Особенности колебаний уровня моря в северо-восточной части Чёрного моря: спектральный состав и связи с региональной гидродинамикой и атмосферными воздействиями

Цель исследования

На основе измерительной информации "Черноморского гидрофизического полигона Института океанологии РАН" (Зацепин и др., 2014),, полученной в 2008-20016 гг., с использованием данных спутниковых дистанционных зондирований и различных реанализов, рассматриваются гидрометеорологические условия в шельфовой зоне северо-восточной части Черного моря. Целью измерений на Полигоне является исследование механизмов развития сложных разномасштабных гидродинамических процессов во взаимодействии с атмосферой.
Одним из индикаторов региональной системы атмосфера-море является уровень моря. Представляет интерес изучение изменений уровня моря, связанных с рядом регулярно наблюдающихся вдоль побережий в северо-восточной части Чёрного моря, явлений, таких как значительные и резкие похолодания морских прибрежных вод, сгоны и нагоны, апвеллинги и даунвеллинги, разномасштабные вихревые и волновые течения и их проявления на поверхности моря.
В общем случае временной ход уровня моря очень сложен, т.к. в колебания уровня моря вносятся вклады за счёт региональной гидродинамики (крупномасштабные течения, вихри, приливы и волны), воздействий атмосферы (атмосферное давление, ветровые и волновые сгоны/нагоны, солнечный прогрев, испарение и осадки), а также вклады за счёт речного стока и движений земной коры (IOC Manual ..., 2006). В связи с этим, для однозначной интерпретации событий в колебаниях уровня моря требуется тщательный анализ и других гидрометеорологических параметров.
Региональные исследования уровня моря важны для ряда прикладных задач, таких как, например, проект «Полигона калибровки высокоточного радиовысотомера» (Мельников, 2009), который входит в состав наземного специального комплекса космической геодезической системы.


Данные

В настоящее время на Полигоне установлены три долговременные измерительные станции (ADCP и термокоса на каждой), а также сканирующий зонд-профилограф «Аквалог». Анализ основан на данных измерений уровня моря при помощи опции измерений поверхностного волнения и придонных датчиков давления АDСP, начиная с 2005 г., с перерывами на перестановки. В период с 09.12.2008 по 12.08.2009 гг. была получена запись измерений с дискретностью 1 час температуры и уровня моря на пирсе в Голубой бухте. На метеостанции г. Геленджика (44.55°N, 38.05°E) уровень моря измеряется с 1935 г. по н.вр., с дискретностью 6 часов. Составлены продолжительные ряды наблюдений (1998-2011 гг.) по данным 134 прибрежных метеостанций вокруг берегов Черного моря, включая измерения температуры поверхности моря (ТПМ) и метеоэлементов на метеостанции г. Геленджика в период 1935-2017 гг., ( Golenko et al., 2009).
Для интерпретации процессов и интеркалибрации рассматривались базы данных спутниковых зондирований: динамические аномалии уровня моря (AVISO altimetry data); ТПМ PathFinder, v.5, (1985г. - н.в.); ветер на поверхности моря QuickSCAT SeaWinds; реанализы NCEP-NCAR, SCIRON; массив высот рельефа земной поверхности и дна моря “ETOPO-2” с пространственным разрешением 2 дуговые минуты, (Smith and Sandwell, 1997).


