Термические волны Черного моря на межгодовых масштабах
Згiдно з супутниковими даними PODAAC JPL AVHRR Pathfinder за 1985–2005 рр. проведено аналiз просторової мiнливостi температури поверхнi Чорного моря на мiжрiчних масштабах. Показано iснування сукупностi рiзномасштабних хвиль у мiнливостi аномалiй поля температури. Вивчено просторову структуру цих хв...
Збережено в:
| Дата: | 2010 |
|---|---|
| Автори: | , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2010
|
| Назва видання: | Доповіді НАН України |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/19726 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Термические волны Черного моря на межгодовых масштабах / В.Н. Еремеев, А.Н. Жуков, Н.Е. Лебедев, В.В. Пустовойтенко, А.А. Сизов // Доп. НАН України. — 2010. — № 3. — С. 131-136. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-19726 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-197262025-02-10T00:01:45Z Термические волны Черного моря на межгодовых масштабах Thermal waves of the Black Sea on interannual scales Еремеев, В.Н. Жуков, А.Н. Лебедев, Н.Е. Пустовойтенко, В.В. Сизов, А.А. Науки про Землю Згiдно з супутниковими даними PODAAC JPL AVHRR Pathfinder за 1985–2005 рр. проведено аналiз просторової мiнливостi температури поверхнi Чорного моря на мiжрiчних масштабах. Показано iснування сукупностi рiзномасштабних хвиль у мiнливостi аномалiй поля температури. Вивчено просторову структуру цих хвиль у двох основних напрямах — зональному i меридiональному. За допомогою методiв просторової фiльтрацiї виконано роздiлення та аналiз дослiджених коливань по цих напрямах. Based on the satellite PODAAC JPL AVHRR Pathfinder data for 1985–2005, we analyze the spatial variability of the Black Sea surface temperature on interannual scales. The existence of a whole set of waves of various scales in varying temperature field anomalies is shown. The spatial structure of these waves is studied for two directions — zonal and meridional ones. Division and analysis of the oscillations along these directions are carried out by means of the method of spatial filtration. 2010 Article Термические волны Черного моря на межгодовых масштабах / В.Н. Еремеев, А.Н. Жуков, Н.Е. Лебедев, В.В. Пустовойтенко, А.А. Сизов // Доп. НАН України. — 2010. — № 3. — С. 131-136. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 1025-6415 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/19726 551.46(262.5)+519.246.8+629.78 ru Доповіді НАН України application/pdf Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Науки про Землю Науки про Землю |
| spellingShingle |
Науки про Землю Науки про Землю Еремеев, В.Н. Жуков, А.Н. Лебедев, Н.Е. Пустовойтенко, В.В. Сизов, А.А. Термические волны Черного моря на межгодовых масштабах Доповіді НАН України |
| description |
Згiдно з супутниковими даними PODAAC JPL AVHRR Pathfinder за 1985–2005 рр. проведено аналiз просторової мiнливостi температури поверхнi Чорного моря на мiжрiчних масштабах. Показано iснування сукупностi рiзномасштабних хвиль у мiнливостi аномалiй поля температури. Вивчено просторову структуру цих хвиль у двох основних напрямах — зональному i меридiональному. За допомогою методiв просторової фiльтрацiї виконано роздiлення та аналiз дослiджених коливань по цих напрямах. |
| format |
Article |
| author |
Еремеев, В.Н. Жуков, А.Н. Лебедев, Н.Е. Пустовойтенко, В.В. Сизов, А.А. |
| author_facet |
Еремеев, В.Н. Жуков, А.Н. Лебедев, Н.Е. Пустовойтенко, В.В. Сизов, А.А. |
| author_sort |
Еремеев, В.Н. |
| title |
Термические волны Черного моря на межгодовых масштабах |
| title_short |
Термические волны Черного моря на межгодовых масштабах |
| title_full |
Термические волны Черного моря на межгодовых масштабах |
| title_fullStr |
Термические волны Черного моря на межгодовых масштабах |
| title_full_unstemmed |
Термические волны Черного моря на межгодовых масштабах |
| title_sort |
