Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Исследование дрейфа льда северо-восточного шельфа о. Сахалин

ВАК РФ 11.00.08, Океанология

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата географических наук, Калинин, Эрвин Николаевич, Оха

Научно-исследовательский и проектно-изыскательский институт

«СахалинНИПИморнефть»

На правах рукописи

КАЛИНИН ЭРВйН НИКОЛАЕВИЧ

Исследования дрейфа льда северо-восточного шельфа

О.Сахалин

Специальности: 11,00.08 - океанология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук

Научный руководитель: доктор географических наук. Л.П.Якунин

Оха - 1998

Научно-исследовательский и проектно-изыскательский институт

«СахалинНИПИморнефть»

На правах рукописи

КАЛИНИН ЭРВИН НИКОЛАЕВИЧ

Исследования дрейфа льда северо-восточного шельфа

О.Сахалин

Специальность: 11.00.08 - океанология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук

/

/

/ Научный руководитель:

доктор географических наук 7 Л.П.Якунин

Оха- 1998

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................3

1. ФАКТОРЫ, ФОРМИРУЮЩИЕ ДРЕЙФ ЛЬДА ОХОТСКОГО МОРЯ И

СЕВЕРО-ВОСТОЧНОГО ШЕЛЬФА О.САХАЛИН........................................15

1.1. Атмосферные процессы северо-восточного шельфа о.Сахалин..................16

1.2. Циркуляция вод северо-восточного шельфа о.Сахалин................................17

1.3. Основные закономерности формирования ледяного покрова северовосточного шельфа о.Сахалин...........................................................................18

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДРЕЙФА ЛЬДА...................26

2.1. Методики наблюдений за дрейфом льда с использованием ТВ-снимков с ИСЗ, РЛС и буев ARGOS...................................................................................26

2.2. Методика обработки временных рядов наблюдений за дрейфом льда, полученных с помощью РЛС.............................................................................33

3. АНАЛИЗ ДРЕЙФА ЛЬДА ОХОТСКОГО МОРЯ И СЕВЕРО-ВОСТОЧНОГО

ШЕЛЬФА О.САХАЛИН.....................................................................................41

3.1. Данные, использованные в работе...................................................................38

3.2. Анализ дрейфа льда Охотского моря...............................................................41

3.3. Изменчивость характеристик суммарного дрейфа льда северо-восточного шельфа о.Сахалин...............................................................................................51

3.4. Продолжительность дрейфа..............................................................................67

3.5. Корреляционная и спектральная структура дрейфа льда..............................74

4. ВЕТРОВОЙ ДРЕЙФ ЛЬДА И ЕГО МОДЕЛИРОВАНИЕ................................85

4.1. Ветровые коэффициенты и углы отклонения дрейфа льда...........................85

4.2. Типизация дрейфа льда на северо-восточном шельфе о. Сахалин...............94

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................................................104

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................................................................107

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время на шельфах арктических и замерзающих морей умеренных широт увеличивается хозяйственная деятельность, связанная с открытием и освоением нефтегазовых месторождений, проектированием, строительством и обеспечением ледостойких сооружений, операциями флота, планированием мероприятий по борьбе с аварийными разливами нефти.

В связи с открытием месторождений в Охотском море на шельфе о.Сахалин и активизацией деятельности на этой акватории возникла необходимость комплексного изучения гидрометеорологических факторов, влияющих на выбор проектных решений и планирования строительства.

Основным действующим гидрометеорологическим фактором в замерзающих морях в зимний период является ледяной покров, динамика которого определяет выбор многих проектных решений.

Дрейф льда Охотского моря, которое отличается суровыми ледовыми условиями, имеет ряд особенностей, которые определяют выбор проектных решений-и планирование строительства и операций флота.

Цель данной работы: исследовать закономерности дрейфа льда Охотского моря и северо-восточного шельфа о.Сахалин, оценить изменчивость параметров дрейфа льда, создать модель перемещения ледяного покрова. Для достижения цели было необходимо решить следующие задачи:

- провести анализ параметров дрейфа льда Охотского моря;

- выделить характерные особенности дрейфа льда северо-восточного шельфа о.Сахалин;

- определить пространственно-временную изменчивость параметров дрейфа льда северо-восточного шельфа о.Сахалин;

- определить параметры продолжительности дрейфа льда отдельных градаций;

- определить параметры непрерывной продолжительности дрейфа льда;

- определить изменчивость продолжительности малоподвижного ледяного покрова;

- определить параметры ветрового дрейфа;

- исследовать корреляционные и спектральные характеристики дрейфа льда;

- провести ситуационное моделирование дрейфа льда.

