6.1. Общая характеристика. Средний уровень моря и его изменения
Баренцево море принадлежит к морям приливного типа, т. е. таким, где основную роль в колебаниях уровня моря играют приливы. В западной и южной частях моря приливы правильные полусуточные, поэтому колебания суммарного уровня моря в этих районах, как правило, выражены симметричной синусоидной кривой с одинаковым временем падения и роста уровня. В восточной части моря приливы имеют неправильный полусуточный характер
Величины прилива увеличиваются в южной части моря с запада на восток и составляют, в среднем, в Варангер-фиорде 2,2 м, в Святоносском заливе 3,7 м. Еще большие величины прилива наблюдаются в районе, примыкающем к Воронке Белого моря. В юго-восточном районе Баренцева моря от м. Канин Нос к новоземельским проливам величина прилива убывает от 4 м до 0,5 м; в меридиональном направлении величина прилива уменьшается с юга на север и в районе Земли Франца-Иосифа составляет около 0,2 м.
На формирование уровенного режима существенное влияние оказывают также метеорологические и ледово-гидрологические факторы. К метеорологическим факторам относятся действие ветра и изменения атмосферного давления. Это приводит к сгонно-нагонным колебаниям уровня, достигающим в прибрежных районах моря 1—2 м. Сезонная и межгодовая изменчивость атмосферных процессов обусловливает соответствующую изменчивость среднего уровня моря.
Наличие ледяного покрова приводит к уменьшению величины прилива и запаздыванию времени наступления полных и малых вод по сравнению с безледным периодом. Режим уровня моря на взморье и в устьевых областях северных рек имеет специфические особенности: величины приливов в этих районах уменьшаются, а средний уровень моря подвержен сезонным изменениям, связанным с внутригодовым распределением стока. Это особенно выражено в Печорской губе и устьевой области р. Печоры.
По оценкам Л. А. Борисова [31] отметка среднего многолетнего уровня Баренцева моря в общегосударственной системе абсолютных отметок высот СССР (Балтийской системе высот БС 1950 г.) равняется — 0,46 м, а Белого и Карского морей — соответственно —0,46 и —0,44 м.
По более поздним оценкам средний уровень моря у побережья Кольского полуострова в системе «0» БС имеет отметку около —6,53 м, а в районе от м. Канин Нос до Новоземельских проливов около —0,35 м. Таким образом, в среднем для южного побережья моря отметка среднего многолетнего уровня моря составляет около —0,44 м. Отметки среднего уровня моря на островах Баренцева моря в системе «6» БС не определены.
По наблюдениям на береговых гидрометеорологических станциях средний уровень моря подвержен межгодовой и внутригодовой изменчивости. Диапазон межгодовой изменчивости, т. е. колебания уровня ог года к году, колеблется по морю от 10 до 30 см. На побережье Мурмана наиболее низкие значения среднего годового уровня моря наблюдались в 1960 и 1980 гг., а наиболее высокие — в 1948 и 1975 гг. На юго-востоке Баренцева моря эти закономерности выражены не столь четко.
В течение года средний уровень моря не остается постоянным и испытывает сезонные изменения. Эти изменения выражены на графиках обычно ломаной кривой, которая в первую половину года расположена ниже отметки среднего годового уровня, а во вторую — выше [66]. При этом основные изменения среднего уровня происходят между апрелем—маем (минимум) и октябрем—ноябрем (максимум) (табл. 6.1), т. е. с полугодовой цикличностью.
Что же касается открытых районов в Баренцевом море, то сезонные изменения среднего уровня (как разности между минимальными и максимальными средними месячными уровнями) приводятся на рис. 6.1, заимствованном из работы [19], где они получены, по-видимому, расчетным способом. Из этого рисунка следует, что разность между минимальными и максимальными значениями среднего месячного уровня в открытых районах Баренцева моря значительно меньше, чем на побережье, и не превышает 8—11 см. При этом следует отметить, что схема на рис. 6.1 из-за несоответствия с табл. 6.1, отражающей фактические наблюдения па береговых гидрометеорологических станциях, требует некоторого уточнения.
Причины внутригодовой изменчивости среднего уровня рассматривались рядом авторов. В свое время (Дуваиин А. И., 1965) было высказано предположение, что средний уровень на побережье Мурмана является показателем адвективного водо- и теплопереноса в Баренцево море с запада. Это предположение получило реализацию в ряде научно-исследовательских разработок и методов гидрологических прогнозов. Но имеются и другие объяснения изменчивости среднего уровня во внутригодовом ходе.
Л. Г. Топорков [336] выполнил анализ сезонного хода уровня для морей Северного Ледовитого океана, в том числе и для Баренцева моря. Он пришел к выводу, что сезонный ход уровня Баренцева и других арктических морей определяется крупномасштабными изменениями циркуляции атмосферы и термохалинного режима вод, обусловливающими годовую и полугодовую волны в ходе уровня. Амплитуды и углы положения этих волн для гт. Мурманск по его данным имеют следующие значения: для годовой волны — 15,6 см и 224°; для полугодовой — 7,1 см и 149°. Сложение ординат волн годовой и полугодовой периодичности приводит к образованию кривой суммарного сезонного хода уровня с минимумом около —23 см в апреле— мае и максимумом около + 15 см в сентябре—октябре. Отсюда делается вывод, что по классификации, предложенной А. И. Дуваниным [118], для Баренцева моря (и, в частности, для Мурманска) характерен зональный режим сезонного хода уровня, при котором наблюдается смещение максимума в ходе уровня на зиму, а минимума — на весну.
