Морской гидрофизический журнал. 2022; 38: 655-678
Стационарное и нестационарное описание сезонной изменчивости уровня Балтийского моря по данным мареографических измерений
https://doi.org/10.22449/0233-7584-2022-6-655-678Аннотация
Цель. Основной целью данной работы является оценивание в стационарном приближении величин амплитудно-фазовых характеристик сезонных колебаний уровня Балтийского моря за период 1971 –2020 гг. и исследование особенностей и возможных причин их нестационарности.
Методы и результаты. Обосновывается описание сезонных колебаний суммой четырех гармоник: годовой (Sa), полугодовой (Ssa), третьгодовой (Sta) и четвертьгодовой (Sqa). С помощью гармонического анализа рядов среднесуточных значений мареографических измерений уровня моря оцениваются средние значения сезонных колебаний уровня Балтийского моря, а также их межгодовая изменчивость. Результаты свидетельствуют, что амплитуды гармоник Sa, Ssa, Sta и Sqa выделяются достоверно для всех рассматриваемых береговых пунктов. Особенности распределения в пространстве фазы свидетельствуют о статистически достоверном распространении возмущений уровня моря с периодом один год с юго-запада на север и северо-восток. Для других составляющих сезонных колебаний уровня моря (Ssa, Sta и Sqa) пространственные изменения фазы очень маленькие и сравнимы со среднеквадратическими ошибками их расчета.
В межгодовых изменениях сезонных колебаний уровня Балтийского моря хорошо выражена амплитудная модуляция с периодом огибающей около 20 лет для гармоники Sa и приблизительно от 2 до 10 лет для гармоник Ssa, Sta и Sqa. Во временном ходе амплитуд гармоники Sa в период 1971 –2020 гг. для всех станций отмечается значимый отрицательный тренд. Для выяснения причин выявленных особенностей межгодовых изменений гармоники Sa проводится нестационарный гармонический анализ рядов атмосферного давления, ветра и стерических колебаний уровня моря.
Выводы. Показано, что основное влияние на наблюдающиеся в последние полвека изменения годовых колебаний уровня моря оказывают аномалии годовых колебаний ветра и, в меньшей степени, атмосферного давления.
Список литературы
1. Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР. Т. 3. Балтийское море. Вып. 1. Гидрометеорологические условия / Отв. ред. Ф. С. Терзиев. Л. : Гидрометеоиздат, 1992. 456 c.
2. Cheng Y., Xu Q., Li X. Spatio-Temporal Variability of Annual Sea Level Cycle in the Baltic Sea // Remote Sensing. 2018. Vol. 10, iss. 4. 528. doi:10.3390/rs10040528
3. Männikus R., Soomere T., Viška M. Variations in the mean, seasonal and extreme water level on the Latvian coast, the eastern Baltic Sea, during 1961 –2018 // Estuarine, Coastal and Shelf Science. 2020. Vol. 245. 106827. doi:10.1016/j.ecss.2020.106827
4. Lisitzin E. Sea-level changes. Amsterdam : Elsevier, 1974. 286 p. (Elsevier Oceanographic Series, vol. 8). https://doi.org/10.4319/lo.1975.20.4.0681
5. Ekman M. A Common Pattern for Interannual and Periodical Sea Level Variations in the Baltic Sea and Adjacent Waters // Geophysica. 1996. Vol. 32, iss. 3. P. 261 –272.
6. Медведев И. П. Сезонные колебания уровня Балтийского моря // Метеорология и гидрология. 2014. № 12. С. 42–54.
7. Łabuz T., Kowalewska-Kalkowska H. Coastal erosion caused by the heavy storm surge of November 2004 in the southern Baltic Sea // Climate Research. 2011. Vol. 48, iss. 1. P. 93–101. doi:10.3354/cr00927
8. Sea level dynamics and coastal erosion in the Baltic Sea region / R. Weisse [et al.] // Earth System Dynamics. 2021. Vol. 12. P. 871 –898. doi:10.5194/esd-12-871-2021
9. Ekman M. The Changing Level of the Baltic Sea during 300 Years: A Clue to Understanding the Earth. Åland Islands : Summer Institute for Historical Geophysics, 2009. 155 p.
