Термическое состояние вод залива Петра Великого, а также его межгодовая изменчивость, являются следствием географического положения и рельефа дна, обмена с глубоководной частью и северными шельфовыми районами Японского моря, вариаций поступления солнечной радиации, циркуляции и изменчивости параметров атмосферы, системы течений моря и характера ледовых условий. Многолетние колебания термических условий залива Петра Великого представляют значительный интерес и связаны с крупномасштабными климатическими изменениями, происходящими в атмосфере и в деятельном слое вод северо-западной части Японского моря.
Анализ межгодовой изменчивости и долговременных тенденций в термическом состоянии толщи вод залива Петра Великого выполнен по данным глубоководных океанографических наблюдений. Так как данные прибрежных гидрометеорологических станций несут в себе ограниченную информацию, которая относится только к поверхностному слою и, как правило, отражает режимные характеристики локальных акваторий (конкретных бухт или ограниченных участков заливов). Более того, эта информация не всегда адекватно отражает весь спектр изменчивости температуры воды, который реально наблюдается в мористых районах залива Петра Великого.
Анализ распределения исходной исторической океанографической информации во времени и в пространстве показал, что в настоящее время (несмотря на значительное количество имеющихся данных наблюдений) на акватории залива Петра Великого нет даже сравнительно небольших по размерам областей, в которых имеются непрерывные ряды наблюдений за последние 40–50 лет. Наиболее представительный ряд наблюдений имеется только по температуре воды. Кроме того, нестационарность термических процессов, обусловленная наличием сезонного тренда и пространственных градиентов, делает невозможным формальное объединение всех имеющихся данных по заливу Петра Великого в одну выборку.
При исследовании аномальности термического состояния вод залива в том или ином году полагалось, что она должна охватывать продолжительный временной интервал и значительную по площади акваторию. Поэтому вначале вся имеющаяся информация была сгруппирована по отдельным месяцам в достаточно крупные районы, которые сравнительно полно отражают вариации термических условий в различных частях акватории залива Петра Великого. Положение районов представлено на рисунке 42 а. Анализ полученной информации показал, что в настоящее время отсутствуют непрерывные ряды наблюдений за любой месяц, пригодные для оценки межгодовых изменений температуры воды, даже для таких сравнительно больших регионов.
Учитывая все отмеченное выше, на первом этапе исследований была оценена преемственность термического состояния вод в отдельных районах. Для этого были рассчитаны коэффициенты корреляции между временными рядами отдельных месяцев. Было установлено, что наиболее тесная связь наблюдается между временными рядами за период с апреля по июнь. Для исключения сезонного тренда исходные данные предварительно центрировались, то есть представлялись в виде отклонений от средних многолетних месячных значений в каждом районе. Затем ряды полученных средних месячных аномалий температуры воды нормировались на средние квадратические отклонения соответствующих рядов.
Поверхностный слой вод. На рисунке 42 представлены межгодовые изменения средних взвешенных нормализованных аномалий поверхностной температуры воды за апрель – июнь в отдельных районах залива Петра Великого. Из представленных рисунков следует, что во временном ходе температуры воды прослеживается ряд квазипериодических циклов. Анализ представленных графиков и рассчитанные периодограммы показали, что в межгодовой изменчивости температуры воды на поверхности залива Петра Великого доминируют колебания с периодами от 2-3 до 5-6 лет. Дополнительно в межгодовом ходе температуры воды, как следует из рисунка 42, на отдельных акваториях залива Петра Великого выделяются две противоположные климатические тенденции:

• в Амурском и Уссурийском заливах периоды потепления (соответственно с 1967 по 2001 гг. и с 1973 по 2001 гг.). Наиболее вероятно, что различия в начале этих периодов  связаны с недостаточным числом данных наблюдений в Уссурийском заливе;
• периоды похолодания в глубоководной части залива, а также в заливах Находка и Восток (соответственно с 1973 по 1988 гг. и с 1969 по 1990 гг.).

Помимо этого в заливах Восток и Находка, где ряд имеющихся наблюдений продолжительнее, с 1995 по 2001 гг. наблюдается повышение температуры воды. Смена знака долгопериодной тенденции на акваториях этих заливов, как следует из рисунка 36 е, произошла в конце 80-х начале 90-х годов прошлого столетия.
Подповерхностный слой вод. Результаты корреляционного анализа для всех сформированных средних взвешенных рядов межгодовых изменений температуры воды за апрель – июнь на акватории залива Петра Великого представлены в таблице 3. Из нее следует, что для подповерхностного слоя вод наиболее тесная связь наблюдается между горизонтами 20 и 30 м в районах 3, 4 и 5 (положение районов представлено на рисунке 42). Затем, учитывая результаты корреляционного анализа, а также для получения более продолжительного ряда межгодовых изменений температуры воды, был сформирован ряд средних взвешенных нормализованных аномалий температуры воды в слое 20-30 м для районов 3, 4 и 5. Как показывают результаты расчетов, этот подход оказался успешным. Коэффициенты корреляции между средним взвешенным для этих районов рядом и отдельными его составляющими находятся в пределах от 0.67 до 0.96, что существенно выше уровня значимости.

