CC BY
32
УДК 551.46 Д.К. Старицым
ОПЫТ ОЦЕНКИ СКОРОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ СТЕРИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ УРОВНЯ В ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫХ МОРЯХ И ВОЗМОЖНОСТЬ ЕЕ ПРОГНОЗА*
Целью настоящего исследования является оценка скорости изменений стерическош уровня Японского и Охотского морей, и возможность ее прогнозирования.
Пионерские работы по оценке стерических возмущений уровня в Японском море, выполненные Номицу и Окамото [1] показали, что вклад этих возмущений может превышать 80 %. Подобные величины для северо-западной части Тихого океана и другим районам приводятся в работах Миязаки [2] и Паулло, Мунка [3], Архипкин, Бережной [4].
За счет статистических эффектов атмосферного давления («обратный барометр») относят обычно 25-30 % от величины сезонных колебаний уровня. Статические возвышения уровня в океане значительно меньше наблюдаемых значений и отличаются по своим фазовым характеристикам. В северо-западной части Тихого океана, в особенности в районах примыкающих к материкам, преобладает континентальный тип годового хода атмосферного давления с максимумом зимой (январь-февраль) и летним минимумом (в июле), т.е. обратный годовому ходу температуры воздуха. Соответственно, сезонный ход статического уровня океана совпадает с сезонным ходом температуры воздуха.
Оценивая роль температуры и солености в плотностных возмущениях уровня Японского моря, можно отметить, что годовые колебания солености уменьшаются при удалении от берега и поэтому стерические колебания уровня в открытом море определяются главным образом сезонными изменениями температуры [5-8]. Причем в зоне Цусимского течения роль температуры значительно больше, чем солености, а в прибрежной зоне Приморского течения она примерно одинаковая [9].
Итоги анализа наблюдений в 23 береговых пунктах показывают, что сезонные колебания уровня Японского моря имеют вид годовой волны [10]. По этим данным фазы колебаний совпадают по сезонам года на всех уровенных постах, т. е. уровень моря испытывает одновременные сезонные колебания по всей его акватории.
Оценки сезонных колебаний уровня, полученные на основе десятилетних временных рядов с дискретностью 7 суток по спутниковым альтиметрическим измерениям в узлах одноградусной сеточной области, представленные в работе Д.К. Старицына, В.Р. Фукса [11], показывают, что общая картина пространственного распределения амплитуды колебаний уровня с годовым периодом подобна распределению среднеквадратического отклонения: амплитуда достигает максимальных значений (до 18-20 см) в зоне влияния Цусимского течения и уменьшается на запад и север до 4-5 см.
Расчет когерентности с гармоническим тестом, как меры близости годовых колебаний уровня к гармоническим и устойчивости начальных фаз, показал повышенную (Р>0,8) когерентность на всей акватории Японского моря. Особенно высокая
© Д.К. Старицын, 2006
* Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 04-05-64876).
когерентность (Б = 0,85-0,95) годовых колебаний наблюдается в центральной и юговосточной областях Японского моря. '
Фазовая картина свидетельствует о сравнительно плавном изменении начальной фазы - от почти нулевых значений в районе побережья Японии до 20-25° на западном побережье моря, что соответствует месячному запаздыванию годового хода уровня у западных берегов моря [11]
Рис. 1. Схема точек, в которых оценивался уровень Охотского и Японского морей
В настоящей работе произведены расчеты скорости изменения уровня в точках представленных на схеме 1 (рис.1) поданным многолетних среднемесячных значений температуры и солености на шести горизонтах (10,100,200,250,500 м) заимствованных из Атласа по океанографии Берингова, Охотского и Японского морей [12]. Были вычислены средние значения скорости изменения уровня для пятисотметрового слоя с помощью соотношения, предложенного В.Р. Фуксом [13]:
дt
н і * о
При послойных расчетах суммарная скорость роста стерического уровня Д£, определялась суммированием:
500 1 Ап
ДР
о Р Дґ
дь.
где Д% - скорость роста уровня; р - плотность; I - время (в работе I = 1 месяц); А/г - расстояние между горизонтами;
Н - глубина.
130 135 140 145 150 155 ВА
130 135 140 145 150 155 ВА
130 135 140 145 190 155
55 ели
130 136 140 145 150 155 вд
МО 1» 140 145 150 156 вд
130 135 140 145 150 155
55о.ц1
130 136 140 146
165 в.д.
