Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Сгонно-нагонные колебания уровня на шельфе Арктических морей России и их прогнозирование

ВАК РФ 11.00.08, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Сгонно-нагонные колебания уровня на шельфе Арктических морей России и их прогнозирование"

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ И МОНИТОРИНГУ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ^КТИЧЦСКИЙ И АНТАРКТИЧЕСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ^о' ^ ИНСТИТУТ

На правах рукописи УДК 551.461.25(268)

%

Ашнк Игорь Михайлович

. СГОННО-НАГОНЛЫЕ КОЛЕБАНИЯ УРОВНЯ НА ШЕЛЬФЕ АРКТ ИЧЕСКИХ МОРЕЙ РОССИИ И ИХ ПРОГНОЗИРОВАНИЕ

11.00.08 - океанология

Автореферат диссертации на соискание ученоЛ степени кандидата географических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ- 1997

Работа выполнена в Государственном Научном Центре Российской Федерации Арктический и Антарктическим научио-исслсдоватсльскиЙ институт

Научный руководитель: кандидат географических паук

Н.В.Муетафии

Официальные оппоненты: доктор географических наук кандидат ¡еографических наук

З.М.Гудковнч Д.А.Романенков

Ведущая организация:

Государственная Морская Академия им. адм. С.О.Макарова

Зашита состоигся " 4 " декабря_ 1997 г. в 13 часов 00 мин на

заседании специализированного Совета Д.024.04.01 в Государственном Научном Центре Российской Федерации Арктический и Антарктический научно-исследовательский институт по адресу:

199226, Санкт-Петербург, ул. Беринга, 38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ААНИИ

Автореферат разослан" 3 " ноября 1997 г.

Ученый секретарь ,,

диссертационного Совета ^¡п /

кандидат географических наук ^ В.П.Карклин

/ 7

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Арктические моря, омывающие значительную часть береговой линии России, играют большую роль в системе хозяйственного и природного комплекса Арктики: по ним пролегает главная транспортная артерия Арктики - Северный морскоП путь, большинство населенных пунктов в Арктике располагаются на побережье морей или в устьях рек, шельф арктических морей является настоящей кладовой полотых ископаемых, в первую очередь, нефти и газа.

Наряду с ледяным покровом, являющимся основный препятствием для мореплавания в арктических морях и затрудняющем различного рода работы на их шель<|>с, сгонно-нагомные колебания уровня оказывают существенное влияние как на судоходство в прибрежных районах морей, так и на проведение других хозяйственных мероприятий.

К настоящему времени усилиями ученых и специалистов Арктического и Антарктического научно-исследовательского института изучены основные закономерности формирования и распространения колебаний уровня на побережье арктических морей. Созданы и эффективно применяются методы прогноза сгонно-нагонных и предвычисления приливных колебаний уровня. Важные исследования в этом направлении проведены В.Г.Кортом, Т.П.Марютиным, Б.А.Кругскнх, Н.В.Мустафиным, Г.В.Алексеевым, Е.Н.Дворкиным, А.Ю.Прошутинским и др.

На основе разработок гидродинамических моделей для арктических морей в ААНИИ создана и с 1987 года успешно эксплуатируется методика численного прогноза непериодических колебаний уровня. Однако, недостаточно корректный учет влияния ледяного покрова на колебания уровня моря ограничивает ее применение летне-осенним периодом, а слабая изученность этого вопроса требует дополнительных исследований.

Цель работы: разработка метода расчета сгонно-нагонных колебаний уровня в морях Сибирского шельфа, учитывающего влияние ледяного покрова, изучение условий возникновения и возможное- ч прогнозирования катастрофических нагонов.

В связи с этим (основные задачи исследования состояли в следующем:

- анализ существующих гидродинамических моделей для расчета сгонно-нагонных колебаний уровня с учетом влияния ледяного покрова;

-4- численная реализация модели и сс калибровка по натурным данным;

-опенка влияния ледяного покрова па формирование сгонно-нагонных колебаний в фн зико-гсографических условиях арктических морей;

- создание методики численного прогноза непериодических колебаний уровня морей Сибирского шельфа с учетом влияния ледяного покрова;

- анализ условий возникновения катастрофических нагонов, изучение механизма их формирования и определение возможности прогнозирования катастрофических нагонов;

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем;

- разработан и внедрен в практику оперативной работы численный метод расчета и прог:юза сгонно-нагонных колебаний уровня моря с учетом влияния ледяного покрова;

- установлено, что катастрофические нагоны в арктических морях имеют резонансную природу, то есть возникают вследствие совпадения вынужденных и собственных колебании бассейна;

- ш. мелены полусуточные колебания атмосферного давления, возникающие, при регенерации окклюдированных циклонов.

Пазанпггу выносятся следующие положения:

1. Метод расчета н прогноза сгонно-иашнных колебаний уровня моря, основанный на применении двухмерной лсдово-гиародниамической модели.

2. Ледяной покров оказываег существенное влияние на формирование сгонно-наюнных колебаний уровня на акватории арктических морей проявляющееся в:

- изменении эффективных сгонно-нагонных Направлений;

- зависимости рельефа уроаенной новсрхиосш от ориентации границ неподвижного льда 01 носительно направления ветра.

