Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Аномалии пространственного распределения температуры поверхности Ладожского озера для периода открытой воды

ВАК РФ 25.00.27, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Аномалии пространственного распределения температуры поверхности Ладожского озера для периода открытой воды"

Министерство образования и науки Федеральное агентство по образованию ГОУ ВПО

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ (РГГМУ)

УДК 556.555.4 (282.247.212) На правах рукописи

0034Э3906

Тимофеева Лариса Александровна

АНОМАЛИИ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ ЛАДОЖСКОГО ОЗЕРА ДЛЯ ПЕРИОДА ОТКРЫТОЙ ВОДЫ

Специальность 25.00.27 -гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Санкт-Петербург 2010

1 8 мд? ?9'!>

003493906

Работа выполнена в Российском государственном гидрометеорологическом университете (РГГМУ)

Научный руководитель:

доктор географических наук, Науменко Михаил Арсеньевич профессор

Официальные оппоненты:

доктор географических наук Рянжин Сергей Валентинович

доктор географических наук Бабкин Владимир Иванович

Ведущая организация: Московский государственный университет,

географический факультет, кафедра гидрологии суши

Защита состоится " 18" февраля 2010 г в 15 час 30 мин на заседании диссертационного совета Д 212.197.02 в Российском государственном гидрометеорологическом университете

ио адресу: 1951%, Санкт-Петербург, Малоохтипский проспект, 98, ауд. 308.

С диссертацией можно познакомиться в библиотеке Российского государственного гидрометеорологического университета.

Автореферат разослан "16" января 2010 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета, канд. геогр. наук

В.Н. Воробьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Температура воды является одной из основополагающих характеристик физических свойств воды, что чрезвычайно важно - ее неотъемлемой характеристикой. В большинстве случаев она полностью определяет распределение по плотности, а, следовательно, вертикальную устойчивость водных масс пресного озера, возникновение различного рода циркуляционных течений, влияние на дрейфовые течения. Температура поверхности крупных озёр может служить индикатором взаимодействия водной толщи и прилегающих слоев воздуха, отражать некоторые глубинные процессы и является граничным условием в различных моделях водоёмов. Термическое состояние озер является важнейшим лимитирующим фактором их экосистем, а также определяет многие процессы в вытекающих из них реках. Все вышеперечисленное объясняет непреходящий интерес исследователей к термическому режиму Ладожского озера [Андреев 1875, Молчанов, 1945, Тихомиров, 1982, Науменко и др., 2000,2002].

Средние (типичные) пространственные распределения температуры воды определяются морфометрией водоёма, физико-географическими и климатическими условиями. В крупных глубоких озёрах термогидродинамические процессы различных пространственно-временных масштабов трансформируют средние сезонные распределения, определяя реальные распределения как температуры, так и других лимнических характеристик. Ладожское озеро хорошо изучено с точки зрения средних термических характеристик и представляет несомненный интерес для изучения аномалий - отклонений реальных величин от средних.

Существующая в Институте озероведения РАН база контактных данных и разработанные специалистами Института методики позволяют исследовать аномальность температурных полей Ладожского озера и выявить ее особенности. Неверная оценка характера изменчивости температурных полей

и недоучёт их неоднородности может привести к ошибочной трактовке количественных и качественных параметров термического режима, особенно в условиях изменяющегося климата [Науменко, 1998]. Актуальность темы

заключается в назревшей необходимости количественного исследования аномальности термических полей поверхности Ладожского озера по данным судовых контактных наблюдений. Цель и задачи диссертационного исследования

Цель настоящей работы сформулирована, исходя из теоретических и практических задач изучения термического режима Ладоги: получение основных статистических характеристик аномальности температурных полей поверхности Ладожского озера синоптического масштаба за период открытой воды, а также выявление особенностей данного явления.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

- выбор, на основе анализа базы данных Института Озероведения, наиболее полных термических съемок поверхности озера, выполненных за синоптический период (от 3 до 6 дней) с мая по октябрь;

- построение типичных полей температуры поверхности Ладожского озера на основе ранее полученных аналитических зависимостей на даты начала пентад;

-расчет и построение реальных полей температуры поверхности на основе данных выбранных термических съемок;

- расчет и построение полей аномалий - отклонений типичных полей от реальных полей;

- оценка значимости различий между статистическими характеристиками реальных и типичных полей;

-получение основных статистических характеристик полей аномалий и выявление пространственно-временных особенностей аномальности температурных полей;

-исследование коррелированности и анизотропии рассматриваемых полей. Материалы и методы

Для расчета и построения реальных полей температуры поверхности использованы данные 43 термических съемок синоптической продолжительности, выбранных из электронной базы данных Института Озероведения РАН. Типичные поля температуры построены на основе ранее полученных аналитических зависимостей. Аналогичность методик построения типичных и реальных полей позволила рассчитать и построить поля аномалий.

Исследование аномальности и связности термических полей поверхности озера выполнено в рамках вероятностно-статистического подхода и теории корреляционных функций с использованием множественной полиноминальной регрессии и теории проверки статистических гипотез. Графические построения и статистический анализ выполнялись с применением статистико - графических пакетов «БигГег» и (^аЙБЙса». Научная новизна работы

Применение новых подходов анализа и обработки термической информации позволили впервые:

-рассчитать и построить поля аномалий температуры поверхности Ладожского озера как поля случайных отклонений реальной наблюденной температуры от ее типичного значения;

-получить количественные характеристики аномальности температурных полей поверхности Ладожского озера и выявить особенности ее пространственно-временной изменчивости синоптического масштаба; - построить пространственные автокорреляционные функции термических полей Ладоги и проанализировать их параметры для исследования структуры рассматриваемых полей и выявления особенностей их генерации.

На защиту выносятся

-анализ количественных характеристик аномальности температурных полей поверхности Ладожского озера синоптического масштаба за период открытой воды;

- особенности пространственно-временной аномальности полей температуры;

-количественные характеристики коррелированности и анизотропии температурных полей поверхности озера различных пространственных масштабов.

Практическая значимость работы

заключается в возможности применения указанных параметров и особенностей при моделировании температурного режима Ладожского озера, экологическом моделировании и прогнозировании, определении составляющих теплового и водного баланса, рационализации проведения термических исследований. Апробация работы

Работа в целом была представлена и обсуждена на заседании кафедры гидрологии суши РГТМУ (2009). Промежуточные итоги исследования представлялись в устных докладах на заключительной сессии Ученого Совета РГТМУ (2009), научной сессии, посвященной 90-летию кафедры гидрологии суши Санкт-Петербургского государственного университета (2008), на английском языке на II Симпозиуме по большим европейским озерам (Норрталье, Швеция, 2009).

Результаты диссертационной работы были представлены в докладах с последующими публикациями на заключительной сессии Ученого Совета РГТМУ (2008), Международной научно-практической конференции «География, природные ресурсы и туристско-рекреационный потенциал Балтийского региона» (Великий Новгород, 2007), III школе-конференции молодых ученых «Водная среда и природно-территориальные комплексы: исследование, использование, охрана» (Петрозаводск, 2008), молодежной

конференции посвященной III Международному Полярному году (Санкт-Петербург, 2008), Международной научно-практической конференции «Устойчивое развитие и геоэкологические проблемы Балтийского региона» (Великий Новгород, 2009), VII международной научно-практической конференции «Окружающая среда. Технологии. Ресурсы» (Резекне, Латвия, 2009).

Личный вклад автора

разработка новых подходов анализа и обработки информации базы данных Института Озероведения для расчетов и построения реальных термических полей, полей аномалий температуры поверхности Ладожского озера, их пространственных автокорреляционных функций, статистическая обработка результатов построений, обобщение и анализ результатов статистического анализа.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 статей, в том числе одна статья опубликована в журнале по перечню ВАК («Метеорология и Гидрология»- 2009. -№ 12 (в печати).

Структура работы. Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения и библиографического списка литературы. Текст изложен на 116 страницах и включает 2 таблицы, 40 рисунков. Список литературы содержит 89 наименований, из которых 16 на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, выбор объекта исследования, формулируются его цель и задачи. Показана новизна постановки решаемых задач для лимнологии и практическая значимость работы.

Первая глава посвящена характеристике Ладожского озера, истории изучения его термического режима. Обосновывается выбор объекта

исследования с точки зрения степени гидрологической изученности и возможности оценивания аномальности его термических полей.

В разделе 1.1 приводится физико-географическая характеристика Ладожского озера и его бассейна. Крупнейшее в Европе озера занимает 16 место по площади зеркала (17 872 км2) и 14 по объему (838 км3) [Науменко, 1995] в ряду самых крупных пресноводных водоемов мира и при этом является одним из самых северных среди них. Эти факты определяют особенности его радиационного и термического режима.

