Волновая природа и модуляция годовых колебаний уровня Балтийского моря

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

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

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

✉ e-mail: Syhachev@mail.ru

Аннотация

Цель. Основная цель статьи – оценить на основе спутниковых и контактных измерений особенности пространственно-временной изменчивости характеристик годовых колебаний уровня Балтийского моря, сравнить их с теоретическими дисперсионными соотношениями различных видов низкочастотных волн и исследовать возможные механизмы амплитудной модуляции годовых колебаний уровня Балтики.

Методы и результаты. На основе гармонического анализа спутниковой альтиметрической информации и 132-летнего ряда мареографных измерений уровня моря в Стокгольме проверяется гипотеза о волновой природе годовых колебаний уровня Балтийского моря и исследуются причины их амплитудной модуляции. Показано, что волнообразные годовые возмущения в поле уровня моря распространяются с юго-запада на северо-восток со скоростями 0,06–0,36 м/с. Сравнение оцененных характеристик годовых волн с теоретическими дисперсионными соотношениями различных видов низкочастотных волн показало, что они идентифицируются на большей акватории моря как внутренние волны Кельвина и только на юго-западе моря в редких случаях их характеристики согласуются с теоретическими дисперсионными соотношениями бароклинных топографических волн Россби. Отмечены заметные междекадные изменения параметров годовых волн в поле уровня моря. По сравнению с периодом 1993–2021 гг., в десятилетие 1993–2002 гг. наблюдается понижение в 1,5–3 раза амплитуды гармоники Sa, более поздний максимум годового хода уровня (приблизительно на 1 месяц), а также заметное замедление фазовой скорости годовой волны на юго-западе моря.

Выводы. Причины амплитудной модуляции годовых волн в поле уровня моря связываются с влиянием колебаний с периодами 352, 374 и 379 суток, которые выделяются в виде небольших, но значимых амплитудных максимумов в спектрах ряда Фурье уровня моря, скорости ветра и атмосферного давления. Предполагается, что еще один механизм амплитудной модуляции годовых волн может быть связан с изменениями частоты собственных бароклинных колебаний Балтийского моря из-за межгодовых вариаций его стратификации.

Ключевые слова

уровень моря, сезонные колебания, годовая ритмика, годовые колебания, Балтийское море, волны Россби, амплитудная модуляция, волны Кельвина, топографические волны

Благодарности

Работа выполнена благодаря гранту РНФ 22-27-00209 «Пространственная структура и механизмы межгодовой изменчивости сезонных колебаний уровня Балтийского моря», https://rscf.ru/project/22-27-00209/.

Для цитирования

Захарчук Е. А., Сухачев В. Н., Тихонова Н. А. Волновая природа и модуляция годовых колебаний уровня Балтийского моря // Морской гидрофизический журнал. 2024. Т. 40, № 2. С. 231–254. EDN QAOJOJ.

Zakharchuk, E.A., Sukhachev, V.N. and Tikhonova, N.A., 2024. Wave Nature and Modulation of Annual Fluctuations in the Level of the Baltic Sea. Physical Oceanography, 31(2), pp. 208-230.

