Океанология, 2021, T. 61, № 4, стр. 528-538

Экстремальные штормовые нагоны в Финском заливе: частотно-спектральные свойства и влияние низкочастотных колебаний уровня моря

И. П. Медведев 12*, Е. А. Куликов 1

1 Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН
Москва, Россия

2 Институт прикладной геофизики им. акад. Е.К. Федорова
Москва, Россия

* E-mail: patamates@gmail.com

Поступила в редакцию 02.12.2020
После доработки 01.03.2021
Принята к публикации 17.03.2021

Полный текст (PDF)

Аннотация

На основе анализа ежечасных данных прибрежных наблюдений за изменениями уровня моря оценены частотно-временны́е особенности штормовых нагонов в Финском заливе. При помощи спектрального анализа длительных рядов были выявлены основные периоды собственных колебаний Финского залива. С помощью спектрально-временнóго анализа были рассчитаны преобладающие периоды колебаний во время наводнений. Для Финского залива опасными являются штормовые нагоны с периодами 25‒35 ч. Так, период колебаний во время наводнения 1 января 1984 г. составлял 26–34 ч, в декабре 1986 г. – 24–34 ч, в середине октября 1994 г. – 24–30 ч, в ноябре 1999 г. – 27–34 ч, в январе 2007 г. – 25–30 ч. В случае наводнений начала октября 1994 г. преобладали колебания с бóльшими периодами – 48–80 ч. В случае наводнения 9 января 2005 г., вызванного прохождением циклона Гадран, колебания уровня моря имели периоды от 27 до 48 ч. В отдельных случаях штормовых нагонов наблюдается усиление высокочастотных 8-часовых колебаний. Наиболее неблагоприятными условиями формирования экстремальных нагонов в заливе являются случаи прохождения цепочки атмосферных циклонов с периодом около 1–2 сут. Такие случаи приводят к эффекту резонансного “раскачивания” собственных колебаний Финского залива с периодом 26–29 ч. Показано, что фоновые колебания среднего уровня моря с периодами более 20 сут способствуют формированию наводнений в Финском заливе. Выделено четыре события, когда средний уровень моря превышал 100 см на протяжении нескольких дней, три из которых сопровождались наводнениями.

Ключевые слова: Балтийское море, уровень моря, спектральный анализ, Петербургские наводнения

1. ВВЕДЕНИЕ

Штормовые нагоны – один из важнейших типов колебаний уровня для акватории Балтийского моря. Экстремальные штормовые нагоны в Финском заливе приводят к катастрофическим наводнениям в Санкт-Петербурге и причиняют городу огромный экономический и социальный ущерб. Экстремальные подъемы уровня в Финском заливе формируются при прохождении глубоких циклонов с преобладанием западных ветров над акваторией Балтийского моря. Под областью низкого атмосферного давления формируется нагонная волна, распространяющаяся в сторону вершины Финского залива. Подъем уровня моря усиливается из-за мелководья, а также из-за сужения залива к вершине.

В настоящее время Петербургскими наводнениями считаются подъемы уровня воды выше 160 см над нулем Балтийской системы высот. Существует следующая классификация: наводнения с подъемом воды до 210 см считаются опасными, от 211 до 299 см – особо опасными, свыше 300 см – катастрофическими. При катастрофических наводнениях общая площадь затопления превышает 100 км2. Всего за более чем 300-летнюю историю в Санкт-Петербурге произошло по разным данным от 309 до 320 наводнений. В 1979 г. началось строительство Комплекса защитных сооружений Санкт-Петербурга от наводнений (КЗС). Начиная с 12 августа 2011 года, КЗС успешно работает и уже предотвратил около 25 наводнений в Санкт-Петербурге, в том числе с высотой до 294 см в 2011 г., что выше, чем четвертое по высоте наводнение 1955 г. (293 см). Важную роль в формировании штормовых нагонов играют частотные свойства акватории Финского залива, которые определяют преобладающий период собственных колебаний уровня и их затухание. В [9], по данным длительных ежечасных рядов наблюдений и среднемесячных значений на 4 станциях в Балтийском и Северном морях, было исследовано формирование спектра изменчивости уровня Балтийского моря в широком диапазоне частот. Показано, что на частотах выше 0.27 цикл/сут формируются индивидуальные особенности спектров основных балтийских заливов: Ботнического, Финского и Рижского, а на частотах выше 3 цикл/сут спектр колебаний уровня определяется частотно-избирательными свойствами отдельных бухт и небольших заливов.