Особенности вариаций уровня в северо-восточной части Чёрного моря

Накопленные к настоящему времени данные контактных и дистанционных измерений позволяют оценить масштабы временной и пространственной изменчивости уровня моря в интервалах от минут до десятков лет и от 15 км до сотни км.
По спектрам уровня моря (и других параметров гидрометеорологической системы: температуры воздуха и воды, ветер, и др.), выделяются три группы временных масштабов: 1) многолетние, с периодами более трёх лет; 2) годовые (сезонные), а также первый и второй обертоны годовых -полугодовые и третьгодовые; 3) мезомасштабные (от нескольких часов до нескольких суток), с максимумами на суточном и полусуточном периодах и на первом, втором, третьем их обертонах.
Спектр колебаний уровня моря в высокочастотной части, в полосе периодов от года до 20 мин. имеет «красный» вид, т.е. спадающий по частоте, что характерно для колебаний параметров во многих геофизических системах, (Мельников, 2015).
Хорошо заметны доминирующие годовые колебания (25-30 см по амплитуде, из которых ~ 15 см – стерические изменения)), и низкочастотные многолетние вариации на фоне линейного повышения уровня моря со скоростью 1.55±0.05 см в 10 лет. Продолжительность циклов низкочастотных колебаний уровня моря в период с 1990 г. по н.вр. уменьшилась с 20 лет до 3 лет, причём амплитуда колебаний увеличилась с 5 до 10 см. За последние 30 лет фоновое потепление составляет 0.072±0.005ºС/год по температуре воды и 0.051±0.05ºС/год по температуре воздуха. 43-летний цикл по температурам (1947-1990 гг.) сменился полуциклом (незавершённым) 1990-2005 гг. с более коротким периодом, причём амплитуды колебаний температур с 1990 г. явно возросли. Смена режимов низкочастотных колебаний, выражающаяся в изменениях амплитуд и частот долговременных цикличностей наблюдается во временном ходе и других параметров. В долговременных изменениях атмосферного давления и осадков видна обратная закономерность: амплитуды и периоды цикличностей во второй половине наблюдений на метеостанции достоверно уменьшились. Причины смены этих колебательных режимов и их связи с ветровым режимом и индексами атмосферной циркуляции, выясняются.
Синоптические (вихревые) процессы в интервале 100-8 суток вызывают низкочастотные колебания уровня по амплитуде порядка 23±0.1см. Обращает на себя внимание изменение наклона спектра в области периодов 10-30 суток. Спектральный фон на периодах менее 10 суток формируется за счёт нерегулярных синоптических процессов. Предполагается, что наклон логарифмического спектра - 2 в высокочастотной части спектра является следствием процесса экспоненциальной релаксации возмущений уровня моря для масштабов 10-1/2 сут. (за исключением суточных с обертонами и приливных колебаний).
Мезомасштабные процессы вызывают возмущения в уровне моря на порядок меньшие, чем вихревые. Характерные амплитуды колебаний уровня моря в мезомасштабном диапазоне изменчивости следующие: суточные (23.91± 0.48 час.) – 1.2 ± 0.1см; полусуточные лунные (12.45 ± 0.13 час.) – 3.0± 0.1см; полусуточные солнечные (11.95±0.12 час.) – 2.1± 0.1 см; спектральный фон (10-1 час.)-1.6 ± 0.1 см.
Инерционные колебания уровня моря (Tи ~ 16.60± 0.23 час.) невелики и составляют в среднем 1.2± 0.1см. Инерционные движения проявляются в виде сильных горизонтальных течений, с вращением вектора скорости течений по часовой стрелке в северном полушарии и хорошо выражены на спектрах компонент скорости. Однако, на примере временного ряда измерений уровня моря на оконечности пирса в Голубой бухте, на спектре которого обнаруживается хорошо выраженный инерционный пик, наряду с полусуточным и суточными пиками. Проф. Сабинин К. Д. предложил гипотезу о появлении выраженного пика инерционных колебаний вблизи берега, на мелководье, где инерционные течения вызывают нагоны/сгоны с инерционной частотой.
Для оценки пространственного распределения низкочастотных составляющих колебаний уровня моря вблизи Полигона, по ежесуточным данным AVISO рассчитаны дисперсии динамических высот уровня моря. Амплитуды низкочастотных колебаний находится в пределах от 21.0 до 26 см, причем мористее, интенсивность колебаний нарастает. Когерентности колебаний уровня моря и температуры поверхности воды в точках вдоль нормали к берегу на траверзе Голубой бухты, от Тонкого мыса до глубокой воды, мористее материкового склона, показывают горизонтальный масштаб значимой когерентности порядка 60 миль. Предполагается, что указанный масштаб не отражает размеры характерных горизонтальных структур, а является следствием интерполяции спутниковых данных по пространству и времени, ( Golenko et al., 2009; Москаленко и др., 2011).
Уровень моря имеет ярко выраженные свойства нестационарности реализаций по среднему значению, дисперсии и перемежаемости частотных составляющих. Коль скоро, Фурье- спектры дают средние по временному ряду амплитуды частотных компонент, для нестационарного ряда необходим вэйвлет-анализ. Приводится пример вэйвлет-диаграммы перемежающихся колебаний уровня моря в интервале периодов 0-3000 суток.