Рассчитанная разность между максимальными (сентябрь—октябрь) и минимальными (апрель— май) значениями уровня должна достигать для Мурманска 38 см. Однако фактически она по многолетним данным, опубликованным в справочнике [66], составляет всего 20 см, т. е. почти в 2 раза меньше. В результате вычисления гармонических постоянных по годовой серии фактических наблюдений за 1972 г. нами определено, что амплитуда годовой волны составила 16,2 см, угол положения 217°, полугодовой— 1,5 см и 68° соответственно. В этом случае полугодовая волна по амплитуде меньше на 6 см, тем не менее расчетная разность между максимумом и минимумом остается значительно больше фактической. Следовательно, годовой ход среднего уровня для ст. Мурманск сложением годовой и полугодовой волн объяснить довольно затруднительно. Но для побережья Мурмана подобная закономерность проявляется значительно лучше. Параметры годовой и полугодовой волн, определенные гармоническим анализом по годовой серии наблюдений, здесь следующие: амплитуда 9,8 см и 2,7 см, фаза — 247 и 272° соответственно, а рассчитанная разность уровней — около 25 см. Следовательно, здесь наблюдается более близкое соответствие фактической и рассчитанной разностей между максимальным и минимальным значениями в годовом ходе среднего уровня.
На сезонный ход уровня влияют также закономерности в ходе атмосферного давления. Они сводятся к тому, что зимой низкие значения атмосферного давления отмечаются над Северной Атлантикой, а высокие — у азиатского побережья Северного Ледовитого океана. Летом наблюдается противоположное распределение. Исходя из представлений о статическом воздействии атмосферного давления на водную поверхность, согласно которым повышение атмосферного давления вызывает понижение уровня и наоборот, у побережья Мурмана уровень должен быть повышен зимой и понижен летом. Но количественно объяснить сезонный ход уровня изменениями атмосферного давления не удается, так как наблюдаемые изменения положения уровня от зимы к лету оказываются значительно большими. Так, для Мурманска амплитуда годового хода уровня, рассчитанная по атмосферному давлению, составляет около 4 см.
Другими факторами, влияющими на сезонный ход уровня, являются ветровой режим и изменения температуры и солености воды.
Л. В. Антроповой (Мурманскгидромет) по методическим разработкам ГОИНа были рассчитаны карты плотностных изменений уровня Баренцева моря на каждый месяц года (рис. 6.2). Плотностные изменения уровня на этих картах показаны в виде изолиний. «Привязка» карт осуществлена к п. Екатерининская Гавань, т. е. это тот начальный пункт, относительно которого определялись плотностные изменения уровня в открытом море. На всех картах данной серии рассчитанные изменения уровня имеют отрицательный знак, и, таким образом, уровенная поверхность в открытом море ниже, чем у берегов.
Серия ежемесячных карт позволяет оценить сезонные изменения уровня в открытых районах моря. Графическое изображение этих изменений по нескольким точкам позволило выяснить, что в годовом ходе максимум приходится на февраль—март, а минимум — на июнь. Разность уровней при этом составляет 30—40 см, что значительно отличается от схемы на рис. 6.1. Таким образом, внутригодовая изменчивость среднего уровня на Баренцевом море вероятнее всего обусловлена влиянием комплекса факторов, наиболее существенным из которых является сезонный ход поступления сюда атлантических вод.
6.2. Величина колебаний уровня моря
Под величиной колебаний уровня моря понимается разность между наибольшим и наименьшим значениями за определенный интервал времени. Как показывает опыт, на приливных морях при наличии более или менее длительных наблюдений за уровнем моря наибольшее и наименьшее значение уровня представляет собой соответственно наиболее высокую полную и наиболее низкую малую воду из когда-либо наблюдавшихся. Основной причиной достижения отметок таких вод на Баренцевом море является сочетание значительных штормовых нагонов и сгонов с приливными колебаниями уровня, причем, как правило, в период сизигий [316].
Наибольшие и наименьшие значения уровня повторяемостью 1 раз в определенное число лет рассчитаны для Баренцева моря по методике ГОИНа [316] (табл. 6.2).
Из сравнения наблюденных и рассчитанных значений следует, что наблюденные колебания уровня на Баренцевом море имеют повторяемость 1 раз в 10—25 лет.
6.3. Приливные колебания уровня
Приливные колебания уровня происходят с правильной периодичностью и характеризуются полными и малыми водами, их величиной и временем наступления, временем роста и падения уровня, а также неравенствами этих характеристик в суточном приливном цикле (рис. 6.3).
Показанные на рис. 6.3 обозначения соответствуют терминам и определениям действующего в нашей стране ГОСТа [267], а именно:
hвпв— высота высокой полной воды;
hнпв — высота низкой полной воды;
hвпв — высота высокой малой воды;
hнпв — высота низкой малой воды;
Апр, Аотл — амплитуда прилива на полной (прилив) и малой (отлив) воде, определяемая как разность между отметками соответствующих вод и средним уровнем;
В1 и В2, В3 В4 — величины прилива (разность между полной и предшествующей ей малой водой) и отлива (разность между полной и последующей за ней малой водой);
В3 = hвпв — hнмв — большая величина прилива;
В4 = hнпв — hвмв — малая величина прилива.
Разности ( hвпв — hнмв ) и (hнпв — hвмв ) характеризуют суточное неравенство полных и малых вод. Время между малой и последующей полной водой определяется как время роста уровня (прилив), а между полной и последующей малой водой— как время падения уровня (отлив).
zq— высота среднего уровня моря над наинизшим теоретическим уровнем.
НТУ— наинизший теоретический уровень (прежнее название — «теоретический нуль глубин») — рассчитанный приливной уровень, наименьший из возможных по астрономическим условиям. Предвычисленные данные о приливах (т. е., в частности, о времени наступления и высоте полных и малых вод), содержащиеся в «Таблицах приливов», приводятся относительно НТУ, имеющего условную отметку «0». В других системах высот (например, в Балтийской) отметка НТУ может отличаться от «0» и иногда довольно значительно. Практическое значение НТУ состоит в том, что на морских навигационных картах он принимается за нуль глубин. Поэтому снятые с навигационных карт значения гарантируют некоторый запас глубины.