130 135 140 145 150 155 вд.
130 135 140 145' 150 155 «А
135 140 145 150 155
130 135 140 145 150
55с.ш.
130 136 140 146 150 156 ВА
130 135 140 145
130 136 140 146 150 155 ВА
55сл1
130 135_________140 (« 150 155 ВА
Рис. 2. Оценки пространственно-временной изменчивости скорости роста (падения) стерического уровня на акваториях Японского и Охотского морей
На рис. 2 представлено распределение оценок скорости изменения уровня в Японском и Охотском морях. Из приведенных данных видно, что в северной и северо-западной частях Японского моря в зимний период изменение стерических возмущений уровня близко к -1 см/мес. В зоне Цусимского течения можно видеть участки падения уровня со скоростью до -4 см/мес.
В южной части Охотского моря скорость изменения возмущений уровня в январе также имеет отрицательные значения (до -2 см/мес), однако в феврале начинается её рост, который весной достигает максимальных значений до 2,5 см/мес в марте-апреле.
В западной части Японского моря в марте, наблюдается хорошо выраженный минимум, связанный с существованием в этом районе локальной зоны дивергенции. В целом же в большинстве областей в этот период значения изменений уровня близко к нулю. В дальнейшем, с увеличением весеннего прогрева, рост уровня увеличивается к маю до 3-6 см/мес, достигая летом, в промежутке между июнем и июлем на юге в зоне Цусимского течения, положительного экстремума годового хода 10-11 см/мес (рис. 2).
В августе на акватории морей доминируют положительные значения скорости роста в пределах 0,5-1,5 см/мес. Лишь в крайних южных и юго-восточных областях морей наблюдается отрицательные значения, вероятно обусловленные сгонными процессами, связанными с преобладанием в летний период ветров южных румбов.
Осенью с увеличением плотности воды в связи уменьшением солнечной активности и сезонной перестройкой в поле течений, уровень в Японском и Охотском морях уменьшается, что отражается в отрицательных величинах скорости роста (рис. 2). Положительные значения наблюдаемые в южной области Японского моря (до 6 см/мес в октябре) очевидно указывают на доминирования в этот период динамических эффектов в возмущениях уровня над стерическими.
Анализ изменений распределения скорости роста уровня (по многолетним данным) на акватории Японского и Охотского морей позволил выделить региональные типы её годового хода.
В Японском море к первому типу можно отнести кривые, расположенные к северу от Сангарского пролива на которых характерно наступление двух положительных экстремумов роста уровня от февраля к марту и июне-июле, и трех отрицательных в январе, апреле и октябре (рис. 3).
Второй - западный тип (вдоль Приморья) отличается наступлением одного выраженного положительного максимума в июле-августе и двух
отрицательных в марте и сентябре - октябре (рис. 3), вероятно связанных с сезонным ходом температуры воды.
К третьему типу кривых - восточному можно отнести кривые, полученные в зоне действия Цусимского течения и хорошо связанные с его динамкой. Как видно из рис. 3 для сезонного хода изменения уровня в этом районе характерны положительные значения роста уровня летом (июнь - июль) и осенью (сентябрь - октябрь), два отрицательные в январе - марте и ноябре - декабре.
Четвертый тип годового хода скорости роста уровня наблюдается в центральной части моря. Для этого типа характерно наличие двух положительных экстремумов и одного отрицательного. Основной положительный экстремум отмечается в августе, второй в марте-апреле. Можно отметить сглаживание основного экстремума и усиление второго экстремума в северном направлении.
Тип I северная часть Тип II западная часть Тип III восточная часть
Японского моря Японского моря Японского моря
Тип IV центральная часть ТипУ южная часть
Японского моря Японского моря
Рис. 3. Типы годового хода скорости роста стерического уровня в Японском море.
