Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Пространственно-временная изменчивость полей температуры воды Баренцева моря (в связи с задачей краткосрочного прогнозирования)

ВАК РФ 11.00.08, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Пространственно-временная изменчивость полей температуры воды Баренцева моря (в связи с задачей краткосрочного прогнозирования)"

1РДГЛ1Л ШШ ЛРКТГ.ЧЕС!П;!1 II АНТАРКТИЧЕСКИ 1Ш1Ш0-1,С(ЖДСВ.МКЛ1СЫ -Л ¡Л!СТ,ПУТ

Мурманский '51!.чипл

На пргшах рукописи

ЛЕБЕДЕВ Игорь Алексгшдропич

ПРССГРАШТ8КННО-ВРЫЛЙЙ1АЯ ИЗ'.КНЧЖОЛЪ ПОЛЕЙ ТШШРА1УРН ВОДЦ ЬАРЬ;И]]Л5Л МСРЯ (В СВЯЗИ С ЗАДАЧЕЙ КРЛТКССРСЧНСГО ЛРГПК.ЖРСВЛНКЯ)

II.C0.C8 - океанология

Автореферат диссертации на соискание ученой стспони кандидата географических наук

Мурманск 1991

Работа выполнена в Арктическом и Антарктическом научно-исследовательском институте.

Научный руководитель - кандидат физико-математических

наук Г.В. Алексеев

Официальные оппоненты - доктор географических наук

Ю.В. Суставов - кандидат географических наук В.К. Павлов

Ведущая организация: Гидрометеорологический научно-исследовательский центр СССР

Защита состоится " 1992 г.-в/^Г*час.Ра

на заседании специализированного совета Д.024.04.01 по принуждению ученой степени кандидата наук при Арктическом и Антарктическом научно-исследовательском институте по адресу: 199226, Санкт-Петербург, ул.Беринга, 38.

Отзивы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по указанному адресу Ученом/ секретарю совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ААНШ.

Автореферат разослан "

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат географический наук ' ?'LCt, в.II. Карклин

Ч' 3

, СЩЛЯ ХАРАКПИЙША РАБОТЫ

Актуальность проблемы. При совершенствовании системы гидрометеорологического обслуживания морских хозяйственных организа-дий важной задачей является разработка автоматизированных методов расчета и графического представления полей температуры поди ¡а различных горизонтах, а также их прогноза на срок от суток до лесяца, т.е. в синоптическом диапазоне изменчивости. Б Баренце--'ом мере актуальность исследования и моделирования синоптических 1роцессов посылается б связи со значительной циклонической активностью в атмосфере и высокой'повторяемостью штормов. В результате их стохастического воздействия могут формироваться крупные 1 устойчивые во Бремени аномалии температуры воды (Нестеров,1981, [984; Питербарг, 1909 и др), что необходимо учитывать и при изучении явлений сезонного и климатического маептабов. Вместе с тем 10 недавнего времени эти особенности не принимались во внимание. 1а Баренцевом море приоритет отдавался исследованиям многслот-1ой и сезонной изменчивости температуры воды по наблюдения.',I на зековых и стандартных разрезах. На этой основе разрабатывались методы прогнозов средней температуры по слоям 0 -г 50 м, 0 -г 2ь0 м ;ля отдельных участков квазипостоянных теплых течений с заблаго-зрекенностью от месяца до нескольких лет (Каракаш, 1557; Дрсгай-*ев, 1959; Боровая, 1972, 1977; Суставов, 1977; Бочкоз, 1977 и Ф-).

Наиболее крупные разработки автоматизированных методов объективного анализа и краткосрочного прогноза температуры воды на оке-шских акваториях выполнены в Центре численной океанографии 1Ъ5> (С(: апсу , РоПак- , 1983) и в Гидрометцентре СССР (Ка-[ацкий, Нестеров, 1980; Нестеров, 19В8; Зеленько, Ресняпский, ^967). Спыт этих исследований показал, что среди первоочередных направлений развития подобных систем наибольшее значение имеют :овершенствование методов объективного анализа исходных полей емперптуры и моделей деятельного слоя, использование цнкличес-:их схем "анализ-прегноз-аналпз". В то л;е время в локаиьннх морсах районах успех прикладного моделирования в большой степени южет определяться ориентацией моделей на реальные потоки натурных данных и учет специфических особенностей масштабов и механизмов изменчивости.

В целом, для создания о$£октавжос информационно-вычислительных систем необходимо применение спстешюго подхода (Нелепо, Тимченко, 1978; Нимченко, 1908). Ьри этом и первоочередным направле-ншш работ следует также отнести рациоиавипацш к автоматизацию системы сбора океанографической информации, создание современных информационных баз данных, исследование преобладающих масштабов изменчивости полей и влияющих факторов непосредственно в обслуживаемом районе, тщательную адаптацию моделей к объекту.