10. Gustafsson B. G., Andersson H. C. Modeling the exchange of the Baltic Sea from the meridional atmospheric pressure difference across the North Sea // Journal of Geophysical Research. Oceans. 2001. Vol. 106, iss. C9. P. 19731 –19744. doi:10.1029/2000JC000593
11. Samuelsson M., Stigebrandt A. Main characteristics of the long-term sea level variability in the Baltic Sea // Tellus A: Dynamic Meteorology and Oceanography. 1996. Vol. 48, iss. 5. P. 672–683. doi:10.3402/TELLUSA.V48I5.12165
12. Гордеева C. М. , Малинин В. Н. Изменчивость морского уровня Финского залива. Санкт-Петербург : РГГМУ, 2014. 178 с.
13. Захарчук Е. А. , Тихонова Н. А. О пространственно-временной структуре и механизмах формирования невских наводнений // Метеорология и гидрология. 2011. № 8. С. 54–64.
14. Wübber C., Krauss W. The two dimensional seiches of the Baltic Sea // Oceanologoca Acta. 1979. Vol. 2, iss. 4. P. 435–446. https://archimer.ifremer.fr/doc/00122/23360
15. Spatiotemporal structure of Baltic free sea level oscillations in barotropic and baroclinic conditions from hydrodynamic modeling / E. A. Zakharchuk [et al.] // Ocean Science. 2021. Vol. 17. P. 543–559. doi:10.5194/os-17-543-2021
16. Ekman M., Stigebrandt A. Secular change of the seasonal variation in sea level and of the pole tide in the Baltic Sea // Journal of Geophysical Research. Oceans. 1990. Vol. 95, iss. C4. P. 5379–5383. https://doi.org/10.1029/JC095iC04p0537
17. Ekman M. Secular Change of the Seasonal Sea Level Variation in the Baltic Sea and Secular Change of the Winter Climate // Geophysica. 1998. Vol. 34, iss. 3. P. 131 –140.
18. Plag H.-P., Tsimplis M. N. Temporal variability of the seasonal sea-level cycle in the North Sea and Baltic Sea in relation to climate variability // Global Planetary Change. 1999. Vol. 20, iss. 2–3. P. 173–203. https://doi.org/10.1016/S0921 -8181(98)00069-1
19. Hünicke B., Zorita E. Trends in the amplitude of Baltic Sea level annual cycle // Tellus A: Dynamic Meteorology and Oceanography. 2008. Vol. 60, iss. 1. P. 154–164. doi:10.1111/j.1600-0870.2007.00277.x
20. Barbosa S. M., Donner R. V. Long-term changes in the seasonality of Baltic sea level // Tellus A: Dynamic Meteorology and Oceanography. 2016. Vol. 68, iss. 1. 30540. doi:10.3402/tellusa.v68.30540
21. Stramska M., Kowalewska-Kalkowska H., Świrgoń M. Seasonal variability in the Baltic Sea level // Oceanologia. 2013. Vol. 55, iss. 4. P. 787–807. doi:10.5697/oc.55-4.787
22. Cartwright D. E. On the smoothing of climatological time series, with application to sea-level at Newlyn // Geophysical Journal of the Royal Astronmical Society. 1983. Vol. 75, iss. 3. P. 639–658. https://doi.org/10.1111/j.1365-246X.1983.tb05003.x
23. New Data Systems and Products at the Permanent Service for Mean Sea Level / S. J. Holgate [et al.] // Journal of Coastal Research. 2013. Vol. 29, iss. 3. P. 493 –504. doi:0.2112/JCOASTRES-D-12-00175.1
24. Voinov G. N. Tides and tidal streams // Polar Seas Oceanography. An integrated case study of the Kara Sea / Eds. V. A. Volkov, O. M. Johannessen, V. E. Borodachov, G. N. Voinov, L. H. Pettersson, L. P. Bobylev, A. V. Kouraev. Chichester, UK : Springer, Praxis Publishing, 2002. P. 147–217.
