Взаимосвязь колебаний уровня и температуры воды в северо-западной части Тихого океана

2005

Известия ТИНРО

Том 140

УДК 551.466

Т.В.Белоненко, А.В.Колдунов

ВЗАИМОСВЯЗЬ КОЛЕБАНИЙ УРОВНЯ И ТЕМПЕРАТУРЫ ВОДЫ В СЕВЕРО-ЗАПАДНОЙ ЧАСТИ ТИХОГО ОКЕАНА

Исследована взаимосвязь температуры поверхности океана (ТПО) и уровня океана для северо-западной части Тихого океана (СЗТО) на основе спутниковой информации. Для 80 пунктов СЗТО проведено статистическое исследование зависимости между различными характеристиками океанологических полей. Для статистического анализа использовалась спутниковая информация о ТПО. Спектральный анализ временных рядов показал, что для всех рассматриваемых пунктов, как для уровня океана, так и для температуры, существуют максимумы спектра на частоте, соответствующей годовому периоду. При этом спектральный состав ТПО оказался более однообразным (для всех пунктов доминируют только годовые колебания), а для уровня океана выражены максимумы спектра также и на других частотах, которые соответствуют периодам 50, 90 и 185 суток. Когерентность взаимно спектрального анализа ТПО и уровня океана на частоте, соответствующей годовому периоду, превышает 0,5 для всей рассматриваемой акватории и достигает 0,8-0,9 около о. Кунашир и о-вов Малой Курильской гряды и также для области, наиболее удаленной от островов в сторону Тихого океана. На других частотах значения когерентности значительно меньшие. Проведенный анализ доказывает выраженную взаимосвязь между температурой поверхности и уровнем океана. При этом изменения температуры предшествуют изменениям уровня, что доказывает наличие существенного вклада стерической составляющей в изменчивости уровня океана.

Belonenko T.V., Koldunov A.V. Interrelations of sea level deviations and water temperature in the North-West Pacific // Izv. TINRO. — 2005. — Vol. 140. — P. 273-279.

Statistical interrelations between water temperature and sea level at 80 stations in the North-West Pacific are investigated on the base of satellite information obtained in the period October, 1992 — February, 2002 from the services NOAA, JPL and DAAC (temperature) and TOPEX/POSEIDON and ERS-1/2 (sea level). The maximum correlations were observed in the southeastern area (coherence 0.85) and in the shallow area at Kunashir, Shikotan and Habomai Islands (0.75). The temporary shifts in the southeastern area were insignificant and did not exceed 20 days while those were much higher near the islands Kunashir and Shikotan and reached 80 days.

The maximum of the frequency spectra appropriated to the annual period for both parameters, while the sea level had another maximums on the frequencies corresponded to the periods 50, 90 and 185 days. The changes of temperature preceded the changes of sea level that proves a presence of essential contribution of steric process in variability of sea level.

Уровень океана можно рассматривать как интегральный показатель интенсивности термодинамических и динамических процессов в океане. Аномалии в

поле возвышений уровня, регистрируемые спутниковыми альтиметрами, чаще всего соответствуют аномалиям в поле температуры воды. Это связано как со стери-ческими эффектами, так и с динамическими процессами (адвекция тепла) (Фукс, 2003). Как правило, положительным аномалиям уровня соответствуют положительные аномалии температуры поверхности воды и увеличение глубины залегания термоклина.

В данной работе исследуется взаимосвязь температуры поверхности океана (ТПО) и уровня океана для северо-западной части Тихого океана (СЗТО) на основе спутниковой информации.

На первом этапе нами проведено сравнение серии последовательных температурных карт поверхности воды и альтиметрических карт уровня океана за 21-31 мая 2002 г. для одной и той же акватории СЗТО (пример таких карт приведен на рис. 1). Простой феноменологический анализ позволяет сделать вывод, что температурные и альтиметрические карты в целом отражают структуру основных течений.

