Особенности структуры и изменчивости циркуляции и уровня вод Мирового океана

Никитин, Олег Петрович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Особенности структуры и изменчивости циркуляции и уровня вод Мирового океана
ВАК РФ 25.00.28, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Особенности структуры и изменчивости циркуляции и уровня вод Мирового океана"

На правах рукописи

ОМ

Никитин Олег Петрович

ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРЫ И ИЗМЕНЧИВОСТИ ЦИРКУЛЯЦИИ И УРОВНЯ ВОД МИРОВОГО ОКЕАНА

Специальность 25.00.28 - Океанология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

2 9 АВГ 2013

Москва - 2013

005532434

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении «Государственный океанографический институт им. H.H. Зубова» Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды

Научный консультант - доктор физико-математических наук, профессор, академик РАН Саркисян Артем Саркисович

Официальные оппоненты:

Куликов Евгений Аркадьевич, доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник, заведующий лабораторией Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук

Лапшин Владимир Борисович, доктор физико-математических наук, профессор, директор Федерального государственного бюджетного учреждения «Институт прикладной геофизики им. академика Е.К. Федорова» Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды

Реснянский Юрий Дмитриевич, доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник, заведующий отделом Федерального государственного бюджетного учреждения «Гидрометеорологический научно-исследовательский центр Российской Федерации» Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды

Ведущая организация: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский физико-технический институт (государственный университет)»

Защита состоится «08» октября 2013 г. в 14 ч. 00 мин. на заседании Диссертационного совета Д 002.239.02 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук по адресу: Москва 117997, Нахимовский проспект, 36.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН.

Автореферат разослан «/.3 » августа 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат физико-математических наук //// Гинзбург Анна Ивановна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Исследования течений и уровня Мирового океана, занимающего почти три четверти поверхности Земли, ведутся на протяжении уже столетий в связи с его огромным значением в жизни человечества, в первую очередь, в связи с судоходством, промыслом, добычей минеральных ресурсов и воздействием на населенные береговые зоны.

Максимально детальная информация о течениях и их изменчивости важна для судоводителей и рыбаков, позволяя первым существенно снижать расходы на топливо, а вторым прогнозировать места скоплений промысловых рыб. Такая информация необходима гидробиологам, изучающим миграцию морских организмов, экологам, интересующимся переносом загрязнений и мусора, плавающего в больших количествах на поверхности океанов и морей и имеющего тенденцию скапливаться в зонах конвергенции течений и в береговых зонах, ликвидаторам нефтяных разливов в море в результате аварий на танкерах и нефтяных платформах, создателям океанотехники (например, оборудования для разработки полиметаллических руд на дне океана и подъема их на добычное судно), специалистам по эрозии и намыву берегов, поисковикам жертв морских катастроф, лицам, отвечающим за безопасность отдыхающих в местах купания на море (известен недавний случай 2010 г. гибели на Азовском море шестерых школьников и преподавателя из Москвы из-за очень сильного течения в районе Ейской косы). К этому перечню можно добавить океанографов, климатологов, акустиков, лоцманов, яхтсменов, подводников, военных, специалистов нефтегазовой промышленности и других профессионалов, связанных в своей деятельности с работами в океанах и морях.

Течения переносят водные массы, а с ними тепло и холод из одних районов Мирового океана в другие. От течений зависит климат многих районов земного шара. Теплые атлантические течения и их продолжения обогревают Европу и делают возможным круглогодичную эксплуатацию северных портов.

Не менее важна наиболее полная информация о пространственно-временных изменениях уровня океанов и морей. Начавшееся в последние десятилетия повышение среднего уровня Мирового океана может привести в будущем к катастрофическим последствиям для многих низкорасположенных районов земного шара. В то же время во многих местностях из-за медленных поднятий элементов земной коры, наоборот, происходит понижение уровня моря. Мониторинг и долгосрочный прогноз изменений уровня моря в каждом конкретном месте имеет большое значение для строительства в прибрежных зонах, для осуществления судоходства и т. д. Известно, какой урон экологии и экономике региона, судоходству и рыбному хозяйству принесло долговременное понижение уровня Каспийского моря в конце 1970-х годов.

Знания о краткосрочных изменениях уровня моря важны в связи с явлениями цунами, наводнениями (которые, например, в Финском заливе случаются почти ежегодно), проводкой судов в мелководных бассейнах и под мостами, погрузочными работами в портах (например, в Таганроге имели место случаи, когда из-за резкого понижения уровня моря стоящие у причала суда после погрузки приходилось срочно разгружать). Экстремальные понижения уровня моря представляют опасность для расположенных на берегу моря АЭС (например, в Ленинградской области), которые закачивают морскую воду для охлаждения реакторов, для рыб и их мальков, которые могут погибнуть в образующихся из-за обмеления лагунах, и т. д.

1 МОК - Межправительственная океанографическая комиссия ЮНЕСКО

средств ГСНО входят поверхностные дрифтеры, профилирующие буи АРГО, прибрежные и глубоководные автономные заякоренные буйковые станции (АБС), береговые станции слежения за уровнем океанов и морей, попутные судовые наблюдения, включая измерения температуры верхнего слоя океана с помощью обрывных зондов ХВТ, спутниковые и другие измерения. Важнейшим и первым, недавно полностью реализованным компонентом ГСНО является сеть поверхностных дрейфующих буев или дрифтеров, предназначенных для измерения течений и других характеристик. Каждый день с дрифтеров, уровнемеров и других наблюдательных средств ГСНО идут большие потоки данных, которые следует архивировать, обрабатывать, визуализировать, анализировать, выявлять новые факты и делать выводы.

Появилась возможность слежения за текущим состоянием климата, а также «погодой» всего Мирового океана, составления об этом ежегодных отчетов и ежемесячных сводок с описанием аномалий (что еще совсем недавно представлялось делом далекого будущего). Но чтобы реализовать подобные возможности, предоставляемые ГСНО, требуется наличие методов обработки данных и информационных компьютерных систем (ИС), способных усваивать и обрабатывать потоки гидрофизических данных. Созданные соискателем методы объективного анализа данных океанографических измерений, а также информационные ресурсы (реляционные базы данных, электронные атласы, ИС хранения, обработки, визуализации и анализа данных глобальных дрифтерных наблюдений) отвечают этим современным требованиям и дают возможность получения новых результатов и обобщающих заключений.

Основной целью работы является получение новых знаний о структуре и изменчивости течений и уровня Мирового океана на основе математической обработки, анализа и интерпретации данных океанографических наблюдений.

Для достижения основной цели исследования были поставлены следующие задачи:

• Собрать разнообразные массивы исторических и современных данных океанографических наблюдений и наладить постоянное обновление последних свежими данными;

• Создать реляционные базы данных для работы с собранными массивами;

• Разработать оригинальные методы математической обработки данных наблюдений;

• На основе созданных методов и баз данных провести обработку и анализ глобального массива дрифтерных данных, региональных массивов данных, полученных с глубоководных АБС, гидрологических зондов, термозондов ХВТ и береговых уровнемеров. Рассматриваемые пространственные и временные масштабы превышают бароклинный радиус деформации Россби и инерционный период.

Научная новизна работы и результаты, выносимые на защиту

1. Создана информационная интерактивная автоматизированная компьютерная система хранения, математической обработки, визуализации и анализа данных глобальных наблюдений за поверхностными течениями и температурой в Мировом океане с помощью отслеживаемых со спутников дрейфующих океанографических буев — дрифтеров (ИС "Дрифтеры"). ИС предоставляет по запросам разнообразную графическую и статистическую информацию об измеренных течениях и температуре в поверхностном слое любого задаваемого района Мирового океана.

На основе ИС "Дрифтеры" и собранного массива дрифтерных данных за период с 1979 по 2012 г. получены следующие результаты:

• построен ряд новых, не публиковавшихся ранее карт, характеризующих поверхностные течения Мирового океана;

• показано, что обширные области слабых средних течений в трех океанах приурочены в обоих полушариях к широте 30°;

• определены области Мирового океана, где течения могут достигать высоких значений скорости;

• рассчитана средняя скорость поверхностных течений Мирового океана и средняя температура вод на его поверхности;

• уточнены положения течений в Северной Атлантике, в частности, течения Ирмингера;

• показана двухструйность и высокая устойчивость Норвежского течения и определены источники его питания;

• показано значительное влияние рельефа дна на направления поверхностных течений в северной части Северной Атлантики;

• установлено, что сезонная изменчивость скорости Гольфстрима, а также Основного черноморского течения характеризуется двумя максимумами и двумя минимумами в течение года.

2. Получены свидетельства существования в северной тропической зоне Тихого океана трех ранее неизвестных протяженных зональных тропических течений. Одно из них располагается под восточным Межпассатным противотечением и направлено на запад. Два других располагаются соответственно в центральной части западного Северного Пассатного течения и под его южной ветвью и направлены на восток.

3. Предложена научная концепция вертикальной структуры низкочастотных (ниже инерционной частоты) течений открытого океана, состоящая их трех положений (гипотез):

а) Во внеэкваториальных глубоководных районах Мирового океана вдали от берегов с выраженным крупномасштабным течением в верхнем слое имеет место трехслойная вертикальная структура поля скорости низкочастотных течений в силу того, что течения в верхнем, промежуточном и придонном слоях в основном вызываются и поддерживаются различными гидродинамическими процессами.

б) Указанным слоям на осредненном за длительный срок (среднегодовом) вертикальном профиле удельной кинетической энергии (КЭ) низкочастотных течений в этих районах соответствуют максимумы КЭ. При этом годовой ход КЭ (интенсивности) низкочастотных течений в

выделенных трех слоях различен и в разных слоях внутригодовые максимумы КЭ наблюдаются в разное время, в) Сезоны усиления крупномасштабных течений в этих районах сопровождаются усилением неравномерности вертикального распределения КЭ низкочастотных течений, их бароклинизацией. Сезонам ослабления крупномасштабных течений соответствуют периоды баротропизации, в которые вертикальное распределение КЭ по всей толще океана наиболее равномерно. Переход от периода бароклинизации к периоду баротропизации связан с перераспределением энергии между указанными выше слоями и сопровождается перемещением от слоя к слою с задержкой в 2-3 месяца уединенного возмущения в поле КЭ. Это возмущение, проникая в глубинные слои океана, повышает там уровни КЭ низкочастотных течений. Им отчасти можно объяснить существование сравнительно сильных течений на больших глубинах. Благодаря ему сезонные изменения КЭ низкочастотных течений в верхнем и нижнем слоях океана могут происходить в противофазе.

4. Разработан метод восстановления полей гидрологических характеристик по данным измерений в нерегулярно расположенных в пространстве точках, не требующий знания статистических характеристик восстанавливаемого поля. Метод основан на последовательных аппроксимациях восстанавливаемого поля (предполагаемого детерминированным и гладким) сглаживающими поверхностями все более сложного вида. Каждая поверхность представляет собой линейную комбинацию ортонормированных на системе точек измерений базисных функций от горизонтальных координат, коэффициенты которой находятся методом наименьших квадратов по данным измерений. Выведены критерии, которым должна удовлетворять наилучшая сглаживающая поверхность.

На основе разработанного метода рассмотрено влияние расположения точек измерений на точность восстановления полей измеряемой величины и ее дифференциальных характеристик. Выведены формулы, с помощью которых

можно контролировать точность восстановления указанных полей и планировать размещение станций на океанографических полигонах.

Метод интенсивно использовался при планировании и обработке данных крупных океанских экспериментов "Абиссаль" и ПОЛИМОДЕ.

5. Показано, что по сравнению со многими другими городами в Финском заливе, где подъем земной коры в определенной степени компенсирует повышение уровня моря за счет глобального потепления, Санкт-Петербург в результате оседания находится в наиболее неблагоприятном положении с точки зрения постепенного затопления. Построенная в 2011 г. 25км дамба для защиты от краткосрочных наводнений вследствие штормовых нагонов не защищает метрополис от этого вида наводнений.