25. Pajak K., Kowalczyk K. A comparison of seasonal variations of sea level in the southern Baltic Sea from altimetry and tide gauge data // Advances in Space Research. 2019. Vol. 63, iss. 5. P. 1768–1780. doi:10.1016/J.ASR.2018.11.022
26. Pugh D. T. Tides, Surges and Mean Sea-Level. Swindon, UK : John Wiley & Sons, 1987. 472 p.
27. Jackett D. R., McDougall T. J. Minimal Adjustment of Hydrostatic Profiles to Achieve Static Stability // Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 1995. Vol. 12, iss. 2. P. 381 –389. doi:10.1175/1520-0426(1995)012%3C0381:MAOHPT%3E2.0.CO;2
28. Белоненко Т. В., Колдунов А. В. Стерические колебания уровня в северо-западной части Тихого океана // Вестник Санкт-Петербургского университета. Серия 7. Геология. География. 2006. № 3. С. 81–87.
29. Seasonal fluctuations in the Baltic Sea level determined from satellite altimetry / E. A. Zakharchuk [et al.] // Continental Shelf Research. 2022. Vol. 249. 104863.https://doi.org/10.1016/j.csr.2022.104863
30. Gill A. E., Niller P. P. The theory of the seasonal variability in the ocean // Deep Sea Research and Oceanographic Abstracts. 1973. Vol. 20, iss. 2. P. 141 –177. doi:10.1016/0011 -7471(73)90049-1
31. Фукс В. Р. Гидродинамические основы интерпретации альтиметрических съемок морской поверхности // Колебания уровня в морях. Санкт-Петербург : РГГМУ, 2003. С. 79–91.
32. Leppäranta M., Myrberg K. Physical Oceanography of the Baltic Sea. Berlin, Heidelberg : Springer, 2009. 300 p. (Springer Praxis Books, Gophysical Sciences Series). doi:10.1007/978-3-540-79703-6
33. Johansson M. M., Kahma K. K. On the statistical relationship between the geostrophic wind and sea level variations in the Baltic Sea // Boreal Environment Research. 2016. Vol. 21. P. 25–43.
Morskoy Gidrofizicheskiy Zhurnal. 2022; 38: 655-678
Stationary and Non-Stationary Description of the Seasonal Sea Level Oscillations in the Baltic Sea Based on the Tide Gauge Data
https://doi.org/10.22449/0233-7584-2022-6-655-678Abstract
Purpose. The main purpose of the paper is to estimate in a stationary approximation the magnitudes of the amplitude-phase characteristics of the sea level seasonal fluctuations in the Baltic Sea in 1971–2020, and to study the features and possible reasons for their non-stationarity.
Methods and Results. The description of seasonal fluctuations is substantiated by a sum of 4 harmonics:the annual (Sa), semi-annual (Ssa), third-annual (Sta) and quarter-annual (Sqa) ones. The average values of the Baltic Sea level seasonal fluctuations, as well as their interannual variability are estimated using a harmonic analysis of the average daily values of the sea level mareographic measurements. The results indicate that the amplitudes of the harmonics Sa, Ssa, Sta and Sqa are reliably distinguished for all the coastal points under study. The features of the phase spatial distribution testify to a statistically reliable propagation of the sea level disturbances with a one-year period from the southwest to the north and to the northeast. For the other components of the sea level seasonal fluctuations (Ssa, Sta and Sqa), the spatial phase changes are very small and comparable to the standard errors of their calculation. The amplitude modulation with a period of about 20 years for the Ssa harmonic and approximately 2–10 years for the Ssa, Sta and Sqa ones is well pronounced in the interannual changes in the Baltic Sea level seasonal fluctuations. A significant negative trend for all the stations is observed in the time series of the Sa harmonic amplitudes in 1971 –2020. In order to clarify the reasons of the revealed features of the Sa harmonic interannual changes, a non-stationary harmonic analysis of the atmospheric pressure series, wind and the sea level steric fluctuations is done in the study.
Conclusions. It is shown that the changes in the annual sea level fluctuations observed in 1971–2020 are mostly influenced by the anomalies of annual wind fluctuations, and to a lesser extent, by those of the atmospheric pressure.
