Межгодовые и сезонные колебания уровня северной части Тихого океана

ВЕСТНИК САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

Сер. 7 2007 Вып. 2

УДК 551.461.2 В. В. Колдунов

МЕЖГОДОВЫЕ И СЕЗОННЫЕ КОЛЕБАНИЯ УРОВНЯ СЕВЕРНОЙ ЧАСТИ ТИХОГО ОКЕАНА*

В последние несколько десятилетий проблема изменения климата нашей планеты все больше интересует ученых всего мира. Уровень океана является характеристикой, отражающей динамическое состояние атмосферы и океана. Многие считают, что глобальное потепление (как природного, так и антропогенного происхождения) может привести к росту глобального уровня Мирового океана. Основными факторами такого повышения являются термическое расширение вследствие нагревания океана и таяние материкового льда, что может оказать значительные воздействия на общества и экосистемы во всем мире. И действительно за последние сто лет наблюдается как повышение глобальной температуры воздуха, так и повышение уровня Мирового океана.

В статье представлены результаты исследований, посвященных колебаниям уровня северной части Тихого океана, рассматриваются тренды, межгодовые, годовые и полугодовые колебания уровня. Также затрагивались изменения с периодами в несколько месяцев, так как они могут влиять на межгодовые колебания или наоборот происходить под их влиянием.

В работе использовались данные среднемесячных значений уровня моря, измеренных на береговых станциях северной части Тихого океана. Ряды наблюдений опубликованы и постоянно пополняются на Интернет сайте: http://ilikai.soest.hawaii.edu [1] (архив данных: The Joint Archive for Sea Level (JASL)), который является совместной работой следующих центров: the University of Hawaii Sea Level Center, World Data Center-A for Oceanography, the National Oceanographic Data Center (NODC), и the National Coastal Data Development Center (NCDDC). The JASL сейчас является официальным центром данных проекта Global Sea Level Observing System (GLOSS), который постоянно пополняется. Названия станций, их идентификационный номер (согласно JASL) и расположение представлены ниже в табл. 1, а карта расположения станций на рис. 1.

Наблюдения за уровнем на мареографных станциях различны по продолжительности и многие из них имеют иногда значительные пропуски, связанные с различного рода причинами. Количество таких пропусков можно узнать из показателя Completeness index (CI), представляющего собой индекс полноты ряда, выражаемый в процентах. Из 62 рассмотренных рядов наиболее представительными являются измерения сделанные на станциях: San Francisco (1901-2004 гг.), Honolulu (1905-2004 гг.), San Diego (1906-2004 гг.), Balboa (1907 - 2004 гг.), Los Angeles (1921 - 2001 гг.).

© В.В. Колдунов, 2006

* Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 04-05-64876

Таблица 1

Названия станций, их идентификационный номер (согласно 1А8Ь), КЛ - количество лет наблюдений, С1 - индекс полноты ряда