Это понятно в отношении температурных карт, на которых сгущения изолиний температуры определяют границы потоков, но не очевидно для альтиметри-ческих карт. Альтиметры регистрируют отклонение уровня океана относительно отсчетного эллипсоида. С учетом приливных эффектов и поправки обратного барометра определяются данные, называемые динамической топографией, как отклонения скорректированной высоты морской поверхности относительно геоида. При этом сам геоид (модель) постоянно уточняется с увеличением продолжительности альтиметрических измерений (Fu and Cazenave, 2001). Поэтому, казалось бы, альтиметрические карты не должны нести информации о средних, стационарных течениях.

В то же время течения являются источниками и волноводами для вихрей и низкочастотных волн, которые проявляются на альтиметрических картах в виде возвышений и впадин в поле уровня океана и тем самым дают косвенно и информацию о постоянных течениях (Океанографический атлас ..., 1998; Бело-ненко и др., 1999).

В поле температуры воды в рассматриваемый период были достаточно выражены температурные неоднородности в виде зон с максимальными горизонтальными градиентами, приблизительно совпадающие с осью потока Куросио и осью Субарктического течения.

Севернее этих термических фронтов располагаются зоны дивергенции, представленные цепочкой циклонических круговоротов, а южнее термических фронтов проходит чрезвычайно выраженная зона конвергенции в виде последовательных антициклонических круговоротов. Таким образом, собственно фронтальная зона проходит приблизительно по линии "нулевой" дивергенции. Это подтверждается во всех рассматриваемых случаях (картах).

Сравнивая температурные и альтиметрические карты за период от конца мая до середины июня 2002 г., отметим, что в то время как поле ТПО претерпело определенные изменения, как по абсолютным значениям температуры воды, так и в положении фронтальных зон, основные динамические образования в поле возвышений уровня остались неизменными.

Сравнительный феноменологический анализ этих карт дополнен количественным статистическим исследованием зависимости между различными характеристиками океанологических полей, проведенными для 80 пунктов СЗТО, расположенных в пределах 42,25-45,75° с.ш. 145,25-149,75° в.д. с пространственной дискретностью 0,5°.

Различные пункты характеризуют термодинамические условия различных водных масс: одни находятся в стрежне струи Куросио, другие — в открытом океане, где влияние течений значительно ослаблено, а третьи — у берегов Курильской гряды, в потоке течения Ойясио (Белоненко, Фукс, 1992; Белоненко и др., 1997, 2004).

Рис. 1. Карта ТПО СЗТО за 2131 мая 2002 г.

Fig. 1. A map of ocean surface temperature in the North-West Pacific for 21-31, M ay, 2002

a

138"E

14ГЕ

144'E

147'E

150'E

153'E

156'E

Для статистического анализа использовалась информация, предоставляемая совместно службами NOAA, и DAAC. Используемые данные о температуре охватывают временной промежуток с января 1990 по ноябрь 1999 г. с дискретностью 5 сут. Массив альтимет-рической информации представляет собой серию карт аномалий уровня моря, полученных после совместной обработки первичной информации со спутников TOPEX/POSEIDON и ERS-l/2. Анализируемый массив альтиметрической информации представляет собой карты аномалий с дискретностью 7 сут с октября 1992 по февраль 2002 г. Альтиметрические и температурные данные приводились путем интерполяции по пространству и синхронизации по времени к единой пространственно-временной сетке.

4БТ\1

42 "N

39"N

36"N

33 "N

3Q"N

45" N

42" N

39"N

36"N

33" N

30"N

138'E

14ГЕ

144'E

147"E

150'E

153'E

1S6'E

Для каждого пункта были рассчитаны основные статистические характеристики. Согласно этим расчетам средние значения как ТПО, так и уровня океана оказались значительно ниже для выбранных пунктов акватории Южно-Курильского района (ЮКР), где одним из определяющих факторов является холодное течение Ойясио, чем для пунктов, расположенных в стрежне струи Куросио или в открытом океане, где влияние течений ослаблено: отличия в значениях ТПО достигали 10-15 °С, а в значениях уровня океана — до 70 см.

