Стационарное и нестационарное описание сезонной изменчивости уровня Балтийского моря по данным мареографических измерений

Е. А. Захарчук1,2, В. Н. Сухачев1,2,✉, Н. А. Тихонова1,2, Е. Н. Литина1,2

1 Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург, Россия

2 Государственный океанографический институт имени Н. Н. Зубова, Москва, Россия

✉ e-mail: syhachev@mail.ru

Аннотация

Цель. Основной целью данной работы является оценивание в стационарном приближении величин амплитудно-фазовых характеристик сезонных колебаний уровня Балтийского моря за период 1971–2020 гг. и исследование особенностей и возможных причин их нестационарности.

Методы и результаты. Обосновывается описание сезонных колебаний суммой четырех гармоник: годовой (Sa), полугодовой (Ssa), третьгодовой (Sta) и четвертьгодовой (Sqa). С помощью гармонического анализа рядов среднесуточных значений мареографических измерений уровня моря оцениваются средние значения сезонных колебаний уровня Балтийского моря, а также их межгодовая изменчивость. Результаты свидетельствуют, что амплитуды гармоник Sa, Ssa, Sta и Sqa выделяются достоверно для всех рассматриваемых береговых пунктов. Особенности распределения в пространстве фазы свидетельствуют о статистически достоверном распространении возмущений уровня моря с периодом один год с юго-запада на север и северо-восток. Для других составляющих сезонных колебаний уровня моря (Ssa, Sta и Sqa) пространственные изменения фазы очень маленькие и сравнимы со среднеквадратическими ошибками их расчета. В межгодовых изменениях сезонных колебаний уровня Балтийского моря хорошо выражена амплитудная модуляция с периодом огибающей около 20 лет для гармоники Sa и приблизительно от 2 до 10 лет для гармоник Ssa, Sta и Sqa. Во временном ходе амплитуд гармоники Sa в период 1971–2020 гг. для всех станций отмечается значимый отрицательный тренд. Для выяснения причин выявленных особенностей межгодовых изменений гармоники Sa проводится нестационарный гармонический анализ рядов атмосферного давления, ветра и стерических колебаний уровня моря.

Выводы. Показано, что основное влияние на наблюдающиеся в последние полвека изменения годовых колебаний уровня моря оказывают аномалии годовых колебаний ветра и, в меньшей степени, атмосферного давления.

Ключевые слова

уровень моря, сезонные колебания, гармонический анализ, межгодовая изменчивость, тренды, ветер, атмосферное давление, стерические колебания

Благодарности

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-27-00209, https://rscf.ru/project/22-27-00209/.

Для цитирования

Стационарное и нестационарное описание сезонной изменчивости уровня Балтийского моря по данным мареографических измерений / Е. А. Захарчук [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2022. Т. 38, № 6. С. 655–678. EDN XXKFYV doi:10.22449/0233-7584-2022-6-655-678

Zakharchuk, E.A., Sukhachev, V.N., Tikhonova, N.A. and Litina, E.N., 2022. Stationary and Non-Stationary Description of the Seasonal Sea Level Oscillations in the Baltic Sea Based on the Tide Gauge Data. Physical Oceanography. 29(6), pp. 636-658. doi:10.22449/1573-160X-2022-6-636-658

