Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Крупномасштабный влагообмен в системе океан-атмосфера-суша

ВАК РФ 11.00.08, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Крупномасштабный влагообмен в системе океан-атмосфера-суша"

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИЛГОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Р Г Б ОД

; ~ На правах рукописи

УЖ 551.46"

МАЛИНИН _ Валерий Николаевич

КРУПНОМАСШТАБНЫЙ ВЛАГООШЕН В СЙСШЕ ОКЕАН - АТМООТ^А - СШ

11.00.08 - Океанология

АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ па соискание ученой отвпони доктора географических наук

г. Свнкт - Петербург

1994

Работа выполнена в Роооийоком Государственном гидрометеорологическом института

V.

Официальные оппоненты :

Доктор фиэвко - математичеокнх наук, профессор С.С.Лаппо Доктор географических наук, профессор А.М.Владимиров Доктор географических наук А.И.Угршов.

Ведущая организация.:

Институт водных проблем Б АН.

Защита ооотоится ■ -3 » 1994 г.

11 г «

час. на еаседанта специализированного совета Д-063-19-01 пря Российском Государственной гидрометеорологическом институте по адресу :

195196, Санкт-Петербург, Малоохтинский пр., 98, Р1ТМИ.

Отанан а двух »нвемплярах, аавереннне печатью, просим присылать по едреоу, указанному вше, ученому оекретарю совета.

С диссертацией можно овнакомжтьвя в библиотеке института. Автореферат разослан * ' ^^ММи^ПнЛ- 19д4 г.

Ученый секретарь специализированного совета доктор географических наук, професоор^^^^

ОЩМ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Прейдет защиты. В диссертации на новом методологическом уровне с геофизических позиций рассматривается проблема гидрологического цикла как в глобальном, так и -региональном (на примере Каспия) масштабах. При этом на защиту выносятся следующие основные положения:

1) метода расчета и параметризации полей атмосферной влажности и влагообмена над океаном при различных масштабах пространственно-временного осреднения; -

2) методы расчета и параметризации компонент водного баланса и увлажнения поверхности суш для различных масштабов пространственно-временного осреднения,, основанные на совместном анализе атаосфорюй и наземной ветвей гидрологического

цикла (ПО;

3) пространственная и временная изменчивость полей атмосферной влажности и влагообмена в системе океан-атмосфера и компонент водного баланса в система атмосфера-поверхность суши, а также характеристик увлажнения поверхности суши;

•4) генетическая концепция формирования Mai;годовой изменчивости уровня Каспийского.моря, основанная на комплексном анализе процессов влагообмена в системе океан-атмосфера-суша;

• 5) методы долгосрочного прогноза и опытные прогнозы компонент водного баланса Каспия и его уровня с заблаговремен-нос!ью от одного>года до нескольких десятилетий.

Актуальность проб^ем^. Несмотря на внешнюю простоту глобального гидрологического цикла' (114), современные представления о физических процессах, его составляющих, еще явно недостаточны. Более того, с уменьшением пространственно-временных.масштабов осреднения гидрологические процессы настолько усложняются, что иногда не представляется возможным количественно оценить члены уравнения водного баланса. Весьма'низка также, точность измерений и расчетов многих составляющих гидрологического цикла. Например, до настоящего времени не поддается количественной оценке точность атмосферных осадков над океаном, запасов .влаги в почвендо-грунтовой толще суши-, Ледникового стока с Антарктиды и-др. элементов. Вследствие этого, даже глобальные оценки потоков' влаги между отдельными оболочками

•Зешш, полученные разными автораш за последние 20 лет, значительно отличаются друг от друга.

Изменения составляющих 1Ц, в том числе речного стока, осадков, уровня водоемов, деловитости морей и др., сказываются практически на всех видах едтопогенной деятельности, однако метода их долгосрочного прогноза разработаны весьма слабо и нуждаются в физическом переосмыслении и поиске ковше путей построения прогностических моделей. Поэтому разработка методов расчета и прогноза компонент ГЦ при. различных масштабах осреднения по-прежнему относится к числу наиболее фундаментальных проблем современной ' гидрометеорологии. Специально выделим частный вопрос данной проблемы, а именно,, разработку методов долгосрочного прогноза уровня Каспия, актуальность которого с практической точки зрения трудно переоценить.

рель роследоввушя. Принципиальным недостатком экспериментальных исследований ГЦ является то, что почти все они развивались раздельно в рамках каждой из наук о Земле (гидрологии, метеорологии, океанологии, геологии, гляциологии). В результате различные звенья ГЦ рассматриваются, как правило, изолированно друг от друга, что существенно ограничивает возможность содержательного описания процессов влаго- и водообмена и снижает точность их количественной оценки. Однако, учитывая сформулированный В.И.Вернадским универсальный принцип единства и взаимосвязи природных вод, целесообразно рассматривать ГЦ с геофизических позиций, а не как частный вопрос гидрологии, метеорологии шш океанологии.

Геофизический принцип подразумевает комплексное исследование всех видов вод, их потоков и взаимодействие в пределах четырех . резервуаров (океан, атмосфера, литосфера, кряосфера) при различных пространственно- временных масштабах осреднения. Впервые геофизический подход изучения природных вод был сформулирован в 1970 г; сатклиффом, однако до настоящего-времени в полной мере он не реализован. Поэтому данная работа представляет по существу первую попытку последовательного применения геофизического подхода к исследованию ГГЦ. Заметим,- что особое внимание .было уделено наиболее важным процессам влагообмена между отдельными резервуарами, а именно, - составляющим водного баланса в системе

океан-атиосфера и систеш атмосфера-поверхность сушь

Основные задачи ксслодования. -■ разработка основных положений малопараметрической четырехрезервуарной модели ГГЦ;

, - Разработка методов расчета к параметризации отдельных составлявших ГЦ (в том число таких трудиоопределяемых, как осадки над океаном, суммарное испарение с поверхности суши, изменения запасов поверхностных и подзомщх вод и др.) для различных, масштабов пространственно-временного осреднения;

- Оценка меридиональной и внутриго'довой изменчивости полей влагообмена (испарение, осадки, их разность, перенос пресных вод) а атмосферной влажности (влажность приводного слоя, влагосодержа-ние атмосферы) над отдельными океанами и Мировым океаном (МО)

в целом;

- Анализ пространственно-временной изменчивости составляющих водного баланса атмосферы (ВБА) над Северным полушарием и оценка вклада крупномасштабных синоптических вихрей в общий баланс влага;

- Определение оптимальной систеш физических критериев, позволяющих контролировать точность среднемноголетних компонент ГЦ в глобальном и полушарием масштабах, а также отдельных трудноопределяемых компонент водаого баланса при меньших периодах осреднения;

- Выявление взаимосвязей между атмосферной и наземной ветвями ГЦ;

- Анализ закономерностей формирования увлажнения поверхности суши Европейской территории России (ЕТР);

- - Установление генезиса мезкгодовнх колебаний уровня Каспийского моря на основе изучения процессов влагообмена в системе океан-атмосфера-суша; . .

- разработка физико-статистического метода долгосрочного прогноза компонент водного баланса Каспийского моря й его уровня с различной заблаговременносшв.

Научная новизна. - Предложено на новом методологическом уровне перспективное направление исследования процессов глобального водообмена;

- разработан.комплекс методов определения полей атмосферной влажности, в частности, влажности приводного слоя (ВПС) 'и влаго-содержания атмосферы (ВА) над океаном по косвенным данным, поз-

воляющих предвычислять указанные характеристики при различных масштабах пространственно-временного осреднения с достаточной для практических целей точностью;

- Предложена параметрическая схема ( £ - схема) океанического звена ГГЦ, на основе которой рассчитано по данным о солености поверхностного слоя вода меридиональное климатическое распределении испарения, осадков, эффективного испарения, переноса пресных вод для отдельных океанов и МО в целом;

- Выявлены закономерности межширотной и внутригодовой изменчивости полей атмосферной влажности и влагообмена для отдельных океанов и Ш в целом;

Построена новая глобальная годовая карта вертикального потока массы на поверхности МО, которая позволила выявить зоны источников и стоков тершхашшой циркуляции;

- Разработано несколько вариантов параметризации интегрального уравнения ВЕЛ по легноизморяемым характеристикам над разными типами подстилающей поверхности (поверхность суши, океан) при различных пространственных масштабах осреднения;

- На основе предложенной системы балансовых критериев выполнена оценка точности всех составляющих океанического звена П'Ц (испарения, осадков, аффективного испарения, меридионального переноса пресных вод) в глобальном и полушарном масштабах;

- Выявлены стационарный очаги вноса и выноса влаги, годовой ход дивергенции потока влаги за счет различных видов меридионального движения над Северной полярной областью, а таете результирующий вынос вод из Северного Ледовитого океана в Атлантический океан;

- Получены,оценки результирующего притока влаги в атмосфере за счет крупномасштабных синоптических вихрей для различных районов Северного полушария, а также изучена его временная иамв1счивость над бассейном Волги на основе расчетов по срочным аэрологическим данным; ' ■

- Предложено уравнение связи между водными баланса™ атмосферы и поверхности суши, описывающее годовой цикл формирования увлажнения природной среды во всех геоботаничоских зонах;

- Предчожона методика влияния лесистости на формирование водного баланса крупных территорий и выполнена оценка влияния ле-

систости на годовой ход составляющих водного баланса ЕТР л сопредельных государств;

- Разработана методика расчета характеристик увлажнения за короткие (месячные) периоды времени и выявлены закономерности увлажнения ЕТР;

- Предложена генетическая концепция формирования межгодовой изменчивости уровня Каспия на основе изучения процессов крупномасштабного влагообмена в системе океан-атмосфера-суша;

- Сформулирована концепция "естественных климатических периодов" (Ш1) в межгодовых колебаниях уровня Каспия и приводятся основные характеристики ЕКП за 2000 лет;

- Разработан физико-статистический метод прогноза компонент водного баланса (стока Волги» суммарного притока речных вод, изменений объема моря) и уровня Каспийского моря с заблаговременностыз от Г года до 10 - 12 лет. Приводятся опытные прогаозы с 1990 г.

по 2000 г., а также рассматриваются возможные изменения уровня в ХХ1-м веке.

Практическая значимость. Предложенные методы вычисления полей атмосферной влажности (ВИС, ВА), влагообмена (испарения, эффективного испарения, осадков) в системз океан-атмосфера, а также суммарного испарения, запасов поверхностных а подземных вод, абсолютного увлажнения поверхности суши по косвенным, но легковзмзряемым параметрам, вследствие их простоты и достаточной для практических целей точности могут найти широкое применение в массовых расчетах, необходимых при решении многих прикладных задач. Кроме того, они могут использоваться при параметризации гидрологических процессов в простых (энергобалансовых) моделях климата ила, при конструировании автономных моделей ГГЦ.

