Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Среднесрочный прогноз ледовых условий на неарктических морях Европейской территории

ВАК РФ 11.00.08, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Среднесрочный прогноз ледовых условий на неарктических морях Европейской территории"

КОМИТЕТ ПО ТВДРОМЕГЕОРОЛОГИИ И МОНИТОРИНГУ ОКРУЖАЩЕЙ СРЕДЫ МИНИСТЕРСТВА ЭКОЛОГИИ И ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ НАУЧНО-ИССВДОВАТЕЛЬСКИЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

На правах рукописи УДК 55Г.467.03

АНДРЕЕВ Михаил Дмитриевич

СРЕДНЕСРОЧНЫЙ ПРОГНОЗ ЛЕДОВЫХ УСЛОВИЙ НА НЕАРКГИЧЕСКИХ МОРЯХ ЕВРОПЕЙСКОЙ ТЕРРИТОРИЙ

Специальность 11.00.08 - океанология

Автореферат диссэртадаи на соискание ученой степени кандидата географических наук

Москва - 1992

Работа выполнена в Гидрометеорологическом научно-исследовательском центре Российской Федерации.

Научный руководитель -

доктор географических наук, профессор К.Ц.Васвчьев.

Официальные оппоненты:

доктор географических наук, профессор А.Н.Косарев (Московский х'осударстванный университет, кафедра океанологии), кандидат физико-математических наук В.В.Елисов (Государстве шй океанографический институт).

.Ведущая организация -

Дальневосточный региональный научно-исследовательский институт.

Защита состоится " /6" 1992 г. в часов на

заседании специализированного совета К.024.05.СИ в Рвдромотворолс гическом научно-исследовательском центре.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печать оросим направлять по адресу I23242, Москва, Б.Предтеченский, 9-15 - Гидрометцентр.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Гидраметцена Автореферат разослан " СиС/ 1992 г.

Ученый секретарь Сиоциализирооанного совета кандидат географических наук

КЛ1. Полякова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИК РАБОТЫ

Актуальность темы. Прогнозы элементов ледового режима на неарктических морях играют важную роль в обеспечении безопасности и эффективности работы судов морского флота в условиях круглогодичной навигации. Каждый год сроки появления льда и очищения морей ото льда меняются в довольно широких пределах. В соответствии с условиями погоды в отдельные годы как появление льда, так и очищение морей ото льда может происходить раньше средних сроков, а в другие наоборот, позже. Поэтому, период бе.:ледоксяьной навигации в одни годы бывает более продолхитальньм, а в другие менее продолжительным. Так, например, в Финском заливе, как показывают многолетние наблюдения, разница в продолжительности беэледокольной навигации в различные годы достигает 103 дня, т.е. 3,5 месяца. Это обстоятельство не может не сказываться на общем объеме перевозок ^узов и должно учитываться при планировании морских операций.

В настоящее время разработаны в используются в оперативной работе Методы краткосрочных (на 1-3 суток) и долгосрочных (более I месяца) прогнозов ледовых условий, и не составляются прогнозы на средние сроки (на срок более 3 суток). Отсутствие до недавнего времени метеорологических прогнозов с заблаговремешюотью более трех суток йе позволяло перейти к разработке методики среднесрочных прогнозов ледовых условий, практическое значение которых в последнее время неоценимо возросло.

В связи с тем, что в последние годы начато регулярное составление прогнозов температуры воздуха с заблаговременкостыо до 7 суток, появилась возможность создать метод среднесрочного прогноза Ледовых условий ва неарктических морях СНГ. Это, в конечном счете,

позволит подойти к созданию оперативной системы последовательного выпуска прогнозов различной за&лаговременности.

Цель работы состоит в той, чтобы на основе статистического анализа данных наблюдений за элементами ледового режима и данных среднесрочного метеорологического прогноза температуры воздуха на срок более 3 суток разработать метод среднесрочного прогноза ледовых условий на неарктических морях СНГ с заСлаговременностыо до

у

10 дней, (допустимой погрешностью +2 дня) и тем самым восполнить существующий пробел между долгосрочными и краткосрочными прогнозами ледовых условий.

Научная новизна и практическая ценность

Полученные в диссертации результаты позволяют повысить эффективность обеспечения морских операций за счет внедрения нового вид; прогноза ледовых условий,

- Разработана методика определения интервала времени, необходимого для осреднения температуры воздуха, значение которой наиболее достоверно характеризует температуру воды в конце интервала;

- Получена зависимость между температурой воды в день перехода тем лературы воздуха через 0° и средней температурой воздуха за некото рый предшествующий интервал времени;

- Установлена принципиальная возможность увеличения (до 10 суток) забдаговременности прогноза элементов ледового режима за счет использования прогноза погоды на 7 суток по дням.

