Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Информационные базы, модели и прогноз состояния ледяного покрова арктических морей

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Текст научной работыДиссертация по географии, доктора географических наук, Фролов, Иван Евгеньевич, Санкт-Петербург

>' У У - ! ( / IЬ - и

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ь

| ре з иди ум вАК России I

(решение от'

Присудил ученую степень ДОЩ^О*

|уКОИИСИ

Начальник управления 'БАК России

ИНФОРМАЦИОННЫЕ БАЗЫ, МОДЕЛИ И ПРОГНОЗ СОСТОЯНИЯ ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА АРКТИЧЕСКИХ МОРЕЙ

Специальности: И.00.09 - метеорология, климатология,

агрометеорология; 11.00.08 - океанология.

Диссертация

в форме научного доклада на соискание ученой степени доктора географических наук

Санкт-Петербург • 1998

Работа выполнена в Государственном научном центре Российской Федерации - Арктическом и антарктическом научно-исследовательском институте Росгидромета (ГНЦ РФ - ААНИИ) ( ^

доктор географических наук, профессор Слепцов-Шевлевич Б. А. доктор физико-математических наук, профессор Лаппо С.С.

Ведущая организация: Российский государственный

гидрометеорологический институт

Защита состоится 12 февраля 1998 г. в 15-00 час.

на заседании Диссертационного совета Д 063.37.16

по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук

а Санкт-Петербургском государственном университете

по адресу. 199178. С.-Петербург, 10 г <

Официальные оппоненты:

доктор географических наук, профессор

ФуксВР

С диссертацией можно ознакомил С.-Пеггсрбургского государственно по адресу: 199034, С-Петсрбург,

кандидат географических наук

МосомваОД

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность

Россия является приарктическим государством, имеет максимальную по отношению к другим странам протяженность границ в Арктике и обширные осваиваемые территории за северным полярным кругом. Арктика для России представляет регион политических, экономических и оборонных интересов.

Трасса Северного Морского пути (СМП) — это важная транспортная артерия России, роль которой еще более возрастает в связи со становлением ее как трассы международных перевозок. Острова и шельф арктических морей содержат большие запасы полезных ископаемых и энергетические ресурсы* дающие стране стратегическое преимущество. Уже сейчас в арктических морях проводятся широкомасштабные работы на шельфе, связанные с изысканием и освоением природных ресурсов, и встает проблема техногенных нагрузок. Моря, являясь переходной динамической зоной между 'арктическим побережьем и глубоким , Арктическим бассейном, выступают важным звеном природного комплекса Арктики и специфическим объектом экологической системы Северного Ледовитого океана (CJIO). Поэтому исследование природных процессов в арктических морях, создание информационных баз состояния морских объектов, развитие методов расчета и прогноза состояния арктических морей представляют собой актуальную задачу науки и практики.

Из всех элементов гидрологии арктических морей и в целом CJ10 ключевым является ледяной покров. Его состояние, закономерности формирования и развития, определяют особенности океанографического режима, влияют на геохимические и биологические процессы. Лед выступает как накопитель загрязняющих веществ, инкорпорирует седимеиты и переносит их на большие расстояния.

Ледяной покров СЛО является одним из ведущих климатообразующих факторов, влияние которого прослеживается за пределами СЛО. Он влияет на хозяйственную деятельность страны: затрудняет или вообще препятствует судоходству, а его воздействие на портовые и гидротехнические сооружения, буровые платформы может иметь самые негативные последствия. Именно поэтому информация о состоянии ледяного покрова, методы ее получения, накопления и распространения, исследования ледовых процессов, развитие теории, создание методов расчета и прогноза ледовых явлений представляются значимыми для 1 решения как научных, так и прикладных задач.

| Настоящая диссертация содержит обобщение результатов многолетних ¡¡Исследований и разработок автора в области построения информационных систем I» создания специализированных баз данных о морском льде, постановки натурных экспериментов, математического моделирования динамики и термодинамики >орских льдов и верхнего слоя океана, создания методов ледовых прогнозов.