Комплексное использование прогностических оценок уровня Каспийского моря и стока Волги может быть осуществлено администрацией Астраханской области, Советами Министров Дагестана а Калмыкии при проектировании, строительстве, реконструкции и эксплуатации объектов народного хозяйства в береговой зоне Каспия. Прогностические оценки уровня и стока Волги необходимы также дм всех Министерств, ведомета, проектных организаций в коммерческих структур, имеющих долгосрочные интересы в регионе Каспийского моря. В настоящее время прогностические оценки уровня моря уже используются в Каспиирхе

-(г.Астрахань) при составлении долгосрочных рыбопромысловых прогнозов, в "Астраханьгапроводхозе" при проектировании комплекса защитных сооружений в дельте Волги, а такжо рада других организаций»

Многие научно-методические результаты, обобщенные в диссертации, нашли отражение в учебных курсах "Общая океанология" и "Методы обработки и анализа океанологической информации", которые на протяжении многих лет вел автор на океанологическом факультете РГГШ, а также в учебных пособиях "Метода обработки и анализа океанологической информации. 4.1. Одномерный анализ", Л., 1991, 136 с. и Ч.П "Многомерный анализ", СПб., 1992, 96 с,

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались; на П-м (Шла, 1982) и Ш-м (Ленинград, 1987) съездах советских океанологов, на XI конференции Придунайских стран по гидрологическим прогнозам (Бухарест, 1982), на У-й Всесоюзной конференций "Технические средства изучения и освоения океана" (Ленинград, 1985), на У1-И конференции "Круговорот вещества а энергии в водоемах" (Иркутск, 19б5), на Всесоюзной конференции "Гидрология - 2000" (Москва, 1386), на Международном симпозиуме по образованию и подготовке кадров в области метеорологии (Англия, Реданг, 1987), на Итоговых сессиях Ученого Совета РПЖ (1987, 1989), на У-м Всесоюзном гидрологическом съезде (Ленинград, 1988), на научно-техническом совещания по проблемам Каспия (Москва, ЕНИРО, 1989), на сессиях Ученого Совета Каслнирха (Астрахань, 1930, 1591), на Всесоюзном совещании "Гидрологические и водохозяйственные аспекта формирования экосистемы бассейна Каспийского моря" (Ростов, 1991), на научно-техническом совете при администрации Астраханской области (1992), на УП-й региональной конференции "Комплексное изучение бассейна Атлантического океана" (Калининград, 1993), на 1Х-й конференции'по про--шсловой океанологии (Калининград, 1993)»

Публикации. По теме:диссертация опубликовано около 50 научных работ, в том'числе 3 монографии.'

Структура' и объем работы.. Диссертация состоит из введения, восьми глав и -заключения. Общий объем работы составляв!; 421 стр., в том числе 275 стр.текста, 60 таблиц в 85 рисунков. Список литературы включает 269 наименований, в том числе 207 на русском языке.

Глава I "Методологические аспекты исследований глобального гидрологического цикла" посвящена обсузденик) структуры и взаимосвязи

различных звеньев гидрологического цикла; анализу уравнения водного баланса атмосферы и его использованию при расчете составляющих гидрологического цикла» а также методом оценка точности их расчета.

, В главе П "Закономерности формирования полей атмосферной влажности к влагообмена над Мировым океаном" рассматриваются метода определения влажности воздуха в приводном слое,, интегрального влаго-содерясания атмосферы, испарения а количества выпавших осадков, а также особенности формирования годового цикла указанных компонент над отдельными океанами и МО а целом. '•

В главе Ш "Закономерности формирования баланса пресных вод в Мировом океане" обсуждаются метода определения и годовой цикл эффективного испарения, баланс пресных вод и водообмен океанов, а • также распределение источников и стоков термохалинной циркуляции.

Глава 1У "Закономерности формирования влагообмена над Мировым океаном, континентами и полярными областями" посвящена ..изучению горизонтального переноса водяного пара в атмосфера, зонального распределения источников и стоков водяного пара в атмосфере, географического распределения составляющих водного баланса атмосферы над Мировым океаном я континентами, а также особенностям переноса атмосферной влаги а формирования водного баланса полярных областей.

В главе У "Взаимосвязь между гидрологическими циклами атмосфера д подстилающей поверхности" приводится обоснование уравнения связи между водными балансами атмосферы я поверхности суш, обсуждаются' формы уравнения связи для различных географических зон а особенности его использования в гидрологических расчетах.

В главе У1 "Закономерности формирования увлажнения континентов (на примере Европейской территории Рос.сии}" рассматриваются климатологический режим увлажнения ЕТР, влияние лесистости на формирование водного баланса крупных территорий, методика расчета и анализ характеристик увлажнения за короткие периоды времени»

В главе УП "Уровень Каспийского моря как индикатор крупномасштабного влагообмена в системе океан-атмосфера-суша" обсувдавтся снежгодовая изменчивость водного баланса и уровня Каспийского моря, генезис межгодовой изменчивости его уровня, а также особенности влагообмена в Северной Атлантике а его роль в формирования увлажнения в бассейне Волги.

• Наконец, глава УШ "Воднобалансовый подход к долгосрочному

црогнозу уровня Каспийского моря и составляющих его водного баланса" посвящена разработке методов долгосрочного прогноза стока Волги, изменений объема моря и уровня с различной заблаговременностью» а также использованию испарения в Норвежской энергоактивной зоне в сверхдолгосрочном прогнозе уровня Каспия.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОШ, ЯШЩЩЕЕСЯ ПЩШЕ'1Ш ЗАЩИТЫ

I) мадрди.райша я.дшшшзяш, аш& йтмррФшри ашвррта

и влагообмена в системе океан-атмосФвш при различных масштабах пврртраротвенно-втеменного осреднения.

.Основными характеристиками атмосферной влажности над океанои являются влажность воздуха в приводном слое атмосферы (ВПС) и суммарное влагосодержание столба воздуха единичного сечения (ВА). Поскольку информации о влажности над океанами крайне недостаточно, то возникает необходимость в расчете ее характеристик косвенными методами по определяющим и более доступным параметрам. В общем виде, всходя из опыта использования теории подобия и размерности можно получить зависимость в соответствии с которой безразмерный перепад влажности ( о6е - йв/е0) зависит лишь от трех параметров; температуры вода и воздуха я скорости ветра. При этом для различных периодов осреднения роль указанных факторов в формирования ВПС оказывается неодинаковой.

Для средних годовых условий определяющим в формирования ВПС является лишь один параметр,, а именно, температура воздуха приводного слоя ( ¿д,°С). При этом зависимость ВИС от аналогична зависимости насыщающей упругости водяного пара от температуры (формула Магнуса), т.е.

7.33 ^ »/(235+ -£3 ) е, = 5.01x10 2 (I)

Численные-значения коэффициентов в данной формуле получены методом наименьших квадратов (МНК). Оценка точности на независимых данных (влажность и температура воздуха по 5-ти судам погода за 1953 - 1972 г.г.) показала наличие небольшой систематической погрешности (—2.35?), в то время как случайная погрешность составила <*■-

Г1ри переходе от годового осреднения к более коротким периодам времени температура воздуха уже перестает быть■определяющим фактором. В результате статистического анализа гидрометеорологических данных по 5-ти судам погода было установлено, что при среднемесячном осреднении перепад влажности определяется главным образом перепадом температуры, т.е. о6е - f ((¿т ) • ГД° eCr = аТ ITq , Т0 - температура поверхностного слоя океана в °К. Фактически это равносильно принятию гипотезы о том, что взаимное приспособление (адаптация) перепадов температуры и влажности воздуха в приводном слое значительно меньше месяца.

При средаемноголэтнем месячном осреднении исходных данных дал условий Северной Атлантики получена следующая экспериментальная зависимость обе = (0.012, ■>■ jDo^r)°'s . Корреляционное отношение, характеризующее тесноту связи, оказалось равным £ = 0.99, а стандартная погрешность составила 0.08. Для коротких (месячных) периодов времени представим оСе и оЦ. в виде суммы юс трендо-вых составляющих и отклонений от них («¿ев^«£е>+о£-е ; rf.T=<d«r> + d>'T ), где > и • <сСт> связаны приведенной выше зависимостью,

а [¿4 =<к-> ¿,'г , где - коэффициент пропорциональности,

имеющий годовой ход, обусловленный различиями в амплитуде годовых колебаний перепадов влажности и температуры. Это позволило получить следующую формулу ее = в0 d>r 4-С Л » гДв С - коэффициент,

описывающий влияние неравномерности годового хода Т0 и на

формирование ВПС. Коэффициенты <К> и С затабулированы и приводятся в роботе. Тщательная проверка полученных форцул дала возможность сделать важный вывод почти о полном соответствии дисперсии вычисленных а фактических значений ВПС.

Еще одак способ определения ВПС состоит в том, что среднемесячные значения и eUf представляются в виде oLe = Х^ * ;

ot-T — t^f + , где я «¿т годоше нормы перепадов

влажности и температуры, а два штриха означают отклонение от годовой hojmh. При этом и ^ связаны между собой зависимостью (I).

Шло установлено, что = Sd^ s где коэффициент пропорциональ-

ности £ при. зональном осреднении хорошо описывается полиномиальной зависимостью вида ¡г = ¿i.'^S'-i.OZiCi^J + O.O&sEtzl*' Случайная погрешность оценки & составляет Дан-

ная'формула удобна для расчета зонально-осредаенных значений ВПС.

Из-за отсутствия стационарной системы космического мониторинга ВА над океанами также возникает задача косвенной оценки ВА, основан-.

шй на тех иди иных параметризациях вертикального профиля водяного пара в атмосфере. Основываясь на законе зкспоренциального распределения удельной влажности с высотой ( ^ = f г ) ) и барометрической формуле для реальной атмосферы, и выполнив ряд преобразований, можно получить следующее выражение V/ - 6.34бг х Xfi/(i+fi) » где fi = f ¡4 Тт , Ешш показано, что в политропкой атмосфере коэффициент fi в первом приближении зависит лишь от приповерхностной температуры воздуха.

Экспериментальный анализ зонально-осредненних для северюго полушария коэффициентов С fil повволил подтвердить, что, исключая экваториальную зону, между С fil и С Т^З наблюдается отчетливо выраженная нелинейная обратная связь, причем в области положительных температур ( Т2 > 273°С) значения С fi 1 меняются незначительно. Кроме того, было показано, что зависимость между JÎ и Тг в приводном слое над океаном носит аналогичный характер и может быть апроксимирована 'следующим выражением fi — СЬк {0.058 Тг - 8.68 ) - С.6Э , средаеквадратическая погрешность которого равна = 0.04. Из анализа данной формулы следует, что учитывая малые изменения fi при Т2 > 273°К можно принять fi «» 0,336, В результате имеем простую приближенную формулу W «« i.ffsег (z)}свидетельствующую о том, что основное влияние температуры на M проявляется лишь при ее отрицательных значениях. Погрешность расчета ВА по формуле (2) дая разных районов МО составляет 7-10$.

Для уточнения формулы (2) был рассмотрен более общий случай задания £ , - f ( U результате анализа было

выяснено, что среднемесячные значения fi без большой погрешности могут быть заменены на их среднегодовые значения, т.е. JT='-f ).

При этом X и. îî„ с достаточно высокой точностью могут быть описаны нелинейными зависимостями от -£2 .В результате была получена формула

IV = (m ~o.ozz&i& + о.оои ±z) е2 (з)

Именно в учете формирования климатологического температурного режима атмосферы над поверхностью океана л состоит принципиаль-. ное отличии зависимости (3) от (2). Погрешность расчета по формуле (3) составляет 5-75?, т.е. уточнение величин W состашшет

лишь 2-3$.

Что касается оценки среднегодовых значений НА, го она зависит лишь от одного фактора, а именно, температур воздуха

Среднеквадратичная погрешность \А/ при этом для различных районов Ш колеблется в пределах 2 - 4$.

К характеристикам влагообмена в системе океан-атмосфера относятся испарение (Ео), осадки (Ро) н эффективное испарение (Еэф)^ представляющее собой разность указанных величин. Заметим, что при решении многих гидрометеорологических задач обычно достаточно оказывается учет результирующего влагообмена через поверхность океана, т.о. Еэф.

