Тема: ИССЛЕДОВАНИЕ СТЕРИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ В СЕВЕРО-ЗАПАДНОЙ ЧАСТИ ТИХОГО ОКЕАНА ПО СПУТНИКОВЫМ ДАННЫМ

Уровень океана, являясь интегральной характеристикой, несущей в себе информацию о термодинамическом состоянии океана, может рассматриваться и как индикатор синоптических, сезонных и климатических изменений на Земле (Church, White, 2011). Особую актуальность приобретает проблема возможных колебаний уровня океана в связи с дискуссией о повышении уровня Мирового океана и механизмах антропогенных изменений (Малинин, 2012). Вот почему изучение колебаний уровня океана и вклада в них различных факторов является одним из приоритетных направлений исследования Мирового океана. Исследование природы колебаний уровенной поверхности необходимо для понимания причин наблюдаемых изменений в системе бассейна Тихого океана.
Развитие современной океанологии невозможно без применения спутниковых методов получения информации об океане, что обусловлено их неоспоримыми преимуществами, к главным из которых относятся: пространственная репрезентативность, обеспечивающая проведение региональных и глобальных исследований; оперативность получения информации, возможность организации оперативного комплексного мониторинга в любой точке Мирового океана, низкая стоимость спутникового мониторинга по сравнению контактными методами исследования океана (Лаврова и др., 2011; Костяной и др., 2011). Представления об изменчивости уровня в океане были до недавнего времени основаны на данных наблюдений за уровнем на береговых станциях (мареографах). Эти измерения репрезентативны только для узкой прибрежной зоны и не дают информации об уровне для открытых районов океана, в то время как спутниковые позволяют исследовать изменчивость уровня океана в широком диапазоне пространственно-временных масштабов и изучить основные механизмы синоптической, сезонной и межгодовой изменчивости океанологических полей. При этом объёмы информации, получаемой с искусственных спутников Земли, колоссальны, поэтому возникает проблема выбора методов ее обработки и анализа.
Уровень Мирового океана является одним из важнейших индикаторов, определяющих состояние глобального климата. Изменения уровня обусловлены как гидродинамическими процессами, так и взаимодействием с атмосферой. Исходя из альтиметрических данных в работе Nerem et al. (2010), общий уровень растет со скоростью 3.4 ± 0.4 мм/год с 1993 по 2017 гг. На уровенную поверхность океана в общем случае действует множество различных факторов, отличающихся по своей природе. Эти факторы можно объединить в три группы: гидрометеорологические процессы, геолого-динамические процессы, космогеофизические силы (Малинин, 2015). В современных условиях влиянием последних двух перечисленных групп можно пренебречь вследствие их малости (Клиге, 1985; Малинин, 2012). Таким образом, определяющим для уровня океана являются гидрометеорологические процессы, суть которых состоит в объемных изменениях уровня, которые определяют эвстатические и стерические колебания. Эвстатические колебания обусловлены пресноводным балансом, стерические плотностными изменениями морской воды (Малинин, 2015). Исходя из сказанного, изучение стерических колебаний уровня Мирового океана является актуальной задачей океанологии.
Исследованию стерических колебаний посвящено много работ. История исследований тесно связана с развитием приборов и методов, позволяющих рассчитывать влияние плотностной изменчивости в уровне моря. Самые первые работы были основаны на данных, полученных in situ, но ограниченность по пространству и времени не позволяла изучать стерические эффекты в более крупных пространственно-временных масштабах.
Российские и иностранные ученые использовали и используют разные подходы для расчета влияния стерических эффектов в изменении уровня моря. Лейтмотивом в современных работах является использование альтиметрических данных, позволяющих анализировать межгодовую, сезонную изменчивость благодаря широким возможностям дистанционного зондирования.
В работе (Белоненко, Колдунов, 2006) использовался гидродинамический подход к расчету уровня моря, используя уравнение состояния EOS-80. Полученные результаты показали, что, исходя из выбранной методики, для одного и того же выбранного района расчет стерических колебаний может существенно различаться. Chambers (2006) впервые продемонстрировал совместное использование для решения данной задачи данных гравиметрических спутников GRACE и альтиметрических массивов. В работе описана методика, позволяющая синхронизировать полученную информацию. Было доказано, что этот метод позволяет изучать стерические колебания уровня в океане. Немного позднее была опубликована статья Lombard et al. (2007), в которой была произведена оценка изменений стерического уровня моря от комбинированных данных GRACE и Jason-1. Группа ученых подтверждает хорошую валидацию между интерпретируемыми данными и значениями, полученными in situ. Была рассмотрена сезонная и межгодовая изменчивость стерических колебаний между 60° с.ш. и 60° ю.ш. за август 2002 г. - апрель 2006 г.: при исследовании стерической кривой была выявлена тенденция к росту 1,9 ± 0,2 мм /год, однако авторы выявили несоответствие в сравнении спутниковых и гидродинамических данных, сославшись на малый на тот период по времени массив гравиметрии GRACE.