В [6] на основе взаимного спектрального анализа многолетних рядов наблюдений на мареографах были исследованы частотные свойства стоячих волн в Финском заливе с периодами от часов до суток. Для Финского залива характерный “резонансный” период колебаний составил ~27 ч. Также был выделен пик с периодом около 8 ч, характерный для вершины Финского залива (станция Горный институт). Выполненные оценки статистической связи колебаний уровня моря с изменениями ветра и атмосферного давления указывают на доминирующую роль зональной компоненты ветра при формировании наводнений в Финском заливе. В [5] было показано, что во время экстремального подъема уровня моря 7–12 января 2005 г., вызванного циклоном Гадран (Эрвин), период нагонной волны варьировался от 28–30 до 36–42 ч в момент максимальной высоты уровня моря. В [13] были рассчитаны преобладающие периоды колебаний уровня во время трех наводнений (в 2001, 2002 и 2003 гг.) на основе численного моделирования – 25–30 ч и данных наблюдений – 22–32 ч. В представленной работе мы на основе длительных ежечасных данных исследовали частотно-временны́е свойства экстремальных штормовых нагонов в Финском заливе на шести уровенных станциях.

В [16, 21] было отмечено, что баротропный водообмен с Северным морем может приводить к эвстатическим изменениям уровня (объема) всего Балтийского моря величиной до нескольких десятков сантиметров и длительностью до 40 сут. В текущем исследовании показано, как долгопериодные колебания уровня Балтийского моря могут влиять на формирование экстремальных подъемов уровня в вершине Финского залива.

2. ДАННЫЕ И МЕТОДЫ

В представленном исследовании были использованы ряды ежечасных наблюдений на шести мареографах в Финском заливе (рис. 1а). Все ряды были приведены к единому отсчету времени (Гринвич) и к Балтийской системе высот. Были использованы данные наблюдений на финских станциях Фегло, Ханко и Хельсинки с 1 октября 1992 г. по 30 сентября 2008 г., на станциях Выборг и Кронштадт – с 1 января 1992 г. по 31 декабря 2006 г. На станции Горный институт, расположенной в Санкт-Петербурге, был использован ряд с 1 января 1977 г. по 22 июня 2007 г. Расчеты спектров выполнялись с помощью быстрого преобразования Фурье (метод Уэлча); при этом для улучшения качества расчета использовалось спектральное окно Кайзера–Бесселя с половинным перекрытием. При помощи спектрально-временнóго анализа (СВАН) [15, 23] были рассчитаны частотно-временны́е диаграммы для событий экстремальных штормовых нагонов.

Рис. 1.

(а) – Карта расположения станций: (1) Фегло, (2) Ханко, (3) Хельсинки, (4) Выборг, (5) Кронштадт, (6) Горный институт; (б) – спектры колебаний уровня моря на этих станциях. SD – полусуточный приливной пик.

3. ЧАСТОТНО-ИЗБИРАТЕЛЬНЫЕ СВОЙСТВА АКВАТОРИИ ФИНСКОГО ЗАЛИВА

Колебания уровня Балтийского моря в диапазоне периодов от часов до нескольких суток формируются преимущественно под влиянием неоднородностей полей атмосферного давления и ветра [8] и выражены сгонно-нагонными явлениями, сейшами и топографическими волнами. Сгонно-нагонные явления в Балтийском море формируются в результате ветрового воздействия и занимают широкий диапазон периодов: от нескольких часов до нескольких недель. Частным случаем этих процессов являются штормовые нагоны, которые в некоторых случаях приводят к наводнениям в вершине Финского залива [14]. Сейши – это стоячие квазипериодические гравитационные волны, которые формируются в результате реакции приспособления водных масс замкнутого или полузамкнутого водоема после нарушения равновесного состояния [19]. Период сейш определяется частотно-избирательными свойствами акватории (геометрией бассейна). Сейши в Балтийском море возбуждаются в результате ветрового воздействия и имеют доминирующий период около 26–29 ч [6, 24]. Топографические волны относятся к классу градиентно-вихревых волн, которые формируются под влиянием гироскопических сил и определяются законом сохранения потенциального вихря. Эти волны генерируются только на частотах ниже инерционной и выражены, в первую очередь, в изменении скорости морских течений [4].

