоке моря - приблизительно, северо-восток - юго-запад.

Результаты спектрального анализа рядов среднесуточных течений в Чукотском море показывают, что на графиках линейных инвариантов и индикаторов вращения спектральной тензор-функции отчетливо видны узкополосные значимые пики, которые в подавляющем большинстве случаев приходятся на диапазоны периодов 16-22 суток и 5-9 суток.

Практически во всех случаях значения спектральной плотности на самой низкой частоте для линейного инварианта существенно меньше ее значений на энергонесущих максимумах, что свидетельствует о незначительной интенсивности сезонных и межгодовых колебаний в поле суммарных течений. Этот результат, как и результаты сравнительного дисперсионного анализа рядов течений, свидетельствуют о том, что в Чукотском море наибольший вклад в изменчивость течений вносят возмущения синоптического масштаба. Оценки спектральной плотности на энергонесущих максимумах для линейного инварианта везде значительно выше, чем у индикатора вращения, что свидетельствует о том, что наибольший вклад в синоптическую изменчивость течений вносят не вращательные, а коллинеарные изменения скорости.

Таким образом, результаты векторно-алгебраического анализа течений в морях, омывающих северо-западное и арктическое побережья России, позволяют сделать следующие выводы. В синоптическом диапазоне частот в возмущениях течений преобладают коллинеарные изменения скорости. Основные энергонесущие максимумы в спектрах колебаний течений отмечаются в большинстве случаев не в диапазонах периодов прохождения крупномасштабных анемобарических образований типа циклонов и естественного синоптического периода, а в более низкочастотной области спектра синоптического диапазона. В спектрах синоптических колебаний течений во многих случаях отмечаются узкополосные значимые пики спектральной плотности, что может свидетельствовать об их волновой природе. Волновая природа выделенных нами синоптических возмущений течений подтверждается также анализом двухмерных плотностей распределения их вероятностей, выявляющим в большинстве случаев двухмодовое распределение, при разности между модами по направлению близкой к 180.

В параграфе 2.4 представлены оценки статистических характеристик колебаний уровня, полученные по данным спутниковых альтиметрических измерений. Для исследования пространственной изменчивости низкочастотных колебаний уровня моря использовался массив комбинированных альтиметрических данных спутников TOPEX/POSEIDON, ERS-1 и ERS-2, осредненных за 7 суток и интерполированных в узлы неравномерной сетки с шагом вдоль долготы 1/3 и с шагом вдоль широты от 1/3 на экваторе до 0.05 - на широте 82 за период с октября 1992 по февраль 2002 г. По этим данным были рассчитаны поля среднеквадратических отклонений уровня в Балтийском море и арктических морях, омывающих Россию.

Оценки среднеквадратических отклонений уровня в Балтийском море, рассчитанное на основе комбинированных альтиметрических данных спутников ERS-1, ERS-2 и TOPEX/POSEIDON показали, что наибольшая интенсивность низкочастотных колебаний уровня отмечается в 2 районах, прилегающих с севера и юга к мелководной центральной части Ботнического залива. Также повышенные значения ср. кв. отклонения уровня моря наблюдаются в северо-западном районе центральной Балтики, между о. Готланд и шведским побережьем; в Финском заливе; в районе, прилегающем к побережью Калининградской области. Наименьшие оценки интенсивности низкочастотных колебаний уровня отмечаются на акватории, прилегающей к о-вам Эланд и Борнхольм, в северном районе центральной Балтики и на входе в Финский залив.

Для исследования пространственных масштабов колебаний уровня моря использовался массив вдольтрековых альтиметрических измерения уровня моря с пространственным шагом 7 км для спутников ERS-1/2 и 5.8 км для спутника TOPEX/POSEIDON и временным интервалом между соседними вдольтрековыми измерениями уровня равным 1 секунде за период с 1992 по 2002 гг.

Изменения уровня моря вдоль треков в Балтийском море выявляют преобладание двух видов пространственных возмущений - коротких и длинных. Пространственные масштабы коротких колебаний изменяются приблизительно от 12 - 14 до 50 - 100 км и чаще всего эти колебания имеют величины 3 - 10 см. Однако в редких случаях величины этих колебаний достигают значений 20 - 25 см.