Цель и задачи дисссртг, ;ни. Целью работы является исследование региональных особенностей пространственно-временной изменчивости температуры воды дли их учета при создании инфермационно-вычиелнтельной системы, включающей методы оперативного анализа и прогноза термических полей Баренцева моря. Для ее достижения были поставлены следуюцие задачи:

1. Разработка методики объективного анализа океанографических полей, учитывающей специфичес:ь'^ особенности моря.

2. Сптимизация региональной системы океанографических наблюдений.

3. Создание специализированной информационной Сазы, проведение экспериментальных работ для изучения синоптической и мезомасш-табной изменчивости.

4. Статистический анализ натурных данных для определения характерны:: масштабов изменчивости, пределов точности прогнозирования полей температуры воды.

5. Исследование с помощью локальной модели роли основных факторов, определяющих синоптическую оволюцию вертикальной термической структуры.

6. Поэтапное внедрение и испытания разрабатываемых блоков комплексной информационно-вычислительной системы.

Научная новизна. Впервые для различных сезонов, районов, слоев Баренцева моря получены статистические характеристики полей температуры воды: пространственные автокорреляционные функции в различных "направлениях, временные структурные функции, оценки составляющих дисперсии за счет синоптических и ыезомасштабных процессов. Выявлены преобладающие масштабы неоднородностей полей температуры воды и параметров ее вертикального распределения.

Разработаны общая структура реализованного в соавторстве (Голубев, Зуев, Лебедев, 1909, 1991) программного комплекса объек

b

тивного анализа океанографических параметров и рлд использованных в нем алгоритмов. Предложен метод восстановления океанографических полей с учетом полевения крупискясатабной фронтально!! о спи. 16 основана адекватная региональным условиям методика разделения полей Tin разномасштабные составляющие измончпиости.

иыпплнона оптимизация систе:Х1 океанографических наблюдений. Проект новой сети станций обеспечивает восстглхилспко поле!' температурь; ti оды по материал?:.! крупномасштабных сгемск глоря с заданной точностью, позволяет реализовать мониторинг климатической и сезонной изменчивости и сбор информации о синоптических и мо-зсмаситабних процессах в характерных раменах.

На основе специализированных экспериментов впервые оценены параметры локалыгпх фронтов и ксэотсатабных образований б однородных зонах Баренцева моря, лолучеш несСход:»п:е для автоматизированного анализа полей обобщенные характеристики климатической полярной фронтальной зоны ílJ'ií») на резлкч'шх ее участках. Проанализированы условия локальней ннтенот'шгацки передачи тепла от глубинных атлантических вод к поверхности m севере моря.

Построена и верифицирована одномерная модель синоптической эволюции вертикальной термической структуры вед. Показан', возможность ее использования в прогностических целях при условии учета адвекции тепла за счет дрейфовых течений.

lio результатам исследований пространственно-временной изменчивости температуры води конкретизирована концепция окономич-ной региональной системы методов оперативного анализа и прогноза термических полей.

Практическая ценность работ. Проект оптимизированной системы судовых океанографических наблюдений с 1966 года внедрен в Мурманском управлении по гидрометеорологии, отдельные нлемонты системы используются в экспедиционной практике региональных организаций различных ведомств.

Комплекс методов объективного анализа полей монет применяться при решении широкого круга задач, связанных е прикладным математическим моделированием океанографических процессов и оперативным гидрометеорологическим обслуживанием хозяиственшос организаций. В частности, с IS90 года в Мурманскгмдромете используется автоматизированный метод оперативного анализа и инерционного (с учетом годового хода) прогноза полей температуры воды.

Ряд полученных автором результатов включен в научно-справочное пособие по гидрометеорологическому ре?киму Баренцева моря, подготовленное в рамках проекта "¡¿оря СССР".

На защиту выносятся:

1. Адаптированная к региональным особенностям методика объективного анализа полей температуры воды.

2. Обобщенные статистические характеристики синоптической и мезо,масштабной изменчивости полей температуры воды и параметров вертикальной термической структур» Баренцева моря.

3. Оптимизированная с.п--. 'сема судовых океанографических наблюдений.

4. Данные о параметрах климатических и локальных фронтов в регионе, полученные из анализа материалов специализированных экспериментов.

5. Сценки интенсивности теплообмена глубинных атлантических вод с поверхностными слоями в северной части моря и условий локальней активизации этого процесса.

6. Верифицированная для различных районов моря одномерная модель перераспределения тепла в синоптических масштабах времени.

7. Принципиальная схема построения экономичной системы оперативного анализа и прогноза полей температуры, учитывающая особенности режима Баренцева моря и реальные потоки натурных данных.

В. Результаты опытного применения метода инерционного прогноза полей температуры с учетом ее годового хода.

