Динамика вод и перенос субстанции в Балтийском море в синоптическом диапазоне масштабов

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

Силы, вызывающие синоптические возмущения в полях океанографических характеристик известны, это силы тангенциального напряжения ветра, горизонтального градиента атмосферного давления, архимедова сила и приливообразующие силы. Под действием этих сил в синоптическом диапазоне частот генерируются различные физические процессы, которые в той или иной мере находят отражения в колебаниях уровня, течений температуре воды и примесях. За последние десятилетия теоретические и эмпирические исследования показали, что синоптические процессы в океанах и морях отличаются большим разнообразием и вносят определяющий вклад в энергию движения морских вод.

Балтийское море является внутриконтинентальным шельфовым морем Атлантического океана, связь с которым осуществляется через Северное море. Водообмен между Балтийским и Северным морями происходит через узкие мелководные проливы Скагеррак, Каттегат и Датские проливы (глубины на порогах 7 — 18 м). Ограниченность моря и затрудненный водообмен с океаном существенно влияют на особенности его низкочастотной динамики и термохалинные процессы, которые определяется совокупностью целого ряда гидрометеорологических процессов. На рисунке 1 представлена схема процессов синоптического масштаба, которые, согласно литературным источникам (Ьоп§ ие1:-Н1§§ т8, 1968; Муэак е1 а1, 1979; Ле Блон, П., Л. Майсек, 1981; Фукс, 1982; Айтсам и Талпсепп, 1982; Талпсепп, 1983; Козлов, 1983; Ефимов и др., 1985; Каменкович и др., 1987; Коротаев, 1988; Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР. Балтийское море. 1992; Белоненко и др., 2004), могут вносить тот или иной вклад в формирование полей океанографических характеристик.

СИНОПТИЧЕСКАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ УРОВНЯ И ТЕЧЕНИЙ БАЛТИЙСКОГО МОРЯ.

Неволновые движения.

Ветровые Бароградиентные.

Стерические.

Свободные и вынужденные низкочастотные волны.

Поступательно-стоячие.

Синоптические вихри.

Градиентно-вихревые волны.

Вихри баротропной и бароклин. неустойчив.

Анемоба-рические.

Топографические.

Волны Россби.

Топографические волны.

Сдвиговые волны.

Бароклинные.

Волны Россби.

Топографические волны н.

Фронтальные волны Л.

Сдвиговы е волны н ы.

Шельфо вые волны.

Двойные волны Кельвина.

Желобовые волны.

Струйные волны.

Шель-фовые волны.

Двойные волны Кельвина.

Желобовые волны.

Придонные захваченные волны.

Струйные волны.

Рисунок 1 представлена схема процессов синоптического масштаба, которые можно встретить в Балтийском море.

Прохождение над акваторией моря атмосферных циклонов и антициклонов приводит к формированию в синоптическом диапазоне частот систем ветровых и бароградиентных течений, которые в прибрежной зоне могут проявляться в виде интенсивных сгонно-нагонных колебаний уровня, иногда катастрофического масштаба (Невские наводнения, штормовые нагоны в районах южного и восточного побережий центральной Балтики (Лабзовский, 1971; Пясковский и Померанец, 1982). Существенная меридиональная протяженность Балтийского моря не исключает определенного вклада в динамику его вод совместного эффекта сферичности и вращения Земли (/? — эффект), который в низкочастотной области спектра выступает в роли волнообразующего механизма для волн Россби (ЯоззЬу, 1939), относящихся к классу градиентно-вихревых волн (Ефимов и др., 1985; Белоненко и др., 2004; Захарчук и др.2004; Фукс, 2005). В отличие от длинных гравитационных волн, которые являются продольными, градиентно-вихревые относятся к классу горизонтально-поперечных волн, генерирующихся всегда только на частотах существенно ниже инерционной частоты. В шельфовых областях океана образуются различные виды захваченных низкочастотных волн, типа волн Кельвина и топографических, которые могут генерироваться 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 топографические, как и волны Россби, — к градиентно-вихревым волнам.