Существует несколько способов определения Еэф. Прежде всего это традиционный метод, основанный на построении карт испрарения и осадков с последующим определением их разности. Естественно, что в данном случае Еэф дал многих районов МО представляет разность больших величин и поэтому вполне может оказаться сравнимым с погрешностью оценок испарения и особенно осадков. Так как в каждом конкретном случае знаки лих погрешностей неизвестны, то значения Еэф могут оказаться достаточно точными, если погреи-ности будут разных знаков ц примерно одинаковыми, либо дало могут противоречить здравому смыслу при больших погрешностях одаого 'знака. Именно таким образом определялось обычно Еэф до последнего времени (н-р, Л.А.Строкина, Э.Г.Богданова; В.Н.Стелапов; Баумгартнер, Рейчел и др.).

В настоящее время известно значительное число методов определения испарения с поверхности океана. Очевидно, наиболее широко распространенным в климатологических расчетах является аэродинамический мотод. В работе предлагается модифицированная схема этого метода. С использованием уравнения состояния для сухого воздуха основная формула аэродинамического метода может бить представлена в виде Е, = МСс Дй (¿гТа* > где М - размерный коэффициент, Оц - коэффициент влагообмена, - скорость ветра в приводном слое.

Данная формула позволяет учесть суммарное влияние плотности и давления на оценку испарения через температуру воздуха..С увеличением Тг происходит некоторое уменьшение испарения, наиболее заметное в низких широтах. Данный эффект при р =1010 гПа и $ =1.25 кг/м3 составляет 5-7/5. Дяя коэффициента Сц принята

двухпараметрическая нелинейная полиношнальная зависимость Се-{ (&Т; Iti ) » конкретный вид которой приводится в работе. Сравнение среднемесячных сценок испарения, рассчитанных для 5-ти судов погода по полной схема аэродинамического метода с определением Сц по модели приводного слоя ГГО и по приведенной выше формуле показало, что случайная погрешность составляет менее 5$, что значительно меньше погрешности определения самого испарения. Выполнив осреднение рассматриваемой формулы вдоль круга широты и учтя малость суммы пульсационных членов, получим

СЕоЗ =мГсЕилеЗГ1Хг1СТгГ'.

Используя зонально-осродаенше значения по температуре вода, воздуха и скорости ветра, нетрудно по данной форлуле рассчитать значения испарения. В работе приводятся зоналъно-осредаенние оценки испарения для всех океанов, обсуждается их меридиональная и внутригодовая изменчивость. Показано, что меридиональный ход испарения очень близок к результатам Л.А.Строкиной (1989), которая вычисляла испарение аэродинамическим методом в узлах пятиградусной географической сетки о последувдим осреднем!ем вдоль круга широты. Однако приведенная выше формула позволяет сделать это значительно проще, причем фактически без потери точности в расчетах.

Количество выпавших осадков над океаном относится к наибо-леа трудаоопределяешм компонентам ГГЦ. В работе рассматриваются метода оценки осадков. Отмечаются конкретные недостатки наиболее широко распространенных в климатологических расчетах косвенных методов оценки осадков, основанных на предварительном определении интенсивности выпадения осадков и их повторяемости. Среди косвенных методов большего доверия заслуживает методика Э.Г.Богдановой, которая для оценки интенсивности осадков в открытом океане использовала зависимость ее от определяющих гидрометеорологических характеристик»

Другой способ нахождения Еэф основан на интегральном уравнения BEA и заключается в расчете его "атмосферных" составляющих, т.е„ дивергенции интегрированного по вертикали потока водяного пара и изменений ВА. Учитывая почти полное отсутствие аэрологических данных над океаном, основные исследовадая ВБА выполнялись преимущественно в рамках специальных натурных экспериментов ( АТЕХ, ВОМЕХ; Т&ОРЕХ, POLEX я др.). В глобальном

шшн0 наиболее интересной представляется работа Брайена, Оорта (1984), в которой за 10-летний период (1963-1973 г.г.) непосредственно по аэрологическим данным рассчитаны оценки Еэф дтш 5-градусных зон отдельных океанов и МО в целом.

Из-за отсутствия аэрологической информация над океаном возникает необходимость в параметризации уравнения ВВА, т.е. описании его отдельных членов вектором существенно меньшей размерности. Естественно, при этом желательно введение таких физических гипотез, которые бы обеспечили минимальное искажение компонент ВБА при переходе их из первоначального вида в параметрический.

При использовании следующих основных гипотез (экспоненциальное распределение влажности воздуха с высотой, взаимная адаптация полей перепадов влажности и температуры в приводном слое составляет менее месяца, наличие связи между эффективной скоростью переноса влаги в атмосфере с вертикально-осредаенной скоростью ветра в пределах тропосферы, зависимость вертикально-осредненной скорости ветра от его reoстрофической составляющей на поверхности 500 гПА), а также ряде вспомогательных, уравнение ВБА можно привести к параметрическому виду

где фд - некоторая функция от температуры вода в воздуха в приводном слое, а ^ _ векторная функция от этих же параметров и высоты HijQQ. Итак, левая часть уравнения ВБА может быть вычислена с использованием всего лишь 3-х параметров, отличительной особенностью которых является относительно высокая доступность и сравнительно низкая погрешность их определения.

Наконец, еще один способ определения Е^ заключается в развитии расчетных методов, основанных на различных физических представлениях процесса формирования вертикального потока пресных вод через поверхность океана. В частности* исходя из анализа основных факторов, формирующих межширотную изменчивость солености, поверхностного слоя вода, было получено следующее выражение

Г5о - S * з : = ß С Е0 - Р02 ' J , (Б)

где- ßsf(Aci/Ai ) ■» ßoi. - штощада океанов внутри широтной зоны,, ki - площадь всей широтной зоны, а , _s0M , — среднее глобальное значение солености. Коэффициент пропорциональности ß ,

заввсявдй от 0алла океанов, определяется по экспериментально« зависимости, которая приводится в работе. Из этой зависимости следует, что в южном полушарии ^ практически не зависит от соотношения площадей окоана и суш, в то время как в северном полушарии между ними существует нелинейная связь.

Кроме тохх), учитывая существование в климатологическом .плане тесной связи между соленостью поверхностного слоя вода и Со (К.Н.^едоров, А.Г.Островский, 19ь6), автором предложена для оценки среднегодовых значений С£„1 над МО следующая зависимость

Се.3„ = , (6)

где % - начальная фаза, 3>0 и - численные параметры, а

индекс "М" относится к широтной зоне МО. Отсюда нетрудно получить зависимость для оценки среднегодовых значений осадков над МО '

^СРсЗм * Эр" + •+ С£о1м {^««'(^-оз •

Наконец, зная меридиональное распределение притока роч}шх и подземных вод в океан ( 0. ), можно рассчитать меридиональный перенос пресной воды в МО, т.е. ¿и/С^З С5» - - [й}, Таким образом, по данным о солености поверхностного слоя вода нетрудно определить все составляющие пресноводного баланса МО в зональном приближении. Данная схема расчета была названа

-схемой. Заметим, что с использованием ряда других предположений, -схема позволяет также вычислить составляющие пресноводного баланса и для отдельных океанов.

2) Метрды тарчета и параметризация компонент водного баланса и „увлажнения г—поверхности суши пдя различных масштабов проотранственно-вроменного осяо.оюшм, основашшо на совместном анализе, .атмосферной и, цазогпюй ветвей гидрологического цикла,. •

Методологической основой для оценки компонент водаого баланса ПС является предложенное автором полуомпирическое урив-не1ше связи между водными балансами атмосферц в поверхности сущи, которое имеет вид

(ЛУ/+с/1*Г)/Р = {Е-Р)/Р = У(Е0/Р) (?)

где Ф - некоторая функция, зависящая от геоботанической зоны, Ед - испаряемость, соответствующая максимально возможному при дашшх метеорологических условиях суммарному испарению,

нэ лимитированному запасам! влаги в почво-грунтах.

Все составляющие этого уравнения, кроме Е0» определяются исключительно климатическими факторами. И только испарение в каждой отдельной точке зависит как от комплекса внешних (климатических) условий, так и от местных факторов (влажность почв, рельеф.состав почв и т.п.). При переходе с одного вида подстилающей поверхности на другой испарение существенно меняется. Учитывая разнообразие почв, большую изменчивость влагозапасов в верхнем слое почвы, а также пестроту рельефа, пространственные изменения испарения становятся еще более значительными. В результате, рассматривая совокупность местных факторов как случайный процесс, можно, очевидно, полагать, что при пространственном осреднении их роль будет уменьшаться и дня некоторой величины плошади местные факторы будут оказывать незначительное влияние на испарение по сравнению с климатическими. Следовательно, соотношение (7) выполняется лишь при определенных масштабах пространственного осреднения, размеры которого будут определены ниже.

Что же касается временного осреднения, то дая климатических годовых условий имеем (1ьу £ / Р ~~Q.jP = Ч/(Е01 Р ) (8). В результате анализа значений коэффициента стока ( 01/Р ) и коэффициента испаряемости (Е0/Р) было получено следующее полу-эмпирпческое выражение ■

где ¿1 - параметр, разграничивающий условия избыточного л достаточного увлажнения, а численные значения коэффициентов Ср с2 и с3 соответственно составляют 0.Э, 1.0$ и 0.06. Нетрудно показать, что если принять Я*/Ь , где радиационный

баланс.увлажненной поверхности (М.И.Будако, 1971), то из (8) можно получить выражение, отличающееся от уравнения связи мзкду-водаш и тепловым балансами поверхности суш, предложенным М.И.Будако, только константой, равной единица. Итак, уравнение связи обладает тремя характерными особенностями: отражает взаимосвязь всех параметров, обусловливающих увлажнение;* разность Е - Р одновременно входит в уравнения баланса атмосферной и наземной ветвей ГЦ, связывая таким образом процессы переноса влаги в свободной атмосфере с процессами транспорта влага в г.очвошга-грунтовой толще; выполняется лишь при достаточно

больяшх пространственно-временных масштабах осреднения.

В работе рассматриваются форш представления уравнения связи для различных геоботанических зон. В отличио от уравнения связи М.И.Будако, предназначенного для изучения климатических годовых периодов, область применения (7) существенно шире и может быть распространена на месячные промежутки времени. Уравнение связи (7) для климатических месячных условий приобретает вид

где •у - относительная увлажненность (у=(Е-р)/Р ),

81» • • •. _ некоторые константы, , ¿^д., ¿С3 - параметры увлажнения, имеющие четкий физический смысл.

■ Численное значение параметра ¿¿^ соответствует влажности почвы, равной наименьшей влагоемкости ( - 1.22), поэтому в интервале £о6 ¿С^3 наблюдается избыточное увлажнение, в результате чего интенсивность испарения полностью определяется метеорологическими условиями.■ (I стадия увлажнения). Параметр соответствует условиям, когда влажность почвы достигает влажности разрыва капилляров ( оСА= 3.76). Поэтому интервал £, предоставляет недостаточное увлажнение, которое характеризуется тем, что интенсивность испарения уже определяется в основном скоростью восходящего движения вода с поверхности почвы (II стадия увлажнения).

Параметр <£3 соответствует влажности почвы, при-которой происходит восстановление капиллярных связей, и подеешанная влага приобретает способность передвигаться к зоне парообразования ( = 2.17). Интервал С з&з , ^дЗ представляет аридные условия увлажнения, когда интенсивность испарения определяется скоростью молекулярной диффузии водяного пара через сухой слой почвы (Ш стадия увлажнения). В интервале £ о, , соответствующем накоплению влаги в почвенно-грунтовой толще, испарение опять уже зависит от метеорологических условий (1У стадия увлажнения).