Для оценки статистической связи между двумя исследуемыми характеристиками сначала рассматривалась функция взаимной корреляции (Григоркина и др., 1973; Фукс, Губер, 1973). Для каждого пункта исследуемой акватории были построены корреляционные функции, выбраны максимальные коэффициенты корреляции и рассчитаны соответствующие им временные сдвиги. Полученные результаты были картированы (рис. 2). Как видно на рис. 2 (а), максимальные значения коэффициентов корреляции наблюдаются в области, наиболее удаленной от островов в сторону Тихого океана (здесь они достигают 0,85), а также в достаточно мелководном районе — около о. Ку-нашир и о-вов Малой Курильской гряды (достигают 0,75). Соответствующие им временные сдвиги в юго-восточной части области невелики и не превышают 20 сут, в то время как в районе о-вов Куна-шир и Ш икотан временные сдвиги в несколько раз выше и достигают 80 сут (рис. 2, б).

Рис. 2. Максимальные коэффициенты корреляции

Fig. 2. M aximum correlation coefficients

146.5E

147E

149E

149.5E

Таким образом, на уровне взаимно корреляционного анализа мы получили оценку взаимосвязи доминирующих компонентов в процессах изменения ТПО и уровня океана. Полученные результаты отражают общие закономерности исследуемой взаимосвязи. Для исследования частотной структуры связи, т.е. сте-

пени корреляции спектральных компонент процессов на определённых частотах, необходимо дополнить проведенный анализ спектральным и взаимно спектральным анализом.

Спектральный анализ временных рядов показал, что для всех рассматриваемых пунктов, как для уровня океана, так и для температуры, существуют максимумы спектра на частоте, соответствующей годовому периоду. При этом спектральный состав ТПО оказался более однообразным, чем для уровня: для всех пунктов доминируют только годовые колебания, — в то время как для уровня океана выражены максимумы спектра также и на других частотах, которые соответствуют периодам 50, 90 и 185 сут, т.е. именно сезонная составляющая ТПО является доминирующей, в то время как в колебаниях уровня океана, наряду с сезонным ходом, содержатся другие составляющие, определяемые иными физическими закономерностями (вклад стерических составляющих, вклад, определяемый динамическими процессами, и др.) (Григоркина и др., 1973; Фукс, Губер, 1973).

Для частоты, соответствующей годовому периоду, были рассчитаны и картированы результаты расчетов когерентности и разности фаз взаимного спектра ТПО и уровня океана (рис. 3).

Рис. 3. Когерентность (а) и разности фаз (б), сут, температуры и уровня океана на частоте, соответствующей годовому периоду Fig. 3. Coherence

(а) and phase difference

(б), days, of ocean surface temperature for a frequency corresponding to an annual period

145.5E 14 6E 146.5E 147E 147.5E 148E 148.5E 149E 149.5E

На рис. 3 (а) обратим внимание на то, что когерентность взаимно спектрального анализа ТПО и уровня океана превышает 0,5 для всей рассматриваемой акватории и достигает 0,8-0,9 около о. Кунашир и о-вов Малой Курильской гряды и также для области, наиболее удаленной от островов в сторону Тихого океана. Максимум когерентности (до 0,96) наблюдается в юго-восточной части района, параллельно Курильской гряде, на значительном расстоянии от берега (со стороны Тихого океана). Высокие коэффициенты корреляции (более 0,9) также характерны для значительной области у побережья о-вов Кунашир и Итуруп, достигая максимумов в средней части о. Итуруп (0,95), и в области между о. Кунашир и Малой Курильской грядой, достигая там 0,98 и простираясь на площади диаметром около 60 миль.

Карта разностей фаз (рис. 3, б) очень напоминает карту временных сдвигов, полученных во взаимно корреляционном анализе (см. рис. 2, б). Это сходство подтверждается не только направлением изолиний, но и величинами значений разностей фаз.