термические волны черного моря на межгодовых масштабах |
| publisher |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| publishDate |
2010 |
| topic_facet |
Науки про Землю |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/19726 |
| citation_txt |
Термические волны Черного моря на межгодовых масштабах / В.Н. Еремеев, А.Н. Жуков, Н.Е. Лебедев, В.В. Пустовойтенко, А.А. Сизов // Доп. НАН України. — 2010. — № 3. — С. 131-136. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| series |
Доповіді НАН України |
| work_keys_str_mv |
AT eremeevvn termičeskievolnyčernogomorânamežgodovyhmasštabah AT žukovan termičeskievolnyčernogomorânamežgodovyhmasštabah AT lebedevne termičeskievolnyčernogomorânamežgodovyhmasštabah AT pustovoitenkovv termičeskievolnyčernogomorânamežgodovyhmasštabah AT sizovaa termičeskievolnyčernogomorânamežgodovyhmasštabah AT eremeevvn thermalwavesoftheblackseaoninterannualscales AT žukovan thermalwavesoftheblackseaoninterannualscales AT lebedevne thermalwavesoftheblackseaoninterannualscales AT pustovoitenkovv thermalwavesoftheblackseaoninterannualscales AT sizovaa thermalwavesoftheblackseaoninterannualscales |
| first_indexed |
2025-12-01T23:57:42Z |
| last_indexed |
2025-12-01T23:57:42Z |
| _version_ |
1850352300965494784 |
| fulltext |
УДК 551.46(262.5)+519.246.8+629.78
© 2010
Академик НАН Украины В. Н. Еремеев, А.Н. Жуков, Н. Е. Лебедев,
В.В. Пустовойтенко, А. А. Сизов
Термические волны Черного моря на межгодовых
масштабах
Згiдно з супутниковими даними PODAAC JPL AVHRR Pathfinder за 1985–2005 рр. прове-
дено аналiз просторової мiнливостi температури поверхнi Чорного моря на мiжрiчних
масштабах. Показано iснування сукупностi рiзномасштабних хвиль у мiнливостi ано-
малiй поля температури. Вивчено просторову структуру цих хвиль у двох основних
напрямах — зональному i меридiональному. За допомогою методiв просторової фiльт-
рацiї виконано роздiлення та аналiз дослiджених коливань по цих напрямах.
Результаты исследований общих свойств изменчивости характеристик спектральной струк-
туры части геофизических процессов по времени и пространству приведены в публика-
циях [1, 2 и др.]. На этой основе в работе [2] было показано, что поле температуры по-
верхности Черного моря на межгодовых масштабах является волновым и имеет разномас-
штабную ячеистую структуру как следствие ортогональности двух основных направлений
термических (тепловых) волн — зонального и меридионального.
Аналитические подходы, предложенные в статьях [1, 2], позволяют подробно изучить
сложную, полифоническую структуру такого поля. Цель работы авторов настоящего сооб-
щения — исследование особенностей пространственной изменчивости температуры поверх-
ности Черного моря, поиск и выделение устойчивых масштабов такой изменчивости и опре-
деление их характеристик. Следует заметить, что в сравнении с ранее опубликованными
работами по этой тематике, например [3], такой вариант анализа никем не проводился.
Для этого из архива спутниковых данных PODAAC JPL Pathfinder (http://
poet.jpl.nasa.gov) брали данные среднемесячной температуры поверхности Черного моря
(tw) за 1985–2005 гг. для ночного времени наблюдений на равномерной сетке 18 × 18 км;
всего использованы 1462 узла сетки в пределах прямоугольника 41,0–46,5◦ с.ш. и 27,9–41,8◦
в. д. (рис. 1). Анализируя особенности межгодовой изменчивости tw по пространству, из об-
Рис. 1. Расположение узлов сетки 18× 18 км спутниковых данных tw Черного моря
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2010, №3 131
Рис. 2. Участки полей пространственной изменчивости амплитуд гармоник спектров за 21 год с периодами
10,5 лет по оси запад — восток (а) и 5,25 лет по оси север — юг (б )
щей сетки данных нами выделены два участка с координатами 42,2–43,8◦ с.ш., 28,8–39,4◦
в. д. (для анализа пространственной ритмодинамики по оси запад — восток) и 41,5–45,9◦
с.ш., 30,2–31,8◦ в. д. (аналогично по оси север — юг), показанные штриховыми линиями
на рис. 1.