Механизм захвата волновой энергии для баротропных волн Кельвина связан с вращением-Земли и наличием береговой границы, а для топографических — с вращением Земли и неоднородностью рельефа морского дна. В зависимости от особенностей изменчивости донного рельефа выделяют частные случаи топографических волн: шельфовые, желобовые, двойные волны Кельвина. В стратифицированном океане генерируются бароклинные моды волн Кельвина и градиентно-вихревых. В результате совместного влияния стратификации, наклона дна и вращения Земли образуется еще один частный вид топографических волн — придонные захваченные волны (Талпсепп, 1983).

Бароклинная и баротропная неустойчивость крупномасштабных течений и волн может приводить к образованию синоптических вихрей (Каменкович и др., 1987), которые в отличие от волн при своем движении переносят водную массу. Генерация синоптических вихрей возможна также за счет прямого атмосферного воздействия (анемобарические вихри). Релаксация вихрей может происходить в виде различных мод низкочастотных волн. Любое начальное локализованное вихревое возмущение одного знака не может оставаться стационарным и начинает излучать в окружающее пространство низкочастотные волны, типа волн Россби (Коротаев, 1988).

Теоретические и экспериментальные исследования показывают что, 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. При этом за препятствием могут генерироваться топографические волны Россби, которые, в зависимости от соотношения скорости 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 Балтийского моря могут генерироваться еще несколько видов захваченных низкочастотных волновых возмущений — фронтальные и сдвиговые волны (Белоненко и др., 2004). Частным случаем сдвиговых волн являются струйные волны (Me Williams, 1978; Захарчук и Фукс, 1999). В качестве волнообразующего механизма для сдвиговых волн выступает градиент градиента горизонтальной скорости фонового течения, а для фронтальных — совместное влияние эффектов горизонтальных градиентов плотности воды и вращения Земли.

Наиболее полно изменение субстанции в какой либо точке моря описывается уравнением переноса и ее диффузии. Для синоптического диапазона можно пренебречь пресным балансом, влияние которого проявляется в сезонной изменчивости, тогда уравнение переноса и диффузии субстанции будет таким: ее ее ее ее ее е и—1-V—1-W—1-w&bdquof. ее^ к — fе2с е2с>] А.

Э/ ех еу дг 4 дг дг ^ дг) ^ дх2 ду2 у.

Где, 1-время, х, у, г — декартовы координаты, ось ОЪ направлена вертикально вниз, С — субстанцияуч — скорость гравитационного осаждения, ккоэффициент вертикальной турбулентной диффузии, Акоэффициент горизонтальной турбулентной диффузии.

Исходя из уравнения (1), изменение во времени концентрации субстанции зависит от ее адвекции течениями, гравитационного осаждения и горизонтальной и вертикальной турбулентной диффузии.

Синоптические исследования пространственно-временной изменчивости субстанции в Балтийском море потому что измерения температуры, солености и других океанологических характеристик проводилось главным образом наоснове судовых измерений, которые ограничены как по времени, так и по пространству. Ситуация изменилась в последние десятилетия когда наряду с традиционными спутниковыми измерениями температуры стали проводиться измерения хлорофилла. В настоящее время.

О) сталидоступны данные с пространственнойдискретностью 1 градус и временной дискретностью 8 суток. Такие измерения позволяют на новом, более представительном уровне исследовать пространственно-временную изменчивость океанологических полей в синоптическом диапазоне масштабов.

Актуальность темы

.