Таким образом, взаимно спектральный анализ подтверждает основные результаты, полученные при взаимно корреляционном анализе рассматриваемых характеристик. Проведенный анализ также показал, что годовой ход изменения уровня в целом запаздывает относительно годового хода температуры, что доказывает значительный вклад стерической составляющей в изменчивость уровня. При этом в различных пунктах запаздывание разное (в среднем 1-3 мес): 1,5-2,0 мес в районе о. Кунашир и о-вов Малой Курильской гряды и 100 сут южнее о. Итуруп. В то же время в юго-восточной части района запаздывание не превышает месяца, составляя всего лишь 10-20 сут. Хотя следует отметить, что в ряде пунктов, расположенных южнее прол. Фриза, наблюдающийся на графиках максимум уровня океана наступал раньше максимума температуры (рис. 3, б), но как раз в этих пунктах значения когерентности относительно невелики и составляют 0,5-0,6.

Проведенный нами взаимный анализ рядов для отдельных лет подтвердил, что в некоторые годы также наблюдалось опережение уровня относительно температуры. Как правило, такое опережение наступления максимумов уровня относительно температуры относилось к пунктам, расположенным в северовосточной части рассматриваемой акватории. По-видимому, эти отклонения связаны с динамическими условиями, такими как адвекция тепла течениями, так как район имеет очень сложную систему циркуляции вод, являясь разделом между Тихим океаном и Охотским морем.

На других частотах значения когерентности значительно меньше, чем на частоте, соответствующей полугодовому периоду, где когерентность достигает 0,6 для пунктов, расположенных в ЮКР, разность фаз — 40-60 сут. Для других пунктов когерентность незначительна. Для 50 и 90 сут значения когерентности достигают 0,5-0,6 для пунктов, расположенных в открытой части океана, при разности фаз 90 сут.

Проведенный анализ на основе спутниковых измерений для СЗТО доказывает выраженную взаимосвязь между двумя различными характеристиками: температурой поверхности и уровнем океана. При этом изменения температуры предшествуют изменениям уровня, что доказывает наличие существенного вклада стерической составляющей в синоптической изменчивости уровня океана.

Литература

Белоненко Т.В., Захарчук Е.А., Фукс В.Р. Волны или вихри? // Вестн. СПбГУ. Сер. 7: Геология, география. — 1999. — Вып. 3 (№ 21). — С. 37-44.

Белоненко Т.В., Захарчук Е.А., Фукс В.Р. Градиентно-вихревые волны в океане. — СПб.: Изд-во СПбГУ, 2004. — 215 с.

Белоненко Т.В., Фукс В.Р., Старицын Д.К. и др. Истоки Ойясио. — СПб., 1997. — 248 с.

Белоненко, Т.В. Фукс В.Р. Нестационарные фронтальные зоны в океане, вызванные волновой адвекцией // Физическая океанология и проблемы биологической продуктивности. — СПб., 1992. — С. 79-91.

Григоркина Р.Г., Губер П.К., Фукс В.Р. Прикладные методы корреляционного и спектрального анализа крупномасштабных океанологических процессов. — Л.: ЛГУ, 1973.

Океанографический атлас Южно-Курильского района Тихого океана /

Под ред. В.Р.Фукса, Л.Н.Карлина. — СПб., 1998. — 218 с.

Фукс В.Р. Гидродинамические основы интерпретации альтиметрических съемок морской поверхности // Колебания уровня в морях. — СПб., 2003. — С. 79-91.

Фукс В.Р., Губер П.К. Особенности корреляционного и спектрального анализа океанологических процессов со значительной сезонной составляющей // Изв. ТИН-РО. — 1973. — Т. 89. — С. 5-11.

Lee-Lueng Fu and Anny Cazenave. Satellite altimetry and Earth Sciences // A Handbook of technicues and applications. — Academic Press, 2001. — 424 p.

Поступила в редакцию 16.12.04 г.