Если наинизший теоретический уровень (НТУ) является нижней границей приливных колебаний, то их верхней границей является также рассчитанный наибольший из возможных по астрономическим причинам уровень — наивысший теоретический уровень ВТУ. Между этими границами располагаются все прочие отметки приливных колебаний уровня. Однако в реальных условиях под влиянием причин, не связанных с астрономическими факторами (например, погодных условий), отметки фактического уровня могут выйти за пределы как верхней, так. и нижней из указанных границ, и в отдельных случаях весьма значительно. Наивысший теоретический уровень на побережье Мурмана Баренцева моря соответствует суммарному уровню 5% -ной обеспеченности, а наинизший — 95% -ной обеспеченности.
Основной метод изучения приливов — гармонический анализ данных наблюдений за уровнем. Метод позволяет вычислить как гармонические, так и негармонические постоянные прилива. К последним, в частности, относятся средняя и наибольшая величина прилива, среднее время роста и время падения уровня, а также отметки полных и малых вод в периоды сизигий и квадратур.
Для гармонического анализа приливов используются несколько способов вычислений в зависимости от продолжительности исходных рядов наблюдений
Вычисленные к середине 50-х годов гармонические постоянные по большому количеству пунктов Баренцева моря, но по коротким сериям наблюдений, систематизированы в работе [350]. В обобщенном виде по районам моря они представлены в табл. 6.3 для волн полусуточного прилива: М2 — главной лунной, S 2 — главной солнечной и волн суточного прилива; О 1 — главной лунной, К 1 — лунно-солнечной деклинационной.
Вычисление гармонических постоянных на Баренцевом море продолжалось и в дальнейшем. В качестве примера в табл. 6.4 приводятся гармонические постоянные по районам моря, вычисленные по годовой серии наблюдений. Здесь, кроме четырех упомянутых волн, приводятся годовая Sa и полугодовая Ssa волны, диапазон изменчивости амплитуд которых 7—11 и 1—4 см соответственно.
Гармоническим постоянным свойственна сезонная изменчивость, пример которой представлен па рис. 6.4. Для амплитуд волны М2 характерен максимум в августе и минимум в декабре.
Негармонические постоянные приливов приводятся в табл. 6.5 и 6.6. Отметки наивысших теоретических уровней относительно НТУ в табл.6.5 характеризуют наибольшую возможную по астрономическим Причинам величину прилива. Этот параметр в картированном виде для береговых пунктов и открытых акваторий Баренцева моря приводится в работе [19] (см. рис. 6.6 6).
Основой для расчета наибольших величин прилива для открытых акваторий моря служат результаты реализации линейной гидродинамической модели в рамках решения задачи Дирихле для системы эллиптических уравнений для уровня [101]. Постановка задачи здесь не описывается. В результате рассчитываются характеристики приливных волн М2 , S2 ,K1 ,O1 которые обычно представляются в картированном виде. К настоящему времени получено несколько отечественных и зарубежных вариантов таких расчетов. Первый вариант приводится в работе [19], второй (рис. 6.5) получен Л. А. Сгибневой [322], третий — по исследованиям МФ ДАНИИ. Сравнение двух последних вариантов карт показывает их соответствие, хорошее совпадение результатов отмечается и с вариантом Моенса [417]. Общим для этих карт является наличие амфидромической системы в северо-западной части моря с той лишь разницей, что на картах МФ ДАНИИ центр амфидромической системы сдвинут к северу по отношению к карте Моенса и к северо-востоку — по отношению к карте Сгибневой Л. А.
Как видно из рис. 6.5, отношение амплитуд волн S2 и М2 не превышает 0,90, и, следовательно, на Баренцевом море применимы соотношения метода Лапласа для вычисления наинизшего и наивысшего теоретических уровней, а, в конечном итоге, и наибольшей величины прилива, возможной по астрономическим причинам [314]. Используются соотношения:
Наибольшая величина прилива
По данным о величинах НМ1 и НМ2 (рис. 6-5) можно приближенно вычислить величину λц (и соответственно Всз). При этом неучет величины //к г в выражении (6.3) по данным береговых пунктов приводит к ошибкам на севере и востоке Баренце83 моря в 1—3 см, в центральной части 3—8 см, в ю ж' ной 8—11 см. Рассчитанные значения Всз представлены в картированном виде на рис. 6.6 а, и точность их вычислений можно оценить в 2—3 % от значений, указанных на изолиниях. С использованием выражения (6.4) вычислены максимально возможные величины приливов (рис. 6.6 6).
Представленные на рис. 6.5 котидальные карты приливов Баренцева моря получены на основе линейной эллиптической модели. В мелководных районах моря, где динамические процессы могут быть существенно нелинейны, расчеты по такой модели приводят к значительным погрешностям. Для этих акваторий целесообразно применять нелинейные гидродинамические модели, которые позволяют учитывать генерацию мелководных составляюШих прилива, а применяемая в них квадратичная форма параметризации придонного трения лучше отражает процесс диссипации длинных волн в мелководных областях. Приведенные выше результаты получены на сетках с большими пространственными шагами, что также не позволяет удовлетворительно отразить особенности приливного режима в таких районах как юго-восточная часть Баренцева моря.