В разделе 1.2 описаны некоторые этапы исследования термического режима озера. Цели его изучения, методы и средства изменялись и совершенствовались, начиная с 1858 г., первых научных исследований Ладожского озера, осуществленных под руководством А.П. Андреева (1863, 1865, 1866, 1875). Значительный вклад в изучение термики Ладоги внесли исследования под руководством Ю.М. Шокальского, осуществленные в 1897, 1899 и 1901 гг., Т. Хомена - с 1898 по 1903 гг., И.В. Молчанова, возглавившего работу Ладожской экспедиции в 1930 г. В 1946 г. им были отмечены сложность и своеобразие термического режима озера, его отличие от температурного режима всех больших озер мира [Тепловой режим Ладожского озера, 1968].

Комплексное изучение озера было начато Экспедицией Лаборатории озероведения в 1956 г. Наблюдения производились на станциях семи поперечных разрезов на поверхности и на стандартных глубинах. С 1959 по 1962 гг. на озере было выполнено более 2575 термических станций и более 170 станций в шхерном районе. Основываясь на результатах предшествовавших многолетних исследований и, в большой степени, на результатах Ладожской экспедиции, А.И. Тихомиров сформулировал основополагающие понятия о термике Ладожского озера.

Основные особенности термического режима озера и его годового термического цикла описаны в разделе 1.3. Годовой термический цикл был представлен А.И. Тихомировым как последовательность периодов

нагревания и охлаждения - процессов. А.И. Тихомиров отметил основные факторы, определяющие сезонный ход температуры вод озера и его особенности, заложив фундаментальную базу для дальнейшего изучения термического режима Ладоги [Тихомиров, 1982].

В разделе 1.4 раскрывается степень изученности пространственных распределений температуры поверхности Ладоги.

Сложная морфометрия Ладожского озера обуславливает наличие участков акватории, различных по температурному и гидродинамическому режиму, что определяет пространственно-временную неоднородность всех лимнических процессов в озере [Науменко, 1998]. Более того, в крупных глубоких пресноводных озерах в каждый из гидрологических сезонов имеет место синоптическая и мезомасштабная изменчивость полей температуры воды с периодами от нескольких дней до нескольких часов, трансформирующая среднее сезонное распределение характеристик. Следовательно, среднемесячное пространственное распределение температур поверхности озера, представление о котором было получено А.И. Тихомировым [Тихомиров, 1982], не позволяет исследовать синоптическую и мезомасштабную изменчивость термических процессов.

Потребовалось разработать методику получения и анализа средних многолетних (типичных) пространственных распределений температуры воды озера на каждую дату с середины мая по начало ноября. Наличие постоянно пополняющейся компьютерной базы термических данных, которая на настоящий момент содержит около 300 ООО данных о термическом режиме и сопутствующей гидрометеорологической информации за период с 1897 по 2007 гг., и создание информационно-диагностической системы позволило решить поставленную задачу.

Сезонный ход температуры поверхности в каждом из 235 квадратов, на которые была разделена акватория озера, был аппроксимирован аналитической зависимостью, представляющей собой комбинацию двух функций, описывающих временной ход температуры поверхности в течение

различных гидрологических сезонов. С помощью НДС возможно получить типичные температуры поверхности воды каждого из квадратов. В результате можно получить пространственные распределения типичной температуры поверхности озера на любую дату [Гузиватый и др. 2002].

В разделе 1.5 приводятся данные об изученности аномальности температурных полей крупных водоемов. Объекты гидросферы являются достаточно чувствительными звеньями гидрологического цикла. Реакция озер на какие-либо воздействия индивидуальна, поскольку озера - продукт не только климата, но и своего собственного состояния, определяемого условиями прошлого и настоящего [Адаменко, 1985]. Более того, температура воды одновременно является причиной и следствием метеорологического, динамического и биологического режима водоемов [Гречушникова, 2002].

Аномалии формируются под воздействием как короткопериодных атмосферных процессов высокой интенсивности [Федоров, Гинзбург, 1988], так и внутренних изменений полей. Задачи, связанные с изучением аномалий поверхностных полей температуры, были впервые сформулированы океанологами. Аномалией принято называть разность между наблюденной (реальной) величиной характеристики и ее нормальным (типичным) значением [Словарь иностранных слов, 1989]. Вопросы, касающиеся генерации, времени жизни аномалий температуры поверхности, эффектов, производимых ими под поверхностью, механизма их затухания требуют дальнейших исследований. Для этого могут быть применены и дистанционные методы, позволяющие детально исследовать быстротечные явления с пространственными размерами до десятков километров и характерным временем жизни несколько суток [Бычкова и др., 1988].

Во второй главе приводятся сведения об исходных данных для расчета и построения пространственных аномалий температуры поверхности озера. Излагаются теоретические' основы, методы и средства исследования аномальности температурных полей.

Анализ случайных полей заключается в определение статистических характеристик (пространственное среднее, корреляционная функция, дисперсия и т. д.). Построение пространственных изолиний или карт является одной из наиболее важных практических задач анализа. В работе построение карт производилось с использованием статистико-графического пакета "Surfer".

В разделе 2.1 описаны основные подходы и теоретические положения, применявшиеся для анализа аномальности термических полей.

Структура гидрометеорологических полей, в силу их изменчивости, изучается в рамках вероятностного подхода, основанного на рассмотрении особенностей не отдельных мгновенных полей, а некоторых осредненных свойств статистической совокупности реализаций поля [Казакевич, 1989]. В данной работе реализации поля представляют собой термические экспедиционные съемки акватории Ладоги. Наибольший интерес при статистическом изучении случайных полей представляет характеристика их аномалий.

Для изучения синоптической пространственной неоднородности температурного поля поверхности озера конкретной термической съёмки, выполненной в течение нескольких суток т, температуру в конкретной точке поля Тт можно выразить в виде суммы детерминированной и случайной составляющей:

Tt = Тэт + ДТГ, (1)

где Тх - температура поля поверхности озера в конкретной точке

конкретной термической съёмки (наблюденная величина), °С;

Тт - детерминированная компонента (типичная величина), °С;

АТХ - случайное отклонение наблюденной величины от типичной, °С.

Для получения первой компоненты поля часто используют процедуру пространственно-временного осреднения. Масштабы осреднения зависят от

особенностей решаемых задач и целей исследования. В работе эта

компонента вычисляется аналитически с использованием полученной ранее зависимости, представляющей собой комбинацию двух функций, и называется типичным значением температуры поверхности для выбранной даты. Компонента Тх находится по данным термических съемок.

Применение аналогичной методики для расчета реальных наблюденных и типичных температур позволяет сравнить их, вычислить отклонение ДТт. Отклонения ДТ„ превышающие |0.5| °С, назовем аномальными. Выбранная величина не превосходит погрешности измерений и максимально возможное изменение температуры поверхности за период съемки - синоптический период. Если ДТ„ меньше |0.5| °С, то реальное поле соответствует типичному.

В разделе 2.2 излагается методика построения типичных полей температуры на любую дату периода открытой воды. Она позволяет определить синоптическую аномальность и при этом избежать влияния нерегулярного распределения наблюдений в озере во времени и пространстве на пространственное осреднение температуры поверхности [Науменко и др., 2000]. Для этого поверхность озера была разделена равномерной сеткой на 235 квадратов со стороной равной примерно 10 км. Величина ячейки сетки выбрана с учетом двумерной пространственной автокорреляционной функции термических съемок поверхности озера [Науменко, 1996].

Сезонный ход температуры поверхности, каждого квадрата был аппроксимирован аналитической зависимостью, представляющей собой комбинацию двух функций, описывающих временной ход температуры воды в течение различных гидрологических сезонов. Для димиктического Ладожского озера ее сезонный ход является ассиметричным, поскольку нагревание поверхности озер умеренной зоны происходит несколько быстрее, чем охлаждение [Ыаитепко е( а1., 1998]. В результате интерполирования были построены 43 типичных поля температуры поверхности озера (рисунок 1 а) на даты начала пентад, на которые затем были построены реальные термические поля.