Практическая ценность данной работы заключается в том, что впервьэ получены прогностические зависимости, позволяющие с забла-говременностью до 10 суток составить прогноз появления льда, очищения моря ото льда и нарастания толщины льда.

Методы исследования. Решение поставленных в работе задач про водилось с использованием традиционных статистических методов. При

сследовании временных рядов характприсгик ледового режша применя-ись методы корреляционного и спектрального анализа. Достоверность рогнозов оценивалась по методикам, рекомендованным Наставлениями о службе морских гидрологических прогнозов (раздел 3, часть Ш, 982 г.).

Апробация работа. Результаты, приводимые в диссертации, до-ладывались на конференциях молодых ученых Гидрометцентра в 1986, 987 и 1988 гг. Всесоюзной конференции "Морские льда и хозяйствен-ая деятельность на шельфе", Мурманск, 1989 г.

г

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введе-ия, трех глав, заключения, списка литературы и приложения.

Объем диссертация составляет 151 страницу, включая список итературы из 44 наименований, 49 таблий и 3 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность теш, сформулированы аль и основные задачи исследования, его новизна и практическая зачимость, дается характеристика исходных данных.

В первой главе дана характеристика ледового режша морей, швавдих Европейскую территорию, и источников используемых в ра-эте данных.

Ледовый ражим этих морей отличается большой внктригодовой и зжгодоврй изменчивостью.

Формирование ледовых явлений происходят под воздействием дотационных условий (поступления солнечной энергии и потерь тепла »средством эффективного излучения), а также метеорологических ус-)вий, связанных с атмосферными процессами над Европейской терри->рией.

Влияние атмосферных процессов может непосредственно проявить ся в виде тепловых, и динамических воздействий, под влиянием тепловых - лед может образовываться или разрушаться (таять), лод влияни еы динамических - перераспределяться, т.е. перемещаться, сплачиват ся, разрежаться, тороситься, наслаиваться, образовывать разводья.

Ледовый режим морей, омывающих Европейскую территорию очень разнообразен: если на Баренцевом море ледяной покров или плавучий лед сохраняется в течение всего года, то на Черном море лед может появляться лить на несколько зимних дней.

Режимные данные в системе гидрометеорологического обеспечена морских отраслей народного хозяйства играют важную роль. Они широк используются лри составлении долговременных планов проведения рабо в море, с их помощью можно определять для данного моря, района, по та, гидрометеорологические характеристики на любой сезон, а при на личии вероятностных характеристик - и с любо! обеспеченностью.

В описании ледового режима наш использовался 35-летний ряд найявдений (1950-1985 гг.) над ледовыми явлениями, на основании ко торых даны общие сведения и полученные наш впервые вероятностные характеристики продолжительности ледового сезона, средние и крайни даты ледовых фаз, переходов температуры воздуха осенью и весной че рез 0°, толщины льда, ледовитости и повторяемости зим по суровости ледовых условий.

Следует отметить,'что используемый ряд наблюдений более досз верно отражает влияние антропогенных факторов на ледовый режим морей. Шли использованы данные гидрометеорологических наблюдений, опубликованные в следующих пособиях:

I. Морские гидрометеорологические ежегодники (часть П) за 1950- 1962 гг.

И. Морские гидрометеорологические ежемесячники за 1961-1975 гг.

Климатические справочники по морям.

Гидрометеорологические данные наблюдений, полученные от морских УПСС за 1950-1987 гг.

Ежедневные гидросиноптическиэ карты морей Европейской территории, отдела морских гидрологических прогнозов Росгидрометцентра за 1950-1987 гг.

Таблицу средней месячной температуры воздуха по 120 станциям под редакцией А.И.Неушкина, Обнинск, 1985 г.

В качестве примера здесь мы приводим описание ледового режима овского моря в порта Мариуполь, с учетом статистических характерис-к элементов ледового режима. Аналогично представлен материал и по ренцеву, Белому, Балтийскому, Черному и Каспийскому морям.

В Азовском море лед образуется ежегодно. В зависимости от су-вости зимы море бывает то полностью или большей частью покрыто дом, то почти свободно ото льда. Резкие изменения погодных уело-й в течение ледового сезона приводят к нарушению нормального раз-:тия ледяного покрова, когда образовавшийся лед разрушается, исче-ет и вновь образуется.