По рядам средних годовых значений tw для каждого узла на указанных участках были
рассчитаны с помощью полного преобразования Фурье соответствующие спектры за 21
год [2]. Для каждой гармоники этих спектров построено поле распределения ее амплитуды
по пространству для выделенных участков. Примеры таких полей приведены на рис. 2.
С помощью одномерного преобразования Фурье по совокупности зональных и меридио-
нальных разрезов этих полей получены оценки характеристик совокупности выявленных
тепловых волн.
Для участка “запад — восток” основная доля энергии (до 70% суммы амплитуд всех
гармоник) таких волн приходится на гармоники с длиной волны (λ) 11,2◦, 5,6◦, 3,7◦, 2,8◦
и 2,2◦, т. е. округленно 1150, 570, 380, 290 км и 230 км. Аналогично для участка “север —
юг” — это гармоники с λ 4,3◦, 2,2◦, 1,4◦ и около 1◦, т. е. порядка 440, 220, 150 км и 90–
110 км. Для обоих групп волн амплитуды колебаний составляют в среднем от 0,2 до 0,5 ◦С,
т. е. являются значимыми в сравнении с точностью спутниковых измерений.
С учетом полученных результатов была разработана процедура разделения ортогональ-
ных составляющих таких волновых полей для изучения пространственной динамики их от-
дельных колебаний. В качестве основы использовалась известная процедура двухмерного
спектрального преобразования Фурье [4, 5], модифицированная для фильтрации по про-
странству с помощью уравнений “авторегрессии — скользящего среднего” [5].
Известно, что двухмерный дискретный во времени ряд Фурье (ДВРФ) [5]
XДВРФ[k, l] = T1T2
M−1
∑
m=0
N−1
∑
n=0
x[m,n] exp
(
−j2π
[
mk
M
+
nl
N
])
(1)
представляет собой периодическую функцию с периодами M и N в соответствующих изме-
рениях. При этом отсчеты непрерывного двухмерного сигнала x(t1, t2) берутся через ин-
132 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2010, №3
тервалы T1 по переменной t1 и через интервалы T2 по переменной t2, образуя последова-
тельность отсчетов x[m,n] = x[mT1, nT2].
В процедуре используется возможность разделения аргумента экспоненты в выраже-
нии (1) для первоначального вычисления промежуточного массива, что соответствует пре-
образованию в одном измерении:
Xпр.м[m, l] = T2
N−1
∑
n=0
x[m,n] exp
(
−j2π
nl
N
)
. (2)
Затем рассчитывается ДВРФ промежуточного массива, что соответствует преобразованию
в другом измерении:
XДВРФ[k, l] = T1
M−1
∑
m=0
Xпр.м[m, l] exp
(
−j2π
mk
M
)
. (3)
Приведенные ряды представляют собой строчно-столбцевое разложение двухмерного ДВРФ
на два множества операций, которые являются одномерными ДВРФ. В процессе этих опе-
раций сначала вычисляется N одномерных преобразований Фурье по строкам массива исхо-
дных данных, а затем M преобразований Фурье по столбцам промежуточного массива.
В данном случае при сохранении последовательности и смысла указанных операций
была проведена замена представления выходного процесса не в виде ДВРФ, а в виде двух-
мерного процесса авторегресии и скользящего среднего (АРСС) со спектральной плотно-
стью мощности (СПМ):
PАРСС(f1, f2) = T1T2ρω
∣
∣
∣
∣
B(f1, f2)
A(f1, f2)
∣
∣
∣
∣
2
, (4)
где
A(f1, f2) =
∑
m
∑
n
a[m,n] exp(−j2π[f1mT1 + f2nT2]);
B(f1, f2) =
∑
m
∑
n
b[m,n] exp(−j2π[f1mT1 + f2nT2])
определены в заданной опорной области; ρω — дисперсия сигнала ω[m,n]. Если B(f1, f2) = 1,
то СПМ соответствует двухмерному авторегрессионному процессу, а если A(f1, f2) = 1,
то СПМ соответствует двухмерному процессу скользящего среднего. Такая замена дала
возможность перейти от количественного расчета СПМ по всем действующим колебаниям
к качественному анализу пространственной динамики групп колебаний или избирательно
отдельных колебаний.