С целью исследования приливного режима в мелководных районах Баренцева моря в ГОИНе разработаны нестационарные численные гидродинамические модели трех уровней пространственного разрешения: модель Баренцева моря (30-мильная сетка), модель юго-восточной части Баренцева моря (6-мильная сетка), модель Печорской губы (шаг сетки — 1 миля). Модели построены на основе нелинейных уравнений теории мелкой воды в форме полных потоков:
Использовались следующие граничные условия:
Для аппроксимации уравнений движения применялась конечно-разностная схема типа «крест» [160] на разнесенной сетке. Адвектнвные члены уравнений движения определялись с помощью разностного гибридного метода. Конечно-разностная схема и исследование ее устойчивости, а также порядка аппроксимации подробно изложены в работе [320].
По модели юго-восточной части Баренцева моря расчеты проводились как для отдельных волн, так и для суммарного прилива в виде суммы четырех составляющих М2 , S2 ,K1 ,O1. Для задания граничных условий использовались результаты Сгибневой [322] и гармонические постоянные уровенных наблюдений в береговых пунктах: п-ов Канин, о. Колгуев Северный, Междушарский и берега прол. Карские Ворота. Модель верифицирована для отдельных волн. На рис. 6.7 представлена схема глубин расчетной области с указанием расчетных точек, для которых проводилось сравнение, и их порядковых номеров.
Гармонические постоянные определялись при расчетах отдельных волн с помощью Фурье-анализа в каждом узле расчетной сетки. На рис. 6.8 изображены котидальные карты гармоник М2 и К1 В табл. 6.7 представлены результаты сравнения рассчитанных гармонических постоянных с полученными из наблюдений. Для районов юго-восточной части Баренцева моря приведены относительные погрешности рассчитанных амплитуд (%) гармоник М2 и К1 в виде Δ h =|hn—hm| . 100/hn, где hn — значения амплитуд, полученные в результате гармонического анализа наблюдений; hm — значения амплитуд, полученные по расчету. В следующей колонке даны погрешности расчета фазы (ч) (специальных углов положения) в виде Δg = | gn—gm | /σg ,где gn — фазы, полученные гармоническим анализом наблюдений; gm — фазы, рассчитанные по модели; σg — угловые скорости волн. Для каждого района приводятся минимальные и максимальные значения погрешностей.
Несмотря на довольно грубое пространственное разрешение, удалось удовлетворительно воспроизвести основные особенности приливного режима для главных полусуточной и суточной гармоник на большей части акватории. Модель хорошо отражает приливной резонанс на полусуточной частоте в Чешской губе. Получено усиление (в 3—4 раза) амплитуды М2 в вершине губы, хорошо согласующееся с результатами наблюдений.
По рассчитанной котидальной карте гармоники К1 установлено существование амфидромии суточного прилива вблизи прол. Карские Ворота.
Ошибки в задании граничных условий на участке о. Колгуев—арх. Новая Земля, где расположена область амфидромии S2, по-видимому, обусловливают значительные погрешности в расчетах этой волны, особенно в восточной части акватории. В связи с этим при расчетах суммарного прилива волна S2 не учитывалась.
Уточнение граничных условий позволит точнее определить положение узловой зоны полусуточных колебаний уровня моря у Тиманского берега. Эта зона (выраженная амфидромия) располагается южнее наблюдаемой в природе, что обусловливает значительное увеличение погрешностей расчета в близлежащем районе (см. рис. 6.7, Hi—23). Некоторые погрешности вызваны неточным воспроизведением береговой черты. Например, длинный узкий п-ов Русский Заворот аппроксимируется двумя «сухими» ячейками, тогда как у его оконечности происходят резкие изменения амплитуды и фазы — на участке протяженностью менее одного шага сетки.
Расчеты показали, что прилив на открытой части акватории можно представлять как прогрессивную волну с сильной диссипацией ее энергии в заливах, особенно в мелководной Печорской губе. Приливные колебания уровня моря в южных районах юго-восточной части Баренцева моря существенно больше, чем в северных, где наблюдается сгущение котидальных линий волны М2, что указывает, на существование там вырожденной амфидромии.
Заниженные значения амплитуды М2 получены в вершине Печорской губы, что связано с мелководностью района и влиянием придонного трения на его акватории. Для Печорской губы проведены расчеты суммарного прилива (16 гармоник) по модели с мелкой сеткой. После обработки рассчитанных 32-суточных рядов уровня моря и течений методом Дудсона получены гармонические постоянные и построены котидальные карты уровня и карты эллипсов приливных течений. Определены экстремальные характеристики приливов на акватории.
Разработанный комплекс моделей используется в качестве основы для исследования общей циркуляции Баренцева моря с учетом непериодических факторов.
6.4. Непериодические колебания уровня
На Баренцевом море наряду с доминирующими приливными колебаниями заметно выражены сгонно-нагонные изменения уровня. Они являются непериодическими с временным масштабом 1—10 сут.
Существенные различия в физико-географических условиях довольно обширного Баренцева моря не позволяют однозначно ответить на вопрос о степени отрицательного влияния штормовых нагонов и сгонов на хозяйственную деятельность. Так, на Кольском полуострове, берег которого представляет собой холмистое плато с высотами 80—150 м над уровнем моря и приглубыми берегами, абсолютные значения нагонов и сгонов на порядок меньше приливных колебаний. Если же рассматривать мелководную, с отмелыми берегами юговосточную часть Баренцева моря, где сгонно-нагонные колебания уровня моря могут достигать 3—4 м, учет этого фактора, безусловно, требуется при планировании и осуществлении любого вида хозяйственной деятельности.
Непериодические колебания уровня Баренцева моря изучены недостаточно, и освещены они сравнительно небольшим числом работ, выполненных главным образом в последние годы. Это объясняется рядом причин.