JASL Название Года КЛ CI

001 Pohnpei 1974-2004 30 98

007 Malakal 1969-2004 35 95

008 Yap 1973-2004 31 93

011 Christmas 1974-2004 30 96

014 French Frigate 1974-2004 30 97

028 Saipan 1978-2004 26 93

029 Kapingamarangi 1978-2004 26 92

040 Adak, Alaska 1950-2004 54 92

047 Chichijima 1975-2004 29 100

050 Midway 1947-2004 57 93

051 Wake 1950-2004 54 93

052 Johnston 1947-2004 57 95

053 Guam 1948-2004 56 92

055 Kwajalein 1946-2004 58 98

057 Honolulu 1905-2004 99 98

058 Nawiliwili 1954-2003 49 99

059 Kahului 1950-2004 54 92

060 Hilo 1927-2004 77 81

085 Buenaventura 1953-2000 47 93

302 Balboa 1907-2004 97 98

316 Acapulco 1952-1995 43 91

347 Abashiri 1968-2004 36 97

349 Toyama 1967-2004 37 98

350 Kushiro 1963-2004 41 97

351 Ofunato 1965-2004 39 100

352 Mera 1968-2004 36 93

353 Kushimoto 1961-2004 43 97

354 Aburatsu 1961-2004 43 100

355 Naha 1966-2004 38 100

356 Maisaka 1968-2002 34 96

357 Miyakejima 1965-2001 36 99

359 Naze 1961-2003 42 94

360 Wakkanai 1967-2004 37 99

JASL Название Года КЛ CI

363 Nishinoomote 1965-2003 38 98

364 Hakodate 1969-2004 35 93

365 Ishigaki 1969-2002 33 100

375 Hachinohe 1980-2002 22 100

376 Xiamen 1954-1997 43 100

540 Prince Rupert 1963-2005 42 99

542 Tofino 1963-1999 36 94

551 San Francisco 1901-2004 103 100

555 Monterey 1973-2003 30 99

556 Crescent City 1933-2004 71 90

558 Neah Bay 1934-2004 70 97

559 Sitka 1950-2004 54 92

561 Seldovia 1979-2003 24 100'

567 Los Angeles 1923-2001 78 99

569 San Diego 1906-2004 98 97

570 Yakutat 1961-2004 43 91

572 Astoria 1925-2003 78 97

575 Charleston 1978-2003 25 98

592 South Beach 1967-2004 37 99

632 Kanmen-A 1975-1997 22 100

635 Zhapo-A 1975-1997 22 100

636 Beihai 1975-1997 22 100

637 Dongfang 1975-1997 22 100

638 Haikou 1976-1997 21 100

639 Lianyungang 1975-1997 22 100

641 Shanwei 1975-1997 22 98

642 Shijiusuo 1975-1997 22 100

092 Нагаево 1957-1991 34 90

093 Петропавловск-Камчатский 1957-1991 34 90

В настоящее время проблема межгодовых колебаний уровня изучается достаточно интенсивно, но вопрос осложняется тем, что на данный момент период наблюдений за изменениями уровня редко превышает сто лет. Причем эти измерения проводились только на береговых постах, распределение которых по Мировому океану не равномерно.

Перспективным в этой связи направлением в исследовании проблемы являются альтимет-рические измерения со спутника, охватывающие весь Земной шар. Но эти наблюдения проводятся чуть больше десяти лет и пока для изучения межгодовых колебаний уровня малопригодны.

Рис. 1. Карта расположения станций

Нами были проанализированы распределения по времени значений уровня моря северной части Тихого океана с целью выявить линейные тренды в межгодовом масштабе. Временной ход уровня апроксимировался прямой вида: £(t) = а + bt, где <f(t) - уровень моря.

Тогда скорость изменения уровня —- = Ь.

dt

Чтобы сравнить полученные результаты друг с другом, ряды были «обрезаны» и рассматривались значения с 1970 г. по 2004 г., т. к. большинство наблюдений проводились именно в этот период. Явный, равномерный рост уровня за весь период наблюдался на станциях: Kushiro, Mera, Ofunato, Balboa, Hilo, Wakkanai. Причем скорости здесь колеблются от 1-2 до 9,4 (Kushiro) мм/год. Значительное равномерное понижение уровня встречалось реже: Yakutat (-7,4), Sitka (-2,5 мм/год), Neah Bay (-2 мм/год).

По полученным результатам (табл. 2) была построена карта распределения характеристики b линейного тренда уровня, представленная на рис. 2.