а б в

Рисунок 1 - Пространственные распределения: а - типичной температуры поверхности воды озера на 15 июня; б - реальной температуры поверхности воды озера на 15 июня 1962 г; в - отклонений реальной температуры поверхности воды озера от типичной на 15 июня 1962 г. (Знаком + обозначены термические станции, положение термобара соответствует 4-х градусной изотерме)

Построение реальных распределений температур поверхности описано в разделе 2.3. Для этого из базы данных Института озероведения РАН были выбраны 43 судовые съемки, выполненные за период открытой воды с 1960 по 2003 гг. в течение от 3 до 6 суток, т.е. за синоптической период. Самая ранняя съемка проведена с 17 по 20 мая 1989 г, самая поздняя-с 20 по 24 октября 1961 г, распределение их по месяцам неравномерно (рисунок 2). Все съемки имели достаточное для компьютерной обработки число термических станций, распределенных относительно равномерно по акватории озера. Количество станций изменяется от 16 до 255 в зависимости от гидрологического сезона и метода измерения температуры (буксировка или выполнение термических станций). Для более корректного интерполирования в прибрежной зоне температура воды на нулевой изобате определялась методом полиномиальной регрессии.

14 л 12 10

Ш

п п

мая июнь июль август сентябрь окглорь Периоды съемок

Рисунок 2 - Распределение термических съемок по месяцам

Дальнейшая обработка термических данных выполнялась по методике, аналогичной методике построения типичных пространственных распределений температуры поверхности Ладоги на конкретные даты.

В результате были рассчитаны 43 поля реальных температур (рисунок 1 б). Сравнив реальные и типичные поля, вычислим отклонения ДГГ. Значения ДТт для всех 43 случаев картировались с целью их последующего статистического анализа (рисунок 1 в).

В Разделе 2.4 описана процедура проверки значимости различий между реальными и типичными температурными полями. Для определения однородности средней двух выборок применялся критерий Стьюдента, а для определения однородности дисперсий - критерий Фишера [Колкот, 1978]. Исследуемые выборки являются независимыми, случайными. Распределение значений температуры поверхности озера не во все гидрологические сезоны соответствует нормальному закону в связи с особенностями ее годового хода. Однако в гидрометеорологии такое несоответствие не служит препятствием для использования вышеуказанных критериев для оценки различий статистических характеристик исследуемых выборок [Рождественский, Чеботарев, 1974].

Раздел 2.5 посвящен корреляционному анализу, позволяющему оценить масштабы коррелированности и анизотропии исследуемых полей.

14

Данный метод исследования структуры случайных полей лимнологами применяется довольно редко. Приводятся сведения о ранее определенных корреляционных связях между типичной температурой поверхности озера, координатами и глубинами {рисунок 3).

Рисунок 3 - Сезонная изменчивость коэффициентов детерминации

между: _типичной температурой поверхности воды, координатами

и глубиной места;_ типичной температурой поверхности воды и

глубиной места; И реальной температурой поверхности воды и г лубиной места

Данные зависимости свидетельствует об определяющем влиянии глубины на эволюцию термического состояния поверхности Ладоги с мая до середины июля. В период устой .явой стратификации такое влияние слабо и неоднородности термических полей формируются под влиянием синоптической ситуации над акваторией озера [Науменко, Каретников, 2002].

Для анализа исследуемых явлений важна и другая имевшаяся

зависимость - пространственная автокорреляционная функция

распределения глубин озера (рисунок 4).

JC о «

Кшшмегэы

Рисунок 4 - Автокорреляционная функция распределения глубин и большая

ось симметрии

Ориентация большой оси симметрии составляет 60 ° для уровня корреляции К = 0.5. Изотропия, в силу крайне неравномерного распределения глубин озера, отсутствует.

Для всех исследуемых полей рассчитаны пространственные автокорреляционные функции:

] N-n-l N-m-l

c("'w)=;vWo)5 (2)

где С - значение автокорреляционной функции;

N - число информационных точек поля Т(1,});

Т - температура, °С;

У - номера информационных точек поля;

n, m - шаг расчета.

В связи с анизотропией полей формы, размеры и ориентация построенных эллипсов корреляции весьма разнообразны (рисунок. 5).

Километры Километры

Рисунок 5 - Примеры двумерных автокорреляционных функций термических

полей

Статистически анализировались следующие параметры: большая и малая ось, эксцентриситет (отношение большой оси к малой) и ориентация эллипса - отклонение большой оси от направления 3 - В по часовой стрелке (см. рисунок 5). Эксцентриситет служит мерой анизотропии рассматриваемого поля, и равен 1.0, если оно изотропно. Ориентация показывает направление максимальной коррелированности параметров поля, длина большой полуоси - масштаб пространственной коррелированности.

Основное содержание третьей главы (разделы 3.2 и 3.3) посвящено представлению результатов статистического анализа аномальности и связности температурных полей и их обсуждению.

В Разделе 3.1 приведены результаты проверки однородности исследуемых полей. По критерию Стьюдента при 5 % уровне значимости разности между средними величинами температуры реальных и типичных полей оказались значимы для 38 из 43 проанализированных случаев. Значения параметра Р > Р,фИ1. для всех рассматриваемых пар при уровне значимости 5 % . Следовательно, различия их статистических характеристик

не случайны и рассматриваемые выборки не принадлежат одной генеральной совокупности.

В разделе 3.2 приведены основные характеристики аномальности температурных полей. Были вычислены площади зон акватории озера, соответствующие типичной температуре поверхности и отличающиеся от таковой до [ 5.01 °С (рисунок 6). Преобладающим является интервал отклонений температуры от +0,5 °С до +1.5 °С. В целом положительные аномалии температуры превалируют над отрицательными.

50

О 45

№

л

п 35

а 30

о

й 25 20

10

$

0

э среднее стандартная ошибка Г мин - шкс

_ т

-4.5 -35 -2.5 -15 -0.5 0,5 1,5 1.5 2.5 3.5 4.5 -5.5 -4.5 -3.5 -2.5 -1.5 -0.5 0.5 2.5 3,5 4.5 5.5

Интервалы отклоненнй температуры, °С

Рисунок 6 - Статистические характеристики распределения отклонений реальных температур поверхности воды Ладожского озера от их типичных

значений

Типичное распределение температуры поверхности воды Ладожского озера в среднем занимает не более 20 % его площади. Температура остальной акватории может отклоняться от типичной до | 5.0 | °С, а в мелководном районе-до | 9.0 | °С. Площадь зон с типичной температурой изменяется от 1 % до 44 % общей акватории (рисунок 7). Полученные результаты подтверждают существующее мнение о том, что в крупных озерах редко наблюдаются типичные поля элементов их режима [Бояринов, Петров, 1991].

Май Шонь Июль Август Сентябрь Октябрь Периоды съемок

Рисунок 7 - Статистические характеристики распределения площадей с типичными средними температурами поверхности воды Ладожского озера по

месяцам

В разделе 3.3 охарактеризована временная аномальность полей температур поверхности озера. Для всех месяцев исследуемого периода были рассчитаны площади зон, температура которых соответствует типичной. Таким образом удалось определить, что июль является самым аномальным из рассмотренных месяцев. Только 13% поверхности озера в среднем не аномально, что почти в полтора раза меньше соответствующего значения для мая, июня и августа, наименее аномальных месяцев (см. рисунок 8).

В разделе 3.4 изложены результаты исследования пространственной аномальности и ее особенности. Наиболее аномальным распределением температуры поверхности характеризуется прибрежный мелководный район, обладающий минимальной тепловой инерцией. Это зона трансформации воздушных и водных масс, где наблюдаются бризы и сгонно-нагонные явления, сопровождающиеся апвеллингами и даунвеллингами. Здесь отклонения реальной температуры от типичной могут достигать | 9.0) °С. Над значительными глубинами центральной Ладоги, наиболее

теплоинертной, в период гидрологической весны отклонения не превышают | 1.0 { °С. Это обусловлено существованием термического бара, препятствующего обмену водных масс, разграниченных им. После разрушения термобара аномальность глубоководного района увеличивается.

Совместный анализ полей аномалий синоптического масштаба всех 43 съёмок не позволил выявить район озера, где всегда наблюдается типичное распределение температуры поверхности. Однако в С - 3 части Ладоги на 33 картах аномалий имеется зона с типичной температурой. Это, возможно, объясняется как наиболее продолжительным существованием здесь термобара, так и относительной устойчивостью системы течений между островами архипелагов. Неоднородный характер пространственно-временной аномальности температурных полей поверхности Ладоги обусловлен как погодными условиями, внешними возмущениями синоптического масштаба, так и морфометрическими особенностями рассматриваемого водоема.

