Межгодовая изменчивость уровня Балтийского моря в условиях меняющегося климата
|
Введение 1
Глава 1: Исходные данные 5
Глава 2: Используемые методы 7
Глава 3: Физико-географическое описание территории 16
Глава 4: Результаты работы 25
4.1 Оценка межгодовой изменчивости уровня Балтийского моря по
данным мареографных станций 25
4.2 Оценка межгодовой изменчивости элементов водного баланса
Балтийского моря 33
4.3 Взаимный корреляционный анализ колебаний уровня моря и
элементов водного баланса Балтийского моря 37
4.4 Взаимный вейвлет анализ уровня моря и элементов водного баланса
Балтийского моря 39
Заключение 45
Список литературы 46
Приложение А 49
Приложение Б 66
Приложение В 75
Глава 1: Исходные данные 5
Глава 2: Используемые методы 7
Глава 3: Физико-географическое описание территории 16
Глава 4: Результаты работы 25
4.1 Оценка межгодовой изменчивости уровня Балтийского моря по
данным мареографных станций 25
4.2 Оценка межгодовой изменчивости элементов водного баланса
Балтийского моря 33
4.3 Взаимный корреляционный анализ колебаний уровня моря и
элементов водного баланса Балтийского моря 37
4.4 Взаимный вейвлет анализ уровня моря и элементов водного баланса
Балтийского моря 39
Заключение 45
Список литературы 46
Приложение А 49
Приложение Б 66
Приложение В 75
В настоящий момент человечество столкнулось с серьезным вызовом современности: глобальное потепление климата, зафиксированное ещё во второй половине XIX века, с 1950-х гг. перешло в наиболее активную фазу и стало иметь беспрецедентный характер последствий на окружающую среду и жизнедеятельность людей (МГЭИК, 2014).
Среди всех его проявлений особое внимание заслуживает наметившаяся в последние десятилетия опасная тенденция к подъёму уровня Мирового океана, вызванная как таянием полярных льдов, так и процессом термического расширения морской воды (Wikipedia). Это способно нанести огромный ущерб ряду прибрежных территорий, в особенности тех из них, где сосредоточены значительные материальные и людские ресурсы. К одним из таких потенциально уязвимых территорий можно отнести Балтийский регион, являющийся одним и основных центров концентрации населения, капитала и важнейших объектов инфраструктуры в мире. Такой исключительный социально-экономический и культурный статус района создаёт очевидную потребность местного и мирового сообщества в обеспечении экологической безопасности этих территорий через организацию регулярных наблюдений и проведение современных исследований уровня в Балтийском море.
Первые наблюдения за уровнем Балтийского моря начались ещё во второй половине XVII века, с того момента, как в 1770-х годах в шведском городе Стокгольм заработала первая мареографная станция (Ekman, 1996). С этого момента началась история самых длительных в мире регулярных морских наблюдений. Тем не менее, проводимые в то время исследования имели весьма ограниченный набор средств сбора и анализа данных и потому ориентировались на изучение, преимущественно, мелкомасштабных процессов. Лишь к началу XX века достижения научно-технического прогресса позволили более комплексно изучить колебания уровня моря в Балтике, её межгодовую и многолетнюю изменчивость. Первые работы в этом направлении появились после Второй Мировой Войны и представляли собой попытки систематизации сведений об основных причинах, вызывающих колебания уровня моря. Так, финский океанограф I. Hela (1944), изучая изменения уровня в Балтийском море, предложил классифицировать все эти факторы на 2 группы: внутренние и внешние, куда соответственно входили температура, солёность воды и гидрометеорологические параметры (ветер, давление, речной сток, испарение, осадки, транспорт воды). Спустя 10 лет, G. Dietrich (1954), в своём труде, посвящённом изучению колебаний уровня у датских берегов, модифицировал эту классификацию, отдельно выделив астрономические и геологические (вертикальные подвижки земной коры) факторы. В 1950-1970 гг. было проведено множество работ, подробно рассматривающих механизм действия каждого из гидрометеорологических факторов на колебания уровня моря. Основные их результаты были включены в книгу “Sea Level Changes”, опубликованную в Нью-Йорке в 1974 году (Lisitzin, 1974). Аналогичная работа по систематизации накопленных знаний была проделана и в СССР (Терзиев, 1992).