3. Учет влияния ледяного покрова при расчетах.сгонно-нагонных колебаний уровня моря позволяет повысить их точность на 60-80%.

4. Катастрофические нагоны возникают как следствие совпадения колебаний атмо-" сферною давления в регенирируюших циклонах с собственными колебаниями бассейна.

Практическая ценность работы. В период 1992-1995 гг. предложенный метод расче-ia и чрошоча сгонно-нагонных колебаний уровня арктических морей использовался для жепернменгальных расчетов при обеспечении морских операций в Арктике, а в 1995 г.

метод прошел испытания в Центре дедсгаоП и гидрометеорологической информации ДАНИИ и был рекомендован к внедренню в качестве основного. В настоящее время продолжается его использование в практике операшвной работы.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались па научных семинарах отдела океанологии и ЦЛГМИ ААИИИ (1993 - 1996 гг.); на секции океанологии и ледоведения Ученого совета ААНИИ (1997 г.); на итоговых сессиях Ученого совета ААНИИ (1994-1996 гг.); Н-ой и 111-еи Международных конференциях "Освоение шельфа арктических морей России™ (1995, 1997 гг.); Российско-Норвежском рабочем совещании "Природные условия Карского и Баренцевою морен" (1995 г.); третьем рабочем Российско-Германском совещании "Система моря Лаптевых" (1996 г.); научном семинаре НИНГИ МО "Проблемы навигацнонно-гидро графического и гидрометеорологического обеспечения работ по освоению нефтегазовых месторождений в Арктике" (1996 г.)

Объем и структура работы, Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка используемой литературы, включающего 376 наименований. Общин объем работы составляет 217 страниц, включая 13 таблиц, 44 иллюстраций и 32 страницы списка литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются цели и задачи исследования, приводятся основные положения выносимые на защиту, а также краткое содержание разделов диссертации.

Первая глава работы, состоящая из четырех параграфов, содержит обзор существующих методов прогноза сгонно-нагонных колебаний уровня моря и обзор состояния изученности степени влияния ледяного покрова на формирование колебаний уровня моря.

Первый параграф посвящен анализу физико-статистических методов прогнозов колебаний уровня моря. Второй параграф содерж:гг изложение методологических

основ гидродинамического моделирования и обзор его использования в целях прогнозирования сгонно-нагонных колебаний уровня моря.

В третьем и четвергом параграфах выполнен обзор основных результатов исследования влияния ледяного покрова на приливные и сгонно-нагонные колебания уровня.

Выполненный анализ показал, что:

- ледяной покров может оказывать существенное влияние на колебания уровня моря, что грсбует его учета при расчетах как приливных так и сгонно-нагонных колебаний уровня моря;

- влияние ледяного покрова на колебания уровня моря ноент сложный и неоднозначный характер и в значительной степени зависит от состояния ледяного покрова (свободно дрейфующий или неподвижный), размеров ледяных полей, толщины льда и ряда других характеристик;

- разнообразно проявлений влияния ледяного покрова на колебания уровня моря лучше учитывается гидродинамическими моделями, чем физико-статистическими методами;

- использующиеся в практике оперативной работы прогностических гидрометсоро-ло1 ических служб численные гидродинамические методы расчета и прогноза сгонно-нагонных колебаний уровня не учитывают влияние ледяного покрова, что негативно скашваекя на качестве расчетов в летний период и исключает возможность их использования зимой.

Таким образом, создание численною метода расчета сгонно-нагонных колебаний уровня, учитывающего влияние ледяного покрова, представляется наиболее перспективным путем повышения качества прогностических расчетов колебаний уровня в арктических морях.

Вторая глава работы содержит подробное описание численного метода расчета и пропила сгонпо-наюнных колебаний уровня в шельфовой зоне арктических морей с учеюм влияния ледяною покрова. Глава состой! из шести параграфов.

В первом параграфе дано описание ледово-гидродинамической модели, на использовании которой базируется метода. Основу принятой модели составляет дв)\мерная модель штормовых пактов, применявшаяся ранее А.Ю Прошушнскнм для исследования

сгонно-нагонных колебаний уровня в арктических морях, и используемая с 1987 года и ДАНИИ для оперативного прогнозирования непериодических колебаний уровня моря в Арктике. В связи с необходимостью расширить возможности использования модели, двухмерная модель штормовых нагонов была модифицирована Уравнения динамики океана были дополнены членами, учитывающими трение льда о воду

«Ё. + 2,7,2Г- = -6(н + ^ + ¿у^ УР, +1((| - С)?'' + Ст * - т1ь),

а также в модель была включена система уравнений, описывающих динамику ледяного покрова

¡Л р» '

-

где 1 - время; 0= ¡ййг- вектор полного потока; - параметр Кориолиса; g - ускоре-

о

ние силы тяжести; £ - отклонение уровня от невозмущенного состояния; Р,- атмосферное давление; р - плотность воды; т', т', 5", ть - тангенциальное трение на границах раздела воздух - вода, воздух - лсд лед - вода, вода - дно соответственно; и и 0) - средний по вертикали вектор скорости течения и вектор дрейфа льда; р = - поверхностная

плотность льда; р,- плотность льда; Ь, - толщина льда; С - функция сплоченности; Р, -силы внутреннего взаимодействия в ледяном покрове.