 

Рисунок 42 - Межгодовые изменения средних взвешенных нормализованных аномалий поверхностной температуры воды (апрель – июнь) в отдельных районах залива Петра Великого (а – номера и границы районов, б – изменения температуры в районе 1, в – в районе 2, г – в районе 3, д – в районе 4, е – в районе 5)

При анализе аномальности термического состояния подповерхностных вод от года к году использованы межгодовые изменения средних взвешенных нормализованных аномалий температуры воды в слое 20-30 м за апрель–июнь в районах 3, 4 и 5 залива Петра Великого, которые представлены на рисунке 43. Анализ графика и его периодограмма показали, что в межгодовой изменчивости температуры воды на подповерхностных горизонтах залива Петра Великого доминируют колебания с периодами от 2-3 до 5-6 лет. Более того, как следует из рисунка 43, на отдельных участках временного ряда выделяются также несколько долговременных тенденций термического режима вод:

• потепления (с 1966 по 1976 гг.);
• похолодания (с 1977 по 1990 гг.);
• похолодания (с 1995 по 2001 гг.).

 
Рисунок 43 - Межгодовые изменения средних взвешенных нормализованных аномалий температуры воды в слое 20-30 м за апрель–июнь в районах 3, 4 и 5 залива Петра Великого

Статистическая структура межгодовой изменчивости температуры воды. Исследование межгодовых изменений температуры воды выполнено с использованием метода разложения полей по ЭОФ по данным наблюдений за период 1952-2009 гг., в результате которого термические процессы представлены набором пространственно-временных колебаний различной статистической повторяемости. Климатические изменения определяются первыми, наиболее крупномасштабными колебаниями, а составляющие с высокими номерами можно отнести к случайным, то есть к шумовым эффектам.
Проведенные расчеты позволили рассмотреть статистическую структуру термических полей залива Петра Великого, выделить ключевые районы, ответственные за формирование изменчивости различных пространственных масштабов и оценить степень аномальности термического режима моря за анализируемый период от года к году (Лучин В.А., Жигалов И.А., 2006; Лучин В.А., Тихомирова Е.А., 2010).
Поверхностные воды. Для анализа межгодовой изменчивости термических полей на поверхности залива Петра Великого, представленных в виде разложения по ЭОФ, были использованы только 2 первые составляющие, аккумулирующие 70,8% информации об изменчивости исходных полей температуры. Эти компоненты дают представление об основных особенностях крупномасштабной изменчивости термического режима залива Петра Великого (рис. 44). Первая составляющая аккумулирует 57,7% межгодовой изменчивости температуры воды на поверхности. Пространственное распределение ее значений характеризует синхронные изменения полей температуры воды на исследуемой акватории. Максимальные значения (до -1,3 – (-1,8)°С) выделяются в южной части залива Петра Великого. По мере продвижения к мелководным участкам залива происходит уменьшение значений. Поэтому в вершинах Амурского и Уссурийского заливов значения первой компоненты понижаются в 2-3 раза (до -0,4 – (-0,6)°С). Процессы, представленные полем этой составляющей, можно трактовать как результат взаимодействия шельфовых и присклоновых вод залива Петра Великого.

собственные векторы	временные коэффициенты

Рисунок 44. Первые две эмпирические ортогональные составляющие разложения полей аномалий температуры воды на поверхности по ЭОФ в заливе Петра Великого