В работе нами использован второй вариант — в виде скользящего среднего. При этом
алгоритм обработки исследуемого поля оставался таким же, как и для ДВРФ. Сначала
фильтром скользящего среднего (ФСС) с центральным положением точки осреднения и за-
данным периодом T1 обрабатывались строки поля. Это позволяет разделить сигналы на две
компоненты — низкочастотную (НЧ) и высокочастотную (ВЧ). Каждая из этих компонент
выделялась в отдельный массив той же размерности, что и исходное поле. Далее, в зависи-
мости от того, в каком направлении (вдоль какой стороны поля) необходимо было выделить
нужное колебание, ФСС с периодом T2 обрабатывались столбцы НЧ или ВЧ массивов.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2010, №3 133
Рис. 3. НЧ и ВЧ составляющие полей изменчивости по пространству амплитуд гармоник спектров средне-
годовых значений tw Черного моря за 21 год по оси запад — восток (НЧ ФСС 3◦) с периодом 10,5 лет (а,
в) и север — юг (полосовой ФСС 1–2◦) с периодом 5,25 лет (б, г)
В данном случае стороны анализируемых прямоугольных фрагментов полей tw Чер-
ного моря соответствуют зональному и меридиональному направлениям в пространстве.
Если для исследований необходимо выделить одно или группу колебаний поля зонального
направления, в частности по строкам, то нужно задать с учетом протяженности фрагмен-
та в зональном направлении величину T1 так, чтобы в выходном сигнале были выделены
именно эти колебания. Для этого можно использовать как НЧ и ВЧ, так и полосовые ФСС.
При обработке столбцов в нужном результирующем массиве значение T2 выбирается та-
ким, чтобы в итоговом поле по меридиональному направлению (по столбцам) остались бы
только крайне низкие частоты. Если же интерес представляют меридиональные колебания,
то параметры фильтрации T1 и T2 выбираются обратными.
Примеры результатов такой обработки для указанных выше полей отдельных гармоник
спектров рядов tw Черного моря по каждому узлу сетки спутниковых данных иллюстри-
рует рис. 3, где показаны колебания вдоль длинных сторон исследованных фрагментов
поля tw, как более обеспеченные результатами наблюдений. Протяженность такой стороны
для зонального фрагмента с запада на восток — 11,2◦, для меридионального фрагмента
134 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2010, №3
Рис. 4. Результаты обратного ДВПФ (после удаления части пространственных гармоник) для полей измен-
чивости по пространству амплитуд гармоник временных спектров рядов tw Черного моря за 21 год для
гармоник с периодами 10,5 лет по оси запад — восток (а) и 5,25 лет по оси север — юг (б )
с севера на юг — 4,3◦. Для первого фрагмента был использован НЧ ФСС с периодом 3◦,
для второго — полосовой ФСС в диапазоне от 1◦ до 2◦.
Амплитуды полученных вследствие фильтрации колебаний, особенно ВЧ, невелики, что
характерно для межгодовых масштабов изменчивости. Кроме того, на их величину оказали
влияние и особенности амплитудно-частотных характеристик использованных фильтров [5].
Однако все они в основном больше величины погрешности (0,01 ◦С), с которой исходные
данные представлены в архиве AVHRR Pathfinder.
Исследования показали, что в НЧ зональных колебаниях для разных временных гармо-
ник поля tw могут доминировать волны из достаточно широкого диапазона значений λ: от
6,0–8,0◦ до 25,0–30,0◦. Необходимо отметить следующее: приведенные величины являются
чисто качественными оценками, что соответствует возможностям данного метода. Особенно
это относится к наиболее длинным волнам, которые могут быть представлены, например,
половиной и даже четвертью волны. В НЧ меридиональных колебаниях для разных гар-
моник доминантными могут быть значения λ: от 2,5–3,0◦ до 10–12◦.
Процедура ФСС была ориентирована на выделение в первую очередь ВЧ колебаний.
В их оценках для зональных колебаний преобладают длины волн 2,5–3,5◦. Для меридио-
нальных колебаний — это волны длиной 1,5–2,0◦. В обоих случаях на эти колебания замет-
ным образом накладываются более короткие волны длиной < 1, 5◦, отфильтровать кото-
рые пока не удается, что связано с принципиальными сложностями создания качественных
полосовых цифровых фильтров на любой известной математической основе, в том числе
и скользящего среднего [4, 5].