Пятый - южный тип (рис. 3), характерен для района расположенного к югу от 37°с.ш. Здесь, особенностью сезонного хода скорости роста уровня является наличие в мае - июне хорошо выраженного главного положительного экстремума (до 4 см/мес)
и дополнительного (до 2 см/мес) в сентябре - октябре. В период с октября по февраль наблюдаются отрицательные значения (.2 - -4 см/мес) скорости роста уровня в этом районе моря
На рис. 4 представлены 4 типа динамики сезонного роста уровня в Охотском море. К первому типу можно отнести кривые скорости роста, наблюдаемые на юге моря в потоке течения Соя. Хорошо видно, что положительный рост уровня начинается в феврале, достигает максимума
Рис. 4. Типы годового хода скорости роста стерического уровня в Охотском море
в марте-апреле. До середины июля скорость имеет положительные значения, а затем наблюдается падение уровня со скоростью до 2 см/мес.
Второй тип - наблюдается в центральной области изучаемой акватории Охотского моря. Для него характерно наличие выраженного положительного максимума в июле - августе и одного отрицательного в октябре (рис. 4). По мере продвижения в восточном направлении (к Курилам) отмечается сглаживание кривой и ее трансформация в прикурильский третий тип. Как видно I и II типы кривых хорошо соответствуют сезонному ходу температуры поверхности воды.
Третий тип - Прикурильский наблюдается вдоль Курильской гряды. Для этого типа годового хода скорости роста уровня характерно наличие двух слабо выраженных максимумов (до 2-х см/мес) и двух минимумов (рис. 4).
Четвертый тип отличается от третьего гораздо большей амплитудой изменчивости скорости роста уровня. Фаза наступления положительных экстремумов - в марте и сентябре. Главный минимум наблюдается в январе-феврале, промежуточный минимум со скоростью роста около нуля - в мае- июне.
Таблица 1
Сводная таблица зависимости скорости роста уровня от температуры воды в Японском море
Район г Ж (критерий Фишера) Станд. ошибка
Тип I. Северная часть 0.87 27.7 0.2
Тип II. Западная часть 0.65 6.5 0.3
Тип III. Зона Цусимского течения 0.2 0.36 0.5
Тип IV. Центральная часть 0.97 156.2 0.07
Тип V. Южная часть 0.94 10.8 0.6
Полученные результаты и результаты других авторов [4,10,14,15] свидетельствуют о существовании связи между скоростью роста уровня и температурой воды на поверхности. Однако для ряда прикладных задач представляет интерес связь между скоростью роста уровня и скоростью роста температуры воды (^). Оценим устойчивость такой связи с помощью регрессионных соотношений и графиков зависимостей между испытываемыми переменными представленных на рис.5 и 6. Анализируя эти графики можно сделать вывод о том, что в большинстве случаев оценки достаточно хорошо укладываются в доверительные интервалы. Главные статистики, характеризующие регрессию между скоростью роста уровня и скоростью изменения температуры поверхности воды в Японском море, представлены в табл.1. Как видно из таблицы, коэффициент корреляции (г) между переменными в большинстве районов Японского моря достаточно высокий. Наименьшее значение г = 0.2 наблюдается в зоне Цусимского течения, что вероятно обусловлено доминированием в этом районе динамических эффектов. Наибольшее (г = 0.97) - наблюдается в центральной части моря.
В табл. 2, представлены оценки зависимости скорости роста уровня Охотского моря от скорости изменчивости температуры поверхности воды. В динамически активных зонах, расположенных в районе Западно-Камчатского шельфа и течения Соя, связь между оцениваемыми величинами весьма неустойчивая (г = 0.07) и (г = 0.58) соответственно. Полученные результаты не оставляют сомнения в том, что наибольшей вклад в возмущения уровня этих районов вносят динамические процессы.
Рис. 5. Регрессионная зависимость между скоростью роста стерического уровня и скоростью изменения температуры воды на поверхности в различных регионах Японского моря.
Тип I
У а -.1485 + .30149 * X Согге1аИоп: г * О.бв
Тил III
У» -.0263 ♦ .22603 * X Согтб1аИоп: г» 0.71
-5-3-1 1
Тип II
V» .00266 + .22936 #Х Согге1а11оп: г
1.8
1.2
I °-в I 00
в -о.в -1.2
А
Г
Рвдгемкш
96% сопЛй.
Тип IV
Уш .53469 + .02906 * X Соггв!аиоп: г * 0.07
Рис. 6. Регрессионная зависимость между скоростью роста стерического уровня и температурой воды на поверхности в различных регионах Охотского моря.