Апробация работы. Результаты диссертации докладывались на семинарах лаборатории океанографии Шг ДАНИИ и итоговых сессиях Ученого совета îv$ ААНШ (I985-I99I), Всесоюзной конференции "Эко л огня и биологическая продуктивность Баренцева моря" (Мурманск, 1986), заседаниях Межведомственного океанографического семинара при Мурманском отделе Географического общества СССР (Мурманск, I986-I9B8), Ш съезде советских океанологов (Ленинград, 1987), итоговой сессии Ученого совета ААНЙ11 (Ленинград, 1988), Всесоюзном семинаре "Океанологические фронты северных морей: характеристики, методы исследований, модели" (Москва, 1909), УШ Всесоюг ной конференции по промысловой океанологии (Ленинград, 1990), семинарах отдела морских прогнозов ГЫЦ СССР (1990) и отдела теории взаимодействия океана и атмосферы ДАНИИ (1991), 1У Всесоюзнс

конференции "Перспективные методы планирования и анализа экспериментов при исследовании случайных полей и процессов" (Петрозаводск, 1991).

Сбъем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шли глав, заключения и списка литературы (200 наименований) . Общий объем работы - 207 страниц, включая 130 страниц машинописного текста, 7 таблиц, 46 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность теш диссертации, формулируется цель и ста---зятся задачи исследования.

Первая глаза является обзорной. В первом параграфе описываются основные климатические закономерности формирования полей температуры води Баренцева моря, которые необходимо учитывать при исследовании изменчивости меньших масштабов. К ним относятся ярко выраженный годовой ход температуры, повсеместное формирование в летний период верхнего квазиоднородного слоя (ВНЕ), интенсивная осенне-зимняя конвекция, разделение моря крупномасштабной 11<Ю на див части с различным режимом, существенная роль адвекции тепла из Норвежского моря в формировании термических полей южной, незамерзающей части моря и т.д.

Несмотря на длительную историю изучения Баренцева моря, обобщение сведений о синоптической и мезомасштабной изменчивости полей до сих пор не проводилось. Для изучения временно!! изменчивости в указанных диапазонах отчасти могут использоваться данные наблюдений на многосуточных станциях, выполнявшихся впизодически в 1961-1990 годах. В основном накопленные архивы данных недостаточны для решения всех поставленных в работе задач, в связи с чем требуется проведение дополнительных ¡экспериментов на основе модернизированной системы наблюдений.

Во втором париграфе представлен аналитический обзор литературы, посвященной научно-методическим принципам экспериментальных исследований разномасштабной изменчивости океанографических полей и выбора оптимальной дискретности сетей станций. На этой основе и с учетом исторически сложившейся в регионе системы наблюдений выбирается подход к ее оптимизации.

Вторая глава посвящена развитию методов обработки натурных данных и обоснованию проекта оптимизированной системы наблюдений, В первом параграфе описывается использованный в работе комплекс

методов объективного анализа и статистической обработки данных судовых океанографических съемок (Голубев, Зусь, Лебедев, 19В9, 1991), реализованный на ЕС ЭЕМ. Включенные в комплекс сервисные программы предназначены для выборки данных из специализированной информационной базы, корректировки и объединения выборок. Программы классификации осуществляют определение координат (т.е. тем пературы и глубины) границ квазиоднородных и высокоградиентных слоев по профилям вертикального распределения температуры, а так ко разделение совокупности данных океанографических съемок на фронтальную и однородные о •..•ни. Интерполяция в узлы заданной регу лярной сетки производится с одновременной оценкой вероятных ошибок восстановления поля. Влияющие точки выбираются по условию ми нимума среднеквадратической ошибки восстановления, при атом возможен учет анизотропности поля путем задания параметров обобщенных эллипсов корреляции. Вычитанием норм температуры воды на момент наблюдений обеспечивается вычисление полей аномалий. При предположении о сохранении аномалии в течение анализируемого периода осуществляется приведение исходного поля к заданной дате. Комплекс также предусматривает пространственное сглаживание или фильтрацию данных в узлах регулярной сетки, восстановление обработанного поля в исходных точках и расчет пространственных статистических характеристик по градациям направления и расстояния.

Особенностью комплекса является запись всех промежуточных результатов в рабочий набор данных в виде последовательных наборов жесткой структуры, к которым может обращаться любая другая программ*. Это обеспечивает возможность выбора оптимальной мето' дики и последовательности расчетов в целях выделения случайных составляющих изменчивости для их статистического исследования, при решении различных оперативно-прогностических задач или при разработке математических моделей.

Во втором параграфе рассматриваются методика и результаты оптимизации океанографических наблюдений. Поскольку решение опт мизационной оадачи~П9 может быть полностью универсальным, принц шальное значение при формулировке проблемы приобретает определ ние наиболее важных требований к системе, а вся дальнейшая рабо та дол?иа быть подчинена поиску разумного компромисса. В данном случае считалось, что оптимизированная система в первую очередь должна обеспечивать: а) восстановление океанографических полей

по результатам судовмх съемок с сохранением по всей акватории заданной точности; б) продолжение уникальных многолетних рядов наблюдений на векових и основных стандартных разрезах; в) регулярный сбор данных дли дойстиуюцих методик морских прогнозов; г) мониторинг кляс.а'гическсй и сезонной изменчивости в отдельных репрезентативных районах; д) сбор информации для исследований синоптических и мсзомасштабних процессов. Креме того система должна быть практически осуществимой с учетом региональных окс-тедиционных ресурсов.

