Особенности реакции полей уровня и течений в системе Северного и Балтийского морей на атмосферные воздействия во время формирования большого балтийского затока

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

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

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

✉ e-mail: eazakharchuk@yandex.ru

Аннотация

Цель. С помощью данных реанализов метеорологических и гидрофизических полей, а также численных экспериментов с трехмерной бароклинной гидродинамической моделью исследовать особенности реакции полей уровня моря и течений в системе Северного и Балтийского морей на воздействие изменений атмосферного давления и касательного напряжения трения ветра во время формирования большого балтийского затока 2014 г. – цель настоящей работы.

Методы и результаты. Для достижения цели проводится: разложение гидрометеорологических полей на комплексные естественные ортогональные функции; взаимный корреляционный и взаимный вейвлет-анализ между главными компонентами разложения полей; спектральный, взаимный корреляционный и взаимный спектральный анализы колебаний течений и касательного напряжения трения ветра; моделируются свободные колебания уровня, и их спектральная структура сравнивается со спектрами колебаний течений во время большого затока.

Выводы. Во время формирования и распространения большого затока в 2014 г. основная передача энергии от барических образований к движению водных масс осуществлялась в диапазоне периодов нескольких недель, в то время как в год без затока – в диапазоне нескольких суток. Реакция водных масс на воздействие анемобарических сил во время большого затока происходит в виде низкочастотных волновых процессов, имеющих признаки как прогрессивных, так и стоячих мод волнового движения. Анализ синоптической ситуации над Северной Атлантикой и результатов численного гидродинамического моделирования свободных колебаний уровня в системе Северного и Балтийского морей показал, что самые большие градиенты уровня моря между прол. Каттегат и юго-западной Балтикой, а также наибольшие скорости течений в Датских проливах во время большого балтийского затока наблюдались 11 декабря 2014 г., когда произошло резкое замедление движения глубокого атмосферного циклона до 1,0 м/с и его скорость сравнялась с фазовыми скоростями свободных низкочастотных волн в Северном и Балтийском морях, что позволяет в дальнейшем исследовать гипотезу о резонансном механизме генерации больших балтийских затоков.

Ключевые слова

большой балтийский заток, Балтийское море, Северное море, Датские проливы, колебания уровня моря, течения, численное гидродинамическое моделирование, реанализ, статистический анализ, взаимный вейвлет-анализ

Благодарности

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РНФ № 24-27-00412 «Уточнение механизмов генерации и нестационарности больших балтийских затоков», https://rscf.ru/project/24-27-00412/.

Информация об авторах

Захарчук Евгений Александрович, заведующий кафедрой океанологии, Институт наук о Земле, Санкт-Петербургский государственный университет (Россия, 199178, г. Санкт-Петербург, 10-я линия В. О., д. 33–35), доктор географических наук, ORCID ID: 0000-0001-6079-5739, ResearcherID: N-1644-2013, Scopus Author ID: 6603158329, SPIN-код: 7724-4240, eazakharchuk@yandex.ru

Тихонова Наталья Александровна, доцент кафедры океанологии, Институт наук о Земле, Санкт-Петербургский государственный университет (Россия, 199178, г. Санкт-Петербург, 10-я линия В. О., д. 33–35); и. о. зав. лабораторией, Санкт-Петербургское отделение Государственного океанографического института имени Н. Н. Зубова (Россия, 199397, г. Санкт-Петербург, ул. Беринга, д. 38), кандидат географических наук, ORCID ID: 0000-0002-4546-4920, ResearcherID: I-4647-2015, Scopus Author ID: 11239410500, SPIN-код: 9870-7279, i@ntikhonova.ru

Сухачев Владимир Николаевич, кандидат географических наук, ведущий научный сотрудник, Санкт-Петербургское отделение Государственного океанографического института имени Н. Н. Зубова (Россия, 199397, г. Санкт-Петербург, ул. Беринга, д. 38); научный сотрудник, Институт наук о Земле, Санкт-Петербургский государственный университет (Россия, 199178, г. Санкт-Петербург, 10-я линия В.О., д. 33–35), ORCID ID: 0000-0003-4821-4342, ResearcherID: N-7470-2015, Scopus Author ID: 55969236600, SPIN-код: 4963-7802, syhachev@mail.ru

Для цитирования

Захарчук Е. А., Тихонова Н. А., Сухачев В. Н. Особенности реакции полей уровня и течений в системе Северного и Балтийского морей на атмосферные воздействия во время формирования большого балтийского затока // Морской гидрофизический журнал. 2026. Т. 42, № 2. С. 235–262. EDN UVXTPW.