Создание информационных систем, включающих в себя максимально полные , "говерпые данные о пространственно-временной изменчивости природной , необходимо как для решения большого ряда прикладных задач, так и для • ¿«2денИя режимно-климатических исследований. Без ледовых информационных

баз невозможно развитие теории ледовых процессов, создание моделей климата, совершенствование методов расчета и прогноза ледовых характеристик.

Модели процессов служат мостом между теорией и практикой. Приоритетным направлением является развитие математических моделей, дающих информацию о тех природных элементах, систематические наблюдения за которыми не проводятся, а также являющихся основой для расчетных и прогностических методов. В методах расчета и прогноза фокусируются итоги всех стадий деятельности — развития фформационных баз, выполнения натурных экспериментов, углубления теории процессов и создания математических моделей.

Исследования, результаты которых обобщены в диссертации, выполнялись з Арктическом и антарктическом иаучно-исследовательском институте в рамках ведомственных научных и экспедиционных программ и планов НИОКР Росгидромета, Государственной научно-технической программы «Комплексные исследования океанов и морей, Арктики и Антарктики», плана фундаментальных и поисковых научно-исследовательских работ ГНЦ РФ-ААНИИ Министерства науки и технологий РФ, а также в рамках Рабочей группы по морским льдам Комиссии по Морской Метеорологии Всемирной Метеорологической Организа|ии (КММ ВМО).

Состояние вопрос«.

В1 условиях резкого сокращения экспедиционных исследований существенно возросло значение данных натурных наблюдений, накопленных в предшествующий период, их усвоения и углубленного анализа.

Большое научное и практическое значение приобретают сведения, рассчитанные по моделям характеристик природной среды, которые не могут быть получены на основе прямых наблюдений, К таким характеристикам, в первую очередь, можно отнести пространственно-временное распределение толщин морского льда, толщин верхнего квазиоднородного слоя моря, величины теплообмена между атмосферой и подстилающей поверхностью и др.

В последние годы работам по формализации архивов, созданию баз данных, моделей усвоения и формированию автоматизированных информационно-справочных систем придается высокий приоритет. Одновременно развиваются численные методы расчетов и прогнозов, которые составляют основу информационной системы и, в то же время, являются эффективным средством исследования морских льдов.

Недостаточная изученность режимных характеристик ледяного покрова, а также целого ряда ледово-гидрологических процессов сдерживает развитие математических моделей и требует проведения специальных натурных экспериментов и исследований.

Цслыо работы является обоснование, разработка методологии и создание достаточно полных баз данных о состоянии ледяного покрова и надежных методов ледовых прогнозов.

Для достижения этой цели предусматривалось решение следующих задач:

• на основе исторических массивов данных ледовых наблюдений сформировать базы данных ранее не использованных элементов ледяного покрова;

• дополнить базы данных рассчитанными по модели элементами ледяного покрова;

• развить математические модели ледовых процессов на основе учета в них региональных особенностей арктических морей;

• разработать и внедрить расчетные и прогностические методы ледовых явлений.

Научная новизна работы состоит в том, что впервые создание баз ледовых данных, выполнение натурных экспериментов, построение математических моделей и методов ледовых прогнозов исследованы как единый комплекс, и этот комплекс воплощен в действующую технологию. Создание комплекса "информационные базы—модели—прогноз" является практической реализацией для арктических морей основной концепции научных исследований АЛ НИИ в Арктике. Эта концепция базируется на системном подходе как программно-целевом методе, обеспечиваощем эффективное решение прикладных и научных проблем гидрометеорологии, как методологии, инициирующей целенаправленное изучение природных явлений в Арктике средствами эксперимента и теории.

