Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Моделирование сезонного хода и краткосрочный прогноз ледовых условий Восточной части Финского залива

ВАК РФ 11.00.08, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Моделирование сезонного хода и краткосрочный прогноз ледовых условий Восточной части Финского залива"

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ И МОНИТОРИНГУ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ АРКТИЧЕСКИЙ И АНТАРКТИЧЕСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ

2 2 АПР На правах рукописи

Клячкин Сергей Владимирович

МОДЕЛИРОВАНИЕ СЕЗОННОГО ХОДА И КРАТКОСРОЧНЫЙ ПРОГНОЗ ЛЕДОВЫХ УСЛОВИЙ ВОСТОЧНОЙ ЧАСТИ ФИНСКОГО ЗАЛИВА

11.00.08 - океанология

Автореферат дисбертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Санкт-Петербург - 1996

Работа выполнена в Государственном научном центре РФ - Арктическом и Антарктическом научно-исследовательском институте.

Научный руководитель: доктор географических наук

3.М.Гудкович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук

кандидат физико-математических наук

Л. АДимохов В.А.Царев

Ведущая организация - С.-Петербургское отделение Государственного океанографического института.

Защита состоится 16 мая 1996 г. в 13 час. на заседании специализированного совета Д.024.04.01 при ордена Ленина Арктическом и Антарктическом научно-исследовательском институте.

. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ААНИИ.-Автореферат разослан " ^" 1996 г.

ъ

Ученый секретарь специализированного совета.

кандидат географических наук П.Карклин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Ледяной покров Балтийского моря и. в особенности. Финского залива представляет интерес как с прикладной, так и с научно-исследовательской точек зрения. Интенсивность судоходства на трассах Финского залива исключительно высока, что предъявляет особенно жесткие требования к обеспечению информацией о состоянии ледяного покрова. В общей сложности более 15 предприятий и организаций различных Форм собственности регулярно (каждые 3-4 суток) запрашивают в СЗ УГМС информацию о фактическом состоя^ нии ледяного покрова Финского залива и об ожидаемых изменениях. Кроме того. Финский залив является весьма удобным полигоном для исследований некоторых явлений, характерных для ледяного покрова любых замерзающих морских бассейнов.

. До сих пор при исследованиях ледяного покрова Финского залива основное внимание уделялось либо анализу многолетней изменчивости ледовых условий, либо эмпирическому анализу некоторых конкретных явлений, .происходящих в ледяном покрове. При этом недостаточно изученными остаются вопросы влияния отдельных гидрометеорологических элементов на состояние ледяного покрова, особенности пространственно-временной изменчивости ледяного покрова синоптического и сезонного масштабов, отсутствуют физически обоснованные и практически работающие гипотезы, касающиеся специфики образования и взлома припая.' дрейфа, торошения и т.д. в условиях малого бассейна. Практически не исследована проблема влшния начальных условий и синхронных процессов на формирование ледовой обстановки

в заливе в различных пространственно-временных масштабах, особенно в диапазоне 5-10 суток.

Недостаточная изученность ледяного покрова Финского залива обусловливает неудовлетворительное состояние службы оперативных ледовых прогнозов для Балтийского моря в целом и Финского залива в частности. В настоящее время СЗ УГМС осенью составляет прогноз сроков ледообразования по ряду пунктов восточной части Финского залива с заблаговременностью 1 месяц и в течение зимнего сезона это же учреждение составляет краткосрочные (3-4 суток) прогнозы ледовых условий на Балтике. Эти прогнозы имеют в значительной степени качественный характер, т.е. прогноз формулируется в виде краткого (4 - 6 строк) словесного описания ожидаемых изменений ледовых условий.

Таким образом, в настоящее время, во-первых, многие аспекть формирования ледовых условий в Финском заливе остаются не исследованными, и. во-вторых, не существует метода ледового прогнозе для Финского залива с заблаговременностью несколько (5-7) суток, который бы отвечал следующим требованиям: а) максимально возможная независимость от опыта и квалификации прогнозиста; б) комплексность, т.е. прогнозирование большинства параметров ледяногс покрова; в) физичность. т.е. метод должен учитывать физически! механизм происходящих явлений природы; г) удобство и простоте пользования.