При таком сочетании требований для построения статистически збусловленной сети наиболее целесообразно применение подхода, разработанного раное в метеорологии (Дроздов, Шепелевский, 1946; ^андкн, 1961 и др.). В систему Силы включен!!, в первую очередь, .¿ековые и основные стандартные разрезы, далее проводились експе-эимеитп по объекта ьнс.\у анализу полей с вычислением вероятных этнбок восстановлен:;)!. В районах, где сшибки превышали допустимые, добавлялись дополнителыше станции. Выло признано зезмож-1Ш таюг.о исключение некоторых стандартных стянцнй вм-гой части .юр я при выполнении крушюмасптаСних съемок. В качестве критерия точности восстановления в поверхностных слоях выбрани значения .),3 -г определенные по результатам опроса потребителей

жеанографпческой инфчрмецп:! и приблизительно соответствующие величинам 0,С74(п,где С[ - характерные среднекьадратнчсскне от-гленепия температуры води в однородных зонах в разные сезоны. 5 связи с тем, что температура является наиболее изменчивым из традиционно наблюдаемых на разовых станциях гидролого-гидрохимп-[еских олементов, причем ¡такс сезонного термоклина ез прострпн-:твенная изменчивость убывает, полагалось, что построенная таким >бразом сеть будет заведомо достаточной для восстановления по-:ей других олементов на основных стандартных горизонтах. Полу-[енная в результате генеральная сеть включает 285 станций, работа на которых целесообразно проводить дваяды в год в периоды аксималыгого и минимального прогрева. Для обеспечения квази-иихрош гости съемок в них должны участвовать 2 судна в зимний .ериод и 4 судна - в летний.

Из числа станций генеральной сети выделено II реперннх точек наиболее репрс^гативных районах. Сни предназначены для выпол-ешш в переходные сезоны одно- трехсуточных; серий наблюдений

(наряду с минимумом вековых,и стандартных разрезов). Это обеспечивает повышение точности определения аномалий температуры воды, исследование межгодовой и сезонной изменчивости.

Для изучения синоптических и мезомасштабннх особенностей предложено периодически проводить многосуточные наблюдения в ре-перных точках с одновременным выполнением мезо- и микросъемок в их окрестности, а также полигонные роботы в характерных районах ГШ (западный, центральный, восточный и северный полигоны). Для повышения эффективности таких экспериментов разработаны методические рекомендации, в которых рассматриваются комплексы наблюдений, требования к их дискретности, схемы съемок различных масштабов и т.д.

В третьей главе приводятся результаты анализа пространственно-временной изменчивости температуры воды по натурным данным.

С помощью численных экспериментов обоснована методика объек тивного анализа и статистической обработки данных океанографических съемок, учитывающая региональные особенности исследуемого бассейна. На первом этапе осуществляется.разделение исходной совокупности данных на фронтальную, теплую и холодную зоны. Затем они попарно объединяются в два массива: теплые + фронтальные и холодные + фронтальные, после цего выполняется объективный анализ отдельно по каждой из двух совокупностей с последующим объединением в общее поле. В переходной зоне предпочтение при этом отдается тол^у результату интерполяции, который дает наи меньшую среднеквадратическую ошибку. Таким образом исключается одновременное участие точек, принадлежащих теплым и холодным водам, в вычислении значения в одном и том же узле. Ближайшие точки фронтальной и однородной зон учитываются при интерполяции в окрестности их границы. Сравнение с результатами синоптического (ручного) анализа и других объективных методов подтвердило, чтит такой алгоритм позволяет восстанавливать довольно мелкие детали полей на участках со сложной структурой и предотвращает "размывание" фронтов, характерное для традиционных методов анализа.

Для выделения случайных составляющих из исходных полей температуры вычитались поля ее среднемноголотних значений на заданную дату. Оценки статистических характеристик изменчивости и вкладов в общую дисперсию составляющих различных масштабов проиа водились на основе фильтрации полученных полей аномалий с ширине

окна от 5U до 200 км.

Статистический анализ пространственной изменчивости температуры воды на стандартных гсризоитах и параметров вертикальной термической структуры (глубины BKG, глубины залегания нижней границы и толщины слоя скачка, среднего градиента температуры в слое скачка) был выполнен по данным четырех крупномасштабных межведомственных окследиций "Бпрокс". Экспедиции проводились с учетом рекомендаций по модернизации систем.! наблюдений в 1984-1987 годах (в периоды максимального и минимального прогрева вод). По согласованным программам в них участвовало от 8 до 12 судов различных ведомств, что обеспечивало выполнение в течение 30 + 50 суток двух- трехкратшх съемок моря, сопровождавшихся полигонными и многосуточными наблюдениями в отдельных районах. Общий объем гидрологических наблюдений составил около I00Ü станций при зимних съемках и около 2000 - при летних.