Длинные пространственные возмущения уровня моря проявляются чаще всего в виде линейных и нелинейных трендов. Это говорит о том, что пространственные масштабы длинных колебаний близки или сравнимы с размерами самого Балтийского моря. Перепады уровня в трендах в большинстве случаев небольшие и достигают величин от нескольких до 10 см. Но в отдельных случаях - 15 - 20 и даже 50 см.

Хорошо видно, что средний уровень моря на треке с течением времени испытывает очень значительные вариации, достигающие в отдельных случаях 50 - 70 см. Так, например, с 7 апреля по 7 мая 2001 г. уровень моря на юго-западном участке трека, повысился, а с 14 сентября по 4 октября 2001 г. - понизился, в среднем, на 70 см. С рядами вдольтрековых значений уровня моря был проведен спектральный анализ. Предварительно из них была исключена трендовая составляющая. Для района, пересекаемого треком TOPEX/POSEIDON, наибольшая повторяемость пиков спектральной плотности отмечается на пространственных масштабах 39 и 66 км. На этих же масштабах отмечаются чаще всего значимые пики спектральной плотности. Для района, пересекаемого треком ERS-2, повторяемость пиков спектральной плотности в целом является низкой. Чаще всего значимые пики спектральной плотности отмечаются в диапазоне пространственных масштабов 42 - 84 км.

Результаты взаимного корреляционного анализа между рядами уровня моря, полученными по альтиметрическим данным на одном и том же треке с последовательностью 10 суток для TOPEX/POSEIDON и 35 суток для ERS-2 показали, что для района восточной части Центральной Балтики, пересекаемого треком ERS-2, в подавляющем большинстве случаев значения максимальных коэффициентов корреляции превышают 95% доверительный интервал и наблюдаются на нулевом пространственном сдвиге. Но при этом взаимосвязь между колебаниями уровня нельзя назвать высокой, так как значимые коэффициенты корреляции меняются от 0.27 до 0.60.

Для района северо-западной части Центральной Балтики, пересекаемого треком спутника TOPEX/POSEIDON, значимые коэффициенты корреляции меняются от 0.32 до 0.40. Видно также, что в данном районе во многих случаях максимальные коэффициенты корреляции отмечаются на значительных пространственных сдвигах. Проверка остаточных (после исключения тренда) рядов вдольтрековых значений уровня моря на однородность показала, что они близки по мат. ожиданию, их автокорреляционные функции близки по форме и периоду, а значения дисперсии меняются максимум в 2.8 раза для ERS-2 и в 4 раза для TOPEX/POSEIDON. Эти результаты позволяют провести взаимный спектральный анализ между рядами последовательных изменений уровня моря на одном и том же треке. Оценки когерентности и разности фаз для возмущений уровня разных пространственных масштабов показывают, что в северо-западной части Центральной Балтики, пересекаемой треком спутника TOPEX/POSEIDON, практически во всех случаях высокая взаимосвязь между колебаниями уровня отмечается в сравнительно узких диапазонах пространственных масштабов и в отдельные периоды года. Для возмущений уровня с пространственными масштабами 14 - 15 км высокая взаимосвязь совсем отсутствует на рассматриваемом временном отрезке, а для колебаний с пространственными масштабами 20 и 33 - 39 км она отмечается лишь один раз в первой половине апреля 2001 г. С конца апреля по начало июля в 2001 году высокая взаимосвязь между колебаниями уровня отсутствует на всем протяжении диапазона рассматриваемых пространственных масштабов. Разность фаз для высоких значений когерентности варьирует в широких пределах на одних и тех же пространственных масштабах. Похожие результаты отмечаются и для восточной части Центральной Балтики, пересекаемой треком ERS-2. Здесь также на отдельных временных отрезках высокая когерентность отмечается или для широкого диапазона пространственных масштабов, или только для колебаний одного пространственного масштаба. Выделяется диапазон пространственных масштабов 19 - 21 км, где высокие значения когерентности отсутствуют на протяжении всех рассматриваемых 8 месяцев. И, наоборот, в диапазоне пространственных масштабов 37 - 112 км чаще всего отмечаются высокие значения когерентности. Разность фаз для высоких значений когерентности также варьирует в широких пределах на одних и тех же пространственных масштабах.