Тангенциальное напряжение на границах раздела лед - вода и вода - дно рассчитывалось по традиционным зависимостям

т" = Яжр(и1 - й)|и, - й| ть = Кр0|0|,

где К =-—г-; « 5.5 • I О"3 • коэффициент трения па границе раздела лсд - вода;

(И-"О

К„ • 2.6-10 1 - коэффициенттреиия на границе раздела вода-дно.

Для расчета т.ттеншгллыюто напряженке на поверхности воды и льда предложена орптнп.пмтая завнеи.моа'ь. полученная эмпирическим путем ь результате калибровки мололи на ряде характерных штормовых ситуаций:

? = 12.с(|-схр(-О.О02\У2)), I ле №' - оорость приводного петра в м/с.

,'].ы включения и модель сил внутреннего взаимодействия использовано приближение и форме

I* =-Крйу^), при (11у(й,) < 0;

^ =0* при сКу (ц) 5 0,

>. - 1; = 1и'"см*7е - еоишеплвеш» коэффициенты объемной и сдвиговой вязкости; Кр К>!1 - ко)ффнциенг сжатия.

Ил твердых границах области принимается условие непротекания. На жидких границах облает ;итя воды принимается условие излучения, /¡ля льда - условие свободного протекания. И качестве начальных условий для воды и льда принимается состояние никоя*, функция сплоченности задается в соответствии с реальным распределением льда. Го лшпиа :и.л:| считается постоянной как во времени, так и в пространстве и принимается раиной 2 м

Расчсшая область охватывает всю акваторию арктических морей России: Карское, Лаптевых. Восточно-Сибирское и Чукотское. Открытая граница области проходит в районе 200-ме1ровнГт ншоаты, отсекая тем самым шельфовую зону, на которой и формируются наиГюлее значительные колебания уровня моря. Шаг сеточной области составляет Л\=-Ау = 5556 км.

При конечно-разностной аппроксимации исходной системы уравнений члены с трением орались для середины временного шага, пространственные производные заменялись центральными конечно-разностными аналогами, а временные - вперед-направленными ркпосшыми отношениями.

При расчете сплоченности льда вводилось условие остановки, в соответствии с кот-рым составляющие скорости дрейфа льда приравнивались к пулю, если они были наиран-лсны внутрь ячейки, г. функцией сплоченности равной I, а соответствующие еоскшлчю-щие скорости на ирошвоиоложпих сторонах ячейки оказывались равными нулю.

Во втором параграфе вырой главы приведены результаты ангина численных экспериментов. проведенных с целью оценки адекватности модельных расчсюв данным г.ь блюдемий и выявления эффектов влияния ледяного покрова на формировании уроненной поверхности на акватории арктических морей. Для этого при расчете денивелянин у ревенной поверхности задавшись принципиально различные ледовые условия- полное отсутствие льда на всей акватории,

- среднемнотолетмее распределение льда для периода максимальною очищения (сентябрь);

- среднемпоюлетнес распределение льда для периода максимального рпниичн припая (май).

Сопоставление данных эмпирических обобщений и результатов численных расчете» показало их хорошую согласованность, а основные результаты анализа проведенных экспериментов можно сформулироьать следующим образом:

- практически совпадают между собой наблюдающиеся и рассчитанные эффективные сгонно-нагонные направления для отдельных районов арктических морен;

- при использовании одинаковых коэффициентов трепня ветра о лед и ветра о воду отмечается хорошее согласование наблюдающихся и. рассчитанные величин стонов и нагонов, в тоже время использование в расчетах коэффициентов трения лстра о лед существенно превышающих коэффициент трения ветра о воду, как это рекомендуется в ряде работ, приводит к завышению величин колебаний уровня «оря;

- свободно дрейфующий ледяной покров не .оказывая существенного влияния на величины стонов и нагонов, может приводить к изменению эффективных сгомно-наI очных направлений на 25-30°;

- неподвижный дрейфующий лед или припай существенно уменьшают величину сгонно-нагонних колебаний уровня моря, а также трансформируют общую кар мшу

ленивеляшш уровенной поверхности, способствуя возникновению максимальных градиентов уровня в районе границы припая;

• как на кромке дрейфующих льдов, гак и на границе неподвижных льдов могут возникать локальные зоны повышенного или пониженного уровня, конфигурация которых в значительной степени определяется ориентацией кромки или границы относительно направления действующего ветра.

Третий параграф второй главы посвящен описанию процедуры обеспечения расчетов метеорологической информацией. Для расчетов используются последовательности нолей приземного атмосферного давления, рассчитываемые в Европейском Центре среднесрочных прогнозов погоды и передаваемые в коде GRID в узлах пятиградуенпй географической сетки с дискретностью 24 часа. Интерполяция атмосферного давления из узлов пятиградусной сетки в узлы расчетной области осуществляется с использованием алгоритма метода конечных элементов.' После чего производится расчет градиентов приземного давления и геосгрофического ветра. Для переход от геострофнчеекого ветра к приземному используются коэффициент трения и угол поворота рассчитываемые по эмиири-ческой зависимости, полученной в процессе калибровки модели:

W = k ,wB,

■ де к, = h = 0.25- 1.212W",

1 h + 1

u = 4126exp|-0.07Wg| -1127exp(-048W(,)

И четвертом параграфе второй главы приведены результаты расчетов значительных сгонно-нагонных колебаний уровня в арктических морях, формировавшихся в принципиально различных ледовых условиях:

1. сгон при полном отсутствии чистой воды и наличии хорошо развитого припая;

2 нагон при полном отсутствии чистой воды и наличии формирующегося припая;

3. нагон при обширном очищении ото льда акваторий, на когорых формировался нагон и отсутствии припая;

4. сгон при (|юрмировании ледяною покрова п припая и наличии относительно обширных зон чнеюй волы.