В ходе расчетов оценивались пространствешые автокорреляционные и структурные функции по различным направлениям, дисперсии процессов различных масштабов. Обобщение этих оценок показало, что наибольший вклад в дисперсКю поля аномалий температуры вносят неоднородности с масштабами 200 -г 350 км. Вклад в общую дисперсию ыезомасштабных процессов и ошибок наблюдений в пределах однородных зон незначителен и составляет от 5-0% в поверхностных слоях до 20-30% в слое скачка. Получены достаточно надежные эллипсы корреляции для различных ее уровней, характерные для.различных сезонов, районов, слоев моря. Величины больших полуосей эллипсов корреляции полей отклонений от норм (для уровня 0,1) изменяются от 150 км до 380 км, а соотношения большой и малой осей - от 1,2/1 до 2,2/1. Исследовано вертикальное распределение интервалов корреляции, для южной части моря характерным является наличие минимума этих величин в слоях, подстилающих слой скачка (т.е. 50-100 м). Структура полей глубины ВКС оказалась близкой к структуре полей температуры на стандартных горизонтах, а интервалы корреляции полей глубины нижней границы слоя скачка в южной части моря уменьшаются до 90 * 120 км. В северных районах эта особенность не наблюдается, кроме того, здесь практически отсутствует анизотропность полей характеристик вер- ■ тикального распределения температуры.

Полученные по материалам крупномасштабных съемок выводы о

преобладающих масштабах изменчивости и характерных интервалах корреляции были подтверждены в рззультате статистической обработки данных непрерывной регистрации температуры поверхностного слоя воды на 17-ти длительных галсах в различных рейсах НЯС "Профессор Молчанов" (протяженность галсов изменялась от 280 до 600 км, дискретность отсчетов при формировании рядов - ст 0,4 до 1,2 км). При утом были такие выявлены преобладающие пространственные масштабы мсзомаситабних пеоднсродностей - 25 4- 30 км и 6-10 км. Во ад этих составляющих в обдую дисперсию изменялся от 5-10% до 40-5С$ в зависимости от выраженности синоптических неоднородностой.

Для анализа временной изменчивости использовались материалы наблюдений на 64 многосуточных станциях продолжительность?) от 6 до 41 суток, выполненных в I96I-T99U годах. Здесь основное внимание уделялось получении типовых структурных функций, необходимых для оценки при объективном анализе вероятных ошибок за счет несинхронности наблюдений по методике В.4.Суховей (1969, 1971). Типизация проводилась путем осреднения семейств структурны?: функций для основных гидрологических сезонов с отфильтрованной мезомасштабной изменчивостью. Выделено 9 типов: для периода прогрева (конец мая-ишь) и лета (конец июля-сентябрь) - по три типа, отражающих изменчивость в различных слоях; для периода выхолаживания С октябрь-декабрь) - два; для зимы (январь - первая половина мая) - один. В шести из этих девяти случаев структурные функции достигают насыщающего уровня через 30-60 часов и в дальнейшем практически не меняются, различия состоят только в средних значениях этого уровня, колеблющихся в пределах от 0,3° до 0,6°С, Типовые структурные функции, полученные по данным многосуточных наблюдений в поверхностных слоях в сезоны интенсивного изменения теплосодержания вод, монотонно возрастают. Они достигают за 10 суток значений ~ 1,4°С в период прогрева и--1,0o в период выхолаживания, что указывает на заметное увеличение в зти сезоны вероятных ошибок восстановления полей за счет несинхронности измерений. Летом в сезонном термоклине рост структурных функций прекращается в среднем через 50-70 часов, но га довольно высоком уровне (~I,3° -i- 1,4°С). В дальнейшем их ходе наблюдается минимум, обусловленный сильной синоптической изменчивостью с масштабами 100 -í 120 ч.

В двух последних параграфах третьей глош приводятся результаты качественного анализа данных специализированных полигонных и мнсгосуточнкх наблюдений, выполненных в последние годы с использованием разработанных автором методических рекомендаций и, в ряде случаеп, при его непосредственном участии. Анализ материалов 26 экспериментов в характерных районах ГШ позволил определить типичные значения суммарных перепадов 1-^5°С) и градиентов (~0,0Ь -:- 2,2°С/км) температуры, используемые в дальнейшем при автоматизированном комплексном анализе полей. Показано, что в целом положение климатических фронтов в пространстве довольно устойчиво: в районах, где они приурочены к наиболее резким перепадам глубин, амплитуды их синоптических смещений не превышают 60 км, а в центральной части морч иногда достигают 200 км. Выделены участки наиболее интенсивного меандрирования и образования вихрей (в тем числе - внутритермоклинных), связанные с зонами опускания атлантических вод под баренцевсмсрские и с зоной наибольшей барсклииности фронта в центральной части моря. По данным одного из экспериментов в этом районе оценены параметры волнового фронтального процесса (Л ~50-60 км, Т~32-40 ч; С~ ~ 0,4-0,b м/с). Большая повторяемость колебаний с такими периодами подтверждена при статистической обработке рядов наблюдений на многосуточных станциях, выполненных в различные годи вблизи ШЗ.

Анализ материалов четырех экспериментов в окрестности различных реперных точек показал, что важной причиной мезсмасштаб-ных колебаний в однородных зонах является формирование в них локальных фронтов с перепадами температуры до 0,4°-0,5°С, сосредоточенными на расстояниях порядка I км, а также перемещение, ме~ андркрование этих фронтов, образование вихрей с масштабами 6-10 км.

Четвертая глава посвящена исследованиям реакции вертикальной термической структуры на атмосферные синоптические воздействия на основе численного моделирования.

В качестве прототипа использовалась одномерная интегральная модель Ю.Ы.Нуфтаркова и В.К.Коснырева (1976). Параметризация продукции и диссипации турбулентной энергии в ВИЗ осуществлялась по соотношению, предложенному Ю.Д.Роснянским (1975,1276). В модель внесены некоторые уточнения. В частности, для проведения числен-

них окепериментов предусмотрено табличное задание переменного коэффициента вертикальной турбулентной температуропроводности в сезонном термоклине: К (£), а такие горизонтальной адвекции тепла: А^ (t) - а пределах ВКС; А С % , t ) - в термоклине. Для предотвращения аномального прогрева поверхности моря в штилевых условиях вьеден дополнительный параметр - минимально возможная скорость ветра V(alrt (принимается V=Vmirl и случае V < Vnan). Это отражает близкое к реальности предположение о сохранении некоторого уровня гурбулизовашости верхнего слоя даже при штиле. При отрицательных потоках тепла из атмосферы и исчезновении разрыва температуры под DKG пригоняется механизм конвективного приспособления. Численная реализация модели выполнена В.А.Голубевым.

Модель верифицирована автором по данным нескольких шогосу-точных станций в северной и южной части моря. Результаты численных экспериментов показали, что с учетом некоторых- различий параметров для севера и юга модель хорошо отражает влшзние как штормовых воздействий, так и интенсивного прогрева поверхностного слоя. Обеспеченность расистов температуры води в ВКС и сезонном термоклнне а течение нескольких суток составляет 80-85% при допустимых ошибках 0,2-0,3°С, а глубины ВКС - ?0-С($ при допустимых ошибках 5-7 ы. Расчеты по данным мпогосуточных станций, выполненных в одной и той же точке, но в разных синоптических ситуациях, показали , что степень влияния горизонтальной адвекции тепла в этих временных масштабах колеблется в широких пределах и определяется направлением и интенсивностью дрейфовых течений.

При построении системы прогнозирования полей температуры воды в масштабах «оря необходимо учитывать специфические особенности перераспределения тепла в его северной части, связанные с распространением здесь относительно теплого глубинного сдоя атлантических вод и его теплообменом с поверхностными слоями. Результаты качественного анализа и численных оценок интенсивности отих процессов рассмотрены в третьем параграфе четвертой главы. Использовались материалы двух съемок северо-запада моря, выполненных с интервалом около месяца летом 1989 года (в рамках Со-вете-кв-норвежского океанографического проекта). Наблюдения гидрологическими зондами высокого разрешения показали, что холодный экранирующий слой, препятствующий поступлению тепла глубинных вод к поверхности, Сил разрушен на небольших участках акватории,

приуроченных к некоторым прибремшм и фронтальным районам. В первом случае это происходило вследствие благоприятного сочетания условий для изопикничес^ого подъема атлантических вод и обрушения полусуточных внутренних волн при подходе к берегу, во втором - вследствие активных интрузионных процессов, сопровождающихся вертикальным теплообменом за счет совместного действия послойной конвекции и солевых пальцев в верхних и нижних частях интрузий. На основе решения дифференциального уравнения теплопроводности (при условиях постоянного адвективного притока тепла в глубинных слоях и оттока тепла на ледотаяние - в поверхностных) были оценены по натурным данным эффективные коэффициенты теплообмена, потоки тепла и скорость ледотаяния. В частности, в прифронтяльных районах интрузионного расслоения потоки достигали ориентировочно 25 58 вт/ы^, а лед толщиной 10 см должен таять за счет отих процессов в течение 6-17 суток. Анализ спутниковых ледовых карт за несколько лет показал, что на выделенных локальных участках акватории систематически образуются полыньи. В некоторые годы это приводит к более раннему освобождению ото льда северной части моря по сравнетию с центральной.

В пятой главе рассматриваются прикладные аспекты использования результатов проведенных исследований при разработке методов расчетов и прогнозов.

Аномалии температуры воды в Баренцевом море сохраняются, в среднем, в течение 3-6 месяцев. Поэтому для прогнозирования полей температуры в пределах месяца в большинстве случаев правомерно применение инерционного метода, основанного на переносе аномалий по годовому ходу вперед на заданную дату. При этом оперативный объективный анализ исходного поля осуществляется с учетом полученных в данной работе типовых характеристик полей, выбираемых автоматически в зависимости от сезона, района и горизонта наблюдений.

