Статья: Приливные и сгонно-нагонные колебания уровня воды в районе м. Каменный (Обская губа)

Приливные и сгонно-нагонные колебания уровня воды в районе

м. Каменный (Обская губа)

Г.Н. Войнов1, А.А. Пискун2

1 -- ФГБУ Государственный океанографический институт, Санкт-Петербургское отделение, Россия

2 -- ГНЦ РФ Арктический и антарктический научно-исследовательский институт, Санкт-Петербург, Россия

Произведена ревизия всех исторических материалов ежечасных и срочных наблюдений за уровнем моря у м. Каменный. Получены средние (векторные) оценки гармонических постоянных приливов для 12 месяцев годового цикла. Данные срочных наблюдений за 1977-1994 гг. приведены к однородным рядам с помощью способа калибровки приливов. Рассмотрены непериодические колебания уровня по ежечасным наблюдениям 1947-1948 гг. и срочным наблюдениям 1977-1994 гг. По значениям остаточных уровней (наблюдения минус предвычисления) даны статистические характеристики сгонно-нагонных колебаний в районе м. Каменный.

Ключевые слова: гармонические постоянные, прилив М2, приливы, сезонный ход, статистические характеристики.

TIDAL AND STORM SURGES LEVELS VARIATION AT THE CAPE KAMENNY (GULF OF THE OB)

G.N. VOINOV1,2*, A.A. PISKUN2

1 -- St. Petersburg branch State Oceanographic Institute, St. Petersburg, Russia

2 -- State Scientific Center of the Russian Federation Arctic and Antarctic Research Institute, St. Petersburg, Russia

Sea level observations obtained in various expeditions since 1936, as well as those made at the polar station on Cape Kamenny (the Ob Bay) from 1952 to 1994 were subjected to treatment and harmonic analysis using the least squares method (AARI version).The aim of the work was to assess the quality of hourly and 6-hourly intervals series of sea level data and to bring these data to uniform rows for the subsequent study of tidal and surge waves. As a result of this analysis, 6-hourly interval observations of 1952-1961 were considered of low quality and not suitable for further consideration in the work. Bringing 6-hourly interval observations for 1977-1994 to uniform rows was carried out first with the control of the height basis and binding to the Baltic system of heights, and then with the help of the tide calibration method the final cast was made. In the area of tidal fluctuations of the level, erroneous information about the tide, obtained during the treatment of observations for 1936, which were placed in the tide tables for 1941, was revealed. New average estimates of harmonic constants for the summer period were proposed. The study of surges of level is based on uniform series, as well as residual ones (observations minus predictions). At the same time, the tide calculation (prediction) was made according to the program developed at AARI for the average monthly values of harmonic constants (12 sets of tides lists in the annual cycle) with the inclusion of long-period tides. Statistical quantitative characteristics of non-periodic level fluctuations were obtained for the total and residual series of observations. They are calculated on a unique hourly series for the years 1947-1948. And 6-hourly interval data for 1977-1994. For the estimation of surges, the level above 5 % of estimation was used, and the drifts were distinguished by the level below 95 % of estimation. Relationships are obtained between the duration and rate of growth of the level during surges, as well as the decline and rise of the level during drifts.

Keywords: harmonic constants, М2 tide, seasonal variation, statistical characteristics, tides.

ВВЕДЕНИЕ

В XXI в. начался новый этап развития Северного морского пути, связанный с освоением новых месторождений нефти и газа. На м. Каменный построен терминал «Ворота Арктики». Реализуется проект освоения месторождения «Каменномыс- ское-море». В связи с этим возник запрос на гидрометеорологическое обеспечение судовождения, строительство инженерных сооружений в этом районе и разработки локальных технических условий. С 2015 г. в районе м. Каменный возобновились экспедиционные исследования и практически круглогодично (c 2016 г.) проводятся наблюдения за уровнем [1].

Изучение режима колебаний уровня моря и течений в Обской губе началось в середине XX в. в связи с необходимостью обеспечения безопасности плавания в мелководной Обской губе. Это также вызвано разработкой технического обоснования при строительстве портов и инженерных сооружений. В работах В.Г. Корта [2], Н.А. Лабзовского [3] были установлены типы барических условий над районом Обской губы, влияющие на развитие сгонно-нагонных колебаний уровня, исследована структура непериодических колебаний уровня арктических морей, найдены связи сгонно-нагонных колебаний с анемобарическим режимом, разработана методология прогноза суммарных колебаний уровня в арктических морях и предложены прогностические уравнения для расчета сгонно-нагонных колебаний уровня на ряде пунктов на трассе Северного морского пути, в том числе у м. Ям-Сале в Обской губе.