В 1990-х гг. был проведён подробный анализ 200-летнего ряда наблюдений на станции Стокгольм, позволивший оценить межгодовую изменчивость экстремальных среднегодовых отметок уровня моря (Ekman, 1996). Впоследствии была также обнаружена связь долгопериодных колебаний уровня, температуры воздуха и ветра с чередованием Ледниковых и Межледниковых эпох, а также с многолетней изменчивостью атмосферной циркуляции между Северным и Балтийским морями (Ekman, 1999). Примерно в это же время при исследовании шведского побережья было получена количественная оценка совокупного влияния внешних факторов (водообмен с Северным морем, запас пресной воды) на колебания уровня Балтийского моря, составлявшая для данного района от 50 до 80 % (Samuelsson, и др., 1996).
Начало 2000-х гг. также ознаменовалось рядом научных публикаций. Часть из них способствовала изучению пространственной изменчивости уровня моря: были проведены конкретные наблюдения для берегов Финляндии (Johansson, и др., 2001), Литвы (Dailidiene, и др., 2006) и Эстонии (Suursaar, и др., 2007). Другая часть стремилась более детально описать структурные связи между уровнем моря и гидрометеорологическими факторами. Так, российский океанограф В. Малинин (2002), используя метод главных компонент, рассчитал, что до 76 % дисперсии уровня моря объясняется индексом Североатлантического колебания, давлением в Исландском минимуме и водообменом с Датскими проливами и лишь около 8 % - элементами водного баланса. Одновременно с этим Андерсон (2002) выявил высокую корреляционную связь зимнего Североатлантического колебания с динамикой уровня моря и на основании неё разработал индекс региональной атмосферной циркуляции BAC (Baltic Atmospheric Circulation), позволяющий по разнице давлений в характерных точках определять колебаний уровня в Балтийском море. Наконец, с помощью регрессионного анализа был произведена оценка относительного вклада (относительно давления) температуры и атмосферных осадков в межгодовую изменчивость уровня моря (Hunicke, и др., 2006).
...
Среди всех его проявлений особое внимание заслуживает наметившаяся в последние десятилетия опасная тенденция к подъёму уровня Мирового океана, вызванная как таянием полярных льдов, так и процессом термического расширения морской воды (Wikipedia). Это способно нанести огромный ущерб ряду прибрежных территорий, в особенности тех из них, где сосредоточены значительные материальные и людские ресурсы. К одним из таких потенциально уязвимых территорий можно отнести Балтийский регион, являющийся одним и основных центров концентрации населения, капитала и важнейших объектов инфраструктуры в мире. Такой исключительный социально-экономический и культурный статус района создаёт очевидную потребность местного и мирового сообщества в обеспечении экологической безопасности этих территорий через организацию регулярных наблюдений и проведение современных исследований уровня в Балтийском море.
Первые наблюдения за уровнем Балтийского моря начались ещё во второй половине XVII века, с того момента, как в 1770-х годах в шведском городе Стокгольм заработала первая мареографная станция (Ekman, 1996). С этого момента началась история самых длительных в мире регулярных морских наблюдений. Тем не менее, проводимые в то время исследования имели весьма ограниченный набор средств сбора и анализа данных и потому ориентировались на изучение, преимущественно, мелкомасштабных процессов. Лишь к началу XX века достижения научно-технического прогресса позволили более комплексно изучить колебания уровня моря в Балтике, её межгодовую и многолетнюю изменчивость. Первые работы в этом направлении появились после Второй Мировой Войны и представляли собой попытки систематизации сведений об основных причинах, вызывающих колебания уровня моря. Так, финский океанограф I. Hela (1944), изучая изменения уровня в Балтийском море, предложил классифицировать все эти факторы на 2 группы: внутренние и внешние, куда соответственно входили температура, солёность воды и гидрометеорологические параметры (ветер, давление, речной сток, испарение, осадки, транспорт воды). Спустя 10 лет, G. Dietrich (1954), в своём труде, посвящённом изучению колебаний уровня у датских берегов, модифицировал эту классификацию, отдельно выделив астрономические и геологические (вертикальные подвижки земной коры) факторы. В 1950-1970 гг. было проведено множество работ, подробно рассматривающих механизм действия каждого из гидрометеорологических факторов на колебания уровня моря. Основные их результаты были включены в книгу “Sea Level Changes”, опубликованную в Нью-Йорке в 1974 году (Lisitzin, 1974). Аналогичная работа по систематизации накопленных знаний была проделана и в СССР (Терзиев, 1992).