Для выявления характерных периодов колебаний уровня в Финском заливе были рассчитаны спектры изменений уровня моря на станциях Фегло, Ханко, Хельсинки, Выборг, Кронштадт и Горный институт. Из рядов предварительно был исключен линейный тренд. Расчеты спектров выполнялись с помощью быстрого преобразования Фурье, метод Уэлча. Длина сегмента была выбрана равной 1024 ч, для увеличения числа степеней свободы (468) и сглаживания спектра было использовано окно Кайзера–Бесселя с половинным перекрытием. Колебания уровня моря, формирующиеся под воздействием атмосферных процессов, в основном носят характер случайного шума и имеют спектр в виде непрерывной функции от частоты (континуум). Особенности спектра колебаний уровня моря определяются частотно-избирательными свойствами акваторий (геометрией бассейна). На периодах основных мод собственных колебаний моря (залива) наблюдаются широкие спектральные максимумы (“горбы”).

Спектральная плотность колебаний уровня монотонно спадает при возрастании частоты колебаний (рис. 1б). Спектральная плотность на частотах ниже 0.03 цикл/сут имеет близкие значения на разных станциях в Финском заливе. В синоптическом диапазоне частот (0.03–0.5 цикл/сут) наблюдается возрастание энергии колебаний уровня моря на порядок при перемещении от станции Фегло к станции Горный институт. Локальный широкий максимум спектральной энергии на частотах 0.7–1 цикл/сут вызван основной сейшевой модой Балтики, минимальные амплитуды которой наблюдаются вблизи линии Лиепая–Стокгольм, а пучности – в вершине Финского залива и в юго-западной части моря (побережья Германии и Дании). На частотах выше 1 цикл/сут начинаются резкие падения спектральной плотности колебаний уровня на отдельных станциях. Так, минимумы спектра на станциях Ханко с частотой 1.1 цикл/сут, Хельсинки с 1.2–1.5 цикл/сут, Выборге с 1.8 цикл/сут связаны с близостью узловых линий мод собственных колебаний Балтийского моря и, в частности, Финского залива с соответствующими частотами (см. [6, 24]). Острый резкий пик с частотой около 2 цикл/сут имеет приливное происхождение [11]. На частоте 3 цикл/сут (период 8 ч) формируется локальное повышение спектральной плотности колебаний уровня Финского залива, которое обнаружено в Выборге, Кронштадте и Горном институте. Причем энергия этого колебания на двух последних станциях на порядок выше, чем в Выборге, что связано с их расположением в вершине залива. На частотах выше 3 цикл/сут начинает различаться спектральная энергия в Кронштадте и Горном институте.

4. ЧАСТОТНО-СПЕКТРАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ НАВОДНЕНИЙ В ФИНСКОМ ЗАЛИВЕ

Следующим этапом исследования было выявление частотно-избирательных свойств Финского залива во время отдельных наводнений в г. Санкт-Петербурге. Были выбраны шесть наиболее сильных событий с 1984 по 2007 г. Для каждого события были выделены временны́е ряды длительностью 60 сут (30 дней до и после достижения максимального уровня моря на станции Горный институт). Далее для этих рядов был применен спектрально-временнóй анализ временны́х рядов, который позволил изучить изменения спектральной плотности (дисперсии) колебаний уровня моря в частотно-временнóм масштабе в течение развития штормового нагона.

Первое из рассматриваемых наводнений произошло 1 января 1984 г. В течение месяца, предшествовавшего наводнению, уровень моря несколько раз поднимался до 135–140 см (рис. 2а, 2в). Причем изменения уровня моря в декабре фрагментарно имели волновой характер с преобладающим периодом колебаний 22–26 ч (рис. 2б). 1 января 1984 г. в 22:00 подъем уровня моря в Горном институте достиг отметки 227 см. Период колебаний в момент максимального подъема уровня составлял 26–34 ч (частота 0.7–0.9 цикл/сут). В момент пика штормового нагона в спектре колебаний уровня дополнительно усиливается восьмичасовая мода собственных колебаний залива.