DOI

10.22449/0233-7584-2022-6-655-678

Список литературы

  1. Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР. Т. 3. Балтийское море. Вып. 1. Гидрометеорологические условия / Отв. ред. Ф. С. Терзиев. Л. : Гидрометеоиздат, 1992. 456 c.
  2. Cheng Y., Xu Q., Li X. Spatio-Temporal Variability of Annual Sea Level Cycle in the Baltic Sea // Remote Sensing. 2018. Vol. 10, iss. 4. 528. doi:10.3390/rs10040528
  3. Männikus R., Soomere T., Viška M. Variations in the mean, seasonal and extreme water level on the Latvian coast, the eastern Baltic Sea, during 1961–2018 // Estuarine, Coastal and Shelf Science. 2020. Vol. 245. 106827. doi:10.1016/j.ecss.2020.106827
  4. Lisitzin E. Sea-level changes. Amsterdam : Elsevier, 1974. 286 p. (Elsevier Oceanographic Series, vol. 8). https://doi.org/10.4319/lo.1975.20.4.0681
  5. Ekman M. A Common Pattern for Interannual and Periodical Sea Level Variations in the Baltic Sea and Adjacent Waters // Geophysica. 1996. Vol. 32, iss. 3. P. 261–272.
  6. Медведев И. П. Сезонные колебания уровня Балтийского моря // Метеорология и гидрология. 2014. № 12. С. 42–54.
  7. Łabuz T., Kowalewska-Kalkowska H. Coastal erosion caused by the heavy storm surge of November 2004 in the southern Baltic Sea // Climate Research. 2011. Vol. 48, iss. 1. P. 93–101. doi:10.3354/cr00927
  8. Sea level dynamics and coastal erosion in the Baltic Sea region / R. Weisse [et al.] // Earth System Dynamics. 2021. Vol. 12. P. 871–898. doi:10.5194/esd-12-871-2021
  9. Ekman M. The Changing Level of the Baltic Sea during 300 Years: A Clue to Understanding the Earth. Åland Islands : Summer Institute for Historical Geophysics, 2009. 155 p.
  10. Gustafsson B. G., Andersson H. C. Modeling the exchange of the Baltic Sea from the meridional atmospheric pressure difference across the North Sea // Journal of Geophysical Research. Oceans. 2001. Vol. 106, iss. C9. P. 19731–19744. doi:10.1029/2000JC000593
  11. Samuelsson M., Stigebrandt A. Main characteristics of the long-term sea level variability in the Baltic Sea // Tellus A: Dynamic Meteorology and Oceanography. 1996. Vol. 48, iss. 5. P. 672–683. doi:10.3402/TELLUSA.V48I5.12165
  12. Гордеева C. М., Малинин В. Н. Изменчивость морского уровня Финского залива. Санкт-Петербург : РГГМУ, 2014. 178 с.
  13. Захарчук Е. А., Тихонова Н. А. О пространственно-временной структуре и механизмах формирования невских наводнений // Метеорология и гидрология. 2011. № 8. С. 54–64.
  14. Wübber C., Krauss W. The two dimensional seiches of the Baltic Sea // Oceanologoca Acta. 1979. Vol. 2, iss. 4. P. 435–446. https://archimer.ifremer.fr/doc/00122/23360
  15. Spatiotemporal structure of Baltic free sea level oscillations in barotropic and baroclinic conditions from hydrodynamic modeling / E. A. Zakharchuk [et al.] // Ocean Science. 2021. Vol. 17. P. 543–559. doi:10.5194/os-17-543-2021
  16. Ekman M., Stigebrandt A. Secular change of the seasonal variation in sea level and of the pole tide in the Baltic Sea // Journal of Geophysical Research. Oceans. 1990. Vol. 95, iss. C4. P. 5379–5383. https://doi.org/10.1029/JC095iC04p0537
  17. Ekman M. Secular Change of the Seasonal Sea Level Variation in the Baltic Sea and Secular Change of the Winter Climate // Geophysica. 1998. Vol. 34, iss. 3. P. 131–140.
  18. Plag H.-P., Tsimplis M. N. Temporal variability of the seasonal sea-level cycle in the North Sea and Baltic Sea in relation to climate variability // Global Planetary Change. 1999. Vol. 20, iss. 2–3. P. 173–203. https://doi.org/10.1016/S0921-8181(98)00069-1
  19. Hünicke B., Zorita E. Trends in the amplitude of Baltic Sea level annual cycle // Tellus A: Dynamic Meteorology and Oceanography. 2008. Vol. 60, iss. 1. P. 154–164. doi:10.1111/j.1600-0870.2007.00277.x
  20. Barbosa S. M., Donner R. V. Long-term changes in the seasonality of Baltic sea level // Tellus A: Dynamic Meteorology and Oceanography. 2016. Vol. 68, iss. 1. 30540. doi:10.3402/tellusa.v68.30540
  21. Stramska M., Kowalewska-Kalkowska H., Świrgoń M. Seasonal variability in the Baltic Sea level // Oceanologia. 2013. Vol. 55, iss. 4. P. 787–807. doi:10.5697/oc.55-4.787
  22. Cartwright D. E. On the smoothing of climatological time series, with application to sea-level at Newlyn // Geophysical Journal of the Royal Astronmical Society. 1983. Vol. 75, iss. 3. P. 639–658. https://doi.org/10.1111/j.1365-246X.1983.tb05003.x
  23. New Data Systems and Products at the Permanent Service for Mean Sea Level / S. J. Holgate [et al.] // Journal of Coastal Research. 2013. Vol. 29, iss. 3. P. 493–504. doi:0.2112/JCOASTRES-D-12-00175.1
  24. Voinov G. N. Tides and tidal streams // Polar Seas Oceanography. An integrated case study of the Kara Sea / Eds. V. A. Volkov, O. M. Johannessen, V. E. Borodachov, G. N. Voinov, L. H. Pettersson, L. P. Bobylev, A. V. Kouraev. Chichester, UK : Springer, Praxis Publishing, 2002. P. 147–217.
  25. Pajak K., Kowalczyk K. A comparison of seasonal variations of sea level in the southern Baltic Sea from altimetry and tide gauge data // Advances in Space Research. 2019. Vol. 63, iss. 5. P. 1768–1780. doi:10.1016/J.ASR.2018.11.022
  26. Pugh D. T. Tides, Surges and Mean Sea-Level. Swindon, UK : John Wiley & Sons, 1987. 472 p.
  27. Jackett D. R., McDougall T. J. Minimal Adjustment of Hydrostatic Profiles to Achieve Static Stability // Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 1995. Vol. 12, iss. 2. P. 381–389. doi:10.1175/1520-0426(1995)012%3C0381:MAOHPT%3E2.0.CO;2
  28. Белоненко Т. В., Колдунов А. В. Стерические колебания уровня в северо-западной части Тихого океана // Вестник Санкт-Петербургского университета. Серия 7. Геология. География. 2006. № 3. С. 81–87.
  29. Seasonal fluctuations in the Baltic Sea level determined from satellite altimetry / E. A. Zakharchuk [et al.] // Continental Shelf Research. 2022. Vol. 249. 104863. https://doi.org/10.1016/j.csr.2022.104863
  30. Gill A. E., Niller P. P. The theory of the seasonal variability in the ocean // Deep Sea Research and Oceanographic Abstracts. 1973. Vol. 20, iss. 2. P. 141–177. doi:10.1016/0011-7471(73)90049-1
  31. Фукс В. Р. Гидродинамические основы интерпретации альтиметрических съемок морской поверхности // Колебания уровня в морях. Санкт-Петербург : РГГМУ, 2003. С. 79–91.
  32. Leppäranta M., Myrberg K. Physical Oceanography of the Baltic Sea. Berlin, Heidelberg : Springer, 2009. 300 p. (Springer Praxis Books, Gophysical Sciences Series). doi:10.1007/978-3-540-79703-6
  33. Johansson M. M., Kahma K. K. On the statistical relationship between the geostrophic wind and sea level variations in the Baltic Sea // Boreal Environment Research. 2016. Vol. 21. P. 25–43.

Скачать статью в PDF-формате