Раздел 3.5 посвящен анализу связности температурных полей в рамках теории корреляционных функций. В подразделе 3.5.1 характеризуется их пространственная коррелированность. Статистически обработаны длины больших полуосей корреляционных эллипсов (рисунок 8) и сопоставлены их средние значения для различных полей при одном и том же коэффициенте корреляции. Показано, что реальное температурное поле обладает большей коррелированностью, чем поле аномалий, но менее коррелированно, чем типичное поле. Масштаб коррелированности полей при К = 0.9 практически не изменяется во времени. При меньших К он изменяется в соответствии со сменой гидрологических сезонов для реальных полей и полей аномалий. Ориентация эллипсов показывает направление наибольшей коррелированности полей (рисунок 9 б), а также указывает на преобладающие факторы их генерации и на соотношение между ними.

К=0.5 К--0.6 К=0? К=0.8

Коэффициент корреляции

О срсзн« значение ЩЩ стандартнее отклонение $0

повершс-чший «миризд 1,96*&Т)

'Ж

Ш

г н

КУ1Й №11 Ц--Ы:

Км-(ододин к

а б

Рисунок 8 - Статистические характеристики больших (а) и малых (б) полуосей автокорреляционных эллипсов реальных полей

Д;»гы

а б

типичные поля температуры поверхности; — реальные поля; -— поля аномалий Рисунок 9 - Сезонное изменение: а - степени анизотропии (К = 0.9); б - ориентации эллипсов корреляции:

Анализ преобладающей в различные гидрологические сезоны ориентации эллипсов показал, что она, как и степень связности

рассматриваемых полей в целом, зависит как от характерных особенностей Ладоги, так и от синоптических процессов над акваторией.

В подразделе 3.5.2 изложены результаты исследования анизотропии термических полей. Отношение средних длин больших и малых полуосей представляет собой меру анизотропии: в среднем типичные распределения изотропны в радиусе 4 км, реальные - 3 км (см. рисунок 8), поля аномалий -2.5 км при К = 0.9. Знание масштабов изотропии упрощает описание случайного поля и является необходимым условием при решении ряда задач гидрофизики и гидродинамики [Казакевич, 1977].

Термический режим всех типов полей близок к изотропному до середины июля (К = 0.9) (рисунок 9 а). Реальные поля и поля аномалий наиболее изотропны перед началом осеннего охлаждения.

Обсуждение некоторых результатов исследования представлено в Разделе 3.6.

В Заключении сформулированы основные результаты и выводы, диссертационной работы:

-на основе анализа разновременных съёмок Ладожского озера с мая по ноябрь показано, что типичное распределение температуры поверхности воды Ладожского озера в период открытой воды практически занимает не более 20 % площади озера и изменяется от 1 % до 44 %. Температура остальной акватории отклоняется от типичной до 15 | °С, а в мелководном районе до 191 °С. Преобладает интервал отклонений температуры от +0.5 °С до +1.5 СС. В течение периода открытой воды положительные аномалии температуры превалируют над отрицательными;

-самым аномальным из рассмотренных месяцев является июль-13% поверхности озера в среднем не аномально. Июнь наименее аномален, в среднем 24 % акватории термически типичны;

-реальные температурные поля в мелководной прибрежной зоне озера могут резко отличаться от типичных в течение всего периода открытой воды. В глубоководной зоне в период гидрологической весны отклонения не

превышают |1.0|°С. Это обусловлено существованием термического бара, после разрушения которого аномальность глубоководного района увеличивается. В северо-западной части озера находится зона, где поля температуры поверхности редко аномальны;

- в среднем, пространственные масштабы коррелированности (К = 0.6) значений температур типичных полей превышают соответствующие масштабы для реальных полей на 10%, и полей аномалий-на 30%. Сезонный ход масштаба коррелированности не выражен для полей всех типов при К = 0.9 и различен для различных полей при меньшей коррелированности. Направление максимальной пространственной коррелированности полей изменяется соответственно изменению основных факторов их генерации;

- изотропия наблюдается для типичных распределений в радиусе 4 км, для реальных - 3 км, для полей аномалий - 2.5 км (К = 0.9). Исследуемые поля близки к изотропным пока существует термобар. Поля аномалий и реальные поля наиболее изотропны в период максимального теплосодержания водной толщи, а типичные - в период их наиболее тесной связи с координатами и глубинами.

Список публикаций по теме диссертации:

Статьи, опубликованные в изданиях, входящих в перечень ВАК

1 Аномалии полей температуры поверхности воды Ладожского озера синоптических масштабов // Метеорология и гидрология.-2009.-№ 12 (в печати) (Соавтор М.А. Науменко).

Статьи, опубликованные в периодических изданиях

2 Пространственное распределение температуры поверхности Ладожского озера в период открытой воды: средние и аномальные

величины//Учёные записки .-СПб.: Изд. РГТМУ, 2008,-Вып. 7.-С.29-35 (Соавтор М.А. Науменко).

Материалы конференций

3 Средние и аномальные распределения полей температуры поверхности воды Ладожского озера в период открытой воды // География, природные ресурсы и туристско-рекреационный потенциал Балтийского региона: Материалы Международной научно-практической конференции.-Великий Новгород, 2007.-С.23 - 28 (Соавтор М.А. Науменко).

4 Аномальность температурных полей поверхности Ладожского озера в период открытой воды//Водная среда и природно-территориальяые комплексы: исследование, использование, охрана; Материалы III Региональной школы-конференции молодых ученых.-Петрозаводск, 2008-С.9 - 13. (Соавтор М.А. Науменко).

5 Температура поверхности Ладожского озера как индикатор изменений климата // Материалы конференции в рамках III Международного полярного года.-СПб.: Изд. РГГМУ, 2008.-С.151 -153. (Соавтор М.А. Науменко).

6 Пространственная связность температурных полей поверхности Ладожского озера // Устойчивое развитие и геоэкологические проблемы Балтийского региона: Материалы Международной научно-практической конференции.-Великий Новгород, 2009.-С.90 - 95 (Соавтор М.А. Науменко).

7 Методика оценки аномальности пространственных распределений лимнических характеристик на примере полей температуры поверхности воды Ладожского озера // Окружающая среда. Технологии. Ресурсы; Материалы 7ой Международной научно-практической конференции.Т.II-Резекне, Латвия, 2009.-С.35 - 42 (Соавтор М.А. Науменко).

Содержание диссертации, кандидата географических наук, Тимофеева, Лариса Александровна

Введение

1 Общие сведения о Ладожском озере, его термическом режиме и пространственных распределениях температуры его поверхности

1.1 Физико-географическая характеристика Ладожского озера и его бассейна

1.2 Этапы исследования температурного режима Ладожского озера и их итоги

1.3 Основные положения, характеризующие термический режим Ладожского озера и его годовой термический цикл

1А Пространственные распределения температуры поверхности

Ладоги л

1.5 Изученность аномальности температурных полей поверхности крупных водоемов

2 Теоретические основы и методы обработки исходных данных

2.1 Теоретическое обоснование принципов и методов исследования аномальности пространственных распределений температуры, поверхности Ладожского озера

2.2 Построение типичных полей температуры на любую дату периода открытой воды

2.3 Построение реальных распределений температуры поверхности

2.4 Построение полей аномалий температуры поверхности озера и проверка значимости различий между реальными и типичными температурными полями

2.5 Исследование коррелированности и анизотропии пространственных распределений температуры поверхности озера

3 Аномальность и связность температурных полей поверхности

Ладожского озера

3.1 Оценка значимости различий между реальными и типичными температурными полями

3.2 Основные характеристики аномальности температурных полей поверхности озера

3.3 Временная аномальность температурных полей

3.4 Пространственная аномальность температурных полей

3.5 Связность пространственных распределений температуры поверхности Ладожского озера

3.5.1 Коррелированность пространственных распределений температуры поверхности озера

3.5.2 Анизотропия пространственных распределений температуры поверхности озера

3.6 Обсуждение результатов 101 Заключение 104 Список использованных источников

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Аномалии пространственного распределения температуры поверхности Ладожского озера для периода открытой воды"

С позиций современной лимнологии озеро представляет собой единый функционирующий природный объект, обладающий упорядоченностью и состоящий из ряда систем (физической, химической, биологической). Каждая система характеризуется совокупностью структур ее элементов, которые следует рассматривать в горизонтальном и вертикальном разрезах. Распределение температуры является одной из структур физической системы водоема [57]. Термическая структура отражает распределение тепла в водной толще и характеризуется не только известными тепловыми состояниями озер — прямой и обратной термической стратификацией, но и более сложным сочетанием вертикальной и горизонтальной изотермии с пространственной неоднородностью температуры воды.