Zakharchuk, E.A., Tikhonova, N.A. and Sukhachev, V.N., 2026. Features of the Response of Level Fields and Currents in the System of the North and Baltic Seas to Atmospheric Forcing during the Formation of Major Baltic Inflow. Physical Oceanography, 33 (2), pp. 281-306.

Список литературы

  1. Dickson R. R. The prediction of major Baltic inflows // Deutsche hydrographische Zeitschrift. 1973. Vol. 26. P. 97–105. https://doi.org/10.1007/BF02232597
  2. Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР. Том III. Балтийское море. Выпуск I. Гидрометеорологические условия. Санкт-Петербург : Гидрометеоиздат, 1992. 451 с. (Проект «Моря СССР»). EDN QKFOVS.
  3. Fischer H., Matthäus W. The importance of the Drogden Sill in the Sound for major Baltic inflows // Journal of Marine Systems. 1996. Vol. 9, iss. 3–4. P. 137–157. https://doi.org/10.1016/s0924-7963(96)00046-2
  4. Matthäus W. The history of investigation of salt water inflows into the Baltic Sea – from the early beginning to recent results // Meereswissenschaftliche Berichte. Marine Science Reports. Vol. 65. Warnemunde, Institute Für Ostseeforschung, 2006. 79 p. https://doi.org/10.12754/msr-2006-0065
  5. Fresh oxygen for the Baltic Sea – An exceptional saline inflow after a decade of stagnation / V. Mohrolz [et al.] // Journal of Marine Systems. 2015. Vol. 148. P. 152–166. https://doi.org/10.1016/j.jmarsys.2015.03.005
  6. Тихонова Н. А., Сухачев В. Н. Волновая интерпретация больших Балтийских затоков // Метеорология и гидрология. 2017. № 4. С. 67–69. EDN YJWLAD.
  7. Нестационарность гидрометеорологических процессов Балтийского моря в условиях меняющегося климата / Е. А. Захарчук [и др.] // Труды Государственного океанографического института. 2017. № 218. С. 6–62. EDN YLMAZW.
  8. Wyrtki K. Die Dynamik der Wasserbewegungen in Fehmarnbelt II // Kieler Meeresforschungen. 1954. Vol. 10, iss. 2. P. 162–181.
  9. Leppäranta M., Myrberg K. Physical Oceanography of the Baltic Sea. Berlin, Heidelberg : Springer, 2009. 378 p. (Springer Praxis Books). https://doi.org/10.1007/978-3-540-79703-6
  10. Madsen K. S., Højerslev N. K. Long-term temperature and salinity records from the Baltic Sea transition zone // Boreal Environment Research. 2009. Vol. 14, iss. 1. P. 125–131.
  11. 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.
  12. Журбас В. М., Ох И. С., Пака В. Т. Генерация мезомасштабных циклонических вихрей в Балтике при затоках североморских вод // Океанология. 2002. Т. 42, № 6. С. 805–814.
  13. Zhurbas V. M., Oh I. S., Paka V. T. Generation of cyclonic eddies in the Eastern Gotland Basin of the Baltic Sea following dense water inflows: Numerical experiments // Journal of Marine Systems. 2003. Vol. 38, iss. 3–4. P. 323–336. EDN LHQNOX. https://doi.org/10.1016/S0924-7963(02)00251-8
  14. Matthäus W., Franck H. Characteristics of major Baltic inflows: a statistical analysis // Continental Shelf Research. 1992. Vol. 12, iss. 12. P. 1375–1400. https://doi.org/10.1016/0278-4343(92)90060-W
  15. The major Baltic inflow in January 2003 and preconditioning by smaller inflows in summer/autumn 2002: A model study / H. E. M. Meier [et al.] // Oceanologia. 2004. Vol. 46, iss. 4. P. 557–579. EDN KZBMLL.
  16. Mohrholz V. Major Baltic Inflow Statistics – Revised // Frontiers in Marine Science. 2018. Vol. 5. 384. EDN IQMGTT. https://doi.org/10.3389/fmars.2018.00384