Цель работы заключается в том, чтобы:

- разработать метод комплексного расчетами прогноза характерно тик ледяного покрова Финского залива малой заблаговременности

- исследовать особенности пространственно-временной изменчивост:

ледяного покрова Финского залива в синоптическом и сезонном масштабах:

Достижение поставленной цели требует решения ряда специальных задач, к числу которых относятся: а) разработка и обоснование метода исследования; б) разработка и обоснование содержания и последовательности вычислительных процедур; в) подбор и организация необходимых исходных данных; г) выполнение расчетных работ в объеме, достаточном для формулировки корректных выводов; д) формулировка критериев оценки метода и оценка его работоспособности; е) формулировка особенностей формирования и развития ледяного покрова Финского залива в указанных временных масштабах.

В качестве метода исследования используется метод математического (численного) моделирования ледяного покрова, что. во-первых, дает возможность наиболее эффективно исследовать и прогнозировать особенности эволюции ледяного покрова и. во-втсрых. способствует развитию моделирования как метода.

Поскольку только лишь восточная часть залива (к востоку от меридиана о.Гогланд) достаточно полно, регулярно и надежно освещена всеми необходимыми натурными данными и именно в восточной части залива ледовый климат более суров и проблемы, связанные с ледяным покровом, более серьезны и актуальны, то в настоящей работе построение и испытание модели выполнено применительно к восточной части залива. Для этого использовались: а) данные наблюдений на ГМС;■ б) карты синоптических прогнозов погоды; в) данные авиационных ИК-сьемок температуры поверхности воды, выполнявшихся СЗ УГМС; г) данные визуальных ледовых авиаразведок, выполнявшихся СЗ УГМС по сетке стандартных галсов; д) данные визуальных ледовых

авиаразведок, выполнявшихся ЛО ГОИН по специальным программам (при участии автора).

Научная новизна работы заключается в следующем: а) впервые для Финского залива применена численная модель, позволяющая рассчитывать и прогнозировать большинство основных параметров ледяного покрова; б) предложен физически обоснованный метод расчета (прогноза) положения границ припая, давший весьма удовлетворительные результаты; в) предложен способ количественной оценки масштабов торошения при сжатиях статического характера; г) выявлены основные закономерности краткосрочной (до 5 суток) и сезонной изменчивости ледовых условий в Финском заливе.

Практическая ценность работы состоит в том. что с помощью предлагаемой модели можно составлять регулярные краткосрочные прогнозы состояния большинства параметров ледяного покрова Финского залива.

Апробация работы. Основные положения данной работы докладывались и обсуждались на ХУП (Норрчепинг. Швеция. 1990) и на ХУШ (С.-Петербург. 1992) Конференциях Балтийских океанографов, а также на I Рабочем совещании по климату ледяного покрова Балтики (Тварминне, Финляндия. 1993).. Прогностический вариант представляемой модели в течение зимнего сезона 1994-95 г. г. прошел производственные испытания в СЗ УГМС. где получил положительную оценку и внедрен в оперативную практику управления.

Публикации, По теме диссертации опубликовано 5 научных ра-

0

бот. • .4

Основные положения работы, выносимые на защиту:

1. Разработана математическая численная модель, позволяющая

с высоким качеством рассчитывать и прогнозировать основные элементы, характеризующие состояние ледяного покрова Финского залива: толщину льда, 'сплоченность, положение границ припая, дрейф, сжатия, торошения.; разрушенность.

2. Одним из ключевых факторов, от которого зависит ?волюция ледовых условий в Финском заливе, является припай. Основным механизмом формирования и разрушения припая является устойчивость ледяной пластины по отношению к отжимному ветру. Это явление может быть успешно смоделировано и спрогнозировано с помощью условия статического равновесия между тангенциальным напряжением ветра и сопротивляемостью припая.

3. В стесненных берегами бассейнах, доминирующую роль в динамике ледяного покрова играют околобереговые сжатия и связанные с ними деформации. При моделировании и прогнозировании динамики ледяного покрова весьма успешно работает вязко-пластическая реологическая модель.

4. Соотношение влияния начальных условий и синхронных процессов на состояние ледяного покрова Финского залива меняется как по пространству (восточная и северо-восточная части более инерционны, а в центральная и западнял - более изменчивы), так и во времени (в период ледообразования и таяния преобладает вклад синхронных процессов, а в период относительной стабилизации -

• вклад началыых условий).

5. Наибольшие влияние на формирование ледовых условий з Финском заливе оказывают изменчивость температуры воздуха и поля ветра, наименьшее - влажности воздуха.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения. 5

глав, заключения и приложения. Объем работы составляет 206 с., в том числе: текста - 156 с., рисунков - 22 с.. таблиц - И с.. приложение - 17 с. Список использованных источников включает 154 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении раскрывается актуальность предлагаемой работы, формулируются ее цели и задачи, обосновывается выбор метода исследования. Дается краткое содержание основных разделов работы, подчеркивается ее научная новизна, формулируются основные положения. выносимые на защиту.