"Отклик" уровня моря на ветровые циклы

В общем случае, воздействие разномаcштабных региональных ветров на уровень моря представляется очень сложным. Однако, выделение сигнала отклика морской гидрофизической системы на сравнительно простые ветровые циклы может улучшить понимание процессов.
Ранее было показано (Москаленко и др., 2016), что в регионе имеют место разномасштабные самоподобные ветровые циклы, каждый из которых состоит из комбинации северо-восточного и юго-восточного ветров, последовательно сменяющих друг друга. Такие смены соответствуют попеременному влиянию отрогов Азорского и Сибирского антициклонов. Черное море расположено в цепи внутренних бассейнов между Северной Атлантикой и пустынями Центральной Азии, в промежуточной зоне влияния Азорского антициклона, с запада и Сибирского антициклона, с востока, а также подвержено влиянию прорывов арктических холодных воздушных масс с севера и горячего воздуха, с юга, со стороны субтропического глобального пояса пустынь. Ветровые циклы имеют различную продолжительность и бывают внутрисезонными, сезонными и многолетними (климатическими). что соответствует попеременному влиянию отрогов Азорского и Сибирского антициклонов. Разномасштабные ветры порождают ряд гидрофизических явлений, такие как Основное Черноморское течение (ОЧТ), вихреобразование, апвеллинги, холодный промежуточный слой (ХПС), [Кривошея и др., 2012]. Климатические ветровые циклы создают циклоническую завихренность и способствуют в среднем циклонической циркуляции Черного моря. Внутри-сезонные ветровые циклы вызывают апвеллинги с регулярностью примерно 20-25 дней, Связанная с апвеллингом радикальная перестройка гидрологической структуры вод сопровождается интенсивной адвекцией вод с большими скоростями (до 1 м/с), (Melnikov et al., 2015).
Представляет интерес оценить в среднем статистическом смысле характерные масштабы колебаний уровня моря, температуры воздуха и температуры поверхности моря, в зависимости от доминирующих ветров. С этой целью, по временному ряду метеоэлементов проводилась выборка по календарным месяцам пар значений уровня моря и направления ветра. Затем, по 10-градусным секторам направлений ветра, для каждого месяца, были рассчитаны плотности вероятности и соответствующие средние значения уровня моря. Для увеличения статистической значимости, средние значения уровня моря были рассчитаны также для более широких (45-градусных) секторов по румбам ветра: (0, 45, 90, 135, 180, 225, 270, 315) ± 22.5 град., по азимуту. Аналогичные расчёты были проведены для пар температура воздуха - направление ветра, и температура поверхности воды - направление ветра. Использованы данные измерений на метеостанции г.Геленджика, в период 0ч., 20 мая,1989 по 15 ч., 30 июня, 2015. Дискретности измерений направления ветра и температуры воздуха – 3 час.; температуры поверхности воды и уровня моря – 6 час.
Выявлены следующие закономерности в соотношениях средних значений уровня моря, температуры поверхности воды и температуры воздуха с доминирующими ветрами в исследуемом районе:
1. В зимние месяцы(самый холодный месяц-февраль), при СВ и С ветрах происходит максимальное понижение температуры воздуха(среднее значение ~ 2ºС). ЮВ ветер, наоборот, вызывает максимальные потепления воздуха(в среднем до ~ 9ºС).Такая же зависимость прослеживается и для ТПМ при средних значениях ~7ºС и ~ 8ºС, соответственно для СВ и ЮВ ветров. Уровень моря составляет ~ 476± 0.5 см для С ветра и ~ 480± 1см при Ю ветре. Влажность понижена при СВ ветре (~ 70%) и повышена при Ю и З ветрах(~ 80%). Зимой, минимальное количество осадков (3-5 см) приносится СВ ветром и немного больше (7-8 см) почти равномерно ветрами с южных направлений
2. Летом(самый теплый месяц- август) СВ ветер вызывает потепление воздуха на
~ 2ºС по сравнению с В и С ветрами (до ~ 25ºС).Температура воздуха максимальна при Ю и З ветрах (~ 25.6ºС). В отличие от воздуха, ТПМ понижается при СВ ветрах до ~ 23.2ºС, при средней ТПМ ~ 25ºС для южных ветров. Понижение ТПМ связано с апвеллингами. Уровень моря устанавливается в среднем на ~ 484 см для СВ ветра, что на 3 см меньше, максимального уровня при В ветре. Для Ю ветра уровень моря с точностью до 1 см близок к уровню моря при СВ ветре. Влажность понижается при СВ ветре до 60%, и повышается при ЮВ и З ветрах (65%). Количество осадков возрастает в летние месяцы: В июне 15 см приносится В ветром, в июле наблюдается максимум в количестве осадков(17 см) при ЮЗ ветре. В августе ливневые осадки приносит Ю ветер. Уровень моря максимален в июле и минимален в октябре. В январе и апреле уровни моря близки при Ю ветрах и значительно различаются при СВ и В ветрах.