  17. Захарчук Е. А., Кудрявцев А. С., Сухачев В. Н. О резонансно-волновом механизме больших балтийских затоков // Метеорология и гидрология. 2014. № 2. С. 56–68. EDN RUXQAD.
  18. Особенности изменчивости термохалинной структуры и динамики вод Балтийского моря при формировании и распространении большого затока в декабре 2014 года / Е. А. Захарчук [и др.] // Вестник Санкт-Петербургского университета. Науки о Земле. 2024. Т. 69, № 4. С. 734–763. EDN JWDZSZ. https://doi.org/10.21638/spbu07.2024.407
  19. Wyrtki K. Die Dynamik der Wasserbewegungen in Fehmarnbelt // Kieler Meeresforschungen. 1953. Vol. 9, iss. 2. P. 155–170.
  20. Matthäus W., Franck H. Is the positive salinity anomaly in the Kattegat deep water a necessary precondition for major Baltic inflows // Gerlands Beiträge zur Geohysik. 1987. Vol. 9, iss. 4. P. 332–343.
  21. Захарчук Е. А., Сухачев В. Н. Использование спутниковой альтиметрической информации для оценки особенностей генерации возмущений уровня синоптического масштаба под действием касательного трения ветра в системе Балтийского и Северного морей // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2018. Т. 15, № 7. С. 163–174. EDN VSANAQ. https://doi.org/10.21046/2070-7401-2018-15-7-163-174
  22. Педлоски Д. Геофизическая гидродинамика : в 2-х томах / Пер. с англ. Москва : Мир, 1984.
  23. Ле Блон П., Майсек Л. Волны в океане : в 2-х частях / Пер. с англ. Москва : Мир, 1981.
  24. Gräwe U., Friedland R., Burchard H. The future of the western Baltic Sea: two possible scenarios // Ocean Dynamics. 2013. Vol. 63, iss. 8. P. 901–921. https://doi.org/10.1007/s10236-013-0634-0
  25. Захарчук Е. А., Тихонова Н. А., Сухачев В. Н. Изменчивость уровня Балтийского моря // Водные ресурсы в условиях глобальных вызовов: экологические проблемы, управление, мониторинг : сборник трудов Всероссийской научно-практической конференции с международным участием (Ростов-на-Дону, 20–22 сентября 2023 г.). Ростов-на-Дону, 2023. С. 57–62. EDN YVRATV.
  26. Оценки гидрометеорологических рисков и функций распределения интенсивности атмосферных вихрей по данным реанализа и моделям климата / Г. С. Голицын [и др.] // Проблемы анализа риска. 2007. T. 4, № 1. С. 27–37. EDN NUFDWL.
  27. Influence of sea level rise on the dynamics of salt inflows in the Baltic Sea / R. Hordoir [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2015. Vol. 120, iss. 10. P. 6653–6668. https://doi.org/10.1002/2014JC010642
  28. Sea-ice evaluation of NEMO-Nordic 1.0: a NEMO-LIM3.6-based ocean-sea-ice model setup for the North Sea and Baltic Sea / P. Pemberton [et al.] // Geoscientific Model Development. 2017. Vol. 10, iss. 8. P. 3105–3123. EDN YIYVJS. https://doi.org/10.5194/gmd-10-3105-2017
  29. Numerical simulation of large-scale ocean circulation based on the multicomponent splitting method / V. B. Zalesny [et al.] // Russian Journal of Numerical Analysis and Mathematical Modelling. 2010. Vol. 25, iss. 6. P. 581–609. EDN OHOLSZ. https://doi.org/10.1515/RJNAMM.2010.036
  30. Дианский Н. А. Моделирование циркуляции океана и исследование его реакции на короткопериодные и долгопериодные атмосферные воздействия. Москва : Физматлит, 2013. 272 с. EDN UGLFQB.
  31. Brydon D., Sun S., Bleck R. A new approximation of the equation of state for seawater, suitable for numerical ocean models // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1999. Vol. 104, iss. C1. P. 1537–1540. https://doi.org/10.1029/1998JC900059