Список литературы

  1. 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/jc095ic04p05379
  2. Медведев И. П. Сезонные колебания уровня Балтийского моря // Метеорология и гидрология. 2014. № 12. С. 42–54. EDN TACMRT.
  3. 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. https://doi.org/10.1016/0011-7471(73)90049-1
  4. Leppäranta M., Myrberg K. Physical oceanography of the Baltic Sea. Berlin ; Heidelberg : Springer, 2009. 378 p. https://doi.org/10.1007/978-3-540-79703-6
  5. Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР. Том 3. Балтийское море. Вып. I. Гидрометеорологические условия / под ред. Ф. С. Терзиева, В. А. Рожкова, А. И. Смирновой. СПб. : Гидрометеоиздат, 1992. 449 с. (Проект «Моря СССР»).
  6. 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. https://doi.org/10.3390/rs10040528
  7. 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. https://doi.org/10.1016/j.ecss.2020.106827
  8. Seasonal fluctuations in 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
  9. 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. https://doi.org/10.22449/0233-7584-2022-6-655-678
  10. Lisitzin E. Sea-Level Changes. Amsterdam : Elsevier Scientific Publishing Company, 1974. 286 p.
  11. 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 and Planetary Change. 1999. Vol. 20, iss. 2–3. P. 173–203. https://doi.org/10.1016/S0921-8181(98)00069-1
  12. 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. https://doi.org/10.1111/j.1600-0870.2007.00277.x
  13. Stramska M., Kowalewska-Kalkowska H., Świrgoń M. Seasonal variability in the Baltic Sea level // Oceanologia. 2013. Vol. 55, iss. 4. P. 787–807. https://doi.org/10.5697/oc.55-4.787
  14. 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.
  15. 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. 30540. https://doi.org/10.3402/tellusa.v68.30540
  16. Łabuz T. A., Kowalewska-Kalkowska H. Coastal erosion caused by the heavy storm surge of November 2004 in the southern Baltic sea // Climate Research. 2011. Vol. 48, no. 1. P. 93–101. https://doi.org/10.3354/cr00927
  17. Sea level dynamics and coastal erosion in the Baltic Sea region / R. Weisse [et al.] // Earth System Dynamics. 2021. Vol. 12, iss. 3. P. 871–898. https://doi.org/10.5194/esd-12-871-2021
  18. Гордеева C. М., Малинин В. Н. Изменчивость морского уровня Финского залива. СПб. : РГГМУ, 2014. 178 с. EDN VWABFU.
  19. 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. https://doi.org/10.3402/tellusa.v48i5.12165
  20. 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. https://doi.org/10.1029/2000jc000593
  21. Ekman M. The changing level of the Baltic sea during 300 years: A clue to understanding the Earth. Summer Inst. for Historical Geophysics, 2009. 155 p.
  22. Захарчук Е. А., Тихонова Н. А. О пространственно-временной структуре и механизмах формирования невских наводнений // Метеорология и гидрология. 2011. № 8. С. 54–64. EDN NXUMIN.
  23. Spatiotemporal structure of Baltic free sea level oscillations in barotropic and baroclinic conditions from hydrodynamic modelling / E. A. Zakharchuk [et al.] // Ocean Science. 2021. Vol. 17, iss. 2. P. 543–559. https://doi.org/10.5194/os-17-543-2021
  24. 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.
  25. Chelton D. B., Schlax M. G. Global observations of oceanic Rossby waves // Science. 1996. Vol. 272, iss. 5259. P. 234–238. https://doi.org/10.1126/science.272.5259.234
  26. Döös K. Influence of the Rossby waves on the seasonal cycle in the tropical Atlantic // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1999. Vol. 104, iss. C12. P. 29591–29598. https://doi.org/10.1029/1999jc900126
  27. Белоненко Т. В., Захарчук Е. А., Фукс В. Р. Градиентно-вихревые волны в океане. СПб. : Издательство Санкт-Петербургского государственного университета, 2004. 212 с. EDN QKFERR.
  28. Yuan D., Han W. Roles of equatorial waves and western boundary reflection in the seasonal circulation of the equatorial Indian Ocean // Journal of Physical Oceanography. 2006. Vol. 36, iss. 5. P. 930–944. https://doi.org/10.1175/JPO2905.1