Рис. 2.

Колебания уровня моря на станции Горный институт во время наводнений (а) – 1 января 1984 г. и (в) – 6 декабря 1986 г., (б, г) – их частотно-временны́е спектры соответственно. Цветом показано изменение амплитуды колебаний уровня в дБ.

Схожую частотно-спектральную диаграмму имело наводнение, случившееся 6 декабря 1986 г. (рис. 2г). Интенсивные колебания уровня моря на станции Горный институт начались 28 ноября и снова имели волновой характер. В частотно-временнóй диаграмме этого события можно выделить три основных составляющих с частотами: 0.4–0.6, 0.7–1 и 1.15–1.3 цикл/сут. В течение пяти дней в Санкт-Петербурге произошло три наводнения: 2, 4 и 6 декабря. Первые два наводнения имеют высоты 207  и 191 см соответственно. В 18:00 6 декабря суперпозиция этих трех составляющих приводит к формированию максимального подъема уровня моря в Горном институте (260 см). Причем наибольшие магнитуды в момент достижения пика нагона имеют компоненты с периодом 24–34 ч.

В 1994 г. произошло четыре наводнения в Санкт-Петербурге: 1, 4, 12 и 16 октября (рис. 3а). В начале октября значительных амплитуд достигали относительно низкочастотные колебания (0.3–0.5 цикл/сут и 0.55–0.65 цикл/сут), которые сопровождались небольшим усилением колебаний с частотой 1.4–2 цикл/сут (рис. 3б). Уровень моря в Горном институте 1 октября достиг 218 см, а 4 октября – 182 см. Начиная с 9 октября, частотно-спектральная структура колебаний уровня в Финском заливе меняется. Преобладают три компоненты с частотами: 0.5–0.62, 0.75–9.5 и 1.1–1.3 цикл/сут, которые формируют наводнения 12 октября с высотами 226 и 162 см 16 октября. Это событие схоже по своей частотно-временнóй структуре с наводнениями в декабре 1986 г.: снова выделяются три компоненты с примерно теми же частотами, причем наибольшую магнитуду имеет составляющая с периодом 25–32 ч. В том же году, 15 сентября произошло резкое изменение уровня моря с периодом 24–30 ч и размахом колебаний до 160 см. Но это событие сопровождалось относительно низким средним уровнем моря, в результате чего абсолютный подъем уровня не превысил 80 см.

Рис. 3.

Колебания уровня моря на станции Горный институт во время наводнений в (а) – октябре 1994 г. и (в) – 30 ноября 1999 г., (б, г) – их частотно-временны́е спектры соответственно. Цветом показано изменение амплитуды колебаний уровня в дБ.

В ноябре 1999 г. произошло самое сильное наводнение в Санкт-Петербурге за последние 40 лет и тринадцатое по высоте за всю историю города. Подъем уровня воды в Финском заливе был вызван прохождением глубокого циклона в северо-восточном направлении через территорию Финляндии. Причем над Финским заливом перемещалась южная периферия циклона с преобладающим западным ветром со скоростями 20–25 м/с. Уровень моря поднялся до отметки 262 см. Ущерб от наводнения составил около 600 млн рублей. В частотно-временнóй структуре этого штормового нагона преобладает компонента с частотой 0.7– 0.95 цикл/сут (рис. 3г). Также присутствовала составляющая с частотой 2.2 цикл/сут. После пика нагона в 2:00 30 ноября 1999 г. (256 см по ежечасным данным в пункте Горный институт, рис. 3в) в течение около двух недель наблюдались устойчивые колебания с частотой 0.8–1.2 цикл/сут.