Результаты анализа спутниковых альтиметрических данных в морях, омывающих арктическое побережье России показали, что здесь самые интенсивные низкочастотные колебания уровня отмечаются в горле Белого моря, где ср. кв. отклонение () достигает 46 см. Также высокая изменчивость уровня отмечается в губе Буор-Хая в море Лаптевых ( = 34 см), севернее бухты Амбарчик ( = 31 см) и восточнее о. Новая Сибирь ( = 30 см) в Восточно-Сибирском море, а так же в районе мыса Нэттэн ( = 28 см) в Чукотском море.

Интересно отметить, что во многих случаях зоны высокой дисперсии низкочастотных колебаний уровня в арктических морях, оцененные для безледного периода по альтиметрическим данным хорошо согласуются с положениями стационарных и сезонных заприпайных полыней, наблюдающихся зимой. Так в Баренцевом море зоны повышенной дисперсии колебаний уровня соответствуют положениям Чешской, Печерской и Западно-Новоземельской полыньям (Купецкий, 1970). В Карском море, зона повышенной интенсивности колебаний уровня моря соответствует положению стационарных Амдерминской (Купецкий, 1970), Ямальской и Обь-Енисейской и сезонной Центральной Карской заприпайным полыньям (Захаров, 1996). В море Лаптевых такое же согласие отмечается между второй (более северной) зоной высокой изменчивости уровня моря и положением Анабаро-Ленской, Западно-Новосибирской и Новосибирской стационарными заприпайными полыньями (Захаров, 1996). В Чукотском море можно видеть согласие в положениях зоны высокой изменчивости колебаний уровня моря и положением Аляскинской полыньи (Купецкий, 1970).

Учитывая, что интенсивность низкочастотных колебаний уровня в арктических морях возрастает в осенне-зимний период (Прошутинский, 1993; Войнов и Захарчук, 1999; Voinov and Zakharchuck, 1999), можно предположить, что выявленные по альтиметрическим данным зоны повышенной интенсивности колебаний уровня моря сохраняются и зимой, и, не исключено поэтому, что низкочастотные возмущения уровня моря вносят определенный вклад в формирование заприпайных полыней в арктических морях.

О правомерности такой гипотезы может свидетельствовать следующий факт. В 1998-1999 годах в районе Западно-Новосибирской полыньи в рамках Российско-Немецкого проекта «Система моря Лаптевых» работал доплеровский профилограф течений (ADCP) и измерялись другие океанографические параметры, в том числе и уровень моря. Результаты анализа полученных данных показали, что в зимний период колебания уровня моря в полынье могут превышать 50 см (Дмитренко и др., 2001).

На графиках вдольтрековых изменений уровня в арктических морях хорошо видна последовательность сравнительно коротких пространственных возмущений, масштабы которых изменяются от 20 до 80 км. Чаще всего эти колебания имеют величины 5-10 см. Однако, в отдельных случаях величины этих колебаний достигают значений 20-50 см. Кроме коротких пространственных возмущений во вдольтрековых изменениях уровня моря выделяются сравнительно длинные пространственные колебания, масштабы которых изменяются приблизительно от 350 до 1000 км, а величины - от 10 до 50 см. Также можно видеть выраженные тренды, которые могут быть связаны с колебаниями, пространственные масштабы которых значительно превосходят длину вдольтрековых рядов изменений уровня моря.

В третьей главе с помощью методов статистического анализа скалярных и векторных случайных процессов и полей оценены характеристики низкочастотных волновых возмущений уровня и течений в морях, омывающих северо-западное и арктическое побережья России, и произведено сравнительное кинематическое описание синоптических вихрей и низкочастотных волн.