Практическая значимость работы

1. Официальным источником информации в РФ о течениях Мирового океана до сих пор остается давно не переиздававшийся Атлас океанов, где приведены карты циркуляции вод2. Рассчитанные на основе приближенных методов, эти карты показывают весьма упрощенные, схематические, безвихревые картины океанских и морских течений. С помощью созданной соискателем ИС "Дрифтеры" появилась возможность построения более точных и детальных современных карт поверхностных течений на основе данных их прямых измерений с помощью дрейфующих океанографических буев. Следует отметить, что к настоящему времени для многих районов Мирового океана уже накоплены достаточно представительные многолетние массивы таких данных.

Продукция ИС "Дрифтеры" уже не раз использовалась в течение последних 14 лет в различных проектах и для удовлетворения запросов от различных организаций, в том числе правительственных и зарубежных.

В 1999 г. с помощью ИС "Дрифтеры" были обнаружены массовые грубые ошибки в массиве дрифтерных данных (1989-1998 гг.), подготовленном в рам-

2 Атлас океанов. Серия из 3-х томов: Тихий, Атлантический и Индийский, Северный ледовитый океаны. Министерство обороны СССР. Военно-морской флот, 1974-80 гг.

ках эксперимента WOCE3 и размещенном на сервере уполномоченного канадского центра архивации дрифтерных данных MEDS4, а также на компакт-диске, подготовленном к конференции WOCE-1998 в Галифаксе (Канада). После систематизации и классификации обнаруженных ошибок соискателем был подготовлен доклад, который обсуждался на совещании Комитета по подготовке данных WOCE и был помещен на официальный сервер исполнительного комитета WOCE. В результате обсуждения было принято решение о дополнительной редакции и замене находящихся в открытом доступе на WWW-сервере MEDS дрифтерных данных с учетом сделанных в докладе замечаний.

Подготовленная с помощью ИС "Дрифтеры" информация о поверхностных течениях предоставлялась в 2000 г. для района гибели атомной подводной лодки "Курск" в Баренцевом море, а в 2009 г. - для района падения французского самолета А-330 в тропической Атлантике. В 2002 г. ИС "Дрифтеры" использовалась для удовлетворения запроса МИД РФ о вероятности переноса нефтяных загрязнений в северной части Тихого океана поверхностными течениями от американского побережья Аляски в сторону российской Камчатки, а в 2011 г. - для определения путей распространения с поверхностными течениями и вероятности достижения российских берегов радиоактивного загрязнения вследствие аварий (после удара цунами) на АЭС "Фукусима-1".

Исходя из опыта работы, соискатель рекомендует иметь в морских подразделениях МЧС РФ наготове сигнальные буи (способные при дрейфе в море передавать информацию о своем местонахождении по системе спутниковой связи), которые оперативно сбрасывать с самолета в район морской катастрофы для облегчения поиска людей, обломков судов и самолетов, определения направления перемещения загрязнений, в том числе, радиоактивных.

2. Частью упомянутой ИС является клиент-серверная реляционная база дрифтерных данных о скоростях поверхностных течений и температуре воды

3 World Ocean Circulation Experiment (1990-2002 гг.) - эксперимент по исследованию глобальной океанской циркуляции.

4 Ныне ISDM: Integrated Science Data Management.

Мирового океана, размещенная на сервере ГОИН. Эта база данных, а также разработанная соискателем клиент-серверная реляционная база исторических среднемесячных данных об уровне морей, окружающих Россию, входят в состав распределенных баз данных национальной Единой системы информации об обстановке в Мировом океане (ЕСИМО).

3. Разработанная соискателем реляционная база сведений о морских пунктах уровенных наблюдений, включая сведения об уровнемерных устройствах и близрасположенных реперах геодезической сети, представляет собой мобильный информационный ресурс, удобный для сбора и хранения разнообразных сведений (в цифровом, текстовом и графическом виде) во время инспекций уровнемерных пунктов и полевых геодезических работ.

4. Дана экспертная оценка с точки зрения гидрометеорологии и экологии двух отечественных проектов океанского комплекса по добыче полиметаллических конкреций со дна глубоководной области Тихого океана. Приведены аргументы против трубно-гидравлической системы добычи и подъема конкреций, которая разрабатывалась такими организациями, как ЦКБ "Восток", ВНИПИ "Океанмаш", ЦКБ "Океангеотехника", ПО "Южморгеология", Московская горная академия, в пользу лифтовой системы, разработанной в НПО "Энергия". Соискатель выступал с соответствующими докладами на Советах главных конструкторов трубно-гидравлической системы "Урал" в ЦКБ "Восток" (Санкт-Петербург) и ВНИПИ "Океанмаш" (Днепропетровск). Заключительный отчет на эту тему был направлен в Управление ресурсов недр шельфа и Мирового океана Комитета РФ по геологии и использованию недр и в Министерство науки и технологии РФ.

5. Разработанный метод восстановления полей гидрологических характеристик по данным измерений в нерегулярно расположенных в пространстве точках использовался для построения карт полей температуры в районе синоптико-динамического эксперимента ПОЛИМОДЕ. Сто восемь карт температуры, построенных для различных глубин по данным 27 съемок зондами ХВТ, были включены в Атлас ПОЛИМОДЕ, изданный в США в 1986 г.

6. Упомянутый метод позволяет заранее рассчитывать погрешность восстановления полей измеряемой величины и ее производных в зависимости от расположения точек измерений. Это свойство было использовано при планировании конфигурации системы из 13-ти АБС (полигона), поставленной в 1986 г. в период эксперимента "Абиссаль" в Тихом океане.

7. На основе расчетов по разным наборам данных наблюдений даны дополнительные свидетельства в пользу той точки зрения (широко обсуждавшейся в 1970-80 гг.), что применение АБС с поверхностным поддерживающим буем как платформы для измерений приводит к систематическому завышению измеряемого модуля скорости течения, в то время как температура воды и направление течения определяются удовлетворительно.

8. Разработанную при участии соискателя технологию постановки и запуска в эксплуатацию автономных необслуживаемых уровнемерных комплексов, которые в автоматическом режиме передают данные измерений по каналу сотовой связи на РТР-сервер, а с него на персональные компьютеры конечных пользователей, можно рекомендовать для использования при постановках в пунктах береговых наблюдений, включая пункты, расположенные в труднодоступных, малонаселенных, плохо обустроенных, замерзающих морских регионах. Установленный под руководством соискателя уровнемерный комплекс на труднодоступном о-ве Гогланд в Балтийском море успешно передает с 2007 г. информацию об уровне моря в Северо-Западное управление гидрометеослужбы - информацию, которая используется при прогнозе невских наводнений.

Достоверность полученных результатов обеспечена: использованием инструментальных данных, прошедших многократный контроль и редактирование; проверкой разработанных методов обработки и анализа данных в многочисленных тестовых экспериментах; согласием результатов, полученных с использованием различных методов и данных; сопоставлением с результатами, полученными другими авторами.

Апробация диссертации. Результаты, описываемые в диссертации, докладывались соискателем на семинарах Государственного

океанографического института, Института океанологии РАН, Института физики атмосферы РАН, Гидрометцентра России, Морского гидрофизического института, Летнего теоретического института ПОЛИМОДЕ (Ялта, 1976), Национального института океанографии (Дона Паула, Индия, 1989 и 1997), а также на конференциях в России (Терскол, 1980; Севастополь, 1984 и 1985; Солнечногорск, 1986; Светлогорск, 1992; Санкт-Петербург, 2007), США (Гонолулу, 1990 и Сан-Антонио, 2002), Австрии (Вена, 2003), Бельгии (Остенде, 2007), Испании (Гижон, 2008), Эстонии (Таллинн, 1984, 1990, 2006 и 2008), Нидерландах (Дельфт, 2009), Малайзии (Лангкави, 2010), Франции (Ницца, 2003 и Париж, 2009 и 2011), Великобритании (Плимут, 2013).

Публикации и личный вклад соискателя. По теме диссертации опубликовано 127 научных трудов соискателя, из них 64 без соавторов; 15 публикаций - в журналах из списка ВАК. За исключением 8 работ (Никитин, Тареев, 1971а, 19716, 1972; Дикий, Никитин, 1975; Heinmiller et al., 1982, 1983; Cherniawsky et al., 2004, 2005), в работах с соавторами постановки задач были сформулированы соискателем; им же собственноручно были написаны и тексты соответствующих публикаций, а также в немалой степени проведены расчеты. Результаты, полученные в упомянутых 8 работах, не входят в число научных результатов, выносимых на защиту.

Соискатель являлся руководителем многих ведомственных и договорных тем, национального проекта «Абиссаль» (1991-1995 гг.), 4-х грантов РФФИ, содиректором международного проекта НАТО «Анализ риска наводнений в Финском заливе и в Санкт-Петербурге» (2006-2009 гг.). С 2003 г. соискатель является официальным представителем РФ в Группе национальных экспертов по сотрудничеству в использовании океанографических буев для сбора данных, а с 2011 г. - официальным представителем РФ также и в Группе национальных экспертов по глобальным наблюдениям за уровнем моря. Обе группы входят в

состав совместной технической комиссии МОК-ВМО5 по океанографии и морской метеорологии.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения и списка использованных источников из 278 наименований. В ней содержатся 312 страниц, включая 4 таблицы и 102 рисунка.

Благодарности. Большую помощь соискателю в разработке программных средств, использованных им для получения ряда описываемых в диссертации результатов, а также в работе с исходными данными наблюдений оказали в разные годы С.Ю. Касьянов, К.Г. Виноградова, М.Э. Первухина, Ю.Я. Элькен, А.О. Ашевский, Г.В. Музыка, Н.В. Григорьева, В.В. Лежнев, А.О. Жуковская, С.П. Апухтина, O.K. Назарова, С.Р. Цветцих.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы основные цель и задачи исследований, приведен краткий обзор методов, используемых для расчета течений в океане, дан экскурс по результатам работ соискателя, не включенным в основную часть, сформулированы положения, выносимые на защиту, и описана структура работы.

Глава 1 посвящена исследованию особенностей поверхностных течений Мирового океана на основе данных глобальных дрифтерных наблюдений, обзорное описание которых приведено в разделе 1.1. а также разработанной соискателем ИС "Дрифтеры", обсуждаемой в разделе 1.2. В § 1.2.1 дана общая характеристика ИС "Дрифтеры" и описаны этапы технологического процесса контроля, редакции и обработки дрифтерных данных (рис. 1).

5 ВМО - Всемирная метеорологическая организация

Рис. 1. Технологическая схема компьютерной системы хранения, математической обработки, визуализации и анализа дрифтерных данных (ИС "Дрифтеры").

В § 1.2.2 описаны входящие в состав ИС "Дрифтеры" реляционная клиент-серверная база данных дрифтерных измерений скорости течений и температуры воды в поверхностном слое Мирового океана (на схеме - БД "Дрифтеры") и интерфейсы для работы с ней. На начало 2013 г. исторический массив данных глобальных дрифтерных наблюдений за поверхностными течениями Мирового океана, загруженный в БД "Дрифтеры", охватывал период с 15.02.1979 по 31.12.2012 г. и насчитывал 26085045 записей скоростей течений, полученных с 17028 дрифтеров. Со времени завершения в октябре 2005 г. строительства входящей в состав ГСНО глобальной сети наблюдений за поверхностными течениями Мирового океана с помощью дрифтеров ежегодное пополнение БД "Дрифтеры" составляло около 1,8 млн. записей.

В § 1.2.3 дается описание интерактивного программного комплекса для обработки, визуализации, анализа, анимации дрифтерных данных, расчета сеточных значений и статистических характеристик и перечисляются его воз-

можности. В § 1.2.4 приведены примеры использования ряда средств комплекса по визуализации и анализу данных, а в разделе 1.3 - карты, характеризующие глобальные дрифтерные наблюдения и используемые массивы данных.