В первой главе кратко освещаются история исследований ледяного покрова Финского залива, особенности его метеорологического, гидрологического и ледового режимов, современное состояние проблемы ледовых прогнозов и расчетов.

Финский залив расположен в умеренном климатическом поясе. Средние значения температуры воздуха зимой над Финским заливом составляют от -8°С на востоке до -5+-6°С на западе. Продолжительность морозного периода составляет в среднем 120-140 суток и может колебаться от 80 до 180 суток в отдельных экстремальных случаях. Важнейшей особенностью гидрологического режима Финского залива является исключительная распресненность его вод.

Первое появление льда в Финском заливе происходит, как правило. во второй половине ноября в восточной и северо-восточной частях Финского залива. В период нарастания льда его кромка продвигается с востока на запад и от берегов к оси залива. Максимальное , развитие ледяного покрова приходится на середину-конец марта. В

этот период в восточной части залива и вдоль южного и северного берегов наблюдается припай белого и серо-белого льда, в центральной и западной частях - поля и обломки полей белого и серо-белого льда с включениями; серого. Толщина льда достигает 55-60 см на востоке и около 30; см на западе.В экстремально мягкие зимы западная часть залива вообще остается свободной ото льда-, а в экстремально суровые до 50-70 % площади акватории покрыто припаем. Таяние льда начинается в середине-конце марта и заканчивается в конце апреля - середине мая. В целом таяние ледяного покрова происходит значительно быстрее, чем его развитие: 1,5-2 и 3.5-4 месяцев соответственно.

На акватории Финского залива можно выделить 2 части со специфическими особенностями ледового режима. Восточная часть залива характеризуется гораздо более суровым ледовым климатом по сравнению. с западной. Исходя из этого обстоятельства, а также с учетом возможностей регулярного и надежного доступа к натурной информации. в настоящей работе исследование ограничено пределами восточной части Финского залива (к востоку от меридиана о.Гогланд).

Сезонный ход каждого элементов ледяного покрова имеет свои специфические особенности. При этом максимальная краткосрочная изменчивость параметров ледяного покрова соответствует периодам и районам наиболее интенсивного роста или разрушения ледяного покрова.

Во второй главе излагаются физические основы модели.

Моделирование ледяного покрова включает в себя 4 основных элемента:

- осеннее охлаждение воды, приводящее к образованию льда;

- тепловые процессы в ледяном покрове (нарастание и таяние):

- формирование и разрушение припая;

- динамические процессы в дрейфующем ледяном.' покрове (дрейф льда. торошение, сжатия и т.д.).

Охлаждение воды начинается тогда, когда тепловой баланс водной массы приобретает устойчивое отрицательное значение. В восточной части Финского залива этот момент обычно приходится на середину - вторую половину августа.

Поскольку Финский залив необычайно распреснен, температура наибольшей плотности в Финском заливе существенно превышает температуру замерзания, и конвективное перемешивание прекращается задолго до образования льда. Таким образом, осеннее выхолаживание воды в Финском заливе происходит как бы в два этапа: первый этап сопровождается конвективным перемешиванием, а второй - нет.

Охлаздение воды описывается уравнением теплового баланса. Численная реализация этого уравнения позволяет находить глубину верхнего квазиоднородного слоя. На верхней и нижней границах квазиоднородного слоя используются уравнения потоков тепла через соответствующие поверхности.

В конечном счете конвективное перемешивание приводит к установлению температуры наибольшей плотности по всей толщине .квазиоднородного слоя. При дальнейшем понижении температуры поверхности моря конвекция прекращается и начинается второй - "ветровой" -этап охлаждения воды. Расчет выхолаживания воды во время неконвективной фазы строится на основе уравнения переноса тепла.

В теплообмене с атмосферой участвует вся толща воды в слое ветрового перемешивания. Исходя из этого, целесообразно уравнение

- и -

переноса тепла проинтегрировать по вертикали от поверхности до глубины ветрового перемешивания.

В результате'охлаждение воды определяется следующими основными процессами: поток тепла через раздел вода-воздух, вертикальный и горизонтальный т^фбулентный обмен и адвекция тепла течениями.

Ветровое перемешивание определяется в рамках предлагаемой модели простейшей линейной зависимостью от скорости ветра. Значение коэффициента горизонтального турбулентного обмена было оценено путем проведения ряда численных экспериментов.