В январе 2005 г. над акваторией Северного и Балтийского морей проходил циклон Гадран (Эрвин). Скорость ветра в циклоне достигала 34 м/с [17]. Циклон вызвал сильнейший за 50 лет шторм со значительной высотой волн до 8–9 м в Балтийском море [20, 12 ]. На побережьях ряда стран северной Европы циклон Гадран спровоцировал существенный подъем уровня моря. В Пярнуском заливе уровень моря поднялся до отметки 275 см, рекордной за всю историю наблюдений в этом пункте [22, 7, 17 ]. В Финском заливе еще 24–27 декабря 2004 г. наблюдались сильные колебания уровня, имеющие характер сейш с периодом 0.7–1.1 цикл/сут и размахом до 100 см (рис. 4а). К 6 января 2005 г. частотно-временнáя структура колебаний уровня в вершине Финского залива изменилась. Можно выделить три основных компоненты штормового нагона с частотами: 0.45–0.55, 0.56–0.65 и 0.66–0.9 цикл/сут (рис. 4б). 7 января 2005 г. в 23:00 циклон Гадран вызвал наводнение в Санкт-Петербурге с высотой 165 см. А 9 января в 9:00 суперпозиция этих трех составляющих привела к еще большему подъему уровня моря в вершине Финского залива до 238 см. При этом уровень моря в Санкт-Петербурге на протяжении 10.5 ч превышал отметку 160 см. Следует отметить, что абсолютные значения энергии колебаний уровня в конце декабря 2004 г. в мезомасштабном частотном диапазоне были выше, чем во время Гадрана. Но более широкий частотный диапазон колебаний уровня в период с 6 по 10 января и повышение среднего уровня привели в итоге к существенно большему суммарному подъему уровня моря.

Рис. 4.

Колебания уровня моря на станции Горный институт во время наводнений в (а) – январе 2005 г. и (в) – декабре–январе 2006–2007 гг., (б, г) – их частотно-временны́е спектры соответственно. Цветом показано изменение амплитуды колебаний уровня в дБ.

В середине января 2007 г. акваторию Балтийского моря пересекло несколько сильных циклонов, в результате чего в вершине Финского залива произошло четыре наводнения. Первое наводнение было зафиксировано в 12:00 10 января. Уровень моря по ежечасным данным достиг отметки 222 см (рис. 4в). Основные компоненты колебаний уровня имели частоты 0.65–0.78 и 0.8–0.96 цикл/сут (рис. 4г). В период с 14 по 20 января сменилась частотно-временнáя структура колебаний уровня в вершине Финского залива. Это было вызвано прохождением циклонов Икарус (с 15 по 16 января) и Кирилл (с 18 по 20 января). Колебания уровня имели две основные частоты: 0.7–0.82 и 0.93–1.2 цикл/сут. В этот период времени можно выделить пять значительных подъемов уровня воды, три из которых превысили критическую отметку 160 см.

5. НИЗКОЧАСТОТНЫЕ ПОВЫШЕНИЯ УРОВНЯ ФИНСКОГО ЗАЛИВА

Анализ частотно-временнóй изменчивости колебаний уровня моря в период нагонов показал, что существенным фактором увеличения абсолютных отметок в моменты наводнений были изменения среднего (фонового) уровня моря. В настоящем исследовании были рассмотрены экстремальные подъемы уровня моря, сформированные низкочастотной изменчивостью уровня. Для этого к длительному ежечасному ряду изменения уровня в Горном институте с 1977 по 2017 г. был применен низкочастотный фильтр с окном Хэмминга с частотой среза 0.05 цикл/сут. Фильтрация исходного ряда позволяет исключить экстремумы, вызванные отдельными нагонными событиями. В результате фильтрации был получен длительный ряд низкочастотных колебаний уровня с периодами 20 сут и более. Эти долгопериодные колебания уровня в вершине Финского залива формируются в первую очередь под влиянием годового хода среднего уровня моря, вызванного сезонной изменчивостью атмосферных полей над регионом, определяющих в том числе водообмен с Северным морем. Эти факторы приводят как к перераспределению водной толщи внутри моря, так и к изменению объема всего Балтийского моря. Причем величина долгопериодных колебаний среднего уровня Балтийского моря достигает нескольких дециметров. Так, в отдельные годы размах сезонных колебаний уровня в вершине Финского залива достигает 60 см, а максимальный подъем среднего уровня наблюдается в период с октября по январь [10].

На рис. 5 показаны исходный и фильтрованный низкочастотный ряды колебаний уровня моря на станции Горный институт. Для низкочастотной изменчивости уровня моря характерны существенные повышения среднего уровня с длительностью в десятки дней. Так, с ноября 1982 г. по февраль 1983 г. средний уровень моря на протяжении 82 дней превышал 50 см. В этот период произошли четыре наводнения с максимальной высотой до 215 см 25 ноября 1982 г. В январе 1983 г. средний уровень моря на протяжении 11 дней не опускался ниже 100 см и произошло два наводнения: 14 января – 178 см и 21 января – 180 см. Средний уровень моря в этих случаях составлял 94 и 104 см соответственно. Таким образом, высота самих штормовых нагонов в этих случаях не превышала 85 см.