Во-первых, в колебаниях уровня Баренцева моря приливная составляющая существенно превосходит непериодическую. Это обстоятельство, в наибольшей степени справедливое для южной и юго-западной частей Баренцева моря, способствовало представлению о незначительном влиянии сгонно-нагонных явлений на хозяйственную деятельность и, в частности, на мореплавание в прибрежной зоне. Во-вторых, систематические изменения уровня на большинстве ныне действующих уровенных постов начались лишь с конца 40-х годов, причем сеть уровенных постов на Баренцевом море оказалась в ведении различных организаций без координирующего центра. В-третьих, детальное изучение непериодических колебаний уровня стало возможным только после введения в практику гидрометеорологических исследований методов обработки рядов натурных наблюдений за уровнем с помощью численных фильтров.
Работы по рассматриваемой проблеме могут быть разделены на два этапа. К первому (1947— 1963) относятся исследования Ю. В. Преображенского, 1947; Е. В. Осмоловской, 1951; Н. К. Ханайченко, 1963. В качестве исходных материалов они использовали осредненные характеристики уровня моря и гидрометеорологических параметров (средние месячные и средние суточные значения). Основными причинами сгонно-нагонных колебаний уровня на побережье Мурмана считались статическое действие атмосферного давления и, в меньшей степени, воздействие ветра. Были получены первые количественные оценки непериодических колебаний уровня. Так, согласно Преображенскому, отклонения уровня под воздействием метеорологических факторов находятся в пределах 100—125 см. Одновременно был сделан вывод о малой вероятности совпадения максимальных нагонов с сизигийным приливом (не чаще 1 раза в 50 лет), а следовательно, и о незначительной роли нагонов для юго-западного и южного побережий моря.
Анализ влияния статического эффекта атмосферного давления и ветра на отклонения средних суточных уровней моря от «нормы» в западном районе Мурманского побережья (вход в Кольский залив и Териберка) был проведен Е. В. Осмоловской по 10-летнему ряду наблюдений. У входа в Кольский залив непериодическая составляющая уровня моря за счет статического эффекта оказалась равной ± (20—30) см, а для Териберки выявить этот факт вообще не удалось. Существенное значение имеет вывод об отсутствии отчетливо выраженной зависимости между местным ветром и уровнем моря. Нагонными направлениями признаны направления ветра от северного До западного. Нагонные уровни моря у входа в Кольский залив могут достигать 70 см и Териберке — 80см. В рассматриваемой работе сделана попытка типизировать синоптические условия, при которых наблюдаются подъемы и спады уровня. Выявлено, что первые связаны с циклонами над Норвежским и Баренцевым морями, а вторые — с расположением антициклонов над южной частью Баренцева моря и Кольским полуостровом.
Н. К. Ханайченко считал главной причиной нерегулярных подъемов уровня усиление интенсивности атмосферной циркуляции над северными морями и прилегающими районами Атлантического океана. Последующие исследования не подтвердили эту точку зрения. В частности, В. А. Потаниным [280] показана ошибочность оценок Н. К. Ханайченко, который принимал нагонную составляющую уровня постоянной вдоль всего побережья Мурмана.
Первые оценки сгонно-нагонных колебаний уровня для юго-восточной части моря относятся также к началу 50-х годов. Ввиду отсутствия систематических наблюдений в этом районе побережья приведенные ниже оценки основаны на отдельных, кратковременных наблюдениях. Так, по сведениям из лоций Баренцева моря превышения уровня при штормовых нагонах для устья р. Индиги (Чешская губа) оценивались в 1,5 м, в устье р. Печоры 1,0—1,3 м. Для Канино-Печорского района влияние статического эффекта при формировании, нагонных уровней оценивалось в 50—60 см.
К общим недостаткам этого этапа изучения сгонно-нагонных явлений на Баренцевом море можно отнести ограниченность изучения их лишь юго-западной частью моря, пренебрежение процессами динамики формирования и затухания сгоннонагонных колебаний уровня, и, как следствие, отсутствие в итоге физически обоснованной модели этих явлений.
Второй этап исследований, начавшихся в середине 60-х годов, связан с применением методов математической статистики и спектрального анализа к длительным рядам ежечасных наблюдений за уровнем. В работе В. Е. Привальского [288] показано, что колебания уровня на побережье Мурмана тесно связаны с изменением атмосферного давления и сравнительно слабо зависят от широтной составляющей скорости ветра. Установлено, что в спектре колебаний уровня отчетливо выражен максимум на частоте 0,33 цикл/сут (период около 72 ч). Значение модуля частотной характеристики давление—уровень, равное в среднем 1,12 см/гПа для частоты 0,33 цикл/сут, формально подтвердило мнение о преобладающем вкладе статического действия атмосферного давления в изменения уровня. Однако изменчивость этого модуля в зависимости от частоты, полученная Привальским, указала на неоднозначность реакций вод моря на меняющиеся метеорологические условия.
Более полное физико-статистическое исследование баренцевоморских штормовых нагонов было выполнено В. А. Потаниным [280—283]. В его работах показано, что штормовым нагонам подвержено все побережье Баренцева моря и что баренцевоморские и беломорские штормовые нагоны имеют, как правило, общую причину. Этот вывод был сделан на основании рассмотрения средних и экстремальных параметров опасных подъемов уровня, полученных по данным береговых станций и постов. Совместный анализ непериодической составляющей уровня и синоптических данных во время штормовых нагонов позволил типизировать циклоны и исследовать динамику нагонной волны в различных, районах Баренцева и Белого морей. Механизм формирования штормового нагона при этом заключается в трансформации длинной вынужденной барической волны, образующейся вследствие статического (75 %) и динамического воздействия перемещающегося циклона на водные массы морей. Для количественной реализации статистической модели штормового нагона Баренцево и Белое моря рассматривались как система каналов с меняющимися морфометрическими характеристиками (глубиной и шириной), что позволило оценить коэффициенты трансформации длинной волны с помощью известного решения задачи о движении длинной волны в канале переменного сечения. Такая модель позволила согласовать наблюденные (фильтрованные) высоты нагонов и рассчитанные. Например, циклон, вызвавший неординарный штормовой нагон 20—25 октября 1965 г., характеризовался изменениями атмосферного давления в пределах акватории Баренцева моря около 40 гПа. Следовательно, за счет гидростатического действия атмосферного давления штормовой нагон должен был составить порядка 40—50 см, а за счет трансформации нагонной волны при коэффициенте трансформации /С= 1,8 увеличивается до 75—90 см. Фактический средний нагон на побережье Мурмана составил около 80 см.