  32. Yakovlev N. G. Reproduction of the large-scale state of water and sea ice in the Arctic Ocean in 1948–2002: Part I. Numerical model // Izvestiya, Atmospheric and Ocean Physics. 2009. Vol. 45, iss. 3. P. 357–371. EDN LLYWCT. https://doi.org/10.1134/S0001433809030098
  33. Hunke E. C., Dukowicz J. K. An Elastic-Viscous-Plastic Model for Sea Ice Dynamics // Journal of Physical Oceanography. 1997. Vol. 27, iss. 9. P. 1849–1867. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1997)027%3C1849:AEVPMF%3E2.0.CO;2
  34. The ERA5 global reanalysis / H. Hersbach [et al.] // Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. 2020. Vol. 146, iss. 730. P. 1999–2049. EDN DKXYTO. https://doi.org/10.1002/qj.3803
  35. Jensen T. G. Open boundary conditions in stratified ocean models // Journal of Marine Systems. 1998. Vol. 16. P. 297–322. https://doi.org/10.1016/S0924-7963(97)00023-7
  36. Манилюк Ю. В., Лазоренко Д. И., Фомин В. В. Исследование сейшевых колебаний в смежных бухтах на примере Севастопольской и Карантинной бухт // Морской гидрофизический журнал. 2020. Т. 36, № 3. С. 261–276. EDN QEFCWJ. https://doi.org/10.22449/0233-7584-2020-3-261-276
  37. Björnsson H., Venegas S. A. A Manual for EOF and SVD Analysis of Climate Data. CCGCR Report. 97-1. Climate Research Branch, Environment Canada. 1997. 52 p.
  38. Колесникова В. Н., Монин А. С. О спектрах колебаний метеорологических полей // Известия Академии наук СССР. Физика атмосферы и океана. 1965. Т. 1, № 7. С. 653–669.
  39. Fennel W., Seifert T. Oceanographic processes in the Baltic Sea // Die Küste. 2008. Vol. 74. P. 77–91.
  40. Spatiotemporal structure of Baltic free sea level oscillations in barotropic and baroclinic conditions from hydrodynamic modelling / E. A. Zakharcuk [et al.] // Ocean Science. 2021. Vol. 17, iss. 2. P. 543–559. EDN LTYQEA. https://doi.org/10.5194/os-17-543-2021
  41. Standing waves in the Gulf of Finland and their relationship to the basin-wide Baltic seiches / B. Jönsson [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2008. Vol. 113, iss. C3. EDN UVOWLU. https://doi.org/10.1029/2006JC003862
  42. Куликов Е. А., Медведев И. П. Изменчивость уровня Балтийского моря и наводнения в Финском заливе // Океанология. 2013. Т. 53, № 2. С. 161–174. EDN PXLGIL. https://doi.org/10.7868/S003015741302010X
  43. “Grey swan” storm surges pose a greater coastal flood hazard than climate change / K. Horsburgh [et al.] // Ocean Dynamic. 2021. Vol. 71, iss. 6–7. P. 715–730. https://doi.org/10.1007/s10236-021-01453-0
  44. On cyclones entering the Baltic Sea region / M. Sepp [et al.] // Boreal Environment Research. 2018. Vol. 23. P. 1–14. EDN VFAPZH.
  45. Моделирование большого балтийского затока с помощью совместной модели Северного и Балтийского морей / Н. А. Тихонова [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2025. Т. 41, № 2. С. 185–212. EDN TGBETI.
  46. Аверкиев А. С., Клеванный К. А. Определение траекторий и скоростей циклонов, приводящих к максимальным подъемам воды в Финском заливе // Метеорология и гидрология. 2007. № 8. С. 55–63. EDN KUHQXX.
  47. Buchwald V. T. Long period divergent planetary waves // Geophysical Fluid Dynamics. 1973. Vol. 5, iss. 1. P. 359–367. https://doi.org/10.1080/03091927308236125
  48. Бышев В. И. Синоптическая и крупномасштабная изменчивость океана и атмосферы. Москва : Наука, 2003. 343 с.

Файлы

Полный текст

JATS XML

Мы используем Яндекс Метрику. Подробнее.