Purkey et al. (2014) провели анализ изменения эвстатического уровня моря в целом по Мировому океану и по его областям за период 1993-2013 гг. За данный промежуток времени происходило общее повышение уровня моря океана со средней скоростью 3,2 мм/год. Строя по каждому району графики хода уровня и отображая на нем положение линейного тренда, ученые пришли к выводу, что наиболее развито повышение уровня в индийско-атлантическом секторе Южного океана, в южной Атлантике и в северной части Тихого океана. Как аргументируют авторы, повышение уровня связано, в первую очередь, со стерическими колебаниями уровня, происходящими на фоне глобального потепления, также авторы отмечают изменение водного баланса системы океан-суша. В статье также подчеркивается важность вклада нижележащих океанских вод (их стерические колебания) на уровень моря. Также на основе гравиметрических и альтиметрических данных было выявлено для северной тихоокеанской части Мирового океана повышение уровня со скоростью 1,5 мм/год.
В настоящей работе исследуются стерические колебания в северо-западной части Тихого океана. Речь идет о таких колебаниях уровня, которые происходят из-за вертикального расширения или сжатия слоев воды, т.е. из-за изменения плотности воды р или удельного объема а. (Провоторов, 2003)
Целью данной работы является исследование стерических колебаний в северной части Тихого океана, включающей северо-западный бассейн Тихого океана, на основе комплексного использования спутниковых альтиметрических и гравиметрических измерений.
Указанная цель достигается путем решения следующих задач:
1) Обзор литературы по теме исследования.
2) Физико-географическое описание исследуемого района.
3) Подготовка массива спутниковых альтиметрических измерений (абсолютная динамическая топография и ее аномалии) и построение карт для северной части Тихого океана.
4) Подготовка массива спутниковых гравиметрических измерений (данные GRACE) и построение карт для северной части Тихого океана.
5) Расчеты стерических колебаний уровня для северной части Тихого океана и построение карт.
6) Исследование сезонной и межгодовой изменчивости стерических колебаний уровня.
7) Оценка трендов стерических колебаний уровня для северной части Тихого океана.
8) Анализ полученных результатов для северо-западной части Тихого океана.
Купить

В работе были исследованы стерические колебания в северной части Тихого океана, включающей северо-западный бассейн Тихого океана за период 2003-2016 гг. Исходя из соображения, что уровень океана можно определить, как сумму двух уровневых полей - гравиметрического и стерического, были рассчитаны значения вклада стерических колебаний в уровень океана. Для расчетов были взяты комбинированные спутниковые данные по альтиметрии и гравиметрии.
По полученным данным были проанализированы сезонная и межгодовая изменчивости уровня в северной части Тихого океана. Были рассчитаны тренды, был оценен вклад стерических колебаний. Также для стерических колебаний была построена карта коэффициентов линейного тренда. Сделанные расчеты позволили выделить северо-западную часть Тихого океана, где значения стерических колебаний уровня наиболее высокие.
Решая все поставленные задачи, была достигнута цель настоящего исследования. В ходе работы были получены следующие результаты:
• Метод оценки стерических колебаний, основанный на комбинировании спутниковых данных, представляет большие перспективы для исследования данного процесса по всему Мировому океану.
• Уровень моря в северной части Тихого океана по данным абсолютной динамической топографии имел тенденцию к росту за 2003-2016 гг. на 3,6 мм/год, что согласуется с общим ростом уровня Мирового океана, равному 3,5 мм/год.
• Вклад в изменчивость уровня в северной части Тихого океана на 50% вносит трендовая составляющая уровня, обусловленного массовыми силами (1,8 мм/год при уровне значимости 0,05).
• Полученные результаты, в целом, подтверждают результаты оценки вклада стерических колебаний в уровень океана, которые были изложены в работе S. G. Purkey (2014).
• Значение тренда для стерических колебаний уровня 1,7 мм/год (уровень значимости 0,05). Исходя из общего значения роста уровня, вычисленного по альтиметрическим данным, рост уровня стерических колебаний составляет 47,2% от увеличения уровня в северотихоокеанской части Мирового океана.
• На основе анализа карты распределения коэффициентов линейного тренда при уровне значимости 0,1 в северной части Тихого океана были выделены три основныхрайона: два с положительным значением тренда (северо-западная часть Тихого океана, где наблюдались максимальные значения коэффицентов линейного тренда (до 2 см/год), и восточная часть акватории тропических и экваториальных вод), и один -с отрицательным (5°-32° с.ш. и 120°-160° в.д.).
• Для северо-западной части Тихого океана (33°-42° с.ш., 140°-180° в.д.) рост уровня составил 8,3 мм/год, что в 2,3 раза больше, чем для всего северотихоокеанского бассейна.
• Сезонная изменчивость стерических колебаний уровня наблюдается в следующем: весной преобладают значения уровня с максимальными по модулю отрицательными аномалиями, а осенью, наоборот - с максимальными положительными аномалиями.
• Для северо-западного бассейна наблюдался рост уровня стерических колебаний. Это подтверждает значение тренда (уровень значимости 0,05), равное 3,2 мм/год (38,5% от уровня для всего северо-западного бассейна). Само значение тренда почти в 2 раза больше, чем для всей северной части Тихого океана. Однако вклад в изменчивость уровня северо-западной части океана меньше на 8,7%, чем в целом по бассейну.
• В северо-западной акватории вклад уровня, обусловленного массовыми силами, в изменчивость уровня является более значителен, чем для всей северной части Тихого океана (54,2% против 50%).
Купить