Анализ произведенных модельных расчетов пошоляет сделать вывод, что пре.тпо-жснная модель удов тстворительно воспроизводит характер непериодических колебании уровня при весьма широком спектре ледовых условий, что говорит об универсальности схемы, по)воляюшей применять ее лтя расчеюв колебаний уровня в арктических морях, как в летне-осенний так н в зимне-весенний периоды.

Для оценки степени влияния учета ледяного мкро&а И ЩУеДЛагаеМой НараМегриза-ции вынуждающих сил на качество расчетов сгоШМ-ийНМШЛХ килеОйНМЙ уроВИя моря были выполнены дополнительные расчеты, В которыч писанные выше Модели-

ровались без учета влияния ледяного покрова II с еТ\> ученом При зЛдапИИ таНИгИИйальных напряжений на поверхности воды льда в соответствии с Использовавшейся ранее методикой. Сравнение статистических оценок прошведемшх расчетн (1абл. I) Показывает, что степень влияния ледяного покрова на стошт-иаьоиные колебания уровня моря определяется характером распределения льда.

В зимне-весенниП период года, когда сплошной лед Покрывает всю акваторию расчетной области, а припай хорошо развит, ШШЯШ№ льда на сГонно-нагонные колебания моря довольно велико. Учет ледяного покрова мри Модельных расчетах в таких ситуациях позволил повысить качество расчетов на 60 - 804 по сравнению с расчетами (к.ч учета ледяного покрова. В периоды отсутствия припая И очищения ото льда обширных акваторий, на которых формируются сгонио-нагонные колебания уровня, учет ледяного покрова приводит лишь к незначительному улучшению статистически* оценок качества расчетов: приблизительно на 2 - 3%. В промежуточных ситуациях: КЙ1-ДЯ Ледяной покров занимает значительную часть акватории моря, а припай слабо разаи^ учет ледяного покрова при расчетах позволил повысить их качество на 20 - 25%.

В свою очередь степень влияния модифицированного метода расчета тангенциальных напряжений зависит от интенсивности атмосферных процессов. Различие в методах задания вынуждающих сил должно быть тем большим, чем больше градиенты атмосферного давления, а следовательно и скорость приземного ветра. Действительно, использование предлагаемого метода для расчета тангенциальных напряжений при модельном расчете в ситуации, когда максимальный барический градиент составлял около 2 - 2,5 мб/100 км, улучшило качество расчетов только на2-4%. В тоже время использование

пового метода для расчета сгонно-пагонных колебаний в случаях, когда барический градиент составлял около 3,5 мб/100 км. позволил повысить качество расчетов на 20 -25%, а при барическом градиенте 4 - 4,5 мб/100 км - на 30 -35%.

Таблица 1.

Сравнще.'ц.иая оценка качества молельных расчетов.

Ледов»,1е условия АРа Вариант Лф Ар |д| И К с

расчета

1 141 24.9 29.2 0 86 0.94

чистая вода отсутствует, припай хорошо развит 3.3 : 2 76 87 13.9 163 0.89 0.54

! * 73 11.4 13.9 0.88 0.45

1 1 178 32.2 40.4 0.89 1.08

чистая вода отсутствует, припай в стадии 3.8 2 109 129 20.0 25.1 0 85 0.46

формирования 3 98 162 20 8 0.82 0.37

133 13.6 17.4 0 94 0.34

обширное очищение ото льда. 2.3 | г И 7 131 133 169 0.94 0.33

припай отсутствует ! 5 128 129 16.2 0 93 0 32

» 178 23.5 30.7 0 86 0.78

преобладание дрейф) клнего льда. 4.4 2 ПО 144 19.5 25 5 0.88 0.63

припай слабо рашит 3 112 14.4 17.9 0 86 0.48

11римсчание:

Л1'д - фадиенг атмосферного давления (мб/100 км);

1 - расчет бет учет влияния ледяного покрова и с заданием тангенциазыюго напряжения по квадратичной ависнмоети;

2 - расче! с \ченп< ле;шно1о покрова и с тачанием шшешшалыюго напряжения по квадрашчной записичосш.

3 - рнечег с \чеюм влияния ледяного покрова и с шланнем ташенциатьного напряжения по ЖСМОНСНШ1.1 плиц'! |авнспмос1Н

- -

Таким образом, в совокупности учи г влияния ледяною покрова и моими чемд расчета тангенциальных напряжений позволяет повысить качество расчет:! для жемремать-ных сгонно-пагонных колебаний уровня при наличии раннпою ледяною покрова и сильных ветрах в 1.5-2 рача

13 пятом и шестом парафафах второй главы описана схема составления численною Пронина еюнно-нагонных колебаний/урония моря п нрннелены рстулматы ею жеперн-меитхп.ною использования.