В 1990-х гг. был проведён подробный анализ 200-летнего ряда наблюдений на станции Стокгольм, позволивший оценить межгодовую изменчивость экстремальных среднегодовых отметок уровня моря (Ekman, 1996). Впоследствии была также обнаружена связь долгопериодных колебаний уровня, температуры воздуха и ветра с чередованием Ледниковых и Межледниковых эпох, а также с многолетней изменчивостью атмосферной циркуляции между Северным и Балтийским морями (Ekman, 1999). Примерно в это же время при исследовании шведского побережья было получена количественная оценка совокупного влияния внешних факторов (водообмен с Северным морем, запас пресной воды) на колебания уровня Балтийского моря, составлявшая для данного района от 50 до 80 % (Samuelsson, и др., 1996).
Начало 2000-х гг. также ознаменовалось рядом научных публикаций. Часть из них способствовала изучению пространственной изменчивости уровня моря: были проведены конкретные наблюдения для берегов Финляндии (Johansson, и др., 2001), Литвы (Dailidiene, и др., 2006) и Эстонии (Suursaar, и др., 2007). Другая часть стремилась более детально описать структурные связи между уровнем моря и гидрометеорологическими факторами. Так, российский океанограф В. Малинин (2002), используя метод главных компонент, рассчитал, что до 76 % дисперсии уровня моря объясняется индексом Североатлантического колебания, давлением в Исландском минимуме и водообменом с Датскими проливами и лишь около 8 % - элементами водного баланса. Одновременно с этим Андерсон (2002) выявил высокую корреляционную связь зимнего Североатлантического колебания с динамикой уровня моря и на основании неё разработал индекс региональной атмосферной циркуляции BAC (Baltic Atmospheric Circulation), позволяющий по разнице давлений в характерных точках определять колебаний уровня в Балтийском море. Наконец, с помощью регрессионного анализа был произведена оценка относительного вклада (относительно давления) температуры и атмосферных осадков в межгодовую изменчивость уровня моря (Hunicke, и др., 2006).
...
Таким образом, благодаря проведённому исследованию была проанализирована межгодовая изменчивость колебаний уровня и основных режимообразующих элементов Балтийского моря в условиях глобальных климатических изменений. Кроме того была получена качественная характеристика их взаимного влияния друг на друга путём оценки соответствующих корреляционных связей на различных частотах спектра, а также во времени и пространстве. Наиболее важными итогами работы являются следующие результаты:
Межгодовая изменчивость уровня в Балтийском море характеризуется стандартным отклонением 3.5-8.0 см и размахом колебаний около 20-35 см, увеличивающимися в направлении с юго-запада на север. В спектре стационарных колебаний уровня моря преобладают частоты с периодом 3-4 года, 8 лет и 19 лет с амплитудами, увеличивающимися на север. В нестационарном приближении основные максимумы энергии в высокочастотной области приходятся на начало (1958-1970), конец (2007¬2015) наблюдений, а также 1980-1983 и 1992-1997 гг., в то время как низкочастотные пики относительно стационарны (8-ми летний пик).