Рис. 5.

Низкочастотные колебания уровня моря на станции Горный институт (красная линия). Серым цветом показана исходная ежечасная запись изменений уровня моря.

В сентябре‒декабре 1983 г. средний уровень моря в Горном институте на протяжении 82 дней снова превышал отметку в 50 см. В этот период в Горном институте произошло 8 наводнений. Но высота даже самого сильного из них не превысила 200 см, при этом средний уровень не опускался ниже 100 см в течение 13 дней подряд.

В марте 1990 г. уровень на протяжении 8 дней не опускался ниже 100 см. Но, несмотря на такой высокий фоновый уровень, ни одного штормового нагона с высотой более 160 см в этот период зафиксировано не было. За 30 лет наблюдений это единственный случай, когда при среднем уровне более 100 см наводнений не случилось.

В декабре 2004 г.–январе 2005 г. средний уровень моря на протяжении 52 дней был выше 50 см, а в начале января 2005 г. в течение пяти дней не опускался ниже 100 см. В этот момент, 9 января, произошло наводнение с высотой 237 см, вызванное циклоном Гадран.

6. ОБСУЖДЕНИЕ И ВЫВОДЫ

В текущем исследовании было рассмотрено несколько наводнений в вершине Финского залива. Эти события сопровождались несколькими “неблагоприятными” факторами: опасными траекториями движения глубоких циклонов, частотно-избирательными свойствами моря и высокими фоновыми колебаниями уровня моря. Первый фактор ‒ наиболее изменчивый. Для Финского залива опасными являются траектории движения циклонов в направлении с запада на восток, когда область низкого давления перемещается параллельно заливу над территорией Финляндии, а нижняя периферийная зона циклона с сильным западным ветром непрерывно создает ветровой нагон в заливе. Частотно-избирательные свойства Финского залива – это постоянный фактор, особенности которого практически не меняются от года к году. Некоторые изменения частотно-избирательных свойств в восточной части залива могли произойти, вероятно, вследствие строительства КЗС Санкт-Петербурга от наводнений.

В работе [1] с помощью двухмерной модели Балтийского моря BSM5 было показано, что если бы 9 января 2005 г. северо-западная траектория циклона Гадран сместилась севернее на 100 км от его фактической траектории, то произошло бы катастрофическое наводнение. В [1] было показано, что особо опасные подъемы уровня в Санкт-Петербурге происходят, когда циклоны движутся с запада на восток и с юго-запада на северо-восток, а при движении циклона на юго-восток высота нагона значительно меньше. По результатам моделирования [2], синтетический экстремальный циклон, движущийся по наиболее опасной траектории на восток–северо-восток с азимутом 88.2°, вызывает максимальный подъем воды в Кронштадте до 474 см и в Санкт-Петербурге ‒ до 558 см.

Для Финского залива опасными являются штормовые нагоны с периодами 25‒35 ч. Так, основная энергия колебаний уровня во время наводнения 1 января 1984 г. имела период 26–34 ч, в декабре 1986 г. – 24–34 ч, в середине октября 1994 г. – 24–30 ч, в ноябре 1999 г. – 27–34 ч, в январе 2007 г. – 25–30 ч. В случае наводнений начала октября 1994 г. преобладали колебания с бóльшими периодами – 48–80 ч. Во время наводнения 9 января 2005 г., вызванного прохождением циклона Гадран, колебания уровня моря имели периоды от 27 до 48 ч.

Во время некоторых наводнений наблюдалось усиление высокочастотных 8-часовых колебаний. Традиционно в Балтийском море было принято выделять многоузловую сейшу с периодом около 8 ч (см. [3, 24]), одна из пучностей которой располагается в Невской губе. Эта мода была ярко выражена в период наводнения 1 января 1984 г., но также присутствовала и во время других наводнений.