Для решения проинтегрированного по вертикали уравнения переноса тепла необходимо оценить осредненные по вертикали скорости течений. Приняты следующие допущения: а) вода считается несжимаемой однородной жидкостью; б) движение считается установившимся; в) нелинейные компоненты полной производной пренебрежимо малы.

• Задача о нарастании льда сводится к оценке потока тепла через лед и теплового баланса нижней и верхней поверхностей льда.

Обычно в природных условиях лед покрыт слоем снега, толщина которого может быть оценена по статистическим связям между толщинами льда и снега. Кроме того, неизвестной является температура на границе лед-снег. Для ее ис'ошчения можно воспользоваться допущением о равенстве потоков тепла через слой льда и слой снега. Это равенство справедливо, если пренебречь теплотой фазовых переходов в толщр льда.

. В Финском заливе вертикальный турбулентный обмен подо льдом весьма незначителен, поэтому поток тепла от воды к нижней поверхности льда в Финском заливе не играет существенной роли.

Примерно во второй половине марта начинается процесс таяния

ледяного покрова. Изменение толщины льда (снега) в процессе таяния также описывается уравнением теплового баланса. Принято, что таяние льда начинается после полного вытаивания снега. Определяющими факторами бокового таяния льда являются поток тепла на границе море-атмосфера и сплоченность льда. .

Для моделирования процессов образования и развития припая принимается гипотеза о том. что задача моделирования границ припая сводится к определению протяженности области сплошного, связанного с берегом льда, способного выдержать внешние динамические воздействия.

Среди нескольких механизмов взлома припая основным в Финском заливе следует признать отжимной ветер, создающий касательное напряжение на верхней поверхности льда, поскольку, во-первых, ветер действует практически постоянно, а. во-вторых, конфигурация берегов Финского залива такова, что любое направление ветра является отжимным для определенных участков и способно при достаточной скорости ветра вызвать отрыв части пластины.

Воздействие ветра на участок припая складывается из напряжений на элементарные площадки, причем на границе припая суммарное воздействие минимальное, а по мере движения от границы припая к берегу суммарное (интегральное) напряжение нарастает. Это воздействие уравновешивается сопротивлением льда; которое складывается из сопротивления элементарных слоев льда, зависящего от предела прочности льда на разрыв. ,

Сопротивляемость припая, т.е. потенциальная способность припая к сопротивлению, не зависит от нагрузки, а определяется, во-первых, свойствами льда, и, во-вторых, влиянием закрепленной

края пластины. В природных условиях контакт ледяной пластины с берегом представляет из себя некоторую зону, в пределах которой существуют различные "конструкции", закрепляющие ледяную пластину. Сюда следует отнести подошву припая, многочисленные небольшие островки (шхеры), стамухи, прибрежные мели, небольшие заливы, бухты и т.п. Все перечисленные факторы способствуют увеличению сопротивляемости припая вблизи берега. Можно также предположить, что непосредственно на линии уреза воды сопротивляемость устремляется к бесконечности. По мере удаления от берега влияние закрепленного края снижается, и сопротивляемость все более зависит только от толщины льда и его прочностных свойств.

Взлом припая прежде всего происходит там. где внешняя нагрузка превышает сопротивляемость припая.

Помимо отжимного ветра взлом припая может происходить также и под действен ветра, дующего параллельно берегу. Разница заключается в том, что сопротивляемость припая определяется в этом случае пределом прочности льда на срез. Поскольку предел прочности льда на срез примерно в 2 раза больше, чем предел прочности на разрыв, то в узком и длинном заливе припай более устойчив, чем в широком и неглубоком.

■ В рамках настоящей работы можно рассматривать дрейф льда как установившееся движение. Адвективные составляющие полной производной скорости дрейфа также можно признать пренебрежимо малыми. Касательное напряжение ветра, а также проекция силы тяжести.на поверхность моря и сила Кориолиса описываются традиционно. Трение воды на нижней поверхности льда оценивается через относительную скорость дрейфа льда.

Скорость дрейфа льда можно представить как сумму свободного дрейфа и поправки, обусловленной внутренним взаимодействием в ледяном покрове. ■

Компоненты свободного дрейфа льда являются функциями внешних сил - ветра, течений и наклона уровня - , а также толщины и торо-систости льда. Форма параметризации слагаемых, описывающих влияние сил внутреннего взаимодействия ледяного покрова, зависит от реологического соотношения, выбранного в рамках конкретной модели. В нашем случае предполагается, что влияние взаимодействия льдин на дрейф определяется наличием свободного пространства на пути дрейфа льда.