В результате проведенных научных работ, научно-организационных мероприятий, натурных и численных экспериментов получены важные научные и практические результаты:

1. Создан и функционирует в ААНИИ Глобальный Банк Данных но Морскому Льду ВМО (ГБДМЛ ВМО);

2. Определена роль поглощенного солнечного тепла в формировании теплой прослойки вод в пикноклине арктических морей;

3. Выявлена связь для Баренцева моря между траекториями циклонов и интенсивностью процессов конвекции;

4. Получена оценка количества тепла, приносимого тихоокеанскими водами в Северный Ледовитый океан и его влияния на состояние ледяного покрова;

5. Разработана математическая модель осенне-зимних ледовых явлений;

6. Разработана и внедрена в практику обеспс-ения СМП технология создания долгосрочных ледовых прогнозов;

7. Получены рассчитанные по модели базы данных состояния морского льда за 25-легний период, которые позволили существенно расширить содержание банка ледовых натурных данных.

Практическая значимость результатов диссертационных исследований заключается в разработке долгосрочного метода расчета и прогноза ледовых условий и его внедрении в практике научно-оперативного судоходства по СМП. Результаты расчетов были использованы при выполнении контрактов с российскими и зарубежными компаниями, направленных на обеспечение работ на шельфе арктических морей (РАО «Росшельф», ДАО «Гйпроспецгаз» и др.).

Результаты натурных экспериментов позволили существенно развить модель автора, а также использованы при построении и совершенствовании климатических и прикладных моделей.

Созданные базы расчетных и наблюденных характеристик морского льда используются при решении широкого спектра режимно-климатических и регионально-прикладных исследований, а также являются основой для развития моделей и теории эволюции морских льдов.

Личный вклад автора определяется тем, что под непосредственным руководством и при участии автора создан Глобальный Банк Данных по Морскому Льду ВМО (ГБДМЛ), а также специализированные базы данных расчетных и натурных гидрометеорологических характеристик.

Автор принял участие в разработке программ и реализации 20 арктических экспедиций на судах, самолетах и полярных станциях, в большинстве из них — в качестве руководителя.

Автор, начиная с 1970 г., работал над созданием математической модели осенне-зимних ледовых явлений. Лично автором разработаны и внедрены в практику методы расчета и прогнозов ледовых явлений для морей Российской Арктики. Модель получила свое развитие благодаря специально поставленным автором натурным экспериментам.

На защиту выносятся следующие результаты:

1. Создание технологической цепочки "информационные базы—натурные эксперименты—модели—расчеты—-прогноз" для ледяного покрова арктических морей.

2. Создание Глобального Банка Данных по Морскому Льду под эгидой Всемирной Метеорологической Организации и базы расчетных и натурных данных ледовых и гидрометеорологических параметров.

3. Экспериментальное обнаружение и модельная оценка влияния коротковолновой солнечной, проникающей в слой пикноклина, радиации на процессы развития ледяного покрова.

4. Динамико-термодинамическая модель осенне-зимних ледовых условий.

5. Долгосрочный метод ледового прогноза для морей Российской Арктики.

6. Режимные и климатические характеристики морского льда и их связь с процессами в верхнем квазиоднородном слое (ВКС) морей и атмосфере.

Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались автором на симпозиумах, конференциях и съездах, наиболее значительные из которых состоялись в период с 1977 по 1997 годы в Москве (I съезд советских океанологов, 1977), Мурманске (IV Всесоюзная конференция промысловой океанологии, 1979), Санкт-Петербурге (VII съезд Географического общества СССР, 1980), Ялте (И съезд советских океанологов, 1982), Санкт-Петербурге (III съезд океанологов, 1987), Гаване (Куба, XII сессия Комиссии по Морской Метеорологии ВМО, 1997), Санкт-Петербурге

(III Международная конференция « Освоение шельфа арктических морей», 1997), а также на многих совещаниях в России и за рубежом.