Научная новизна работы заключается в том, что на основании многолетних исследований дрейфа льда на акватории северо-восточного шельфа о.Сахалин с помощью различных инструментальных методов получены и обобщены параметры, характеризующие динамику льда данного района, создана ситуационная модель перемещения ледяного покрова.

Достоверность полученных результатов обеспечивалась использованием обширного натурного и экспериментального материала и применением современных методов математической обработки.

Практическая ценность работы заключается в том, что полученные результаты позволяют принимать более экономичные проектные решения, с наименьшими затратами планировать операции по строительству и обеспечению ледостойких сооружений, планировать мероприятия по борьбе с аварийными разливами нефти.

Основные результаты работы внедрены в практику и были использованы при составлении технико-экономических обоснований и технико-экономических расчетов по освоению месторождений на северо-восточном шельфе о.Сахалин.

Основные научные результаты исследований докладывались и обсуждались: на Всесоюзной конференции «Морские льды и хозяйственная деятельность на шельфе» (Мурманск, 1989 г.); на международных симпозиумах «Okhotsk Sea and Sea Ice» (Mombetsu, 1991, 93, 94, 95, 96, 97, 98 гг.); на международной конференции «Port and Ocean Engineering under Arctic

Conditions» (Hamburg, 1993 г.); на международной конференции «Okhotsk Sea and Adjacent Areas» (Владивосток, 1995 г.); на международной конференции «International Offshore and Polar Engineering» (Montréal, 1998 г.).

Основные результаты работы опубликованы в 10 статьях и докладах.

Личный вклад диссертанта заключается в исследованиях, выполненных в соавторстве и лично, в постановке задач, теоретическом обобщении полученных результатов, разработке ситуационной модели дрейфа льда.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения объемом 114 стр. машинописного текста, включает 47 рисунков, 21 таблицу. Список литературы состоит из 91 наименования, из них 19 иностранных.

На защиту выносятся результаты исследований дрейфа льда Охотского моря и северо-восточного шельфа о.Сахалин, ситуационная модель дрейфа льда.

Сведения о дрейфе льдов в Охотском море до недавнего времени были малочисленны, носили случайный характер и поступали лишь с дрейфующих во льдах судов и с самолетов, выполнявших ледовую авиаразведку. Недостаточная точность в определении местоположения судна, парусность судов при ветровом дрейфе, инерция движения при резкой смене ветра или фазы прилива - таковы основные факторы, влияющие на дрейф судов, часто отождествляемый исследователями с дрейфом льдов.

Изучением дрейфа льда в Охотском море занимались многие исследователи: Е.И.Алдошина, Г.М.Бирюлин, Ю.И.Бубликова, К.Ватанабе, Т.Кимура, А.Г.Петров, В.В.Плотников, П.Б.Фирсов, В.Н.Яковлев, Л.П.Якунин, и другие. /1, 2, 5, 43, 44, 45, 47, 48, 49, 65, 66, 79, 91, 90/

Большое внимание было уделено изучению и расчету положения кромки льда в Охотском море, в основу которых были положены данные ледовых авиаразведок и судовых наблюдений.

Большой вклад в изучение дрейфа льда внес Л.П.Якунин. Им были обобщены имеющиеся разрозненные данные по дрейфу льда Охотского моря. В основу предложенной Л.П.Якуниным схемы дрейфа льда Охотского моря (Рис.1) легли данные наблюдений над дрейфом с берега, определения дрейфа льда по судовым данным и визуальные наблюдения с самолетов.

Рис.1 Схема генерального дрейфа льда Охотского моря (Л.П.Якунин, 1984)

Л.П.Якуниным были построены графики для приближенного определения скорости дрейфа льда в открытых районах моря на основании наблюдений за движением кромки льда. Графики построены для января, февраля и марта и представляют собой кривые зависимости скорости дрейфа льда (мили в сутки) от расстояния (км) между двумя изобарами, проведенными через 1 ГПа. Кривые были рассчитаны для определенных условий: дрейф льда: сплоченностью 5 баллов на чистую воду; дрейф льда, сплоченностью 7-10 баллов на чистую воду; дрейф ледяных полей на чистую воду; дрейф льдов различной сплоченности в сторону более разряженного льда (до 5 баллов); дрейф в сторону более сплоченного льда (7-10 баллов); дрейф в сторону берега (расстояние 20-40 миль); дрейф в сторону берега (расстояние 10-20 миль); дрейф в сторону берега (расстояние менее 10 миль).