В разделе 1.4 представлены карты, рассчитанные по дрифтерным данным за период 1979-2012 гг. и характеризующие поверхностные течения Мирового океана. Одна из таких карт показана на рис. 2. Красным цветом изображены участки траекторий дрифтеров, на которых их скорости превышали 1 м/с.

120 150 180 210 Долгота, градусы

Рис. 2. Области Мирового океана, где скорости фактических поверхностных течений могут превышать 1 м/с (изображены красным цветом).

На рис. 3 показана обзорная векторная карта средних поверхностных течений Мирового океана, рассчитанная по дрифтерным данным, осредненным за период 1979-2012 гг. и по ячейкам сетки 8°х2°. На этой карте в едином масштабе изображены поверхностные течения Мирового океана, построенные по фактическим данным наблюдений с помощью дрейфующих буев. Выделяются районы интенсивных средних течений - Антарктическое циркумполярное течение, экваториально-тропические течения и западные пограничные течения.

-180 -150 -120 -90 -60 -30 О ЗО 60 90 120 150 180

1 1 І 1 1 1 1 І 1 1 1 1 І 1 1 1 1 І 1 1 1 1 І ■ 1 1 1 І 1 1 1 1 І 1 1 1 1 І І І І ' ' -180 -150 -120 -90 -60 -ЗО О ЗО 60 90 120 150 180

Долгота, ірадусьі

Рис. 3. Векторы скорости средних поверхностных течений Мирового океана по дрифтерным данным. Осреднение проводилось за период 1979-2012 гг. и по ячейкам сетки 80х2°. Масштабный вектор - в правом нижнем углу.

Эти районы контрастируют с обширными районами с почти нулевыми средними течениями, соответствующими центральным частям макроциркуля-ционных круговоротов в трех океанах. Представляет интерес приуроченность последних к широте 30° в обоих полушариях. Плотность дрифтерных наблюдений в широтном поясе ~ +/- 60° довольно высока; в то же время, в приполярных областях и ряде морей дрифтерные наблюдения не выполнялись.

В разделе 1.4 приведены также оценки средней скорости фактически наблюденных завихренных поверхностных течений и средней поверхностной температуры воды в Мировом океане на основе собранного глобального массива дрифтерных данных за период с 1979 по 2012 г. Они составили 31 см/с для среднего модуля скорости поверхностных течений и 17°С для средней температуры воды.

В разделе 1.5 обсуждаются особенности поверхностных течений в Северной Атлантике. В § 1.5.1 описана карта климатической циркуляции

поверхностных вод в этом районе Мирового океана, а в §§ 1.5.2-1.5.4 - карты, характеризующие Норвежское, Северо-Атлантическое, Северо- и Восточно-Исландское течения, течение Ирмингера и Гольфстрим.

На рис. 4 показана детальная карта поверхностных течений, построенная для района Норвежского бассейна на основе данных дрейфующих буев, осред-ненных за период наблюдений с 1991 по 2012 г. и по ячейкам сетки с шагами 0,25° по широте и 0,5° по долготе. Показана также топография дна и суши. Видно, что Норвежское течение, следующее вдоль берегов Норвегии на северо-восток, это не единая струя, как это изображается на многих опубликованных картах океанских течений, а два то сходящихся, то расходящихся потока. Западный поток, следующий вдоль окраины материкового склона и повторяющий его очертания, можно считать продолжением СевероАтлантического течения (подпитываемого Восточно-Исландским течением), а восточный поток, прижимаемый силой Кориолиса к Норвежским берегам, -продолжением течения, вытекающего из Балтийского моря, и течений из

■10 -7 -4 -1 2 5 8 11 14 17 20 23 26

Рис. 4. Векторы скорости средних поверхностных течений в Норвежском бассейне по дрифтерным данным. Масштабный вектор - в правом нижнем углу. Цифрами указаны: 1-Лофотенская и 2- Норвежская котловины.

норвежских фьордов. Благодаря топографическому контролю Норвежское течение весьма устойчиво, о чем свидетельствует выполненный расчет поля коэффициента устойчивости течений в Норвежском бассейне.

На рис. 4 видны круговороты воды у западной периферии Норвежского течения и в областях, соответствующих Лофотенской и Норвежской глубоководным котловинам. Наиболее выражен антициклонический круговорот воды над Лофотенской котловиной. С запада к нему примыкает менее выраженный циклонический круговорот, образуя, таким образом, диполь. Видно также, что вокруг всей Норвежской котловины существует циклоническая циркуляция вод, следующая глубоководным изобатам. Вообще следует отметить значительное влияние рельефа дна, которое может находиться в тысячах метрах ниже уровня моря, на направления поверхностных течений в рассматриваемом бассейне.

Такое влияние отмечается и южнее Исландии. Особенно это очевидно для течения Ирмингера, которое огибает глубоководную котловину моря Ирмингера по периферии против часовой стрелки и не является таким гипертрофированным и пересекающим подводный хребет Рейкьянес, как это изображается на многих картах океанских течений (например, в Атласе океанов). Еще один пример влияния рельефа дна — две поверхностные ветви Северо-Атлантического течения, которые огибают подводное поднятие Роколл с запада и с востока и следуют двум глубоководным проходам к Фареро-Исландскому и Уайвилла Томсона порогам между Исландией и Шотландией.

Влияние рельефа дна на направления поверхностных течений наблюдается и в ряде других районов Мирового океана. Именно поэтому в ИС "Дрифтеры" предусмотрена возможность изображения рельефа дна на картах векторов скорости поверхностных течений и траекторий дрифтеров. При исследовании влияния ветров на поверхностные течения может оказаться полезным изображение на картах рельефа суши.

Как следует из показанной на рис. 5 карты, источником питания Норвежского течения является не только Гольфстрим, но и Лабрадорское, а также Северо- и Восточно-Исландское течения. Видно, что по пути на северо-

восток в Северо-Атлантическом течении происходит перемешивание холодных вод Лабрадорского течения с теплыми водами Гольфстрима. В Восточно-Исландском течении также перемешиваются теплые модифицированные воды Северной Атлантики, поступающие с Северо-Исландским течением, с холодными водами Восточно-Гренландского течения.

-40 -32 -24 Долгота, градусы

Рис. 5. Пример дрифтерных траекторий, демонстрирующих течения, питающие Норвежское течение. Номера дрифтеров соответствуют началу траекторий.

Согласно этой и другим приводимым в § 1.5.3 картам, не следует ожидать однозначной зависимости временных изменений Норвежского течения от изменений Гольфстрима. Не следует ожидать, например, что усиление (ослабление) Гольфстрима обязательно приведет к усилению (ослаблению) Норвежского течения. Дрифтерные траектории показывают, что большая часть вод Гольфстрима ответвляется от него и возвращается на юг на всем пути его следования до дельты Гольфстрима. Непосредственно на северо-восток напрямую в Норвежское течение поступает сравнительно малая часть вод Гольфстрима, на что указывает малое число дрифтерных траекторий, уходящих из Гольфстрима на северо-восток.

В § 1.5.4 рассмотрена карта средних течений в районе Гольфстрима, отмечено наличие двух стационарных антициклонических вихрей в дельте Гольфстрима, приведены примеры нестационарных, перемещающихся на юго-запад циклонических и антициклонических вихрей (рингов) по обе стороны от стрежня Гольфстрима, представлен рассчитанный по дрифтерным данным годовой ход средней скорости Гольфстрима в указанной на рис. 6 (слева) области с двумя максимумами и двумя минимумами в течение года (ранее похожий результат был получен в Одесском отделении ГОИН по данным обработки 98 гидрологических разрезов поперек Гольфстрима по линии Нью-Йорк - Бермудские острова).

Область 34,5-39,5° с.ш., 65-75° з.д. Область 40,5-46,5° с.ш., 27-42° з.д.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Время, месяцы Время, месяцы

Рис. 6. Годовой ход среднего по указанной области модуля скорости в Гольфстриме (слева) и в Черном море (справа) по дрифтерным данным.

В разделе 1.6 рассмотрены поверхностные течения в Черном море. Представление поля течений в виде набора эпюр векторов скорости наглядно показывает положение стрежня Основного черноморского течения, перемещающегося по периметру моря против часовой стрелки. Рассчитанный по дрифтерным данным годовой ход поверхностной температуры в среднем для всего моря, достигающий своего пика в августе, соответствует данным гидрологических наблюдений. Что касается годового хода модуля скорости течений, осредненного по акватории всего моря, то наличие двух пиков скорости (с полугодовой периодичностью), похожих на те, что были зафиксированы для Гольфстрима (рис. 6), является неожиданным результатом.

Обычно при изучении сезонной изменчивости полей течений Черного моря в верхнем слое рассматривают зимний и летний периоды, причем считается, что в конце зимы - начале весны интенсивность циркуляции максимальна, а в конце лета - начале осени минимальна. Однако годовой ход модуля скорости течений на рис. 6 имеет два почти равнозначных пика, соответствующих марту и сентябрю. Дополнительные расчеты показали, что похожий годовой ход модуля скорости получается и при осреднении по отдельным районам Черного моря, соответствующим западной, северной, восточной и южной частям акватории.

В разделе 1.7 рассмотрены практические приложения ИС "Дрифтеры", перечислены созданные с ее помощью электронные атласы поверхностных течений для ряда акваторий.

В разделе 1.8 изложена работа, выполнявшаяся в связи с авариями на японской АЭС "Фукусима-1" (рис. 7). На основе исторического массива данных о траекториях дрифтеров было показано, что за 22-летний период наблюдений в рассматриваемом районе ни один из дрейфовавших буев не прошел с поверхностными течениями из акватории Тихого океана в Японское или

137.0 137.8 138.7 139.5 140.3 141.2 142.0 142.8 143.7 144.5 145.3 146.2 147.0

1.0 | I ,1 ........ .гтп-----1-Р-■ 1 ' 1 ' -'-^^-Г 34.1

137.0 137.8 138.7 139.5 140.3 141.2 142.0 142.8 143.7 144.5 145.3 146.2 147.0

Долгота, градусы

Рис. 7. Траектории дрейфа буев в окрестности о-ва Хонсю в период с 26 марта по 6 апреля 2011 года.

Охотское моря через Сангарский пролив, а также в проливы между островами Хоккайдо, Кунашир и Итуруп. Траектории буев, которые ранее в разные годы оказывались вблизи АЭС "Фукусима-1", в дальнейшем уходили на юг или на восток в глубоководную часть Тихого океана, не приближаясь к Курильским островам. На рис. 7 показаны траектории дрейфующих буев в окрестности о-ва Хонсю, построенные по оперативным данным. Был сделан вывод о том, что загрязненные у АЭС "Фукусима-1" радиоактивными элементами воды перемещаются в сторону открытого Тихого океана и не переносятся поверхностными течениями к российским дальневосточным территориям.

В Главе 2 рассмотрены особенности вертикальной структуры течений Мирового океана, установленные на основе обработки данных наблюдений. Основные результаты, описываемые в этой главе, были получены главным образом на основе данных эксперимента "Абиссаль", проводившегося в северовосточной части тропической зоны Тихого океана, и обобщены по данным других экспериментов. Эксперимент "Абиссаль" являлся полевой частью описываемого в разделе 2.1 отечественного проекта "Абиссаль" (1983-1995 гг.), имевшего своей целью обеспечение гидрометеорологической информацией разработчиков комплекса технических средств по добыче полиметаллических конкреций со дна океана. В разделе 2.2 дается оценка двух отечественных проектов океанского добычного комплекса с точки зрения гидрометеорологии и экологии. Рассматриваются, в частности, вопросы воздействия течений по всей глубине на трубный став добычного комплекса и разноса течениями отходов обработки и сепарации конкреций на добычном судне.