В параграфе 3.1 получены оценки характеристик низкочастотных волновых возмущений уровня по данным береговых уровенных измерений. Сравнительно плотная сеть береговых станций, где проводились продолжительные непрерывные синхронные наблюдения за уровнем в Балтийском море и морях Сибирского шельфа позволяет исследовать пространственное распределение фаз низкочастотных возмущений уровня моря, с тем, чтобы оценить затем фазовые скорости, направления распространения и длины низкочастотных волн в различных частотных диапазонах. Фазы волн оценивались с помощью Фурье-анализа реализаций среднесуточных значений уровня. Фурье-анализ всех реализаций производился от середины ряда по рекуррентной формуле Уатта.

В Балтийском море результаты Фурье-анализа показали, что здесь в ряде случаев в центральной и восточной части Польского побережья фаза синоптических колебаний уровня практически не изменяется в пространстве. Это свидетельствует о том, что колебания уровня моря на рассматриваемых периодах имеют преимущественно стоячий характер. Однако, в некоторых случаях, на отдельных участках побережья наблюдается заметное изменение фазы колебаний в пространстве, свидетельствующее о том, что синоптические колебания уровня Балтийского моря здесь распространяются в виде поступательных волн. По рассчитанной разности фаз и известным расстояниям между станциями, были оценены фазовые скорости и длины поступательных волн. Результаты таких расчетов показали, что низкочастотные волны распространяются как с западной, так и восточной составляющей фазовой скорости. Оценки фазовой скорости волн в диапазоне периодов 4.5 - 55 суток изменяются от 0,3 м/с до 4,3 м/с, а их длин - от 1120 до 2488 км.

Для проведения Фурье-анализа низкочастотных колебаний уровня в арктических морях Сибирского шельфа их регион был разделен на 3 условных района. Такое разделение обуславливалось, прежде всего, плотностью станций наблюдений за уровнем моря и расстоянием, на котором отмечалась высокая когерентность между возмущениями уровня в интересующей нас частотной области (в первую очередь диапазон синоптической изменчивости).

Первый район включал в себя береговые станции Карского моря и одну станцию Баренцева моря (Русская Гавань). Второй район береговых уровенных наблюдений охватывал море Лаптевых, одну станцию Карского моря (о. Голомянный) и западную часть Восточно-Сибирского моря. Третий район включал восточное побережье Восточно-Сибирского моря и западную часть Чукотского моря.

Результаты таких расчетов показали, что во всех трех районах в диапазоне периодов 56-81 суток нет существенного изменения фаз низкочастотных колебаний уровня моря, что, по-видимому, связано с преимущественно их стоячим характером.

При увеличении частоты фазовая картина принимает упорядоченный вид: фазы колебаний на различных частотах практически монотонно изменяются в пространстве. Этот результат свидетельствует о том, что колебания уровня в диапазоне периодов 5-18 суток являются преимущественно поступательными волнами.

В Карском море при движении из более глубоководной западной части моря к более мелководным центральной и восточной частям моря направленная на восток фазовая скорость волн увеличивается от 0.6 м/с до 2.5 м/с для периода 15 суток и фазовой скорости 0.4 - 1.3 м/с. Таким характеристикам низкочастотных волн соответствуют длины 173 - 562 км от 2.4 м/с до 6.8 м/с для периода 5 суток. Таким фазовым скоростям и периодам волн соответствуют длины от 778 до 3240 км.

На шельфе моря Лаптевых нет столь значительных перепадов глубины, как в Карском море, и низкочастотные волны с периодом 17 суток, распространяющиеся на восток, имеют здесь практически одинаковую на протяжении всего моря фазовую скорость около 2.2 м/с. Таким параметрам соответствует длина волны 3231 км. Волны с периодом 5 суток распространяются с западной составляющей фазовой скорости 0.4 -1.3 м/с, которой соответствуют длины волн 173 - 562 км.