Опытные прогнозы на середину следующего за исходным месяца выполнялись в период с августа по декабрь 1920 года для трех горизонтов (0 м, 50 м, придонный). Их оправдываемость в 9 из 12 случаев оставалась в пределах от 83 до 94$, а в остальных - была снижена до 71 * 75%. Эффективность метода по сравнению с климатическими и обычными инерционными прогнозами колебалась от 8 до 50%. Качественный анализ показал, что уменьшение опрандывае-

мости было связано с аномальным'прогревом поверхностных слоев на севере моря в сентябре и с интенсивным вертикальным перераспределением тепла под влиянием штормов - в октябре. Оба эти процесса в значительной степени могут быть учтены при привлечении предложенной одномерной математической модели.

С учетом специфических особенностей ре;:-:кма моря сформулирована концепция, развития экономичной информационно-вычислительной систсш оперативного анализа и прогноза полей температуры воды. Она должна сочетать объективный анализ, инерционный прогноз аномалий, учет годового хода температуры, расчет и прогноз на несколько суток эволюции термической структуры с помощью модели. В данной работе подтверждена однородность теплой и холодной зон,показаны значительные ¿шештабы преобладающих элементов структуры полей аномалии температуры, относительно малый вклад в дисперсию мезешештабных образований, устойчивость положения климатических фронтов и т.д. Ранее были выявлены особенности циркуляции ь море: преимущественно ветровое ее происхождение, однонаправленность непериодических течений в верхнем 200-метровом слое, малость вертикальных скоростей (Танцюра, 1959; Денисов, 1985), В связи с этим представляется допустимым:

- заменять на первом этапе прогноз положения 1113 диагнозом

- прлменять модель эволюции термической структура только в нескольких характерных точках (центрах областей аномалий) с пос ледующей интерполяцией результатов в пределах однородных, зон;

- учитывать адвекцию на основе расчета только дрейфовых те ченпй.

Для обеспечения системы исходными данными следует использо вать предложенную оптимальную схему наблюдений и производись ус воение другой текущей гидрологической информации. Наибольшее вн мание при усвоении должно быть уделено возможно более частоцу уточнению положения ПФЗ по попутным и специализированным судовы и авиационным наблюдениям.

Проведенные исследования позволяют предположить, что в слу чае тщательной адаптации методов к конкретным районам возможное уменьшение точности прогнозирования по предлагаемой схеме (в сравнении с полными моделями) будет оставаться в пределах макси мально достижимой'точности восстановления нолей температуры по натурным данным.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационной работы:

1. Разработаны структура и ряд алгоритмов комплекса методов объективного анализа и статистической обработки результатов океанографических наблюдений. Обсснозана методика учета климатической фронтальной зоны при объективном анализе полей. Показано, что для Баренцева моря наиболее адекватным методом разделения детерминированных и случайных составляющих изменчивости является исключение из исходных данных океанографических съемок полей среднсмноголетней температуры воды с учетом ее годового хода.

2. На основе статистической обработки большого объема натурных данных получены сценки характерней: для различных сезонов, районов и слоев меря пространственных автокорреляционных и временных структурных функций, что позволяет применять предложенный метод объективного анализа при математическом моделировании

и разработке прогностических методик.

3. Показано, что в Баренцевом море преобладающими в синоптическом диапазоне изменчивости являются аномалии с пространственными масштабами 20С-350 км, характерными для баротропных процессов. Выявлена анизотропность полей аномалий: ориентация максимальных интервалов корреляции, как правило, хорошо согласуется с направлениями основных струй квазипостоянных течений. В ме-зокасшгабном диапазоне доминируют неоднородности с масштабами 25-30 км и 6-10 км. 1!а участках пространства и отрезках времени, соответствующих преобладающим синоптическим масштабам, вклад этих составляющих в общую дисперсию изменяется от 5-102 до 40-50% в зависимости от выраженности синоптических неоднородностей. Надежное исключение такой изменчивости без искажения синоптической структуры поля достигается сглаглванием данных океанографических съемок с шириной окна около 50 км и является наиболее необходимым при анализе данных па горизонтах, близких к высокоградиентным слоям.

4. Разработанный с учетом статистических оценок изменчивости и наличия реальных экспедиционных ресурсов проект оптимизации региональной системы океанографических наблюдений обеспечивает:

- восстановление полей температуры воды по результатам крупномасштабных съемок с приемлемой для практики точностью;

- сбор данных для информационно-вычислительной система.! методов

расчета и прогноза термических полей;

- мониторинг климатической и сезонной изменчивости;

- исследования синоптических и мезомасщтабных процессов з характерных районах моря.

5. В результате обобщения материалов специализированных судовых скспериментов дана качественная характеристика структуры различных участков ГШЗ, выявлены paiioHai наиболее интенсивного мсандркровашш к ви.чреобразования, оценены преобладающие масштабы вихре!': (~25 -:- 50 км). Определены типичные значения градиентов и суммарных перепадов температуры на климатических фронтах, используемые при автоматизированной комплексном анализе полей. Показано, что одной из ванных причин мезомасштабной изменчивости полек температуры з однородных зонах является наличие локальных фронтальных разделов с перепадами температуры 0,4°-0,5°С, сосредоточенными на расстояниях порядка I км, а также их меанд-рированиз и образование вихрей с размерами б -г 10 км.