В разделе 2.3 представлены разнообразные свидетельства существования в северной тропической зоне Тихого океана трех ранее неизвестных протяженных зональных тропических течений, обнаруженных в результате анализа данных гидрологических измерений на меридиональных разрезах, данных измерений скорости течений с АБС, данных о дрейфе судна и дрифтерных данных. На рис. 8 изображена интегральная карта меридиональной структуры зональных геострофических течений, рассчитанная по данным 18-ти

меридиональных гидрологических разрезов, которые были выполнены в рамках эксперимента "Абиссаль" в области 131-133°з.д., 5-20°с.ш.

Рис. 8. Средние геострофические скорости (см/с) относительно поверхности 1 ООО дбар, полученные по данным 18-ти меридиональных гидрологических разрезов в полосе 131-133° з.д., выполненных в 1983-90 гг. по проекту "Абиссаль". Сплошными линиями отмечены течения восточного направления, штриховыми - западного. МПТ - Межпассатное противотечение, юСПТ и сСПТ - южная и северная ветви Северного пассатного течения.

Упомянутые неизвестные безымянные течения обозначены как Т1-ТЗ. Течение Т1 располагается под восточным МПТ и направлено на запад. Течения Т2 и ТЗ направлены на восток и располагаются соответственно под юСПТ и между юСПТ и сСПТ, текущими на запад.

В разделах 2.4-2.7 дано описание выявленных особенностей вертикальной структуры низкочастотных течений в ряде районов северных тропиков Тихого и Атлантического океанов.

По результатам анализа данных наблюдений в районах экспериментов "Абиссаль", "DOMES" и "Полигон-70" в разделе 2.4 предложено разделение океанской толщи на три слоя: верхний слой (включающий слой сезонного пикноклина), занимаемый мелководными меандрирующими струями крупномасштабных течений и приповерхностными мезомасштабными возмущениями; промежуточный слой (включающий слой главного пикноклина), который

отличает присутствие в нем бароклинных синоптических возмущений (в первую очередь, синоптических вихрей), затухающих с глубиной, а также струй подповерхностных течений; и нижний слой, простирающийся до дна и выделяющийся за счет возмущений, обусловленных топографическими эффектами. Различный характер гидродинамических процессов обусловливает различный характер низкочастотных колебаний скорости течений в выделенных слоях и оправдывает представление вертикальной структуры поля скорости региональных низкочастотных течений в виде трех слоев.

Расчеты по данным измерений скорости течений на системах АБС для ряда районов Мирового океана показали (раздел 2.5), что осредненный (по времени и по АБС) вертикальный профиль КЭ региональных низкочастотных течений имеет шесть экстремумов: поверхностный максимум, подповерхностный минимум, промежуточный максимум, глубинный минимум, придонный максимум и донный минимум (рис. 9). При этом поверхностный, промежуточный и придонный максимумы КЭ соответствуют выделенным трем слоям. Ранее на наличие промежуточного максимума КЭ в районе эксперимента "Полигон-70" указывали Бышев и Чекотило, а также Кошляков и Грачев в статьях, размещенных в сб. Атлантический гидрофизический Полигон-70 (Под ред. В.Г. Корта, B.C. Самойленко. М.: Наука, 1974. С. 152-162 и С. 163-180).

В разделе 2.6 путем анализа данных инструментальных наблюдений с АБС в четырех длительных экспериментах в океане рассмотрен вопрос о внутригодовых изменениях интенсивности низкочастотных океанских течений в выделенных трех слоях. С целью определения годового хода интенсивности низкочастотных течений в районе эксперимента "Абиссаль" все данные измерений с 59-ти АБС были разбиты на четыре группы, соответствующие четырем кварталам года (январь-март - первый квартал и т. п.). Поскольку в пределах каждой группы число полученных записей на отдельно взятом горизонте измерений было зачастую сравнительно небольшим, для подавления выборочной изменчивости и повышения надежности статистических оценок расчет среднеквартальных значений КЭ, характеризующих уровень сезонной

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000

О 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000

(а)

—

/ \

(в)

О 500 ÍOOO 1500 2000 2500 ЗООО 3500 4 ООО 4500 5000

О 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000

(6)

(г)

Рис. 9. Распределение с глубиной (оси ординат, м) средней по периоду и айону измерений удельной кинетической энергии низкочастотных течени: |си абсцисс, см2/с2), рассчитанной по данным экспериментов "Абиссаль" (е "Полигон-70" (б), "Кластер С ПОЛИМОДЕ" (в) и "Nares-1" (г).

интенсивности региональных низкочастотных течений, был проведен с осреднением КЭ по всем горизонтам измерений в пределах каждого из описанных в разделе 2.4 трех слоев. Результаты расчетов приведены в табл. 1, причем для верхнего слоя в двух вариантах - с учетом и без учета горизонта 200 м:

Таблица 1. Осредненная по водному слою и за квартал КЭ (см2/с2) низкочастотных течений в районе эксперимента "Абиссаль".

Диапазон Квартал года

глубин, м I II III IV

50-100 83 63 103 255

(50-200) (82) (62) (86) (216)

300-2000 108 78 45 79

3000-4800 79 85 70 40

Как видно, в первом полугодии и особенно во втором квартале распределение среднеквартальных значений КЭ по вертикали в рассматриваемом районе океана более равномерно (баротропно), чем во втором полугодии (под баро-тропностью здесь понимается близость уровней КЭ низкочастотных течений на различных глубинах). Повышенная неравномерность распределения КЭ по вертикали (бароклинность) низкочастотных течений во втором полугодии и особенно в четвертом квартале, а также высокое значение КЭ в верхнем слое в четвертом квартале очевидно связаны с ежегодным осенним усилением СПТ, происходящим вследствие сезонного смещения по широте дующих над ним пассатных ветров. Рост сдвигов скорости СПТ во втором полугодии усиливает процессы его неустойчивости и приводит к перетоку энергии от СПТ к баро-клинным возмущениям синоптического масштаба, доминирующим в слое 3002000 м. Представляется, что дополнительная энергия, сообщаемая ветром верхнему слою океана в осенний период, увеличивает кинетическую и доступную потенциальную энергии СПТ, которые посредством механизма неустойчивости СПТ частично "находят выход" в нижележащем слое, где развиваются бароклинные синоптические возмущения, в том числе кольцеобразные синоптические течения6. Последние, возможно, в свою очередь порождают подтермоклинные струйные противотечения (раздел 2.3), например, как

6 На двухслойной модели нетрудно показать, что в процессе бароклинной неустойчивости зонального течения, сосредоточенного в верхнем слое, происходит заполнение растущими возмущениями нижнего, первоначально покоящегося слоя (см., например, Никитин, Тареев, 1972).

периферийные интенсификации на границах пар циклон-антициклон, которые согласно известному принципу Ле-Шателье стремятся уменьшить внешнее воздействие. При весеннем ослаблении СПТ происходит баротропизация. Для развития и усиления синоптических возмущений в срединном слое требуется время, поэтому их КЭ достигает максимума в первом квартале, следующим за кварталом максимального усиления СПТ (см. табл. 1). Нижнего слоя океана этот максимум, величина которого понижается от слоя к слою, достигает во втором квартале. Как видно, в каждом слое сезоны максимальных и минимальных значений КЭ низкочастотных течений отстоят друг от друга на полгода. В различных же слоях сезоны минимальных значений КЭ низкочастотных течений, как и сезоны максимальных значений КЭ, сдвинуты друг относительно друга на три месяца.

Аналогичный процесс можно проследить на основе данных измерений скорости течений, полученных на системе из 19-ти АБС эксперимента СДЭ ПОЛИМОДЕ в Саргассовом море, а также на системе из 17-ти АБС эксперимента "Полигон-70" в северо-восточной части тропической зоны Атлантического океана. Указанные на рис. 10 глубины можно отнести к трем описанным в разделе 2.4 слоям. Максимальная бароклинизация наблюдалась в районах обоих экспериментов в апреле, а баротропизация - в августе (рис. 10).

Рис. 10. Ход во времени КЭ низкочастотных течений, усредненной по 19-ти АБС СДЭ ПОЛИМОДЕ (слева) и по 17-ти АБС "Полигона-70" (справа), а также помесячно на глубинах 100 (1), 700 (2) и 1400 (3) м (слева) и 25 (1), 400 (2) и 1500 (3) м (справа). Штриховыми линиями указаны средние за период измерений уровни КЭ на этих глубинах.

В промежуток времени от периода бароклинизации до периода баротропизации на рис. 10 ясно видно перемещение (примерно с двухмесячным интервалом) от слоя сезонного пикноклина к слою главного пикноклина и далее в глубинный слой куполообразного возмущения в поле КЭ низкочастотных течений; при этом в районах обоих экспериментов пик КЭ в срединном слое достигается в июне. Как и в районе эксперимента "Абиссаль", период баротропизации совпадает с появлением этого возмущения в глубинном слое. Внутригодовые изменения КЭ в рассматриваемый промежуток времени с апреля по август в слое сезонного пикноклина и в глубинном слое происходят в противофазе. Таким образом, наблюдается значительная аналогия между внугригодовыми вариациями КЭ низкочастотных течений в районах экспериментов "Абиссаль", СДЭ ПОЛИМОДЕ и "Полигон-70", обусловленная существованием в этих районах своеобразного волнового процесса, сопровождающегося послойным заглублением возмущения в поле КЭ.

Как обобщение полученных в разделах 2.4-2.6 результатов, в разделе 2.1 предложена концепция вертикальной структуры низкочастотных течений открытого океана, сформулированная на стр. 7 и 8 настоящего автореферата.

Глава 3 посвящена описанию и применению методов объективного анализа данных океанографических измерений, разработанных соискателем с целью изучения течений синоптического масштаба. В разделе 3.1 описан метод восстановления синоптического поля скорости на полигоне АБС ПОЛИМОДЕ на основе кусочной полиномиальной среднеквадратичной аппроксимации в предположении о горизонтальной бездивергентности поля. Метод не требует знания статистической структуры поля и может быть использован с необходимыми изменениями для других гидрофизических полигонов с регулярным расположением станций зондирования. Численные эксперименты с восстановлением модельных полей функции тока показали, что точность восстановления существенно зависит от соотношения пространственного масштаба М¥ модельного поля функции тока и шага Я сети АБС. При Му > Я карты, построенные по данным объективного

анализа, неплохо согласуются с картами исходных искусственных полей, а при М^ > (1,5 2)7? практически полностью идентичны. Случай М„,=7? является предельным, когда восстановленные поля можно считать удовлетворительными. При этом, однако, глубины центров циклонических и высоты центров антициклонических синоптических образований получаются сильно заниженными. Метод был применен для восстановления поля функции тока по данным полигона из 13-ти АБС в районе эксперимента "Абиссаль".

При разработке описанного в разделе 3.1 метода существенно использовался факт регулярности расстановки АБС на полигоне ПОЛИМОДЕ. Однако при работе с данными площадных съемок обрывными температурными зондами ХВТ в северной Атлантике, где точки измерений зачастую оказывались нерегулярно расположенными в пространстве, возникла необходимость в разработке другого, более сложного метода объективного анализа. Помимо регулярности, восстановление поля синоптической компоненты скорости или температуры по данным полигона АБС проще, чем восстановление синоптического поля температуры по данным единичной съемки ХВТ, потому что основная фильтрация шума в данных АБС происходит путем предварительной низкочастотной фильтрации полученных временных рядов измерений (компонент скорости и температуры).

В разделе 3.2 излагается разработанная соискателем теория и основанный на ней метод выделения синоптической составляющей поля скалярной гидрофизической величины из зашумленных данных единичных (разовых) измерений, произведенных в нерегулярных в пространстве точках, например, данных единичной гидрологической съемки или съемки ХВТ. При этом происходит восстановление синоптического гидрологического поля между точками измерений.