Если массив сплоченного льда достаточно велик по пространственным масштабам и прижат ветром к припаю или берегу, то в таких случаях в ледяном покрове возникает давление статического типа. На мористом краю массива сжатие равно нулю, а у берега сжатие максимально. Если в рассматриваемой точке сжатие превышает некоторый предел, то в этой точке начнется торошение льда и подвижка. Таким образом, деформации ледяного покрова, связанные с внутренними усилиями, имеют пластический характер. Значение критического сжимающего усилия оценивается из условия устойчивости полубесконечной пластины на упругом основании гидравлического типа, определяемого ее толщиной и цилиндрической жесткостью.

В процессе торошения протяженность массива начинает уменьшаться,. а мощность льда (т.е. сумма толщины ровного льда и приращения толщины за счет торосов) увеличивается, т.е. торошение постепенно ослабевает и прекращается. Значения предельной толщины (мощности) льда и новой протяженности массива находятся численно

с помощью нескольких последовательных итераций с использованием условия неизменности объема льда в массиве.

Вдали от берегов или границ припая происходят сжатия и торошения. связанные с неоднородностями поля внешних воздействий. Напряжение такого рода является величиной скалярной; это можно интерпретировать как равновероятное распределение внутренних усилий по различным направлениям прч условии изотропности ледяного покрова. Условие торошения и поправка скорости оцениваются по аналогии со статическим случаем.

Перераспределение свойств ледяного покрова.

Дрейф льда обусловливает перенос и перераспределение в пространстве основных свойств ледяного покрова - сплоченности, толщины, торосистости, разрушенности. В основе моделирования этих процессов лежит уравнение переноса субстанции.

В третьей главе описывается схема и принципы численной реализации модели.

При построении сеточной области необходимо учитывать следующее: во-первых, шаг по пространству должен быть существенно больше характерных размеров льдин, и, во-вторых, чрезмерное уменьшение шага сетки может вызвать проблемы с точки зрения возможностей ЭВМ. Учитывая особенности морфометрии и характер ледовых условий Финского залива шаг сетки был принят равным 10 км. Расчетная область аппроксимирована матрицей размером 19x15 на основе мерка-торской проекции. Количество береговых узлов - 164. в том числе 5 островных, морских - 121. Шаг по времени был принят равным 12 часов, что согласуется с временной дискретностью метеопрогнозов, регулярно составляемых в СЗ УГМС, и соответствует условию Курран-

та.

Численная реализация данной модели основана на явной схеме с использованием односторонних ("задних") конечных разностей как аналогов первых производных. При вычислении значений элементов на момент времени 1+1 используется принцип:

- характеристики морской поверхности (температура воды, параметры ледяного покрова) берутся на момент времени

- характеристики атмосферы (температура воздуха, ветер, влажность и т.д.) берутся на момент времени г+1.

При моделировании тепловых процессов в ледяном покрове принимается. что при образовании молодого льда на чистой воде в течение 1 шага по времени поток тепла через лед происходит так же, как и при отсутствии льда.

Взлом припая есть явление практически мгновенное, и вызывается оно кратковременным сильным порывом ветра. Окончательная ширина припая должна соответствовать максимальному в течение периода осреднения порыву ветра. По каждому направлению ветра (румбу) определяется с заданной обеспеченностью максимальная скорость ветра и оценивается возможность отрыва припая.

Расчет (прогноз) динамики ледяного покрова начинается с оценок составляющих свободного дрейфа льда. При расчете поля течений исключается дрейфовая составляющая.

Статические сжатия и вызванные ими торошения также связаны с максимальными скоростями ветра (с кратковременными .порывами). Принцип расчета торошений в открытых районах залива, связанных с неоднородностями внешних воздействий достаточно ясен; при этом производные от внешних воздействий по горизонтальным координатам

берутся отдносторонним ("задним")' способом.

Перераспределение льда в заливе под влиянием динамических процессов рассчитывается с помощью элементов метода частиц в ячейках. Количество частиц в каждой ячейке определяется сплоченностью льда, количество частиц, перемещающихся из одной ячейки в другую. Зависит от скорости дрейфа и наличия свободного пространства на пути дрейфа. При переходе частицы из ячейки в ячейку происходит перенос свойств. Такой подход позволяет автоматически выполнить условие сохранения массы, а также легко и очевидно выявлять области возникновения сжатий льда.

