Характерные временные масштабы изменчивости температуры и скорости течений в прибрежной зоне Чёрного моря и их взаимосвязь с ветровым воздействием

Задача состоит в исследовании гидрометеорологической системы в северо-восточной шельфово-склоновой части Черного моря, включая региональную гидродинамику, процессы переноса энергии во взаимодействиях атмосфера-море.
Анализ основан на данных современной гидрометеорологической измерительной сети "Гидрофизический Полигон" Института океанологии РАН, с использованием контактных и дистанционных зондирований, метеорологических станций вокруг берегов Черного моря, в том числе долгосрочных (1938-2014) измерений на метеостанции Геленджика, баз спутниковых данных и различных реанализов. В настоящее время имеются три долговременные заякоренные станции (на каждой установлены ADCP и цепочка термисторов) и система профилирования "Akvalog". На регулярной основе выполняются гидрологические разрезы и полевые съёмки с помощью буксируемых ADCP и CTD. Данные накапливаются в береговом архиве, что позволяет проводить калибровки измерителей и тестирования численных моделей.
Обработка данных включает в себя подготовку, редактирование временных рядов, статистические расчеты, включая гистограммы, прогрессивные векторные диаграммы, традиционный спектральный анализ Фурье, авто- и кросс-спектры,; авто- и взаимные вейвлет-диаграммы, спектрограммы; методы обработки векторных данных с расчётом вращательных компонент, спектральных инвариантов, эмпирических ортогональных функций, годографов и определения части энергии в спектрах, обусловленной динамическими предположениями. Вследствие присущей временным рядам перемежаемости, Фурье-спектральное представление может вводить в заблуждение. Эта проблема преодолевается с использование вэйвлет-разложений. Для идентификации наблюдаемых эволюционных динамических явлений, были определены сезонные фоны в трёхмерной гидрологической структуре исследуемой области, а также количественно оценены колебания, связанные с различными частотными компонентами изменчивости, такими как суб-мезомасштабные вихри, краевые шельфовые волны, инерционные колебания, полусуточные и короткопериодные внутренние волны, поверхностные волны.
По оценкам статистических связей между различными параметрами гидрометеорологической системы, такими как метеорологические элементы, уровень моря, температура и скорости течений, были оценены пространственно-временные масштабы изменчивости и взаимодействия наблюдаемых полей. Спектры имеют обычный для геофизических рядов красный вид, с характерными максимумами соответствующими годовым и суточным колебаниям с обертонами. Фон спектров на низких частотах с периодами более 100 суток близок к белому шуму; спадает по частоте в степени -1 в интервале периодов 100-10 сут. и в степени -2 - в высокочастотной части спектров для периодов менее 10 суток. Такая структура спектрального фона может быть объяснена эвристически в рамках диффузионной концепции фликкер – шума. Локально, отклик гидрофизической системы на множественные случайные по фазе и амплитуде воздействия можно рассматривать как нормальный шум, преобразованный в системе с релаксацией, временной масштаб которой определяется физическими свойствами среды.
Выявлены некоторые новые особенности физических механизмов разномасштабных гидрофизических процессов в шельфовой зоне Черного моря, В частности, показано, что имеют место ветровые самоподобные циклы на различных временных масштабах, каждый из которых состоит из пары характерных северо-восточного и юго-восточного ветров, что соответствует попеременному воздействию Азорского и Сибирского антициклонов (зимой). Черное море расположено в цепи внутренних бассейнов между Северной Атлантикой и пустынями Центральной Азии, в промежуточной зоне влияния Азорского и Сибирского антициклонов, с запада и востока, а также подвержено влиянию прорывов арктических холодных воздушных масс с севера и горячего воздуха со стороны субтропического глобального пояса пустынь, с юга. В диапазоне масштабов десятилетних циклов и в масштабе всего Черного моря, долгосрочные циклы ветров поддерживают Основную циркуляцию Черного моря. Временные циклы продолжительностью около 20 суток приводят к выраженным апвеллингам, возникающих примерно с той же частотой. Каждый апвеллинг сопровождается реструктуризацией стратификации и интенсивной горизонтальной адвекцией вод. Кинетическая энергия вдольбереговых течений доминирует, причём эти течения имеют реверсивный характер. Если текущая скорость течения превышает некоторое пороговое значение, то возникают релаксационные инерционные колебания.
Работы выполнены в рамках Соглашения № 14.604.21.0044 с Минобрнауки РФ, Программы 23 РАН "Фундаментальные проблемы океанологии: физика, геология, биология, экология", гранта РФФИ-РГО №13-05-41450.