А.В. Коптева [4] выполнила обширное исследование непериодических колебаний уровня и течений Обской губы, а также приливных колебаний уровня и течений на более полном материале наблюдений, полученных на полярных станциях и собранных в экспедициях. В области приливных явлений она представила первые котидальные карты волны прилива М2 для летнего и зимнего периодов. В этой работе даны разнообразные сведения и различные характеристики приливов. Впервые установлена сезонная изменчивость прилива под влиянием ледяного покрова.

Закономерности формирования и распространения приливов в целом в Северном Ледовитом океане и в Обской губе рассмотрены в работе Р.А. Диесперо- вой [5]. Выводы о приливах в этой работе были основаны практически на той же базе наблюдений, что и в работе [4]. Но более детально в [5] оценена сезонная изменчивость приливов. Для м. Каменный представлен график сезонного хода значений средних месячных амплитуд и фаз волны М2 за 1947-1948 гг. Однако значения, обозначенные как средние месячные, были получены из обработки полумесячных серий наблюдений по методу Дарвина и не являются по существу средними за месяц.

Современное обобщение данных гидрологического режима Обской и Тазовской губ выполнено в монографии [6]. Монография представляет характеристики режима непериодических и приливных колебаний уровня для периода 40-90-х гг. XX в.

В данной работе более детально на новом методическом уровне исследованы особенности режима приливных и сгонно-нагонных колебаний уровня воды в районе м. Каменный.

прилив уровень вода

МАТЕРИАЛЫ НАБЛЮДЕНИЙ

Полярная станция м. Каменный расположена вблизи района слияния Обской и Тазовской губ (рис. 1).

Рис. 1. Район расположения уровенного поста м. Каменный в Обской губе

Fig. 1. The area of the location of the level post Cape Kamenny in the Gulf of the Ob

Материалы наблюдений за уровнем в районе м. Каменный, использованных в данной работе, приведены в табл. 1. Стационарные уровенные наблюдения на посту мыс Каменный (68° 30' с.ш.; 73° 35' в.д.) начаты в 1952 г.

Стационарный пост полярной станции м. Каменный относится к свайному типу, имеет привязку к Балтийской системе высот. Летний уровенный пост представляет собой водомерную рейку, прикрепленную к борту затопленной баржи на расстоянии 20-25 м от береговой черты. При высоких уровнях воды и сильном волнении, когда подход к водомерной рейке становился невозможным, уровенные наблюдения производились по дополнительной водомерной рейке, укрепленной на свае в мелководной прибрежной зоне к востоку от берега. С образованием устойчивого припая наблюдения за уровнем воды производились по подвесной водомерной рейке, установленной на расстоянии 650 м от берега к востоку-северо-востоку на участке с глубиной 3,5 м. В летний период положение водомерных реек очень неустойчиво. Штормовое волнение, особенно сильное в мелководной прибрежной части губы, подмывало рейки, а нередко и вообще разрушало уровенный пост.

Таблица 1

Периоды наблюдений над уровнем воды в районе м. Каменный

Примечание. СУМ -- ежечасные наблюдения по мареографу.

В период с 1952 по 1976 г. наблюдения велись с большими внутригодовыми и межгодовыми перерывами. Как следствие, полностью не освещены наблюдениями 1957, 1958, 1962-1975 гг. С мая 1994 г. стационарные наблюдения на посту прекращены. До постройки причала (1977 г.) условия наблюдений были плохими из-за мелководья и частых осушек. Поэтому материалы наблюдений за 1952-1961 гг. прошли оценочный контроль, но в дальнейшем не использовались вследствие низкого качества. В материалах за 1977-1994 гг. количество пропусков составило около 3 % (без 1994 г.). Контроль качества наблюдений, выполненный с помощью гармонического анализа приливов по методу наименьших квадратов, показал большое количество сомнительных данных. Временной ход средних годовых оценок амплитуды и фазы волны М2 на ст. м. Каменный по исходным наблюдениям за 1977-1994 гг. дан на рис. 2.

Как видно из кривых амплитуд и фаз по исходным наблюдениям (см. рис. 2), в ряде лет происходило резкое снижение амплитуды и фазы, которое не было связано с конкретными физическими условиями изменчивости состояния ледяного покрова. Причины такого положения обсуждались нами неоднократно [6, 7]. Количество наблюдений за весь период наблюдений по нашей оценке достигает 40 %. Конечно, использование первичных оценок гармонического анализа не может обеспечить устойчивые средние результаты ни в месячных, ни в годовых оценках. Также по неисправленным данным наблюдений мы получим недостоверные статистические характеристики.