Вторая компонента ЭОФ содержит 13,1% межгодовой изменчивости температуры поверхностных вод. Она свидетельствует о противофазном вкладе в межгодовую изменчивость термического состояния поверхностных вод двух крупных районов (зоной их раздела является нулевая изолиния). Первый район (с максимумом до -1,0°С) расположен в юго-западной части залива Петра Великого. Второй район (с максимумом до 0,6-1,0°С) включает Амурский и Уссурийский заливы, а также восточную часть залива Петра Великого.
Анализ многолетней изменчивости первых двух временных составляющих разложения полей аномалий температуры воды на поверхности залива Петра Великого проводился в два этапа. На первом этапе оценивалось наличие трендовой составляющей. Вклад первой составляющей разложения полей аномалий температуры рассчитан как произведение временного коэффициента и максимального значения пространственной функции разложения, которое равно -1,8. Выполненные расчеты позволили выделить в термическом режиме поверхностных вод южной части залива Петра Великого, где значения пространственной функции равны -1,3 – (-1,8), с 1952 по 2009 гг. значимый равномерный рост температуры на 1,57 - 2,17°С. В вершинах Амурского и Уссурийского заливов, где значения пространственной функции существенно меньше (-0,4 – (-0,6)), значимый рост температуры поверхностных вод с 1952 по 2009 гг. составляет 0,5-0,7°С. Тренд второй функции выделен на грани критических оценок. Поэтому можно говорить только о возможном росте противофазности термических условий двух выделенных районов за рассматриваемый период (1952-2009 гг.).
На втором этапе проводился спектральный анализ временных рядов. При этом для корректности получаемых спектральных оценок, предварительно производилась фильтрация отмеченных трендовых составляющих для первой и второй моды ЭОФ. Анализ частотных спектров позволил выделить доминирующие периоды изменчивости. Так, в распределении первой временной функции преобладают составляющие с периодами около 2-3 и 11 лет. В распределении второй временной функции выделены периодичности 2-3 и 4 года, а также заметен 20- летний цикл.
Для выделения аномальных периодов в термическом состоянии вод, которые характерны для всей рассматриваемой акватории, достаточно подвергнуть анализу вклад только первой составляющей разложения полей аномалий температуры (как произведение временной и пространственной функций разложения). Анализ вклада первой компоненты разложения позволил выделить в термическом режиме поверхностных вод залива Петра Великого с 1952 по 2009 гг.:
- теплые по термическим условиям годы: 1952, 1958, 1960, 1967, 1968, 1973, 1975, 1978, 1984, 1988, 1991, 2000, 2006, 2007, 2008;
- к нормальным были отнесены 1953, 1969, 1970, 1971, 1972, 1976, 1977, 1981, 1982, 1985, 1986, 1987, 1989, 1990, 1992, 1994, 1997, 1999, 2001, 2003, 2004, 2005 гг.;
- холодными были 1954, 1957, 1962, 1974, 1979, 1980, 1983, 1993, 1995, 1996, 1998, 2002, 2009 гг.
Подповерхностные воды. Рассматриваемые ниже поля двух первых эмпирических ортогональных функций отражают 56,9% межгодовой изменчивости средних взвешенных аномалий температуры воды в слое 15-100 м (рис. 45).
Первая мода ЭОФ отражает 40,8% синхронных межгодовых изменений температуры воды. Пространственное распределение ее значений характеризует синхронные изменения полей температуры воды на исследуемой акватории. Максимальные значения (до -0,8 – (-1,0)) выделяются в прибрежных районах юго-западной части залива Петра Великого. По мере продвижения к вершинам Амурского и Уссурийского заливов и в восточную часть залива Петра Великого, происходит уменьшение значений до -0,2 – (-0,4).

собственные векторы	временные коэффициенты

Рисунок 45. Первые две эмпирические ортогональные составляющие разложения полей средних взвешенных аномалий температуры воды в слое 15-100 м по ЭОФ в заливе Петра Великого

Вторая компонента ЭОФ содержит 16,1% межгодовой изменчивости температуры подповерхностных вод. В поле величин, по сравнению с первой составляющей, выделяются два очага с максимальной изменчивостью (рис. 45). Распределение величин в них свидетельствует о том, что эта компонента отражает противофазность межгодовых колебаний температуры воды в западной и в восточной частях залива. Вклад второй составляющей проявляется таким образом, что если в западной части залива будет наблюдаться потепление, то в восточной - произойдет соответствующее похолодание.
Анализ временной изменчивости первых двух составляющих разложения в слое 15-100 м залива Петра Великого также проводился в два этапа. На первом этапе оценивалось наличие трендовой составляющей. Вклад первой составляющей разложения полей аномалий температуры рассчитан как произведение временного коэффициента и максимального значения пространственной функции разложения, которое равно -1,0. Выполненные расчеты не выявили значимого тренда. Поэтому можно отметить только возможную тенденцию понижения температуры в подповерхностных водах залива Петра Великого. Так, в юго-западной части залива, где значения пространственной функции равны -0,8 – (-1,0), с 1952 по 2009 гг. возможно понижение температуры на 0,7 - 0,9°С. В северной и восточной частях залива Петра Великого, где значения пространственной функции существенно меньше (-0,2 – (-0,4)), понижение температуры составляет 0,2-0,4°С. Тренд второй функции также значимо не выделяется. Поэтому можно говорить только о возможном снижении противофазности термических условий между двумя выделенными районами за рассматриваемый период (1952-2009 гг.).
На втором этапе проводился спектральный анализ временных рядов. Для корректности получаемых спектральных оценок предварительно производилась фильтрация отмеченных трендовых составляющих для первой и второй моды ЭОФ. Анализ частотных спектров позволил выделить в распределении первой временной функции составляющие с периодами около 2-3 и 9 лет. В распределении второй временной функции выделены периодичности 2-3, 4 и 8 лет.
Для выделения аномальных периодов в термическом состоянии вод, которое характерно для всей рассматриваемой акватории, был подвергнут анализу вклад только первой составляющей разложения полей аномалий температуры (как произведение временной и пространственной функций разложения). Выполненные расчеты позволили выделить в термическом режиме подповерхностных вод залива Петра Великого с 1952 по 2009 гг.:
- экстремально теплый 1953 г.;
- теплые 1968, 1974, 1976, 1981, 1989, 1991, 1992, 2002, 2004, 2008;
- нормальные 1952, 1954, 1957, 1958, 1960, 1964, 1967, 1971, 1975, 1977, 1979, 1982, 1983, 1984, 1986, 1990, 1994, 1995, 1996, 1997, 1998, 1999, 2000, 2001, 2005, 2007, 2009 гг.;
-холодные - 1962, 1972, 1973, 1978, 1980, 1985, 1987, 1988, 2006 гг.;

- экстремально холодный 2003 г.