Вторичные максимумы наводнения, происходящие в течение десятков часов после достижения главного пика, наблюдаются в Санкт-Петербурге достаточно часто. В [13] было показано, что второй максимум уровня в Санкт-Петербурге формируется под влиянием одноузловой сейши Балтийского моря, как это произошло в период наводнения в Санкт-Петербурге 15‒17 ноября 2001 г. Собственные колебания уровня моря, приведшие к формированию вторичного максимума, были возбуждены изменением скорости и направления ветра, который в течение двух дней менялся от нагонного к сгонному и обратно.

Наиболее неблагоприятными условиями формирования экстремальных нагонов в заливе являются случаи прохождения цепочки атмосферных циклонов с периодом около 1–2 сут. Такие случаи приводят к эффекту резонансного “раскачивания” собственных колебаний Финского залива с периодом 26–29 ч [6]. В [18] на основе данных прибрежных станций Эстонии в период с 1948 по 2010 г. были рассмотрены ситуации, когда наводнения возбуждаются цепочкой из нескольких циклонов, вызывающих экстремальные колебания уровня моря в течение 7–10 дней. Было показано, что в 1967 и 2005 гг. экстремальный уровень моря был сформирован шестью прогрессивными вторичными максимумами уровня моря в течение примерно 10 дней до возникновения самого экстремального. Обе ситуации были сформированы под влиянием прохождения пяти циклонов, которые имели области низкого атмосферного давления в секторе 10°–30° в.д., 55°–67° с.ш. Подобные ситуации, видимо, происходили в вершине Финского залива в 1994 и 2007 гг.

Дополнительным существенным фактором являются низкочастотные фоновые колебания уровня моря. В первую очередь, они формируются сезонным циклом изменений среднего уровня Балтийского моря. Причем наибольших значений сезонный ход уровня достигает в октябре‒декабре [10]. Размах сезонных колебаний уровня в вершине Финского залива в отдельные годы достигает 56–59 см [10]. В [16] было показано, что интенсивный баротропный водообмен через Датские проливы в течение 40 дней может привести к существенным изменениям среднего уровня (объема) всего Балтийского моря, до нескольких десятков сантиметров [21]. Согласно данным работы [3], водообмен с Северным морем через Датские проливы, который преимущественно определяется атмосферной циркуляцией, составляет до 75% водного баланса Балтийского моря. Результаты текущего исследования показывают, что средний уровень моря в Горном институте может на протяжении практически трех месяцев не опускаться ниже 50 см. Таким образом, фоновые колебания способствуют формированию наводнений в Финском заливе. Причем штормовому нагону в таких случаях достаточно иметь высоту до 100 см, чтобы вызвать наводнение в Санкт-Петербурге (подъем уровня выше 160 см). Но, как показал анализ данных, высокий средний уровень не обязательно приводит к наводнениям в вершине Финского залива. Так, в 1990 г. на протяжении 8 дней средний уровень не опускался ниже 100 см, но наводнений с высотой выше 160 см так и не произошло.

Источники финансирования. Работа выполнена в рамках государственного задания ИО РАН (тема № 0128-2021-0004) и при финансовой поддержке РНФ (грант № 20-77-00099).

Список литературы

  1. Аверкиев А.С., Клеванный К.А. Определение траекторий и скоростей циклонов, приводящих к максимальным подъемам воды в Финском заливе // Метеорология и гидрология. 2007. № 8. С. 55–63.

  2. Аверкиев А.С., Клеванный К.А. Расчет экстремальных уровней воды в восточной части Финского залива // Метеорология и гидрология. 2009. № 11. С. 59–68.

  3. Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР. Проект “Моря СССР”. Т. III. Балтийское море. Вып. I. Гидрометеорологические условия / Под ред. Терзиева Ф.С. и др. СПб.: Гидрометеоиздат, 1992. 451 с.

  4. Гусев А.К., Захарчук Е.А., Иванов Н.Е. и др. Динамика вод Балтийского моря в синоптическом диапазоне пространственно-временны́х масштабов. СПб.: Гидрометеоиздат, 2007. 354 с.

  5. Захарчук Е.А., Тихонова Н.А., Сухачев В.Н. О пространственной структуре и распространении волн невских наводнений // Метеорология и гидрология. 2020. № 4. С. 42–53.

  6. Куликов Е.А., Медведев И.П. Изменчивость уровня Балтийского моря и наводнения в Финском заливе // Океанология. 2013. Т. 53. № 2. С. 167–174.