Лналич результатов годичного никла диатносгичсскнч расчетом выполненных и соответствии с разработанной методикой. нокаич, что качество расчетов находится на высоком уровне: средняя абсолютная ошибка расчетов актанта У см, а для 111:1 чите.и-ных колебаний - 16 см. при этом наиболее удачные расчеты приходятся на период январь - ашуст, а менее удачные - на период сентябри - декабрь, что обусловлено акт тимпанней атмосферных процессов п зимний период года.

Дналит результатов прогностических расчетов, выполненных в 1492 - №5 п показал, что оправдываемое!!, прогнозов в значительной степени зависит от ¡аблаювречеино-сти и составляет 95% для прот ноюв заблагонрсменностыо до 2-4 часов. 80% - для прш ио-зов с заблаговременноегью от 24 до 48 часов и 70% - для прошозов с заблаювременно-стью ог 48 до 72 часов. 13 дальнейшем с увеличением заблаюврсмснносгн оправдываемого» понижается до 55 - 60% для прогнозов с максимальной заблаговременпостыо до 144 часов. И период июль - октябрь отмечается устойчивая тенденция к снижению он-равдываемостн прогнозов от июля к октябрю, что объясняется особенностями протнитрования нолей приземного атмосферного давления, использующихся для задания ¡юля вынуждающих сил.

13 третьей главе работы описаны и проанализированы условия вонтпкновення катастрофических нагонов, наблюдавшихся в море Лаптевых. Под катастрофическими нагонами в данном случае понимаются аномальные колебания уровня моря, при которых высота нагонов в 1,5-2 раза превышает высочу нагонов, наблюдающихся при сходном развитии синоптической ситуации. Легальный анализ катастрофических наюнов поиюля-ет предположить, что их аномальный характер является следствием проявления реюнанс-

НЫХ зффсКГОВ.

Иредетантенне о резонансном характере втаимодейетвия атмосферы и океана наш.тн широкое применение н работах, посвященных оксанолоитческнм проблемам дснпвслятйн| уроненном тювериюсти под депегипем метеорологических факторов, при этом и ряде раГнч непосредственно укатываемся па возможность резонансного усиления колебании уровня в енноппги-ском днанатоне частот вследствие атмосферного воздействия Однако, в прикладных исследованиях иод резонансным нзаимодеПст висм океана и атмосферы понимаемся только Отпоен, скоростей перемещения барических систем, порождающих длинные водны, и скоростей распространения свободных волн в море. Реального подтверждения ш.кможности возникновения резонанса как результата совпадения вынужден-ш.|\ и свободных колебании системы до нынешнего времени найдено не было. Анализ рашшня гидрометеорологических процессов, формировавших и сопровождавших катастрофические нагоны в море Лаптевых в октябре 1985 года и сентябре 1988 года, дает во'можпосп, предположить, что их причиной явилось совпадение периода колебаний атмосферного давления в циклонах, пытавших нагоны, с периодом собственных колебании бассейна моря

При катастрофическом нагоне, отмечавшемся в юго-восточной части моря Лаптевых в октябре 1985 года, уровень моря поднялся на 250 см выше средпенавигапиопных отметок, доетшнув наибольших отметок » 50-ти летний ряд наблюдений. Наиболее рельефно аномап.иость нагона, произошедшего в октябре 1985 года, проявляется при сопоставлении хода уровня в близкой по характеру синоптической ситуации, к которой может быть отнесен период 30 августа - 2 сентября 1977 года. Изменения суммарного барического градиента, отражающею степень напряженности поля приземного атмосферного давления над морем Лаптевых, и по величине и по продолжительности роста и падения в обеих ситуациях носят аналогичный характер. По сути дела единственным и главным отличием является присутствие в ходе суммарного барического градиента в 1985 году хорошо выраженных колебаний с амплитудой около 2 мб/60 миль и периодом близким к 12 часам.

Анализ хода приземного атмосферного давления, выполненный для отдельных станций, покатывает наряду с общим падением давления возникновение колебаний приземного атмосферного давления с периодом близким к 12 часам. Амплитуда этих колебаний явно зависит от расстояния до центра циклона: сели на станциях, расположенных в

непосредственной близости от центра циклона амплитуда составила около 5 м б, ю на станциях, отстоящих от центра циклона приблизительно на 300 км, амплитуда колебаний уменьшилась до 2 - 3 мб, а на расстоянии сосшплиошсм 600 км от центр;! циклона в но же время колебания атмосферного давления с периодом близким к 12 часам практически не ощущались. Изменение колебаний атмосферного давления позволяет предположив, что носят они не нульсационныП, а волновой характер. Колебания атмосферною давления, в свою очередь, естественным образом вьиывалн соответствующие шменення приземного ветра: проекция рег ионального ветра на эффективное сгошю-нагонное направление также изменялась с периодом близким к 12-ти часам и амплитудой около 2 м/с

Аналогичные колебания с 12 часовым периодом явно прослеживаются и в ходе уровня на станциях, расположенных в юго-восточной части моря Лаптевых. При этом можно утверждать, что никакого отношения к приливным колебаниям эти колебания не имеют, так как 9-10 октября 1985 года отмечалась квадратурная фаза прилива и реальная величина приливных колебаний составляла на этот период времени около 5 ем. Н свою очередь, 30 августа - 2 сентября 1977 года в ходе приземною атмосферного давления никаких колебаний с периодом близким к 12 часам не ошечено, а полусуточные колебания уровня моря, наблюдавшиеся в это время являются нормальным проявлением приливных колебаний, характерных для данного района.