Температура — основополагающая и неотъемлемая характеристика физических свойств воды. Из измеряемых в озерах величин она самая распространенная. Температура воды в большинстве случаев полностью определяет распределение по плотности, и, следовательно, вертикальную устойчивость водной толщи пресного озера, возникновение различного рода циркуляционных течений, влияние на дрейфовые течения. Изучение динамики температурного поля водоема дает физическую основу для понимания ряда химических и биологических процессов [7].

Влияние температуры воды на биологическую продуктивность водоемов исключительно велико [5, 77]. Она является активирующим или ограничивающим фактором, проявляясь во всех звеньях пищевой цепи озерных сообществ, начиная с процесса фотосинтеза первичного органического вещества. Температура, ее изменение в пространстве и во времени, является одним из важнейших показателей биологической продуктивности водоема, на которую оказывает как прямое, так и косвенное влияние [9]. Как показывают исследования, влияние абиотических факторов, среди которых температура воды является наиважнейшим, на гидробионты может превалировать над биотическими процессами [71].

Объекты гидросферы являются достаточно чувствительными звеньями гидрологического цикла, реагирующими на климатические изменения трансформацией своего режима, в том числе и термического [1, 78]. Следовательно, для решения ряда современных естественнонаучных задач недостаточно знать средние значения характеристик исследуемых процессов, необходимо оценить их экстремальные значения и характер их изменчивости [16]. Реальный интерес представляют региональные и локальные изменения температуры и их статистические характеристики, моменты более высоких порядков [26, 27, 28]. Неверная оценка характера изменчивости температурных полей и недоучёт их неоднородности может привести к ошибочной трактовке количественных и качественных параметров термического режима, особенно в условиях изменяющегося климата. Ладожское озеро является не только хорошо изученным водоемом с точки зрения средних термических характеристик, но и представляет несомненный интерес для изучения аномалий - отклонений реальных величин от средних. Аномалия (греч.) - это отступление или уклонение от правила, поэтому аномальным называют все отступающее или уклоняющееся от правильного или нормального [73].

Средние характеристики термического и гидрологического режима многих крупных глубоких пресноводных озёр Мира достаточно хорошо изучены. Достижения современных исследователей основываются на усилиях нескольких поколений ученых. Пристальное внимание к термическому состоянию и понимание важности его значения для Ладожского озера прослеживается, начиная с первых научных исследований озера, выполненных в 1860-х годах, в работах А.П. Андреева [2], Ю.М. Шокальского [87], А.И. Воейкова [12]. В своей работе, актуальной и сегодня, И.В. Молчанов [36] раскрыл основные черты термической структуры Ладоги. Не смотря на очевидные трудности получения и обработки данных о термическом режиме озера, была заложена фундаментальная основа для его дальнейшего изучения. Более полное представление о тепловом режиме озера и пространственные распределения среднемесячных температур его вод были получены А.И. Тихомировым на основе данных за период с 1956 по 1963 гг. [60, 61].

Результаты исследований закономерностей распределения температуры воды, термического бара, элементов теплового режима крупных озер Мира изложены в работах А.И. Тихомирова [60, 61], М.Н. Шимараева [68, 69], Е. Bennett [74], W. Schertzer [86]. Особенности термического режима и пространственно-временной неоднородности полей, новые подходы в изучении озер с использованием дистанционных методов и цифровых батиметрических моделей обсуждаются в работах М.А. Науменко, С.Г. Каретникова и др. [40, 42, 79, 82, 84, 85].

Существенное влияние на протекание лимнических процессов в крупных водоемах и на формирование средних (типичных) пространственных распределений температуры воды оказывает рельеф дна, форма котловины, распределение глубин и характеристики водосбора [29, 41, 44, 65. 76]. Однако, реальные поля температуры крупных водоёмов формируются вод воздействием многочисленных физических процессов, имеющих разную природу, и могут рассматриваться как совокупность температурных неоднородностей различных пространственно-временных масштабов.

В последние годы стало очевидным, что имеющиеся знания не в полной мере удовлетворяют современным требованиям, а ряд исследований, проводимых в области гидрологии, лимнологии, океанологии перестал удовлетворять все возрастающим по сложности и значимости проблемам. Для решения задач, которые ставит перед современной наукой общество, как на региональном, так и на государственном и глобальном уровнях, традиционные методы оказываются малопригодными. Современные требования существенно меняют отношение к материалам лимнологических наблюдений. Начиная с последней трети XX века, лимнология рассматривает динамику своих элементов не только во времени, но и в пространстве. В изучении лимнических систем существенную роль стали играть исследования эффектов пространственной неоднородности, пятнистости и многомерности их структур. Этому способствовало развитие средств аэро- и космического наблюдения, а также появление геоинформационных компьютерных систем, моделирования [79, 80].

Актуальность темы заключается в назревшей необходимости количественного исследования аномальности термических полей поверхности Ладожского озера по данным судовых контактных наблюдений. Цель и задачи диссертационного исследования

Целью настоящей работы, сформулированной, исходя из теоретических и практических задач изучения термического режима озера, является получение основных характеристик аномальности температурных полей поверхности Ладожского озера синоптического масштаба за период открытой воды, а также выявление особенностей данного явления.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи: -выбор, на основе анализа базы данных Института озероведения РАН, наиболее полных термических съемок поверхности озера, выполненных за синоптический период (от 3 до б дней) с мая по октябрь; построение типичных полей температуры поверхности Ладожского озера на основе ранее полученных аналитических зависимостей на даты начала пентад; расчет и построение реальных полей температуры поверхности на основе данных выбранных термических съемок;

-расчет и построение полей аномалий — отклонений типичных полей от реальных полей;

-оценка значимости различий между статистическими характеристиками реальных и типичных полей; получение основных статистических характеристик полей аномалий и выявление пространственно-временных особенностей аномальности температурных полей; исследование коррелированное™ и анизотропии рассматриваемых полей.

Задачи, связанные с изучением аномалий, были впервые сформулированы океанологами [49, 52, 67]. Достигнутые ими результаты позволяют лимнологам, в свою очередь, разрабатывать методы изучения и анализа аномальности температурных полей поверхности крупных озер.

Температура поверхности океанов, морей и крупных озёр может служить индикатором взаимодействия водной толщи и прилегающих слоев воздуха и граничным условием в различных моделях водоёмов. Высокая интенсивность короткопериодных атмосферных процессов в течение некоторого времени может привести к формированию значительных аномалий температуры поверхности [62]. Для возникновения резких аномалий необходимо, как минимум, чтобы перемешанный слой был относительно тонким, а ветер — достаточно сильным. В переходные сезоны следует ожидать повышенной интенсивности образования аномалий и наиболее резкого их проявления. Синоптические периоды доминируют в термическом возбуждении верхнего слоя крупных водоемов [52].

Длительность существования аномалий зависит от соотношения теплоемкостей воды и воздуха и может быть оценена с использованием материалов ИК — съемок. Использование спутниковой информации для обнаружения и изучении синоптических процессов в крупных водоемах приобретает все большее распространение. Дистанционные методы незаменимы для детального исследования быстротечных явлений с пространственными размерами до десятков километров и характерным временем жизни несколько суток. При очевидных преимуществах дистанционных методов, они не идеальны и не безальтернативны [9, 79].

Не смотря на то, что измерения температуры поверхности озера наименее трудоемки и производятся гораздо чаще, чем какого-либо другого лимнического параметра, подробных измерений в пространстве и времени, позволяющих получить полную картину эволюции аномалии в процессе ее развития и затухания, в данный момент не существует. Пространственно-временная нерегулярность данных затрудняет необходимое для климатологического анализа осреднение. Для оценки необходимых масштабов осреднения разумно исходить из возможностей, которые дают нам уже сформированные и неоднократно исследованные базы данных [63].

Такая база термических данных и сопутствующей гидрометеорологической информации создана в Институте озероведения РАН [17], ее объем составляет около 300 ООО значений за период с 1897 по 2007 гг. Материалы для диссертационного исследования получены из базы данных Института и представляют собой значения температуры поверхности воды озера (верхний слой толщиной 30 см), полученные в ходе термических съемок.

Специалистами Института был создан специальный метод построения типичных температурных полей поверхности Ладожского озера на выбранную дату [45]. Этот метод позволяет избежать влияния пространственно-временной неоднородности измерений в пространстве и во времени на процесс осреднения данных. Построенные с помощью него типичные распределения температуры на определенные даты использованы в диссертационном исследовании. В результате анализа базы данных были выбраны термические съемки, выполненные за синоптические периоды, включающие вышеуказанные даты. Реальные термические поля были построены по данным выбранных съемок по методике, аналогичной методике построения типичных полей. Использование аналогичной методики построения температурных полей позволяет определить существующие между типичными и реальными полями, относящимися к одной и той же дате, различия - аномалии. Карты аномалий могут быть статистически обработаны для получения количественных характеристик аномальности поверхности озера.