Таким образом, в общем случае годовой цикл увлажнения поверхности суши представляет собой своеобразную петлю гистере-

'-4 + ад £Г0/Р аА+ а3 Cn.Ee! Р а.ч + а£екр(Е0/р) „-1 -)■ а6 Ес/Р

5

¿я.

зиса с четырьмя особыми точкам!. При этом первые два соотношения в (9) характеризуют восходящую ветвь гистерезисной кривой, а два других - нисходящую ветвь гистерезисной кривой. Явление гистерезиса свойственно только степной зоне, причем переход с восходящей ветви на нисходящую осуществляется, когда заканчивается активная транспирация растительного покрова, составляющая значительную доли сумьирного испарения. В дальнейшем до установления снежного покрова суммарное испарение можно рассматривать в основном как испарение с оголенной почвы. Критерием перехода я аридным условиям увлажнения может служить условие £(Е0/Р)£ >8, где Иг - число месяцев теплого периода, начиная с апреля.

Приводятся результаты численного эксперимента по выяснению масштабов пространственного осреднения уравнения связи, при которых влиянием местных условий на испарение уже можно пренебречь. Было выбрано 45 водосборов, расположенных в различных физико-географических условиях ЕТР, отличающихся по площади (от 0.4 х х 10 до 65 х Ю4 км2). Дяя всех водосборов с помощью уравнения связи рассчитаны средние многолетние месячные величины испарения, а затем суммированием определены их годовые нормы. Одновременно величины испарения, определенные по разности между осадками в стоком, использовались в качестве "эталонных" значений. Относительные ошибки расчета испарения по уравнению связи ( Ч'к ) относились к серединам градаций 5г 10, 60 тыс.и.г. Построенная таким образом зависимость от А носит асимптотический характер. Можно показать, что = |£Гр-Е5т//£уг я* (йр--4эт)/ £'ист » гда ^р а ¿зт ~ абсолютные погрешности расчета испарения по уравнению связи и методом водного баланса, принятым в качестве "эталонного". Очевидно, можно принять, что оошнб-ка "эталонного" метода расчета испарения мало меняется при изменении площади ( Л^. » сок-5-£ ). Тогда погрешность расчета испарения по уравнению связи должна зависать от площади,

= £(А) , причем при А > Акр (А)—»>0. Это означает, что при А > АКр влиянием местных условий на испарение можно пренебречь. Исходя из этих соображений и обращаясь к экспериментальной зависимости, было найдено, что ошибка расчета испарения эталонным методом составляет ~ 2.5$, а АИр « 3.5 х 10 км2. Следовательно, для бассейнов меньшей площади уже необходим учет локальных факторов.

В работе обсуждаются возможности использования уравнения ь. зи при решении различных гидрологических задач. В частности, в их число входит оценка месячных значений суммарного испарения и изменений запасов поверхностных и подземных вод дм региональных и крупных бассейнов, относящихся к числу наиболее трудно-опредаляемых компонент водного баланса, а также оценка годовых норм "климатологического" стока с любой произвольным образом заданной территорией (например, административных областей и республик) . JSflЯ этой цели может использоваться следующее выражение

+ £(Р-£)г. » ГДе К1 и Ч ~ Щ!СЛ0 месяцев в теплом и холодном периодах года. Вычисленные таким

образом нормы "климатологического" стока оказываются точнее оценок "местного" стока, полученного на основе гидрометрических наблюдений, т.к. гидрометрические.станции обычно на совпадают с границами областей я, кроме того, возникает проблема о оценкой стока с площади, не охваченной гидрометрическими измерениями. В работе приводятся конкретные примеры использований уравнения связи для решения гидрологических задач.

Рассмотрим теперь метода оценки климатологического режима увлажнения ЕТР. Характеристиками увлажнения обычно принимаются различные комбинации трех параметров} осадков, испаряемости и суммарного испарения. Испаряемость чащо всего определяется с помощьв комвлексного метода М.И.Будако. В работе предлагается уточнение данного метода, связанное с учетом поправки Ольдекона, а также более простая, бозитерационная, схема вычисления температуры подстилающей поверхности, основанная на полиномиальной апроксимацш! ее зависимости от определяющих параметров.

В результате расчетов были - построены годовые и месячные карты различных характеристик увлажнения, в том числе коэффициента испаряемости Е0/Р, а также карты годовых значений суммарного испарения и "климатологического" стока для ВТ? и сопредельных государств.

Сравнение климатологического и гидрометрического стока позволило сделать вывод, что определенные расхождения между ними обусловлены влиянием лесистости на формирование речного стока.

В связи с этим в работе рассматривается методика оценки

влияния лесистости на формирование водного баланса крупных территорий , При этом в качестве основного параметра, учитывающего гидрологическую роль леса, принимался коэффициент лесистости (об ). Дщ? крупных бассейнов с достаточно равномерным чередованием лесных массивов и безлесных участков составляющие увлажнения можно представить как У = (i -<£) -i/j-fi + » гае У - ком-

понента увлажнения (осадки, испарение или испаряемость, т.е.

I, 2, 3), индекс " £> " относится к лесным массивам, а индекс " " - к остальным типам подстилающей поверхности (поле, луг, почва и т.д.), исключая лес, т.е. к безлесным участкам. Таким образом, данные соотношения в интегральной форме учитывают роль леса на осродаензше по достаточно большой площади характеристики увлажнения. Очевидно, для оценок испаряемости г осадков над безлестными участками могут быть использованы • данные стандартной сети метеорологических станций, которые, как правило, расположены вблизи населенных пунктов и отражают в основном особенности формирования этих характеристик над безлесными участками.

Для определения целесообразно использовать уравнение связи. (7). Если же рассматривать лесопокрытые территории, то в этом случае в уравнение связи необходимо ввести фазу развития древесной растительности Ф , которая существенно влияет на процесс испарения, т.е. Г*-(Bfo-Pft)/Pfe =

Исходя из анализа экспериментальных данных о характера формирования компонент увлажнения для лесных массивов ( С.-Ф.Федоров, О.И.Крестовский, А.А.Молчанов, Ю.Л.Раунер, В.В.Рахманов и др.), автором были получены конкретные зависимости, позволяющие рассчитывать годовой ход компонент увлажнения по внешним параметрам (коэффициент лесистости, осадки, температура и влажность воздуха), измеряемым на стандартной сети станций.

Кроме того, автором предложено уравнение связи между водными балансами атмосферы и поверхности суши для лесопокрытых территорий при среднемноголетнем годовом осреднении, имеющее следующий вид

-H-0.9SX*, , о

, А * xfl ^ л3 (ш

-W5" , ¿3 ^ % < е/,

где Хц, = ' ■ , <¿3 - параметры,

разграничаваюедо соответственно условия избыточного, достаточного, переменного и недостаточного увлажнения ( с^ =0,78; Ы=1,01 с'з =1,34)5 о!^ - критическое значение коэффициента увлажнения, при котором лес теряет способность к активной транспирации ( =1,60). Заметим, что основной причиной такой дифференциации является уровень залегания грунтовых вод.

Автором предложена также методика расчета и анализ характеристик увлажнения за короткие (месячные) периоды времени. Основной проблемой при оценке характеристик увлажнения за короткие периода является предаычисленяе испаряемости, В настоящее время имеется значительное число экспериментальных региональных зависимостей, связывающих испаряемость с дефицитом влажности. Поэтому, очевидно, в общем случае можно записать = ^ ( Л / сГ ) ,где Ео в 3 - месячные нормы испаряемости и дефицита влажности. Для'нахождения функции f предлагается использовать гипотезу инвариантности пространственно-вреданных колебаний безразмерных значений испаряемости и дефицита влажности. ^ ^

В результате была получена формула вида Е0= /с1) , где - отношение пространственных коэффициентов вариации

испаряемости и дефицита влажности, т.е. ~<&-С<е^> /С<3> • Коэффициент 'аг имеет сезо1шый ход, которой был получен по данным об испаряемости ш дефиците влажности, осредненкым для 150 станций, равномерно расположенных на ЕТР. В работе приводятся результаты конкретных разметов коэффициента испаряемости и предлагается классификация аномалий увлажнения по коэффициентам испаряемости: избыточное увлажнение (Е0/Р < 1,00), оптимальное увлажнение (1,00 4 Е0/Р 1,40), недостаточное увлажнение (1,40 4 Е0/Р 4 3,76), крайне недостаточное увлажнение (3,76 4 Е0/Р).

3) Пространственная и временная изменчивость полей атмро-

компонент. .водного....баланса в ...одотеке атароФега.-повещцост>. а такжо характеристик увлажнения поверхности суши.

В работе приводятся результаты расчета зонально-осредн«"

нах среднемесячных я среднегодовых знвчений ШС, ВА, испарения, рассчитанного аэродинамическим методом, и осадков для отдельных океанов и МО в целом. Рассматриваются общие закономерности формирования .указанных характеристик, роль различных физических механизмов ( термического градиента экватор-полюс, неравномерного распределения континентов и океанов, зонального распределения и внутрвгодового хода солнечной радиации и 'т.д. ) в их меридиональной а внутригодовой изменчивости, а также различия для отдельных океанов и между северным/и южным полушариями. Кроме того, з работе представлены результаты расчета по ^-схеме зонально-осреднвнных значений испарения, осадков, эффективного испарения и меридионального перекоса пресных вод как над МО в целом, твк и над отдельными океанами.

Как показал сравнительный анализ зонально-осреднекных оценок характеристик влагообмена над МО, полученных резными авторами после 1£70 г., наблюдаются существенные расхождения в их распределении. В связи с этим с целью объективного сравнения и оценки точности значений испврения, осадков и эффективного испарения автором была ра^вботвна система балансовых критериев* которая позволяет контролировать точность указанных характеристик в глобальном и полушарном масштабах.

Например, для оценки точности эффективного испврения используются глобальное уравнение пресноводного баланса МО в модифицированное уравнение ВБА отдельно для северного и южного полушарий. Важной особенностью этих уравнений являются то, что их члены определяются значительно более нвдекно по сравнению с эффективным испарением. Поэтому при -независимом определении всех членов, суммарная погрешность, называемая невязкой, будет относиться в основном к Еэф. Как оказалось, наиболее точне оценки в смысле предложенных критериев дает £ -схема. Аналогичные результаты были получены и в отношений зонвльно-осредненных знвчений испарения и осадков.

Заметим, что чрезвычайно важное значение имеет изучение пространственно-временной н прежде всего межгодовой изменчивости Еэф в Северной Атлантике (CA), которая является основным источником влаги для ЕТР и Каспийского моря. В работе приводятся результаты расчета Еаф на основе параметрического уравнения ЬаА (4) для Ньюфаундлендской энергоактивной зоны за 1957-1974 г.г. и для зоны 20-50° с.щ,, где наблвдвется максимум превышения испарения над осадками. Установлено, что в многоводный для Каспия год, т.е. когда его уровень повышается, в предшествующий осенне-зимний период наблвдается увеличение Еэф в CA, усиление зонального переноса атмосферной влаги и соответственно ослабление меридионального переносе. Обратная картина отмечается в маловодный для Каспия год, когда его уровень понижается.

В работе достаточно_подробно обсуждаются особенности географического распределения составляющих BfA над МО и ПО. В частности, приводятся карты дивергенции полного и маяротуроулентного потоков влаги (cfiv? и cftv?' ) над северным полушарием, построенные на основе использования срочных аэрологических дчнных за 1957-1365 г.г., а также карта div? для южного полушария, построенная по параметрической модели (4). Показано, что макротурбулентный поток влаги играет исключительно важную роль в формировании водного баланса умеренных и высоких широт. В связи с этим выполнен специальный анализ особенностей переноса атмосферной влаги и формирования водного баланса полезных областей. Для Северной полярной области (СПО) построены месячные и годовая карты полного, адвективного и вихревого меридионального потоков влаги по срочным аэрологическим данным. В результате выявлены стационарные очаги вноса и выноса влаги, получены оценки годового хода дивергенции, потока влаги за-счет различ-• ных видов меридионального движения над ¿ПО, а такае результирующий вынос вод иЪ" Северного Ледовитого океана в Атлантический.