Таким образом, в Японском море выделяются пять типов годового хода скорости роста (падения) уровня: первый тип относится к северным районам, второй и четвертый характерны для западных и центральных областей, а третий и пятый типы встречаются в восточных и южных динамически активных районах моря - в зоне действия Цусимского течения.
Таблица 2
Сводная таблица зависимости скорости роста уровня от скорости роста температуры воды в Охотском море
Район г F (критерий Фишера) Станд. ошибка
Тип I. Южная часть 0.58 4.49 0.45
Тип II. Юго-Западная часть 0.91 44.6 0.1
Тип III. Юго-восточная часть 0.71 9.0 0.2
Тип IV. Восточная часть 0.07 1.9 0.34
Для Охотского моря выделены четыре типа сезонного хода роста уровня: первый тип наблюдается в южной части моря; второй тип в центральной части; третий и четвертый типы скорости роста уровня характерны для Прикурильского и Западно-Камчатского районов.
Скорость роста зависит от сезона года, а также от местоположения района. В летний период с ростом температуры поверхности воды в большинстве районов отмечается положительный рост уровня. В динамически активных, а также наветренных и подветренных областях, обусловленных муссонной циркуляцией, в годовом ходе скорости роста уровня наблюдаются дополнительные экстремумы.
Регрессионный анализ между скоростью роста уровня и скоростью роста температуры поверхности воды позволил определить районы в Японском и Охотском морях с наиболее устойчивой связью между этими характеристиками, что дает возможность прогноза скорости роста уровня с высокой оценкой эффективности прогнозирования.
SUMMARY „
Staritsyn D.K. A case study for assessing the steric sea-level oscillation rate and the possibility of forecasting it in the Western Pacific seas.
Mean rates of the steric sea-level oscillations are estimated for the 500 meter water column in the Japan and Okhotsk seas from many years monthly data of water temperatures and salinities. Maps of spatial distribution of the obtained estimates of the sea-level raise (or fall) rate are drawn and analyzed. Regional patterns of the annual sea-level change are classified. Forecast equations are derived to connect the sea-level change rates and the sea surface temperatures.
Литература
1. Nomitsu Т., Okamoto M. The causes of annual variation of Mean sea Level along the Japanese Coast//Mem. College Sci. Kyoto Imp. Univ. Kyoto. 1927. Sir. A., V. X, N3.2. Miyazaki M. Seasonal variations of the level along the Japanese coasts // Rec. Oceanogr. Works in Japan. Tokyo. 1955. V.2, N3.3. Patullo J„ Afynk. W, Revel! R., Strong E. The seasonal oscillation in sea level// J. Mar. Res. 1955. V. 14, N1.4. Архипкин В. С., Бережной В.Ю. Стерические колебания уровня Черного моря // Океанология. 1996. Т.35. Jfe 6. 5. Добровольский АД., Залогин Б. С. Японское море. Кн.: Моря СССР. М., 1982.6. Леонов А.К. Японское море. Кн.: Региональная океанография. Л., 1960. 4.1. 7. Основные черты геологии и гидрологии Японского моря. М., 1961.
8. Покудов В.В., Манько А.Н., Хлусов А.Н. Особенности гидрологического режима вод Японского моря в зимний период // Тр.ДВНИГМИ. 1976, вып.60. 9. Основные черты геологии и гидрологии Японского моря. М., 1961. 10. Галеркин JI.K Непериодические колебания уровня моря. В сб.: Основные черты геологии и гидрологии Японского моря. М., 1961.11. Старицын Д.К., ФуксВ.Р. Сезонная изменчивость уровня Японского моря (по данным альтиметрических измерений) // Вестн. С.-Петерб. у-та. 2003. Сер. 7. Геология, география. Вып. 4. 12. Ростов И.Д. и др. Атлас по океанографии Берингова, Охотского и Японского морей. Владивосток, 2001.13. Фукс В.Р. Гидродинамические основы интерпретации съемок морской поверхности // В сб.: Колебания уровня в морях. 2003.14. Провоторов П.П. Стерические колебания уровня моря // В.сб.: Колебания уровня в морях. С.-Петербург. 2003.15. Shoshiro Minobe, Akinori Sako and Makoto Nakamura. Interannual to Interdecadal Variability in the Japan Sea Based on a New Gridded Upper Water Temperature Dataset // J. of Phys. Oceanography. 2004. Vol. 34.
Статья принята к печати 26.12.2006 г.
