Спектр изменчивости уровня Балтийского моря в диапазоне периодов от часов до лет

• Автор: Медведев, Игорь Павлович
• Шифр специальности: 25.00.28
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 143 с. : ил.

Содержание
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ДАННЫЕ И МЕТОДЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ИССЛЕДОВАНИЯХ

1Л. Данные

1ЛЛ. Инструментальные ряды наблюдений за изменением уровня

1Л .2. Метеорологические данные

1.2. Методы исследований

1.2Л. Спектральный анализ

1.2.2. Гармонический анализ

ГЛАВА 2. ОСОБЕННОСТИ СПЕКТРА ИЗМЕНЧИВОСТИ УРОВНЯ БАЛТИЙСКОГО МОРЯ

2.1. Формирование спектра изменчивости уровня Балтийского моря
2.2. О распределении энергии колебаний Балтийского моря по частотным диапазонам изменчивости
2.3. Влияние баротропного водообмена между Балтийским и Северным морями на формирование спектра колебаний уровня
2.4. Модель отклика уровня моря в частично изолированной акватории
Выводы к Главе 2
ГЛАВА 3. СИНОПТИЧЕСКИЕ И МЕЗОМАСШТАБНЫЕ КОЛЕБАНИЯ УРОВНЯ БАЛТИЙСКОГО МОРЯ
3.1. Синоптическая изменчивость уровня Балтийского моря
3.2. Собственные колебания уровня Балтийского моря и его заливов
3.2.1. Структура стоячих волн в Финском заливе
3.2.2. Влияние изменения атмосферного давления и ветра на колебания уровня Финского залива
3.2.3. Собственные колебания Рижского залива
3.2.4. Колебания уровня Куршского залива
3.3. Численное моделирование собственных колебаний Балтийского моря
3.3.1. Характеристика модельной системы ROMS
3.3.2. Вынуждающие силы. Выбор оптимальной формулы для расчета касательных напряжений ветра при моделировании изменчивости уровня в Балтийском море

3.3.3. Моделирование изменчивости уровня Балтики с 1992 по 2000 г.
Выводы к Г лаве 3
ГЛАВА 4. ПРИЛИВЫ В БАЛТИЙСКОМ МОРЕ
4.1. Спектральный анализ приливов
4.2. Радиационные приливы в Балтийском море
4.3. Спектры с высоким разрешением
4.4. Гармонический анализ приливов
4.5. Пространственное распределение характеристик прилива в Балтийском море
4.6. Резонансное усиление суточных приливов в Финском заливе
4.7. Спектры колебаний уровня Куршского залива с высоким разрешением
4.8. Радиационные приливы в Куршском заливе
Выводы к Г лаве 4
ГЛАВА 5. ДОЛГОПЕРИОДНЫЕ КОЛЕБАНИЯ УРОВНЯ БАЛТИЙСКОГО МОРЯ
5.1. Сезонные колебания уровня Балтийского моря
5.1.1. Спектральный и гармонический анализ сезонных колебаний уровня
5.1.2. Временная изменчивость сезонных колебаний уровня моря
5.1.3. Пространственная изменчивость сезонных колебаний уровня
5.2. Полюсный прилив в Балтийском море
5.2.1. Спектральные особенности полюсного прилива
5.2.2. Пространственное распределение интегральных амплитуд полюсного прилива
5.2.3. Чандлеровские биения и временная изменчивость полюсного прилива в Балтийском море
5.3. Влияние атмосферных процессов на формирование долгопериодных колебаний уровня Балтийского моря
Выводы к Г лаве 5
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
РАБОТЫ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы исследования и степень ее разработанности. Колебания уровня моря являются одним из наиболее ярких проявлений гидрометеорологических процессов в Мировом океане. С древних времен штормовые нагоны, приливы, наводнения были хорошо знакомы рыбакам, мореходам и обитателям прибрежных областей. Известно, что изменчивость уровня моря определяет динамический и гидрологический режим акваторий, оказывает влияние на морскую флору и фауну, а также имеет важное экономическое и социальное значение для жизнедеятельности человека в прибрежной зоне. Например, без точного прогноза приливных колебаний уровня моря невозможна работа большего числа морских портов. При строительстве сооружений в прибрежной зоне требуется оценить возможные максимальные отметки уровня с периодом повторяемости, определяемым государственным стандартом. Экстремальные колебания уровня моря, вызываемые цунами, штормовыми нагонами, паводками, являются причиной стихийных бедствий в прибрежной зоне, жертвами которых становятся тысячи людей. Знание особенностей отдельных видов колебаний уровня моря и их возможного проявления представляется актуальной задачей, как с научной точки зрения, так и с практической.
Колебания уровенной поверхности моря - это «дыхание океана» [Vyrtki, 1979], формирующееся под влиянием различных внешних и внутренних факторов: метеорологического воздействия, приливообразующих и гелиогеофизических сил, изменения полей плотности морской воды, океанической циркуляции, изменений водного баланса и морфометрических особенностей бассейна. Особое значение для формирования уровня моря имеют волновые процессы. В настоящем исследовании рассматриваются поверхностные (баротроппые) длинные волны, которые не зависят от изменений плотности морской воды и лучше всего проявляются в колебаниях уровня океана [Рабинович, 1993]. Бароклинные движения жидкости выражены широким спектром внутренних волн, которые оказывают большое влияние на гидрологический режим акваторий. Однако на изменения уровня моря эти движения оказывают малое воздействие и в настоящем исследовании не рассматриваются. По характеру возвращающих сил морские длинные волны разделяют на два основных класса: градиентно-вихревые и гравитационные волны [Не Блон и Майсек, 1981]. Градиентно-вихревые волны формируются под влиянием гироскопических сил на частотах ниже инерционной и определяются законом сохранения потенциального вихря [Ле Блон и Майсек, 1981]. Они могут вызывать довольно сильные течения в прибрежной зоне, но сравнительно слабо

воды в канале. В этом случае можно считать, что уровень остается одинаковым на всей акватории залива. Следует отметить, что данное предположение является дискуссионным. Учет вращения допускает возникновение градиентно-вихревых волн (например, шельфовых волн) во внутренней акватории, которые значительно медленнее, чем гравитационные, и могут повлиять на скорость установления равновесного состояния в заливе [Ефимов и др., 1985]. Проявление градиентно-вихревых волн в Балтийском море подробно рассматривается в монографиях [Динамика..., 2007; Захарчук, 2008]. Однако хорошо известно, что такого рода волны относятся к классу квазигеострофических движений, для которых отклонения уровня относительно малы (приближение «твердой крышки»), поэтому в данном случае мы будем пренебрегать этим эффектом.
Обозначим значение уровня со стороны открытого моря а в заливе . Уравнение водного баланса запишется в виде
А —= uS, (2.1)

где и - скорость потока в канале. Заметим, что скорость потока принимается постоянной вдоль всего канала. Это условие справедливо, если протяженность канала L значительно меньше длины гравитационной волны с периодом порядка временного масштаба изменчивости уровня (L «Т-JgD).
Уравнение движения жидкости в канале с учетом линейного гидравлического сопротивления запишется как
du dС,
— = - 8~Г ~ ги. (2.2)
dt dx
где г - коэффициент сопротивления. Интегрируя (2.2) вдоль канала, получим «гидравлическое» соотношение, связывающее уклон морской поверхности вдоль канала и скорость потока:
— = gfe..T-C'.)-rM , (2.3)

Отметим, что уравнение (2.3) без учета диссипации в канале использовалось в известной модели Майлса [Miles, 1974] при описании сейшевой моды Гельмгольца в бухте. Для оценки водообмена между Балтикой и Северным морем Стигебрандт [Stigebrandt, 1980] рекомендует использовать формулу для вычисления гидравлического сопротивления с квадратичной зависимостью от скорости течения: сила придонного трения определяется как ть = Сьи1. К сожалению, такая нелинейная модель несовместима с представлением о линейной системе в теории случайных процессов. С ее помощью было