В начале ноября лед появляется в северо-восточных и северных йонах моря, затем распространяется на западную часть (середина ября) в позже появляется в южных районах моря (конец ноября). В висимости от характера зимы продолжительность ледового сезона леблется в значительных пределах: в экстремально суровые зимы одолжительность ледового сезона у Таганрога достигает 162 дня, экстремально теплые зимы 66 дней, в нормальные 116 дней. В то же 1вмя в районе Мариуполя продолжительность ледового сезона колеб-тся от II до 152 дней, а в районе Керчи от 0 до 148 дней. Наиболь-го развития в наибольшей толщины лед достигав? в конце февраля.

Толщина льда в это время, в суровые зимы, достигает в Таган-

роге 80 см, Мариуполе - 70 см, Карчи - 45 см. Колебания уровня моря и частая повторяемость штормовых ветров приводят к торошению ле дяного покрова и дрейфу льда.

В конце февраля, начале марта, лед начинает таять и разрушаться. Период освобождения моря ото льда имеет различную продолжи тельность в разных районах моря. Очищение моря ото льда происходи в марте-апреле с колебаниями с февраля по май, зависящими от суровости зимы. Чаще всего первыми очищаются ото льда юго-восточные районы моря (Темрюк, 20 марта). Во второй декаде марта очищается Керченский пролив, а в конце марта - Таганрогский залив.

Мариуппль. Появление льда на акватории порта наблюдается в середине декабря (ранее появление - 08.XI, позднее - 06.Ю, и к началу января акватория порта покрывается льдом, толщина которого достигает 10-15 см (мин. - 5, макс. - 27 си). Интенсивное судоходство л работа ледоколов препятствует образованию припая, поэтому акватория порта покрыта битым торосистым льдом, который при вторжении арктических масс воздуха смерзается. В течение января, февраля толщина льда нарастает на 3-5 см от декады к декаде и в начале марта достигает максимальной величины - 70 см (вдн. - 7, сред. - ЗВ см). На фарваторе, вследствие работы ледоколов и плавания судов, образовавшихся подсовов, наслоений и торосов толщина нагроможденного льда достигает 1,5-2,0 метра. Разрушение льда начинается в третьей декаде февраля и в нормальные зимы акватория порта в конце марта очищается ото льда (раннее очищение - 19.П, позднее -16.1У). Продолжительность ледового сезона в среднем составляет 100 дней (мин. - 10, мако. - 152 дня). Повторяемость экстремальных тяжелых ледовых условий - 21%, легких - 26$.

Обеспеченность дат перевода температуры воздуха (Ъа ) через 0°С (осень, весна); первого появления льда и очищения моря ото льда; деловитости по г. Мариуполю (в %)

Число ¡Самая 1 Сред-!,Самая !

,лет ¡ранняя,няя позд- ;-г

¡набл!>-;1мин.); ¡няя } о 7 •

Даты (ледовитость)

Обеспеченность на:

•дешхй

; (макс.);

-1-1-1-1-1-

5 /. !10 % !25 % !50 % !75 % ¡90 •/.

"Г

4 { 5 | 6 \ 7 | 8 | 9 } 10 • П } 12

-1-1-

!95 ! 98 %

I I

а

»1.2

13

I. Даты перехода температуры воздуха ( "Ь-о. ) через 0°С

1) осень 38 23.1 5.Ш 2.П 25.Х 29.Х 21.Я Г.Ш 6ЛП 7.1 13.1 2?.1 2.П

2) весна 38 1.1 6.Ш 31 .Ш 1.П 14. П 18.П 1.Ш З.Ш 14.Ш 23.Ш 25.Ш 31.Ш П. Даты первого появ-

ления льда 38 8.Х1 15.ХП 6.П 8.П 20.Х1 21.Х1 29.П 15.ХП 25.Ш 1.1 28.1 6.И

Ш. Даты окончатально-го очищения ото

' льда 38 19.П 21.111 16.17 20.П 1.Ш З.Ш 13.Ш 22.Ш 27.Ш 6.1У 11.17 15.1У

38 3 63 100 3 4 13 37 70 92 100 100 100

1У. Ледовитость

0

1

7олшна лъха (в ел)

Пункт

Мариуполь

;Число Месяц Таланта. льда ; Толщина льде обеспеченная на:

(лет ¡насл&-гений .•¿аксз- | сальная | 1 2 52! 1 5 < 1 ¡10 1 5» ¡50 л | 1 ¡75 1 90 ¡95 % 1 ¡96 % 1