Продолжением этого направления исследований явилось изучение формирования сгонных понижений уровня на Баренцевом и Белом морях, выполненное в 1972—1974 гг. В. А. Потаниным и В. В. Денисовым на той же методической основе [284, 285]. Кроме того, в середине 70-х годов А. И. Пономаревым выполнены исследования баренцевоморских сгонов и штормовых нагонов с целью разработки краткосрочного и долгосрочного метода предсказаний этих явлений [278, 279]. При этом большое внимание было уделено изучению синоптических условий в период сгонно-нагонных ситуаций.
В рассмотренном подходе влияние локального ветрового воздействия на уровень моря практически не принимается во внимание, что справедливо для относительно глубоководной части собственно Баренцева моря. Однако ситуация может существенно измениться, если рассматривать всю систему ветров в циклоне, воздействующих на бассейн. В этом случае сгонно-нагонная циркуляция вод и колебания уровня моря должны отражать динамику вод под действием перемещающейся барической депрессии [203].
В целом в рамках физико-статистического направления были исследованы процессы формирования и затухания баренцевоморских штормовых нагонов и сгонов, вызванных перемещающимися циклонами и антициклонами, определены средние и экстремальные значения параметров этих опасных гидрометеорологических явлений (величины и продолжительности), построены физико-статистические модели этих явлений, связывающие характеристики сгонно-нагонных колебаний уровня с параметрами барических систем. Полученные результаты используются при решении различных практических задач. Одним из принципиальных результатов работ по рассмотренному направлению является вывод о существенном, а для многих районов моря (например, юго-восточная часть) соизмеримом с приливными, вкладе непериодических колебаний в формирование уровенного режима Баренцева моря.
В. В. Денисовым [94] на базе теории мелкой воды рассмотрены вопросы деформации уровенной поверхности и формирования сгонно-нагонной циркуляции как взаимосвязанные стороны единого физического явления — динамической реакции моря на перемещающиеся барические образования. Детально исследован механизм развития нагонных колебаний уровня и течений в окраинном море средней глубины, обладающем сложным рельефом и соизмеримым по своим размерам с типичными циклонами.
6.5. Синоптические условия и механизм формирования сгонно-нагонных колебаний уровня
По результатам типизации траекторий циклонов, вызывающих штормовые нагоны на Баренцевом море, выделено четыре типа циклонов: «ныряющие», западные, южные и аномально смещающиеся (восточные) (рис. 6.9).
В общем случае к «ныряющим» отнесены циклоны, траектории которых направлены с севера, северо-запада на юг, юго-восток, т. е. в южной части Баренцева моря происходит как бы «ныряние» циклона с моря на материк. К западным отнесены циклоны, траектории которых имеют более широтную направленность. Из выделенных типов преобладают циклоны «ныряющие» (47 % общего числа) и западные (41 %). На южные и аномально смещающиеся циклоны приходится 12%. Изменчивость основных параметров глубоких циклонов в периоды штормовых нагонов характеризуется скоростями перемещения 30—80 км/ч, давлением в центре 950—985 гПа. Эти параметры характерны для циклонов, вызывающих средние и высокие штормовые нагоны, хотя в реальных ситуациях возможны различные комбинации параметров циклонов. Важным фактором, является соизмеримость областей низкого давления (средний диаметр — 1800 км) с линейными размерами Баренцева моря. Формирование штормовых нагонов происходит при углублении циклонов в среднем на 9 гПа/сут и в предельных случаях — на 30—40 гПа/сут. Для ныряющих и западных траекторий характерно образование вторичных циклонов, которые обладают в этих случаях значительными скоростями смещения, интенсивно углубляются с момента образования до вхождения в основной циклон. Глубоким циклонам свойственна температурная асимметричность, контрасты температур летом могут достигать 7—15, зимой — 30—32 °С.
Сгонные понижения уровня моря происходят главным образом под воздействием барических полей мощных антициклонов. Для Баренцева моря необходимо различать эти колебания уровня и так называемые преднагонные сгоны. Последние сопутствуют штормовым нагонам и представляют собой подошву длинной волны. Они служат предвестниками нагонов и связаны с циклонами.
Из всего многообразия траекторий антициклонов наиболее типичными следует считать их смещения с северо-запада и севера на юго-восток и юг — 78 % случаев. На долю ультраполярных вторжений с северо-востоку и на остальные направления при ходится 22 % случаев. Антициклоны характеризуются следующими средними значениями параметров: давление в центре— 1030 гПа, скорость перемещения— 20 км/ч, линейные размеры — 2000— 2500 км. Максимальное давление в центре (до 1060 гПа) может иметь место в наиболее мощных арктическом либо сибирском антициклонах. Именно такие мощные и малоподвижные антициклоны бывают причинами аномально низких стояний уровня у побережья Баренцева моря. Примером может служить экстремальный сгон в период 1— 10 марта 1970 г., обусловленный выходом на акваторию моря гребня сибирского антициклона [284]
Внутригодовое распределение нагонов и сгонов (табл. 6.8) подтверждает связь штормовых нагонов с осенне-зимним максимумом циклонической деятельности и сгонов с весенне-летним максимумом антициклонической деятельности атмосферы.