References
1. Gidrometeorologiya i gidrokhimiya morei SSSR. T. 3. Baltiiskoe more. Vyp. 1. Gidrometeorologicheskie usloviya / Otv. red. F. S. Terziev. L. : Gidrometeoizdat, 1992. 456 c.
2. Cheng Y., Xu Q., Li X. Spatio-Temporal Variability of Annual Sea Level Cycle in the Baltic Sea // Remote Sensing. 2018. Vol. 10, iss. 4. 528. doi:10.3390/rs10040528
3. Männikus R., Soomere T., Viška M. Variations in the mean, seasonal and extreme water level on the Latvian coast, the eastern Baltic Sea, during 1961 –2018 // Estuarine, Coastal and Shelf Science. 2020. Vol. 245. 106827. doi:10.1016/j.ecss.2020.106827
4. Lisitzin E. Sea-level changes. Amsterdam : Elsevier, 1974. 286 p. (Elsevier Oceanographic Series, vol. 8). https://doi.org/10.4319/lo.1975.20.4.0681
5. Ekman M. A Common Pattern for Interannual and Periodical Sea Level Variations in the Baltic Sea and Adjacent Waters // Geophysica. 1996. Vol. 32, iss. 3. P. 261 –272.
6. Medvedev I. P. Sezonnye kolebaniya urovnya Baltiiskogo morya // Meteorologiya i gidrologiya. 2014. № 12. S. 42–54.
7. Łabuz T., Kowalewska-Kalkowska H. Coastal erosion caused by the heavy storm surge of November 2004 in the southern Baltic Sea // Climate Research. 2011. Vol. 48, iss. 1. P. 93–101. doi:10.3354/cr00927
8. Sea level dynamics and coastal erosion in the Baltic Sea region / R. Weisse [et al.] // Earth System Dynamics. 2021. Vol. 12. P. 871 –898. doi:10.5194/esd-12-871-2021
9. Ekman M. The Changing Level of the Baltic Sea during 300 Years: A Clue to Understanding the Earth. Åland Islands : Summer Institute for Historical Geophysics, 2009. 155 p.
10. Gustafsson B. G., Andersson H. C. Modeling the exchange of the Baltic Sea from the meridional atmospheric pressure difference across the North Sea // Journal of Geophysical Research. Oceans. 2001. Vol. 106, iss. C9. P. 19731 –19744. doi:10.1029/2000JC000593
11. Samuelsson M., Stigebrandt A. Main characteristics of the long-term sea level variability in the Baltic Sea // Tellus A: Dynamic Meteorology and Oceanography. 1996. Vol. 48, iss. 5. P. 672–683. doi:10.3402/TELLUSA.V48I5.12165
12. Gordeeva C. M. , Malinin V. N. Izmenchivost' morskogo urovnya Finskogo zaliva. Sankt-Peterburg : RGGMU, 2014. 178 s.
13. Zakharchuk E. A. , Tikhonova N. A. O prostranstvenno-vremennoi strukture i mekhanizmakh formirovaniya nevskikh navodnenii // Meteorologiya i gidrologiya. 2011. № 8. S. 54–64.
14. Wübber C., Krauss W. The two dimensional seiches of the Baltic Sea // Oceanologoca Acta. 1979. Vol. 2, iss. 4. P. 435–446. https://archimer.ifremer.fr/doc/00122/23360
15. Spatiotemporal structure of Baltic free sea level oscillations in barotropic and baroclinic conditions from hydrodynamic modeling / E. A. Zakharchuk [et al.] // Ocean Science. 2021. Vol. 17. P. 543–559. doi:10.5194/os-17-543-2021
16. Ekman M., Stigebrandt A. Secular change of the seasonal variation in sea level and of the pole tide in the Baltic Sea // Journal of Geophysical Research. Oceans. 1990. Vol. 95, iss. C4. P. 5379–5383. https://doi.org/10.1029/JC095iC04p0537
17. Ekman M. Secular Change of the Seasonal Sea Level Variation in the Baltic Sea and Secular Change of the Winter Climate // Geophysica. 1998. Vol. 34, iss. 3. P. 131 –140.