Таблица 2

Значения скоростей изменения уровня, мм/год

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

№ станции 570 559 558 357 40 356 542 556 364 572 •

скорость -7.41 -2.15 -2.05 -1.98 -1.64 -1.63 -0.68 -0.48 -0.26 -0.03

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

№ станции1 376 55 58 355 52 567 57 540 53 359

скорость 0.71 1.00 1.39 1.44 1.57 1.64 1.72 1.85 1.90 2.02

№ станции 569 551 347 354 51 365 302 59 50 85

скорость 2.08 2.13 2.17 2.19 2.31 2.34 2.44 2.56 2.59 2.62

№ станции 349 363 592 360 60 353 352 351 350

скорость 2.66 2.80 2.98 3.02 3.36 3.57 3.60 4.68 9.39

Рис. 2. Карта распределения скорости изменения уровня - Ь, мм/год

На рис. 2. можно заметить два отчетливых очага понижения и повышения уровня моря. Довольно значительное понижение (до 7мм/год) наблюдается в заливе Аляска. Резкое повышение (до 9 мм/год) происходит в районе островов Японии. Таким образом, можно сказать, что полученные данные в большинстве своем указывают на общее повышение уровня моря за период измерений, хотя имеются и обратные примеры, в которых уровень не растет, а понижается.

Сегодня во многих публикациях приводится скорость повышения уровня Мирового океана в течение прошлого столетия [2-6]. Большинство авторов называют цифру около 1-2 мм в год, что вполне совпадает с полученными результатами. Причем вклад теплового расширения воды примерно 0.6 мм в год (Sydney Levitus of the National Océanographie [5]). Таяние мелких ледяных щитов и ледников вносит вклад, максимально оцененный в 0.3 мм в год (Mark Meier of the University of Colorado [5]). Остальные процессы, определяющие повышение уровня Мирового океана менее изучены. Межгодовые изменения плотности воды также вносят определенный вклад в тренд уровня моря. В линейный тренд уровня моря, в особенности в районах впадения крупных рек, могут внести заметный вклад изменения речного стока.

Согласно сценариям, представленных в докладе Межправительственной группой экспертов по изменению климата [6], глобальный средний уровень моря в период между 1990 г. и 2100 г. повысится на 0,09-0,88 м. Это должно произойти главным образом из-за теплового расширения и таяния ледников и ледниковых куполов.

На основе спектрального анализа среднемесячных значений уровня были получены следующие результаты. На всех спектрах присутствует годовая составляющая. Полугодовая составляющая выделяется на спектрах следующих пунктов: Pohnpei, Yap, Zhapo, Kushiro, Adak, Midway, Kwajalein,Nawiliwili, Kahului, Abashiri, Ofunato, Hakodate, Xiamen, Monterey,

Crescent City, Петропавловск-Камчатский, Нагаево, San Francisco, Balboa. Полугодовая составляющая также наблюдалась, но ее значимость была намного ниже годовой в спектрах следующих пунктов: Honolulu, Christmas Is., Hilo, Davao, Chendering. Третьгодовая составляющая с частотой 0,25 присутствует на спектрах станций: San Francisco, Mera, Kushiro, Kanmen.

В некоторых пунктах присутствовали низкочастотные составляющие. Из наиболее часто встречающихся можно отметить периоды: 14 месяцев (1.2 года), порядка 20 месяцев (1,7 года); 2,5 года; 3,5 года, 5 лет. Также следует отметить периоды 18-19,12-15 лет, 7 лет и 6,5 года, которые проявлялись в некоторых пунктах.

С чем же могут быть связаны найденные периоды в вариациях уровня, остается пока не совсем ясным. Представляют интерес исследования влияния на межгодовые колебания в океане долгопериодных составляющих приливообразующих сил Луны и Солнца и флуктуаций во вращении Земли. Могут внести определенный вклад долгопериодные приливные вариации уровня моря, из которых оценен лунный деклинационный прилив с периодом 18,6 года. Также в межгодовой изменчивости уровня моря может содержаться «Полюсный прилив» с 14 месячным периодом обусловлен свободными колебаниями оси вращения Земли и представляющий собой стоячую волну с пучностями на 45° с.ш. и 45° ю.ш. и узлами на полюсах и экваторе.

Возможно, прямо или косвенно на колебаниях уровня отражается цикл солнечной активности. Хорошо известно, что солнечная активность испытывает регулярные изменения во времени с характерным средним периодом 11 лет (закон Швабе-Вольфа). Но известны значительные аномалии в этом периодическом процессе, поэтому проследить эту связь достаточно сложно. Представляет колоссальный интерес колебания Эль-Ниньо, происходящие с интервалом от 4 до 12 лет (в среднем 6-7 лет), которые могут влиять на климат всего мира в течение 1-1,5 года.