Е.И.Алдошиной /1, 2/ по изучению положения кромки льда в Охотском море были составлены прогностические уравнения зависимости долготного положения кромки льда от значений полей атмосферного давления, среднемесячной температуры воздуха и ледовитости. Уравнения были составлены для каждого весеннего месяца.

В.Н.Яковлев /65, 66/ составил уравнения для положения кромки льда на 13 радиусах от Курильских островов в зависимости от значений полей атмосферного давления и температуры воздуха.

Ю.И.Бубликовой /5/ изучался дрейф льда на судоходных трассах, прилегающих к о.Сахалин в юго-западной части Охотского моря. Ею были предложены уравнения прогноза дрейфа льда по типовым ветровым полям. Были рассчитаны ветровые коэффициенты, получены уравнения связи проекций скоростей дрейфа и ветра.

В.В.Плотниковым и П.Б.Фирсовым /48, 49/ была разработана физико-статистическая модель перемещения кромки льда в Охотском море на

фиксированных лучах, которая учитывала распределение ледовых параметров, предшествующих прогнозу: поля приземного давления и геопотенциала Н500-

А.Г.Петровым /43, 44, 45, 63/ была разработана численная модель осенне-зимних гидрологических процессов Охотского моря, которая учитывала региональные особенности и включала в себя расчет скорости и направления дрейфа льда исходя из решения уравнения баланса сил.

Изучению дрейфа льда в Охотском море было также уделено внимание японскими учеными. Кимурой Т. /79/ по данным снимков из космоса были проведены наблюдения за перемещением отдельных льдин в Охотском море в районе, расположенном вокруг точки с координатами 50°с.ш., 150°в.д., где условия приблизительно одинаковые, а именно: незначительное влияние берегового рельефа и морских течений. Исследуя ветровой дрейф льда Охотского моря по космическим снимкам, им было установлено, что ветровой коэффициент в 70% случаев равен 0.02-0.04, а угол отклонения дрейфа льда в 60% случаев составляет от +10° до +40°, то есть, большинство морских льдов движется под углом 10°-40° правее направления ветра, а скорость их движения составляет 2-4% от скорости ветра. В этих расчетах не принимались во внимание различия в плотности льдов в зависимости от района и различия в скорости ветра. Им также была получена зависимость скорости дрейфа льда от скорости ветра, которая была аппроксимирована квадратичной функцией. Ведущиеся Институтом низких температур Хоккайдского Университета с конца 60" годов наблюдения за дрейфом льда на севере о.Хоккайдо проводятся на трех РЛС: Момбецу, Есаши и Абашири, которые охватывают акваторию в общей сложности 70x250 км. /84, 85, 86, 87, 88/. За время наблюдений был накоплен большой объем информации, включая синхронизированные по времени снимки, охватывающие все северное побережье о.Хоккайдо. Проведенные исследования позволили выявить основные закономерности дрейфа льда в данном районе, его связь с другими параметрами. Были сделаны

важные наблюдения за вихреобразованием движущегося льда и проведен анализ причин, его вызывающих /89/. Большой вклад в изучение дрейфа льда был внесен К.Ватанабе /90, 91/, который параллельно с З.М.Гудковичем /19/ предложил корреляционный метод обработки данных наблюдений за дрейфом льда.

Однако все эти исследования относились либо к Охотскому морю в целом, либо к определенной акватории и почти не охватывали участок северовосточного шельфа о.Сахалин.

Первые полуинструментальные наблюдения за дрейфом льда на северовосточном шельфе о.Сахалин относятся к 1972 году. На гидрометеорологической станции Одопту проводились кратковременные определения скорости дрейфа льда в прибрежной зоне (1-6 км) при помощи волномера - перспектометра. Максимальная скорость составила 81 см/с в южном направлении. Там же в 1978 году советско-японская экспедиция с помощью закрепленного на суше киноаппарата с телеобъективом 10-кратного увеличения зафиксировала максимальную скорость дрейфа - 167 см/с.

С 16 по 29 марта 1982 года и с 19 по 23 марта 1983 года на северовосточном шельфе о.Сахалин были проведены экспедиции по исследованию ледового режима на ледоколе "Ермак". Одной из целей этих экспедиций было исследование дрейфа льда на данной акватории (Рис.П). По данным экспедиций был подтвержден тот факт, что генеральный дрейф в исследуемом районе сравнительно устойчив и направлен на юг вдоль берега. Максимальная скорость дрейфа, зафиксированная в период экспедиции 1982 г. составила 134 см/сек в северном направлении и 178 см/сек в южном направлении. По данным экспедиции 1983 года максимальная скорость дрейфа за период наблюдений составила 185 см/сек в южном направлении. Средняя скорость дрейфа льда за сутки по данным всех наблюдений, составила 4-15 см/сек и лишь при устойчивых ветрах со скоростями 10-12 м/сек (по данным за 1983 год), она

и

составила 20 см/сек. Невысокая точность измерений, а также их кратковременность не позволяет считать вышеуказанные данные статистически репрезентативными, можно считать, что они носят лишь ориентировочный характер. Наблюдения за дрейфом льда проводились на полигонах путем эпизодического определения координат ледокола, дрейфующего совместно с полем льда. Наблюдения за дрейфом проводились не ежечасно, а эпизодически на момент обсервации.

23.03

24.03

25.03

Охотское море

28.03 \ \ 25.03

18.03

19.03

25.03

26.03

20.03

19.03

111.111В I 1и.1Ы'\П

20.03 \

о.Саха. шн

21.03 \

\ 22.03

23.03

- 1982

--------------------- 1983

Рис.П Исследования дрейфа льда на северо-восточном шельфе о.Сахалин с помощью ледокола в период экспедиций 1982, 1983 годов /Богородский В.В.,

1982 г., Козырь А.В., 1983 г./

Проведенные исследования позволили также получить значения коэффициентов дрейфа льда и углов отклонения дрейфа для района северовосточного шельфа о.Сахалин. По данным ледокольных экспедиций максимум повторяемости ветровых коэффициентов попадает на диапазон 0.02-Ю.06, а максимум повторяемости углов отклонения дрейфа на диапазон -30°-И-90°.

В 1984 г. на северо-восточном шельфе о.Сахалин подразделением СахУГКС была выполнена авиаразведка и детальная аэрофотосъемка, по результатам которой вычислялся дрейф льда. Значение максимальной скорости дрейфа льда равнялось 50.2 см/с.

Изучение дрейфа льда с помощью инструментальных методов ведется в Лаборатории ледовых исследований института "СахалинНИПИморнефть с середины 80- годов. Впервые результаты наблюдений за дрейфом льда с помощью радиолокационных станций на северо-восточном шельфе о.Сахалин были опубликованы в 1987 г. и 1990 г. /52, 62/ В этих работах на основании первых результатов, полученных по данным РЛС, была проанализирована изменчивость характеристик дрейфа льда на северо-восточном шельфе о.Сахалин, были сделаны первые выводы о степени влияния ветра и течений на дрейф льда. В работах также рассматривались различные аспекты методики наблюдений и анализа полученных результатов. Эти работы можно считать основой для дальнейших, более углубленных исследований. С 1987 г все работы по изучению, обработке и анализу дрейфа льда выполняются с непосредственным участием автора. Наблюдения с помощью РЛС, обработка и анализ полученных данных, отработка методик наблюдения и расчетов характеристик дрейфа льда осуществлялись в Лаборатории ледовых исследований совместно со специалистами ДВМИГЭ. Изучение дрейфа льда по ТВ-снимкам из космоса, анализ полученной информации, проводились под руководством автора. Планирование и осуществление экспериментов с буями ARGOS, обработка и анализ полученных результатов проводились совместно с

японскими коллегами из Института низких температур Хоккайдского Университета. Автором была разработана и внедрена в практику база данных на ЭВМ, содержащая материалы по дрейфу льда и сопутствующей информации из всех имеющихся источников. Совместно с В.Н.Астафьевым и П.А.Трусковым были опубликованы некоторые результаты изучения дрейфа льда, использованные в данной работе.

Выполненная работа обобщает исследования дрейфа льда с помощью различных инструментальных методов в районе северо-восточного шельфа о.Сахалин за более чем 10 летний период. Для данного района впервые осуществлена �