Основное внимание уделяется непериодическим колебаниям уровня моря. Их описание как случайного процесса проводится на языке спектрального и биспектрального анализа, а также методами статистики экстремальных значений. Для изучения механизмов генерации привлекаются методы анализа линейных динамических систем с постоянными параметрами, динамико-стохастические модели, аналитические решения эволюционных уравнений теории нелинейных волн (Кортевега — де Вриза и др.), а также численное гидродинамическое моделирование колебаний уровня моря в реальных физико-географических условиях.

Предназначена для специалистов по физике океана, геофизике, гидрологии, может быть использована преподавателями, аспирантами и студентами соответствующих специальностей.

Уровень моря — один из наиболее важных элементов, характеризующих динамику прибрежной зоны морей, с которой связана активная хозяйственная деятельность человека. Распределение уровня открытого океана и его вариации определяют динамику океанических бассейнов. Многообразие сил, действующих на водную оболочку Земли, является причиной сложной структуры спектра колебаний уровня. Наиболее интересным и важным представляется синоптический диапазон колебаний уровня — колебания с периодом от 2 до 15 сут, обусловленные атмосферными воздействиями с синоптическим периодом (здесь используем традиционную терминологию, принятую в метеорологии). К ним относятся такие опасные явления, как штормовые нагоны.

Штормовые нагоны представляют собой вынужденные длинные гравитационные волны. На мелководье их высота существенно возрастает, а сочетание с приливом и ветровым волнением может приводить к катастрофическим последствиям. При сгонах уменьшаются глубины на барах, в гаванях и подходных портовых каналах, что затрудняет нормальную работу морского флота. Положение уровня при сгонах влияет на динамическое воздействие волн, течений и льдов на берега и морские гидротехнические сооружения. С другой стороны, уровень моря у берега — наиболее надёжно измеряемый океанический элемент, в ряде случаев имеются ряды наблюдений длиной 100—150 лет.

Максимальные величины (размахи) непериодических колебаний уровня (без учёта приливных колебаний) достигают на морях СССР больших значений. Так, в Азовском море они составляют 5—6 м, в Балтийском — 5—6 м, в Каспийском — 3,5—4 м, Баренцевом — 3—3,5 м, Белом — 3—3,5 м, Чёрном — 2,5—3 м, Охотском — 3—4 м, Японском — 2—2,5 м, Беринговом — 3—3,5 м.

Несмотря на научную и практическую значимость исследований уровня моря специальные монографии единичны, причём в них рассмотрены, как правило, отдельные стороны явления. К примеру, в работе [29] акцент делается на приливные колебания уровня моря, в работе [13] рассмотрены численные гидродинамические методы расчёта штормовых нагонов, в последней из известных монографий по уровню [140] в основном оперируют со статистическими характеристиками колебаний уровня различных частотных диапазонов. Колебаниям уровня открытого океана посвящена гл. 2 монографии [40]. В монографии [39], изданной около 20 лет тому назад, естественно, не нашли отражение современные методы вероятностного анализа и моделирования колебаний уровня моря.

Поэтому очевидна целесообразность монографии по уровню моря, базирующейся на синтезе современных методов исследования: статистике и спектральном анализе, геофизической и статистической гидродинамике, аналитических результатах теории нелинейных волн, численных гидродинамических моделях разных бассейнов. Авторам представляется, что подобная работа заполнит пробел, существующий в океанологической литературе.

Если исходить из того, что исследование конкретного геофизического процесса можно разделить на такие последовательные этапы, как описание, объяснение, прогноз и искусственное воздействие [32], то представляется, что в той или иной мере в монографии решены первые две задачи и частично третья. Описание колебаний уровня моря проводится на языке спектрального (гл. 1) и биспектрального (гл. 5) анализа, а также с использованием методов статистики экстремальных значений (гл. 3). К объяснению привлекаются методы анализа линейных динамических систем с постоянными параметрами (гл. 2), вероятностно-гидродинамические модели (гл. 4), точные решения эволюционных уравнений теории нелинейных волн (гл. 6), численные гидродинамические модели (гл. 7). Выявленные спектрально-регрессионные зависимости (гл. 2) дают основу для прогноза штормовых нагонов в некоторых физико-географических районах.

В исследованиях колебаний уровня авторы стремились сочетать детерминистический и вероятностный подходы. В частности, это нашло своё отражение в построении вероятностно-гидродинамических моделей (гл. 4), которые позволяют получить зависимость между статистическими характеристиками уровня моря и вынуждающих сил. В отличие от предшествующих работ большое внимание уделяется роли нелинейных эффектов в формировании суммарных колебаний уровня приливного моря (гл. 5, 6).

Читателя не должно удивлять появление в книге гл. 8, в которой рассмотрены вопросы, связанные с остаточной приливной циркуляцией — нелинейным явлением, возникающим при трансформации длинных волн (в частности, приливных) в окраинных морях. Эти вопросы тесно примыкают к рассмотренной в книге проблеме взаимодействия длинных волн, но до сих пор они не освещались в отечественной океанологической литературе.

Отметим, что многие работы, посвящённые колебаниям уровня, не отражены в списке литературы. Исчерпывающая библиография приведена в указателях «Непериодические колебания уровня моря» [62, 63]…

Предисловие

Книги на ту же тему

1. Динамико-стохастическое моделирование формирования талого стока, Гельфан А. Н., 2007
2. Многолетние колебания стока и вероятностные методы его расчёта, Быков В. Д., Калинин Г. П., ред., 1967
3. Динамика и прогноз крупномасштабных аномалий температуры поверхности океана (статистический подход), Питербарг Л. И., 1989
4. Проблемы каналовой теории приливов, Ржонсницкий В. Б., 1973
5. Океанские приливы: Математические модели и численные эксперименты, Марчук Г. И., Каган Б. А., 1977
6. Приливные движения, Ржонсницкий В. Б., 1979
7. Численное решение задач динамики атмосферы и океана, Марчук Г. И., 1974
8. Статистический анализ случайных процессов в приложении к агрофизике и агрометеорологии, Жуковский Е. Е., Киселёва Т. Л., Мандельштам С. М., 1976
9. Временные ряды. Обработка данных и теория, Бриллинджер Д. Р., 1980
10. Статистический анализ временных рядов, Андерсон Т., 1976
11. Спектральный анализ временных рядов, Журбенко И. Г., 1982