В силу указанных выше особенностей имеющейся гидротермической информации, а так же чрезвычайной изменчивости температурных полей, их структура изучается в рамках теоретико-вероятностного подхода, когда каждое поле рассматривается как случайное. Применение такого подхода для изучения термических полей Ладожского озера позволяет получить характеристики их аномальности и выявить неоднородный характер ее пространственно-временной изменчивости. В рамках теории случайных функций возможно оценить степень связности исследуемых термических распределений — получить параметры их коррелированности и анизотропии. Научная новизна работы

Применение новых подходов анализа и обработки термической информации позволили впервые: рассчитать и построить поля аномалий температуры поверхности Ладожского озера как поля случайных отклонений реальной наблюденной температуры от ее типичного значения; получить количественные характеристики аномальности температурных полей поверхности Ладожского озера и выявить особенности ее пространственно-временной изменчивости синоптического масштаба; построить пространственные автокорреляционные функции термических полей Ладоги и проанализировать их параметры для исследования структуры рассматриваемых полей и выявления особенностей их генерации. На защиту выносятся анализ количественных характеристик аномальности температурных полей поверхности Ладожского озера синоптического масштаба за период открытой воды;

- особенности пространственно-временной аномальности полей температуры;

- количественные характеристики коррелированности и анизотропии температурных полей поверхности озера различных пространственных масштабов.

Практическая значимость работы заключается в возможности применения указанных параметров и особенностей при моделировании температурного режима Ладожского озера, экологическом моделировании и прогнозировании, определении составляющих теплового и водного баланса, рационализации проведения термических исследований.

Зная изменчивость термических полей, можно выявить районы, для которых целесообразно применять те или иные методы восстановления полей [70]. Оценка воздействия пространственно-временной изменчивости и аномальности температуры воды на биоту позволяет определить степень воздействия факторов среды на представителей различных трофических уровней [5]. В соответствии с принципом согласованности полей лимнических характеристик закономерности изменчивости температурных полей могут быть распространены на поля других параметров [37]. Достоверность полученных научных результатов обусловлена применением современных методов математико-статистической и графической обработки данных и критическим анализом многочисленных литературных источников. Личный вклад автора: анализ базы данных Института озероведения с целью подготовки исходных данных для расчетов и построения реальных термических полей и полей аномалий, пространственных автокорреляционных функций типичных, реальных полей и полей аномалий, статистическая обработка результатов построений, обобщение и анализ результатов статистического анализа.

Результаты диссертационного исследования были в полном объеме представлены и обсуждены на заседании кафедры гидрологи суши Российского государственного гидрометеорологического университета в ноябре 2009 года. Промежуточные итоги представлялись в устных докладах на заключительной сессии Ученого Совета РГГМУ (2009) и научной сессии, посвященной 90- летию кафедры гидрологии суши Санкт-Петербургского государственного университета, а также на английском языке на II Симпозиуме по большим европейским озерам (Норрталье, Швеция, 2009).

Основные результаты этапов диссертационной работы были представлены в докладах с последующими публикациями на заключительной сессии Ученого Совета РГГМУ (2008), Международной научно-практической конференции «География, природные ресурсы и туристско-рекреационный потенциал Балтийского региона» (Великий Новгород, 2007), III школе -конференции молодых ученых «Водная среда и природно-территориальные комплексы: исследование, использование, охрана» (Петрозаводск, 2008), молодежной конференции «Омега-Форум» (Санкт-Петербург, 2008), Международной научно-практической конференции «Устойчивое развитие и геоэкологические проблемы Балтийского региона» (Великий Новгород, 2009), VII международной научно-практической конференции «Окружающая среда. Технологии. Ресурсы» (Резекне, Латвия, 2009).

В декабре 2009 года опубликована статья в журнале "Метеорология и Гидрология", рекомендованном ВАК.

Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения и библиографического списка литературы. Текст изложен на 116 страницах и включает 2 таблицы, 40 рисунка. Список литературы содержит 89 наименований, из которых 16 на иностранных языках.

Заключение Диссертация по теме "Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия", Тимофеева, Лариса Александровна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе на основе данных термических съемок и имеющихся аналитических зависимостей выполнено оценивание аномальности л температурных полей Ладожского озера. Для этого в рамках вероятностно-статистического подхода разработаны методы, позволившие впервые получить количественные характеристики аномальности температурных полей поверхности озера, выявить и объяснить особенности их изменчивости синоптического масштаба. Исследования выполнены с использованием множественной полиноминальной регрессии и теории проверки статистических гипотез.

Впервые, в рамках теории корреляционных функций, построены пространственные автокорреляционные функции рассматриваемых термических полей Ладоги и разработаны методы анализа, позволившие по-новому взглянуть на структуру полей и показать зависимость процессов их генерации как от особенностей термического режима озера, так и от синоптических процессов над его акваторией.

В ходе диссертационного исследования выполнены все поставленные для достижения цели задачи:

- выбраны, на основе анализа базы данных Института озероведения, наиболее полные термические съемки поверхности озера, выполненные за синоптический период (от 3 до 6 дней) с мая по октябрь;

- произведен расчет и построение на основе выбранных съемок реальных температурных полей поверхности озера за период открытой воды;

- оценены различия между статистическими характеристиками реальных и типичных термических полей, полученных ранее специалистами Института;

- рассчитаны и построены сорок три поля аномалий — отклонений реальных температурных полей от типичных; получены основные статистические характеристики полей аномалий и выявлены особенности пространственно-временной аномальности температурных полей; в рамках теории корреляционных функций исследована структура изучаемых полей - их коррелированность и анизотропия.

Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы: типичное распределение температуры поверхности воды Ладожского озера в период открытой воды практически занимает не более 20 % площади озера. Температура остальной акватории может отклоняться от типичной до | 5 | °С, а в мелководном районе — до 19.01 °С. Площадь зон с температурой, соответствующей климатической норме, изменяется от 1 % до 44 %. Преобладает интервал отклонений температуры от +0.5 °С до +1.5 °С. В течение периода открытой воды положительные аномалии температуры превалируют над отрицательными; самым аномальным из рассмотренных месяцев является июль-только 13 % поверхности озера в среднем не аномально. Июнь наименее аномален, в среднем 24 % акватории термически типична. Сезонный ход аномальности обусловлен как внешними воздействиями, так и внутренними особенностями, определяющими характер гидрологических процессов в озере; реальные температурные поля наиболее нетипичны в течение всего периода открытой воды в мелководных лимнических зонах озера с минимальной тепловой инерцией. Здесь отклонения реальной температуры от типичной могут достигать |9.0| °С. Над значительными глубинами центральной Ладоги, обладающей максимальной тепловой инертностью, в период гидрологической весны отклонения не превышают |1.0|°С. Это обусловлено существованием термического бара, после разрушения которого аномальность глубоководного района увеличивается. В северо-западной части озера находится зона, где поля температуры поверхности редко аномальны Неоднородный характер пространственной аномальности температуры поверхности озера представляет собой результат воздействия как внешних факторов, так и внутренних, обусловленных морфометрическими особенностями рассматриваемого водоема;

- реальные температурные поля обладают большей пространственной коррелированность по сравнению с полями аномалий в направлении больших осей симметрии корреляционных эллипсов. Однако, типичные поля наиболее коррелированны, чем поля других типов. В среднем, коррелированность уровня К = 0.6 между значениями температур типичных полей существует в радиусе 19 км, для реальных полей - 17.5 км, а для полей аномалий - в радиусе 13 км. Сезонный ход масштаба коррелированности практически отсутствует для всех типов полей для коэффициента корреляции К = 0.9 и различен для полей различного типа при меньших К: более сглажен для типичных полей, но имеет неоднородности для реальных и типичных полей. Синхронность изменения уровня коррелированности реальных полей и полей аномалий объясняется преобладанием одних и тех же факторов, обеспечивающих их коррелированность. Поля реальных температур поверхности и аномалий наиболее коррелированны в августе, в период развитой стратификации. Типичные поля максимально коррелированны в период до разрушения термобара, в силу их зависимости от координат и глубин; исследуемые поля практически изотропны в течение периода существования термобара. Изотропия наблюдается для типичных распределений в радиусе 4 км, для реальных распределений - 3 км, для полей аномалий - 2.5 км (К=0.9). Поля аномалий и реальные поля максимально изотропны в период максимального теплосодержания водной толщи озера, а типичные — в период наиболее тесной связи типичных поверхностных температур с координатами и глубинами. Различия во временном ходе степени анизотропии обусловлены тем, что в определенные периоды в генерации рассматриваемых полей преобладающими являются силы либо одной природы, либо различной.