Синоптические возмущения в полях температуры воды, солености, колебаниях уровня и течений Балтийского моря остаются недостаточно изученными, хотя все имеющиеся исследования показывают, что связанные с ними процессы вносят определяющий вклад в динамику вод большинства регионов Балтийского моря. Несмотря на то, что исследованию этих процессов в Балтийском море уделялось определенное внимание, очень многие вопросы на сегодняшний день являются все еще открытыми. Недостаточно изученными остаются* колебания уровня синоптического масштаба. При изучении возмущений течений синоптического масштаба в большинстве случаев отсутствует их волновая интерпретация. Не исследованы пространственные масштабы возмущений синоптического масштаба. Не оценен сравнительный вклад ветровых течений, синоптических вихрей и различных типов низкочастотных волн в формирование океанологических полей Балтийского моря. 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 Балтийском море на совершенно новом, более представительном уровне. Прежде всего, в последние годы 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 Балтийского 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 течений. Все это открывает уникальные возможности для-организации синоптического океанологического мониторинга.

Также качественно изменилась и метеорологическая информация. В настоящее время, в рамках международного проекта по реанализу метеорологических данных, на основе усвоения* натурных измерений в гидродинамических моделях для региона Балтийского моря шведскими учеными подготовлены, и стали доступны для широкого пользования более подробные поля ветра и атмосферного давления за период с 1979 по 2000 гг. с дискретностью 3 часа и пространственным разрешением 1° х 1°. Эти метеорологические данные позволяют более представительно провести численные эксперименты для исследования механизмов формирования и генерации возмущений синоптического масштаба в океанологических полях за счет атмосферных процессов.

В конце 90-х годов прошлого столетия из космоса стали производиться измерения концентрации хлорофилла «а» в океанах и морях. Хлорофилл — один из самых важных компонентов живой растительной клетки, участвующий в поглощении световой энергии и в синтезе органического вещества. Поэтому определение содержания хлорофилла в клетках фитопланктона в качестве меры «потенциального фотосинтеза» может иметь большое значение при определении величины органической продукции в океанах и морях.

Хлорофилл «а» является пигментом первостепенного значения в фотосинтезе морских водорослей. Энергия света, поглощенная им, непосредственно используется в фотохимической реакции.

Методы определения хлорофилла в морской воде за последние годы претерпели многочисленные видоизменения и подверглись улучшению. Качественный прорыв в этом направлении произошел, когда эту задачу стали решать на основе спутниковых методов дистанционного зондирования.

Все это позволяет оценить пространственно-временную изменчивость концентраций фитопланктона в синоптическом диапазоне масштабов.

Первые гидрологические исследования Балтийского моря были опубликованы, в 1702 году. Первые же исследования плотности воды датируются концом XVIII века. Крупные исследования гидрологического режима Балтийского моря с научной точки зрения начинались в конце XIX века (Проект «Моря», 1992).

Первые исследования синоптической изменчивости гидрологических характеристик были проведены в 1931 году в Проливе Каттегат (Defant А., Schubert О., 1934). Международная экспедиция, посвященная синоптической изменчивости центральной части Балтийского моря была проведена в 1964 году. Следующей международной экспедицией по изучению синоптической изменчивости Готландского бассейна была BOSEX в 1977 г. И в 80 х годах проект «Балтика» также занимался изучением Балтийского моря, включая синоптические съемки отдельных акваторий.

1 Можно отметить, что исследования Балтийского моря преимущественно носило интуитивный характер и основное внимание уделялось получению информации о — параметрах гидрологического режима и их изменению в толще вод в масштабах сезонной и межгодовой изменчивости (Проект «Балтика», 1984; Проект «Моря», 1992).

К сожалению изменчивость субстанции в синоптическом диапазоне масштабов очень плохо изучена в. Балтийском море, очень плохо изучены физические процессы которые ответственны за ее перенос, такие как ветровые течения, синоптические вихри или градиентно-вихревые волны. Это связано в первую очередь с тем, что измерения в основном проводились только судовыми съемками, которые имели эпизодический характер. Даже специальные срочные судовые измерения по температуре и солености в отдельных точках Балтийского моря имеют недостаточную репрезентативность для статистического анализа синоптической изменчивости.