В четвертой главе рассматриваются вопросы подготовки исходных данных.

Представляемая в данной работе модель может использоваться как для моделирования сезонного хода ледовых условий, так и для прогноза ледовых условий, что обусловливает некоторые отличия на стадии подготовки и ввода исходных данных.

Поле температуры воды полностью описывается тремя параметрами: температура на поверхности, глубина перемешанного слоя и константа, определяющая вертикальный градиент температуры ниже слоя перемешивания. В случае . оперативного прогноза в принципе достаточно получить данные о температуре поверхности воды, измеренные на береговых и островных станциях, поскольку в ноябре, т.е. когда возможно появление льда, температура воды на поверхности уже достигла точки наибольшей плотности, и вертикальная структура температуры практически однородна.

При составлении оперативного прогноза необходимые данные о состоянии ледяного покрова просто снимаются с карты последней

авиаразведки, а в случае модельных расчетов результаты предыдущего счета являются исходными данными для последующего.

К числу необходимых метеоданных относятся температура воздуха. скорость и направление ветра, облачность, влажность, солнечная радиация, а также уровень моря.

При решении задачи моделирования ледовых условий мы располагаем фактическими наблюденными значениями метеоэлементов на весь расчетный период. При этом необходимо выполнить процедуру расчета упругости водяного пара по значениям точки росы или относительной влажности. В случае задачи оперативного прогноза имеются прогностические значения метеоэлементов на ближайшие 5 суток отдельно на каждые сутки. Прогностические значения абсолютной влажности и падающей солнечной радиации рассчитываются с помощью элементарных процедур (по прогнозу точки росы и облачности).

В пятой главе рассматриваются результаты работы модели е расчетном и прогностическом режимах.

Основной принцип, на котором строится оценка качества модели. заключается в том, что расчетные (прогностические) результате должны быть ближе к фактическим, чем климатические средние ил; инерционные показатели. Что касается различий в методах оценю качества модельных расчетов и прогнозов, то при разработке прогностического метода для ледяного покрова необходимо оценить рол! ошибок метеопрогноза, причем как совместно по всем метеоэлементам, так и по каждому в отдельности.'

Все тестовые расчеты проводились на примере 4-х зимних сезо нов: 1980-81, 1981-82, 1985-86, и 1990-91 Г.г. В общей сложносг выпонено 124 расчета в модельном и 119 расчетов в прогностическо

)

режимах. Кроме того, в прогностическом режиме выполнен 41 дополнительный тестовый расчет с целью выяснить роль каждого из 5 метеопрогнозов.

Работа модели в расчетно-имитационном режиме.

Моделирование толдаы льда. Наибольшая обеспеченность расчетов (93-96 %) отмечается в наиболее статичных восточной и северо-восточной частях залива, наименьшая - в центральной и западной (85-87 %). По эффективности - обратная ситуация (соответственно. 25-27 и 40-42 Ж). В течение всего зимнего сезона отмечается довольно высокие значения обеспеченности (около 90 %) и эффективности (около 28-30 %), причем в марте эффективность снижается до 24-25 %. Таким образом, расчет толщины льда с помощью изложенной модели можно призьать удовлетворительным.

Моделирование сплоченности льда. Обеспеченность расчетов сплоченности практически монотонно убывает с востока на запад (от 96-98 до 81-84 %). а эффективность, наоборот, растет (от 12-15 до 33-36 %). Обеспеченность расчетов снижается с конца декабря до начала февраля (от 92 до 86 %), а также в апреле, т.е. в периоды наиболее интенсивных изменений ледяного покрова, охватывающих большую часть акватории.

Моделирование положения границ припая. При расчетах припая зоны наибольшей обеспеченности примерно соответствуют зонам наименьшей эффективности. Наибольшая обеспеченность (90-93 %) и, соответственно, наименьшая эффективность (12-15 35) сосредоточены в восточной и северо-восточной частях акватории, а также на юго-западе. На остальной части акватории, где происходит основное движение границ припая, обеспеченность расчетов ниже (75-78%). а эф-

фективность выше (24-27%). По мере роста припая обеспеченность расчетов снижается (от 90 до 81 %). а эффективность растет (24 %}. В феврале-марте, т.е. в период некоторой стабилизации условий. обеспеченность снова возрастает до 86 %. в то время как эф-фетивность снижается до 14 %. В конце марта - начале апреля, когда происходит интенсивное разрушениеи припая, опять происходит некоторое снижение обеспеченности и рост эффективности. Таким образом. можно констатировать, что расчет положения границ припая в целом выполняется удовлетворительно.