Длинноволновые колебания уровня при штормовых нагонах и стонах могут быть охарактеризованывеличиной сгона (нагона) Ак и их продолжительностью (периодом) τк. Средние и максимальные значения этих параметров для береговых уровенных постов получены в результате статистической обработки выборок величин Ак к и τк за период 1951 — 1975 гг. При этом непериодическая составляющая уровня меря определялась путем исключения приливных колебаний фильтром Дудсона с коррекцией результатов по методике, изложенной в работе [381].
Сведения о сгонно-нагонных колебаниях уровня Баренцева моря с необходимой полнотой приведены в специализированных справочных пособиях. В табл. 6.9 они даны для некоторых районов Мурманского побережья.
Общей закономерностью в распределении средних и максимальных нагонов является их возрастание вдоль побережья Мурмана с запада на восток. В юго-восточной части моря наибольшие нагоны наблюдаются в районе Печорской губы (о. Варандей). Сгонные понижения уровня повсеместно меньше нагонных повышений, в среднем в 1,4— 1,8 раза, и для них характерна сравнительно небольшая пространственная изменчивость.
Обобщением синоптических условий генерации сгонно-нагонных колебаний уровня и результатов статистической обработки их параметров являются совмещенные схемы на рис. 6.10, 6.11. Здесь колебания уровня моря при штормовых нагонах и сгонах построены на единых шкалах времени, начинающихся с момента формирования среднего статистического нагона (сгона) на западном участке побережья Мурмана (Варангер-фиорд). На восточном участке побережья (Святоносский залив) эти колебания происходят с определенным (7—9 ч) временным сдвигом. Формирование штормового нагона на побережье Мурмана заканчивается при расположении центра циклона приблизительно на 40° в. д. (зона III, рис. 6.10). По времени это составляет 30—32 ч. Осредненная для этого района величина нагона составляет 36 см. Затухание нагона происходит при дальнейшем смещении циклона к востоку и продолжается в среднем 40 ч. Для штормовых нагонов увеличение среднего значения параметра Ак составляет при движении с запада на восток 70 %, а для сгонов оно не превышает 40 %.
Закономерности изменения параметров сгоннонагонных колебаний уровня в генеральном направлении с запада на восток сохраняются и в юго-восточной части моря. Это подтверждается анализом отдельных случаев штормовых нагонов и сгонов и результатов гидродинамических расчетов, так как построение для этого региона статистически обобщенных схем затруднено из-за отсутствия длительных рядов ежечасных уровенных наблюдений.
Изменения уровня моря при штормовых нагонах на Баренцевом море представляют собой длиннопериодные (по отношению к приливным) волновые колебания, формирующиеся в слабо стратифицированных (особенно в холодное время года) водах моря и захватывающие почти всю толщу вод. Основные процессы, влияющие на формирование баренцевоморского штормового нагона — воздействие поля атмосферного давления, трансформация длинной волны —! действуют одновременно, но поразному в зависимости от конкретных метеорологических условий и от района моря. Соотношение суммарной величины нагона Ан и подъема уровня только за счет статического эффекта атмосферного давления Аст различно для двух преобладающих траекторий движения циклонов: западной и ныряющей. Для первой это отношение находится в пределах 1,4—2,5 в зависимости от параметров отдельного шторма, а для второй оно всегда больше (5,0—5,5). Ныряющие циклоны пересекают море по диагонали через центр, в результате чего на побережье Мурмана наблюдаются существенно меньшие изменения атмосферного давления, вклад которого не превышает 3 % суммарного нагонного повышения уровня. Вклад статического компонента нагона неуклонно снижается по мере уменьшения глубины и роста вклада ветровой составляющей. Если в западной части Мурманского побережья отношение Ан / Аст = 1,7, то в его восточной части оно увеличивается в среднем до 2,4, а на юго-востоке моря достигает 3,6 при изменении глубин от 160 м до 20 м соответственно.
Структурно непериодические колебания уровня у побережий морей слагаются из двух главных компонент — глубоководного (батистрофического) и мелководного (локально ветрового) нагона, относительный вклад которых в подъем уровня определяется глубиной прилегающего участка акватории моря. В относительно глубоководной юго-западной части Баренцева моря (Норвежско-Мурманский район) наибольшие подъемы уровня обусловлены ветрами, параллельными береговой черте. В мелководной юго-восточной части бассейна (Печорское море) эти же явления связаны с ветрами, перпендикулярными к линии берега, т. е. ветрами северных направлений в тыловых частях уходящих к востоку циклонов.
Характерной для преобладающей, относительно глубоководной части Баренцева моря особенностью механизма формирования большинства штормовых нагонов является не локальное действие ветра, а подъем моря у берега за счет растекания вод из области шторма в результате совместного эффекта циклонического поля ветра и силы Кориолиса. В случае малоподвижного и тем более стационарного циклона этот фактор особенно сильно действует. Связано это с тем обстоятельством, что в условиях обширного Баренцева моря со средней глубиной около 200 м, соизмеримого с размерами циклонов, эффекты вращения Земли и воздействия циклонической системы штормовых ветров практически равнозначны и взаимосвязаны: без ветра нет движений, которые отклоняются силой вращения, а без учета отклоняющей силы нет перераспределения вод в пределах бассейна и, как следствие, нет штормового подъема уровня у берега.