Сопоставление колебаний уровня в 1977 и 1985 годах, расчет выполненный на основе физико-статистического и вышеописанного'численного метода, показывают, что при нормальном развитии процесса максимальная величина шш.ема уровня 9-10 октября 1985 гола должна была бы составить около 170-190 см, то есть полностью соответствовать подьему уровня на первой фазе нагона. Дополнительный рост уровня, приведший к превышению особо опасных отметок, может быть объяснен только наличием фактора, не фигурировавшего в нагоне 1977 года и не учитывающегося при физико-статистических или численных расчетах. Очевидно, что таким фактором являются колебания атмосферного давления.

Таким образом, наличие колебаний вынуждающей силы с периодом близким к 12-ти часам подтверждается анализом хода приземною атмосферного давления, а натпчне собственных колебаний с ' аналогичным периодом - результатами исследований

собавснных ко;!ебаиш1 \ровня Северного Ледовитого океана, в ходе которых для юго-воеючнон чаеш моря Лашсвик был определен ряд энергозначимых мод период одной из комрых составил 11.85 часов, то еаь пракшчсски совпал с периодом вынужденных колебаний, отмечавшихся 9-10 октября 1985 года.

К катастрофическим нагонам в южной части моря Лаптевых безусловно можно отнес 1 и наюн. отмечавшийся практически вдоль всего побережья моря в сентябре 1988 года. В »той (.иту.ямш величина подъема уровня на полярной станции Олимпийская, расположенной в устье Оленскской протоки реки Лены, в 1,5 раза превзошла максимум, зарег истрированный а предшествующий период наблюдений и в 2,4 раза - среднюю величину наб-иоданшнхея здесь максимальных нагонов. Анализ изменения приземного атмосферного давления по отдельным полярным станциям моря Лаптевых показывает присутствие колебаний с периодом близким к 12 часам и в этой штормовой ситуации.

И в октябре 1985 года и в сентябре 1988 года углубление циклонов связано с процессом регенерации барических образований, одно из которых развивалось над сушей, а другое над поверхностью моря, при чем колебания атмосферного давления с периодом близким к 12-ти часам возникали в момент объединения циклонических центров.

Необходимо отметить, что существование полусуточных колебаний атмосферного давления фиксировалось рядом исследователей, однако совершенно очевидно, чго выявленные в процессе анализа катастрофических нагонов, колебания атмосферного давления с периодом близким к 12-ти часам имеют другую природу. Во-первых, полусуточные колебания атмосферного давления носят регулярный характер, не связаны с барическими образованиями и считаются, на сегодняшний день, следствием термических солнечных приливов, в то время как выявленные колебания атмосферного давления носят не регулярный характер и явным обраюм связаны с процессом регенерации циклонов, во-вторых. максимальная амплитуда регулярных полусуточных колебаний составляет только около 1 мб и наблюдается в экваториальных районах, убывая по мере увеличения широты. в то время, как амплитуда колебаний давления, возникающих при регенерации циклонов достигает 5 мб.

Четвертая глава работы посвящена описанию метода учета колебаний уровня моря мри планировании морских операций.

Попроси оптимальной эксплуатации морского транспорта пепосрсдси-енио связаны с вопросами повышение уровня гидрометеоролог ического обеспечения и количественною учета природных факторов, влияющих на судоходство.

Одним ит аспектов данной проблемы является принятие решения об оптимальной га-грузке судов при проведении морских операций в мелководных районах. I рамотнос использование информации об ожидающихся колебаниях уровня моря в таких районах позволяет более полно использовал грутонодт.с'ыносп судов и нтбегал ддше.тьных проезоен, что в свою очередь приводит к существенному улучшению экономических показателей работы флота, сокращению непроизводительных расходов и повышению прибыли.

Алгоритм принятия оптимального решения в рассматриваемой ситуации строится на основе одною из методов исследования операций и сводится к определению времени необходимого судну для взятия оптимального количества труэа и движения до участка с лимитирующей глу биной.

При известном прогнозе колебаний уровня моря па участке с лимнптру юшнми глубинами процедура принятия оптимального решения о загрузке судна сводится к совмещению графика изменения осадки судна при погрузочно-разгрузочных операциях с трафиком ожидающихся колебаний уровня моря. При этом после построения трафика ожидающихся колебаний уровня моря на временной оси от момента принятия решения (и), сначала откладывается суммарное время, затрачиваемое на подготовку судна к выходу и море (Л!,) и движение по трассе (Д1д), после чего получив -новую точку начала отсчета времени (Г0), строится график шменения осадки судна, ось ординат которого проходит через 1'0, а ось абсцисс проводится через точку, соответствующую на графике колебаний уровня моря положению уровня на момент приня тия решения (1ти)(рнс. I).