Моделирование торошения. Наиболее инерционные зоны торошений расположены в вершине залива, у входа в Выборгский залив, у северного берега и в юго-западной части акватории (обеспеченность составляет около 90-93 %, эффективность - 6-9 %). В центральной части акватории динамическая активность наибольшая, поэтому обеспеченность расчетов для этих районов меньше (81-84 %). однако из-за снижения инерционности эффективность здесь возрастает (18-21 X). Обеспеченность и эффективность расчетов торошения имеют сззонный ход, который качественно напоминает сезонный ход этих же характеристик по припаю: также максимум обеспеченности в декабре и в феврале-марте (90-93 %), когда резкие изменения обстановки происходят редко, и минимумы обеспеченности - в январе и в конце марта (85-86 55). когда происходит наиболее интенсивное ледообразование и таяние. Соответственно эффективность расчетов меняется примерно в противофазе в интервале от 8 до 23 '%.

Работа модели в прогностическом режиме.

Прогнозы толщины и сплоченности наиболее обеспечены, тогда как обеспеченность прогнозов припая ниже, что является результа-

том несовершенства метода. По эффективности выделяются прогнозы толщины - от 20 до 35 %, тогда как для сплоченности - 14-25 %, для припая - 10-18 %. В целом по толщине и сплоченности потери обеспеченности за счет дефектов модели и за счет ошибок метеопрогнозов близки, тогда как по припаю и торошению дефекты модели дают примерно в 3 раза больше ошибок, чем дефекты метеопрогнозов.

Оценка вклада ошибок проп.эзов метеоаргументов в ошибки ледовых прогнозов. Прежде всего надо отметить, что в наименьшей степени на качестве ледовых прогнозов сказывается прогноз влажности воздуха. Прогноз толщины льда в.наибольшей степени зависит от прогноза температуры воздуха, а в весенний период - также от облачности. Для прогноза сплоченности льда первостепенное значение имеет прогноз ветра и уровня моря. Для прогнозирования припая наибольшее значение имеет прогноз ветра и температуры воздуха, для торошения - прогноз ветра.

Из всех метеоаргументов по своему влиянию на ледовый прогноз в целом выделяются 2 фактора: температура воздуха и ветер. Ко второй группе по степени влияния можно отнести прогноз уровня моря и облачности, и наименьшее значение имеет прогноз влажности воздуха.

Влияние каждого из метеоэлементов на ледовые прогнозы различно. Это влияние определяется, во-первых, чувствительностью ледяного покрова к изменчивости того или иного метеопараметра, и, во-вторых, собственной инерционностью каждого из метеопараметров.

Как показали исследования, на практике при составлении ледового прогноза можно почти безболезненно пользоваться инерционными прогнозами влажности воздуха, в ряде случаев - инерционными прог-

нсзамл уровня моря и облачности. Использование же инерционных прогнозов температуры воздуха и ветра практически лишено смысла, т.к. качество ледовых прогнозов при этом снижается наиболее существенно.

В заключении излагаются основные результаты и выводы работы.

В представленной работе предложена модель ледяного покрова Финского залива, основанная на идеях, сформулированных в работах ведущих отечественных и зарубежных специалистов в данной области и имитирующая или прогнозирующая с высокой обеспеченностью большинство основных элементов ледяного покрова, в том числе и такие трудно поддающиеся учету явления, как Формирование припая, сжатия и торошения.

Основные результаты работы можно объединить в 3 группы: а) развитие и усовершенствование самой модели; б) качество работы модели; в) особенности ледового режима Финского залива.

В части, касающейся непосредственно построения модели, необходимо выделить следующие позиции.

1) При моделировании осенне-зимнего охлаждения водной массы необходимо предусмотреть две фазы этого процесса: конвективный этап - до достижения температуры наибольшей плотности, и ветровой - до достижения температуры замерзания. При формулировке соответствующих уравнений это сводится к различным методам оценки глубины верхнего квазиоднородного слоя.

2) Среди механизмов образования' и взлома припая в условия* Финского залива доминирующим является отрыв части ледяной пластины под действием отжимного ветра. Условие отрыва части пластинь описывается уравнением статического равновесия между тангенциаль-

ным напряжением ветра и сопротивляемостью припая. Последняя определяется, во-первых, прочностными свойствами льда, и, во-вторых, характером крепления ледяной пластины к берегу. Влияние фактора крепления доминирует вблизи берега, а в мористой части припая преобладает роль прочностных свойств льда.