Интеркалибрация

Интеркалибрация контактных и дистанционных измерителей является важной вспомогательной задачей. Возможность использования для анализа процессов обширных спутниковых данных и данных реанализов, а также, рассчитанных при помощи моделей параметров, зависит от их точности, которую проще всего оценить посредством прямого сравнения с данными измерений in situ, объём которых обычно существенно меньше.
Спутниковые данные ТПМ, уровня моря, ветра, а также рассчитанные параметры реанализов NCEP/NCAR и SCIRON сравнивались с данными контактных измерений. В частности, измерения ТПМ, выполненные с причала в Голубой бухте, были сопоставлены с синхронными измерениями ТПМ на Геленджикской метеостанции. В свою очередь, ТПМ на метеостанции и спутниковая ТПМ в ближайшей к метеостанции точке с координатами 44.6N,37.9E, также сравнивались. В результате, была получена оценка с.к. ошибки в спутниковых измерениях температуры ~ 0.5ºC. Спутниковые аномалии уровня моря в ближайшей к метеостанции точке (44.5N, 38.0E), на расстоянии 3.7 морских миль, не соответствуют данным уровня моря на метеостанции. Данные о ветре на метеостанции и по реанализу также оказались рассогласованными. Сравнение по температуре с данными реанализа в ближайшем к метеостанции квадрате 44-45N,37.5-38.5E показало, что в период 1980-2009 гг. среднемесячные ТПМ на поверхности моря отличаются по с.к.о. на 0.98ºС, причем имеется систематическое завышение ТПМ по реанализу на Т=0.24ºС по сравнению с метеостанцией. Ежесуточные значения различались даже больше: в 1990г.–с.к.о(Т)=2.52ºС, ΔТ=0.79ºС; в 2005 г.–с.к.о(Т)=2.90ºС, ΔТ=0.27ºС. Таким образом, только среднемесячные значения ТПМ можно считать согласованными.
Высокие когерентности между измерениями по сетке спутниковых измерений аномалий уровня моря показывают масштаб сглаживания спутниковых данных - более ~ 60 миль, что препятствует возможности применения спутниковых данных уровня моря для исследования мезомасштабных процессов. Указанные несоответствия требуют дальнейшего изучения.

В заключение необходимо отметить, что количественная оценка действующих механизмов влияния на уровень моря главных вынуждающих сил и факторов остаётся на будущее, т.к. процесс анализа совокупных индикаторов сложен и, очевидно, требует дополнительных целенаправленных измерений.
Работа выполнена при финансовой поддержке грантов РФФИ №14-05-00159 и №.15-05-04198.