Область решения данной задачи (рис. 1а) будет ограничиваться осью абсцисс графика изменения осадки, кривой колебаний уровня моря и |рафиком шменения осадки (АВМС), при чем оптимальному решению будет соответствовать точка М, проецирух которую из ось абсцисс можно получить расчетное время прибытия на участок с лимит рующими глубинами, а проецируя на ось ординат - получить величину оптимальной

1'нс. I. Графическос решение задачи определения оптимальней осадки судна при загрузке (а) и разгрузке (б) I - колебания уровня моря; 2 - трафик изменения осадки судна

осадки судна (Тш„), а следовательно и оптимальную величину груза, который можно взять на (>орг судна.

I) том случае, если уровень h<, оказывается выше максимального ожидающегося уроння, то прохождение судна через участок с лимитирующими глубинами будет возможно только при снятии с судна части груза. В этом случае, решение ищется в Виде анало-щчиом описанному выше, но используется не график увеличения осадки судна при нофузке, а график уменьшения осадки при разгрузке (рис. 16). Область решения задачи в мим случае будет ограничиваться фигурой MAB, при чем оптимальному решению будет соогветавовать точкаМ.

В качестве крайних случаев, которые могут возникать при решении задачи следует обратить внимание на ситуации, при которых график изменения осадки вообще не пересекает кривой колебаний уровня моря. Такая ситуация может возникать в двух случаях: во-первых, когда вся область существования графика изменения осадки, оказывается лежащей ниже графика колебаний уровня моря, и во-вторых, когда вся область существования графика изменения осадки оказывается лежащей выше графика колебаний уровня моря. Очевидно, что в нервом случае уровень не лимитирует осадку судна и судно можс! фузиться до предела своих возможностей. Но втором случае судно даже находясь

-19в балласте не сможет преодолеть участок с лимитирующими глубинами и нротнводство каких-либо операций с его участием на трассе не возможно.

Использование предлагаемого метода в сочетании с прогнозами, рассчшмваечычн по вышеописанной методике представляется целесообразным для тех участков трассы СМП. время движения по которым составляет одни, максимум двое суток. К таковым можно отнести трассы: п.Певек - р.Колыма с лимитирующим участком на баре р. Колымы, п.Тикси - р.Яна с лимитирующим участком на баре р.Яны, п.Тнксн - р.Индигирка с лимитирующими глубинами в районе пролива Лаптева и на баре р.Индпгнрка. а также бар Шайтанский, Турушннский и Лииатниконский перекаты для судов следующих по Енисею из Игарки и Дудинки на выход в Карское море.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы. которые состоят в следующем:

1. На основе адаптации двухмерной ледово-гидродинамической модели к фпшко-географпчсскпм условиям арктического региона разработана мепынка расчета сгонно-нагонных колебаний уровня в шельфовой зоне арктических морей, учитывающая влиянис ледяного покрова. Для реализации методики составлены универсальные пр<>< раичы Результаты тестовых расчетов, выполненных для годичною цикла, покати, чю качество расчетов находится на высоком уровне.

2. Предложена оригинальная методика расчета приводною ветра и тангенциального напряжения на Гранине раздела воздух-вода, воздух-лед Использование выведенных зависимостей при диагностических расчетах значительных сгонио-нагонных колебаний уровня привело к повышению качества расчетов па 25 - 35%.

3. С помощью численных экспериментов проанализировано влияние ледяного покрова на формирование сгоино-нагониых колебаний уровня в арктических морях. Показано, что влияние свободно дрейфующего льда на сгонно-нагониыс колебания уровня выражается в изменении эффективною егонно-наготшого направления, в то время как припай или дрейфующий лед. прижатый к берету, не только уменьшают величину колебаний уровня, но и качественно шмеияют картину рельефа уроненной поверхности Продемонстрировано, чго в определенных ситуациях учет влияния де.'ипюго покрова при расчетах сгонно-иагонпых колебании уровня моря пошоляст повысить их качество на 60

-20- 80% по сравнепшо с расчетами бет учета ледяного покрова

4. Предложен метод численного прогноза сгонно-нагонных колебаний уровня, учитывающий влияние ледяного покрова на их формирование и развитие. Экспериментальная жеплуатация метода в течение 1992 - 1995 годов показала его высокую эффективное!!.. Средняя онравдываемость прогнозов для прибрежных станций морей Сибирского шельфа заблаго временностью до 3 суток составила 89% при оценке по допустимой ошибке и 86% при оценке по знаку, прогнозов заблаговременностыо до 6 сую к - 80%, как при оценке по допустимой ошибке, так и по знаку. При 'этом качество прогнозов сильно зависит ог заблаговременное™ : онравдываемость прогнозов на первые сутки составляет в среднем около 95% и уменьшается приблизительно на 5 - 10% на каждые следующие cyiкп прогноза. В 1995 г. метод прошел производственные испытания и внедрен в практику оперативной работы прогностических подразделений ЦЛГМИ ДАНИИ в качестве основною.