Таким образом, показано, что механизмы генерации аномалий различны в различные гидрологические сезоны. В силу неравномерного распределения глубин и неравномерного прогрева озера аномалии могут быть вызваны нехарактерным положением термического бара. Во время перестройки гидротермических полей также создаются благоприятные условия для повышения уровня аномальности в силу незначительной толщины верхнего перемешанного слоя. В весенний и осенний сезоны интенсивность образования аномалий повышается за счет усиления ветрового воздействия. Следовательно, неоднородный характер пространственно-временной аномальности температурных полей поверхности Ладоги и особенности изменения их связности обусловлены как внешними возмущениями синоптического масштаба, так и морфометрическими особенностями Ладожского озера.

Полученные количественные характеристики аномальности, анизотропии и коррелированности, а так же особенности их изменчивости следует учитывать

Ш? при: моделировании термического режима озера; сглаживании и экстраполяции параметров; при экологическом моделировании и прогнозировании; определении составляющих теплового баланса; оптимизации расположения сети наблюдений.

Согласно принципу согласованности гидрофизических полей, выводы, полученные на основании анализа полей температуры, могут быть распространены и на поля других элементов [10]. Предложенные подходы исследования могут применяться для оценки аномальности полей различных элементов режима природных объектов, степень изученности которых достаточно велика.

Важность полученных результатов очевидна, поскольку температура является основным абиотическим параметром, лимитирующим разнообразные процессы в экосистемах озер. Необходимость более детальной разработки вопроса о пространственных неоднородностях физических, химических и биологических показателей крупных водоемов обусловлена существованием связи между абиотическими и биотическими характеристиками экосистем крупных озер, подтверждающей наличие в них сложной системы прямых и опосредованных связей [11]. Исследование аномальности температурных полей Ладожского озера соответствует основной задаче лимнологии XXI века, заключающейся в создании теории динамики лимнических систем, способной к практическому прогнозированию не только обычных, но и экстремальных ситуаций [33, 75].

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Тимофеева, Лариса Александровна, Санкт-Петербург

1. Адаменко В.Н. Климат и озера (к оценке настоящего, прошлого и будущего).-Л.: Гидрометеоиздат, 1985.-264 с.

2. Андреев А.П. Ладожское озеро-СПб., 1875.-151 с.

3. Атлас Ладожское озеро-СПб., 2002.-128 с.

4. Барнетт Т.П. Роль океанов в глобальной климатической системе: Пер. с английского.-Л., Гидрометеоиздат, 1980.-С.209-237.

5. Бойцов В.Д Изменчивость температуры воды Баренцева моря и ее воздействие на биотические компоненты экосистемы: Автореф. дис. докт.геогр.наук-СПб., 2009.-С.З.

6. Большое озеро как имитационная модель океана/Под ред. Румянцева

7. B.А.-Л.: Наука, 1986.-С.24-29, 43-45.

8. Бояринов П.М, Петров М.П. Процессы формирования термического режима глубоких пресноводных водоемов.-Л.: Наука, 1991.-176 с.

9. Бычкова И.А., Викторов C.B., Виноградов В.В. Дистанционное определение температуры моря // Спутниковые и авиационные методы определения температуры поверхности моря по излучению в ИК-диапазоне.-Л., Гидрометеоиздат, 1988.-223 с.

10. Бышев В.И. Синоптическая и крупномасштабная изменчивость океана и атмосферы.-М.: Наука, 2003.-343 с.

11. Верболов В.Н. Некоторые итоги и перспективы изучениятермодинамики Байкала // Гидрофизика и гидрология водоемов / Под ред. М.Н. Шимараева.-Новосибирск: Наука, 1991.-С. 12.

12. Воейков А.И. К вопросу о температуре наших внутренних вод // Метеорологический вестник. 1896. т. V.

13. Воейков А.И. Соотношение температуры воздуха и поверхности воды // Записки по гидрографии. 1909. Вып. 30.-С.29-65.

14. Гречушникова М.Г.: Изменчивость термического состояния Можайского водохранилища в вегетационный период: Автореф. .канд. геогр. наук. М.: 2002.-С.23.

15. Груза Г.В., Каган P.JL Некоторые актуальные вопросы методики климатологической обработки данных// Тр. ГГО.-1985.-Вып. 480.-С.23.

16. Груза Г.В., Ранькова Э.Я. Обнаружение изменений климата: состояние, изменчивость и экстремальность климата // Метеорология и гидрология—2004 — № 4.-С.50.

17. Гузиватый В.В. Особенности изменчивости сезонной структуры термодинамических полей Ладожского озера: Автореф. . канд. геогр. наук — СПб., 2008. -22 с.

18. Гузиватый В.В., Каретников С.Г., Наумеико М.А. Опыт создания и использования банка термических данных Ладожского озера // География и природные ресурсы.-1998.-№ 3.-С.89 96.

19. Догановский A.M., Малинин В.Н. Гидросфера Земли.-СПб.: Гидрометеоиздат, 2004. -С.513.

20. Егоров Ю.С., Крючков A.M., Стучевский М.А., Шипчинский Г.А. О временной изменчивости температуры воды Ладожского озера // Изменчивость гидрофизических полей в озерах.-Л.: Наука, 1978. -С.162- 75.

21. Исаев A.A. Статистика в метеорологии и климатологии.-М.: Изд-во Московского Университета, 1988. -245 с.

22. Каган Р. Л. Осреднение метеорологических полей.-Л.: Гидрометеоиздат, 1979.-213 с.

23. Каган P.JI., Хлебникова Е.И. К вопросу о стационарности средних зональных значений метеорологических полей // Тр. ГГО.-Вып. 480.-С.38 43.

24. Казакевич Д.И. Основы теории случайных функций и ее применение в гидрометеорологии.-Л.: Гидрометеоиздат, 1977. -319 с.

25. Колкот Э. Проверка значимости: Пер. с английского.-М.: Статистика, 1978.-128 с.

26. Кондратьев К.Я. Глобальная экология и требования к данным наблюдений.-СПб.: Наука, 1992. -92 с.

27. Кондратьев К.Я. Изменения глобального климата: нерешенные проблемы//Метеорология и гидрология—2004.-№ 6.-С.118 126.

28. Кондратьев К.Я. Неопределенности данных наблюдений и численного моделирования климата//Метеорология и гидрология—2004.-№ 4.-С.93 119.

29. Кондратьев С. А., Ульянова Т.Ю., Моисеенков А.И., Измайлова A.B., Шкребец А.Е. Информационное обеспечение работ по изучению водных ресурсов Ладожского озера и его бассейна // Водные ресурсы—2006—Т. 33, № 5.-С.538 542.

30. Кочергин В.П., Тимченко И.Е. Мониторинг гидрофизических полей океана—Л.: Гидрометеоиздат, 1987.-279 с.

31. Кружкова Т.С., Иванидзе Т.Г., Макарова М.Е. О связи характеристик тропических циклонов с особенностями циркуляции атмосферы и физико-географическими условиями в районах их деятельности // Метеорология и гидрология-2003.-№ 9.-С.16-21.

32. Малинин В.Н. Статистические методы анализа гидрометеорологической информации-СПб., 2008.-С.407.

33. Меншуткин В.В., Филатов H.H. Некоторые итоги и перспективы изучения озер // Тр. КарНЦ РАН.-2006.-Вып. 9.- С. 154 161.

34. Мещерская A.B., Болдырева H.A., Шалаева И.Д. Средние областные запасы продуктивной влаги в почве и высота снежного покрова—Л.: Гидрометеоиздат, 1982.-С. 131 135.

35. Мисюк В.А. Многолетние характеристики температурного режима Ладожского озера/Тр. ГГИ.-1973.-Вып. 203.-С.125 145.

36. Молчанов И.В. Ладожское озеро.-М.-Л., 1945.-557 с.

37. Монин A.C. Прогноз погоды как задача физики.-М.: Наука, 1969. 184 с.

38. Монин A.C., Озмидов Р.В. Океанская турбулентность-Л.: Гидрометеоиздат, 1981.-320 с.

39. Науменко М.А., Каретников С.Г. Горизонтальные градиенты температуры в термической фронтальной зоне крупного пресноводного озера // Метеорология и гидрология.-1989.-№ 6.-С.89 94.

40. Науменко М.А. Использование ИК спутниковой, информации для изучения термического состояния Ладожского озера // Исследование Земли из космоса-1993.-№ 4.-С.69 - 78.