3) При сплочении под действием нажимного ветра массивов дрейфующего льда у твердой стенки (берега или припая) в ледяном покрове возникают напряжения статического характера. Там. где эти напряжения превышают предельные значения, происходит торошение льда и подвижка массива. Такой вид сжатий и связанных с ними торошений играет основную роль в Финском заливе. Этот способ моделирования деформаций предусматривает использование пластической модели реологии ледяного покрова.

Необходимо отметить следующие особенности работы модели:

4) Наиболее успешным результатом использовавния модели является расчет распределения толщины льда (обеспеченность составляет в среднем от 89 до 95 %. эффективность - от 25 до 43 %) и сплоченности (соответственно 86-94 X и 15-32 %).

5) В данной модели представлен один из первых опытов расчета и прогноза положения границ припая, встроенного в общую конструкцию модели. Тем не менее результаты моделирования припая получились вполне удовлетворительными: обеспеченность составила от 81 до 90 %. эффективность - от 12 до 25 %.

6) Результаты моделирования торошения льда составили: по обеспеченности - от 85 до 93 %. по эффективности - от 8 до 23 55. что также представляется весьма удовлетворительным.

7) При работе модели в прогностическом режиме ее качество в

среднем снижается на 3-6 %. При этом наибольшее воздействие на снижение качества ледовых прогнозов оказывают ошибки прогнозов температуры воздуха (от 0,7 до 2,5 %) и поля ветра (от 1,3 до 3.1 %): далее идут прогнозы уровня моря (от 0.3 до 1,0 X) и облачности (от 0.1 до 1.1 %), и наименьшую роль играют прогнозы влажности воздуха (от 0,1 до 0,4 %).

8) При составлении ледовых прогнозов для Финского залива в оперативном режиме можно практически без ущерба для качества пользоваться инерционными прогнозами влажности воздуха (качество ледового прогноза в этом случае снижается всего на 0.2+0,7 X); с меньшей степенью надежности - инерционными прогнозами уровня моря (0.6+2.8 %) и облачности (0,4+4.2 %); использование инерционных значений температуры воздуха и ветра практически недопустимо.

В части, касающейся особенностей ледовых условий в Финском заливе, можно отметить следующее:

9) При расчетах и прогнозах практически всех элементов ледяного покрова выяснилось, что в диапазоне до 5 суток восточная (т. е. вершина Финского залива) и северо-восточная (Выборгский залив и подходы к нему) части акватории наиболее инерционны, а центральная часть (в районе островов Мощный. Гогланд и Б.Тютерс) наиболее изменчива. В инерционной части акватории влияние начальных условий существенно превышает влияние синхронных метеорологических процессов, а в центральной части такого преобладания не отмечается. Это подтверждается пространственным распределение* эффективности расчетов и прогнозов: на востоке и северо-восток« она составляет от 6 % (торошение) до 27 % (толщина), а в центре ■ от 21 % по торошению до 42 X по толщине.

10) Сезонный ход развития ледяного покрова Финского залива может быть условно разделен на несколько периодов: конец нояб-ря-декабрь - изменения ледовых условий довольно редкие, но происходят на малой части акватории; январь-вторая половина февраля -наиболее интенсивное развитие и изменчивость ледяного покрова на большей части акватории; конец февраля-март - относительная стабилизация ледовых условий: конец марта-апрель - интенсивная изменчивость состояния ледяного покрова, связанная с таянием.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

1. Драбкин В.В., Клячкин С.В. Колебания объемов льдов в Финском заливе. - Тр. ААНИИ, 1990, т.418, с.48-59.

2. Драбкин В.В., Клячкин С.В. Об условиях образования торошений в бассейне с ограниченными размерами. - Тезисы докладов Всесоюзной конференции "Морские льды и хозяйственная деятельность на шельфе", Мурманск, 1989, с.86-88.

3. Drabkln V.V., Klyachkln S.V. Some specific features of Ice ridging In the Gulf of Finland. - Ргос. XVII Conf. of Baltic oceanographers. Norrkoplng, 1990, p.112-120.

4. Klyachkln S.V. The hydro thermodynamic model of shortterm Ice forecast In the Gulf of Finland eastern part. - University of Helsinki, Dep. of geophysics. Rep.series In geophysics. N 27. 1993, p.55-72.

5. Klyachkln S.V. The method of sea Ice forecast for the Gulf of Finland eastern part based on hydrothermodynamic model. -Ргос. XVIII Conf. of Baltic oceanographers. SPb, 1992. p.239-240.