6. Получены по экспериментальным данным предварительные оценки потоков тепла от глубинных атлантичесг.и\ вод к поверхности на локальных участках акватории сеиернои части моря. Благоприятные условия для активизации этих процессов за счет обрушения полусуточных внутренних волн при подходе к берегу или развития двейней диффузии в зонах интенсивного интрузионного расслоения создаются в некоторых прибрежных и фронтальных районах.

7. Сформулирована и верифицирована для южной и севэрнсй час тей моря достаточно простая, по учй'шшоща« основные региональные особенности одномерная модель вертикального перераспределения тепла в синоптических маептабах ироиони. Показано, что модель хорошо отражает влияние как щториошх воздействий, так и интенсивного прогрева поверхностного слои, и может использоваться в прогностических целях при условии учета адвекции т^нла дрей Фоеыми течениями.

8. Олравднвземость предложенного метода инерционног.о прогноза полой температуры води на моенц с учетом ее годового ход-} составляла в августе-декабре 1990 года от 71 % до 94%>. Эффективность метода по сравнению с ктятичеспиш и обычными инерционными прсгносагя! колебалась от 0 до ijOf.-, максимальная оффик-тивность 50 т 58£) наблюдалась в периоды наиболее тракенной аномальности тепловых процессов. Анализ случаев пониженной оп-

раадипаекости показал, что сшибки прогнозов могут быть существенно уменьшены при использовании для их корректировки локальной модели перераспределения тепла по вертикали и расчетов дрейфовой адвекции.

9. Показана возможность повышения экономичности региональной информационно-вычислительной системы оперативного анализа и прогноза полей темпоратури воды без существенных потерь точности за счет введения ряда упрощений. Система должна опираться на оптимальную схему сбора океанографических данных, сочетать тщательный объективный анализ, инерционный прогноз и учет годового хода температуры с корректирующими расчетами и прогнозами на несколько суток эволюции термической структуры в характерных районах с помощью математической модели.

По теме диссертации опубликована 21 работа (в соавторстве). В этих публикациях вклад автора заключается в непосредственном участии в обосновании методпк и проведении экспериментальных работ, в создании методов обработки натурных данных, в выполнении численных экспериментов и сбобицении результатов. В наибольшей степени содержание диссертации и основные научные выводы отражены в следующих работах:

1. Голубев В.Л., Лебедев К.А. Об осреднении вертикальных профилей температуры воды в деятельном слое моря методом опорных точек.// Труды МНИИ. - 1983. - т.385, - с.68-74.

2. Лверинцев В.Г., Денисов В.В., Зуев А.Н., Лебедев И.А., Петров B.C. К проблеме комплексного исследования и моделирования экосистем Баренцева моря.// В кн.: "Комплексные океанографические исследования Баренцева и Белого морей." - Апатиты: изд-во Кольского филиала Ш СССР. - 1987. - с.3-9.

3. Голубев В.А., Зуев А.Н., Лебедев И.А. Сб "объективном анализе океанографических полей по данным судовых съемок в Баренцевом мове.// Труды АЛНШ. - I9Ü9. - т.415. - с.117-126.

е- Денисов В.В., Зуев А.Н., Лебедев И.А. Научно-методические принципы организации системы океанографических наблюдений для исследования крупномасштабной изменчивости Баренцева моря.//Труды ААНИ11. - 1289. - т.415. - с.126-135. 5. Косолапсв A.A., Лебедев ILA. Некоторые особенности структуры и изменчивости климатических фронтальных зон Баренцева моря.//

Ыеашузсшский сборник научных трудов. - Л.: изд-во ЯШ. -Ш39.

- шп.1С5. - с.Щ-ЮС.

6. Зуев А.Н., Лебедев И.А. Об учете фронтальных зон при объективном анализе данных океанографических съемок.//Тезисы докладов Всесоюзного семинара "Океанографические фронты северных морей: характеристики, метода исследований, модели". - М. - 1989. -с.16-17.

7. Денисов В.В., Зуев А.Н., Лебедев И.А., Петров B.C., Родин Л.В, Исследования океанографических полей Баренцева моря.// В кн.: "Экология п биологическая продуктивность Баренцева моря". - М изд. "Наука". - 1990. - с.62-69.

8. Денисов В.В., Зуев А.Н., Лебедев И.А, Крупномасштабные океано графические съемки и их методологическое значение для комплек ного изучения режима Баренцева моря.// Проблемы Арктики и Антарктики. - 199I. - вып.65. - с.121-132.

9. Голубев В.А., Зуев А.Н., Лебедев К.А. Комплекс методов статис тической обработки и объективного анализа данных натурных океанографических экспериментов.//Труды ААНШ. - 1991. - Т.4Г

- с.7-19.

10. Костяной А.Г., Лебедев И.А., Новиков Б.А., Родионов В.Б. О вкхреобрэзовании в Полярной фронтальной зоне Баренцева моря./ Труды ААВЖ1. - 1993. - т.426. - с. 19-33.

дал; Тир.ЮО.Зак.24.1832т