18. Plag H.-P., Tsimplis M. N. Temporal variability of the seasonal sea-level cycle in the North Sea and Baltic Sea in relation to climate variability // Global Planetary Change. 1999. Vol. 20, iss. 2–3. P. 173–203. https://doi.org/10.1016/S0921 -8181(98)00069-1
19. Hünicke B., Zorita E. Trends in the amplitude of Baltic Sea level annual cycle // Tellus A: Dynamic Meteorology and Oceanography. 2008. Vol. 60, iss. 1. P. 154–164. doi:10.1111/j.1600-0870.2007.00277.x
20. Barbosa S. M., Donner R. V. Long-term changes in the seasonality of Baltic sea level // Tellus A: Dynamic Meteorology and Oceanography. 2016. Vol. 68, iss. 1. 30540. doi:10.3402/tellusa.v68.30540
21. Stramska M., Kowalewska-Kalkowska H., Świrgoń M. Seasonal variability in the Baltic Sea level // Oceanologia. 2013. Vol. 55, iss. 4. P. 787–807. doi:10.5697/oc.55-4.787
22. Cartwright D. E. On the smoothing of climatological time series, with application to sea-level at Newlyn // Geophysical Journal of the Royal Astronmical Society. 1983. Vol. 75, iss. 3. P. 639–658. https://doi.org/10.1111/j.1365-246X.1983.tb05003.x
23. New Data Systems and Products at the Permanent Service for Mean Sea Level / S. J. Holgate [et al.] // Journal of Coastal Research. 2013. Vol. 29, iss. 3. P. 493 –504. doi:0.2112/JCOASTRES-D-12-00175.1
24. Voinov G. N. Tides and tidal streams // Polar Seas Oceanography. An integrated case study of the Kara Sea / Eds. V. A. Volkov, O. M. Johannessen, V. E. Borodachov, G. N. Voinov, L. H. Pettersson, L. P. Bobylev, A. V. Kouraev. Chichester, UK : Springer, Praxis Publishing, 2002. P. 147–217.
25. Pajak K., Kowalczyk K. A comparison of seasonal variations of sea level in the southern Baltic Sea from altimetry and tide gauge data // Advances in Space Research. 2019. Vol. 63, iss. 5. P. 1768–1780. doi:10.1016/J.ASR.2018.11.022
26. Pugh D. T. Tides, Surges and Mean Sea-Level. Swindon, UK : John Wiley & Sons, 1987. 472 p.
27. Jackett D. R., McDougall T. J. Minimal Adjustment of Hydrostatic Profiles to Achieve Static Stability // Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 1995. Vol. 12, iss. 2. P. 381 –389. doi:10.1175/1520-0426(1995)012%3C0381:MAOHPT%3E2.0.CO;2
28. Belonenko T. V., Koldunov A. V. Stericheskie kolebaniya urovnya v severo-zapadnoi chasti Tikhogo okeana // Vestnik Sankt-Peterburgskogo universiteta. Seriya 7. Geologiya. Geografiya. 2006. № 3. S. 81–87.
29. Seasonal fluctuations in the Baltic Sea level determined from satellite altimetry / E. A. Zakharchuk [et al.] // Continental Shelf Research. 2022. Vol. 249. 104863.https://doi.org/10.1016/j.csr.2022.104863
30. Gill A. E., Niller P. P. The theory of the seasonal variability in the ocean // Deep Sea Research and Oceanographic Abstracts. 1973. Vol. 20, iss. 2. P. 141 –177. doi:10.1016/0011 -7471(73)90049-1
31. Fuks V. R. Gidrodinamicheskie osnovy interpretatsii al'timetricheskikh s\"emok morskoi poverkhnosti // Kolebaniya urovnya v moryakh. Sankt-Peterburg : RGGMU, 2003. S. 79–91.
32. Leppäranta M., Myrberg K. Physical Oceanography of the Baltic Sea. Berlin, Heidelberg : Springer, 2009. 300 p. (Springer Praxis Books, Gophysical Sciences Series). doi:10.1007/978-3-540-79703-6
33. Johansson M. M., Kahma K. K. On the statistical relationship between the geostrophic wind and sea level variations in the Baltic Sea // Boreal Environment Research. 2016. Vol. 21. P. 25–43.