  29. Coherent modulation of the sea-level annual cycle in the United States by Atlantic Rossby waves / F. M. Calafat [et al.] // Nature Communications. 2018. Vol. 9. 2571. https://doi.org/10.1038/s41467-018-04898-y
  30. Bretherton F. P., Davis R. E., Fandry C. B. A technique for objective analysis and design of oceanographic experiments applied to MODE-73 // Deep-Sea Research and Oceanographic Abstracts. 1976. Vol. 23, iss. 7. P. 559–582. https://doi.org/10.1016/0011-7471(76)90001-2
  31. DUACS DT2014: the new multi-mission altimeter data set reprocessed over 20 years / M.-I. Pujol [et al.] // Ocean Science. 2016. Vol. 12, iss. 5. P. 1067–1090. https://doi.org/10.5194/os-12-1067-2016
  32. Le Traon P. Y., Nadal F., Ducet N. An improved mapping method of multisatellite altimeter data // Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 1998. Vol. 15, iss. 2. P. 522–534. https://doi.org/10.1175/1520-0426(1998)015%3C0522:AIMMOM%3E2.0.CO;2
  33. Voinov G. N. Non-tidal sea level oscillation // Polar seas oceanography : an integrated case study of the Kara Sea / V. A. Volkov [et al.]. Berlin : Springer, 2002. P. 61–77. (Springer-Praxis books in geophysical sciences).
  34. Тареев Б. А. Градиентно-вихревые волны на материковом склоне океана // Известия Академии наук СССР. Физика атмосферы и океана. 1971. № 4. С. 431–436.
  35. Ле Блон П., Майсек Л. Волны в океане : в 2-х ч. М. : Мир, 1981.
  36. Педлоски Д. Геофизическая гидродинамика : в 2-х т. М. : Мир, 1984.
  37. Динамика вод Балтийского моря в синоптическом диапазоне пространственно-временных масштабов / А. К. Гусев, Е. А. Захарчук [и др.] ; под ред. Е. А. Захарчука. СПб. : Гидрометеоиздат, 2007. 354 с.
  38. Фукс В. Р. Градиентно-вихревые волны в Балтийском море // Метеорология и гидрология. 2005. № 9. С. 63–68. EDN KUITZR.
  39. Гилл А. Динамика атмосферы и океана : в 2 т. М. : Мир, 1986.
  40. Fennel W., Seifert T., Kayser B. Rossby radii and phase speeds in the Baltic Sea // Continental Shelf Research. 1991. Vol. 11, iss. 1. P. 23–36. https://doi.org/10.1016/0278-4343(91)90032-2
  41. Baroclinic Rossby radius of deformation in the southern Baltic Sea / R. Osiński [et al.] // Oceanologia. 2010. Vol. 52, no. 3. P. 417–429. https://doi.org/10.5697/oc.52-3.417
  42. Comparative analysis of the first baroclinic Rossby radius in the Baltic, Black, Okhotsk, and Mediterranean seas / A. Kurkin [et al.] // Russian Journal of Earth Sciences. 2020. Vol. 20. ES4008. https://doi.org/10.2205/2020ES000737
  43. Коняев К. В., Сабинин К. Д. Волны внутри океана. СПб. : Гидрометеоиздат, 1992. 271 с.
  44. Carmack E. C., Kulikov E. A. Wind-forced upwelling and internal Kelvin wave generation in Mackenzie Canyon, Beaufort Sea // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1998. Vol. 103, iss. C9. P. 18447-18458. https://doi.org/10.1029/98JC00113
  45. De Boor C. A Practical Guide to Splines. Revised edition. New York : Springer, 1978. 348 p. (Applied Mathematical Sciences ; vol. 27).
  46. Войнов Г. Н. Способ расчета сезонной изменчивости основных волн приливов при их малой величине (на примере Балтийского моря) // Проблемы Арктики и Антарктики. 2012. № 3. С. 101–109. EDN PMIUVD.
  47. Liblik T., Lips U. Stratification has strengthened in the Baltic sea – an analysis of 35 years of observational data // Frontiers in Earth Science. 2019. Vol. 7. 174. https://doi.org/10.3389/feart.2019.00174
  48. Литина Е. Н., Захарчук Е. А., Тихонова Н. А. Динамика гипоксийных зон в Балтийском море на рубеже XX и XXI веков // Водные ресурсы. 2020. Т. 47, № 3. С. 322–329. EDN LLGKAS. https://doi.org/10.31857/s0321059620030098
  49. Salinity dynamics of the Baltic Sea / A. Lehmann [et al.] // Earth System Dynamics. 2022. Vol. 13, iss. 1. P. 373–392. https://doi.org/10.5194/esd-13-373-2022
  50. Максимов И. В., Карклин В. П. Полюсный прилив в Балтийском море // Доклады Академии наук СССР. 1965. Т. 161, № 3. С. 580–582.
  51. Медведев И. П., Рабинович А. Б., Куликов Е. А. Полюсный прилив в Балтийском море // Океанология. 2014. Т. 54, № 2. С. 137–148. 137–148. EDN RYWABF. https://doi.org/10.7868/S0030157414020178

Скачать статью в PDF-формате