  7. Куликов Е.А., Медведев И.П. Статистика экстремальных сгонно-нагонных явлений в Балтийском море // Океанология. 2017. Т. 57. № 6. С. 858–870.

  8. Куликов Е.А., Файн И.В., Медведев И.П. Численное моделирование анемобарических колебаний уровня Балтийского моря // Метеорология и гидрология. 2015. № 2. С. 41–52.

  9. Медведев И.П. О формировании спектра колебаний уровня Балтийского моря // Докл. АН. 2015. Т. 463. № 3. С. 347–352.

  10. Медведев И.П. Межгодовая изменчивость сезонных колебаний уровня на российском побережье Балтийского моря // Океанологические исследования. 2018. Т. 46. № 3. С. 35–50. https://doi.org/10.29006/1564-2291.JOR-2018.46(3).3

  11. Медведев И.П., Рабинович А.Б., Куликов Е.А. Приливные колебания в Балтийском море // Океанология. 2013. Т. 53. № 5. С. 596–611.

  12. Медведева А.Ю. Архипкин В.С., Мысленков С.А., Зилитинкевич С.С. Волновой климат Балтийского моря на основе результатов, полученных с помощью спектральной модели SWAN // Вестник Московского университета. Серия 5: География. 2015. № 1. С. 12–22.

  13. Попов С.К., Гусев А.В., Фомин В.В. Вторичный максимум уровня моря в наводнениях в Санкт-Петербурге и его воспроизведение в численных моделях // Метеорология и гидрология. 2018. № 12. С. 48–60.

  14. Averkiev A.S., Klevannyy K.A. A case study of the impact of cyclonic trajectories on sea-level extremes in the Gulf of Finland // Cont. Shelf Res. 2010. V. 30. № 6. P. 707–714. https://doi.org/10.1016/j.csr.2009.10.010

  15. Dziewonski A., Bloch S., Landisman M. A technique for the analysis of transient seismic signals // Bull. Seismol. Soc. Am. 1969. V. 59. № 1. P. 427–444.

  16. Lehmann A., Post P. Variability of atmospheric circulation patterns associated with large volume changes of the Baltic Sea // Adv. Sci. Res. 2015. V. 12. P. 219–225. https://doi.org/10.5194/asr-12-219-2015

  17. Mäll M., Suursaar Ü., Nakamura R. et al. Modelling a storm surge under future climate scenarios: case study of extratropical cyclone Gudrun (2005) // Nat. Hazards. 2017. V. 89. P. 1119–1144. https://doi.org/10.1007/s11069-017-3011-3

  18. Post P., Kõuts T. Characteristics of cyclones causing extreme sea levels in the northern Baltic Sea // Oceanologia. 2014. V. 56. № 2. P. 241–258. https://doi.org/10.5697/oc.56-2.24

  19. Rabinovich A.B. Seiches and harbor oscillations. – Handbook of Coastal and Ocean Engineering / Kim. Y.C. (ed.). Chapter 9. World Scientific Publ., Singapore, 2009. P. 193–236.

  20. Soomere T., Behrens A., Tuomi L., Nielsen J.W. Wave conditions in the Baltic Proper and in the Gulf of Finland during windstorm Gudrun // Nat. Hazards & Earth Syst. Sci. 2008. V. 8. № 1. P. 37–46.

  21. Soomere T., Pindsoo K. Spatial variability in the trends in extreme storm surges and weekly-scale high water levels in the eastern Baltic Sea // Cont. Shelf Res. 2016. V. 115. P. 53−64. https://doi.org/10.1016/j.csr.2015.12.016

  22. Suursaar U., Kullas T., Otsmann M. et al. Cyclone Gudrun in January 2005 and modelling its hydrodynamic consequences in the Estonian coastal waters // Boreal Environmental Res. 2006. V. 11. P. 143–159.

  23. Thomson R.E., Emery W.J. Data Analysis Methods in Physical Oceanography, Third and revised edition. New York: Elsevier, 2014. 716 p.

  24. Wubber C., Krauss W. The two-dimensional seiches of the Baltic Sea // Oceanologia Acta. 1979. V. 2. № 4. P. 435–446.

Дополнительные материалы отсутствуют.