14 з ■ 4 15 27 4 4 4 6 ■15 20 26 27 27

23 I 4 18 32 2 4 5 6 18 22 26 30 32

25 ■I 2 4 20 36 2 4 6 12 19 27 35 35 36

28 3 4 24 44 4 5 7 15 21 37 40 42 44

32 I 6 30 57 6 8 10 20 29 34 44 55 57

30 • Л 2 6 31 61 6 6 II 23 32 35 47 57 61

27 3 Г7 1 32 66 , 7 8 14 24 32 41 52 56 66

26 I 7 38 70 7 9 16 26 38 46 57 57 ; 70

18 Л 2 6 33 60 с 15 18 33 33 44 49 52 60

Повторяемость гям по суровости ледовых условий (в %)

Число лет найшдешй

36

Экстремально ( легкие легкие | л

Нормальные

Тяжелые

Экстремально тяжалые

Чесло ¡Повторяв-; Число |Повторяе-| Число ¡Повторяв-] Число |Повторяе-| Число |Повторяе-

случаев|мость в %\случаев¡иость в %;случаев[мость в случаев¡мость в л>\случаев¡мость в к

26

12

32

21

21

Во второй главе "Физические основы прогнозов ледового режима" рассматриваются факторы, формирующие ледовый режим моря, и пути их гчета. Материал, представленный в данной главе, изложен по имеющей-хя литературе.

Все изменения ледовых условий в море тесно связаны о состоящем погоды и имеют в большинстве своем сезонный характер. Поэтому, хля изучения ледовых условий и научного их предсказывания необходи-ю располагать одновременными данными гидрологических и метеороло-таческих наблюдений, достаточно точно знать степень влиятия на них сак метеорологических, так и гидрологических факторов, а также пра-зильно их определить.

Ледовые условия моря являются следствием тепловых и динамических процессов, протекающих в море. Поэтому формирование ледовых ус-ювий в море следует рассматривать как единый процесс теплового и данамического взаимодействия между атмосферой, гидросферой и ледя-шм покровом. Следовательно, ледовые прогнозы есть область прилше-шя метеорологии, физийи моря и физики льда. Комплекс этих дисцип-гин и составляет научную основу ледовых прогнозов.

Многогранность процесса ледообразования а необходимость учета ¡ольшого числа гидрологических и метеорологических факторов, влкя-ше а роль каждого из которых недостаточно изучена, делян? задачу »заработка прогностических зависимостей я расчетных уравнений слож-юй. Поэтому в настоящее время исследователи вынуадены в методах [рогво^ов основываться ва приближенных зшшрическаж зависимостях ) физической точки зрения не всегда достаточно обоснованных.

Прогноз сроков появлений льда. Срояй первого появления льда ¡вязаны о датой перехода температуры воды через точку замерзания, ¡ели принять, что в период появления льда вертикальный я гориаон-•альный градиенты температуры воды равны йулй, то составление прог-

ноэа срокоа появления льда может быть сведено к следующему. Вычисляется количество тепла 0. , теряемое единицей водной поверхности при ее охлаждении от температуры , которую она имела в день

перехода температуры воздуха через С°С, до температуры замерзания 1°

С ^Я •

о о

Расчет ведется по формуле: 0. =сН (1 - -Ь^ ) , где с -теплоемкость вода; Н - глубина моря.

о

Так как температура замерзания "Ь^ меняется мало и зависит от солености, то можно полагать, что количество тепла О. зависит от температуры воды в день перехода температуры воздуха че-

рез 0°С и глубины моря Н, Интенсивность отдачи тепла водной поверхностью зависит от суммы 2 отрицательных температур воздуха после перехода ее через 0°С. Имея это ввиду, можно установить, какова должна быть сумма отрицательных температур воздуха 2 после перехода температуры воздуха через 0°С, яри извеотнод теплосодержании 0. в момент перехода температуры воздуха через 0°С, до начала ледообразования.

Зная 2 необходимую для образования льда и прог-

ноз среднесуточных температур воздуха на несколько дней вперед, после перехода ее через 0°С, легко определить дату появления льда.

Расчет толщины льда. Нарастанию толщины льда посвящено много теоретических и эмпирических исследований, на основании которых разработаны методы расчета толщины льда. Причем, основным фактором, который учитывается во всех методах расчетов, является температура воздуха (сумма градусо-дней мороза).

Из эмпирических методов, основанных на учете 2 1й) наиболее широко используется в оперативной практике зависимость, полученная Н.Н.Зубошш Ьр = -25 + V (25 +ЬН )* + В 2(4°),

где К0 - расчетная толщина льда; Ь - начальная толщина льда; г и

2 сумма градусо-дней мороза.