Взаимный корреляционный анализ установил, что для преобладающей части Балтийского моря наибольшая корреляция уровня моря наблюдается лишь с меридиональным градиентом давления и зональной скоростью ветра. Исключение составляет север Ботнического залива, где она сильно ослабевает. Что же касается остальных элементов водного баланса, то для них не было выявлено значительной корреляционной связи с колебаниями уровня моря.
Взаимный вейвлет анализ также подтверил высокую когерентность уровня моря с зональной скоростью ветра и меридиональным градиентом давления на большей части спектра. Основные пики спектральной плотности были выделены на периодах 1-2 года, 4-6 лет, 8 лет, 24 и 32 года. Выскочастотные максимумы с периодами менее 6-ти лет были отмечены в 1960-е и 1990-е гг., в то время как в 1970-1990-х гг. преобладали уже более низкочастотные максимумы спектральной плотности. В начале же 2000-х гг. наблюдается тенденция к перераспределению энергии колебаний в область высоких частот. В пространственном отношении южные районы моря характеризуются распространением короткопериодных циклов, а северные, наоборот, - долгопериодных циклов. При этом, реакция уровня моря на внешнее воздействие анемобарического поля может происходить с задержкой от 0 лет на высоких частотах до 8-10 лет на самых низких частотах.
В качестве будущего продолжения заявленной темы исследования планируется провести более подробную оценку степени влияния режимообразующих факторов на общие колебания уровня в Балтийском море. Для этого предполагается использовать методы не только качественного, но количественного анализа данных, результатом которого должна стать численная характеристика современного состояния водного баланса в Балтийском море.
Межгодовая изменчивость уровня в Балтийском море характеризуется стандартным отклонением 3.5-8.0 см и размахом колебаний около 20-35 см, увеличивающимися в направлении с юго-запада на север. В спектре стационарных колебаний уровня моря преобладают частоты с периодом 3-4 года, 8 лет и 19 лет с амплитудами, увеличивающимися на север. В нестационарном приближении основные максимумы энергии в высокочастотной области приходятся на начало (1958-1970), конец (2007¬2015) наблюдений, а также 1980-1983 и 1992-1997 гг., в то время как низкочастотные пики относительно стационарны (8-ми летний пик).
Взаимный корреляционный анализ установил, что для преобладающей части Балтийского моря наибольшая корреляция уровня моря наблюдается лишь с меридиональным градиентом давления и зональной скоростью ветра. Исключение составляет север Ботнического залива, где она сильно ослабевает. Что же касается остальных элементов водного баланса, то для них не было выявлено значительной корреляционной связи с колебаниями уровня моря.
Взаимный вейвлет анализ также подтверил высокую когерентность уровня моря с зональной скоростью ветра и меридиональным градиентом давления на большей части спектра. Основные пики спектральной плотности были выделены на периодах 1-2 года, 4-6 лет, 8 лет, 24 и 32 года. Выскочастотные максимумы с периодами менее 6-ти лет были отмечены в 1960-е и 1990-е гг., в то время как в 1970-1990-х гг. преобладали уже более низкочастотные максимумы спектральной плотности. В начале же 2000-х гг. наблюдается тенденция к перераспределению энергии колебаний в область высоких частот. В пространственном отношении южные районы моря характеризуются распространением короткопериодных циклов, а северные, наоборот, - долгопериодных циклов. При этом, реакция уровня моря на внешнее воздействие анемобарического поля может происходить с задержкой от 0 лет на высоких частотах до 8-10 лет на самых низких частотах.
В качестве будущего продолжения заявленной темы исследования планируется провести более подробную оценку степени влияния режимообразующих факторов на общие колебания уровня в Балтийском море. Для этого предполагается использовать методы не только качественного, но количественного анализа данных, результатом которого должна стать численная характеристика современного состояния водного баланса в Балтийском море.
Подобные работы
- Изменение концентрации хлорофилла «а», гидрохимических и гидрофизических характеристик Балтийского моря в условиях меняющегося климата по наблюдениям на станциях международного мониторинга
Бакалаврская работа, гидрология. Язык работы: Русский. Цена: 4340 р. Год сдачи: 2022