Однако такие попытки проводились (Динамика вод., 2007; Клеванцов Ю. П. и др., 2006; Давидан И. Н. и др, 2005). К недостаткам в этих работах можно отнести то, что из исходных данных при анализе не были исключены не внутрисуточный ход температуры воды, ни сезонная изменчивость температурьг и солености, что не позволяет адекватно оценить изменчивость данных параметров в масштабах синоптической изменчивости. В работе (Проект «Балтика», 1984) основное внимание уделялось визуальной и количественной оценке по полученным картам распределения температуры воды и солености в пространстве, а не их статистической обработке.

В. последнее время стали доступны значения температуры воды и солености на длительных (год и больше) стационарных станциях ВагэБ^П, и станциях в восточной части Финского залива с дискретностью 1 измерение в сутки, кроме того появились спутниковые данные по хлорофиллу «а», что позволяет более качественно оценить пространственно-временную изменчивость и перенос субстанции в диапазоне синоптической изменчивости.

До последнего времени гидродинамическое моделирование изменчивости течений и уровня и переноса субстанции Балтийского моря 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 Балтийского моря, баротропная и бароклинная неустойчивость течений, и генерация синоптических вихрейисследование динамики различных видов низкочастотных волн и механизмов их генерации. Поэтому в данной работе существенно расширен круг численных экспериментов по изучению возмущений синоптического масштаба в океанологических полях.

Цель и задачи работы. ,.

Основная цель диссертационной работы — исследование пространственно-временной структуры и механизмов формирования полей океанологических характеристик Балтийского моря в синоптическом диапазоне масштабов. Для достижения цели решаются следующие задачи:

1. Формирование представительной базы данных контактных и спутниковых измерений Балтийского моря для изучения синоптической изменчивости океанологических характеристик.

2. Оценка пространственно-временной изменчивости статистических характеристик различных гидрологических процессов в синоптическом диапазоне масштабов.

3. Выделение низкочастотных волн в полях уровня и течений, и оценка их характеристик.

4. Оценка статистических связей синоптических колебаний уровня и течений с анемобарическими силами.

5. Идентификация полученных эмпирических характеристик низкочастотных волн путем их сравнения с теоретическими дисперсионными соотношениями различных видов градиентно-вихревых волн.

6. Оценка сравнительного вклада различных процессов и факторов в формирование динамических и термохалинных полей на основе численных экспериментов на гидродинамической модели.

7. Оценка сравнительного вклада адвекции, турбулентной диффузии и биотической трансформации в формирование полей хлорофилла «а».

8. Описание особенностей пространственно-временной изменчивости и механизмов формирования динамических, термохалинных и биотических полей в синоптическом диапазоне масштабов.

Методы исследования.

Для изучения синоптической изменчивости уровня и течений, а также переноса и трансформации вещества в Балтийском море использовались следующие методы статистического анализа стационарных и нестационарных случайных процессов.

1 Подиапазонный дисперсионный анализ скалярных и векторных случайных процессов.

2 Метод Фурье-анализа.

3 Гармонический анализ приливов методом наименьших квадратов.

4 Стационарный и нестационарный корреляционный и взаимно-корреляционный анализы скалярных и векторных процессов.

5 Стационарный и нестационарный спектральный и взаимно-спектральный анализы скалярных процессов.

6 Векторно-алгебраического метод анализа случайных процессов.

7 Частотно-направленный спектральный анализ полей уровня.

8 Вейвлет-анализ.

9 Многомерный регрессионный анализ.

10 Идентификация волновых возмущений в полях уровня и течений путем сравнения их эмпирических и теоретических характеристик полученных на основе статистического анализа дисперсионных соотношений для различных видов градиентно-вихревых волн и волн Кельвина.

11 Численное гидродинамическое моделирование.

Новизна работы.

