Особенности крупномасштабной изменчивости альтиметрического уровня в районе Антарктического циркумполярного течения Южного океана

Уровень океана является важнейшей интегральной характеристикой, отражающей как гидродинамические процессы в самом океане, так и характер взаимодействия океана и атмосферы. Многофакторная обусловленность колебаний уровня океана предопределяет сложный характер его изменчивости. Наряду с общими климатическими тенденциями, присутствующими в ходе уровня моря и отражающими крупномасштабное взаимодействие в системе океан-атмосфера, в изменчивости уровня выделяются более высокочастотные компоненты, являющиеся реакцией на воздействие локальных факторов и отражающие региональные особенности ритмики уровня моря.

С развитием спутниковых методов появились новые возможности исследования пространственно-временной изменчивости уровня в различных районах Мирового океана. Спутниковая альтиметрия открывает новые возможности в изучении динамики океана. Особый интерес представляет изучение Южного океана, который представляет собой уникальную физико-географическую область Мирового океана. Важнейшей чертой динамики Южного океана является Антарктическое циркумполярное течение, опоясывающее Антарктический материк непрерывным кольцом. Здесь формируются промежуточные и придонные воды, распространяющиеся в Тихий, Атлантический и Индийский океаны. Динамические процессы в Южном океане существенно влияют на гидрологический режим всего Мирового океана, следовательно, на климат Земли.

Климатические изменения в Мировом океане достоверно оценить можно лишь осуществляя мониторинг основных климатически значимых характеристик. В этом ряду, низкочастотные колебания уровня Южного океана, можно рассматривать в качестве одного из основополагающих климатических параметров. Сложная картина изменчивости термодинамических полей Южного океана отмечалась многими авторами.

В настоящей работе исследуются особенностей крупномасштабной изменчивости альтиметрического уровня в районе Антарктического Циркумполярного течения Южного океана на основе взаимного вейвлет– анализа. Для этого была использована спутниковая альтиметрическая информация банка данных AVISO (Archiving, Validation and Interpretation of Satellite Oceanographic data). Подготовленный массив аномалий уровня (DT-MSLA) представляет собой временный ряды в период с 1993 по 2012 с дискретностью 7 суток.

Оценки первых статистических моментов свидетельствуют о значительной изменчивости альтиметрического уровня в данном районе Южного океана. Прослеживается существенная пространственная неоднородность, как в меридиональном, так и зональном направлениях. Величины среднеквадратических отклонений лежат в пределах от ±3,6см до ±21 см. Пестрая картина изменчивости уровня вероятно связана с неоднородностью и неустойчивостью основного потока АЦТ, его взаимодействием с другими динамическими структурами и структурными элементами общей циркуляции Южного океана.

Рассчитанные функций спектральной плотности демонстрируют наличие хорошо выраженных колебаний в низкочастотной части спектра с периодами около 2,3 месяца, 6 месяцев и 1 года. Также на большинстве спектров выделяются более долговременные ритмы с периодами 2,5–3 года, и более.

Для выявления устойчивости выявленных ритмик во времени использовался аппарат вейвлет-анализа временных рядов. Использование вейвлет-анализа позволило выявить значительную нестационарность процесса колебания альтиметрического уровня во временной области. Общая картина распределения энергии по временным масштабам колебания уровня носит сложный характер. На вейвлет-спектрах хорошо выделяется годовая ритмика. Однако, даже в годовых ритмах присутствует значительная перемежаемость во временной области.

Межгодовая изменчивость характеризуется наличием 2- 2,5 и 4х летних ритмов. Они присутствуют в большинстве исследуемых временных рядов. Двухлетние ритмы наиболее ярко проявляются в период с 2001г. по 2009 г. Необходимо отметить, что 2х летние ритмы имеют более устойчивый характер, чем 4х летние.

Для выявления взаимосвязи между колебаниями различных временных масштабов был проведен взаимный вейвлет-анализ. Были рассчитаны функции взаимного вейвлет–спектра, вейвлет– когерентности и вейвлет-фазы. Была исследована взаимосвязь долговременной изменчивости в долготном и широтном направлениях.

Анализ вейвлет-спектров показал, что в области низких частот наблюдаются широкополосные локализованные максимумы с периодом около года. В тоже время, максимумы вейвлет-когерентности являются узкополосными в области высоких частот и широкополосными в области низких частот.

Характер распределения вейвлет-фаз позволяет сделать вывод о распространении возмущений уровня на масштабах около года в восточном направлении, т. е. по направлению распространения основной струи АЦТ.

Изменчивость уровня на масштабами около 2х и 4х лет, также выделяется на взаимных вейвлет-спектрах. Однако, сделать выводы о характере данных колебаний не представляется возможным в связи с выявленной, на основе анализа спектра вейвлет-когерентности, неустойчивостью фазовой картины.

Механизмами формирования выявленных долговременных ритмов могут быть как процессы вихреобразования (время жизни вихрей в данном районе около 2,5лет), так и низкочастотные волновые процессы.

Обобщая полученные результаты необходимо отметить, что в настоящей работе на основе использования вейвлет-анализа выявлены основные энергонесущие масштабы временной изменчивости альтиметрического уровня Южного океана. Выявлена существенная нестационарность процесса во времени и пространстве. Описаны пространственно-временные особенности колебания уровня с использованием взаимного вейвлет – анализа. Продемонстрирована возможность использования взаимного вейвлет-анализа для уточнения механизмов формирования изменчивости уровня Южного океана.