Внедрение прогностического метода в Мурманском УГМС и в оперативной работе ААНИИ подтверждено актами. Работа дважды удостоена медалей ВДНХ, а также отмечена ведомственной премией им. Ю.М.Шокальского.

Публикации

Общее количество научных работ по теме диссертации (единолично и в соавторстве) — 57. Из них - основных, приведенных в конце текста доклада, — 30.

1. БАЗЫ ДАННЫХ

1.1. Информационные системы

В середине 70-х годов в ААНИИ в кооперации с разработчиками средств и методов дистанционного зондирования Земли, были начаты работы по созданию Автоматизированной ледово-информационной системы для Арктики (АЛИСА).

Основной целью создания системы АЛИСА явилось комплексное информационное обеспечение оперативных и научных задач в Арктике на базе современных средств сбора информации, технологий ее анализа и обработки, традиционных и космических телекоммуникаций ее передичи различным потребителям.

Система АЛИСА, принятая в 1986 г. в опытную, а в 1990 г. в промышленную эксплуатацию, включает в качестве основных оперативных структурных подразделений созданный в институте Центр ледовой и гидрометеорологической информации (ЦЛГМИ) и Территориальные управления Росгидромета. Это позволяет потребителям всех рангов - от министерств и пароходств до организаций и судов в Арктике, получать метеорологическую и ледовую информацию в том числе краткосрочные (одни - трое суток), среднесрочные (трое - восемь суток) и долгосрочные (от 10 суток до 6 мес.) прогнозы для требуемого участка, а также, при необходимости, для всей акватории Северного Ледовитого океана.

Дальнейшее совершенствование системы АЛИСА ведется в направлении поиска и внедрения новых технических средств сбора и обработки информации, совершенствования автоматизированных методов географической привязки и дешифрирования данных, дополнения результатов непосредственных наблюдений расчетами, создания и поддержания оперативных и режимных банков гидрометеорологических данных, перевода системы на геоинформационные технологий. В настоящее время в рамках системы АЛИСА начато создание Геоинформационной Системы Полярных Районов Земли (ГИС ПРЗ). В качестве базового программного обеспечения использована система ARC/INFO, занимающая одно из ведущих мест на мировом рынке информационных продуктов и. успешно применяющаяся в практике работе пространственно распределенными данными. Целью этих работ является повышение оперативности, достоверности и качества предоставляемой потребителям гидрометеорологической информации. В

ААНИИ установлена и введена в строй станция приема информации от арктических дрейфующих буев по району Западной Арктики. Аппаратура поставлена в ААНИИ в рамках сотрудничества с США по Международной Программе Арктических Буев (МПАБ). Данные о дрейфе буев в сочетании с векторами дрейфа морских льдов по снимкам ИСЗ позволяют поддерживать динамическую каргу, содержащую важнейшие для навигации сведения о сжатии и разрежении льдов.

Информационно-справочное ядро системы АЛИСА базируется на распределенных базах данных о состоянии природной среды Арктики, обеспечивающих функционирование Национального и Международного банков ледовых данных.

1.2. Национальные базы данных

Морские льды в арктических морях являются одним из важнейших режимообразующих факторов, влияющих на характер пространственно-временной изменчивости физических, химических и биологических процессов в различных масштабах их проявления.

В основе изучения климатических и режимных характеристик ледовых условий и разработки методов прогнозов лежат данные натурных наблюдений за ледяным покровом, атмосферой и гидросферой. Широкое внедрение вычислительной техники позволило в последние годы организовать выполнение работ по созданию баз данных по различным гидрометеорологическим характеристикам.

Ледяной покров является сложной системой и определяется совокупностью более десяти составляющих его элементов. Пространственно-временная изменчивость этих элементов и определяет состояние ледяного покрова в целом. В научных фондах ААНИИ накоплены массивы ледовых данных, полученные с различных платформ:

• визуальные судовые ледовые наблюдения;

• визуальные авиационные наблюдения;

• на