1. Впервые на основе дисперсионного анализа, выполненного с учетом нестационарности процесса для различных диапазонов временной изменчивости, оценен количественный вклад колебаний синоптического масштаба в дисперсию температуры воды, солености, уровня и течений для различных регионов Балтийского моря.

2. Впервые доказана существенная нестационарность по дисперсии и спектральной плотности в колебаниях температуры воды, солености, уровня и течений в синоптическом диапазоне масштабов.

3. Впервые показано, что в формирование Невских наводнений' существенный вклад вносят колебания уровня синоптического масштаба.

4. На основе взаимно-корреляционного и взаимно-спектрального анализа нестационарных случайных скалярных и векторных процессов впервые выявлена существенная нестационарность связи между течениями в центральной Балтике и различными метеорологическими характеристиками.

5. Впервые на основе численных экспериментов на гидродинамической модели Балтийского моря, выполненных при различных упрощающих сценариях, оценен сравнительный вклад различных процессов в формирование синоптических полей уровня, течений, температуры и солености воды Балтийского моря.

6. В работе впервые на основе экспериментальных данных и результатов численного гидродинамического моделирования оценены и описаны эмпирические характеристики низкочастотных волн в поле уровня и теченияй и проведено их сравнение с теоретическими дисперсионными соотношениями градиентно-вихревых волн в Балтийском море.

7. На основе разработанной динамико-стохастической модели пространственно-временной изменчивости полей концентрациихлорофилла «а» в Балтийском море оценен сравнительный вклад горизонтальной адвекции, турбулентной диффузии и биотических факторов в формирование полей хлорофилла.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Закономерности пространственно-временной изменчивости полей динамических и термохалинных характеристик синоптического масштаба в Балтийском море, и оценка особенностей механизмов их формирования под действием анемобарических сил.

2. Волновая интерпретация синоптической изменчивости полей океанологических характеристик. Балтийского моря, основанная на сравнении эмпирических и теоретических дисперсионных соотношений низкочастотных волн.

3. Оценки сравнительного вклада различных процессов в синоптическую изменчивость динамических и термохалинных полей, полученные с помощью численных экспериментов на гидродинамической модели.

4. Оценки сравнительного вклада адвекции, турбулентной диффузии и биотической трансформации в формирование полей хлорофилла «а» в Балтийском море на основе спутниковой информации.

Практическая значимость работы.

Результаты работы вошли в материалы отчетов по темам Научноисследовательских работ и опытно-конструкторских работ (НИОКР) Росгидромета, таким как: Целевая' научно-техническая программа «Научные исследования и разработки в области гидрометеорологии и мониторинга окружающей среды», подпрограмма «Морские исследования в Арктике, на морях России, континентальном шельфе" — Федеральная целевая программа «Мировой Океан» (в рамках подпрограммы 2 «Создание единой системы информации об обстановке в Мировом Океане») — Федеральная целевая программа «Мировой Океан» (в рамках подпрограммы 1 «Исследование природы Мирового Океана»), и в международном проекте НАТО «Flood Risk Analysis for the Gulf of Finland and Saint Petersburg».

Также результаты работы можно использовать при прогнозировании Невских наводнений, при построении гидродинамических моделей прогнозирования физического и биотического состояний Балтийского моря.

Апробация работы.

Результаты работы докладывались и обсуждались на российских и международных конференциях и рабочих встречах:

7-я Международная конференция и выставка «Акватерра». Санкт-Петебург. 2004 г.

7thHIROMB-Scientific Workshop. Helsinki. 2004.

VI международный экологический форум «День Балтийского моря». Санкт-Петербург. 2005 г.

VII международный экологический форум «День Балтийского моря». Санкт-Петербург. 2006 г.

International Workshop «Extreme water levels in the Eastern Baltic». St. Petersburg, Russia, 2007.

А также в итоговых сессиях Ученого совета СПО ГУ «ГОИН». Результаты работы вошли в отчеты по проектам РФФИ и обсуждались на семинарах СПбГУ.