Как и в описанном в разделе 3.1 методе, искомое поле синоптической составляющей измеряемой скалярной гидрофизической характеристики (температуры, плотности, компонент скорости и т. п.) предполагается сравнительно гладким в пространстве и устойчивым в течение некоторого

промежутка времени. Это поле (сигнала) можно представить детерминированной функцией от координат и времени. Другие составляющие поля (неоднородности, создаваемые внутренними волнами, мелкомасштабной турбулентностью), а также случайные ошибки измерений при этом полагаются случайными функциями - шумом, наложенным на искомое поле. Такой подход не требует знания статистических характеристик искомого восстанавливаемого поля (пространственных корреляционных функций, средних значений, отношения шум/сигнал), как в известном методе оптимальной интерполяции, однако шум в точках измерений предполагается некоррелированным.

Согласно предложенному методу выделения синоптической составляющей из данных единичной гидрологической съемки искомое поле последовательно аппроксимируется в области измерений сглаживающими поверхностями все более сложного вида, начиная с горизонтальной плоскости, осредняющей данные измерений, вплоть до интерполирующей поверхности. Каждая сглаживающая поверхность представляет собой линейную комбинацию ортонормированных на системе точек измерений базисных функций от горизонтальных координат, коэффициенты которой находятся методом наименьших квадратов по данным измерений. Базисные функции строятся процессом ортогонализации Грама-Шмидта по заданному набору линейно независимых функций (например, алгебраических одночленов) на рассматриваемой совокупности произвольно (в том числе, нерегулярно) расположенных в пространстве несовпадающих точек измерений.

Указанный процесс пошаговой регрессии останавливается и полагается, что вид аппроксимирующей поверхности определен правильно, когда дисперсия отклонений данных измерений от аппроксимирующей поверхности становится примерно равной заданной, заранее рассчитанной дисперсии шума. В разработанной теории метода выведены также два условия выделения оптимальной поверхности, не требующие знания уровня шума, однако надежнее, во избежание вероятного пересглаживания данных (особенно при автоматизированной обработке), все-таки пользоваться заданной дисперсией шума.

В результате описанного подбора оптимальной сглаживающей поверхности получается аналитическое выражение, в котором вся информация о поле сигнала содержится в рассчитанных коэффициентах. С помощью этого выражения можно производить интерполяцию сглаженных значений в узлы любой заданной расчетной сетки. Возможность представления искомого поля синоптической составляющей аналитическим выражением, а не только набором чисел в узлах заданной сетки, как в методе оптимальной интерполяции, следует отнести к достоинствам описываемого метода. Такое представление удобно при операциях дифференцирования и интегрирования.

Были проведены численные испытания метода с восстановлением исходных детерминированных полей сигнала по заданным в 5x5 узлах квадратной сетки (моделирующей реальную гидрологическую съемку) зашумленным данным. Поля сигнала задавались аналитическими выражениями, моделирующими различные синоптические ситуации. В процессе численных экспериментов на эти исходные поля накладывался белый шум различной интенсивности. Далее применялся метод последовательных сглаживающих аппроксимаций. Сравнение восстановленных полей с исходными показало, что данный метод, эффективно убирая шум, успешно позволяет восстановить все существенные особенности исходных модельных полей при реальных значениях отношения шум/сигнал и при условии, что шаг сетки (гидрологической съемки) меньше характерного пространственного масштаба сигнала (синоптических образований) в полтора раза. На рис. 11

■9

Рис. 11. Исходное модельное (а), зашумленное (б) и восстановленное (в) поля сигнала по заданным в 13 точках сетки зашумленным данным.

изображен результат расчета для сетки 5x5, где исходные значения модельного поля заданы только в 13 точках (зачерненных) из 25. Как видно, рассмотренный метод довольно успешно позволяет восстановить по одному набору «зашумленных» данных искомое поле детерминированной составляющей.

Описанный метод восстановления (аппроксимации) поля измеряемой величины разработан для произвольного расположения точек измерений в пространстве. Однако для неблагоприятных конфигураций точек измерений точность восстановления оказывается очень низкой. Поэтому в дополнение к этому методу были выведены формулы, с помощью которых для заданной конфигурации (координат) точек измерений и степени сглаживания данных можно оценивать точность восстановления как самой измеряемой величины, так и ее линейных дифференциальных характеристик. Эти формулы, обсуждаемые в разделе 3.3. можно применять как на этапе обработки данных, так и на этапе планирования размещения точек океанографических измерений. К сожалению, предложенная соискателем теория не дает (как и теория метода оптимальной интерполяции) процедуры расчета оптимальной конфигурации для заданного набора точек измерений. Однако путем расчета соответствующих погрешностей по полученным формулам можно количественно установить, насколько хорошо на каждой заданной конфигурации восстанавливаются поля измеряемой величины и ее дифференциальных характеристик. Производя расчеты по оптимизации размещения точек измерений для различных вариантов их расстановки, можно заранее до проведения измерений подобрать наиболее благоприятный вариант для решения поставленных задач обработки данных.

В разделе 3.3 обсуждается также вопрос, насколько хорошо с точки зрения предложенной теории были расставлены АБС в экспериментах "Полигон-70", ПОЛИМОДЕ и "Абиссаль" (рис. 12). Расчеты показали, что крестовидная конфигурация "Полигона-70" является крайне неудачной для картирования синоптических течений в области измерений. Такая система станций (антенна) может приводить к существенному искажению восстанавливаемой картины

Рис. 12. Расстановка АБС в экспериментах "Полигон-70" (а), ПОЛИМОДЕ (б) и

"Абиссаль" (в).

синоптических течений. Достаточно указать на то, что "гиперболические" слагаемые наблюдаемого поля, которое можно представить в области измерений разложением в ряд Тейлора по алгебраическим одночленам, на крестовидной конфигурации восстановлены быть не могут.

Система из 19-ти АБС ПОЛИМОДЕ (рис. 126), как показали расчеты, является в общем благоприятной для восстановления на ней полей измерявшихся температуры, компонент или модуля скорости, но не является удачной с точки зрения восстановления на ней производных, необходимых для более тонких задач обработки данных, например, экспериментальных оценок динамических балансов в поле синоптической составляющей поля скорости течения. Суть в том, что неравноправное размещение по х и по у точек измерений рассматриваемой системы приводит к неравноточному восстановлению производных по л: и по >> в точках расчетной сетки.

Согласно рассчитанным погрешностям восстановления полей измеряемой величины и ее производных, изображенная на рис. 12в конфигурация системы из 13-ти АБС свободна от описанных недостатков расстановки АБС в экспериментах Полигон-70 и ПОЛИМОДЕ. Система АБС с такой конфигурацией, предложенной соискателем, была поставлена в 1986 г. в период эксперимента "Абиссаль" в тропической зоне Тихого океана. Рядом с центральной АБС была поставлена дополнительная 14-я АБС с целью оценки распределения с глубиной дисперсии шума. Пример восстановления искомого

поля сигнала на такой системе точек измерений (повернутой для удобства рисования изолиний на 45°) показан на рис. 11.

В разделе 3.4 описано приложение разработанного метода применительно к данным обрывных термозондов ХВТ. Рассмотренная в разделе 3.2 процедура и последующее картирование были автоматизированы. Построенные для различных глубин по данным 27 съемок ХВТ района СДЭ ПОЛИМОДЕ 108 карт полей температуры и сопутствующая информация были включены в Атлас ПОЛИМОДЕ, изданный в США в 1986 г. На основе этих карт была рассмотрена связь синоптических возмущений на глубине 700 м и аномалий температуры воды на поверхности океана в данном районе. Было показано, что хотя формальная корреляция полей температуры на горизонтах 0 и 700 м может быть невысокой, однако фактически глубинные синоптические возмущения могут довольно сильно влиять на поле поверхностной температуры воды.

Разработанная процедура выделения синоптической составляющей поля температуры из данных съемок ХВТ была также применена для оценки точности измерений температуры воды и скорости течений на АБС в районе СДЭ ПОЛИМОДЕ (раздел 3.5). Для оценки точности измерений температуры на АБС по данным наиболее частых ХВТ-зондирований с малой асинхронностью, выполненных в окрестности той или иной АБС, строилась оптимальная сглаживающая (по заданному уровню шума) поверхность, аппроксимирующая синоптическую составляющую поля температуры на заданном горизонте, после чего осуществлялась интерполяция в точку постановки АБС. Было констатировано, что температурные данные ХВТ и АБС после исключения выявленных при сопоставлении грубых ошибок находятся в хорошем согласии.

Оценка точности измерений скорости течений с помощью установленных на АБС самописцев осуществлялась на основе сопоставления фильтрованных измеренных и рассчитанных динамическим методом по данным ХВТ вертикальных разностей компонент скорости (сдвигов скорости). Градиенты плотности вычислялись по градиентам синоптической составляющей поля температуры с использованием средней Г,5-кривой, что в данном районе океана в слое

от 200 до 1500 м, как было показано, приводит к незначительной погрешности. Сопоставление показало, что если по углу сдвигов соответствие можно было считать удовлетворительным, то модуль измеренных на АБС течений примерно в 2 раза превышал рассчитанный. Гораздо лучшее согласие измеренных и рассчитанных вертикальных сдвигов скорости течений получилось в результате аналогичного расчета, проведенного соискателем по данным американской АБС с притопленным поддерживающим буем и данным окрестных ХВТ-зондирований в том же районе океана. Таким образом, были получены дополнительные свидетельства того, что применение АБС с поверхностным поддерживающим буем приводит к систематическому завышению модуля скорости течений. Прецессия буя на поверхности моря из-за обычной значительной притравки троса и его вертикальные движения за счет волнения приводят к постоянным перемещениям установленных на АБС измерителей скорости течений в пространстве и, как следствие, к регистрации скорости этих перемещений дополнительно к регистрации скорости измеряемых течений.

В Главе 4 рассмотрены информационные ресурсы и результаты анализа, связанные с измерениями уровня морей.

Глобальная сеть станций наблюдений за уровнем океанов и морей, как и сеть мониторинга поверхностных течений океана на основе дрейфующих буев, являются подсистемами создаваемой международными усилиями глобальной системы наблюдений за состоянием Мирового океана (раздел 4.1").

В разделе 4.2 описана созданная соискателем на основе СУБД Роз1£ге8(2Ь реляционная клиент-серверная база исторических данных о среднемесячных значениях высоты уровня в пунктах наблюдений на морях, окружающих Россию. База размещена на сервере ГОИН, включена в систему распределенных баз данных ЕСИМО и функционирует в круглосуточном режиме. Она предназначена для централизованного накопления, хранения, выборки, обработки и предоставления потребителям уровенных данных. База данных хранит также разнообразные сведения о пунктах (гидрометеостанциях/постах), в которых выполняются уровенные наблюдения. В

настоящее время оцифрованы и загружены в базу исторические данные (от начала наблюдений за уровнем в каждом пункте вплоть до его закрытия или до времени последнего поступления данных) по Азовскому, Балтийскому, Белому, Каспийскому и Черному морям, однако в перспективе планируется загрузить базу данными по всем морям, окружающим Россию.

В разделе 4.3 дана информация о разработанной соискателем на основе СУБД MS Access реляционной базе сведений о реперах и пунктах уровенных наблюдений. Будучи размещенной на переносном компьютере, база представляет собой мобильный информационный ресурс, удобный для сбора и хранения разнообразных сведений во время инспекций уровнемерных пунктов и полевых геодезических работ. Она позволяет загружать и хранить сведения о пунктах наблюдений, об уровнемерных устройствах, о близрасположенных реперах геодезической сети и их архивных и вновь измеренных координатах, об организациях, выполнявших закладку, геодезическую привязку или инспекцию реперов и т. д. Сведения хранятся не только в цифровом и текстовом, но и в графическом виде, включая сканированные изображения и снимки, сделанные при помощи цифровой фотокамеры.