Выполнен детальный анализ синоптической, внутригодовой и меж-,годовой изменчивости всех составлявдих ВБА над бассейном Волги Чг.Самара) с использованием срочной и среднемесячной аэрологической информации за 1363-1979 г.г. В частности, установлена взаимосвязь между oliv? и dtvF , имеющая различный вид для периодов накопления (ок ;\'^рь-март) и расходования ^прель-сентябрь) влаги в бассейне. ' Это позволило вычислять divF по среднемесячным аэрологическим данным и тем самым во много раз сократить объем использу-

емой информации без существенной потери в точности ее расчета. lia основе совместного анализа уравнений ВБА и речного бассейна установлено, что мекгодовые колебания изменений запасов поверхностных и подъемных вод для территорий порядка id3 км^ становятся преиеб-рекимо малыми по сравнению с межгодовыми колебаниями других составляющих водного балансе. Кроме того, выполнена оценка мекгодовых колебаний таких трудноопределяемых компонент, как суммарное испарение, антропогенные изменения речного стока в створе г.О'эмары, суммарные запасы влаги в снежном покрове и др.

Исходя из уравнения связи между водными балансами атмосферы и поверхности суши автором построены карты суммарного испарения и "климатологического" стока для ЙТР и сопредельных государств. Отмечаются основные закономерности в распределении указанных характеристик и выполнено сравнение их с аналогичными оценками, полученными традиционными гидрологическими методами. В частности, отмечается, что в лесной зоне наблюдается некоторое систематическое завышение "климатологического" стока по сравнению с гидрометрическим, в то время как в степной зоне они практически соответствуют друг другу, ибо линия связи между указанными характеристиками практически точно проходит под углом 45° к оси абсцисс. Отсюда мокно сделать вывод, что причиной этого является неучет гидрологической роли леса, которая в скрытом виде присутствует в гидрометрическом стоке. Кроме того, получены оценки внутригодового хода суммарного испарения п запасов поверхностных и подземных вод для ряда крупных речных водосборов, в том числа для бассейна р.Волги.

В работа приводятся карты годовых значений превышения осадков над лесом и суммарного испарения над лесопокрытыми территориями, а также для рада речных бассейнов, характеризующихся различными коэффициентами лесистости, все составляющие водного баланса за'месячные периоды времени. Отмечается, что под влиянием лесистости "климатологический" сток в среднем уменьшается на 10 мм/год. Тем не менее, некоторое расхождение мевду значениями климатологического и гидрометрического стока все же остается. Это связано с неполной адекватностью предположения о том, что измеренные на стандартной сети станций атмосферные осадки отражают особенности лишь их формирования над безлесными участками. В действительности, они несут в себе некоторый "эффект лесистости".

, В результате рвочетов были построены годовав и месячные климатологические карты различных характеристик увлажнения и прежде всего коэффициента испаряемости, которые позволили осуществить классификацию ЕТР на характеру увлажнения. При этом были выделены следующие климатологические зоны: 4 зона избыточного увлажнения ( Ео1-Р ¿.0,78),

зона достаточного увлажнения (0,78 £0/Р £ 1,00), зона переменного увлажнения (1,00 б Ее/Р ^1,34), зона недостаточного увлажнения (1,34 ^ Е01Р * 1,60), ' зона аридного увлажнения (1,60 & Еа1Р ). Данные зоны удовлетворительно согласуются о геоботаническими зонами, однако зона избыточного увлажнения включает в себя сразу зоны хвойных и смешанных лесов» зона достаточного увлажнения - зоны смешанных и лиственных лесов, а зона аридного увлажнения - зоны полупустынь и'пуатынь.

Кроме того, был выполнен расчет и проведен специальный анализ мвжгодовой изменчивости общего увлекненйя за 1УЗО-19ЭО г.г. для ряда административных территорий, характеризующих зону формирования стока Волги. В последующем увлажнение для данных территорий использовалось в качестве предикторов при долгосрочном прогнозе стоив Волги и уровня Каспия.

4) Генетическая концепция формирования межгодовой изменчивости уровня Каспийского моря, основанная нв комплексном анализе процессов влагообмена в системе окевн-атмосфера-сушэ,,

Рассмотрим гидрологическую систему "Каспийское море", под которой будем понимать собственно море, его водосборный бассейн и атмосферу над ними. Складывая соответствующие уравнения водного баланса этой системы для годовых условий, моано получить

ъчт- ^- э5е/э-б - ьмем/э1 иг)

Из (12) видно, что внутригодовые изменения объема моря определяются разностью меадг притоком и оттоком атмосферной влаги через боковые граница контура 'гидрологической системы, в также внугригодовыми изменениями влагозвпасов { ) в пределах водосборного бассейна и изменениями влгосодеркания атмосферы над бассейном и морзм. Неким образом, изменения уровня бесоточного водоема могут описываться не только уравнением его водного балансе, но и уравнением водного бела не в системы "море-атмосфера-литосфера", т.е. гидрологической системы "Каспийское море". В этом случае компоненты ВН1 оказываются внутренними параметрами, в то время как горизонтальный перенос

водяного пара в атмосфере и запасы влаги в атмосфере и в пределах водосборного бассейна являются внешними параметрами.

и результате тщательного анализа составляющих в правой чарти (12) было установлено, что для средних годовых условий и BtdSgldi »0. Это означает, что формирование межгодо-

вых колебаний уровня Каспия есть следствие мекгодовых колеЪаний атмосферного влагооомена. tío поскольку последний в конечном счете есть следствие существования разности между испарением и осадками над МО, то межгодовые колебания уровня Каспия можно рассматривать как интегральный индикатор крупномасштабных колебаний влвгообмена в сиотеме океан-атмосфера-суша. Анализ процессов влагооборота в данной сиоте-ме позволяет выдвинуть следующую концептуальную схему формирования межгодовых колебаний уровня моря.

Ь холодный период года испарение с поверхности суши крайне мало по сравнению с количеством выпавших осадков, в то время как над океаном, наоборот, испарение ооычно существенно превышает осадки. В результате эффективное испарение с акватории Северной Атлантики будет вовлекаться во влвгооборот, причем вследствие преобладания зональной циркуляции в умеренных широтах эта влага будет переноситься прежде всего над Евразией. Полученные автором результата свидетельствуют о том, что осенне-зимние осадки в бассейне Волги пропорциональны интенсивности адвективного переноса атмосферной влаги, обусловленного процессами общей циркуляции атмосферы. Следовательно, если в результате крупномасштабного Взаимодействия океана и атмосферы эффективное испарение в СА оказывается выше нормы, то бйльшее количество влаги будет переноситься на континент, и соответственно . большее количество осадков выпадает в бассейне Волги. Вследствие этого происходит увеличение годового стока и наблюдается положительное приращение уровня моря. Обратная картина отмечается при ослаблении Еэф в СА. Таким оораэом, именно изменчивость Еэф можно считать наиболее ванным ''уровнеобраэующим" фактором. При этом главным источником поступления влаги в Каспийское море (через сток и осадка) является район, находящийся в зоне влияния Азорского максимума.

Формирование Еэф в UA есть отракение процессов крупномасштабного взаимодействия океана и атмосферы, обусловленных глобальными механизмами изменения климата планеты, В свою очередь, крупномасштабное взаимодействие океана и атмосферы само относится к числу основных длиматообрвзущих факторов. Причины межгодовой изменчивости Еэф и переноса втмосферной влаги, очевидно, прежде всего связаны с интенсивностью субтропического ентициклонинического круговороте. Интенсивность его в значительной степени регулируется атмосферной

циркуляцией, главным "приводным ремнем" которой служи Азорский максимум давления. Одновременно с этим круговорот течений через тепло- и влагоотдвчу прежде всего в энергоактивных зонах скеонв влияет на интенсивность крупномасштабных атмосферных процессов.

Особое значение имеют энергоактивные зоны океане вдоль восточного побережья Америки» являющиеся основным источником влаги для втмосферы в холодный период года. При: усилении процессов зональной циркуляции большое количество сухого холодного воздухе вторгается с Американского континента на теплую поверхность Гольфстрима. В результате интенсивной влагоотдачи происходит обогащение атмосферного воздухе водяным паром и дальнейший его перенос в системах общей циркуляции и синоптических вихрей на Европейский континент. Наоборот, при ослаблении зонального потока и усилении меридиональных процессов достаточно теплый и влажный*воздух переносится над системой Гольфстрим в атлантический сектор Арктики.

Итак, в результате .обсуждения процессов крупномасштабного влагоооменв в системе океан-атмосфера-суша можно составить принципиальную генетическую схему формирования межгодовой изменчивости уровня Каспия (рис.1). Естественно, что эта схема в определенной степени является идеализированной, поскольку не полностью учитывает реальное многообразие процессов влагообмена в системе окевН-атмосфера-суша. Однако ее несомненное достоинство состоит в том, что она покезывает каким образом Каспий может быть включен в 1ТЦ и климатическую систему и самое глввное, где следует искать источник формирования межгодовой изменчивости уровня моря.

Заметим, что предшествующие положения выносимые на защиту (методы расчета атмосферной влвжности, влагообмена в системе океан-атмооферв и характеристик водного баланса и увлажнения Ш), можно рассматривать как составные части этой схемы, т.к. фактически они раскрывают содержание отдельных блоков генетической схемы и тем самым показывают направление ее практической реализации.

5) Методы долгосрочного прогноза и опытные прогнозы компонент водного балансе Каспия и его .уровня с заблеговременностыо от одного года до нескольких десятилетий.

Полученные результата по генезису колебаний уровня Каспия совершенно определенно показывают путь построения физически обоснованных прогностических моделей уровня Каспия и составляющих его водного баланса. В качестве первого этапа осуществляется долгосрочный прогноз стока Волги, затем прогноз внутригсдовых измене-

Рис. Т

Генетическая схема формирования межгодовой изменчивости уровня каспийского мор»

-гений объема Каспийского моря и уже после этого прогноз- средних годовых значений уровня.

Исходя из приоритета климатических факторов по сравнению с локальными на формирование стока крупных равнинных рек, мокно принять, что, сток Волги определяется преимущественно увлечением в предшествующий период в ее бассейне, т.е. 0-е — ^^^ГРе-Ее} > где га - число месяцев, предшествующих началу половодья. Так как в теплый и холодный периоды формирование увлажнения принципиально отличается друг от друга, и поскольку в холодный период Рв , целесообразно принять йэ = {{%РВе., |ЧР8-£в)е] >

где и - сумма месяцев соответственно в холодный и теп-

лый период года.

Итак, имеем две основные прогностические модели для преДвы- ' числения стока Волги по величине общего увлажнения в 'ее бассейна. Отсюда возникает необходимость расчета характеристик увлажнения за длительный ряд лет. При этом возможны несколько, подходов.

1) Оценка общего увлажнения из уравнения ВБА по аэрологическим данным;

2) Раздельное определение величины осадков и суммарного испарения традиционными гидрологическими методами с последующим вычислением разности;

3) Подход, основанный на полуэмпирических связях общего , увлажнения с определяющими климатическими параметрами;

4) Подход, основанный на косвенном учете увлажнения.