41. Науменко М.А. Закономерности пространственно-временной изменчивости термических процессов в крупных димиктических озёрах: Диссертация доктора географических наук.-СПб., 1998.-С.295.

42. Науменко М.А Новое определение морфометрических характеристик Ладожского озера // Докл. РАН.-1995.-Т. 345, № 4.-С.514 517.

43. Науменко М.А, Каретников С.Г Морфометрия и особенности гидрологического режима Ладожского озера//Ладожское озеро: прошлое, настоящее, будущее: сб. науч. работ / Под ред. В.А. Румянцева и В.Г. Драбковой.-СПб.: Наука, 2002.-С.16 49.

44. Науменко М.А., Каретников С.Г. Сезонная эволюция пространственного распределения температуры поверхности воды Ладожского озера в связи с его морфометрией // Докл. РАН -2002. -Т. 386, № 2—С.250-253.

45. Науменко М.А., Каретников С.Г., Гузиватый В.В. Пространственно-временная термическая дифференциация вод Ладожского озера // Докл. РАН — 2000.-Т. 373, № 2.-С.247 250.

46. Нестеров Е.С. О влиянии динамического влияния атмосферы на формирование температурных аномалий в океане // Метеорология и гидрология.—1991 .—№ 11.-С.68 75.

47. Нестеров Е.С. Сезонные особенности формирования аномалий температуры поверхности океана в Северной Атлантике // Метеорология и гидрология—2005 .-№ 9.-С.55 62.

48. Островский А.Г. Закономерности изменчивости аномалий температуры поверхности воды в Северной Атлантике: Автореф. . канд. геогр. наук.-М., 1983-23 с.

49. Пермяков М.С., Тархова Т.И. Дистанционные методы в исследовании пространственной изменчивости верхнего слоя океана и морей // Дальневосточные моря России/Под ред. В.А. Акуличева.-М.: Наука, 2007-С.568 578.

50. Петров М.Н. О тонкой термической структуре верхнего слоя крупного озера // Гидрофизика и гидрология водоемов: сб. науч. работ / Под ред. М.Н. Шимараева—Новосибирск: Наука, 1991.-С.47 50.

51. Питербарг Л.И. Динамика и прогноз крупномасштабных аномалий температуры поверхности океана (статистический подход).—Л.: Гидрометеоиздат, 1989.-200 с.

52. Полупанов В.Н. Восстановление неоднородных гидрологических полей Белого моря: Автореф. . канд. геогр. наук.-Л., 1984—С.8-9.

53. Ранькова Э.Я., Груза Г.В. Индикаторы изменений климата России // Метеорология и гидрология.-1998.-№ 1.-С.5 17.

54. Рождественский A.B., Чеботарев А.И. Статистические методы в гидрологии-Л.: Гидрометеоиздат, 1974.-С.424.

55. Словарь иностранных слов / Гл. ред. Ф.Н. Петров—М.: Русский язык, 1989.-С. 41.

56. Термодинамические процессы в глубоких озерах / Филатов H.H., Михайлов Ю.Д.,. Рянжин C.B., Зайцев Л.В.-Л.: Наука, 1981.-224 с.

57. Тимофеева Л.А., Науменко М.А. Пространственное распределение температуры поверхности Ладожского озера в период открытой воды: средние и аномальные величины // Учёные записки РГГМУ. 2008, № 7,-С.29-35.

58. Тихомиров А.И. Температурный режим и запасы тепла Ладожского озера // Тепловой режим Ладожского озера.-Л.: Изд. ЛГУ, 1968.-С.144-217.

59. Тихомиров А.И. Термика крупных озер.-Л.: Наука, 1982.-232 с.

60. Федоров К.Н., Гинзбург А.И. Приповерхностный слой океана.-Л.; Гидрометеоиздат, 1988.-303 с.

61. Федоров К.Н., Островский А.Г. Климатически значащие физические параметры океана.-Л.: Гидрометеоиздат, 1986.-42 с.

62. Федоров К.Н, Родионов В.Б. Поля температуры поверхности океана как индикаторы термической структуры и кинематики глубинных слоев // Метеорология и гидрология.-1989.-№ 2.-С.78 84.

63. Филатов H.H. Гидродинамика озер.-СПб.: Наука, 1991.-С.6-88.

64. Филатов H.H. Изменчивость течений в крупных озерах//Изменчивость гидрофизических полей в озерах—Л.: Наука, 1978.-С.6-88.

65. Церевитинов Ф.О. Термические процессы в приповерхностном слое водоема: Автореф. . канд. Геогр. наук.-М.5 1986.-23 с.

66. Шимараев М.Н. Элементы теплового режима озера Байкал-Новосибирск, Наука, 1997.-150 с.

67. Шимараев М.Н. Тепловой режим глубоких озер (на примере оз. Байкал). // Тр. V Всесоюзного Гидрологического съезда.-1990.-Т. 8.-С.294 307.

68. Шумахер Д.А. О возможности восстановления термических полей в Балтийском море // Метеорология и гидрология-1994- № 9.-С.112.

69. Эволюция экосистем и биогеография морей европейской Арктики / Матишов Г.Г., Тимофеев С.Ф., Дробышева С.С., Рыжов В.М.-СПб.: Наука, 1994.-222 с.

70. Эдельштейн К. К. Гидрология материков.-М.: Асадема, 2005.-С.25.

71. Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона / Под ред. И.Е. Андреевскаго-СПб, 1892.-С.818.

72. Bennett J.K. Thermally driven lake currents during the spring and fall transition periods // Proc. of the 14th. conf. great lakes res. intern. assoc.-Milwaukee, 1971.-P.535 -540.

73. Beven K.J. Towards a new paradigm in hydrology. // IAHS Publ-1987-№ 164.-P.393 -403.

74. Efremova Т., Palshin N. Effect of climate and morphometry on thermal regime of lakes// Proc. 16th Intern. Northern Research Basins Symposium and Workshop-Petrozavodsk, 2007.-P.36-44.

75. Elliott J.A., Jones I.D., Thackeray S.J. Testing the Sensitivity of phytoplanlcton communities to changes in water temperature and nutrient load in a temperate lake // Hydrobiologia.-2006.-Vol.559.-P.401 411.

76. Hostetler S.W. Hydrological and Thermal Response of Lakes to Climate: Description and Modeling / Edited ву A. Lerman, D.Imboden, and J. Gat. // Physics and Chemistry of Lakes. -Berlin: Springer-Verlag, 1995.-P.63.

77. Kondratyev K.Ya., Filatov N.N. Limnology and remote sensing. A contemporary approach. -London: Springer-Praxis, 1999.-406 p.

78. Kondratyev S., Gronskaya Т., Wirklcala R.-S.,Yefremova L., Gayenko M., Markova E., Aksenchuk I. The geographical information system "Water resources of Lake Ladoga and its drainage basin" // Third Int. Lake Ladoga Symp. /

79. University of Jonsuu- Jonsuu: Publ. of Karelian Institute, 1999.-2000.-№ 129-P.338 — 343.

80. Naumenko M., Karetnikov S. Main features of the thermal regime of Lake Ladoga during ice-free period // Hydrobiologia.-1996.-Vol. 322.-P.69 73.

81. Naumenko, M. Combined application of remote sensing and in situ measurements in monitoring environmental processes// Hydrobiologia.-1996.-Vol. 322.-P.227-232.

82. Naumenko M., Karetnikov S, Guzivaty V. 3 D thermal structure of Lake Ladoga: a new approach and results. // Proc. of the 7th Workshop on Physical processes in natural waters - Petrozavodsk, 2003-P.45 - 49.

83. Naumenko M., Karetnikov S., Tikhomirov A. Airborne remote sensing application for Russian large lakes dynamic structure investigation. // Proc. of 1st Int. Airborne Remote Sensing Conf.-Strasbourg, 1994-Vol. III.-P.86 95.

84. Schertzer W., Saylor J., Boyce D., Robertson D. and Rosa F. Seasonal thermal cycle of Lake Erie // Great Lakes Res.-1987.-№ 13 (4).- P.468 486.

85. Schokalsky J. Lake Ladoga from a thermic point of view // Weather Review.-1901.-Vol. 29, № 2.-P.63 64.

86. Viehoff Th. Mesoscale variability of sea surface temperature in the North Atlantic // International journal of REMOTE SENSING.-1989.- Vol. 10, № 4, 5-P.771 -785.

87. Woert M.V. The subtropical front: satellite observations during FRONTS 80 // Geophys. Res.-1982.-Vol. 87, № 12.-P.9523 9536.