Публикации.

Научные результаты работы опубликованы в: 3 монографиях, в 7 периодических изданиях, в том числе в 3 реферируемых («Метеорология и гидрология»), а также материалах российских и международных конференций.

Заключение

.

В представленной работе решена научная проблема, имеющая важное прикладное значение — исследованы недостаточно изученные колебания динамических, термохалинных и биотических характеристик в Балтийском море в синоптическом диапазоне масштабов. Впервые для этих целей была использована спутниковая альтиметрическая информация об изменчивости полей уровня и спутниковые данные 8еа\^Б8 о изменчивости хлорофилла «а». Основные результаты исследования сводятся к следующему:

1. Синоптические колебания уровня вносят существенный, а в отдельные сезоны определяющий вклад в суммарную дисперсию уровня по сравнению с колебаниями других временных масштабов. Выявлено, что в 36% случаях в формирование Невских наводнений значительный вклад вносят колебания синоптического масштаба. В спектрах колебаний уровня синоптического масштаба основные энергонесущие максимумы приходятся на периоды от 13−20 до 60−80 суток. Пространственные масштабы возмущения уровня варьируют от 10−15 и 50−100 км до масштабов, сравнимых с размерами всего Балтийского моря.

2. В колебаниях течений синоптического масштаба наибольшая спектральная плотность приходится на периоды от 3.5 до 50 суток.

3. В изменчивости температуры и солености воды на сети прибрежных станций Росгидромета и на станциях в открытой части моря синоптические колебания в поле этих характеристик сравнимы с сезонными колебаниями, а в отдельных случаях преобладают (соленость) по величине над ними. Основные энергонесущие максимумы «синоптических возмущений температуры и солености воды приходятся здесь на периоды 40, 20, 13 и 5 суток.

4. В изменчивости уровня и течений выявлена волновая природа синоптических колебаний. Оценки характеристик волн показали, что они распространяются в различных направлениях с характерными фазовыми скоростями от десятков до сотен см/с и длинами от десятков до тысяч километров.

5. Выделенные эмпирическим путем волны идентифицируются как баротропные и бароклинные топографические волны Россби, которые вносят значительный вклад в формирование неоднородностей синоптического масштаба в полях температуры и солености через процессы волновой' адвекции и турбулентной диффузии.

6. Уровень статистической связи между волновыми возмущениями в поле течений синоптического масштаба и различными метеорологическими характеристиками значительно меняется во времени от очень низких значений до значимых оценок когерентности на отдельных — энергонесущих частотах. Делается вывод, что в синоптическом диапазоне пространственновременных масштабов наиболее интенсивные течения генерируются за счет резонанса между анемобарическими силами в перемещающихся циклонах и антициклонах и собственными колебаниями Балтийского моря, идентифицируемыми нами как свободные топографические волны.

7. Волны Невских наводнений не всегда идентифицируются как длинные гравитационные волны. В ряде случаев их характеристики хорошо согласуются с теоретическими дисперсионными соотношениями вынужденных бароклинных топографических волн.

8. На формирование полей уровня, течений, температуры воды и солености в Балтийском море значительное влияние оказывают эффекты вращения и сферичности Земли, донной топографии и стратификации вод.

9. Наибольший вклад в изменение концентрации хлорофилла «а» в среднем для моря оказывает биотический фактор, ограничивающий скорость роста концентрации хлорофилла за счет внутривидовой конкуренции, на втором месте по значимости выступает другой биотический фактор, связанный со скоростью продуцирования хлорофилла за счет фотосинтеза. Вклад абиотических факторов в среднем для моря несколько меньше, однако в зависимости от района вклады динамических и биотических факторов в формирование полей хлорофилла меняются в широких пределах и в некоторых случаях наибольший вклад в формирование синоптических неоднородностей в поле хлорофилла вносят абиотические процессы, связанные с адвекцией и турбулентной диффузией.