Показано, что первые два подхода по различным причинам вызывают серьезные'затруднения. Наиболее перспективным представляется третий подход, при котором для описания процессов увлажнения

используется уравнение связи мевду водными балансами атмосферы и поверхности сур. Параметрическая модель формирования увлажнения, изложенная ваше, реализована для пяти административных территорий находящихся в различных физико-географических условиях и отражающих преимущественно зону формирования стока Волги. Общее увлажнение за теплый вериод (апрель-сентярь) рассчитано для Татарии, Мордовии, Башкирии (север), Костромской и Тверской областей за 1930-1990 г.г. Как было установлено, изменчивость общего увлажнения за теплый период почти полностью зависит от величины осадков за этот же период. Поэтому осреднение за теплый период значения осадков могут быть использованы в качестве характеристики общего

увлажнешш. В результате список предикторов при прогнозе огскв Волги может сыть существенно расширен. В данной работе использовался архив осадков по 15-ти административным территориям за , столетний период (1891-1^90 г.г.), созданный в ГГО и любезно предоставленный А'.В.Мещерской. Кроме того, будем иметь в виду, что годовой сток Волги достаточно хорошо описывается моделью в виде простой цепи Маркова, следовательно, сток Волги в £-й год определяется не только увлажнением в предшествующий ¿-1-й год, но такне частично и увлажнением в 1-2 год.

Итак, основными прогностическими моделями стока Волги являются:

1) модель, основанная на учете общего увлажнения с помощью уравнения связи между водными балансами атмосферы и поверхности суши;

2) модель, основанная на использовании непосредственно значений осадков. В общем виде первую модель можно представить как

0.81= И Р«-,)^ ; «чи^; рЦгК}; *%-ги), из)

где К - суш/арные за холодный период осадки, абсолютной увлажнение (Р-Е) в теплый период года, а Использование алгоритма пошаговой регрессии применительно к методу исключения переменных позволило получить оптимальную модель с шеотью предикторами, стандартная погршеность которой составляет =бь0 м^/с, а коэффициент детерминации Я?=0,6'Л. Обучающая выборка оыла принята за 1930-1970 г.г. (дь41). О 1971 г. по 1990 г. составлялись опытные прогнозы стока Волги по независимым данным. Стандартная погрешность опытных прогнозов оказалась равной

пРичем только в 1373 г.' наблюдается выход погрешности прогностической оценки стока за допустимую ошибку прогноза ( 4доп=1380 м^/с) .

Другая прогностическая модель может оыгь записана в следую-щек виде СЧ1 = Н } ; ; Р^ > > Ш)

гда Р1 - осадки в теплый период года } =1,...,15. Отсюда видно, что число предикторов равно ^=60. Очевидно, непосредственное использование данной модели малоэффективно как с физической, так и с технической точек зрения. Поэтому разделим модель (14) на две: бпзовую (основную) модель вида

и дополнительную (вспомогательную) модель

= . . <*»>

которая используется для уточнения базовых прогностических оценок.

Вначале анализировалось базовая модель при /у =103. В результате использования аппарата пошаговой регрессии с последующим тестированием было получено, что оптимальной является модель с 8 предикторами. Стандартная погрешность при этом составляет

м^/с при а =0,774. Нетрудно видеть, что качество этой модели заметно уступает (13). Учитывая, что указанные модели отличаются размером исходных матриц, оыл выполнен специальный численный эксперимент с моделью (15),. состоящий в том, что варьировалась длина исходных рядов от N =35 до М~1йЗ. Выло найдено, что для получения оптимальных оценок данной модели длина исходных рядов должна составлять /V=45-70. При уточнении базовой модели в качестве ооучающейся выборки оыл принят период ^=60 (1831-1350 г.г.) и получена оптимальная модель с 4 предикторами, стандартная погрешность .которой составляет бусх) ПР"

(1=0,88. Проверка ее на независимых данных (1361-1990 г.г.) показала, что только для двух лат (1373 и 1381 г.г.) отмечается выход погрешности за пределы

Основной недостаток данной модели состоит в наличии сильной коррелированности внутри каждой из двух групп предикторов (осадки в теплый и холодный периоды года). Для устранения отмеченного недостатка можно воспользоваться, например, методом греоневой рег-ресви. В частности, ревизии методом гребневой регресии была подвергнута модель (15), причем на первом этапе использовался алгоритм пошаговой регрессии, а затем рассчитывался гребневой след коэффициентов регрессии а^ от 0 = 0 до 0 = 0,5. Выло получено, что стабильного состояния коэффициенты регрессии достигают для модели из 8 предикторов при 9=0,3. Так как ряд коэффициентов

оказался незначим по критерию Стьццента, то окончательная прогностическая модель содержит лишь пять предикторов, стандартная погрешность которой составляет =522 ма/с.

Есть основания полагать о наличии существенной инерционности во влиянии процессов влагообмена через поверхность водосбора на формирование стока через влияние его подземной составляющей, вклвд которой может достигать 50$, Поэтому был осуществлен регрессионный анализ модели (13) при запаздывании увлажнения относительно стока для временных промежутков от X =1 до 15 лет. Наилучшая модель была подучена при Т=Ю лет ( б^() --1о35 ма/и,

&=и,о.О. ¿то позволило выполнить расчет стока Волги до г., согласно которому в первые двв года Ш91 а 1^32 г.г.) ожидался сток ьыхе нормы, затем должен наступать относительно маловодный иериид (иЭ4-иЭ5 г.г.) и после этого вплоть до 2000 г. опять ожидается сток вике нормы. Прогноз для 1991 и 1932 г.г. оказался успешным.

На следующем этапе осуществляется прогноз изменений ооъема моря I ¿V ). Основой для прогнозе может служить выражение вида л\/ = а + Е< в соответствии с которым первое слагаемой представляет изменения ооъема за счет притоке речных вод, и второе слагаемое - а в счет эффективного испарения. Поскольку преооладыощии вкльд в ¿V днет первое слагаемое, то ограничимся в данном исследовании учетом лишь стока Волги. Прогноогическвя модель 113) применительно к ДV может йыть записана квк

¿V = Цй."В1 ; Р^; (17)

Ь результате расчетов оыло установлено, что оптимальной является зависимость с четырьмя предикторами, стандартная погрешность которой составляет <5^=^0,7 км^/год при =0,69, в Ддоц3 45 км^/год. Однако данная модель оказалось неадекватной по критерию Фишера при уровне значимости и адекватной при о1-=

Поэтому она оылв подвергнута ревизии с помощью греоневой регрессии. Стабилизация греоневого следа наступает при 6=0,1. Стандартная погрешность при этом несколько уменьшается ( бу^)»

км^/год), о коэффициент детерминации чуть-чуть возрос ( Яг =» 0,7¿). Ъ результате модель стала адекватной при сС Опытные прогноз» по зависимости (17) составлялись для периоде 1971-1990 г.г. Стандартная погрешность опытных прогнозов составляет ■»

Зг км^/год, в максимальная погрешность отмечается в 1973 г. и рвв-нв —¿1 км /год. Именно в этом году нволвдалась экстремальная от-рнш.тельная аномалия ¿эф.

Кроме того, для прогноза ЛV может оыть также использована модель ВЩ АУг = К й^ ; Р^ ; Рта.2)Л) (М)

Результаты прогнозов дУ .полученные по модели (1й), нез-шлительпи отличаются о? результатов по модели (17), однако прайму щн»; г всы ее является то, что онв использует более доступную информацию.

Что касается возможности прогноза еУ с звблаговременностью со.«!' I года, т.: здесь возможно несколько вариантов. Прежде всего, оонивиьаясь но результатах прогноза стока на 10 лет, И прини-

мая во внимание устойчивость связи + cl¿Q.|} , нетрудно

расочитвть прогностические оценки изменений объема моря. Кроме того, душ прогноза &V могут быть использованы модели (17) и (10), в которые вводится*временной шаг (сдвиг), отражающий запаздывание предикторов относительно A.V . При тестировании указанных моделей было установлено, что .при Т =11 лет отмечаются оптимальные прогностические оценки д!Л .

По трем рассмотренным выше моделям был выполнен расчет до 2000 г» В первые три года (1991-1993 г.г.) прогносйческие оценки &У^весьма близки друг к другу, однако затем они начинают расходиться, причем в отдельные годы имеют даже разные знаки. Несмотря на это, можно выделить некоторые общие тенденции: уменьшение flV^OT 1991 г. к 1994 г., и затем наступление многоводного пери- ' ода вплоть до 20Ó0 г.

После этого производится переход к долгосрочному прогнозу уровня моря. Для прогноза уровня на I год используется модель вида kss f Ck«.,AV) (19) где h и h¡z. - соответственно средний годовой уровень и уровень в декабре предшествующего года. Значения h¡z и ¿V характеризуют инерционную и динамическую составляющие в изменениях уровня. Следует отметитье что первый предиктор дает основной вклад в формирование Ь в причем роль его увеличивается в периоды монотоннах изменений уровня. Это означает, что не обязательно предъявлять жесткие требования к прогнозу &V , и кроме того, приближенный прогноз h, может быть осуществлен только на основе данных о

{г и, с

Вследствие нзстационарности h. a h.IJLv¡x целесообразно рассматривать как h, = Ть, <-£h> , htt s= Th + и где Т-Гс - тревдоввя составляющая, о к- и Síhu~ отклонение от тренда, В результате прогноз fv складывается из прогноза 7>_ и

£"k . При этом трендовая составляющая экстраполируется на один шаг. Прогноз á"fe> осуществляется по следующей зависимости S'h.-s a0 -О-о^ktz -tf a^AV» Тогда окончательная формула для прогноза b в случав линейного тренда имеет вид

к ss cb't + a^S"k,iZ + CL^AV -i- t где aj, süj+ &0 . Для нелинейного тренда в данное выражение добавляется переменная к , .

Вначале был рассмотрен вопрос о влиянии длины обучающей выборки на точность получаемых оценок. С этой целью выполнен расчет-

по трем рассмотренным выше моделям за период 193У-1977 г.г. Первоначальная длина выборки составила ^=16 (1930-1945 г.г.) Вмо найдено, что И и практическим не зависят от Ы ».

Точность описания Н- от первой модели (¿3) к третьей (о нелинейным трендом) несколько уменьшается, однако это уменьшение составляет всего около 2 мм, что практически не влияет на результаты расчетов. Наконец, теоретическая погрешность денного метода прогноза уровня составляет около 4 см^год.

Итак, прогноз уровня на 1 год осуществлялся по двухфакторной модели (19). При этом стандартная погрешность для обучающейся выборки (1940-1966 г.г.) составляла 5,и ом/год, а для независимой выборки (1967-1986 г.г.) - 5,1 см/год. Максимальная погрешность отмечается в 1979 г. и составила лишь 10 см, что заметно меньше 4дод=И см/год. Главной причиной высокой точности прогноза является использование в прогностической модели фактических значений . Поэтому в 1-м приближении прогноз уровня может осуществляться только по данным о декабрьских значениях уровня, т.е.

И, = £ ( Н.12.) . Стандартная погрешность такого прогноза составляет

~ Ь см/год.

При прогнозе уровня с заблагсвременностыо более I года в качестве основной модели служит уравнение водного баланса в виде

Ь*.- = Н0 + , (20)

где К^ и ка - соответственно уровень в конце и начале расчетного периода. Воспользуемся полученными выше прогностическими оценками ¿V до 2(1)0 г. по трем моделям. В качестве к„ примем уровень в январе 1991 г., равный 54 см. Тогда величиной ¡г± будет являться уровень в декабре 2000 г. Следует иметь в виду, что декабрьские значения .уровня, как правило, несколько занижены по сравнению с его среднегодовыми оценками. Кроме того, было установлено, что при понижении уровня происходит завышение , а при его подъеме, наоборот, величина обычно занижается. Это следует учитывать при анализе результатов прогноза уровня.