В параграфе 3.2 оценены характеристики низкочастотных волновых возмущений в альтиметрических полях уровня Балтийского моря на основе частотно-направленного спектрального анализа, выполненного по методу Лонге-Хиггинса-Свешникова, описанного в параграфе 1.1 первой главы. В качестве исходной информации использовались комбинированные альтиметрические данные спутников TOPEX/POSEIDON, ERS-1 и ERS-2, осредненные за 7 суток в узлы неравномерной сетки с шагом вдоль долготы 1/3 и с шагом вдоль широты от 1/3 на экваторе до 0.05 - на широте 82 за период с октября 1992 по февраль 2002 г. В связи с существенным вкладом сезонных изменений в поле уровня, указанные колебания были предварительно отфильтрованы. Результаты частотно-спектрального анализа синоптических полей уровня Балтийского моря показали, что в подавляющем большинстве случаев не отмечается пиков спектральной плотности на пересечении линий нулевых частот. Это свидетельствует о том, что возмущения в поле уровня движутся. Причем в одних районах моря это движение осуществляется в определенных, сравнительно узких секторах, в то время как в других районах возмущения уровня распространяются в совершенно разных направлениях. Часто, на одной и той же частоте отмечаются две системы противоположно направленных волновых возмущений. По результатам частотно-направленного спектрального анализа были оценены различные эмпирические параметры низкочастотных волн в поле уровня моря. Оказалось, что эти волновые возмущения имеют пространственные масштабы приблизительно от 250 до 1400 км, временные - от 30 до 92 суток и распространяются в разных направлениях со скоростями 7 - 31 см/с.

В параграфе 3.3 оцениваются характеристики низкочастотных волн в полях течений арктических морей. Так как некоторые буйковые станции в арктических морях были выставлены в виде полигонов и измерения течений на них велись продолжительное время синхронно, это позволило исследовать пространственную фазовую картину низкочастотных возмущений течений на различных частотах синоптического диапазона. Для этого в рамках векторно-алгебраического метода анализа случайных процессов, описанного в 1-й главе, был проведен взаимный спектральный анализ между течениями на близких горизонтах различных буйковых станций в арктических морях.

Согласно методике, изложенной в параграфе 1.1.4, рассчитывались 4 инварианта тензора взаимной спектральной плотности |I1VU()|, (), |DVU()|, f() и 2 инварианта тензора когерентности F2кол(), F2орт().

Результаты взаимного спектрального анализа синоптических течений в различных морях, омывающих арктическое побережье России, показали, что в западной части Баренцева моря для периодов энергонесущих максимумов взаимной спектральной плотности 81, 16.4 и 6.3 суток отмечалось наличие разности фаз между синоптическими возмущениями при высоких значениях когерентности. Это говорит о том, что возмущения течений синоптического масштаба распространяются в пространстве в виде поступательных волн. Оценки характеристик этих низкочастотных волн показали, что их фазовые скорости меняются от 13 до 240 см/с, длины варьируют от 300 до 1300 км и они распространяются в пространстве, как с восточной, так и с западной составляющей фазовой скорости.

Результаты взаимного спектрального анализа рядов синоптических колебаний течений на северо-востоке Баренцева моря показали, что в большинстве случаев максимумы взаимной спектральной плотности были сосредоточены на периодах около 35, 13 и 5 суток. Для коллинеарных изменений скорости синоптических возмущений течений во многих случаях отмечались высокие значения когерентности (|I1VU()| > 0.6), чаще всего при отрицательных значениях разности фаз. Этот результат свидетельствует о том, что синоптические возмущения течений движутся в большинстве случаев от станции МО1 к станции МО4 в виде прогрессивных волн. Для ортогональных изменений скорости течений высокие значения когерентности отмечались значительно реже. По оценкам разности фаз, для случаев с высокими значениями когерентности были рассчитаны фазовые скорости и длины низкочастотных волн. Оказалось, что низкочастотные волновые возмущения течений с периодами 5 - 35 суток распространяются с фазовыми скоростями от 7.5 до 250 см/с, как с западной, так и восточной составляющей фазовой скорости и имеют длины 245 - 1300 км.

