Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Климатическая и сезонная изменчивость гидрофизических полей Белого моря и его устьевых областей рек

ВАК РФ 25.00.28, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Климатическая и сезонная изменчивость гидрофизических полей Белого моря и его устьевых областей рек"

Федеральная служба России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды государственный океанографический институт

(гоин)

о вя

6Н

г*'

кзенШ

На правах рукописи УДК 551.464.6

Белов Александр Борисович

Климатическая и сезонная изменчивость гидрофизических полей Белого моря и его устьевых областей рек

25.00.28 "Океанология"

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

москва 2003

Работа выполнена в Государственном океанографическом институте (ГОИН).

Научный руководитель:

Доктор физико-математических наук, Действительный член Академии Инженерных Наук РФ им. А.М. Прохорова

А.С. Васильев

Официальные оппоненты:

-доктор географических наук, профессор

(ИОРАН)

-Кандидат географических наук, с.н.с. (ГОИН)

К.Т. Богданов Ю.В. Лупачев

Ведущая организация: Московский Государственный Университет (Географический факультет).

Защита состоится « »_2003г. в ___ час_мин. На заседании

диссертационного совета К327.007.01 в Государственном океанографическом институте ( 119034, ГСП, Москва, Кропоткинский пер., дом 6)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного океанографического института.

Автореферат разослан « »_2003г.

Ученый секретарь диссертационного совета Кандидат географических наук

Н В. Овинова

2.QOJ-A 1-2.\J9

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В последнее время, в связи с сокращением количества научно-экспедиционных рейсов, для большинства морей практически отсутствует возможность прямого измерения гидрофизических и гидрохимических характеристик с достаточным пространственно-временным разрешением. В связи с этим возникает необходимость использовать для анализа процессов базы данных и электронные карты, полученные с помощью математического моделирования полей. В данной диссертационной работе для решения таких задач использована Адаптивно-Обучающаяся Автоматизированная Система Прогнозирования (АОАСП), созданная в ГОИНе в виде технологии. Технология была адаптирована соискателем для Белого моря и доведена до практического применения.

АОАСП представляет собой набор программных продуктов, позволяющих воспроизвести состояние морской или океанической среды, и реализует комплекс моделей мониторинга. Это создает предпосылки для получения полей океанологических характеристик моря с разной временной дискретностью, автоматически корректируемых по мере поступления информации. Для анализа синоптической изменчивости полей была использована Электронная Подсистема Описания Среды (ЭПОС) Адаптивно-Обучающихся Автоматизированных Систем Прогнозирования (АОАСП). Объектом изучения было выбрано Белое море. Для анализа процессов используется ГИС-технология, позволяющая с помощью встроенного в АОАСП картографического пакета SURFER создавать карты двумерных гидрометеорологических полей и формировать электронные атласы.

При помощи системных моделей АОАСП-ЭПОС появляется возможность изучить изменчивость гидрофизических, гидрохимических и биохимических полей, определить вклад таких процессов в аэрацию и перемешивание

глубинных вод в условиях сильной переслоенносги и устойчивости вод Белого моря. Созданные в результате работы проблемно-ориентированные банки информации будут способствовать развитию мониторинга состояний морской среды и устьев рек и применению системных моделей в различных областях знаний о море, экологическом моделировании и решении прикладных вопросов, связанных с обеспечением морского рационального природопользования.

Указанные обстоятельства обуславливают актуальность и практическую значимость настоящего исследования.

Цели и задачи исследований: - изучить сезонную и климатическую изменчивость полей гидрофизических характеристик Белого моря, особенности структуры и динамики вод рассматриваемого региона с учетом устьевых областей рек.

Для решения данных вопросов были предусмотрены следующие задачи: 1) Сформировать информационную базу данных по Белому морю и устьевым областям рек;- 2) Проверить достоверность базы данных и подготовить их для проведения численных экспериментов на квазигеострофической бароклинной модели, адаптированной для Белого моря с учётом реальной орографии, топографии, рельефа дна, осадков, испарения, стока рек;- 3) Адаптировать технологию АОАСП для численных экспериментов по Белому морю и его устьевым областям рек;- 4) Дать общую характеристику комплекса метеорологических условий, термохалинной структуры и динамики вод для акватории Белого моря, включая устьевые области рек на основе сформированной базы информации;- 5) Изучить сезонную и климатическую изменчивость полей гидрофизических и термохалинных характеристик для Белого моря и его устьевых областей рек на основе численных экспериментов,-б) Разработать методики построения электронных карт климатических и сезонных полей гидрофизических и термохалинных характеристик Белого

моря;- 7) Принять участие в создании электронных режимно-справочных пособий по Белому морю и его устьевым областям рек.

Для выполнения поставленных задач использовались данные, полученные по массивам СПО ГОИН и ВНИИПМИ-МЦД для Белого моря.

На защиту выносятся следующие положения:

Белое море - своеобразный динамически активный, приливной регион Мирового океана, структуру и динамику вод которого определяют следующие процессы:

• Взаимодействие и трансформация водных масс различного происхождения, включая водные массы Атлантики (Гольфстрим) и Северного Ледовитого океана (СЛО)

• Высокая степень разномасштабной изменчивости параметров среды под воздействием ветро-волновых и приливных процессов, водообмена с Баренцевым морем, колебаниями материкового стока, осадков и испарения на фоне сложной орографии и топографии региона.

Учитывая изложенное, в диссертационной работе рассматривается: 1)Адаптация Электронной Подсистемы Описания Среды (ЭПОС) технологии Адаптивно-Обучающихся Автоматизированных Систем Прогнозирования (АОАСП), разрабатываемых в ГОИНе под руководством А.С. Васильева, к региональным условиям Белого моря с учётом его устьевых областей рек, ветро-волновых процессов, водообмена с Баренцевым морем, колебаниями материкового стока;- 2) Разработка практических методов формирования проблемно-ориентированных банков входной информации с использованием для проведения численных экспериментов на квазигеострофической бароклинной модели, учитывающей автомодельность термохалинных процессов;- 3) Результаты численных экспериментов на полной гидродинамической модели Белого моря и в устьевых областях рек для климатических, сезонных и синоптических масштабов изменчивости полей с

учетом ледового покрова в зимнее время;- 2) Подготовка отдельных блоков технологам ЭПОС для передачи в оперативные службы Росгидромета, Минобороны и Госкомрыболовства с целью использования в комплексном мониторинге Белого моря и его устьев рек для информационного обеспечения морских операций и природоохранных мероприятиях.

Научная новизна.

Впервые выполнен комплексный анализ климатической и сезонной изменчивости полей гидрофизических и термохалинных характеристик на всей акватории Белого моря и его устьевых областей рек на основе численного моделирования процессов с использованием ЭПОС-АОАСП. Изучена эволюция термодинамических структур климатического и сезонного масштабов. Созданы отдельные разделы Динамических (пополняемых по времени) Электронно-справочных пособий по Белому морю и устьевым областям рек в виде Цветных Электронных Карт (ЦЭК). Подготовлены проблемно-ориентированные банки информации по среде для экспериментов на экологической модели Белого моря, и проведения комплексного мониторинга с использованием различных наблюдательных платформ (включая спутниковые).

Практическое значение и реализация полученных результатов.

При функционировании АОАСП в режиме диагноза состояния среды получают массивы значений давления, температуры и солености воды в узлах расчетной сетки; массивы полей ветра, температуры, кислорода, солености, динамических характеристик поверхности моря; значения полей интегральных характеристик моря и вертикальную структуру полей течений. Составлены динамические Электронно-справочные пособия по Белому морю и его устьям рек. Гидродинамическая модель, используемая в работе, реализует комплекс моделей мониторинга, который доведен до практического внедрения в службы Росгидромета, Минобороны и Госкомрыболовства. Это создает предпосылки

дня получения климатических и сезонных полей характеристик моря, автоматически корректируемых по мере поступления новой информации. При помощи системных моделей ЭПОС создаются базы данных по изменчивости гидрофизических, гидрохимических и биохимических полей для использования их в Адаптивно-обучающихся технологий исследования эволюции морской экологической системы Белого моря и его устьев рек. Дальнейшее использование разработанных систем непосредственно в службах Росгидромета будет способствовать развитию мониторинга состояний природной среды Белого моря и его устьев рек и улучшению гидрометеорологического обслуживания морского хозяйства Республики.

Автор участвовал в работе по Федерально-целевым программам "Мировой океан" - "Исследование природы Мирового океана" и "Единая система информатики по проблемам Мирового океана". Отвечал за разделы, связанные с изучением Белого моря и его устьев рек. За первый этап (19992002г.) отчеты успешно защищены.

Личный вклад соискателя.