Наряду с эмпирическим подходом к решению задач.ч расчета толщины льда большое внимание уделялось теоретическому обоснованию и установлению зависимости между гидрометеорологическими параметрами, обуславливающими процесс нарастания льда.

Процесс нарастания льда очень сложный и зависит от многих параметров, поэтому теоретические методы, разработанные на основании решения уравнения теплопроводности снега и льда при различных упрощениях и допущениях, давт примерно одинаковые результаты мало отличающиеся от результатов, полученных по эмпирическим зависимостям.

В оперативной практике теоретические расчетные зависимости широкото применения не получили в силу отсутствия необходимых данных наблюдений. Учитывая также состояние дел в отношении методической базы по прогнозированию нарастания толщины льда, нами на основе анализа данных наблюдений за 1950-1988 гг. были получены новые расчетные зависимости, позволяющие определять величину нарастания толщины льда в основных портах морей, расположенных на Европейской территории.

Прогноз очищения. Прогноз очищения моря ото льда строится на основании знания максимальной толщины льда СКтах). которая наблюдалась к началу таяния и количества тепла (V/ ). необходимого для очищения моря ото льда.

Для определения количества тепла, необходимого для очищения моря ото льда, по материалам наолвдений отроятся графические зависимости суммы положительных температур воздуха 2 (-1°) после устойчивого перехода температуры воздуха через 0°С, веобходшой для очищения моря ото льда душ данной тсищины льда, т.е.М =

Величина (+'Ьа) может быть рассчитана по прогнозируемой температура воздуха и та« самым определена дата, к которой накопится необходимое количество тепла для таяния льда, т.е. дата очищения моря ото льда.

В трэтьев главе исследуются возможности разработки методов среднесрочного прогноза сроков появления льда, очищения моря ото льда, расчета нарастания толщины льда и приводятся полученные статистические зависимости для составления среднесрочных прогнозов.

По характеру воздействия на ледовые условия все факторы, как у&е говорилось, моано подразделить на тепловые и динамические. К первым относятся процессы, обуславливающие тепловой баланс моря. Главными из динамических факторов являются ветер и течения, а для отдельных районов существенную роль играют колебания уровня моря и волнение.

Даты ледообразования, даты взлома припая, толщина льда определяются главным образок тепловыми факторами. Однако нередко они подвержены сильному влиянии динамических факторов. Динамические факторы определяют в основной дрейф льдов и их перераспределение в море, однако в ряда случаев динамические факторы не только перераспределяют льды, но в способствуют увеличению общей ледови-тооти моря и образования льда. Такое явление наблюдается, например, при многодетном появлении льда, когаа образовавшийся лед в результате дрейфа ветром или течениями выносится в другие районы моря. Динамические факторн: могут вызвать также более раннее или белее позднее замерзание или вскрыгяе моря.

Учитывая это, для разработки ладового прогноза недостаточно знать какие фактодо 'определяют режим того или иного явления вообще. Для этой цели необходимо определять, какие факторы будут главными,для развития данного явления в данное время в в данном районе.<

5. Подучены прогностические зависимости, позволяющие с за<5ла-говременностыо до 10 дней составлять прогнозы появления льда и эчицения моря ото льда.

6. Установлены новые эмпирические связи для основных портов иорей, омывающих ETC, позволяющие рассчитать нарастание толщины чьда на ближайшие ID дней.

Разработанные прогностические зависимости в течение 3-х лет, проходили оперативное испытание в Отделе морских гидрологических прогнозов Гидрометцентра СССР и дали следующие результаты: оправ-цываемость выпущенных прогнозов дат первого появления льда в среднем составляет 89%, дат очищения моря ото льда 84%, расчета толщины льда 92$.

По теме диссертации опубликованы следующие работы: [. Андреев М.Д. Ледовый режим на неарктических морях ETC. М., 1989. - 56 с. - Деп. в ВНИИШИ-ВД 04.04.89, Я 893.

2. Андреев М.Д. Среднесрочный прогноз сроков появления льда, очищения моря ото льда и толщины льда. М., 1990. - 20 с. - Деп. в ВНИИШИ-МЦЦ, 10.07.90, A I0II.

3. Андреев М.Д., Красюк B.C. О гидрометеорологическом обеспечении зимней навигации в Антарктиде 1J Метеорология и гидрология. -1988. -ЛИ. - С. 124-126.

4. Андреев М.Д., Красюк B.C., Пономарев В.Н., Прохорова Т.М. Морские льды и хозяйственная деятельность на шельфе. Прогнозы ледовых условий на неарктических морях СССР // Тез. докл. Всесоюз. науч. конф. 24-27 октября 1989. - Мурманск, 1989.