В районе материкового склона морей Лаптевых и Восточно-Сибирского результаты взаимного спектрального анализа рядов синоптических колебаний течений показали, что между близкими горизонтами различных буйковых станций высокие значения когерентности отмечались очень редко и только на отдельных частотах. Причем высокие значения когерентности чаще отмечались на нижних горизонтах. Фазовые сдвиги между возмущениями течений здесь также говорят о том, что они движутся в пространстве в виде прогрессивных волн. Оценки характеристик низкочастотных волн, полученные по результатам взаимного спектрального анализа показали, что они распространяются в юго-восточном направлении с фазовыми скоростями 0.11 _ 0.90 м/с и имеют длины 370 - 690 км.

Для оценки различных характеристик низкочастотных волн в поле течений Чукотского моря с помощью взаимного спектрального анализа между синоптическими колебаниями течений на различных буйковых станциях были выбраны 6 наиболее близко расположенных друг к другу станций в центральной части моря: MC1, MC2, MC3, MC4, MC6 и MF2. На основе этих станций строились микрополигоны путем различных комбинаций 3 станций. Результаты показали, что пики взаимной спектральной плотности, и высокие значения когерентности чаще всего отмечаются для возмущений с периодами 16-21 и 7-9 суток. Наличие разности фаз на этих периодах свидетельствует о том, что синоптические возмущения течений движутся в пространстве в виде прогрессивных низкочастотных волн, как с западной, так и восточной составляющей фазовой скорости. Оценки характеристик низкочастотных волн показали, что волны с периодами 16 - 22 суток имеют длины от 550 до 1788 км и распространяются со скоростями 0.4 - 1.0 м/с в северо-восточном, юго-западном и северо-западном направлениях; волны с периодами 7 - 8 суток имеют длины около 400 - 660 км и распространяются со скоростями от 0.6 до 1.1 м/с в направлении юго-запад и север-северо-запад. Отмечается, что полученные по течениям эмпирические характеристики волн неплохо согласуются с их оценками, полученными по береговым наблюдениям за уровнем в Чукотском море (Войнов и Захарчук, 1999). По-видимому, низкочастотные волновые возмущения течений в синоптическом диапазоне частот находят отражения и в колебаниях уровня Чукотского моря.

В параграфе 3.4 производится сравнительное кинематическое описание низкочастотных волн и синоптических вихрей. В проблеме синоптической изменчивости океанологических полей дискуссионным остается вопрос о распознавании в этих полях синоптических вихрей и низкочастотных волн. Очевидным кажется основное существенное отличие синоптических вихрей от низкочастотных волн: вихри при своем движении переносят водную массу, и течения в них близки к круговым; в волне же перемещается лишь её форма, а частицы воды совершают движения по эллипсовидным орбитам. Однако, в природных условиях для выявления этих различий и точной идентификации синоптических вихрей и низкочастотных волн требуются продолжительные, подробные, весьма сложные и дорогостоящие инструментальные измерения на полигонах, состоящих из большого количества синхронно работающих заякоренных буйковых станций, с измерителями течений, температуры, солености и других океанологических характеристик, а также одновременные с ними комплексные спутниковые наблюдения. Такие наблюдения имеются пока еще только для единичных районов Мирового океана, таких, например, как тропическая часть Атлантического океана (эксперименты ПОЛИГОН, МОДЕ, ПОЛИМОДЕ) и северо-западная часть Тихого океана (эксперимент МЕГОПОЛИГОН) (Каменкович и др., 1987; Эксперимент «Мегаполигон», 1992).

В морях, омывающих северо-западное и арктическое побережья России, столь представительных экспериментов не проводилось, хотя в ряде работ предпринимались попытки идентификации синоптических вихрей по различным инструментальным измерениям (Элькен, 1981; Aitsam, Elken J., 1982; Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР. Балтийское море. 1992; Беляков и Волков, 1985; Горбунов и Лосев, 1978; Отчет о дрейфе станции «Северный полюс - 31», 1991 г.). Однако идентификация неоднородностей в полях различных океанологических характеристик, как синоптических вихрей, по приведенным в этих работах наблюдениям на наш взгляд недостаточно убедительна. Описанные возмущения в морях, омывающих арктическое и северо-западное побережья России можно интерпретировать в некоторых случаях и как инерционные колебания, внутренние приливные волны или различные виды низкочастотных волн.