Одновременно с проведенным анализом по тем же исходным данным были получены
спектральные оценки полей гармоник с помощью дискретно-временного преобразования
Фурье (ДВПФ) [4]. В двухмерных спектрах для зональных волн доминируют значения λ
10,4, 5,2, 3,5◦ и 2,6◦, а для меридиональных — 4,2, 2,1, 1,4◦ и 1,1◦. Полученные два варианта
оценок (ФСС и ДВПФ) совпадают для обоих типов волн с указанными выше результатами
обычного одномерного спектрального анализа тех же исходных данных. Подтверждают это
и результаты обратного ДВПФ после удаления из двухмерных спектров тех составляющих,
которые по абсолютной величине были на порядок и более меньше доминант (рис. 4). При
этом количество оставшихся пространственных гармоник составляло от 6 до 10.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2010, №3 135
Сравнение полученных результатов с картинами ритмодинамики аналогичных харак-
теристик атмосферы на территории Северной Евразии [6] показало, что данный механизм
формирования изменчивости поля температуры (тепловые волны) единообразно действует
для атмосферы и гидросферы не только на региональных, но и на других пространственных
масштабах. Это позволяет рассматривать волновое и резонансное взаимодействие в качест-
ве одного из возможных механизмов осуществления связей между макроциркуляционными
и региональными процессами функционирования морских систем.
Таким образом, анализ ритмодинамики поля тепловых волн Черного моря, проведен-
ный разными методами, позволил не только выделить отдельные устойчивые колебания
разных масштабов, но и определить их характеристики. Разномасштабная, ячеистая струк-
тура поля температуры Черного моря является, видимо, одним из основных источников
анизотропии его свойств, т. е. пятнистости по пространству. В перспективе ритмодинами-
ческий подход и описанные методы пространственного анализа могут быть полезны для
поиска взаимосвязей между аномалиями полей геофизических и биогеохимических пара-
метров морских систем.
1. Еремеев В.Н., Жуков А.Н., Сизов А.А. Исследование особенностей ритмодинамики межгодовой
изменчивости гидрометеорологических и гидрологических процессов в прибрежных зонах // Докл.
АН. – 2006. – 409, № 2. – С. 254–257.
2. Еремеев В.Н., Жуков А.Н., Лебедев Н. Е., Сизов А.А. Пространственная анизотропия межгодовой
изменчивости температуры воды Черного моря (по спутниковых данным) // Исследование Земли из
космоса. – 2007. – № 5. – С. 3–10.
3. Гинзбург А.И., Костяной А. Г., Шеремет Н.А. Об использовании спутниковых данных в исследо-
ваниях сезонной и межгодовой изменчивости температуры поверхности Черного моря // Там же. –
2001. – № 1. – С. 51–61.
4. Канасевич Э. Р. Анализ временных последовательностей в геофизике : Пер. с англ. – Москва, Недра,
1985. – 300 с.
5. Марпл-мл. С.Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения : Пер. с англ. – Москва: Мир,
1990. – 584 с.
6. Еремеев В.Н., Баянкина Т.М., Жуков А.Н. и др. О волновых свойствах пространственной измен-
чивости полей температуры воздуха в Северной Евразии на межгодовых масштабах // Доп. НАН
України. – 2007. – № 1. – С. 111–116.
Поступило в редакцию 06.08.2009Океанологический центр НАН Украины, Севастополь
Морской гидрофизический институт
НАН Украины, Севастополь
Academician of the NAS of Ukraine V.N. Eremeev, A.N. Zhukov, N. E. Lebedev,
V.V. Pustovoytenko, A.A. Sizov
Thermal waves of the Black Sea on interannual scales
Based on the satellite PODAAC JPL AVHRR Pathfinder data for 1985–2005, we analyze the spatial
variability of the Black Sea surface temperature on interannual scales. The existence of a whole set
of waves of various scales in varying temperature field anomalies is shown. The spatial structure
of these waves is studied for two directions — zonal and meridional ones. Division and analysis of
the oscillations along these directions are carried out by means of the method of spatial filtration.
136 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2010, №3
|