5. Показано, что катастрофические нагоны в море Лаптевых являются следствием совпадения вынужденных и свободных колебаний бассейна, го есть имеют резонансную природу своего происхождения.

6. Обнаружены полусуточные колебания атмосферного давления, возникающие, при регенерации окклюдированных циклонов и распространяющиеся в виде волны с амплитудой, убывающей но мере удаления от центра циклона.

7. На основе методов исследований операций разработан алгоритм, позволяющий оптимальным образом использовать уровенную прогностическую информацию при планировании и проведении морских операций в мелководных районах.

СП И СОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПОТПМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Ашик И.М. Методическая схема составления птдромстеороло-т нческнх промю-зов и результаты ее использования. - Тр./ААНИИ, 1991. т. 424, стр. S6 - 95.

2. Ашик И.М. Оперативное уточнение прогностических зависимостей при гидрометеорологическом обеспечении народного хозяйства. - Актуальные проблемы океанологии. Тезисы докладов на I Всесоюзной школе-семинаре. Л.: Гидромегеотдат, 1987. е. 105- 106.

j. Ашик И.М. О резонансной природе катастрофических нагонов в море Лаптевых. -Метеорология и гидрология, в печати.

4. Ашик И.М. Численные прогнозы колебаний уровня моря п сплоченности льдов ii морях Лаптевых и Восточно-Сибирском. - В сб.: Научные результаты экспедиции ЛАПЭКС-93. - С.-Петербург: Гндрометеоиздат, 1994, с. 199-209.

5. Ашик И.М. Численные расчеты н прогнозы колебаний уровня, течении и дрейфа льда на шельфе арктических морей России. - В сб.: Освоение шельфа арктических морей России. Тез. докл. И Международная конференция. 1995. с. 166-167.

6. Ашик И.М. Численные расчеты и прогнозы колебании уровня, течении п дрейфа льда на шельфе морей западного сектора Арктики. - "Навигация и гидрография", в печати.

7. Ашик И.М., Ванда Ю.А., Макаров К.И. Оперативное гидрометеорологическое обеспечение нефтегазодобычи на шельфе арктических морей России. - В сб.: Освоение шельфа арктических морей России. Тез. докл. И Международная конференция. 1995. с. 142.

8. Ашик И.М., Ванда ЮЛ, Двормш E.H., Иоваков A.B. Численные расчеты и про. птозы сгонно-нагонных колебаний уровня в арктических морях с учетом влияния ледяного покрова. - В сб.: Итоговая сессия Ученого совета АЛ11ИИ по результатам работ 1994 г. Тез. докл. - С.-Петербург, 1995, с. 30-31.

9. AuiiiK И М., Андрющепко В.И., Ванда Ю.А., Дворкин Е.Н., Новаков А.В. Мепйы про: nota уровня арктических морей. - П сб.: Итоговая сессия Ученого совета ААНИИ по результатам работ 1995 г. Тез. докл. - С.-Петербург, 1995, с. 43-44.

10. Лшик И.М., Ванда Ю.А.. Дворкин Е.Н., Новаков А.В. Совершенствование методов прогноза колебаний уровня арктических морей. - В сб.: Итоговая сессия Ученого сонета ААПИИ по результатам работ 1996 г. Тез. докл.-С.-Петербург, 1996, с. 12-14.

11. Лшик И М., Гузионтов Л.Г. Учет изменчивости связсй при построении линейных прогностических моделей. - В сб.: Ледовые прогнозы и расчеты. Тез. док. на Всесоюзном совещании 24-26 октября 1984 г. - Л.: ААПИИ, 1984. с. 8.

12. Лшик И.М., Прошугинский А.Ю., Степанов В.А. Некоторые результаты и перспективы численных прогнозов сгонно-нагонных колебаний уровня арктических морей. -Метеорология и гидрология, 1989, N 8, с. 74 - 82.

13. Ashik l.M. Numerical Forecasts of Surge Fluctuations of the Kara Sea Level. -Scientific Seminar "Nature Conditions of the Kara and Barents Seas", St.Peterburg, Russia February 28 - March 2, 1995, Pari "Physical oceanography", p. 3.

14. Ashik l.M. Numerical Prediction of Sea Surges and Ice Conditions in the Laptev and the Hast Siberian Sea. - Bcrichte zur Polarforschung, He ft -Nr. 176/1995. Russian-German Cooperation: Laptev Sea System. - 1995. - p.47-54.

15. Ashik l.M., Vanda Yu.A. Catastrophic Storm Surges in the Southern Part of the Laptev Sea. - Berichte zur Polarforschung, Heft -Nr. 176/1995. Russian-German Cooperation: Laptev Sea System. - 1995. - P. 43 - 46.

16. Ashik I.M.,Vanda Yu.A. Uniform Hydrological Regions of the Kara Sea and theire Regime Characteristics. - Scientific Seminar "Nature Conditions of the Kara and Barents Seas", St.Peterburg, Russia February 28 - March 2,1995, Part "Physical oceanography", p. 2.

17. Ashik.l.M., Vanda Yu.A., Dvorkin Ye.N. Extreme Oscillations of the Laptev Sea Level - Third Workshop on Russian-German Cooperation. Laptev Sea System. October 16-19, 1996, St.-Petcrburg, Russia, p. 32-33.