Чтобы проследить изменение вклада этих периодов в колебания уровня по времени, а также возможные проявления передачи энергии от одних частот к другим мы провели вейвлет-анализ. Результатом вейвлет-преобразования одномерного ряда является двумерный массив амплитуд вейвлет-преобразования - значений коэффициентов W (а, Ь). Распределение этих значений в пространстве (а, Ь, где а - временной масштаб, временная локализация) дает информацию об эволюции относительного вклада компонент разного масштаба во времени и называется спектром коэффициентов вейвлет-преобразования, (частотно-) масштабно-временным спектром или вейвлет-спектром.

Спектр W (а, Ь) одномерного сигнала представляет собой поверхность в трехмерном пространстве. Способы визуализации этой информации могут быть различными. Вместо изображения поверхностей часто представляют их проекции на плоскость ab с изолиниями или изоуровнями, позволяющими проследить изменение интенсивности амплитуд вейвлет-преобразования на разных масштабах и во времени.

В качестве примера взят самый длинный из исследуемых рядов: San Francisco (103 года). На рис. 3 показан анализируемый ряд и картина значений коэффициентов вейвлет-преобразования Morlet в проекциях на плоскость ab (временной масштаб, время). По оси абсцисс отложено время (в годах), по оси ординат - временной масштаб (в месяцах).

Ясно, что значения амплитуды вейвлет-преобразования в точке (а0, Ь0) тем больше (по абсолютной величине), чем сильнее корреляция между вейвлетом данного масштаба и поведением сигнала в окрестности t = b0. Изображение коэффициентов демонстрирует,

что процесс составляют компоненты разных масштабов: экстремумы (а, Ь) наблюдаются на разных масштабах, интенсивность их меняется и со временем и с масштабом.

is S iü! it ?! ä

Рис. 3. Вейвлет-преобразование ряда ежемесячных значений уровня на береговой станции San Francisco. По оси абсцисс отложено время (в годах), по оси ординат - временной масштаб (в месяцах),

На рис. 3 хорошо заметен период 12 месяцев (1 год), который является самым значительным для этого и для многих других рядов. Также прослеживается период 6 мес, хотя его вклад в колебания не столь заметен как годовой составляющей. Довольно заметно выражен и 5-летний период. Локализация этих колебаний по времени неоднородна, и нельзя говорить о четкой закономерности в их распределении. Но по рисунку можно судить о передачи энергии от низких частот к высоким и наоборот, а также наглядно увидеть четкую временную локализацию частот и их вклад в колебания уровня на данном отрезке времени. Так, например, можно заметить явный спад интенсивности годовых колебаний на станции San Francisco в 1955-1957 годах, а также в 1925,1934-1936,1948,1968,1975 гг. В полугодовых колебаниях картина еще более «пестрая», но самые значительные вклады колебаний уровня наблюдаются в 1906-1909,1941,1968,1980,1991,1996 гг. Максимальные вклады в годовые колебания можно увидеть в 1922, 1941,1945,1952,1970,1977,1984 гг. В 1941 и 1977 гг. хорошо заметен плавный переход энергии от низких частот к высоким.

В работе были также проанализированы данные по 18 самым представительным станциям. На основе проделанного анализа можно выделить несколько характерных участков северной части Тихого океана. Северо-западная часть, где вклад годового периода меняется слабо и является подавляющим по сравнению с другими масштабами. Аналогичные результаты дал и спектральный анализ Фурье, показавший максимальный энергетический вклад периода 12 месяцев, с редкими, иногда значительными проявлениями периода 6 месяцев. На многих станциях, особенно расположенных вблизи экватора, анализ показал всплеск уровня в 1972-74,1982-84 и 1997-99 гг. на низких частотах (порядка 2,5-3 лет). Стоит отметить, что этот всплеск совпадает с явлениями Эль-Ниньо в эти годы. На более отдаленных от экватора станциях такие всплески менее заметны.

В некоторых случаях неявно, но все же прослеживается передача энергии от высоких частот к низким, что может дать пищу для дальнейших размышлений о явлениях отрицательной вязкости, которые пока в океане слабо изучены и представляются перспективным направлением в исследованиях. Вейвлет-анализ временных рядов помогает в наглядном представлении локализации частот по времени, но оставляет массу вопросов, на которые еще

предстоит ответить в будущем. Чем вызваны эти периодичности и их локализация; стеричес-кими эффектами или динамическими неоднородностями в поле уровня, атмосферными возмущениями, пресноводным балансом, приливными или другими гидрометеорологическими и геофизическими явлениями? Все эти вопросы остаются пока неясными. Во временном масштабе от десятилетий до столетий некоторые из значительных воздействий на уровень моря связаны с климатическими процессами и изменением климата. На серьезном уровне также обсуждается возможность антропогенного влияния на климат Земли.

В целом полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что для района северной части Тихого океана характерна общая тенденция к повышению уровня, не смотря на ярко выраженные очаги понижения уровня. Периодичности межгодовых колебаний прослеживаются на большинстве станций, но механизмы их пока остаются неясными и требуют отдельного изучения.

Summary

Koldunov V.V. The international and seasonal variability of the sea level in the North Pacific.

The article is devoted to interannual and seasonal variability of the sea level at 63 tide-gauge stations in the North Pacific. The main attention is devoted to the better understanding of the long term mean sea level change. Spectral analysis of these sea level variations indicates significant low-frequency peaks in the range of the 18.6-year (the lunar nodal cycle), 11 years (period of solar activity), 7 years (the component nutational period), 5 years, 3.5 years, 2.5 years, 14 months (period of the speed of Earth's rotational change - nutational tidal), annual and semi-annual cycles are introduced as characteristic scales of the variability. It is shown that the sea level changes within a range from -7,4 мм/year to +9,4 мм/year. The average rate of the sea level change is 1.4 mm/year. This research is supported by the Russian Foundation for Basic Research (RFBR).

Литература

1. http://ilikai.soest.hawaii.edu - Интернет-архив данных уровня моря: The Joint Archive for Sea Level (JASL). 2. Chambers D.P., Mehlhaff C.A., Urban T.J. and Fujii D. Low-frequency variations in global mean sea level: 1950-2000 // Journal of geophysical research. 2002. Vol. 107, № C4,3026.3. Chen J.L., Wilson C.R., Tapley B.D., Pekker T. Contributions of hydrological processes to sea level change // Physics and Chemistry of the Earth, 2002, Vol. 27. 4. Minobe S. Interannual to interdecadal changes in the Bering Sea and concurrent 1998/99 changes over the North Pacific // Progress in Oceanography. 2002. Vol. 55. 5. Douglas B.C. and Peltier W.R, "The Puzzle of Global Sea-Level Rise" (http://www.physicstoday.org). 6. Межправительственная группа экспертов по изменению климата // Изменение климата. 2001 г.: Научные аспекты (http://www.ipcc. ch). 7. Белоненко Т.В., Фукс В.Р. Годовые и полугодовые волновые возмущения уровня северо-западной части Тихого океана // Метеорология и гидрология. 2001. № 8.8. СтарщынД.К., Фукс В.Р. Нелинейные эффекты в сезонных колебаниях уровня Японского и Охотского морей // Веста. С.-Петерб. ун-та. Сер. 7. 2005. Вып. 3,9. Белоненко Т.В. Межгодовая изменчивость уровня океана в Курильском районе на основе спутниковых данных // В сб.: Теория и практика эколого-географических исследований. СПб., 2005.10. Старицын Д.К., Фукс В.Р. Межгодовая изменчивость уровня Японского и Охотского морей по данным спутниковых альтиметрических измерений // Вестн. С.-Петерб. ун-та. Сер. 7. 2005. Вып. 4.

Статья принята к печати 26.12.2006 г.