Иллюстрацией изложенного механизма формирования штормового нагона может служить рис. 6.12, на котором показан фрагмент рассчитанной картины уровенной поверхности и нестационарных штормовых течений (осредненных по глубине) для фазы максимального развития одного из значительных типичных штормовых нагонов. В нижней части рисунка показаны результаты сопоставления расчетного и фактического (фаз прилива) хода нагонного уровня для двух пунктов наблюдений на побережье Мурмана. Здесь и далее расчеты выполнены с использованием численной модели непериодических движений вод Баренцева моря в двумерной постановке [94].
Типичные процессы динамики формирования уровенной поверхности и сгонно-нагонной циркуляции при выходах на акваторию Баренцева моря исключительно глубоких циклонов, с различными траекториями движения показаны на рис. 6.13— 6.14, полученных расчетным методом.
Характерно» чертой реакции Баренцева моря на «ныряющий» (северо-западный) циклон (рис. 6.13) может быть названо формирование циклонической циркуляции с понижением уровня под центром циклона до 60—100 см, что свидетельствует о преобладании динамических отклонений уровня над статическими (в 4—5 раз). Круговорот охватывает большую часть бассейна и устойчив во времени.
При западном типе циклона (рис. 6.14) развивается совершенно иная картина динамики вод, для которой типично формирование «ячеистой» пространственной структуры поля уровня и неустойчивых во времени циркуляций с повышением уровня до 0,5 м. Данные особенности обусловлены воздействием неравномерного поля ветра северной половины циклона на водные массы моря в условиях сильного влияния силы Кориолиса и пересеченного рельефа дна.
Рассмотренные примеры расчетов наглядно демонстрируют общие и индивидуальные черты формирования штормовых нагонов при различных типичных траекториях и параметрах глубоких циклонов. Фактическое разнообразие возможных сгонное нагонных ситуаций'в масштабах всего Баренцева моря указывает на необходимость широкого использования методов гидродинамического моделирования.
6.6. Режимно-статистические характеристики сгонно-нагонных колебаний уровня
Наибольший практический интерес для народнохозяйственных организаций представляют функции распределения экстремальных уровней. Примеры подобных расчетов приведены на рис. 6.15, где построены графики повторяемости экстремальных уровней, возможных 1 раз в q лет и функции обеспеченности (продолжительность стояния) для двух районов в юго-восточной части моря. Для получения режимно-статистических характеристик уровня использована методика ГОИНа [381]. Расчет уровней выполнялся на основе гидродинамической модели [94]. Средняя относительная погрешность по высоте нагона для побережья Мурмана составляет 15 %, а для времени наступления максимального уровня — не более 6% . Эти выводы получены на оснований результатов верификации модели по 15 фактическим сгонно-нагонным ситуациям. В качестве исходных данных использовались типовые поля атмосферного давления и сведения об их повторяемости, приведенные в [18]. Значения ветра в узлах сеточной области для всех типов ситуаций и четырех градаций по скорости получены расчетным методом с использованием геострофических соотношений и эмпирических уравнений связи между геострофическим и приземным ветром [97, 99].
Расчеты по гидродинамической модели позволили получить расчетные карты повышений и понижений уровня, возможных 1 раз в 1, 5, 10, 25 и 50 лет, приведенные в справочнике [66]. Анализ этих карт показывает, что качественная картина уровенной поверхности, расчитанная для различных периодов повторяемости, весьма устойчива и хорошо соответствует основным особенностям сложной морфометрии Баренцева моря; максимальные подъемы уровня совпадают с наиболее мелководными районами юго-восточной части моря, а область минимального возвышения уровня приурочена к глубоководной части бассейна, Количественные характеристики нагонов и сгонов для прибрежных районов вполне согласуются с имеющимися физико-статистическими оценками по береговым станциям, что позволяет считать вполне достоверным гидродинамическое описание уровенного режима и малоизученных открытых морских участков акватории.
Интересные практические и научно-методические выводы следуют из рассмотрения рис. 6.16, представляющего расчетные карты-схемы размаха непериодических колебаний уровня редкой повторяемости (1 раз в 25 и 50 лет). В частности, на большей части площади моря экстремальный размах непериодических колебаний уровня оказывается значительно больше регулярных (приливных) колебаний. Это относится не только к мелководному Печорскому морю, но и к открытым районам моря. Данный результат необходимо учитывать при планировании и организации хозяйственной деятельности, связанной в первую очередь с разведкой и добычей нефти и газа в открытом море.
Сопоставление возможного размаха уровенных колебаний и.: атмосферного давления (950— 1040 гПа) над морем подтверждает сделанный выше вывод с соотношении главных вынуждающих сил h, & частности, о преобладаний динамических отклонений уровня над статическими в районах моря с глубинами менее 200 м. Из рис. 6.16 следует, что в условиях Баренцева моря статистическое подтверждение закона обратного барометра имеет место только в юго-западной части бассейна с глубинами 300—400 м, где Kн=ΔAн / ΔP ≈ «1,0 см/гПа. Во всех остальных районах коэффициент Kн превосходит единицу (от 1,2 до 5,0). Результаты картирования размаха непериодических колебаний уровня наглядно демонстрируют реальные возможные значения их изменчивости под действием метеорологических факторов. Каждая отдельная флюктуация уровня под действием конкретного циклона или антициклона происходит и оценивается на фоне постоянно изменяющегося хода уровня, а не относительно условной невозмущенной поверхности, как это происходит в гидродинамическом расчете. В принципе, возможен такой экстремально высокий подъем уровня за счет глубокого циклона, который в силу предшествующих условий (например, сгонных) не достигнет критической отметки. Поэтому сочетание (суперпозиция) на одной карте возможных колебаний уровня разного знака, охватывающих весь диапазон синоптических условий над морем (нагонных и сгонных), в значительной степени устраняет возможные погрешности частных гидродинамических расчетов вследствие недостаточного (неполного) учета фонового состояния уровенной поверхности в периоды времени, предшествующие рассматриваемому.