В разделе 4.4 описан опыт постановки автономного уровнемерного комплекса на труднодоступном о-ве Гогланд в Финском заливе Балтийского моря. На примере этого комплекса, поставленного по инициативе и под руководством соискателя, была разработана технология постановки и запуска в эксплуатацию автономных необслуживаемых гидрометеорологических комплексов, которые в автоматическом режиме передают данные измерений по каналу сотовой связи на FTP-сервер, а с него на персональные компьютеры конечных пользователей. Эту технологию можно использовать при постановках в других пунктах береговых наблюдений, включая пункты, расположенные в труднодоступных, малонаселенных, плохо обустроенных, замерзающих морских регионах.

В настоящее время оперативные данные об уровне моря, атмосферном давлении, температуре воды и воздуха автоматически передаются с о-ва

Гогланд в Санкт-Петербург на сервер Северо-Западного управления Росгидромета для использования при прогнозировании Невских наводнений. Программа приема оперативных данных с о-ва Гогланд была также предоставлена в Российский государственный гидрометеорологический университет для использования в процессе ассимиляции данных в оперативной системе прогноза гидрофизических характеристик Финского залива, разработанной в университете. Благодаря усилиям соискателя уровнемерный комплекс на острове Гогланд стал первым в РФ, оперативные данные с которого с 2011 г. стали поступать в международный обмен при помощи Глобальной телекоммуникационной системы ВМО.

Собранные, оцифрованные, приведенные к единой системе отсчета, отредактированные исторические временные ряды среднемесячных значений уровня были использованы соискателем для определения долговременных трендов уровня моря в Финском заливе (раздел 4.5). Был выбран общий период наблюдений на большинстве станций: с 1926 по 1991 г. (66 лет). Карта скоростей линейных трендов уровня моря, рассчитанных для указанного периода времени, приведена на рис. 13. Значения скоростей, заключенные в круглые скобки, получены по данным объединенных рядов на соседних станциях.

Согласно рис. 13, вдоль северного побережья Финского залива скорости трендов уровня моря изменяются от минус 3 мм/год в западной части побережья (в Турку и Ханко) до плюс 2 мм/год в восточной части побережья (в пункте Лисий нос). Вдоль южного побережья Финского залива скорости трендов уровня моря также изменяются от небольших отрицательных значений на западе (ШвЬга - Роозаэреа) к положительным значениям на востоке (1,9 мм/год в Ломоносове). Однако пространственный градиент скоростей трендов вдоль южного побережья залива примерно вдвое меньше, чем вдоль северного побережья. В восточной оконечности залива, в Санкт-Петербурге (в порту), скорость линейного тренда оказалась наибольшей: 3,3 мм/год.

Рис. 13. Карта скоростей линейных трендов уровня моря (мм/год) в Финском заливе в период с 1926 по 1991 г.

Сокращения: Б-Р - Санкт-Петербург, Ь.Ыоб - Лисий нос.

Поскольку Санкт-Петербург расположен в устье Невы, был рассчитан долговременный тренд ее расхода на выходе в залив. Скорость этого тренда в рассматриваемый 66-летний период (а также вплоть до 2012 г.) оказалась статистически неотличимой от нуля. Поэтому долговременные изменения расхода Невы не являются причиной стойкого повышения уровня моря у Санкт-Петербурга. Глобальное повышение уровня Мирового океана из-за потепления и таяния ледников должно вносить вклад в повышение уровня воды в Финском заливе, однако оно не объясняет неодинаковость такого повышения в различных пунктах.

Пространственное распределение изображенных на рис. 13 изолиний скоростей трендов уровня моря оказалось качественно соответствующим пространственному распределению изобаз на карте постледникового подъема Северной Европы, построенной Скандинавской геодезической комиссией и имеющей официальный статус. Поэтому главной причиной для неодинакового в

разных пунктах долговременного изменения уровня моря в Финском заливе являются разноскоростные и даже разнонаправленные вертикальные движения земной коры в различных частях залива. В то время как финские берега поднимаются (и тем быстрее, чем дальше от Финского залива и ближе к вершине Ботнического залива), российские берега в районе Санкт-Петербурга, как показали результаты повторных нивелировок вдоль российского побережья Финского залива через Санкт-Петербург и пригороды, опускаются вследствие тектонических и техногенных причин.

Постепенное повышение уровня моря в восточной части Финского залива и особенно в Санкт-Петербурге может привести в будущем к серьезным проблемам в связи с повышением уровня грунтовых вод, созданием заболоченных участков, эрозией берегов, сокращением пляжей и увеличением числа краткосрочных наводнений вследствие штормовых нагонов.

Согласно имеющимся данным по 2011 г. для ряда указанных на рис. 13 пунктов, есть основания полагать, что изображенная на нем карта действительна и для расширенного периода времени: с 1926 по 2011 г., поскольку рассчитанные для него в этих пунктах тренды почти не изменились. Не изменился долгосрочный тренд уровня моря для Санкт-Петербурга (станция Невская-Порт), рассчитанный по 2011 г. включительно: 3,3 мм/год. Хотя это значение близко к результатам, полученным по данным спутниковой альтиметрии для глобального подъема уровня океана (3,1 мм/год за период 1993-2011 гг.), однако в случае Санкт-Петербурга такая скорость повышения уровня моря относится к гораздо более длительному периоду времени (86 лет), чем относительно короткий период (19 лет) альтиметрических наблюдений. Поэтому указанный рост уровня моря в Санкт-Петербурге - не общемировая ситуация. К последней следует отнести опубликованные разными авторами оценки, основанные на наиболее длинных рядах мареографных уровенных наблюдений, согласно которым рост глобального уровня океана в 20 веке составил от 1 до 2 мм/год. Кроме того, существует мнение, что спутниковая

альтиметрия завышает рост уровня океана в силу ряда причин (уменьшение со временем радиуса орбиты спутника и др.).

По сравнению со многими другими городами в Финском заливе, где подъем земной коры в определенной степени компенсирует повышение уровня моря за счет глобального потепления, Санкт-Петербург из-за оседания находится в наиболее неблагоприятном положении с точки зрения постепенного затопления. За 86 лет к 2012 г. средний уровень моря на станции Невская-Порт поднялся на 28 см и к 2100 г. поднимется еще на 30 см в предположении сохранения существующей тенденции. Построенная в 2011 г. 25-км дамба для защиты от краткосрочных наводнений вследствие штормовых нагонов не защищает метрополис от этого вида наводнений.

В разделе 4.6 рассмотрены вариации геострофического расхода течений через Берингов пролив, рассчитанные по альтиметрическим данным. Показано, что для безледных периодов (июнь-ноябрь) с 1992 по 2002 г. эти вариации хорошо коррелируют с сильными ветрами вдоль пролива. В основном поток вод в мелководном Беринговом проливе направлен к северу. Ветер, направленный с севера, замедляет его, а при продолжительных сильных северных ветрах может происходить и реверс, при котором течение в проливе разворачивается на юг. Согласно проведенным расчетам временной лаг между вариациями силы меридиональных ветров и вариациями зонального наклона уровня моря составляет от 3 до 6 часов. Поэтому в сезоны с сильными и постоянными ветрами возможен прогноз вариаций расхода воды в Беринговом проливе только по данным о вариациях силы ветров.

В Заключении диссертации перечислены основные полученные научные результаты, а также показана практическая значимость работы — см. с. 6-12 настоящего автореферата.

Основные публикации по теме диссертации

1. Никитин О.П., Тареев Б.А. К теории релеевской конвекции на вращающейся Земле в окрестности экватора // Докл. АН СССР. 1971. Т. 196. № 2. С. 331334.

2. Никитин О.П., Тареев Б.А. Релеевская конвекция на вращающейся Земле вблизи экватора // Изв. АН СССР. Сер. Физика атмосферы и океана. 1971. Т. 7. №5. С. 534-541.

3. Никитин О.П., Тареев Б.А. Меандры Гольфстрима как следствие бароклинной неустойчивости в простой двухслойной модели // Изв. АН СССР. Сер. Физика атмосферы и океана. 1972. Т. 8. № 9. С. 973-980.

4. Никитин О.П. О принципе изменения устойчивости для конвекции с учетом вращения // Изв. АН СССР. Сер. Физика атмосферы и океана. 1973. Т. 9. № 11. С. 1190-1192.

5. Никитин О.П. Некоторые вопросы динамики неустойчивых возмущений в стратифицированном океане. Автореф. дисс. канд. физ.-мат. наук. М.: 1974. Юс.

6. Дикий JI.A., Никитин О.П. О характере неустойчивости одного двухслойного бароклинного течения // Изв. АН СССР. Сер. Физика атмосферы и океана. 1975. Т. 11. № 3. С. 308-311.

7. Никитин О.П. Баротропная и бароклинная неустойчивость (обзор линейной теории) // Исследование синоптической изменчивости океана. Севастополь: МГИ АН УССР, 1977. С. 209-220.

8. Никитин О.П. О выборе основного течения в геофизической теории устойчивости // Исследование синоптической изменчивости океана. Севастополь: МГИ АН УССР, 1977. С. 221-230.

9. Никитин О.П. Погрешности данных термозонда ХВТ Т7 // Структура, кинематика и динамика синоптических вихрей. Севастополь: МГИ АН УССР, 1980. С. 129-138.

10. Никитин О.П. Восстановление синоптического поля скорости на полигоне ПОЛИМОДЕ на основе кусочной полиномиальной среднеквадратичной аппроксимации // Океанология. 1980. Т. 20. Вып. 3. С. 441-450.

П.Никитин О.П. Оценка уровня остаточного шума после низкочастотной фильтрации во временных рядах наблюдений компонент скорости течений // Известия ПОЛИМОДЕ. М.: ИО АН СССР, 1981. Вып. 3. С. 43-47.

12. Никитин О.П. Выделение синоптической составляющей из данных гидрологической съемки // Океанология. 1982. Т. 22. Вып. 4. С. 562-568.

13. Никитин О.П., Элькен Ю.Я. Выделение синоптической составляющей из данных единичной гидрологической съемки. Численные эксперименты // Известия ПОЛИМОДЕ. М.: ИО АН СССР, 1982. Вып. 6. С. 3-38.

14. Никитин О.П. Данные ХВТ ПОЛИМОДЕ // Известия ПОЛИМОДЕ. М.: ИО АН СССР, 1984. Вып. 9. С. 3-11.

15. Никитин О.П. Влияние расстановки гидрологических станций на точность восстановления полей измеряемой величины и ее производных // Известия ПОЛИМОДЕ. М.: ИО АН СССР, 1984. Вып.Ю. С. 3-12.

16. Никитин О.П., Элькен Ю.Я. Влияние расстановки гидрологических станций на точность восстановления полей измеряемой величины и ее производных. Численные эксперименты // Известия ПОЛИМОДЕ. М.: ИО АН СССР, 1984. Вып. 10. С. 13-55.

17. Никитин О.П. Аномалии температуры поверхности океана и синоптические возмущения // Известия ПОЛИМОДЕ. М.: ИО АН СССР, 1985. Вып. 14. С. 29-33.

18. Никитин О.П., Элькен Ю.Я. О погрешностях восстановления гидрологических полей и полей их дифференциальных характеристик методом аппроксимации ортогональными функциями // Океанология. 1986. Т. 26. Вып. 5. С. 743-750.

19. Никитин О.П., Первухина М.Э. Эволюция синоптических полей скорости течения и температуры воды по данным буйкового полигона в тропической зоне Тихого океана // Исследование океанографических процессов в тропической зоне Тихого океана / Под ред. А.Ф. Ляшенко и др. М.: Гидрометеоиздат, 1989. С. 148-155.