Рис. 2. Временной ход годовых оценок исходной и после калибровки (исправленной) амплитуды (а) и фазы (б) волны М2 на станции м. Каменный за 1977-1994 гг.

Fig. 2. The time course of the annual estimates of the original and after calibration (corrected) amplitude (а) and phase (б) of the M2 tide at the station of Cape Kamenny for 1977-1994 сомнительных

МЕТОД АНАЛИЗА. ПРИВЕДЕНИЕ СРОЧНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ ЗА 1977-1994 гг. К ОДНОРОДНЫМ РЯДАМ

Первой задачей приведения наблюдений к однородным рядам является установление точной привязки годовых серий к Балтийской системе высот. Отметка нуля поста претерпевала уточнения по мере проведения нивелировочных работ. Но в ряде случаев была нарушена однородность ряда наблюдений, в связи с чем при использовании данных за многолетний период были введены определенные поправки к значениям уровней, полученным для перехода к единому нулю [6].

Способ калибровки [8] позволяет привести срочные наблюдения к однородным рядам, но для его применения необходимо иметь модель прилива. На первом этапе были обработаны гармоническим анализом по МНК все имеющиеся ежечасные серии с целью формирования оценок гармонических постоянных прилива на каждый месяц года. Затем была разработана программа предвычисления прилива на основе 12 наборов списков волн прилива (29 суточных, полусуточных и мелководных волн в каждом месяце). Причем в эти списки были включены долгопериодные приливы (7 волн -- М Sa, Ssa, Sta, Sqa, Мм, Mf). В первом приближении считалось, что долгопериодные приливы не имеют сезонной изменчивости и остаются постоянными в течение года. На самом деле волны прилива Мм и Mf в небольшой степени меняются под влиянием ледяного покрова [6], но учет этой изменчивости не имеет практического значения вследствие небольших значений амплитуд этих приливов (около 1 см).

В случае аномальной сезонной изменчивости основных волн приливов значения амплитуд сложных (второстепенных) волн, описывающих их изменение в годовом цикле, возрастают до значений, соизмеримых с амплитудами основных волн. В этих условиях расчет прилива (предвычисление) по средним годовым оценкам не обеспечивает точного схождения гармонических постоянных по месяцам с полученными средними оценками сезонного хода на месяцы резкой изменчивости прилива (ноябрь-декабрь и февраль-май). Возникает эффект колебаний, тождественный явлению Гиббса в Фурье-анализе. Поэтому предвычисление по месячным наборам констант дает более точный результат, чем по годовому списку констант.

Результаты применения способа калибровки показаны на рис. 2, где видна многолетняя изменчивость констант волны М2 по результатам анализа годовых серий, приведенных к однородным рядам.

Заметим, что применяемая авторами методология все же не учитывает особенности изменений ледовых и гидрологических условий, влияющих на распространение приливной волны. В расчете прилива заложена средняя сезонная изменчивость основных волн прилива. При этом максимальная величина прилива наблюдается в августе. Однако редко, но отмечаются случаи, когда максимум прилива наблюдается в июле. Это происходит в годы с аномальными наступлениями сроков взлома припая или его становления, а также неординарного прохождения половодья. Вид кривой прилива в такие годы будет отличаться от описываемого по средним месячным значениям. Но для учета подобных особенностей необходимы дополнительные наблюдения.

РЕЗУЛЬТАТЫ АНАЛИЗА ПРИЛИВНЫХ КОЛЕБАНИЙ УРОВНЯ

Первые сведения о приливах Обской губы были получены в работе [9] по материалам экспедиционных наблюдений по 1936 г. Повторная обработка ежечасных наблюдений за уровнем за 1936 г., выполненная авторами, показала, что на самом деле измерения выполнялись по пятому, а не шестому поясу (пятый пояс плюс декретный час), как указано в этой работе. При этом была допущена ошибка в 180° при выводе углов положений суточных волн К1 и О1. Эти данные были опубликованы для м. Каменный в Таблицах приливов [10]. Они же содержатся в сводной таблице сведений о приливах Карского моря без критической оценки этих неверных сведений [11]. В этой работе А.В. Коптева привела также оценки обработки по методу Дарвина ежечасных месячных серий за август и май 1947 г. на м. Каменный.

В табл. 2 приведены новые оценки гармонических постоянных прилива за август. Оценки рассчитаны по результатам анализа ежечасных месячных серий за 1936, 1947, 1948 гг.

Таблица 2

Средние (векторные) значения гармонических постоянных волн прилива на м. Каменный за август (Н -- амплитуда, см; g -- угол положения, град.)