Результаты прогноза уровня по моделям (17) и (18) очень близки друг к другу, а то время как модель (13) при Т =10 лет дает для большинства прогнозируемых лет заниженные значения уровня. При этом расхождения для отдельных лет могут оказаться довольно заметными. Максимальное расхождение в прогностических значениях уровня отмечается в 1995 г. и составляет 35 см. Однако к декабрю 2003 г. результаты по всем трем моделям уже мало отличаютоя

мевду собой и находятся в диапазона 115-131 см. йзли ввести соответствующие поправки, то средний годовой уровень в 20Х) г. может составить 130-145 см.

Кроме того, в работе предложен косвенный метод сверхдолгосрочного прогнозирования уровня Каспия по данным о влогооомоне в Норвежской энерговктивной зоне океана, лотя по своей мощности она несколько уступает другим МО, однако ее географическое положение, связанное с непосредственной близостью к Европе, позволяет считать ее как одну из наиболее важных с точки зрения воздействия нв формирование увлажнения северо-западной части ЕТР, в том числе и зоны формирования стока Волги. Лспорениа за холодный период в Норвежском море имеет высокую положительную корреляцию с годовым стоком Немана и Волги. Причины такой связи достаточно очевидны. Так как Нсрвокское море является активной зоной циклогенеза, то циклоны над тзплой поверхностью моря как губка впитывают в себя испарившуюся влагу. Поскольку основные траектории циклонов, особенно при усилении зональной циркуляции, направлены в сторону ЕТР, то значительная часть осадков, выпадавших в верховьях Каш и Волги, норвежского происхождения.

На основе усовершенствованной полуэмпирической теории влего-оборота в работе показано, что в холодный период годе за пределы Норвежского моря выкосится 413 км^ влаги, испарившейся с акватории моря. В то же время за холодный период на территории оассей-на Волги выпадает 364 км1* осадков, причем большая часть их аккумулируется в верховьях Волги и Камы. Естественно, что заметная доля от этих осадков имеет норвежское происхождение. "Норвежские" осадки формируются непосредственно из норвежских циклонов, в твк-кз чеотично из циклонов восточно-европейской зоны циклогенезе, образование которых связано с трансформацией атлантических ( в том числа норвежских) воздушных масс над территорией ЕТР.

Вследствие статистического характера связи между стоком Волги и испарением в НЭАЗО при построении прогностической модели достаточно ограничиться каким -либо косвенным индексом, который бы хорошо отражал изменчивость испарения в районе корабля "Ы", находящегося в центре этой зоны. Специальный анализ показал, что осредненные зв холодный период значения перепада температуры описывают преобладающую долю дисперсии испарения. В результате основная прогностическая зависимость может быть записана как

где дТм - среднее за холодный (октябрь-март) период значение разности между температурой вады и воздуха в районе корабля "И". Взаимокорреляционный анализ ДТм и йУ за 1949-19ЭО г.г. пот казал, что при малых сдвигах, исключая =0, коэффициенты взаимной корреляции невелики и не выходят за пределы значимости. Однако при сдвигах X =23-24 года наблвдается разкий подъем коэффициентов корреляции, которые достигают 0,80. Хотя физический механизм формирования связи между ЮАЗО и ¿V на указанном сдвиге пока что остается открытым, однако наличие такой связи сомнений не вызывает, и случайной она не является. Отсюда возникает принципиальная возможность построения свервдолгосрочной схемы прогноза уровня Каспийского моря до 2010 г.

Характерной особенностью прогностических оценок ДУ*является то, что практическим на всем временном интервале они лежат выше нуля. Это означает, что уровень должен повышаться. Однако повышение уровня не является равномерным. В середине девяностых годов подъем уровня замедляется, а в конца столетия и начале следующего века должен отмечатьоя интенсивный подъем уровня. К 2000 г. уровень должен составить чуть более полутора метров выше нуля (-28 м.абс.), в к 2010 г. он может возрасти более, чем на 2,5 м. Вели сравнить полученные результаты с прогностическими оценками уровня но основе данных об увлажнении бассейна Волги, то для середины девяностых годов имеют место серьезные расховдения, однако к 2000 г. она уменьшаются и составляют ужа менее 200 см.

В Заключении кратко приводятся основные выводы, которые сводятся к следующему:

1. Рассмотрена концептуальная параметрическая модель ГГЦ, состоящая из четырех взаимосвязанных резервуаров: окевна, атмосферы, литосферы, криосферы. При этом основу модели составляет интегральное уравнение ВЕА., При добавлении к нему уравнений материального ооджетз оставшихся трех резервуаров получаем систему, описывающую все крупномасштабные потоки вод как внутри резервуаров, так и между ними. Выполнен содержательный анализ данных уравнений при различных масштабах осреднения и рассмотрены методы расчета и параметризации основных составляющих ГГЦ о обязательной оценкой их точности.

2. Предложены методы определения ВИС и ВА над океанами при различных периодах осреднения. 3 частности, для оценки среднегодовых значений ВПС используется степенная зависимость от тем-

пературы воздуха, аналогичная формула Магнуса для вычисления насыщающей упругости водяного пара. Систематическая и случайная погрешности уквзанной формулы по независимым данным составляют соответственно 2.3 и Исходя из гипотезы о том, что взаимное приспособление безразмерных перепадов температуры и влажности в приводном слое осуществляется значительно меньше месяца, среднемесячные значения В1Ю зависят уже от 2х определяющих параметров: температур воды в воздуха. Приводятся несколько вариантов экспериментальных зависимостей, погрешности которых не превышают нескольких процентов, В предположении об экспоненциальном распределении влажности с высотой получена зависимость среднемесячных значений влажности ВА от ВПС с погрешностью 7-10$. Уточнение этой зависимости путем введения нелинейной поправки на температурный режим атмосферы уменьшает погрешность на 2-3^. При среднегодовом осреднении ВА рассчитываются по степенной зависимости от температуры воздуха с погрешностью 2-4$.

3. Разработана схема параметризации (.р -схема) океанического- звена ГЦ, которая позволяет сравнительно просто, основываясь только на данных о солености поверхностного слоя воды, вычислить все составляющие пресноводного баланса (испарение, осадки, меридиональный прток пресной воды) в зональном приближении как для отдельных океанов, так и для МО в целом. При этом точность рассчитанных компонент бвлакса оказывается даже выше, чем традиционных методов их определения.

4. Получены количественные характеристики меридиональной и внутригодовой изменчивости полей атмосферной влажности и влаго-обмена над НО и отдельными океанами, точность которых оценивается в глобальном и полушарном масштабах на основе предложенной автором системы балансовых критериев. Установлена относительная роль различных механизмов формирования глобального климата, а

именно, термического градиента экватор-полюс, зонального распределения и внутригодового хода солнечной радиации, неравномерного распределения континентов и океанов, наличие циркуляционных ячеек в атмосфере на формирование конкретных полей атмосферной влажности и составляющих пресноводного баланса океана.

5. На основе современных данных о тепловом балансе на поверхности океана и осадках построена новая глобальная карта вертикального потока массы, которая позволяет судить о распределении источников и'стоков термохалинной циркуляции. Показано, что наиболее интенсивные области источников термохалинной циркуляции приурочены к энергоактивным зонам МО, причем максимальный поток

массы наблюдается в энергоактивной зоне Куросио. Стоком термо-халинной циркуляции является нрвктически вся экваториальная зона МО, что связано превде всего с деятельностью ВЗК.

S. В результате введения ряда физических гипотез разработе-на малопарвметрическая модель уравнения ВБА над океаном, которая позволяет но данным о 3-х сравнительно легко определяемых характеристик (температура воды и воздуха, высота геопотенциальной поверхности 5Ш rila) рассчитать эффективное испарение с приемли-мой для практических целей точностью. Ланная модель реализована для Северной Атлантики и Южного полушария. Полученные оценки эффективного испарения удовлетворительно согласуются с аналогичными оценками, полученными другими авторами по полной системе аэрологических данных. Разработано несколько вариантов параметрического описания уравнения ВБА применительно к задаче расчета увлажнения поверхности суши в бассейне Волги и долгосрочному прогнозу ее стока.

7. Предложено полуэмпирическое уравнение связи между водными балансами атмосферы и поверхности суши, которое обладает следующими характерными особенностями: отражают взаимосвязь всех параметров, обуславливающих увлажнение; разность Р-Е входит в уравнение баланса как атмосферной, так и неземной ветвей ГЦ, связывая таким образом процессы переноса водяного пера в свободной атмосфере с процессами перемещения влаги в почвенно-грунтовой толще; выполняется лишь при достаточно больших пространственно-временных масштабах осреднения, когда суммарное испарение с поверхности суши определяется преимущественно климатическими факторами, в ю время как роль местных (локальны!) факторов пренебрежимо мала. Специальный численный эксперимент позволил разграничить климатические и местные факторы. Дэд овссейнов, площадь которых превышает а,5 IU4 км^, среднемноголетнее испарение определяется климатическими факторами, в то время как для овссейнов меньшей площади уже необходим учет лекальных факторов. В отличие от других уравнений связи данное уравнение описывает годовой цикл формирования увлажнения природной среды в различных геоботанических зонах. При этом в чистом виде выделяются особые точки влажности почвы (наименьшая влагоемность почвы, влажность разрыва капилляров), а также четвертая стадия испарения, ооусловленнвя г^истерезиоом годового хода увлажнения в сте'пной аоне. Уравнение связи позволяет, рассчитать с высокой степенью точности такие трудноопределяэ-

-за-

мыв составляющие, квк суммарное испарение и изменение- звдэсов поверхностных и подъемных вод, в также речной сток с территорий, границы которых не совпвдают с границами речных бассейнов.

8. Разработана методике влияния лесистости на формирование водного баланса крупных территорий, в основе которой лежит уравнение связи между водными балансами атмосферы и поверхности суши для лесопокрытых территорий, учитывающее фазу развития древесной растительности. Приводятся конкретные зависимости, позволяющие рассчитывать годовой ход компонент водного баланса (осадки, испарение) над лесопокрытыми территориями по внешним параметрам (коэффициент лесистости, испарение и осадки над безлесными участками). Получены количественные характеристики влияния лесистости на формирование испарения, оседков и речного стока крупных бассейнов на' территории ЕТР и сопредельных государств. На основе уравнения связи для лесопокрытых территорий выполнена классификация поверхности суши по характеру увлажнения, зависящему от критических значений коэффициента испаряемости. Выделены зоны избыточного, достаточного, переменного, недостаточного и аридного увлажнения, формирование которых обусловлено не только соотношением испаряемости

и осадков, но и уровнем залегания грунтовых вод.

9. На основе гиоптезы инвариантности проотронотвзнно-времен-ных колебаний безразмерных величин испаряемости и дефицита влажности предложена методика оценки общего увлажнения поверхности суши за короткие (месячные) промежутки времени. Выделено 4 типа аномалий увлажнения (избыточное, оптимальное, недостаточное, аридное), каждый из которых характеризуется определенным диапазоном изменений коэффициента испаряемости. Выполнен расчет общего увлажнения для теплого (апрель-сентябрь) периода за длительный ряд лет для административных территорий, находящихся в зоне формирования стока Волги, которые использовались в прогностических моделях стока Волги и изменений объема Каспийского моря.