20. Лежнев В.В., Никитин О.П. О выполнимости геострофических соотношений для низкочастотных течений в тропиках // Исследование океанографических процессов в тропической зоне Тихого океана / Под ред. А.Ф. Ляшенко и др. М.: Гидрометеоиздат, 1989. С. 136-148.

21. Никитин О.П. Геострофический и измеренный вертикальный сдвиг скорости течений в океане // Измерение океанских течений/ Под ред. A.C. Монина. М.: Наука, 1989. С. 111-120.

22. Никитин О.П. Гидрометеорологические исследования в перспективном районе освоения залежей железомарганцевых конкреций // Комплексные океанографические исследования в тропической зоне Тихого океана / Под ред. О.П. Никитина. М.: Гидрометеоиздат, 1991. С. 3-8.

23. Никитин О.П., Первухина М.Э. О контроле записей скоростей течений и температуры воды, полученных на океанских буйковых станциях // Комплексные океанографические исследования в тропической зоне Тихого океана / Под ред. О.П. Никитина. М.: Гидрометеоиздат, 1991. С. 96-105.

24. Никитин О.П. Исследования ГОИН по проекту "Абиссаль" // Исследование океанов и морей. Вып.2 / Под ред. Ф.С. Терзиева. Санкт-Петербург: Гидрометеоиздат, 1995. С. 90-95.

25. Никитин О.П. О противотечениях тропической зоны Тихого океана // Деп. в ВИНИТИ 13.01.95, № 115-В95. М.: ГОИН, 1995. 38 с.

26. Никитин О.П., Ашевский А.О. Внутригодовая изменчивость термической структуры тропического океана в полосе 129-138°з.д., 0-25°с.ш. // Деп. в ВИНИТИ 13.01.95, № 114-В95. М.: ГОИН, 1995. 33 с.

27. Никитин О.П., Филиппов Ю.Г., Касьянов С.Ю. Эволюция синоптических течений на гидрологических полигонах в северо-восточной части тропической зоны Тихого океана // Деп. в ВИНИТИ 24.01.1995, № 197-В95. М.: ГОИН, 1995.37 с.

28. Никитин О.П., Касьянов С.Ю. Синоптические течения в северо-восточной части тропической зоны Тихого океана по данным эксперимента "Абиссаль" // Деп. в ВИНИТИ 24.01.95, №198-В95. М.: ГОИН, 1995. 27 с.

29. Никитин О.П., Федоров A.C., Волкова Г.П. Опыт редактирования данных наблюдений за течениями и температурой в океане, полученных с помощью самописцев АЦИТТ // Деп. в ВИНИТИ 07.12.95, № 3276-В95. М.: ГОИН, 1995. 23 с.

30. Никитин О.П. Проект 08.12 "Абиссаль". Отчет о результатах работ за 199195 годы // Комплексные исследования океанов и морей, Арктики и Антарктики / Под ред. С.С. Jlanno. М., 1996. Т. 8. С. 201-212.

31. Никитин О.П. Вертикальная структура синоптических течений в северовосточной части тропической зоны Тихого океана // Океанология. 1997. Т. 37. Вып. 6. С. 819-831.

32. Никитин О.П. О внутригодовой низкочастотной изменчивости интенсивности океанских течений // Изв. РАН. Сер. Физика атмосферы и океана. 1998. Т. 14. № 5. С. 693-701.

33. Никитин О.П. Об особенностях вертикального профиля кинетической энергии низкочастотных составляющих скорости течений в северных тропиках Тихого и Атлантического океанов // Метеорология и гидрология.

1999. № 8. С. 72-86.

34. Касьянов С.Ю., Музыка Г.В., Никитин О.П. О дрифтерных наблюдениях за поверхностными течениями Мирового океана // Исследовано в России.

2000. Вып. 50. С. 676-685.

35. Касьянов С.Ю., Никитин О.П. Компьютерный атлас лагранжевых течений в поверхностном слое Мирового океана // Исследовано в России. 2001. Вып. 154. С. 1768-1776.

36. Никитин О.П., Касьянов С.Ю., Музыка Г.В. Компьютерная информационно-справочная система "Поверхностные течения Мирового океана" // Труды ГОИН. 2005. Вып. 209. С. 75-89.

37. Никитин О.П. База данных о реперах морских уровнемерных пунктов // Труды ГОИН. 2007. Вып. 210. С. 195-198.

38. Никитин О.П. База данных о прибрежных уровенных наблюдениях на морях, окружающих Россию // Труды ГОИН. 2008. Вып. 211. С. 401-407.

39. Никитин О.П., Касьянов С.Ю. Атлас поверхностных течений Черного моря по дрифтерным данным [Электронный ресурс] // М.: ГОИН, 2008. 36 с.

40. Никитин О.П., Соколов В.А. Опыт постановки автономного уровнемерного комплекса на острове Гогланд в Финском заливе Балтийского моря // Труды ГОИН, 2009. Вып. 212. С. 250-259.

41. Никитин О.П. Свидетельство о государственной регистрации базы данных № 2011620401 "База среднемесячных данных прибрежных наблюдений за уровнем на морях, окружающих Россию" // Зарегистрировано 30.05.2011 г. Федеральной службой по интеллектуальной собственности.

42. Никитин О.П. Свидетельство о государственной регистрации базы данных № 2012620516 "База данных дрифтерных наблюдений за течениями и температурой в поверхностном слое Мирового океана" // Зарегистрировано 07.06.2012 г. Федеральной службы по интеллектуальной собственности.

43. Никитин О.П. Карты поверхностных течений на основе данных дрейфующих буев // Метеоспектр. 2011. № 2. С. 77-81.

44. Никитин О.П., Касьянов С.Ю. Поверхностные течения вокруг японских островов: пути распространения радиоактивного загрязнения вследствие аварий на АЭС "Фукусима-1'7/ Terra Humana. 2012. № 2. С. 194-198.

45. Nikitin О.Р. On the choice of the basic current in the geophysical stability theory // Ocean Modelling. Cambridge. England. 1977. No. 8. P. 4-8.

46. Nikitin O.P., Vinogradova K.G. Separation of the synoptic component of the temperature field from XBT-survey data and some applications // Ocean Modelling. Cambridge. England. 1980. No. 35. P. 5-8.

47. Heinmiller R.H., Ebbesmeyer C.C., Taft B.A., Olson D.B., Nikitin O.P. Systematic errors in expendable bathythermograph profiles // Deep-Rea Res. 1983. V. 30. No 11A. P. 1185-1197.

48. Elken J.J., Nikitin O.P. Sampling grid dependence of least-square polynomial estimates of measured quantities and their differential characteristics // Ocean Modelling. Oxford, England. 1985. No. 65. P. 8-12.

49. Nikitin O.P., Vinogradova K.G. Maps of hydrophysical characteristics: Temperature from XBT-observations // The POLYMODE Atlas. Woods Hole Oceanographic Institution. Massachusetts. USA. 1986. P. 223-251.

50. Nikitin O.P., Vinogradova K.G. XBT-observations // The POLYMODE Atlas. Woods Hole Oceanographic Institution. Massachusetts. USA. 1986. Appendixes (Microfiches). Sec. 5.7. Subsection 5.2. 14 p.

51. Nikitin O.P. On some nameless zonal currents in the tropical north Pacific // WOCE Conference "Ocean Circulation and Climate". Canada. Halifax. 1998. P. 153-154.

52. Nikitin O.P. Report on WOCE SVP Global Data on the CD-ROM // Report of the 13th Meeting of the WOCE Data Products Committee. College Station. TX. USA. 2000. WOCE Report No. 170/2000. Appendix B. 3 p.

53. Nikitin O.P., Kasyanov S.Y., Muzyka G.V. World ocean surface currents visualization software // Proceedings of the 3rd International workshop on computer science and information technologies CSIT'2001. V. 2 (Regular papers). Ufa. Russia. 2001. P. 32-41.

54. Cherniawsky J., Nikitin O., Crawford W. Relationship between winds and Bering Strait transports // Proceedings of 51st Annual Eastern Pacific Ocean Conference. Canada. Vancouver Island. 2004. P. 1-18.

55. Cherniawsky J.Y., Crawford W.R., Nikitin O.P., Carmack E.C. Bering Strait transports from satellite altimetry // J. Mar. Res. 2005. V. 63. No. 5. P. 887-900.

56. Nikitin O.P. Long-term trends of sea level in the Gulf of Finland of the Baltic Sea and movements of its shores // Proceedings of MWWD 2010 (ISBN 978-99445566-4-4). Editor Carlo Avanzini. MWWD organization. 2010. 15 p.

57. Nikitin O.P. Report of the Russian Federation to the 12th Session of the IOC Group of Experts on the Global Sea Level Observing System // UNESCO. IOC. Twelfth Session of the GLOSS Group of Experts. 2011. 5 p.

58. Nikitin O.P. Storage, processing and visualization data system of drifter observations of surface currents in the World Ocean // Russ. J. Earth. Sci. 2012. V. 12. No. 5. ES5002. doi:l0.2205/2012ES000521. 7 p.

Заказ № 29-а/07/2013 Подписано в печать 04.07.2013 Тираж 100 экз. Усл. п.л. 2.2

ООО "Цифровичок", тел. (495) 649-83-30 www.cfr.ru; e-mail:zak@cfr.ru

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, доктора физико-математических наук, Никитин, Олег Петрович, Москва

Федеральное государственное бюджетное учреждение «Государственный океанографический институт имени H.H. Зубова» Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды

На правах рукописи

05201351453

Никитин Олег Петрович

ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРЫ И ИЗМЕНЧИВОСТИ ЦИРКУЛЯЦИИ И УРОВНЯ ВОД МИРОВОГО ОКЕАНА

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Специальность 25.00.28 - Океанология

Научный консультант - академик РАН Саркисян Артем Саркисович, доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник Института вычислительной математики РАН

Москва-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

СПИСОК АББРЕВИАТУР.....................................................................................5

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................8

ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ ПОВЕРХНОСТНЫХ ТЕЧЕНИЙ МИРОВОГО ОКЕАНА, ОПРЕДЕЛЕННЫЕ ПО ДРИФТЕРНЫМ ДАННЫМ...............................................................................................................30

1.1. Дрифтерные наблюдения в Мировом океане..........................................30

1.2. Компьютерная система хранения, математической обработки, визуализации и анализа дрифтерных данных.....................................................40

1.2.1. Общая характеристика системы.........................................................40

1.2.2. Описание базы дрифтерных данных.....................................................44

1.2.3. Программный комплекс для обработки, визуализации, анализа дрифтерных данных, расчета сеточных полей, статистических характеристик и анимации..................................................................................51

1.2.4. Примеры средств визуализации и анализа данных..............................57

1.3. Карты, характеризующие глобальные дрифтерные наблюдения и используемые массивы данных............................................................................62

1.4. Карты, характеризующие поверхностные течения Мирового океана, и некоторые глобальные оценки............................................................68

1.5. Особенности поверхностных течений в Северной Атлантике..............82

1.5.1. Климатические поверхностные течения в Северной Атлантике.....82

1.5.2. Норвежское течение...............................................................................87

1.5.3. Северо-Атлантическое, Ирмингера, Северо- и Восточно-Исландское течения..............................................................................................91

1.5.4. Гольфстрим...........................................................................................102

1.6. Поверхностные течения в Черном море.................................................105

1.7. Практические приложения системы.......................................................108

1.8. Поверхностные течения вокруг японских островов: пути

распространения радиоактивного загрязнения вследствие аварий на АЭС "Фукусима-1".......................................................................................................111

ГЛАВА 2. ОСОБЕННОСТИ ВЕРТИКАЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ И ИЗМЕНЧИВОСТИ ТЕЧЕНИЙ МИРОВОГО ОКЕАНА..................................117

2.1. Проект "Абиссаль"...................................................................................118