Автор принимал участие в адаптации гидродинамический модели для Белого моря и устьевых рек Сев. Двины, Онеги и Мезени с Кулоем. Им была собрана, проанализирована и подготовлена для расчетов база данных по Белому морю. Автором самостоятельно выполнены численные эксперименты на квазигеострофической бароклинной модели. Созданы отдельные блоки динамических (пополняемые по времени) Электронно-справочных пособий в виде графических и демонстрационных клипов. Сформулированы основные выводы диссертационной работы.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы были изложены и обсуждены на международной конференция молодых ученых Национальных гидрометслужб стран СНГ (Москва, 6-8 декабря 1999 г.), научных семинарах

ГОИНа (Москва 2001,2003 гг.), на научной конференции по результатам исследований в области гидрометеорологии я мониторинга загрязнения природной среды, посвященной 10-летию образования МСГ (С.-П., 23-26 апреля 2002г.), на Международной конференции "Информационные ресурсы об океане-актуальные проблемы формирования, распространения и использования в научных исследованиях и в морской деятельности" (Обнинск, 8-10 октября, 2002г.), на Международном форуме "Великие реки России" (Н-Новгород, апрель 2002 г.).

Структура диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и библиографии, состоящей из 30 наименований, изложена на 80 страницах, с приложением на 46 страницах, содержит 90 рисунков, 3 таблицы, 2 диаграммы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введение обосновывается актуальность темы, сформулированы цели и задачи работы, обоснована новизна выбранной темы и её практическая значимость

В первой главе дан краткий обзор физико-географического положения Белого моря и его специфические особенности. Представлен гидрометеорологический режим моря. Своеобразие и неоднородность радиационного режима Белого моря определяется внутриконтинентальным положением в приполярном районе и вытянутостью с севера на юг. Для акватории Белого моря в любые сезоны года характерна частая смена воздушных масс, связанная с прохождением барических систем. В среднем погода над морем в течение года в 71% случаев определяется действием циклонических и в 29% - антициклонических полей атмосферного давления.

Повторяемость различных направлений ветра определяется сезонным состоянием атмосферного давления. Годовой ход средней месячной скорости ветра достаточно хорошо выражен в открытых районах моря.

Годовой ход температуры воздуха в разных районах моря отражает особенности климатообразуюших процессов в них. В открытых районах моря разность самого холодного и самого теплого месяцев составляет 18-21 "С, над заливами и побережьем 23-28°С. Самый холодный месяц для моря - февраль (-9...-11°С), лишь в вершинах Онежского и Двинского заливов - январь.

Температурные фронты и термические аномалии являются главными составляющими физических процессов теплообмена между поверхностным слоем океана с глубинными водами и атмосферой соответственно.

Фронтальные зоны, присутствующие в Белом море, разграничивают районы перемешанных и стратифицированных речных и морских вод.

Еще одной важной фронтальной зоной является граница раздела между Беломорскими и Баренцевоморскими водами. Фронт хорошо прослеживается в течение всего года, хотя перепад температуры и солености через него выражен не столь резко.

Основными источниками формирования водных масс в Белом море являются баренцевоморские и материковые воды. Речные воды в чистом виде встречаются только в вершинах заливов, а баренцевоморские прослеживаются в Воронке. Другие водные массы Белого моря - результат смешения этих вод.

Во второй главе даны теоретические основы и практические методы расчета гидрофизических и динамических характеристик.

Для проведения численных экспериментов по расчету распределения температуры, солености, плотности и течений использовалась квазигеострофическая бароклинная модель, созданная на основе автомодельной параметризации термохалинных процессов для различных морских и океанических регионов в режиме мониторинга (постоянного слежения за процессами) в течение достаточно большого периода времени (Васильев 19822002 гг.).

В данной работе модель была адаптирована как для Белого моря, так и для изучения процессов река-море в устьевых областях рек Северной Двины, Онеги, Мезени и Кулоя. Изучение процессов взаимодействия речных и морских вод представляет собой сложную задачу, как в теоретическом, так и прикладном плане, т.к. необходимо учитывать материковый сток, ветровые сгоны и нагоны, бароклинность, неравномерные глубины, очертания и формы берегов и другие особенности этого сложного объекта.

Для определения разномасштабных неоднородностей гидрометеорологических характеристик для Белого моря построена неравномерная координатная расчетная сетка с шагом 4' в центральных районах и Г в устьевых районах и крупных островах. В математическом моделировании морских систем одной из основных проблем является реконструкция основных физических полей (течений, температуры, солености, плотности) в режиме непрерывного наблюдения за происходящими процессами, математические модели диагноза состояния среды с помощью непрерывного мониторинга должны отвечать следующим требованиям: быстрая реализация на компьютерах небольшой мощности; необходимость учета орографии и топографии региона, водообмена в проливах и через «жидкие границы», сток рек, эффективное испарение с поверхности моря, возможность использования данных спутникового зондирования поверхности океана и данных стандартного гидрометеорологического мониторинга.

В данной работе рассматривается математическая модель, позволяющая решать поставленную проблему. Для этого используются принципы автомодельносга второго рода. Этот термин предложен российскими учеными Зельдовичем и Баренблаттом и предполагает использование некоторого класса функций, которые дают возможность разделить переменные по пространственным координатам в зависимости от функций автомодельносга, к вычислению которых сводится задача расчета пространственно-временного

распределения физических параметров системы.

Важнейшими функциями в океанологии, обладающими природной автомодельностью (подобием вертикального распределения) являются плотность и температура воды.

Плотность, например, для достаточно больших акваторий океана может быть описана моделью, определяемой по данным прямых наблюдений в океане на какой-либо характерной для рассматриваемого региона станции и некоторых функций автомодельности, определяемых из граничной задачи.

р(х,у, г,/)=£ (х,.у, /) + а,а(х,у,^ - А?А*) + р°{х,у,«) (1)

где

- неизвестная плотность морской воды;

£(*, у, г) - функция автомодельности, подлежащая определению в граничной задаче;

а(г,;) - функция стратификации, определяемая по данным наблюдений;

а(х,у,() - демпферная функция, регулирующая нулевой поток массы через

дно;

р°(х,у,() - заданная на поверхности моря плотность морской воды (с использованием спутниковой информации).

И?,и? - глубина придонного и глубинного слоев трения Экмана;

а, ,а2 - символы Кроиекера;

Используя уравнения движения, записанные в форме Экмана при линеаризированном горизонтальном обмене, неразрывности, гидростатики и модель плотности (I), решение для скоростей течений ищем в следующем виде:

ад (2)

¿=1

где и - вектор горизонтальной составляющей скорости течения;

в, - квадратные матрицы; Р) - внешние параметры задачи (тангенциальное напряжение ветра, градиенты функции автомодельности и Другие).

Интегрируя уравнения движения по вертикальной координате при условиях, что на поверхности моря известно тангенциальное напряжение ветра, а на дне выполняется условие прилипания и, удовлетворяя уравнению неразрывности, получим следующее дифференциальное уравнение

где V - параметр релаксации; "Р - интегральная функция тока.

Уравнение (3) решается методом минимальных невязок путем релаксации, расщепления и прогонки. После решения этого уравнения определяются градиенты функции автомодельности г), по явным

формулам сама функция автомодельности и по формуле (1) - распределение плотности. Скорости течения рассчитываются по формуле (2). При необходимости расчета таких характеристик как температура, соленость, кислород, биогенные элементы и другие примеси, и растворенные вещества можно дополнительно к уравнению (3) сконструировать уравнения для функций автомодельности упомянутых параметров.

После решения этих уравнений определяются функции автомодельности, по известным функциям автомодельности - пространственное распределение течений, температуры, солености и плотности с помощью явных формул.

Рассмотрим интерактивные системы обработки информации, полученной с различных наблюдательных платформ с использованием гидродинамических моделей, описанных выше.

В Государственном океанографическом институте Росгидромета созданы Адаптивные технологии океанографического мониторинга (АТОМ), реализующие рассмотренные принципы построения морских измерительно-

информационных систем в рамках адаптивно-обучающихся прогностических компьютерных технологий мониторинга состояния и фазовых изменений классов морских и океанических процессов (АОАСП).

Интерактивные системы обработки информации предполагают формирование полей входных данных (мониторинг) и синтезируют проблемно-ориентированные банки океанографических полей (томография).

АОАСП является человеко-машинной системой и функционирует в диалоговом режиме. Системные модели основаны на принципах перцепции -машинном восприятии размытых образов состояния сложной системы «морская среда - предикант», обучении на распознавание переходов в состоянии этой системы и прогнозе ее возможных состояний в будущем.

Комплексный мониторинг служит для создания проблемно-ориентированных компьютерных баз данных, необходимых для построения прогностических схем основных физических полей и биоты на основе Марковского прогностического функционала.

В третьей главе выполнен пространственно-временной анализ сезонной изменчивости полей гидрофизических характеристик Белого моря. Для изучения сезонной изменчивости гидрометеорологических полей в Белом море, были проведены расчеты среднедекадных полей метеорологических и гидрофизических характеристик на полной гидродинамической модели для Белого моря. В численных экспериментах использовались данные, полученные по массивам СПО ГОИН и ВНИИГМИ-МЦД для Белого моря и спутниковая информация НИИ "Планета" Росгидромета.

В расчете полей атмосферного давления для Белого моря использовались реальные значения, масштабированные для удобства расчетов, на постоянную величину 900 мб. Р = Р^ 900 мб, где Р, - реальное значение.

Вследствие относительно быстрого прохождения барических образований через рассматриваемый регион, атмосферная циркуляция над всей

акваторией Белого моря и прилегающим районам отличается частой сменой погоды. Основным фактором формирования погоды является циклоническая деятельность.

В зимнее время над акваторией Белого морем преобладает поле низкого атмосферного давления, которое формируется под воздействием циклонов, продвигающихся на восток и юго-восток. Область низкого давления в этот период располагается над северо-восточной частью Воронки моря и полуостровом Канин, где среднедекадные значения атмосферного давления составляют около 999,0 мб.

В течение весеннего периода с увеличение притока солнечной радиации происходит перестройка структуры барического поля.

В мае начинает формироваться летний характер атмосферной циркуляции. Горизонтальный градиент давления направлен с запада на восток. Летом продолжает соблюдаться тенденция роста атмосферного давления над акваторией Белого моря. Осенью начинается активизация атмосферной циркуляции. К ноябрю заканчивается перестройка структуры барического поля. Господствующий над морем циклонический тип циркуляции способствует преобладанию юго-западных и южных ветров, реже наблюдаются западные. Летом наблюдается сложная картина поля ветра с небольшими средними скоростями (Июнь - 4м с"', Июль - 2,5м-с*1, Август - 4,5м с"1). В июне продолжают преобладать ветры северных направлений. В июле над морем наблюдается тихая, почти безветренная погода. Осенью формируется поле ветра, характерное для зимнего периода. К концу осени над всей акваторией моря господствуют западные ветры, средние скорости которых при разгоне на открытой воде достигают 11 м-с"1.

Средняя картина изменчивости поля ветра над акваторией Белого моря подвержена внутригодовым изменениям в соответствии с естественными колебаниями циркуляции атмосферы.

Особое внимание уделялось термохалинной структуре вод Белого моря. Пространственное распределение полей гидрологических характеристик осложнено наличием больших мелководных заливов, многочисленных островов, огромным речным стоком и притоком баренцевоморских вод. Во все сезоны температура воды имеет тенденцию к росту с северо-востока на юго-запад, за исключением зимнего периода, когда поступление теплых вод из Баренцева моря и сильное выхолаживание Белого моря изменяют эту картину в обратную сторону.

Наибольшие горизонтальные градиенты солености в море приурочены к вершинам заливов, исключение составляют Онежский и частично Мезенский. В Двинском заливе возле устья Сев. Двины соленость составляет 17%о. Трансформированные речные воды (до 23%о) занимают большую часть залива. Наибольшее их распространение прослеживается вдоль восточного берега. Схожая картина наблюдается и в Кандалакшском заливе. Необходимо отметить опресняющее влияние многочисленных речек Карелии, которое прослеживается от западного берега моря до Соловецких островов. В Бассейне на поверхности наблюдаются воды с соленостью 26-26,5%о. Их влияние отмечается в Онежском заливе, где соленость в результате водообмена и приливных эффектов составляет 24-25%о. Баренцевоморские и их трансформированные (до 29%«) воды занимают всю Воронку, проникая в Горло и Мезенский залив.

Отметим, что в областях отрицательных температур ниже -1,3°С на поверхности моря существует лед.

В четвертой главе представлена структура и динамика вод Белого моря. Рассматривается сезонная и синоптическая (декадное осреднение) картина полей динамических характеристик на всей акватории изучаемого региона. Для анализа изменчивости динамических характеристик в Белом море рассчитывалась интегральная функция тока, которая характеризует

направления движения вод и их расходов, как разность значений интегральных характеристик в двух точках. В северном полушарии движение направлено вдоль изолинии функции тока таким образом, что большие значения располагаются справа. Разница значений, подписанных на изолиниях, дает расходы воды между ними. В работе расходы выражены в Свердрупах (Св), которые составляют ЮУ-с'1.

33 34 35 36 37 38 38 40 41 42 4344

Рис.1. Интегральная функция тока (от поверхности до дна) в Белом море (в 106-Св)

Для изучения вертикальной структуры течений в Белом море построены меридиональные и зональные составляющие течений. В зимний период в Белом море прослеживается перенос вод вдоль Восточных берегов моря от Онежского

залива к границе с Баренцевым морем. До Двинского залива в этой преобладающей струе отмечаются расходы 0,02Св. Поступление вод Северной Двины, Мезени, Кулоя приводит к увеличению расходов (0,2Св) и ширины потока, которая захватывает все Горло и западную часть Мезенского залива. В центральной части в этот период наблюдаются циклональные круговороты, смещенные к границам Двинского и Кандалакшского заливов. Вдоль Терского и Кандалакшского берегов зимой формируются антициклональные вихри, способствующие переносу соленых вод из Воронки в Кандалакшский залив. Весной происходит перестроение динамики вод Белого моря. Сокращаются расходы от 0,1 Св (Март) до 0,06Св (Апрель), основная струя переноса также прослеживается вдоль восточных берегов, но прижимается ближе к берегу. Циклональный круговорот на границе Бассейна и Кандалакшскна и Кандалакшскдает в течение всего весеннего периода. В Двинском заливе формируется анпщиклональный круговорот, прекращающий свое существование к концу мая. С наступлением лета в динамике Белого моря не наблюдается определенного переноса вод в каком-либо направлении, лишь в июне под влиянием весеннего половодья прослеживается поток вдоль восточного побережья из Двинского залива к границе Баренцева моря. В этот период (июнь-август) в Белом море можно наблюдать многочисленные дипольные структуры на периферии которых формируются неустойчивые струйные течения (Рис.1.). С началом осеннего паводка, восстанавливается устойчивый перенос вод вдоль восточного побережья. В других частях моря наблюдаются два явно выраженных ангициклоналышх круговорота в центральной части Бассейна и на выходе из Кандалакшского залива. Осенне-зимняя конвекция и процессы ледообразования на акватории Белого моря формируют сложную картину динамики вод с многочисленными разнообразными циклонально-антициклональными структурами. В вертикальной структуре течений преобладает поступление вод из Воронки

через Горло в центральные части Бассейна с дальнейшим продвижением их в Онежский и Кандалакшский заливы. В зимний период поступление вод через разрез с востока на запад прослеживается в верхних слоях. Максимальные скорости смещены к Терскому берегу (18-25 см-с"1). В декабре и январе такой перенос вод наблюдается от поверхности до дна. В эти месяцы глубинные противотечения незначительны 6-10 см-с"1, лишь в феврале их скорости одинаковы. На зональном разрезе зимой можно наблюдать двухслойную картину течений. В верхнем слое наблюдается перемещение вод с юга на север, на глубине - в обратном направлении. Средние скорости течений в этих

Рис.2. Меридиональная и зональная составляющие скорости течения в Белом море (см-с"1.) Весной, процессы ледотаяния и увеличения речного стока приводят к формированию разнообразной картины течений в верхнем слое моря.

Летом отмечаются незначительные скорости течений, направленные в основном с востока на запад. Они не превышают 3 см-с"1. Многочисленные круговороты в центральной части Бассейна способствуют формированию разнонаправленных течений на поверхности моря и в глубинных слоях. Необходимо отметить, что в эти периоды прослеживаются глубоководные течения, направленные в заливы.

Одинаковая вертикальная структура прослеживается для всех сезонов, лишь отличаются только порядки скоростей течений.

Результаты моделирования хорошо согласуются с общепринятой схемой течений в Белом море. Во все периоды отчетливо прослеживается квазипостоянное течение, направленное вдоль восточного побережья к границе с Баренцевым морем. Оно начинается в Онежском заливе, так называемое Онежское течение, выходя восточнее Соловецких о-вов и вдоль Лешего берега в Двинский залив. Далее Двинское течение направляется вдоль Зимнего берега в Горло. Это течение переходит в Мезенское, поступающее в восточную часть Воронки, и имеющее максимальные скорости среди перечисленных течений. Такой перенос вод в Белом море формируется в основном под влияние речного стока. По той же причине формируется Кандалакшское течение, переносящие воды вдоль Карельского берега по направлению к Онежского заливу. В юго-западной части Воронки можно отметить слабые течения из Баренцева моря вдоль Мурманского берега, результат поступления более соленых вод в Белое море. В центральной части моря в течение всего года прослеживаются два крупных круговорота: ангициклональный в восточной части Бассейна и цикпональный в Двинском заливе. Кроме крупных динамических структур в море присутствуют многочисленные изолированные антициклонально-циклональные круговороты различных размеров. Особенно такая структура прослеживается в летний период. По результатам численных экспериментов выявлено, что основными факторами формирования постоянных течений в

Белом море являются материковый сток, водобмен с Баренцевым морем и ветровой режим.

В пятой главе представлена картина течений в устьевых областях рек Белого моря. Основными факторами, которые определяют режим течений в устьевых областях Северной Двины, Онеги и Мезени с Кулоем, являются сток речных вод, приливо-отливные и сгонно-нагонные явления, бароклинность и ледовые условия. Характерной особенностью устьевых областей рек Белого моря является формирование в заливе фронтальных зон и связанных с ними течений, а также циклональных и антициклональных структур в районе морского края дельты (МКД).

На севере устьевой области Северной Двины стоковые течения конвергируют с вдоль береговым циркуляционным потоком бассейна, направленным на север к Горлу Белого моря (Рис. Зв вверху). Расчета показывают, что зимой Двинский залив полностью покрыт льдом. Верхний квазиоднородный слой распространяется до дна при глубинах менее 50 м в зонах антициклональной завихренности. Дипольные структуры, с преобладанием зон антициклональной завихренности, развиты в центральных районах взморья. Основной поток Северодвинских вод распространяется вдоль северного берега залива. В местах соприкосновения потока с динамическими структурами циклональной завихренности возможны усиления скоростей г течений до 1 м-с"1.

Вследствие влияния ледяного покрова скорости течений меньше, чем « летом. Течения, возбуждаемые ветром в этот период, отсутствуют. Подо льдом существуют бароклинные и инерционные течения, а также остаточные течения, связанные с нелинейными деформациями приливных течений на неровном дне, учитываемые в модели через градиенты солености (плотности).

В половодье в баровой зоне проявляется хорошо выраженный эффект клина соленых вод. Вода в поверхностном слое течет в море со скоростью до

2,5 м-св то время как в придонном слое наблюдается обратный поток соленых вод со скоростью 0,4 -0,6 м-с"1. Стоковые течения прослеживаются до свала глубин. Транспортируемые ими воды за свалом глубин подхватываются результирующим потоком вод, направленным на взморье с запада на восток. Этот хорошо выраженный перенос вод в вершине Двинского залива питает постоянное течение вдоль восточного (Зимнего) берега Белого моря. Оно выносит из устьевой зоны смешанные воды и транспортирует их в южную часть Горла Белого моря.

В летний период характерный ветер с востока практически не нарушает зимней структуры течений. Скорости поверхностных течений формируют антициклональные структуры, расположенные в основной области Двинского залива. К концу лета стоковые вдольбереговые течения также имеют небольшие скорости, соответствующие уменьшенному расходу воды. Осенний период характерен увеличением стоковой составляющей до 0,6 м-с"1, что способствует усилению режима формирования гидрофронтов.

Режим течений в устьевой области р. Онеги формируется под влиянием стоковых и ветровых сгонно-нагонных течений, а также бароклинных течений и остаточных приливных течений. Скорость стокового вдольберегового течения зависит от величины стока р.Онеги, направлений ветра и градиентов плотности, обусловленных бароклинностыо. В зимний период при отсутствии ветрового воздействия на водную поверхность в Онежском заливе, согласно выполненным расчетам, подо льдом образуются потоки циклональной завихренности и фронтальная зона, отделяющая вдольбереговой поток от потоков циклональной завихренности с ангациклональными сателлитами буферной антициклональной зоной. (Рис.Зб вверху).

В вертикальной структуре течений устьевого района преобладает двухслойная циркуляция, отток речных трансформированных вод в верхнем

слое и поступление соленых вод Бассейна в придонном слое, и циклонально-антициклональные структуры. Скорости течений могут достигать 20 см-с"1.

Летом с преобладанием ветров восточных и юго-восточных румбов, на поверхности залива формируются ветровые течения, направленные от устья р.Онеги в западном направлении со скоростями около 0,1 м-с"1. Воды р.Онега распространяются по акватории, прижимаясь к северному берегу - Онежское вдольбереговое течение. Внутри области образуется ряд дипольных структур с преобладанием циклональной завихренности.

Устьевые области рек Мезени и Кулоя по данным численных экспериментов зимой покрыты льдом на всей акватории. Хорошо прослеживается вдольбереговой поток, направленный на север и определяющий отток вод в Баренцевоморский бассейн (Рис.За). В зимний период хорошо прослеживается вдольбереговой поток, направленный на северо-запад, определяющий вынос вод в Белое море. Летом (август) преобладающий ветер носит циклональный характер и изменяется от восточного и северо-восточного на севере до западного и северо-западного на юге региона. Такое распределение ветра характерно для циклона, центр которого расположен в районе устья р. Мезень. Поверхностные течения соответствуют скорости и направлению ветра.

Использование электронных подсистем описания среды (ЭПОС) Адаптивно-обучающихся систем прогнозирования (АОАСП) применительно к устьевым областям рек, позволило перейти на новый качественный уровень исследования природных объектов река-море.

В данном исследовании получены важные фундаментальные результаты, присущие всем устьевым областям рек бассейна Белого моря.

Рис.3. Поля интегральной функции тока (от поверхности до дна) в 103-Св для устьевых областей а - Мезени с Кулоем, б - Онеги, в - СевДвины, для февраля (вверху) и августа (внизу).

В заключении сформулированы основные результаты и выводы работы: 1) В результате расчетов динамических характеристик ь Белом море с использованием ЭПОС получены картины распределения течений во все сезоны года; - 2) Впервые получены циркуляционные структуры подо льдом; -3) Результаты моделирования хорошо согласуются с общепринятой схемой течений в Белом море, уточняя ее для периода, когда море покрыто льдом. Во все периоды прослеживается течение, направленное вдоль восточного побережья к границе с Баренцевым морем. Оно начинается в Онежском заливе, так называемое Онежское течение, выходя восточнее Соловецких о-вов и вдоль Летнего берега в Двинский залив. Далее Двинское течение направляется вдоль Зимнего берега в Горло. Это течение переходит в Мезенское, поступающее в восточную часть Воронки. Также формируется Кандалакшское течение, переносящее воды вдоль Карельского берега по направлению к Онежского заливу; - 4) В юго-западной части Воронки можно отметать слабые течения из Баренцева моря вдоль Мурманского берега, результат поступления более соленых вод в Белое море; - 5) В центральной части моря в течение всего года прослеживаются два крупных круговорота: антициклональный в восточной части Бассейна и циклональный в Двинском заливе; - 6)В море присутствуют многочисленные изолированные антициклонально-циююнальные круговороты различных размеров. В летний период такие структуры прослеживается наиболее отчетливо; - 7) По результатам численных экспериментов выявлено, что основными факторами формирования постоянных течений в Белом море являются материковый сток, водообмен с Баренцевым морем и ветровой режим; - 8)Главными факторами, влияющими на изменчивость термохалинной структуры вод Белого моря являются материковый сток рек Сев. Двина, Мезень с Кулоем, Онега и рек Карелии, водообмен с Баренцевым морем и ветровой режим; - 9)Средняя картина изменчивости поля ветра над акваторией Белого моря подвержена внутригодовым изменениям в соответствии с естественными

колебаниями циркуляции атмосферы; - 10)Речные воды распространяются при безветренной погоде, прижимаясь к берегу, находящемуся справа от потока. Это способствует образованию циклональной структуры вдольбереговых течений в морских устьевых областях северного полушария; - 11)Вблизи морского края дельт образуются вихревые (в основном циклональные) структуры пониженной солености, сохраняющие свои свойства длительное время (порядка сезона) ; - 12)В морской части дельты (на взморье) образуются дапольные структуры (циклон-антициклон), на границе которых усиливаются струйные течения; - 13)На перифериях дипольных структур и между берегом образуются локальные фронтальные зоны, как зоны конвергенции течений. В зимний период (подо льдом) эти фронты более устойчивы, чем в летний период.

Результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Белов А.Б. «К теории построения электронных режимно-справочных пособий по Белому морю» Конференция молодых ученых Национальных гидрометслужб стран СНГ, Москва, 6-8 декабря 1999 г.

2. Белов А.Б., Васильев А.С. «Сезонная изменчивость климатических характеристик океанографических полей Белого моря», Деп. ВИНИТИ №24-В2002, - 26 стр.

3. Белов А. Б., Васильев А. С. Климатические характеристики Белого моря и его основных районов//Гидрометео из дат, СПб, Труды ГОИН, вып. 208, 2002, с.46-76

4. Белов А. Б., Васильев А. С., Коновалов М.Л., Желяев Д.А Термодинамические процессы в устьевых областях рек Онеги, Северной Двины и Мезени с Кулоем// Гидрометеоиздат, СПб, Труды ГОИН, вып. 208, 2002, с.175-199.

Издательство ООО "МАКС Пресс". Лицензия ИД № 00510 от 01.12.99 г. Подписано к печати 05.05.2003 г. Формат 60x90 1/16. Усл.печ.л. 1,75. Тираж 60 экз. Заказ 310. Тел. 939-3890, 928-2227, 928-1042. Факс 939-3891. 119899, Москва, Воробьевы горы, МГУ.

il

n \

f

I

I

I

,2 199

i !

1/

Содержание диссертации, кандидата географических наук, Белов, Александр Борисович

Введение.

Глава 1. Гидрометеорологический режим Белого моря.

1.1 Физико-географическое положение Белого моря.

1.2 Физико-географические особенности морских устьевых областей рек Белого моря.

1.3 Метеорологический режим и климат.

1.4 Гидрологический режим.

1.5 Течения в Белом море.

1.6 Ледовый режим Белого моря.

Глава 2. Теоретические основы и практические методы расчета сезонных и климатических характеристик.

2.1 Структура АОАСП.

2.2 Информационно-мониторинговая подсистема АОАСП.

2.3 Базовая модель геофизической гидродинамики.

Глава 3. Сезонная изменчивость полей гидрофизических характеристик в Белом море и его основных устьевых областях.

3.1 Атмосферная циркуляция.

3.2 Ветровой режим.

3.3 Термохалинный режим Белого моря.

3.4. Распределение солености в устьевых областях рек.

3.5 Ледовый режим и кислород на поверхности моря.

3.6 Термические и ледовые условия устьевых областей.

Глава 4. Сезонная изменчивость полей гидродинамических характеристик Белого моря.

Глава 5. Сезонная изменчивость полей гидродинамических характеристик устьевых областей рек Белого моря.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Климатическая и сезонная изменчивость гидрофизических полей Белого моря и его устьевых областей рек"

В последнее время, в связи с сокращением количества научно-экспедиционных рейсов, для большинства морей практически отсутствует возможность прямого измерения гидрофизических и гидрохимических характеристик с достаточным пространственно-временным разрешением. В связи с этим возникает необходимость использовать для анализа процессов базы данных и электронные карты, полученные с помощью математического моделирования полей спутниковой информации. В данной диссертационной работе для решения таких задач использована Адаптивно-Обучающаяся Автоматизированная Система Прогнозирования (АОАСП), созданная в ГОИНе в виде технологий [18].

Технология была адаптирована соискателем для Белого моря и доведена до практического применения.

АОАСП представляет собой набор программных продуктов, позволяющих воспроизвести состояние морской или океанической среды, и реализует комплекс моделей мониторинга. Это создает предпосылки для получения полей океанологических характеристик моря с разной временной дискретностью, автоматически корректируемых по мере поступления информации. Для анализа климатических, сезонных и синоптических полей была использована Электронная Подсистема Описания Среды (ЭПОС) Адаптивно-Обучающихся Автоматизированных Систем Прогнозирования (АОАСП). Объектом изучения было выбрано Белое море. Анализ процессов осуществлялся с использованием ГИС-технологии, позволяющей с помощью встроенного в АОАСП-ЭПОС картографического пакета SURFER создавать карты двумерных гидрометеорологических полей и формировать электронные атласы. При помощи системных моделей АОАСП-ЭПОС появляется возможность изучить изменчивость гидрофизических, гидрохимических и биохимических полей, определить вклад таких процессов в эволюцию морской экосистемы Белого моря. Созданные в результате численных экспериментов проблемно-ориентированные банки информации будут способствовать развитию мониторинга состояний морской среды и устьев рек и применению системных моделей в различных областях знаний о море, экологическом моделировании и решении прикладных вопросов, связанных с обеспечением морского рационального природопользования и охраной окружающей среды.

Указанные обстоятельства обуславливают актуальность и практическую значимость настоящего исследования.

Для решения этих вопросов были предусмотрены следующие задачи:

1. Сформировать информационную базу данных по Белому морю и устьевым областям рек.

2. Проверить достоверность базы данных и подготовить её для проведения численных экспериментов на квазигеострофической бароклинной модели, адаптированной для Белого моря с учётом реальной орографии, топографии, рельефа дна, осадков, испарения, стока рек, ветрового режима.

3. Адаптировать технологию АОАСП-ЭПОС для численных экспериментов по Белому морю и его устьевым областям рек.

4. Дать общую характеристику комплекса метеорологических условий, термохалинной структуры и динамики вод для акватории Белого моря, включая устьевые области рек на основе сформированной базы данных.

5. Изучить климатическую, сезонную и синоптическую изменчивость полей гидрофизических и термохалинных характеристик для Белого моря и его устьевых областей рек на основе численных экспериментов.

6. Разработать методики построения электронных карт климатических и сезонных полей гидрофизических и термохалинных характеристик Белого моря.

7. Принять участие в создании электронных режимно-справочных пособий по Белому морю и его устьевым областям рек.

Белое море - своеобразный динамически активный, приливной регион Мирового океана. Структуру и динамику его вод определяют: взаимодействие и трансформация водных масс различного происхождения, включая водные массы Атлантики (Гольфстрим) и Северного Ледовитого океана (CJTO); высокая степень разномасштабной изменчивости параметров среды под воздействием ветро-вол новых и приливных процессов, водообмена с Баренцевым морем, колебаниями материкового стока, осадков и испарения на фоне сложной орографии и топографии региона.

Учитывая изложенное, в диссертационной работе рассматривается: © Адаптация Электронной Подсистемы Описания Среды (ЭПОС) технологии Адаптивно-Обучающихся Автоматизированных Систем Прогнозирования (АОАСП), разрабатываемых в ГОИНе под руководством A.C. Васильева, к региональным условиям Белого моря с учётом его устьевых областей рек, ветро-волновых процессов, водообмена с Баренцевым морем, колебаниями материкового стока ® Разработка практических методов формирования проблемно-ориентированных банков входной информации с использованием для проведения численных экспериментов на квазигеострофической бароклинной модели, учитывающей автомодельность термохалинных процессов Результаты численных экспериментов на полной гидродинамической модели Белого моря и в устьевых областях рек для климатических, сезонных и синоптических масштабов изменчивости полей с учетом ледового покрова в зимнее время ® Подготовка отдельных блоков технологии ЭПОС для передачи в оперативные службы Росгидромета, Минобороны и Госкомрыболовства с целью использования в комплексном мониторинге Белого моря и его устьев рек для информационного обеспечения морских операций и природоохранных мероприятиях.

С точки зрения новизны работы, впервые выполнен комплексный анализ климатической и сезонной изменчивости полей гидрофизических и термохалинных характеристик на всей акватории Белого моря и его устьевых областей рек на основе численного моделирования процессов с использованием ЭПОС-АОАСП. Изучена эволюция термодинамических структур климатического и сезонного масштабов. Созданы отдельные разделы Динамических (пополняемых по времени) Электронно-справочных пособий по Белому морю и устьевым областям рек в виде Цветных Электронных Карт (ЦЭК). Подготовлены проблемно-ориентированные банки информации по среде для экспериментов на экологической модели Белого моря, и проведения комплексного мониторинга с использованием различных наблюдательных платформ (включая спутниковые).

При функционировании АОАСП в режиме диагноза состояния среды получают массивы значений давления, температуры и солености воды в узлах расчетной сетки; массивы полей ветра, температуры, кислорода, солености, динамических характеристик поверхности моря; значения полей интегральных характеристик моря и вертикальную структуру полей течений. Гидродинамическая модель, используемая в работе, реализует комплекс моделей мониторинга, который доведен до практического внедрения в службы Росгидромета, Минобороны и Госкомрыболовства. Это создает предпосылки для получения климатических и сезонных полей характеристик моря, автоматически корректируемых по мере поступления новой информации. При помощи системных моделей ЭПОС создаются базы данных по изменчивости гидрофизических, гидрохимических и биохимических полей для использования их в Адаптивно-обучающихся технологий исследования эволюции морской экологической системы Белого моря и его устьев рек. Дальнейшее использование разработанных систем непосредственно в службах Росгидромета будет способствовать развитию мониторинга состояний природной среды Белого моря и его устьев рек и улучшению гидрометеорологического обслуживания морского хозяйства России.

Автор участвовал в работе по Федерально-целевым программам "Мировой океан" - "Исследование природы Мирового океана" и "Единая система информатики по проблемам Мирового океана". Отвечал за разделы, связанные с изучением Белого моря и его устьев рек. За первый этап (19992002г.) отчеты успешно защищены.

Автор непосредственно принимал участие в адаптации АОАСП-ЭПОС для Белого моря и устьевых рек Сев. Двины, Онеги и Мезени с Кулоем. Им была собрана, проанализирована и подготовлена для расчетов база данных по Белому морю. Автором самостоятельно выполнены численные эксперименты на квази геострофической бароклинной модели. Построены карты климатической и сезонной изменчивости гидрометеорологических и динамических характеристик ввиде графических и демонстрационных клипов. Сформулированы основные выводы диссертационной работы.

Основные положения диссертационной работы были изложены и обсуждены на международной конференция молодых ученых Национальных гидрометслужб стран СНГ (Москва, 6-8 декабря 1999 г.), научных семинарах ГОИНа (Москва 2001,2003 гг.), на научной конференции по результатам исследований в области гидрометеорологии и мониторинга загрязнения природной среды, посвященной 10-летию образования МСГ (С.-П.,' 23-26 апреля 2002г.), на Международной конференции "Информационные ресурсы об океане - актуальные проблемы формирования, распространения и использования в научных исследованиях и в морской деятельности" (Обнинск, 8-10 октября, 2002г.), на Международном форуме "Великие реки России" (Нижний Новгород, апрель 2002 г.).

Для решения поставленных задач будем пользоваться понятиями и терминологией, введённых в работах [15,22,60].

Следуя академику АС. Монину [60], сделаем определение понятия погоды климата: "В качестве временной границы, условно разделяющей погоду и климат, примем величину Оо = 1мес. Процессы с характерным временным масштабом &п, много меньшим, чем 90 « , будем относить к погоде, а процессы с масштабом изменчивости Эк, много большим &о (0К ».%) будем называть кинематическими. Под "характерным масштабом изменчивости" 9П, можно понимать, например, время корреляций. Из этого определения следует, что, усреднив погодный процесс по длительному промежутку времени (месяц и более), мы получим климатический процесс. Примеры: ежечасные измерения температуры воздуха, его влажности и скорости ветра имеют характерное время корреляции 1-3 сут. И посему суть временные ряды, представляющие погодные процессы; температура поверхности океана (ТПО), т.е. температура, усредненная в пределах верхнего, перемешанного ветром слоя с толщиной в десятки метров, имеет характерное время изменчивости 3-6 мес. и, следовательно, ее временная эволюция есть климатический процесс*'.

Климат и режим моря определим как ансамбли состояний морской экологической системы, сохраняющие свои свойства за период времени порядка года и сезона. Аналогично под термином погода будем понимать ансамбль состояний системы сохраняющей свои свойства за период времени порядка декады. Погода и режим моря взаимосвязаны и взаимообусловлены, и осредненные за период более 1 месяца имеют временную эволюцию климатического характера.

В формировании гидрологического режима Белого моря решающую роль играют следующие факторы: географическое положение и размеры моря, его глубина и рельеф дна, ветровой режим, материковый сток и приливные эффекты. Приливные процессы в работе учитываются опосредованно, через вводимую в расчеты функцию стратификации и параметры автомодельности, позволяющие вычислять вертикальную структуру температуры, солености в расчетах. Внутриматериковое положение, малые размеры и изрезанность береговой лини Белого моря сильно сказываются на общих климатических условиях, придавая им черты континентальное™ и заметно сглаживая отепляющее влияние Баренцева моря и Северной Атлантики.

Выявление климатической, сезонной и синоптической изменчивости полей гидрофизических и гидродинамических характеристик в Белом море и его основных устьевых областей с учетом орографии, топографии, устьевых областей рек, бароклинности и приливных эффектов имеет большое значение для изучения режима моря и его устьевых районов, а также в прикладных целях.

Согласно общепринятой классификации изменчивости океанологических процессов [44] диапазон пространственно-временных масштабов разбит на пять интервалов: Мелкомасштабные неоднородности;

• Мезомасштабные неоднородности; Синоптические неоднородности; Межгодовые неоднородности; Глобальные неоднородности.

Синоптическая изменчивость гидрофизических полей в морях и океанах связана со среднем ас ш га б н ы м и вихревыми образованиями. Среднемасштабные вихри имеют горизонтальные размеры 10-100 км, и продолжительность их существования составляет около 100 суток. Таким образом, следуя A.C. Монину, временная эволюция этих процессов есть климатический процесс. Такие вихри способны перемещать большие массы воды в горизонтальном и вертикальном направлениях. Однако в морях они изучены крайне слабо, а в Белом море синоптические вихри почти не исследовались [10,11,25,27,52,67].

Межгодовая и глобальная климатическая изменчивость в данной работе не рассматривалась. В Гидрометслужбе между понятиями погода и климат введено еще одно понятие - режим. Режимные обобщения, как следует из определения академика A.C. Монина, есть климатические обобщения, относящиеся к регионал ьным (в основном морским ) акваториям .

В 1985-95 гг. под общей редакцией Ф.С. Терзиева была подготовлена и опубликована 10-томная серия монографий "Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР". Методический подход по анализу данных сформирован в сборниках: "Режимообразующие факторы. Информационная база и методы ее анализа". Основное внимание в упомянутых работах уделялось климатической, сезонной и межгодовой изменчивости гидрометеорологических процессов на основе анализа многолетних временных рядов среднемесячных значений. Несмотря на уникальность издания, следует отметить, что справочный массив результатов обработки на технических носителях не был создан, гидродинамические и вероятностные модели использовались лишь фрагментарно[27].

В 1993-1995 гг. под руководством В.А. Рожкова (СПО ГОИН) создана компьютерная информационно-справочная система (КИСС) для обработки и анализа морских гидрометеорологических наблюдений. Она включает базу исходной информации, базу справочных данных, пакет прикладных программ и блок управления.

Для усвоения исходной информации и формирования расчётной базы данных в диссертационной работе в качестве методологической основы анализа синоптической, сезонной и климатической изменчивости полей была использована АОАСП-ЭПОС (ГОИН) и КИСС (СПО ГОИН). Спутниковая информация по температуре поверхности моря и ледовым условиям представлялась НИЦ «ПЛАНЕТА». Поля приземного атмосферного давления формировались из массива данных Гидрометцентра РФ. По этой информации были сформированы специализированные банки информации в форматах АОАСП, дающих возможность создавать динамические (пополняемые по времени) справочные пособия.

АОАСП строится в зависимости от целевой функции системы и времени заблаговременности прогноза. Формируется блочная структура интерактивной обработки информации, полученной с различных (в том числе спутниковых) наблюдательных платформ.

Входная информация для АОАСП-ЭПОС - массивы данных глубоководных, островных и прибрежных станций, измеряющих температуру и соленость воды, атмосферное давление, поля ветра, речной сток, приливные эффекты, а также спутниковая информация и константы, характеризующие физико-географические особенности Белого моря.

Архивы исходной информации пополняются в процессе поступления. Обработка информации для представления её на регулярной расчётной сетке производится с помощью метода оптимальной интерполяции [23].

Для анализа процессов используется ГИС-технология, позволяющая с помощью картографического пакета SURFER создавать карты двумерных гидрометеорологических полей и формировать цветные электронные атласы.

Заключение Диссертация по теме "Океанология", Белов, Александр Борисович

Заключение

В результате расчетов динамических характеристик в Белом море и в его устьевых областях рек с использованием ЭПОС получены следующие результаты. Адаптирована Адаптивно-Обучающая Автоматизированная Система Прогнозирования Электронной Подсистемы Описания Среды (АОАСП-ЭПОС) для Белого моря.

Разработана методика усвоения информации, полученной с различных наблюдательных платформ (включая спутниковые) и построения карт полей гидрометеорологических элементов на регулярных неравномерных сетках на основе методов оптимальной интерполяции.

Создана климатическая информационная база гидрометеорологических и океанографических полей по Белому морю и устьевым областям рек.

Получены карты интегральных функций тока и распределения течений в море во все сезоны года.

Результаты моделирования хорошо согласуются с общепринятой схемой течений в Белом море, уточняя ее для периода, когда море покрыто льдом

Впервые получены циркуляционные структуры подо льдом.

В юго-западной части Воронки можно отметить слабые течения из Баренцева моря вдоль Мурманского берега, результат поступления более соленых вод в Белое море.

В центральной части моря в течение всего года прослеживаются два крупных круговорота: антициклональный в восточной части Бассейна и циклональный в Двинском заливе.

В море присутствуют многочисленные изолированные антициклонально-циклональные круговороты различных размеров.

Основными факторами формирования постоянных течений в Белом море являются материковый сток, водообмен с Баренцевым морем и ветровой режим.

Главными факторами, влияющими на изменчивость термохалинной структуры вод Белого моря являются материковый сток рек Сев. Двина, Мезень с Кулоем, Онега и рек Карелии, водообмен с Баренцевым морем и ветровой режим.

Средняя картина изменчивости поля ветра над акваторией Белого моря подвержена внутригодовым изменениям в соответствии с естественными колебаниями циркуляции атмосферы.

Речные воды распространяются при безветренной погоде, прижимаясь к берегу, находящемуся справа от потока, что способствует образованию циклональной структуры вдольбереговых течений.

Вблизи морского края дельт образуются вихревые (в основном циклональные) струкгуры пониженной солености, сохраняющие свои свойства длительное время (порядка сезона).

В морской части дельты (на взморье) образуются дипольные структуры (циклон-антициклон), на границе которых усиливаются струйные течения.

На перифериях дипольных структур и между берегом образуются локальные фронтальные зоны, как зоны конвергенции течений, более устойчивые в зимний период.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Белов, Александр Борисович, Москва

1. Альтшуллер В.М., Суставов Ю.М. - "К энергетическому обмену между Белым и Баренцевым морями" - Тр. ПИНРО. - 1970. - Вып. 27

2. Анализ климата северного полушария. 1999. Информационный бюллетень. М.: Гидрометцентр России, 2000,- 11 стр.

3. Анализ климата северного полушария. 2000. Информационный бюллетень. М.: Гидрометцентр России, 2001,- 12 стр.

4. Антипова Н.Г."Синоптические условия режима ветра на юге Баренцева и Карского морей в навигационный период'" Тр. ЦИП.-1958,-Вып.73

5. Арсеньева Н.Я. "Расчет распределения льдов в море (на примере Белого моря)" - Тр. ГОИН. - 1960. - Вып.55 с. 64-76

6. Арсеньева Н.Я. "Тепловой баланс Белого моря и его изменения во времени и пространстве" - Тр. ГОИН. - 1964. - Вып.81 с, 62-93

7. Атлас волнения Белого моря. Архангельск: 1963. - 13стр.

8. Атлас океанов. Северный Ледовитый океан.- М.: Изд. ГУНиО МО, 1980-184с.

9. Баренблатт Г.И. "Подобие, автомодельность, промежуточная асимптотика" - Л., Гидрометиздат, 1982, 255с.

10. Белов А. Б., Васильев А. С. "Климатические характеристики Белого моря и его основных районов" - Гидрометеоиздат, СПб, Труды ГОИН, Вып. 208, 2002, с.46-76

11. Белов А. Б., Васильев А. С., Коновалов М.Л., Желяев Д А -"Термодинамические процессы в устьевых областях рек Онеги, Северной Двины и Мезени с Кулоем" Гидрометеоиздат, СПб, Труды ГОИН, Вып. 208, 2002, с.175-199.

12. Белов А.Б. "К теории построения электронных режимно-справочных пособий по Белому морю" - Конференция молодых ученых Национальных гидрометслужб стран СНГ, Москва, 6-8 декабря 1999 г.

13. Белов А.Б., Васильев A.C. "Сезонная изменчивость климатических характеристик океанографических полей Белого моря" - Деп. ВИНИТИ №24-В2002, - 26 стр.

14. Березкин В.А. "Влияние прилива на гидрологический режим Белого моря" - Записки по гидрографии. - 1929. - Т.56. - с. 81-113

15. Блатов А.С и др. "Среднемасштабные вихри в Мировом океане и их географическое распространение" - Вестник МГУ, сер. Географ.-1983 -№4 -с.28-36

16. Борисов A.A. "Климатография Советского Союза" - Л.: Изд. ЛГУ, 1970 - 305 стр.

17. Васильев A.C. "Автом о дельность второго рода в мониторинге основных физических нолей океана" - ДАН, 1993, том 328, N5

18. Васильев A.C. "Адаптивно-обучающаяся система прогнозирования классов природных процессов. 4.1. Создание и ведение региональных специализированных банков океанографической информации" Гидрометеоиздат, С.-П., 2001,136 стр.

19. Васильев A.C. "Гидродинамическая модель нелинейного взаимодействия полей течений и плотности" - Мор.гидрофиз.журнал, Севастополь, 1974, №4, с.5-16.

20. Васильев A.C. "Гидротермодинамическая модель Азовского моря" - Препринт, Севастополь, МГИ АН УССР, 1983, 45 стр.

21. Васильев A.C. "Модель теплового и водного балансов поверхности раздела вода-воздух" - Системный анализ и моделирование процессов на шельфе Черного моря, Севастополь, МГИ АН УССР, 1983, с.46-52.

22. Васильев A.C. "О применении моделей плотности, температуры и солености в теории океанических течений" - Проблемы теории ветровых и термохалинных течений. - Севастополь, МГИ АН УССР, 1968, с.168-181.

23. Васильев A.C. "Основы прикладной экологии океана" -Владивосток, ДВО АН СССР, 1992, 283 стр.

24. Васильев A.C. "Применение автомодельной параметризации термохалинных полей в морских экологических исследованиях" - Морской гидрофизический журнал, 1994, №2, с. 14-28.

25. Веселов Е.П. "О влияние рельефа дна на поле ветра в районе Белого моря" - Труды ГМЦ. - 1968 - Вып. 32. - с.83-85

26. Веселов Е.П. "Сильные ветры на Белом море" - Сб. работ по региональной синоптике. 1964. №9,- с.40-47

27. Гидрология и гидрохимия морей СССР. Том 11. Белое море. Вып. 1, Гидрометеорологические условия, Гидрометеоиздат,С.-П., 1991 -240с.

28. Гире A.A., Кондратович КВ. "Методы долгосрочных прогнозов погоды" - Л.: Гидрометиздат, 1978

29. Горелков В.M, Некрасов A.B. "Моделирование полусуточного прилива в мелководном бассейне с учетом береговой осушки" - Тр. ЛГМН- 1982. Вып.74 - с. 140-146

30. Дерюгин K.M. "Фауна Белого моря и условия ее существования" -Исследование морей СССР - 1928. -Вып.7-8 - 511 стр.

31. Дмитренко И.А., Головин П.Н., Грибанов В.Л., Кассенс X. -"Влияние речного стока на формирование морей российской Арктики" -Докл. РАН 1999 - 369, №5, с. 687-691

32. Добровольский А.Д. "Об определение водных масс" - Океанология.- 1961.- Т.1, №1 с. 12-24

33. Добровольский А.Д., Залогин Б.С. "Моря СССР" - М.: Изд. МГУ, 1982. - 191 стр.

34. Дроздов O.A. ^Васильев В.А., Кобышева Н.В. и др. Климатология//Гидрометеоиздат,1989.-568с.

35. Елисов В.В. "Оценка водного, теплового и солевого балансов Белого моря" Метеорология и Гидрология,- 1997- №9 - с. 83-93

36. Елисов В.В. "Расчет теплового баланса Белого моря" - Тр. ГОИН. -1985,- Вып. ! 74- с. 107-112

37. Елисов В.В. "Исследование проблемы водообмена Белого и Баренцева морей на основе гидродинамического моделирования" ГОИН- М. 1993. - 27с. - Деп. в ВИНИТИ 12.05.93 N 1258-В93.

38. Залогин Б.С., Косарев А.Н. "Моря" - М.: «Мысль», 1996

39. Зыкова Г.Г. "Некоторые результаты изучения порывистости ветра на побережье северных морей" Тр. ААНИИ. - 1983. - 15 стр. - Деп. в ИЦ ВНИИГМИ-МЦД 1985, №236 ГМ-Д 83

40. Зыкова Г.Г. "Непрерывная продолжительность ветра на Кольском полуострове по наблюдения различной дискретности" - Тр. ААНИИ. -1980. - Т.348. - с.99-105

41. Зыкова Г.Г., Терещенко Е.Б. "О междусуточных измерениях температуры воздуха над Баренцевым морем" Тр. ААНИИ. - 1987. - Вып. 404

42. Иванов Ю.А., Лебедев К.В. "О межсезонной изменчивости климата Мирового Океана" - Известия АН. Физика Атмосфера и Океана. 2000, Т.36 №1 с. 129-140

43. Ионов ВВ., Шилов И.О., Ионов Д.В. "Исследование синоптической изменчивости поля температуры поверхности Белого моря на основе анализа спутниковой информации с использованием технологии ГИС" - Экология мониторинга морей - с.54-55

44. Каменкович В.М., Кошляков М.Н., Монин A.C. "Синоптические вихри в океане" -Л.: Гидрометеоиздат, 1982.- 264 стр.

45. Комплексный гидрометеорологический справочник Баренцева и Белого моря. Л.: Гидрометеоиздат, 1965.-251 стр.

46. Кондратович К.В. "Долгосрочные гидрометеорологические прогнозы в Северной Атлантике" - Л.: Гидрометеоиздат, 1977

47. Коробов В.Б. "Штормы в Белом море" - Сб. работ Гидрометцентра Северного УГКС. - Архангельск. - 1987. - Вып.1 - с.59-75

48. Кравец А.Г. "К вопросу об исследовании мезомасштабных колебаний уровня и течений Белого моря" - Сб. работ Арх. ГМО. -Архангельск , 1981. - Вып.1 - с.42-50

49. Кравец А.Г. "Приливы и их моделирование в Белом море" -Проблемы Белого моря, - Архангельск, 1981. - с,36-38

50. Кравец А.Г. "Численное моделирование приливных движений в Мезенском заливе" - Деп. в ИЦ ВНИИГМИ-МЦД, 1982, ГМ-139, Д 82

51. Лукин Л.Р., Снеговской С В. "Средняя многолетняя ледовитость Белого моря" - Метеорология и гидрология, - 1985 - №4- с.72-78

52. Лупачев Ю.В. "Динамическое взаимодействие морских и речных вод в приливных устьях рек" - Труды ГОИН, 1984, вып.172, с.64-82.

53. Лупачев Ю.В. "Проникновение Баренцево морских вод в глубинную зону Бассейна Белого моря и его экологическое значение" - Экологические системы и приборы. 2002, №8 с.23-25

54. Лупачев Ю.В. "Физические закономерности взаимодействия и смешения речных и морских вод в устьевых областях" - Юбил. Вып.2. ГОИН "Исследование океанов и морей" СПб.: Гидрометеоиздат. 1995

55. Марчук Г.И. "Численное решение задач динамики атмосферы и океана на основе метода расщепления" - Л., Гидрометеоиздат, 1974, 303 стр.

56. Мелентьев В.В., Йоханссен О.М., Архипов A.B., Черноок В.Л. -"Исследование ледового и гидрологического режима Белого моря вусловиях аномально теплой зимы 1994/95 г." Изд. Рус. географ, общ-ва -1998- 130, Т4-С.47-64

57. Михайлов В.Н. "Устья рек России и сопредельных стран: прошлое, настоящее и будущее" - М.: ГЕОС, 1997. - 415 стр.

58. Многолетние характеристики сроков первого появления льда на Белом, Баренцевом и Черном морях. М.: ГМЦ, 134 стр.

59. Моисеенко Г. С., Остром о i ил ьски й A.M. "Методы восстановления термической структуры верхнего слоя океана" - Современные проблемы рыбохоз. Исследований - М., 1989. - с.4-7

60. Монин A.C., Питербарг Л.И. "Предсказуемость погоды и климата"- Пределы предсказуемости. М.: ЦентрКом, 1997. - 256 стр.

61. Монин A.C., Шишков Ю.А. "Циркуляционные механизмы колебаний климата атмосферы" Известия АН. Физика Атмосфера и Океана. 2000, Т.36 №1 с.27-34

62. Мониторинг общей циркуляции атмосферы. Неушкин А.И. Бюлл. 1986-1987, 1988, 1989, 1990, 1991-95. Обнинск. Тр. ГШ, Вып. 332

63. Надеждин В.М. "Изменение солености глубинных вод бассейна Белого моря" - Вестник АН СССР, серия геогр. - 1960. - №3. - с.79-84

64. Некрасов A.B. "Приливные волны в окраинных морях" - Л.: Гидрометеоиздат, 1975. - 245 стр.

65. Павельсон Ю.Х. "Пространственная изменчивость термохалинных полей в верхних слоях моря" - Проект "Балтика". Проблемы исследования и математического моделирования экосистем Балтийского моря. Вып.2. -Л.: Гидрометеоиздат, 1984. - с. 71-76

66. Пантюлин А.Н. "Некоторые особенности структуры вод Белого моря" - Биология Белого моря. Сборник: Тр. Беломорской биологической станции МГУ, Т.4, М.: Изд.-во МГУ, 1974

67. Полонский В.Ф., Лупачев Ю.В., Скриптунов H.A. "Гидролого-морфологические процессы в устьях рек и методы их расчета (прогноза)"»- С.-П.: Гидрометеоиздат, 1992 с.327-360

68. Потанин ВА. "О баре н цево м о рс к и х и беломорских штормовых нагонах" - Природа и хозяйство Севера. - 1971. - Вып.З. - с. 148-154

69. Рекомендации по расчету течений в шельфовой зоне морей. М. ГОИН, 1979. - 176 стр.

70. Ресурсы поверхностных вод СССР. Т. 1.Кольский полуостров. Под ред. Ю.А.Елшина, В.В. Куприянова. - Д.: Гидрометеоиздат, 1970,- 315 стр.

71. Ресурсы поверхностных вод СССР. Т.2.Карелия и Северо-Запад. -Под ред. В.Е. Водогрецкого. Д.: Гидрометеоиздат, 1972

72. Ресурсы поверхностных вод СССР. Т.З. Северный край. Под ред. И.М. Жилы, Н.М. Алюшинского- Д.: Гидрометеоиздат, 1972

73. Сгибнева Л.А. "Гидродинамическое моделирование приливных движений в окраинных морях и заливах" - Тезисы докладов II Всесоюзного съезда советских океанологов. Вып.2. - Севастополь, 1982. - 192 стр.

74. Сгибнева Л.А., Макаева О.С., Пясковский Р.В. "О приливных движения в узком мелководном проливе" - Тезисы докладов 1 съезда советских океанологов. - М., 1977. - 122 стр.

75. Смирнова А.И., Терзиев Ф.С., Арсенчук МО., Яковлева Н.П. -"Общие закономерности гидрометеорологического режима Балтийского и Белого морей" (СПб. Отделение ГОИН). Метеорология и гидрология. 2000, №1.1, с.62-72

76. Справочник по гидрологическому режиму морей устьев рек СССР. -4.1. Основные гидрологические характеристики. Т.5, Белое море. Вып. 1. -Архангельск, 1971

77. Справочник по климату СССР,- Д.: Гидрометеоиздат, вып.1, ч. 1-5, 1965-1968.

78. Спутниковая гидрофизика // Нелепо Б.А., Терехин Ю.В., Костырев В.К., Хмыров Б.Е. М.: Наука, 1983,- 253 стр.

79. Тимонов В В. "Схема общей циркуляции вод Бассейна Белого моря и происхождение его глубинных вод" - Труды ГОИН.--1947.-Вып I (13).-с. 118-131

80. Тимонов В.В. -"Главные особенности гидрологического режима Белого моря" Памяти Ю.М. Шокальского - М. - Д., 1950

81. Тимонов В.В., Кузьмин П.П. -"Опыт приближенного определения теплового баланса Белого моря" Тр. ГГИ. - 1939. - Вып.8. - с.22-51

82. Фельзенбаум А.И. Динамика морских течений//Итоги науки и техники.Сер. Механика. 1970. С. 97-338.

83. Цвецинский A.C. "Гидродинамическая модель приливных движений в Онежском заливе Белого моря" - Тр. ГОИН. - 1988,- Вып. 185

84. Цуриков В.Д., Зубакин Г.К. "Оценка возможных изменений элементов ледового режима Белого моря в связи с изъятием части речного стока" - Исследование ледяного покрова северо-западных морей. - М., 1983. - с.36-43

85. Шереметьевская О.И. "Вероятностные характеристики сроков первого появления льда на водных объектах Европейской территории СССР" - Тр. Гидрометцентра СССР. - 1976. - Вып. 182. - с. 107-113

86. Шишко А.Р. "Новые вычисления элементов теплового баланса Белого моря" - Метеорология и гидрология. 1948. - №5

87. Щеголева E.H. "Долгосрочные прогнозы весенних ледовых явлений на Белом море" - Тр. ЦИН. - 1958. - Вып.76. - с.31-43

88. Щеголева E.H. "Долгосрочные прогнозы осенних ледовых явлений на Белом море" - Тр. ЦИН. - 1958. - Вып.76. - с. 15-30