10. В результате изучения процессов крупномасштабного влз-гообмека в системе океан-атмосфера-суша предложена генетическая концепция формирования межгодовой изменчивости уровня Каспия, в соответствии с которой основным "уровнеооразуицим" фактором является эффективное испарение в Северной Атлантике и прежде всего в обширной зоне влияния Азорского максимума давления. Суть этой концепции сводится к следующему. При уйеличении эффективного испарения в осенне-зимний период.и. усилении зональной циркуляции

-ЗУ-

на континент переносится большое количество влаги и соответственно в бассейне Волги возникает-положительная аномалия осадков. Вследствие этого годовой сток Волги оказывзется ваше нормы и уровень моря возрастает. Обратная картина нвблвдвется при уменьшении эффективного испарения и ослабления зональной циркуляции атмосферы. Приводится обоснование данной концепции, которая послужила методологической основой построения физико-статистической схемы долгосрочного прогноза уровня Каспия.

II. Разработан физико-статистический комплексный метод прогноза компонент водного баланса (стока Волги, суммарного притока речных вод, изменений объема моря) и уровня Каспийского моря с заблаговременностью от I года до 10-12 лет. Прежде всего осуществляется прогноз стока Волги с заблаговременностью до I года. Оправдываемость опытных прогнозов за период 1971-199и г.г. составила почти а их стандартная погрешность равна 720 ы^/с, что почти в 2 раза меньше допустимой ошибки проноэа. Кроме того, изучение с помощью прогностической модели инерционных свойств водосбора позволило установить временной сдвиг, ревкый 10-ти годам, яри котором стандартная погрешность модели оказывается меньше допустимой погрешности прогнозе, ¿¡сходя из этого был осуществлен прогноз стока Волги с 1Э41 по 2000 г.г. Дня прогноза изменений аоьема (дУ) моря используются прогностические оценки стока Волги ( 0.0 ), а также значения общего увлажнения а ссвдков в бассейне Волги. Оправдываемость опытных прогнозов дУ* на I год за период 1.)71-1.Ш г.г. оказалась несколько хуже по сравнению с , а их стандартная погрешность составила ¿2 км^/год при допустимой ошибке 415 км^/год. Использование различных вариантов прогностических зависимостей с заблаговременностью 10 лет позволило построить осредненную кривую аУ* до 2000 г. Дга прогноза среднегодового уровш с заблаговременностью до I года используются фактические значения уровня зо декабрь предшествующего года и прогностические значения дУ^ . Стандартная погрешность прогностических оценок уровня но независимых данных составила 5,1 см/год яра допустимой ошибке прогноза 18 см/год и теоретическо!5 ошибке 4 см/год. Что касается прогноза уровня Каспия с зоблаговрзменно-стьв более I года, то* исходя из оценок лУ* были рвсочатани прогностические декабрьские значения уровня до 2000 г. Можно ожидать, что к декабрю 2000 г. уровень моря будет находиться на отметках 115-131 см или чуть., выше.

12. Предложен статистический (косвенный) метод прогноза тенденции изменений уровня Каспия по данным о влагооомене в Норвежской энергоактивной зоне океана. На основе полуэмпирической теории влагообмена доказано, что вынос влаги в виде местного стока (иопарения) за пределы Норвежского моря может обусловить значительную часть межгодовой изменчивости увлажнения бассейна Волги

и тем самым влиять на колебания уровня Каспия. В результате вза-имнокорреляционного анализа ¿V и индексов, характеризующего испарение в Норвежское море, было установлено, что между ними.при сдвиге, равном 23 года, обнаруживается высокая статистическая связь с коэффициентом детерминации- Я- =0,65. Это позволило оценить изменения объема Каспия и его уровня не только в конце текущего, но и в начале следующего столетия. К 2000 г. уровень должен составить чуть более 150 см (-26,5 м обе,), в к 2010 г. он может возрасти еще на I м, т.е. до отметки -25,5 м.аос.

13. Исходя из анализе колебаний уровня Каспия за 2СШ лет, 1 была сформулирована концепция "естественных климатических периодов" ЧШ1). Под ЕКП понимается достаточно длительный интервал времени, в течение которого изменения уровня являются относительно однородными. Всего с начала нвшей эры выделено 39 Ш1. Последний, 39-й ЕКП. начался в 1978 г. и характеризуется подъемом уровня. Приводятся основные характеристики трах типов Ш1 (подъем, стояние, снижение уровня) за 2030 лет. Поскольку минимальная продолжительность ЕЩ составляет 40 лет, то можно ожидать, что многоводная фаза в изменениях уровня продлится по меньшей мере до 2020 г. При этом о учетом современного среднего градиента роста уровня к 2000 г. он выйдет на отметку -28,4 м.абс., а к 2020 г., принимая во внимание возрастающую роль морфометрического фактора, уровень может достичь отметок -25.4; -25.0 м.абс. Следовательно, различные подходы дают достаточно близкие оценки возможных изменений уровня Каспия как до 2000 г., так и на более отдаленную перспективу. Это, безусловно, повышает достоверность и степень доверия

к полученным результатам. Таким образом, есть все основания полагать, что долгосрочный прогноз уровня Каспия и составляющих его водного баланса возможен уже в настоящее время.

14. Обобщая полученные результаты, можно сделать вывод, что данная работа представляет последовательное развитие нового (геофизического) подхода к исследованию ГГЦ, основанного на совместном комплексном анализе всех видов природных вод и их потоков.

с)то позволило решить крупную научную проблему по изучению генезиса мекгодовой изменчивости уровня Каспия и разработке на денной основе физически обоснованных прогностических моделей компонент водного баланса и уровня моря с зоблаговременностыо от I года до нескольких десятилетий..

По теме диссертации опубликованы следующие монографии:

I. Водный овлвнс атмосферы как гидрологическая задача.-Д., Изд. ЛГУ, I9b8, 200 с. (соавт, Н.П.Смирнов).

'¿. Влагообмен в системе океан-атмосфера.- СПб» Гидромегео-издвт, 1994, 197 с,

J. Проблема прогноза уровня Каспийского моря,- СПб, РГГМИ, 1994, 131 с.

Креме того, содержание диссертации опубликовано в следующих основных научных работах:

4. К изучению водного баланса бассейна Волги по аэрологическим данным,- Водные ресурсы, 1974, Я 6, с.74-84 (соевт. Б.Л.Скля-ренко, Н.П.Сыирнов).

5. Горизонтальные потоки энтальпии и водяного пара над проливом Дрейка и их временная изменчивость. - Труды ААШИ, 1976,

т.344, с.51-58 (соавт. В.Ф.Васильев, Н.П.Смирнов).

6. К изучению глобального водного баланса.- Проблема Арктики и Антарктики, 1977, вып.51, С.8&-95 (соавт. В.А.Студитский).

7. К построению автоматизированной системы анализа аэрологической информации,- !фуды ААШИ, Т.362, С.5-34 (соввт. В.Ф.Васильев, Н.П.Смирнов).

8. К исследованию очагов теплоотдачи в Северной Атлантике.-Труды ААШИ, 1977, т.362, с.58-70 (соавт. Н.П.Смирнов).

9. К оценке точности раочета дивергенции потоков водяного пара.- Труды ААШИ, T.JS2, с.40-49.

IU. Водный баланс атмосферы северного полушария для средних годовых условий,- Водные ресурсы, 1978, Л 4, с.5-20.

II. дивергенция горизонтальных потоков тепла и водяного пара.- В кн.: ИОЛЭКС - Север - 76, ч.1.- Л., Гидрометеояздвт, 1973, с.30-36 (соавт. В.¿.Васильев, Н.Ц.Смирнов).

12. Теплообмен океана с атмосферой в весенне-летний период. - В кн.: ИОЛЭКС - Север - 76, ч.1.- Л., Гидрометеоиздвт, 1979, с.37-44 (соввт. Н.В.Арискина).

13. О некоторых проблемах изучения атмосферной 'ветви гидрологического цикла Северной полярной области.- Проблемы Арктики

и Антарктики,, 1980, вып.55, с. 11-22 (соавт. Н.И.Смирнов).

14. Оценка водного* баланса крупных речных бассейнов с использованием аэрологической информации. - Труды ГГИ, 1931, вып. 282, с.43-50 (соавт. В.А.Румянцев)..

25. Использование аэрологической информация в целях долгосрочного прогноза стока крупных рек.- Труды ЖШ, 1982, вып.78, с.67-78, (соавт. Н.П.Омирнов).

16.'О связи водных балансов атмосферы и подстилающей поверхности. - География и прородные ресурсы, 1984, Я 4е с.

17. О взаимосвязи составляющих вгмосферной и наземной ветвей гидрологического цикла. - Труды ГГИ, 1985, вып.296, с.55-82.

18. Об использовании метода водного баланса атмосферы для . оценки антропогенных изменений испарения в крупных речных бассейнах (на примере бассейна р.Волги). ~ Труды ГГИ, 19®, вып.296, -с.109-113.

■ 19. Распределение источников и стоков термохалинной циркуляции в Мировом океане.- Труды ДЛИ, 1985, вып.91, с.

20. Крупномасштабная изменчивость тепло- и влагообмена в Северной Атлантике. - Труды ЖШ, 1985, вып.91, с.

(соавт. С.Б.Завертяев, М.И.Масловский)«

21. Предвычисление притока вод к крупным водоемам по внешним параметрам. - В кн.: Круговорот вещества и энергии в водоемах. Иркутск, 1985, вып.6, о.15-17.

22. Водный баланс атмосферы Норвежской энергоактивной зоны, - уды ЛГМИ, 1986, вып.93, с.99-112.

23. Крупномасштабная модель формирования влагообмена системы океан-атмосфера. - Труды ЛГМИ, 1986, вып.93, с.20-33 (соавт. А.В.Веэмельницын).

24. О связи аномалий термического состояния океана с аномалиями влвгосодержания атмосферы в энерговктивных районах Северной Атлантики. - Труда ЖШ, 1987, вып.99, с. 143-148 (соавт. А.В.Без-мельницын).

25. О &ШХ8НЖШ6 формирования увл&2снбшзя поверхности суш?»— ДАН СССР, 1988, т.303, Я 5 с.1235-1238 (соавт. Н.П.Смирнов).

26. О перспективах крупномасштабных воднооалансовых исследований. - В кн.: У Всес.гидрол.'съезд. Т.2. Водные ресурсы и водный баланс. - Л., Гидрометеоиздаг, Ш8, о.407-412.

27. Учет лесистости при моделировании водного баланса в , системе атмосфера-поверхность суши.- В кин.: Гидрологическая роль лесных геосистем, Новосибирск, Наука, 1989, 0.35-43.

23. О некоторых проблемах глобального водного баланса. -Труды ITH, 1990, вып.338, C.I4I-I63.

29. Об использовании аэрологической информации в расчетах водного баланса крупных водоемов. - Водные ресурсы, 1990, Я 4, с. 137-145 (соавг. Л.П.Кузнецова).

30. О годовом цикла влажности приводного слоя атмосферы над океаном. Труда ЛЖ, 1991, вып. 112, 0.105-113 (соавг. А.В.Безмельницын).

31. О формировании пресноводного баланса Мирового океана. Доклады РАН, 1993, т.ЗЗО, JS I, с.108-110.

32. О генезисе межгодовых колебаний уровня Каспийского моря. Водные ресурсы, 1994, И 4.

¡ШШНИН ВАЛЕРИЙ НИКОЛАЕВИЧ

'АВТОРЕФЕРАТ

Ьумага писчая. Иеч.л.<2,a.b.л.1.«¿о. X. РТП изд-ва СПбУЭД.'

191023, Санкт-Петербург, Садовая, .21.