2.2. Рекомендации разработчикам океанского добычного комплекса......123

2.3. О неизвестных течениях северной тропической зоны Тихого океана....................................................................................................................136

2.4. Вертикальная структура низкочастотных течений в районах экспериментов "Абиссаль", "DOMES" и "Полигон-70"..................................148

2.5. Особенности вертикального профиля кинетической энергии низкочастотных течений в северных тропиках Тихого и Атлантического океанов..................................................................................................................153

2.6. О внутригодовой изменчивости интенсивности низкочастотных течений в различных слоях океана....................................................................156

2.6.1. Предисловие............................................................................................156

2.6.2. Эксперимент "Абиссаль"......................................................................158

2.6.3. Эксперимент "DOMES"........................................................................162

2.6.4. Эксперимент ПОЛИМОДЕ..................................................................165

2.6.5. Эксперимент "Полигон-70"..................................................................168

2.7. Концепция.................................................................................................170

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА И ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ ОБЪЕКТИВНОГО АНАЛИЗА ДАННЫХ ОКЕАНОГРАФИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ С ЦЕЛЬЮ ИЗУЧЕНИЯ ТЕЧЕНИЙ СИНОПТИЧЕСКОГО МАСШТАБА........................................................................................................172

3.1. Восстановление синоптического поля скорости на полигоне

ПОЛИМОДЕ........................................................................................................172

3.1.1. Предисловие............................................................................................172

3.1.2. Восстановление синоптического поля скорости на полигоне ПОЛИМОДЕ на основе кусочной полиномиальной среднеквадратичной аппроксимации.....................................................................................................174

3.1.3. Тестирование и приложения................................................................181

3.2. Восстановление синоптического поля гидрологической характеристики по данным измерений в нерегулярно расположенных в пространстве точках............................................................................................187

3.2.1. Предисловие............................................................................................187

3.2.2. Восстановление синоптического поля гидрологической характеристики путем его последовательных аппроксимаций линейными комбинациями функций, ортогональных на системе нерегулярно расположенных в пространстве точек измерений...................189

3.2.3. Тестирование и приложения................................................................200

3.3. Оптимизация размещения точек океанографических измерений.......203

3.3.1. Предисловие............................................................................................203

3.3.2. Погрешности восстановления гидрологических полей и полей их дифференциальных характеристик методом аппроксимации ортогональными функциями..............................................................................205

3.3.3. Тестирование и приложения................................................................218

3.4. Обработка и анализ данных ХВТ............................................................223

3.5. Оценка погрешностей измерений скорости течения и температуры воды с заякоренных буйковых станций............................................................226

3.5.1. Предисловие............................................................................................226

3.5.2. Расхождения между показаниями измерителей скорости течений различных систем................................................................................228

3.5.3. Сравнения измеренных и геострофических вертикальных сдвигов скорости по данным измерений течений и гидрологических измерений..............................................................................................................232

ГЛАВА 4. ИНФОРМАЦИОННЫЕ РЕСУРСЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ АНАЛИЗА, СВЯЗАННЫЕ С ИЗМЕРЕНИЯМИ УРОВНЯ МОРЕЙ..............246

4.1. Глобальные наблюдения за уровнем океанов и морей.........................246

4.2. База данных прибрежных уровенных наблюдений на морях, окружающих Россию...........................................................................................247

4.3. База сведений о реперах и пунктах уровенных наблюдений...............253

4.4. Опыт постановки автономного уровнемерного комплекса на острове Гогланд в Финском заливе Балтийского моря...................................255

4.5. Многолетние изменения уровня моря в Финском заливе Балтийского моря и подтопление Санкт-Петербурга......................................264

4.6. Вариации расхода течений через Берингов пролив по альтиметрическим данным и влияние на них изменчивости ветров.............271

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................................273

Новизна работы и основные научные результаты.......................................273

Практическая значимость работы..................................................................277

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ..........................................281

СПИСОК АББРЕВИАТУР

• АБС - Автономная заякоренная буйковая станция

• АПБС - Автономная придонная заякоренная буйковая станция

• АЦТ - Антарктическое циркумполярное течение

• АЭС - Атомная электростанция

• БД - База данных

• ВКС - Верхний квазиоднородный слой

• ВМО - Всемирная метеорологическая организация

• ГОИН - Федеральное государственное бюджетное учреждение "Государственный океанографический институт имени H.H. Зубова" Росгидромета

ГСТ - Глобальная система телесвязи ВМО

ГСНО (GOOS) - Глобальная система наблюдений за Мировым океаном ДПЭ - Доступная потенциальная энергия

ДВНИГМИ - Дальневосточный региональный научно-исследовательский гидрометеорологический институт

ЕСИМО - Единая система информации об обстановке в Мировом океане ЖМК - Железомарганцевые конкреции ИС - Информационная компьютерная система КЭ - "Горизонтальная" удельная кинетическая энергия МИД - Министерство иностранных дел РФ МЧС - Министерство по чрезвычайным ситуациям РФ ММОД - Международный орган ООН по морскому дну МОК - Межправительственная океанографическая комиссия ЮНЕСКО МПТ - Межпассатное противотечение НИСП - научно-исследовательское судно погоды ООН - Организация объединенных наций

ПАБС - Притопленная автономная заякоренная буйковая станция ПОЛИМОДЕ - Советско-американский эксперимент в Саргассовом море по изучению синоптических вихрей открытого океана

РГГМУ - Российский государственный гидрометеорологический университет Росгидромет - Федеральная служба России по гидрометеорологии и мониторишу окружающей среды РФ - Российская Федерация

• СА - Северная Атлантика

• CAT - Северо-Атлантическое течение

• СДЭ - Синоптико-динамический эксперимент ПОЛИМОДЕ

• СКОММ - Совместная техническая комиссия ВМО-МОК по океанографии и морской метеорологии

• СЛО - Северный Ледовитый океан

• СПТ - Северное пассатное течение

• СУБД - Система управления базами данных

• ФГУП ОКБ ОТ РАН - Федеральное государственное унитарное предприятие опытно-конструкторское бюро океанологической техники российской академии наук

• ЦНИИГАИК - Центральный ордена "Знак Почета" научно-исследовательский институт геодезии, аэросъемки и картографии им. Ф.Н. Красовского

• AOML (Atlantic Océanographie and Meteorological Laboratory) -Океанографическая и метеорологическая лаборатория, США

• ARGOS - Спутниковая система для сбора данных наблюдений об окружающей среде

• BEA - Французское бюро по расследованию авиационных происшествий

• CTD (Conductivity/Temperature/Depth) - Электропроводность/ Температура/ Глубина

• GLOSS (Global Level of the Sea Surface) - Глобальная система наблюдений за уровнем океана

• GDP (Global Drifter Program) - Многолетняя (с 2003 г.) глобальная дрифтерная программа исследования поверхностной циркуляции океана при помощи отслеживаемых со спутников дрейфующих буев, созданная в продолжение программы SVP

• ISDM (Integrated Science Data Management) - Уполномоченный мировой центр хранения рассылаемых по линии ГСТ дрифтерных данных, Канада

• MEDS (Marine Environmental Data Service) - ныне ISDM

• SVP (Surface Velocity Program) - Программа исследования поверхностной циркуляции океана при помощи отслеживаемых со спутников дрейфующих буев, проводившаяся в период экспериментов TOGA и WOCE

• STD (Salinity/Temperature/Depth) Соленость/ Температура/ Глубина

• TOGA (Tropical Ocean Global Atmosphere) - Международный эксперимент по изучению тропической зоны океана и атмосферы

• WOCE (World Ocean Circulation Experiment) - Международный эксперимент по исследованию глобальной океанской циркуляции, 1990-2002 гг.

• ХВТ - Обрывной (теряемый) зонд для измерения температуры в верхнем деятельном слое океана

ВВЕДЕНИЕ

Исследования течений и уровня Мирового океана, занимающего почти три четверти поверхности Земли, ведутся на протяжении уже столетий в связи с его огромным значением в жизни человечества, в первую очередь, в связи с судоходством, промыслом, добычей минеральных ресурсов и воздействием на населенные береговые зоны.

катастроф, лицам, отвечающим за безопасность отдыхающих в местах купания на море (известен недавний случай 2010 г. гибели на Азовском море шестерых школьников и преподавателя из Москвы из-за очень сильного течения в районе Ейской косы). К этому перечню можно добавить океанографов, климатологов, акустиков, лоцманов, яхтсменов, подводников, военных, специалистов нефтегазовой промышленности и других профессионалов, связанных в своей деятельности с работами в океанах и морях.

Не менее важна наиболее полная информация о пространственно-временных изменениях уровня океанов и морей. Начавшееся в последние десятилетия повышение среднего уровня Мирового океана может привести в будущем к катастрофическим последствиям для многих низкорасположенных районов земного шара. В то же время во многих местностях из-за медленных поднятий элементов земной коры наоборот происходит понижение уровня моря. Мониторинг и долгосрочный прогноз изменений уровня моря в каждом конкретном месте имеет большое значение для строительства в прибрежных зонах, для осуществления судоходства и т. д.

Представляет интерес изменение среднего уровня Мирового океана, в частности, для геодезистов. Со времен СССР на постсоветском пространстве, включая страны Балтии, действует Балтийская система высот: отсчет всех высот на суше и на море (включая географические карты и орбиты космических аппаратов) ведется от среднемноголетнего уровня Балтийского моря в Кронштадте, к которому привязан "нуль" Кронштадтского футштока. Ранее этот уровень в течение более ста лет был неизменным. Однако в последние десятилетия средний уровень моря в Кронштадте неуклонно растет (Гордеева и др., 2010).

В то же время в последние годы уровень Каспийского моря стал опять заметно понижаться. Известно, какой урон экологии и экономике региона, судоходству и рыбному хозяйству принесло долговременное понижение уровня Каспийского моря в конце 1970-х годов.

В последнее время научное сообщество пришло к выводу о том, что информации о Мировом океане накоплено все еще очень мало, что о нем известно меньше, чем о космосе, что необходимо более масштабное и глубокое его изучение, включая непрерывный мониторинг изменений течений, уровня, других океанских гидрофизических характеристик. В 1991 г. ассамблея МОК1 приняла решение о создании постоянно действующей Глобальной системы инструментальных наблюдений за Мировым океаном (ГСНО), реализация которой в настоящее время подходит к концу. В состав наблюдательных средств ГСНО входят поверхностные дрифтеры, профилирующие буи АРГО, прибрежные и глубоководные автономные заякоренные буйковые станции (АБС), береговые станции слежения за уровнем океанов и морей, попутные судовые наблюдения, включая измерения температуры верхнего слоя океана с помощью обрывных зондов ХВТ, спутниковые и другие измерения.

1 МОК - Межправительственная океанографическая комиссия ЮНЕСКО

Важнейшим и первым, недавно полностью реализованным компонентом ГСНО является сеть поверхностных дрейфующих буев или дрифтеров, предназначенных для измерения течений и других характеристик. Каждый день с дрифтеров, уровнемеров и других наблюдательных средств ГСНО идут большие потоки данных, которые следует архивировать, обрабатывать, визуализировать, анализировать, выявлять новые факты и делать выводы.

Появилась возможность слежения за текущим состоянием климата, а также "погодой" всего Мирового океана, составления об этом ежегодных отчетов и ежемесячных сводок с описанием аномалий (что еще совсем недавно представлялось делом далекого будущего). Но чтобы реализовать подобные возможности, предоставляемые ГСНО, требуется наличие методов обработки данных и информационных компьютерных систем (ИС), способных усваивать и обрабатывать потоки гидрофизических данных. Созданные диссертантом методы объективного анализа данных океа

Информация о работе

Никитин, Олег Петрович
доктора физико-математических наук
Москва, 2013
ВАК 25.00.28

Диссертация

Особенности структуры и изменчивости циркуляции и уровня вод Мирового океана - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы