Статистический анализ и вероятностные расчеты сгонно-пагонных колебаний уровня внутренних водоемов

Соломонова, Ирина Владимировна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Статистический анализ и вероятностные расчеты сгонно-пагонных колебаний уровня внутренних водоемов
ВАК РФ 25.00.27, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Статистический анализ и вероятностные расчеты сгонно-пагонных колебаний уровня внутренних водоемов"

ИНСТИТУТ ВОДНЫХ ПРОБЛЕМ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи

СОЛОМОНОВА ИРИНА ВЛАДИМИРОВНА

СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ И ВЕРОЯТНОСТНЫЕ РАСЧЕТЫ СГОННО-НАГОННЫХ КОЛЕБАНИЙ УРОВНЯ ВНУТРЕННИХ ВОДОЕМОВ

25.00.27 - Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2004 г.

Работа выполнена в Институте водных проблем Научный руководитель:

РАН

проф., доктор технических наук Д.Я. Раткович

Официальные оппоненты: проф., доктор технических наук

Ю.П. Правдивец

кандидат технических наук М.А. Волынов

Ведущая организация: Государственный океанографический институт

Защита состоится «/У» июня 2004 г. в у т часов на заседании Диссертационного совета (Д.002.040.01) в Институте водных проблем РАН по адресу: 119992 Москва, ГСП-1, ул. Губкина, 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института водных проблем РАН.

Автореферат разослан «■/У» 2004 г.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенные печатью) просим направлять по адресу: 119991 Москва, ГСП-1, ул. Губкина, 3, Институт водных проблем РАН, ученому секретарю Диссертационного совета Д.002.040.01, факс 135-54-15

Ученый секретарь диссертационного совета, д.г.-м.н.

Р.Г. Джамалов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Исследования сгонно-нагоных колебаний уровня в устьях рек и проточных водоемов имеют важное практическое значение и им посвящено большое количество работ. Так проблемой исследования южных и дальневосточных морей занимались Каракаш А. И., Кан СИ.; арктических морей - Корт В.Г., Алексеев Г.В.; моря Лаптевых - Мустафин Н В. и др. В начале 60-х годов XX в. Шереметевская О.И. предложила методику, которая применяется в оперативной практике на Каспийском и Балтийском морях. В Гидрометцентре Овсиенко С.Н., Рыбаком Б.Х. и Гетманом И.Д. разработаны численные методы прогноза штормовых нагонов для Белого, Балтийского, Черного, Азовского и Каспийского морей, которые базируются на численном интегрировании уравнений мелкой воды и различаются между собой способами учета донного трения, используемой информацией и методом аппроксимации. Проблемой исследования сгонов и нагонов в устьях рек занимались Михайлов В.Н., Скриптунов НА. и другие.

Наибольшие сгоны и нагоны происходят у берегов с пологим подводным склоном, в длинных, постепенно сужающихся заливах, в узких проливах и в устьях рек (пролив Ла-Манш, залив Таганрогский, Финский, Обская губа и др.). В таких местах изменения уровня моря вследствие сгонов и нагонов достигают 5 м. Сильные наводнения, обусловленные нагонами вод с моря, известны на побережьях Нидерландов, Бельгии, Великобритании, в устьях Невы, Темзы и др. Скорость изменения уровня моря при значительных сгонах и нагонах достигает десятков сантиметров в час, а продолжительность явления колеблется от нескольких часов до 2-3 суток.

Меньшее число работ посвящено проблеме изучения сгонно-нагонных явлений на внутренних водоемах и озерах. Тем не менее, последствия проявления этих процессов на них не менее важны (например, на Каспийском море в прошлом наблюдались нагоны более 4 м). Актуальность данной работы постоянно растет в связи с интенсивным освоением побережья внутренних водоемов.

Во многих случаях при рассмотрении сгонно-нагонных явлений ограничиваются анализом материалов по отдельным пунктам или нескольким пунктам того или иного водного объекта. К настоящему времени накопилось значительное количество материалов, позволяющих перейти к более полному обобщению характеристик режима сгонно-нагонных явлений. В данной работе только по Каспию число пунктов наблюдений достигает 22, а средняя длительность составляет 52 года. Длительность имеющихся наблюдений составляет в среднем на Азовском море - 84 года, на Аральское море - 38 лет, на Онежском озере - 30 лет, на Балхаше - 35, на Ладожском оз. и на Гуроне — 27 лет. Так как по некоторым озерам длительность наблюдений не превышает 30 лет, то по этим водоемам результаты можно рассматривать как предварительные. В работе для анализа были выбраны внутренние водоемы, так как они не подвержены приливно-отливным колебаниям.

Некоторые задачи (например оценка изменения режима колебаний уровня при трансформации побуждающих процессов, в частности синоптической ситуации, или при изменениях фонового уровня водоема под воздействием антропогенных нарушений его водного баланса) могут решаться только физико-математическими методами. Особо важное значение эти методы приобретают при определения величин нагонов и сгонов на участках побережья, для которых данные наблюдения либо отсутствуют, либо имеют малую длительность; при проектировании сооружений на морской акватории (например, связанных с нефтедобычей) а также при расчете частей акваторий (например - намечаемых к ограждению)

С практической точки зрения, часто бывает важным оценить вероятность воздействия уровня моря на тот или иной хозяйственный объект, расположенный в прибрежно-шельфовой зоне Здесь, учитывая наличие длительных рядов наблюдений, более хороший результат может обеспечить использование статистического анализа материалов наблюдений и стохастических моделей исследуемых процессов. Часто такое воздействие (затопление, подтопление объектов, осушка) приводит к нанесению ущербов для окружающей среды.

Дело в том, что высота нагона (сгона) заданной вероятности может формироваться при различных сочетаниях скорости, направления и продолжительности ветра Для корректной композиции указанных факторов нужна достоверная информация о типах распределения вероятностей и статистических параметров (включая характеристики взаимной корреляции) всех факторов, формирующих синоптическую ситуацию, ее изменчивость и т. п

Без статистической информации о вероятностях тех или иных сгонно-нагонных изменениях уровня невозможно проектирование инженерных объектов, связанных с выдающимися уровнями воды Информация о больших сгонах необходима также в связи с поддержанием судоходных глубин у пристаней и на морских подводящих каналах

Несмотря на научную и практическую значимость исследований сгонно-нагонных колебаний уровня специальные монографии единичны. Большая часть работ посвящена гидродинамическим исследованиям. Наиболее известные работы в этой области принадлежат Скриптунову Н А. [1967, 1971, 2001], Герману В X. и Левикову С П. [1988], Герштанскому Н. Д [1971, 1973], Бортнику ВН [1977, 1983], Филиппову ЮГ. [1997], Зильберштейну О И и Сафронову Г В [2001], Ван Данцигу Д [1960], Вемельсфельдеру П [1960], Леннону Г. [1963], Саутону С. [1963] и другим Цель и задачи исследования.

Цель исследования - разработка методики вероятностных расчетов сгонно-нагонных колебаний уровня внутренних водоемов Задачи исследования.

1. На основе анализа рядов наблюдений установить обеспеченности экстремальных сгонно-нагонных уровней,

2 Установить статистические параметры «выдающихся» сгонов и нагонов,

3. Оценить статистическую однородность наблюдений на разных пунктах наблюдений одного водоема;

4. Исследовать вероятностные свойства рядов наблюдений сгонно-нагонных уровней (математическое ожидание, изменчивость, корреляцию и пр.)

Методика исследований и материалы наблюдений.

В основу работы положены материалы, опубликованные в гидрологических ежегодниках, государственном водном кадастре, каталогах уровенных наблюдений гидрометеорологических станций и постов и на сайте National Ocean Service (NOAA). Также в работе частично были использованы материалы наблюдений хранящихся в фондах ГОИН.

В настоящей работе экстремальные значения сгонно-нагонных колебаний уровня (Ь, и Ь,) определяются как разности между суточными экстремумами и среднемесячным уровнем

на рассматриваемом посту в соответствии с выражениями: Научная новизна.

1. На основе массового анализа материалов наблюдений за сгонно-нагонными изменениями уровня на побережьях внутренних водоемов установлены статистические зависимости рядов наблюдений сгонно-нагонных уровней (обеспеченность, изменчивость, однородность).

2. Установлены статистические закономерности экстремальных сгонно-нагонных уровней (изменчивость, коррелированность наблюдений на разных постах).

3. На водоемах типа Каспийского моря с большим числом наблюдательных станций, при значительной длительности наблюдений на отдельных пунктах обнаружена неоднородность наблюдений, что требует специфической обработки материалов. В результате изменяются расчетные величины сгонно-нагонных отметок уровней редкой повторяемости.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Показано, что в различных точках побережья сгонно-нагонные уровни практически не связаны между собой.

2. Колебания экстремальных годовых сгонно-нагонных уровней характеризуются изменчивостью Cv~0,3

3. Последовательности годовых экстремумов сгонно-нагонных уровней не коррелированны. Связь между последовательными годовыми стонами и нагонами отсутствует, а между месячными эти связи могут иметь место.

4. При устойчивом фоновом уровне моря режим сгонно-нагонных колебаний практически стационарен. Начиная с середины 30-х годов прошлого века, при понижении уровня Каспийского моря зафиксировано повышение на нем сгонно-нагонных экстремумов.

от обеспеченности (р) для определения расчетных уровней заданной обеспеченности близка к единой. Для указанных выше водоемов на защиту выносится единая зависимость для определения экстремальных сгонно-нагонных положений уровня заданной обеспеченности. Практическая значимость.

Предлагается обобщенная зависимость для определения экстремальных уровней заданной обеспеченности в зависимости от максимальных наблюденных. Эта методика окажется крайне полезной также при расчетах «выдающихся» нагонов на внутренних водоемах. Апробация работы и публикации.

По теме диссертации опубликовано: 1 статья, подглава в книге «Актуальные проблемы водообеспечения», тезисы и доклад.

Основные положения диссертационной работы докладывались на Третьей Иранско-Российской конференции «Сельское хозяйство и природные ресурсы» (Москва, 2002), на Международной научной конференции «Экстремальные гидрологические события: теория, моделирование и прогнозирование» (Москва, 2003), на семинаре секции гидрофизики ИВП РАН, на семинарах лаборатории поверхностных вод ИВП РАН.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, грант № 994)5-65525 «Математические модели гидрометеорологических процессов и применение этих моделей в научных и прикладных целях».

Объем и структура работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа содержит 117 страниц текста и включает в себя 28 рисунков, 35 таблиц и список литературы, состоящий из 58 наименований.

Данная работа выполнена в Институте водных проблем РАН. Научным руководителем настоящей работы является проф., доктор технических наук Д.Я. Раткович, которому автор выражает благодарность за ценные рекомендации и советы.

Автор выражает благодарность д.т.н. Асарину А.Е., к.т.н. Фролову А.В., д.ф.-м.н. Веницианову Е.В., д.т.н. Дебольскому В.К. за научное консультирование, а также Никоновой Р.Е. за предоставленные данные.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность работы, излагаются цели и задачи исследования, его научная новизна, теоретическое и практическое значение.

ГЛАВА 1. СГОННО-НАГОННЫЕ ЯВЛЕНИЯ, КАК ФАКТОР ПРОЯВЛЕНИЯ НЕГАТИВНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ВОД

Приведены факторы негативного влияния сгонно-нагонных явлений на разные объекты.

Оборона, судоходство, морской рыбный промысел, марикультура, добыча полезных ископаемых, отдых и туризм требуют надежной информации о состоянии моря и прогноза его физических параметров (температура воды, течения, волнение и штормы, ледовые условия, нагонные явления).

Нагоны создают угрозу для прибрежных районов и могут служить помехой при выполнении различных инженерных и хозяйственных работ, приводят к значительному увеличению непроизводительных затрат. А при превышении критических отметок - приводить к наводнениям, затоплению отдельных участков суши, разрушению хозяйственных объектов, расположенных вблизи береговой черты, вследствие чего возникает проблема переселения жителей прибрежной зоны. Обостряется санитарно-эпидемиологическая обстановка (выходят из строя канализационные и очистные сооружения). Нагоны отодвигают границу береговой линии в сторону суши, расширяют зоны берега, а сгоны сужают ее.

Сгоны существенно влияют как на безопасность мореплавания, так и на эксплуатационные ограничения в осадках заходящих в порт судов. При сгонах обнажается дно, происходит оползание аллювиальных берегов и обмеляется фарватер. Характер и величину сгонов и нагонов учитывают при планировании и проведении геологоразведочных работ и буровых работ на шельфе.

Причиной гибели икры также является сгонно-нагонные явления, при которых осушаются значительные площади дна. Сгонно-нагонные явления могут привести к повреждению водной растительности или к ее полному уничтожению. На месторождениях происходят сбросы отходов бурения, что не может не отразиться на качестве морской среды. Сложные сгонно-нагонные колебания моря могут разносить токсичные вещества и взвешенные частицы бурового раствора и шлама на значительные расстояния. Осаждение взвешенных частиц ухудшает условия обитания донных организмов, при слое в несколько мм убивает бентос.

Повышение уровня воды также может привести к разрушению систем наблюдения за уровнем моря, вследствие чего, становится невозможным получать точные сведений об уровне.

ГЛАВА 2. ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ И ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СГОННО-НАГОННЫХ ЯВЛЕНИЙ РАССМАТРИВАЕМЫХ ВОДОЕМОВ

В главе приводится как описание физико-географических условий, так и общая характеристика сгонно-нагонных явлений таких водоемов как Каспийское, Азовское и Аральское морей, а также озер Ладожское, Онежское, Балхаш и Гурон.

Описание физико-географических условий включает в себя: расположение водоема, протяженность, площадь, глубины, описание берегов, метеорологические условия, ледовые явления, температура воды, уровень водоема, течения, волнения. А при описании общей характеристики сгонно-нагонных явлений рассматривались такие вопросы как: где проявляются сгонно-нагонные колебания, каковы их высоты, каковы эффективные направления ветров при этих явлениях, что может способствовать проявлению максимальных нагонов (сгонов), зависимость сгонно-нагонных колебаний от сезона года и от ледовых явлений.

ГЛАВА 3. СТАТИСТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СГОННО-НАГОННЫХ

КОЛЕБАНИЙ.

В главе рассматриваются статистические характеристики сгонно-нагонных колебаний всех рассматриваемых водоемов, а также стационарность этих колебаний.

В вопросе о том, что считать нагоном и сгоном и что принимать за начало отсчета при оценке их значений, четкого мнения до сих пор не существует. Следуя подходу Н.А. Скриптунова (1967), под терминами «сгоны и нагоны» понимается объединение всех краткосрочных колебаний уровня.

Следует отметить особенность имеющихся данных, опубликованных в гидрологических ежегодниках, государственном водном кадастре, каталогах уровенных наблюдений гидрометеорологических станций и постов, а также на сайте National Ocean Service (NOAA) и частично хранящихся в фондах ГОИН, - в каждом календарном месяце выбираются один наивысший и один наинизший уровни. Из-за этого в принципе совместная статистическая обработка экстремумов уровня за многолетие дает несколько искаженные результаты. Дело в том, что включаемые в анализ данные по каким то месяцам могут оказаться меньшими не попавших в обработку данных по другим месяцам, в которых они оказались не самыми большими. Однако, специальный анализ ежедневных уровней показал, что эти погрешности незначительны.

Неоднородность имеющихся рядов наблюдений может проявляться в силу: использования рядов, включающих в себя данные, зафиксированные как в период ледостава, так и безледный период; изменения рельефа дна и береговой зоны при повышении или понижении фонового уровня моря.

Наблюдения на Каспийском море проводятся в стандартные сроки (3:00,9:00,15:00 и 21:00 московского времени) по водомерным рейкам; самописцем уровня оборудована только станция у Махачкалы. Наблюдения на Азовском и Аральском морях, а так же на озерах Балхаш, Ладожское, Онежское проводятся по водомерным рейкам, сваям и самописцу уровня.

3.1. Стационарность сгонно-нагонных колебаний

Есть две причины, по которым оценки статистических параметров двух половин рядов могут различаться: первая группа рядов приходится на период высоких фоновых уровней моря, а вторая - в основном на период низких; вторая причина - возможность различных синоптических ситуаций в эти периоды. Под фоновым уровнем моря понимается - среднегодовой уровень моря.

С этой целью все длительные ряды наблюдений на рассматриваемых водоемах разбиты примерно пополам. Построены хронологические графики экстремумов сгонно-нагонных колебаний уровня водоема по совокупности данных для всех постов (годовые экстремальные и средние значения).

Изменение во времени годовых максимумов соответствует ходу среднегодовых уровней Каспийского моря (рис. 1). Начиная с периода резкого снижения уровня в середине 30-х гг. XX в., экстремумы сгонно-нагонных колебании примерно удвоились, а осредненные экстремумы увеличились всего на 1/3.

Н, м абс

1900 1950 2000

гад

Рис. 1. Хронологические графики среднегодовых уровней Каспийского моря (а), наибольших годовых экстремумов сгонно-нагонных колебаний (б) и осредненных по всем постам экстремумов (в). Темные точки - сгоны, светлые - нагоны.

На сгонно-нагонные колебания уровня водоема при увеличении фонового уровня влияют:

1. Изменение формы берега. Влияет на перераспределение возмущений уровня водоема вдоль побережья и индивидуально у каждого пункта и на направление ветра

2. Увеличение общей площади водного зеркала. Второй фактор, хотя и ведет к увеличению общей амплитуды колебаний, однако, может уменьшать амплитуду колебаний в фиксированной точке из-за сдвига прибрежной области быстрого изменения уровня водоема.

3. Общее и локальное увеличения глубины моря. Обуславливает уменьшение колебаний уровня водоема.

Влияние градиентов атмосферного давления на амплитуду колебаний уровня водоема увеличивается с ростом общей глубины моря, однако для Северного Каспия оно незначительно и, кроме того, сказывается не в тех районах, где происходят максимальные ветровые денивеляции у.м. Взаимодействие всех указанных факторов и определяет колебания уровня водоема с изменением фонового уровня в каждом конкретном случае [Филиппов Ю.Г., 1997].

Изменение уровня Каспия произошло, главным образом, в результате сокращения речного притока к морю, т.е. под влиянием изменения гидрометеорологических условий на огромной водосборной площади моря. Сгонно-нагонные явления же определяются этими условиями на относительно небольшой акватории Каспия. Поэтому вряд ли можно утверждать (во всяком случае, на данном этапе изученности), что снижение уровня Каспия и интенсификация сгонно

нагонных колебаний на нем обусловлены одними и теми же причинами, или же уверенно связывать эту интенсификацию только со снижением фоновых уровней моря. Этот вывод требует дополнительного анализа по синоптическим материалам, поскольку данные по нагонам относятся в большинстве своем к периоду после 1930 г. В предшествующие годы наблюдения велись лишь на постов; соответственно в 3 раза меньшей была теоретическая вероятность выдающегося экстремума. Однако отмеченное выше отчетливое увеличение с середины 1930-х гг. средних по совокупности постов максимумов позволяет связывать эту аномалию (хотя бы отчасти) с понижением уровня Каспия.

В то же время, следует отметить, что Азовское море со стабильным уровнем, благодаря сообщению его с Мировым океаном, характеризуется сохранением характеристик сгонно-нагонных колебаний в течение всего XX в. В целом же при определении сгонно-нагонных изменений уровня вероятно следует ориентироваться на режим моря за последние 50-60 лет.

На Ладожском озере экстремумы нагонов увеличились, начиная с 1974 г., примерно в 1,5 раза, а осредненные экстремумы не претерпевают серьезных изменений в течение всего периода. На Онежском озере оказалось, что математические ожидания годовых экстремумов начиная с 50-х годов XX в. несколько увеличились. Экстремумы нагонов также незначительно увеличились. Следует отметить, что малая длительность наблюдений по этим озерам не позволяет сделать каких-либо определенных выводов о связи уровня озера и изменения экстремумов.

На озере Балхаш изменение во времени годовых максимумов в целом отвечает ходу среднегодовых уровней озера. Начиная с 1950 г. экстремумы нагонов увеличились, а осредненные экстремумы увеличились примерно на 10%.

На Аральском море, когда началось интенсивное снижение уровня, наблюдается тенденция к некоторому снижению сгонно-нагонных колебаний, особенно среднегодовых значений.

На озере Гурон уровень стабилен. В период с 1991 по 1994 годы зафиксировано повышение . значений экстремумов сгонно-нагонных колебаний. В остальное же время экстремумы значительных колебаний не претерпевают.

3.2. Каспийское море.

Данные 22 наблюдательных пунктов позволяют получить достаточно полную картину рассматриваемых процессов, несмотря на то, что по пяти пунктам продолжительность наблюдений составляет 20-30, по трем - 30-40 лет. В целом же длительность наблюдений (в среднем 52 года) может быть признана удовлетворительной.

Высоты сгонно-нагонных колебаний сильно различаются по побережью. Соотношение максимумов нагонов и сгонов при осреднении по всем постам ~ 0.9, но на отдельных постах соотношение этих высот колеблется от 0.5 до 1.5 раз и выше.

Анализ данных позволил выделить три характерные группы пунктов наблюдений по средним значениям годовых экстремумов нагонов и сгонов; а - малые б - средние (26-36

см) и в - большие (¿37 см). За рамками указанных групп оказался о.Тюлений (условная группа г), где средние значения годовых максимумов нагонов и сгонов совпадают и равны 93, а

экстремальные - соответственно 238 и 153 см. Поскольку отношение значений сгонов и нагонов по отдельным пунктам различаются до 3 раз, конкретный пункт наблюдения за сгонами и нагонами может попадать в различные группы. Оказалось, что совпадения указанных групп по нагонам и стонам отмечены в В Северном и северной части Среднего Каспия преобладают

повышенные сгоны и нагоны; в Южном Каспии - малые и умеренные. При этом собственно северное и южное побережья характеризуются отсутствием постов с длительными наблюдениями и выпадают из данного анализа, хотя известно [Гидрометеорология и гидрохимия морей, 1992], что именно на северном побережье наблюдались особенно высокие нагоны

Вне зависимости от расстояния между постами (от нескольких десятков до нескольких сотен километров) корреляция между максимальными годовыми сгонами и нагонами на смежных постах отсутствует. Коэффициенты автокорреляции в рядах максимальных годовых нагонов и сгонов гп а также взаимная корреляция между ними гс.„. статистически незначима и, как правило, эти значения не превышают 0.5 (лишь в одном случае

В большинстве случаев изменчивость годовых экстремумов составляет 0.20-0.35, но для сгонов у Нефтяных Камней и нагонов у о. Искусственного изменчивость иногда достигает 0.6-0.7. В обоих указанных случаях рады наблюдений включают в себя по одному выдающемуся значению, что завышает коэффициенты вариации и асимметрии.

При ранжировании рядов в убывающем порядке в 6 случаях (из 22) наибольшее значение до нескольких раз превышает следующее за ним (второй член ранжированного ряда). В рядах максимальных годовых сгонов такая ситуация отмечена: у Астары (51 см (1946 г.), а затем 30) и у Нефтяных Камней (106 см (1963 г.), а затем 37), а в рядах максимальных годовых нагонов - у Красноводска (109 см (1992 г.), а затем 68), о. Жилого (96 см (1991 г.), а затем 39), о. Тюлений (238 см (1952 г.), а затем 139), о. Искусственного (309 см (1952 г.), а затем 135). Исключение данных за эти годы приводит к сокращению

После такой процедуры значения мало меняются по постам, поэтому с учетом случайного рассеяния, можно принимать везде для исчезают обычно не

встречающиеся при описании других гидрометеорологических процессов значения выше 6-8. Вероятно, с учетом большого случайного рассеяния выборочных оценок можно принимать, что осредненное значение При этих допущениях обеспеченность указанных

«отлетающих» значений достигает для любого из используемых в гидрометеорологии типов распределения вероятностей 0.01-0.001%. Аномальный характер кривых обеспеченности в этих случаях виден из рис. 2.

Внутригодовое распределение экстремальных уровней оказывается неравномерным, причем характер неравномерности, различен на разных постах. В существенной части случаев наибольшая повторяемость максимумов (как сгонов, так и нагонов) приходится на осенне-зимний период: с сентября-октября по март Противоположная картина наблюдается у о.

1 Исключение «отлетающих» значений в принципе недопустимо. Здесь оно используется лишь с целью поставить вопрос о статистической неоднородности рядов, в которых наблюдаются выдающиеся величины сгонов и нагонов.

Искусственный и г. Красноводска; по некоторым постам фиксируется примерно равномерное распределения экстремумов по месяцам года. При этом средняя высота экстремумов меняется от месяца к месяцу незначительно.

Рис. 2. Обеспеченности максимальных годовых сгонов у Астара и Нефтяные Камни (а и б соответственно), и нагонов у о.Искусственный и о.Жилой (в и г соответственно).

В разные месяцы для одного поста различия в экстремумах часто превышают случайные ошибки. Поэтому в расчетах следует пользоваться выборочными оценками среднемесячных максимумов как сгонов, так и нагонов. По коэффициентам вариации случайный разброс данных выше а на о. Искусственном, где выдающиеся высокие значения изменчивости

отмечены в феврале и ноябре, Очень высокие значения изменчивости в отдельные месяцы

отмечены и на других постах, что обычно обусловливается наличием в ряду «отлетающих» значений, существенно завышающих

Связанность между годовыми экстремумами на смежных постах отсутствует, а в рядах месячных экстремумов картина иная. Можно отметить две закономерности: во-первых, в теплое время года коррелированность экстремумов на смежных постах обычно снижается; во-вторых, как и следовало ожидать, корреляция в целом быстро возрастает с сокращением расстояния между постами (значения коэффициентов корреляции, превышающие 0.5, встречаются довольно часто). Между близко расположенными постами коэффициенты корреляции могут достигать 0.7-0.8; с увеличением расстояния сверх 50-150 км корреляция для всех месяцев обычно становится статистически незначимой. Это свидетельствует о расстояниях, на которые может распространяться синоптическая ситуация, обусловливающая сгонно-нагонные колебания уровня. Следует также отметить отсутствие корреляции между экстремумами уровня на близко расположенных островных и береговых постах (Баку - о .Жилой, Сумгаит - о.Жилой).

Отсутствие значимой корреляции между сгонами на одном побережье и нагонами на

противоположном подтверждает указанное положение. В этой связи следует отметить аномалию -значимую корреляцию между сгонами у Бекташа и нагонами на противоположном берегу у Сумгаита, которая возникает при запаздываниях от нескольких месяцев до нескольких лет. В большей части случаев эта корреляция положительна. Однако при некоторых запаздываниях она оказывается в течение длительных периодов отрицательной. Автокорреляционные функции максимальных месячных сгонов и нагонов, как правило, статистически незначимы при колебаниях около нулевого значения.

3.3. Азовское море.

На Азовском море закономерности сгонно-нагонных колебаний уровня можно проследить по данным длительных наблюдений в семи пунктах. Прежде всего, следует отметить отсутствие временных трендов в максимальных годовых нагонах за весь период наблюдений (-100 лет). При сравнительно небольшой удаленности одного пункта от другого корреляция между максимальными годовыми нагонами на смежных постах практически отсутствует. Исключение составляет значимая корреляция между Геническом и Темрюком, а также между Приморск-Ахтарском и Темрюком и составляет 0.50 и 0.65 соответственно.

Автокорреляция в рядах максимальных годовых нагонов статистически незначима и, как правило, не превышает 0.1 (лишь в одном случае 0.4). Подавляющая часть оценок положительна.

Наибольшее среднегодовое значение максимумов нагонов относится к Таганрогу (141 см), наименьшее - к Бердянску (44 см); по остальным пунктам это значение колеблется от 80 до 100 см. Высоты нагонов различаются по побережью. Средняя высота нагона по морю составляет 93 см. Коэффициент вариации равен 0.21-0.43, т.е. аналогичен таковому для Каспийского моря. Сложнее обстоит дело с асимметрией. В основном значения отношения группируются вокруг 2-3.

Однако для двух пунктов из семи данное отношение превышает 4. Это объясняется наличием в данных рядах наблюдений «отлетающих» значений в зонах малых обеспеченностей: у Темрюка

наибольшее значение временного ряда превышает следующее по величине вдвое, а у Мысового отклоняются в сторону больших значений три наиболее высоких нагона.

Важно, что при обработке данных без учета наибольшего члена ряда по пункту Темрюк асимметрия распределения резко сокращается с 8.95 до 1.1, а по Мысовому с 4.5 до 1.0. Также при ранжировании рядов по разным пунктам Азовского моря в убывающем порядке были обнаружены «отлетающие» значения у Бердянска и Приморск-Ахтарска до несколько раз превосходящие второй член ранжированного ряда.

Значения коэффициентов вариации годовых экстремумов (С»), с учетом выборочной изменчивости могут повсеместно приниматься равными 3.4.Аральское море.

На Аральском море имеются данные наблюдений по 6 пунктам со средним периодом наблюдений 38 лет. Высоты сгонно-нагонных колебаний различаются по побережью. Наибольшие величины сгонно-нагонных колебаний уровня на Аральском море наблюдаются в мелководных

районах моря на его северо-восточном, южном и юго-западном побережьях. Наибольшие значения максимумов нагонов приходится на период с сентября по декабрь, хотя на ст. Аральское моря они зафиксированы как в период с марта по июнь, так и в период с сентября по декабрь.

Максимальная величина нагонов на ст. Аральское Море и в районе ст. Тигровой составляла 167 см и ПО см соответственно, а наибольший сгон составляет 131 см (ст. Аральское море). Наименьшая величина нагона (52 см) наблюдалась в центральной части моря на островной станции Барсакельмес, а сгона - у о. Лазарева (49 см). Соотношение максимумов нагонов и сгонов при осреднении по всем постам

Корреляция между максимальными годовыми стонами и нагонами на смежных постах отсутствует. Коэффициенты автокорреляции в рядах максимальных годовых нагонов гн и сгонов гс, а также взаимная корреляция между ними гс-н. статистически незначимы и не превышают 0.5.

В большинстве случаев С„=0.3-0.4, а отношенб^и^меняется в пределах от 0.8 до 3.6. Но

в некоторых случаях С, / С¥ достигает 4.6 и 4.9 для нагонов у Тигрового и Узункаира соответственно, и 4.4 для сгонов у ст. Уялы. Во всех указанных случаях ряды наблюдений включают в себя по одному выдающемуся значению, что завышает коэффициенты асимметрии. После исключения данных за эти годы, с учетом случайного рассеяния, можно принимать везде а осредненное значение

Средняя высота экстремумов меняется от месяца к месяцу незначительно. Нагоны на части постов выше сгонов. По коэффициентам вариации разброс данных выше. С учетом этого оценки изменчивости месячных сгонов и нагонов имеют один порядок величин.

3.5Ладожское озеро.

На Ладожском озере имеются данные наблюдений по 4 пунктам. Длительность имеющихся наблюдений составляет в среднем 27 лет. Денивеляции уровня преобладают в осенне-зимнее время. Среднегодовое значение максимумов нагонов по озеру составляет 21 см.

Изменчивость годовых экстремумов, в большинстве случаев, составляет 0.3, но для станций д. Устье и Бумкомбинат изменчивость иногда достигает 0.4-0.5 соответственно. В обоих указанных случаях ряды наблюдений включают в себя по одному выдающемуся значению, что завышает коэффициенты вариации и асимметрии. При ранжировании рядов в убывающем порядке в двух случаях (из 4) наибольшее значение до нескольких раз превышает следующее за ним (второй член ранжированного рада). Исключение данных за эти годы приводит к сокращению до 0.25-0.3, а до 2 раз. После такой процедуры, с учетом случайного рассеяния, можно принимать везде для исчезают обычно не встречающиеся при описании других

гидрометеорологических процессов значения выше 5-6. Вероятно, с учетом большого случайного рассеяния выборочных оценок С/С, можно принимать, что осредненное значение С/С,~3.

Средняя высота экстремумов меняется от месяца к месяцу незначительно. В разные месяцы для одного поста различия в экстремумах часто превышают случайные ошибки. Поэтому в расчетах следует пользоваться выборочными оценками среднемесячных максимумов нагонов. По

коэффициентам вариации случайный разброс данных, естественно, выше На

некоторых постах С,=0.8 (Бумкомбинат, д. Устье). Высокие значения изменчивости в отдельные месяцы обычно обусловливаются наличием в ряду «отлетающих» значений, существенно завышающих С,. При исключении «отлетающих» значений у ст. Бумкомбинат С, с 0.84 снижается до 0.58, а у д. Устье с 0.75 до 0.53.

3.6. Онежское озеро.

На Онежском озере имеются данные наблюдений по 8 пунктам. Длительность имеющихся наблюдений составляет в среднем 30 лет.

В течение года денивеляции распределены неравномерно. В первые месяцы сгонно-нагонные колебания уровня наблюдаются редко по две-три денивеляции в месяц. Начиная с мая, количество нагонов увеличивается, хотя величина их все еще небольшая и редко превышает 10 см. Более значительные колебания уровня наблюдаются в осенне-зимние месяцы, на которые приходится более половины всех денивеляции. Наибольшее количество нагонов обычно наблюдается в октябре-ноябре.

Математические ожидания годовых экстремумов по некоторым постам близки, С,=Ю.З-0.5> а С/С,—2. Однако на двух постах с. Вознесенье и д. Павликовская отношениуЕоставляет 4.1 и 5.4 соответственно. Во всех указанных случаях ряды наблюдений включают в себя по одному выдающемуся значению, что завышает коэффициенты асимметрии.

Исключение этих данных на постах Вознесенье и Павликовская приводит к сокращению С/С, до 1.4 и 1.1 соответственно. После такой процедуры значения мало меняются по постам, поэтому с учетом случайного рассеяния, можно принимать везде а осредненное значение

С/С,~2.

Коэффициенты вариации месячных экстремумов изменяются в пределах от 0.3 до 0.6. На некоторых постах С,=0.9-1.5 (о. Маячный, д. Павликовская). Высокие значения изменчивости в отдельные месяцы отмечены и на других постах, что обычно обусловливается наличием в ряду «отлетающих» значений, существенно завышающих При исключении «отлетающих» значений у г. Петрозаводска с 0.94 снижается до 0.43, у о. Маячного с 0.96 до 0.69, у о. Василисин с 1.49 до 0.84, а у д. Павликовская с 0.86 до 0.46.

3.7. Озеро Балхаш.

Длительность имеющихся наблюдений составляет в среднем 35 лет. Наибольшие величины сгонно-нагонных колебаний уровня в среднем не превышают 0.8 м, хотя у ж.-д. станции Чоганак эти колебания могут быть равными и 1 м. Средняя высота экстремумов меняется от месяца к месяцу незначительно. Наибольшие значения максимумов нагонов приходится на период с апреля по июнь и с сентября по ноябрь.

Коэффициенты вариации изменяются в пределах от 0.3 до 0.7. На некоторых постах С,=0.8-1.1 (ж-д ст. Чоганак, бухта Кара-Чаган). Высокие значения изменчивости в отдельные месяцы отмечены и на других постах. Это обычно обусловливается наличием в ряду «отлетающих» значений, существенно завышающих При исключении «отлетающих» значений у бухты Кара-

Чаган в феврале и декабре месяцах Су снижается до 0.69 и 0.73 соответственно, у пристани ПБС с 0.92 до 0.73, у ж-д ст. Чоганак в январе, марте и апреле до 0.47, 0.50 и 0.58 соответственно. В большинстве случаев изменчивость годовых экстремумов составляет 0.2-0.4, а С/С, 0.4-2.3. Исключение составляет бухта Кара-Чаган, где С/С»=б.2.

При ранжировании рядов в убывающем порядке в двух случаях (из 4) наибольшее значение до нескольких раз превышает следующее за ним (второй член ранжированного ряда). Исключение данных за эти годы приводит к сокращению С, и С/С*. После такой процедуры значения С, мало меняются по постам, поэтому с учетом случайного рассеяния, можно принимать везде для

исчезают обычно не встречающиеся при описании других гидрометеорологических процессов значения выше 6. Вероятно, с учетом большого случайного рассеяния выборочных оценок можно принимать, что осредненное значение 3.8. Озеро Гурон.

Продолжительность наблюдений составляет 29 лет. Анализ материалов наблюдений проводился по 5 постам. Высоты сгонно-нагонных колебаний различаются по побережью. Средняя высота нагона изменяется в диапазоне от 13 см на ст. Де Тур Вилладж до 69 см на ст. Эссексвиль. Сгоны же изменяются - от 12 см на ст. Макино Сити до 90 см на ст. Эссексвиль. Соотношение максимумов нагонов и сгонов при осреднении по всем постам ~ 1.1, но на отдельных постах соотношение этих высот колеблется от 0.9 до 1.3 раз.

Математические ожидания их близки, за исключением станции Эссексвиль, где оно составляет 70 см для нагонов и 90 см для сгонов при при среднем 18 см и 19 см по всему

озеру при том же соответственно.

Вне зависимости от расстояния между постами корреляция между максимальными годовыми сгонами и нагонами на смежных постах отсутствует. Исключение составляет значимая корреляция между годовыми максимами нагонов на станциях Макино Сити и Де Тур

Вилладж.

В большинстве случаев коэффициент вариации годовых экстремумов составляет 0.2-0.4. При ранжировании рядов в убывающем порядке в двух случаях (из 5) наибольшее значение до нескольких раз превышает следующее за ним (второй член ранжированного ряда). В рядах максимальных годовых нагонов такая ситуация отмечена у ст. Харбор Бич (58 см, а затем 33) и у ст. Эссексвиль (122 см, а затем 90). Значения коэффициентов вариации годовых экстремумов, с учетом выборочной изменчивости, могут повсеместно приниматься равными

Коэффициенты автокорреляции в рядах максимальных годовых нагонов и сгонов а также взаимная корреляции между ними размещаются в зоне статистически незначимых величин, как правило, не превышают 0.5.

Внутригодовое распределение экстремальных уровней оказывается неравномерным, причем характер неравномерности, различен на разных постах. Средняя высота экстремумов меняется от месяца к месяцу незначительно. Сгоны на станциях Лейкпорт, Харбор Бич, Де Тур Вилладж в основном выше нагонов; на ст. Эссексвиль с октября по апрель сгоны превышают

нагоны, а на ст. Макино Сити с октября по январь нагоны превышают сгоны. По коэффициентам вариации разброс данных, естественно, выше. В разные месяцы для одного поста различия в экстремумах часто превышают случайные ошибки. Поэтому в расчетах следует пользоваться выборочными оценками среднемесячных максимумов как стонов, так и нагонов.

Высокие значения изменчивости нагонов отмечены: на ст. Лейкпорт в июле 0.76 (0.34) при среднем С»~Ю.37, на ст. Харбор Бич - в феврале 0.59 (0.36) при среднем С, -0.38, на ст. Эссексвиль - в марте 0.65 (0.53) при среднем С, -0.45, на ст. Макино Сити - в апреле 0.57 (0.39) при среднем С, -0.37, на ст. Де Тур Вилладж - в марте 0.42 (0.35) при среднем С, -0.30. Так же высокие значения изменчивости сгонов наблюдаются: на ст. Эссексвиль - в апреле 0,71 (0.62) при среднем С»-0.48 и на ст. Де Тур Вилладж - в июле 0.61 (0.41) при среднем С,—0.36. Высокие значения изменчивости в отдельные месяцы обычно обусловливаются наличием в ряду «отлетающих» значений, существенно завышающих С,. При исключении этих «отлетающих» значений С, снижается в 1.5-2 раза.

ГЛАВА 4. ПРЕДЛАГАЕМЫЙ СТАТИСТИЧЕСКИЙ МЕТОД РАСЧЕТА.

Статистический анализ данных по Каспийскому, Азовскому и Аральскому морям, а также по озерам Балхаш, Онежское, Ладожское и Гурон, выявил, что в 6 пунктах Каспийского моря из исследованных 22 за имеющиеся периоды наблюдений было зафиксировано по одному выдающемуся нагону или сгону, которые до нескольких раз превышали предыдущие. На Азовском море аналогичная ситуация с нагонами наблюдалась в 3-х пунктах из 7, на Аральском море- в 2-х пунктах из 6, на Ладожском озере - в 2-х случаях из 4, на Онежском — в 2-х из 8, а на Гуроне - в 2-х из 5. На озере Балхаш зафиксировано по 2 нагона, до несколько раз превышающих предыдущие. Наличие такого количества случаев (а не одного), когда обеспеченность наибольшего члена достигает 0.01-0.001%, совершенно невероятно для известных автору других гидрометеорологических процессов и заставляет искать физическую причину аномалий, приводящую к нарушению статистической однородности временных рядов высоты сгонов и нагонов2. Согласно, например [Герман В.Х., Левиков СП., 1988; Раткович Д.Я., 1993] на разных водоемах и на разных участках побережья одного водоема распределения вероятностей нагонов (сгонов) в общем случае аппроксимируются различными законами, а когда приемлем один закон -применением различных числовых параметров этого закона. Однако на Каспийском, Азовском и Аральском морях, а также на озерах Балхаш и Гурон благодаря невысокой изменчивости С, (при исключении - «отлетающих точек»), можно также использовать трехпараметрическое гамма-распределение (логнормальное распределение или распределение экстремумов Гумбеля).

Такие сильно «отлетающие» точки на кривых обеспеченности позволяют предположить,

2 ' Например, согласно [Скриптунов H.A., Горелиц О.П., 2001] сгонно-нагонные колебания вызываются изменениями ветрового режима как непосредственно над зоной проявления этих колебаний, так и надо всей акваторией моря. Определяющими в первом случае являются местные ветры, во втором - региональные, создаваемые обшей синоптической ситуацией над морем. Эти ветры могут не совпадать по скорости и направлению; совместное их влияние на сгонно-нагоикые колебания достаточно сложное.

что существуют особые причины формирования этих аномалий Следует учесть, что в [Раткович ДЯ, Иванова Л В, 2001], где анализируется режим нагонов на Азовском море, также выявлены три таких случая на семи постах с длительностью наблюдений >70 лет.

Ниже предпринята попытка обобщения приведенных сведений по описанным выше внутренним водоемам При этом не использованы данные о сгонах. Основанием для такого решения послужили две причины: на Каспии выдающиеся по высоте сгоны зафиксированы только в двух пунктах при относительно малой длительности наблюдений, а по другим объектам такие выдающиеся сгоны, когда первый член ранжированного ряда до нескольких раз превышает второй член, не наблюдаются Вторая причина заключается в том, что для Онежского и Ладожского озер, озера Балхаш и Азовского моря, рассмотрены только нагоны. Таким образом, можно проанализировать семнадцать выдающихся нагонов четыре по Каспийскому, три по

Азовскому и два по Аральскому морям, а так же по два выдающихся нагона на остальных озерах.

Исключение данных за эти годы приводит к сокращению до нескольких раз. С

учетом случайного рассеяния можно принимать везде С, ~0 3, а для Онежского о з Для

исчезают обычно не встречающиеся при описании других гидрометеорологических процессов значения выше 4-10 Вероятно, с учетом большого случайного рассеяния выборочных оценок С, / С„ можно принимать, что осредненное з н а ч о Аральскому морю и по

озерам Онежское и Гурон На Ладожском озере и на Каспии отношение а на Балхаше и

Азовском море

Следует отметить, что подобные исследования были проведены для озер Байкал, Иссык-Куль, а так же для Великих озер (Эри, Мичиган, Онтарио, Верхнее). На этих озерах такие явления выражены менее ярко или вообще не проявляются Интересен тот факт, что «выдающиеся» нагоны на Великих Американских озерах были зафиксированы только на озере Гурон.

Ниже излагается подход к построению объединенной кривой обеспеченностей по этим пунктам При этом средняя высота годовых максимумов определяется без учета выдающихся значений, для которых предстоит определить обеспеченности. Далее расчетные обеспеченности подсчитываются по формуле

Здесь, как обычно, принимается, что обратно пропорциональна числу лет прямо

пропорциональна порядковому номеру выдающегося нагона на данном водоеме при расположении таких нагонов в убывающем порядке и, наконец, прямо пропорциональна доле постов , где наблюдались выдающиеся нагоны (от общего числа постов на водоеме).

Каспийского моря; у=3/7 для Азовского моря; у=2/6 для Аральского моря; у =2/4 на озерах Ладожском и Балхаш; у=2/8 на Онежском; и =2/5 на Гуроне3.

Полученные по этому выражению значения р^ наблюденных выдающихся нагонов на постах приведены в табл. 1, а зависимость между высотами нагонов и расчетными обеспеченностями Ррас - на рис. 3. Полученные значения Ррж, отражают повторяемость выдающихся по высоте нагонов на любом посту (разумеется, по отношению к л и, вычисленному

без учета выдающегося нагона). Существенно, что значения зависимости />• А» «« / Ь» по некоторым объектам ложатся на единую кривую (рис. 3). Это свидетельствует об общей закономерности и, кроме того, подтверждает эту закономерность большим числом данных. Значения расчетных повторяемостей наблюденных максимумов (1 раз за N=1 ¡р^ лет) приведены также в табл. 1.

Таблица 1. Данные по выдающимся высотам нагонов.

Пост л,лет А«. см А.™х>СМ Л«™х А. Год Рр^.К Повторяемость, 1 раз за ДОлет

Каспийское море

о.Искусственный 55 63 309 4,90 1952 0,32 308

о.Жилой 68 24 96 4,00 1991 0,53 190

Красноводск 80 30 109 3,63 1992 0,67 149

о.Тюлений 58 90 238 2,64 1952 1,23 81

Азовское море

Темрюк 84 88 328 3,73 1969 0,50 198

Приморск-Ахтарск 77 98 264 2,69 1923 1,10 91

Бердянск 71 43 101 2,35 1928 1,79 56

Аральское море

Узункаир 21 54 132 2.44 1959 1.52 66

о.Тигровый 37 51 110 2.16 1969 1.75 57

озеро Балхаш

бухта Кара-Чаган 40 34 90 2.65 1936 1.22 82

бухта Кара-Чаган2 40 34 75 2.21 1941 2.44 41

Ладожское озеро

Бумкомбинат 24 19 59 3.11 1974 2.00 50

д. Устье 21 24 63 2.63 1980 4.55 22

Онежское озеро

д. Павликовская 20 26 108 4.15 1978 1.19 84

о. Маячный 16 13 32 2.46 1981 2.94 34

озеро Гурон

Харбор Бич 33 22 58 2.65 1987 1.18 85

Эссексвиль 25 68 122 1.79 1983 3.08 33

3 Вероятно, в дальнейшем следует учитывать не только долю постов с экстремальными высотами сгонов и нагонов, но и длительность наблюдений на этих постах.

Следовательно, в зависимости от заданных значений р^ет относительные высоты нагонов к « ми I Ь » на Каспийском, Азовском и Аральском морях, а также на озерах Балхаш и Гурон таковы:

Соответственно, повторяемости обсуждаемых экстремумов составляют 1 раз в N=22-308 лет (табл. 1).

Для остальной части значений обеспеченности (более нескольких процентов) можно

рекомендовать указанные выше распределения, математические ожидания которых принимаются

равными выборочным оценкам, а С»=0.3 для всех пунктов наблюдения, кроме Онежского озера, где С„=0.4.

Для Каспийского, Азовского и Аральского морей, а также для озера Гурон и Балхаш выявлена в первом приближении единая зависимость. Полученную выше зависимость р-Ь, „,„/ Ь ■ (рис. 3) и принятую на его основе нормативную шкалу зависимости экстремумов редкой повторяемости от их обеспеченностей можно рекомендовать для ориентировочных (предварительных) оценок по следующим водоемам: Каспийскому, Азовскому и Аральскому морям, а также по озерам Балхаш и Гурон. Что касается озер Ладожского и Онежского, то использование для них подобного рода зависимости пока, по-видимому, неоправданно. Для этих водоемов требуются дальнейшие исследования по мере накопления материалов наблюдений.

Следует также отметить, что при понижении уровня Каспийского моря с середины 1930-х годов произошло увеличение экстремальных значений нагонов и сгонов. С целью оценить, как будут вести себя значения по Каспию (на рис. 3) были выделены два периода: при

низком (с середины 30-х гг. XX в.) и общем (который включает и низкий и высокий) уровне. После проведения расчетов было выявлено, что очертание обобщенной кривой, которая включала бы только значения при низком уровне водоема, практически не меняются.

В соответствии с изложенным, опираясь на рис. 3 и принятую на его основе нормативную шкалу, в табл. 2 приведены фактические и расчетные максимальные значения нагонов • на Каспийском море за время наблюдений. С учетом продолжительности наблюдений на каждом посту совпадение этих значений следует признать вполне удовлетворительным. Таблица 2. Характеристики экстремальных наблюденных и расчетных нагонов разной

обеспеченности на Каспийском море.

Название поста а Нагоны, м

И. Ь« шах расчетные, обеспеченностью р, %

0.5 1.0 2.0

Пехлеви 26 0.41 0.6 1.7 1.2 0.9

Астара 28 0.42 0.57 1.7 1.3 0.9

о.Свиной 38 0.4 0.64 1.6 1.2 0.9

Баку 58 0.27 0.61 1.1 0.8 0.6

о.Нефтяные камни 37 0.2 0.34 0.8 0.6 0.4

о.Жипой 68 0.24 0.96 0.9 0.7 0.5

о.Артема 20 0.4 0.51 1.6 1.2 0.9

Сумгаит 44 0.49 1.04 2 1.5 1.1

Низовая пристань 23 0.32 0.45 1.3 0.9 0.7

Махачкала 92 0.38 0.65 1.5 1.1 0.8

о.Тюлений 58 0.9 2.38 3.6 2.7 2.0

о.Искусственный 55 0.63 3.09 2.5 1.9 1.4

о.Кулалы 56 0.48 1.01 1.9 1.4 1.1

Форт-Шевченко 71 0.38 0.74 1.5 1.1 0.8

Актау 32 0.29 0.63 1.1 0.9 0.6

Александр-Бай 22 0.33 0.49 1.3 1 0.7

Бекташ 66 0.33 0.62 1.3 1 0.7

Кара-Богаз-Гол 75 0.37 0.68 1.5 1.1 0.8

Куули-Маяк 91 0.25 0.77 1 0.7 0.5

Красноводск 80 0.3 1.09 1.2 0.9 0.7

Челекен 47 0.36 0.74 1.5 1.1 0.8

о.Огурченский 58 0.36 0.57 1.5 1.1 0.8

Среднее 52 0.39 0.87 1.55 1.16 0.85

Для сравнения отметим, что по расчетам Н. Д. Герштанского [1971] повторяемость нагона 1952 г. на Каспии составляет 1 раз в 150-200 лет. По данным, полученным с предлагаемой расчетной шкалы получается, что такой экстремальный нагон на о. Тюлений составляет 1 раз в 100 лет, а на о. Искусственный - 1 раз в 300 лет. Также максимальный наблюденный нагон на Каспийском море на п. Кулалы, возможный 1 раз в 50 лет равен 1.01 м, а по расчетной шкале нагон с такой же вероятностью равен 1.10 м. На п. Форт-Шевченко, с продолжительностью наблюдений 71 год, наблюденный нагон с р=1.4% составляет 0.74 м, а по расчетной шкале - 0.92м.

На Каспийском море при исключении «отлетающих точек» хорошее соответствие дают и трехпараметрическое гамма-распределение, и логнормальное распределение, и распределение экстремумов Гумбеля. Однако при включении в этот ряд «отлетающих» значений более хороший

результат дают данные, полученные по предлагаемой нормативной шкале зависимости экстремумов редкой повторяемости от их обеспеченностей.

Также было выявлено, что годы с максимальным нагоном не совпадают в разных пунктах. Таким образом, синоптическая обстановка, способствующая высоким нагонам и сгонам, возникает в разных пунктах в различные годы. Поэтому говорить о календарной привязке высоты нагона редкой повторяемости можно применительно только к конкретному пункту. На каком-либо ограниченном по протяженности участке побережья высокий нагон мог наблюдаться в любом году. Исключение составляет Онежское озеро, где на близко расположенных постах (г. Кондопога, с. Лонгасы, о. Маячный, о. Василисин) в одно и тоже время (в мае 1981 г.) наблюдался максимальный нагон. Такая же ситуация обнаружилось на Каспийском море, где в двух пунктах на

0. Искусственный и на о. Тюлений максимальный нагон был зафиксирован в одно и тоже время, т.е. в ноябре 1952г. Эти посты также географически близки. А на Азовском море максимальный нагон был зафиксирован в октябре 1969 на постах Геническ и Темрюк.

Далее рассмотрим, при каких синоптических условиях возникали выдающиеся нагоны на перечисленных выше объектах. При рассмотрении синоптической обстановки по тем постам, где наблюдались выдающиеся нагоны удалось выяснить, что все они сопровождались штормами шквального характера с большой скоростью ветра.

Из [Гидрометеорология и гидрохимия морей, 1992] известно, что в ноябре 1952 на Каспии был шторм, который по интенсивности и продолжительности действия больших скоростей ветра (>20 м/с) превзошел все наблюдавшиеся ЮВ штормы за предшествующие 40 лет. Поле ветра сформировало двойной нагон: В и ЮВ ветры из восточной части Сев. Каспия и ЮВ ветры из средней части моря. Нагон продолжался пять суток. На Азовском море в Темрюке так же наблюдался шторм в октябре 1969 г. [Овсеенко С.Н., 1973]. Скорость ветра СЗ направления достигала 30-35 м/с. Нагон продолжался двое суток. На Онежском озере у д. Павликовская в октябре 1978 г. нагон составил 108 см. Ветер дул в течении 3 ч. со скоростью >30 м/с. Нагон длился около 2 часов. Такое редкое явление наблюдалось впервые. На Аральском море (ст. Тигровая) нагон в ноябре 1969 г. составил ПО см при средней высоте нагона 51 см. Нагон длился двое суток при ветре ССВ направления со скоростью 20 м/с.

На данном этапе можно сделать вывод, что вероятно экстремальные штормовые ситуации (при интенсивных и продолжительных ветрах эффективных направлений со скоростью >30 м/с) способствуют появлению «выдающихся» нагонов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе массового анализа материалов наблюдений за сгонно-нагонными изменениями уровня на побережьях внутренних водоемов установлено, что:

1. На озерах Ладожское, Онежское и Гурон сгонно-нагонные процессы протекают гораздо слабее, чем на Каспийском, Азовском и Аральском морях: средние значения максимальных годовых нагонов составляют для озер Ладожского, Онежского и Гурона 22 см, 19 см, и 27 см, а для Каспийского, Азовского и Аральского морей 38 см, 93 см и 53 см соответственно. На озере

Балхаш в период сильных ветров повышение уровня воды у берегов достигает 1 м.

2. Высоты нагонов различаются в разных пунктах, причем в каждом пункте корреляция между годовыми экстремумами нагонов отсутствует. Математические ожидания по постам одного объекта могут быть близкими, но по отдельным постам - расхождения выходят за рамки случайных ошибок, что заставляет пользоваться выборочными оценками.

3. Внутри годовое распределение экстремумов неравномерно; в большей части случаев годовой максимум приходится на осенне-зимний период. Средние значения экстремумов от месяца к месяцу изменяются незначительно. Коэффициенты вариации месячных экстремумов (с учетом случайного рассеяния) имеют один порядок величин для стонов и нагонов. Значения коэффициентов вариации годовых экстремумов, с учетом выборочной изменчивости, могут повсеместно приниматься равными —0.3 (кроме Онежского озера, где Су -0.4).

4. Коэффициенты корреляции между годовыми экстремумами сгонов и нагонов, за редким исключением, отсутствуют на всех рассматриваемых водоемах. На Каспийском море коэффициенты корреляции между месячными экстремумами при расстояниях между постами 50-150 км могут достигать 0.6-0.8 (это не относится к островным постам). При большей взаимной удаленности постов корреляция всегда становится статистически незначимой. Из этого следует, что синоптическая ситуация, обусловливающая корреляцию между сгонно-нагонными колебаниями уровня Каспийского моря на смежных постах, имеет линейные размеры порядка 100 км (вследствие распространения синоптического вихря).

5. В шести пунктах Каспийского моря из исследованных 22 (т.е. 1/4 случаев) за имеющиеся периоды наблюдений зафиксировано по одному выдающемуся нагону или сгону, которые до нескольких раз превышают следующий член ранжированного ряда. На Азовском море аналогичная ситуация с нагонами наблюдается в трех пунктах из семи, на Аральском море - в двух пунктах из шести, на Ладожском озере - двух случаях из четырех, на Онежском — в двух из восьми, а на Гуроне - в двух из пяти. На озере Балхаш зафиксировано по два нагона, до несколько раз превышающих предыдущие. Эти выдающиеся значения со статистической точки зрения нельзя считать однородными с прочими значениями по этому объекту и совместная статистическая обработка их не корректна.

6. Выдающиеся значения нагонов подвергнуты совместному анализу. Экстремальные нагоны

каждый из которых отнесен к среднегодовому максимуму дают по Каспийскому, Азовскому и Аральскому морям, а также по озерам Гурон и Балхаш единую зависимость от приведенную к доле постов, на которых фиксировались выдающиеся нагоны. Значения

зависимости ложатся на единую кривую. Это свидетельствует об общей

закономерности и, кроме того, подтверждает эту закономерность большим числом данных. Приведена шкала расчетных относительных высот . Использование этой зависимости

дает вполне удовлетворительное совпадение с материалами наблюдений. Ладожское и Онежское озера не отвечают этой закономерности. Вероятно, в дальнейшем следует учитывать

не только долю постов с экстремальными высотами сгонов и нагонов, но и длительность наблюдений на этих постах.

7. На Каспийском море с середины 30-х гг. XX в., при резком снижении фоновых уровней моря, высоты экстремумов почти удвоились, а осредненные экстремумы увеличились примерно на 1Д что не может быть объяснено только случайным рассеянием. Привлечение материалов наблюдений по Азовскому морю, уровень которого относительно стабилен (благодаря сообщению с Мировым океаном), позволяет уже на данном этапе склонятся к мнению, что увеличение высоты экстремумов на Каспии обусловлено влиянием (во всяком случае частично) более низкого фонового уровня за последние 50-60 лет. Дело в том, что на Азовском море, находящемся в близких физико-географических условиях, экстремумы за весь период наблюдений не обнаруживают видимых трендов. Следует также отметить, что при выделении дух периодов на Каспийском море: при низком (с середины 30-х гг. XX в.) и общем (который включает и низкий и высокий) уровне очертание обобщенной кривой, которая включала бы только значения при низком уровне водоема, практически не меняются.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Вероятностные закономерности сгонно-нагонных колебаний уровня крупного внутреннего водоема на примере Каспийского моря //Водные ресурсы. 2002. Т.29. №5. С. 530-541. (в соавторстве).

2. Определение расчетных величин сгонно-нагонных колебаний уровня Каспийского моря// Тезисы Третьей Иранско-Российской конференции «Сельское хозяйство и природные ресурсы». Москва. 2002. С. 232-233. (в соавторстве).

3. Сгонно - нагонные колебания уровня на внутренних водоемах// Труды международной научной конференции «Экстремальные гидрологические события: теория, моделирование и прогнозирование». Москва. 2003.

4. Актуальные проблемы водообеспечения. Глава 1.5. М: Наука. 2003.352 с. (в соавторстве).

Подписано к печати 06.05.2004 Формат А4, объем б пл. Тираж 100 экз. Заказ №6 Отпечатано ООО «НОВО-ПРЕСС» 107078, Москва, Орликов пер., д.б

10 2 8 6

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Соломонова, Ирина Владимировна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СГОННО-НАГОННЫЕ ЯВЛЕНИЯ, КАК ФАКТОР ПРОЯВЛЕНИЯ

НЕГАТИВНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ВОД.

1.1. Ущербы от сгонно-нагонных явлений.

ГЛАВА 2. ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ И ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СГОННО-НАГОННЫХ ЯВЛЕНИЙ РАССМАТРИВАЕМЫХ ВОДОЕМОВ.

2.1. Каспийское море.

2.2. Азовское море.

2.3. Аральское море.

2.4. Ладожское озеро.

2.5. Онежское озеро.

2.6. Озеро Балхаш.

2.7. Озеро Гурон.

ГЛАВА 3. СТАТИСТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СГОННО-НАГОННЫХ КОЛЕБАНИЙ.

3.1. Стационарность сгонно-нагонных колебаний.

3.2 Каспийское море.

3.3. Азовское море.

3.4. Аральское море.

3.5. Ладожское озеро.

3.6. Онежское озеро.

3.7. Озеро Балхаш.

3.8. Озеро Гурон.

ГЛАВА 4. ПРЕДЛАГАЕМЫЙ СТАТИСТИЧЕСКИЙ МЕТОД РАСЧЕТА.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Статистический анализ и вероятностные расчеты сгонно-пагонных колебаний уровня внутренних водоемов"

Сгонно-нагонные явления - непериодические изменения уровня воды у берегов водоема (моря, озера, водохранилища) под воздействием ветра и неравномерности атмосферного давления. Ветер вызывает перемещение поверхностного слоя воды, что сказывается на положении уровня. Воздух, движущийся над водной поверхностью, вследствие трения увлекает за собой частицы воды. Движение частиц поверхности передается в глубину. В результате приходит в движение слой воды толщиной в несколько десятков метров. Повышение давления на 100 Па вызывает понижение уровня моря приблизительно на 1 см (при понижении давления картина обратная), т. е. уровень моря действует подобно «обратному барометру». Циклоны, перемещающиеся над поверхностью моря, возбуждают систему длинных волн, влияние которых на уровень моря может значительно превосходить суммарное воздействие ветра и атмосферного давления. У берега сгоны и нагоны воды зависят от взаимной ориентации направления ветра и береговой линии. Наибольшие сгоны и нагоны происходят у берегов с пологим подводным склоном, в длинных, постепенно сужающихся заливах, в узких проливах и в устьях рек (пролив Ла-Манш, залив Таганрогский, Финский, Обская губа и др.). В таких местах изменения уровня моря вследствие сгонов и нагонов достигают 5 м. Сильные наводнения, обусловленные нагонами вод с моря, известны на побережьях Нидерландов, Бельгии, Великобритании, в устьях Невы, Темзы и др. Скорость изменения уровня моря при значительных сгонах и нагонах достигает десятков сантиметров в час, а продолжительность явления колеблется от нескольких часов до 2-3 суток.

Исследования сгонно-нагоных колебаний уровня в устьях рек и проточных водоемов имеют важное практическое значение и им посвящено большое количество работ. Попытки объяснения непериодических колебаний уровня предпринимались в нашей стране еще в XIX веке в процессе изучения невских наводнений. Разработкой методов прогнозов непериодических колебаний уровня моря начали заниматься с конца; 30-х годов XX века. В первых работах рассматривались сгонно-нагонные колебания уровня в непосредственной связи с действием местного ветра, минуя промежуточные звенья (влияние рельефа дна, глубины, характер и интенсивность прибрежной циркуляции и пр.). В результате этих исследований были построены прогностические уравнения и графики связи (Кудрявая К.И., Иванова Е.Ф. и др.). Так как для большинства районов местный ветер не является основной причиной колебания уровня, Марютин Т.П. в 1941 г. преложил метод прогноза уровня, основанный на использовании атмосферного давления. Основные идеи градиентного метода были использованы в дальнейших исследованиях для южных и дальневосточных морей (Каракаш А.И., Кан С.И.) и для арктических морей (Корт В.Г.), моря Лаптевых (Мустафин Н.В.). В начале 60-х годов XX в. Шереметевская О.И. предложила вести учет атмосферного давления при прогнозе уровня в виде суммы ряда по полиномам Чебышева. Предложенная методика применяется в оперативной практике на Каспийском и Балтийском морях. Важным шагом вперед в исследованиях непериодических колебаний уровня и выявлении его связи с метеорологическими факторами является использование статистических методов анализа линейных систем. Такого рода исследования проведены Алексеевым Г.В. (1969 г.) для некоторых пунктов арктических морей. В Гидрометцентре Овсиенко С.Н., Рыбаком Б.Х. и Гетманом И.Д. разработаны численные методы прогноза штормовых нагонов для Белого, Балтийского, Черного, Азовского и Каспийского морей, которые базируются на численном интегрировании уравнений мелкой воды и различаются между собой способами учета донного трения, используемой информацией и методом аппроксимации. Также проблемой исследования сгонов и нагонов в устьях рек занимались Михайлов В.Н., Скриптунов Н.А. и другие.

Меньшее число работ посвящено проблеме.изучения егонно-нагонных явлений на внутренних водоемах и озерах. Тем не менее, последствия проявления этих процессов на них не менее важны (например, на Каспийском море в прошлом наблюдались нагоны более 4 м). Актуальность данной работы постоянно растет в связи с интенсивным освоением побережья внутренних водоемов.

Из-за отсутствия длительных, охватывающих десятилетия, непрерывных инструментальных наблюдений за сгонно-нагонными колебаниями значения максимальных высот сгонов и нагонов находят, как правило, расчетным путем. В нашей стране и за рубежом применяются следующие группы методов: статистический анализ регулярных инструментальных измерений и судовых наблюдений; расчет величин сгонов и нагонов по архиву синоптических карт; статистическое моделирование экстремальных штормов методом Монте-Карло; пересчет климатических функций распределения скоростей ветра в соответствующие функции распределения высот сгонов и нагонов.

Во многих случаях при рассмотрении сгонно-нагонных явлений ограничиваются анализом материалов по отдельным пунктам или нескольким пунктам того или иного водного объекта. К настоящему времени накопилось значительное количество материалов, позволяющих перейти к более полному обобщению характеристик режима сгонно-нагонных явлений. В данной работе только по Каспию число пунктов наблюдений достигает 22, а средняя длительность составляет 52 года. Длительность имеющихся наблюдений составляет в среднем на Азовском море - 84 года, на Аральское море - 38 лет, на Онежском озере - 30 лет, на Балхаше - 35, на Ладожском оз. и на Гуроне - 27 лет. Так как по некоторым озерам длительность наблюдений не превышает 30 лет, то по этим водоемам результаты можно рассматривать как предварительные. В работе для анализа были выбраны внутренние водоемы, так как они не подвержены приливно-отливным колебаниям.

Количественное описание сгонно-нагонных колебаний уровня можно осуществлять двумя путями: с помощью физико-математических моделей или результатов статистической обработки данных многолетних наблюдений за уровнями на водомерных станциях и постах. Некоторые задачи (например оценка.изменения режима колебаний, уровня при трансформации побуждающих процессов, в частности синоптической ситуации, или при изменениях фонового уровня водоема под воздействием антропогенных нарушений его водного баланса) могут решаться только физико-математическими методами. Особо важное значение эти методы приобретают при определения величин нагонов и стонов на участках побережья, для которых данные наблюдения либо отсутствуют, либо имеют малую длительность; при проектировании сооружений на морской акватории (например, связанных с нефтедобычей), а также при расчете частей акваторий (например - намечаемых к ограждению).

С практической точки зрения, часто бывает важным оценить вероятность воздействия уровня моря на тот или иной хозяйственный объект, расположенный в прибрежно-шельфовой зоне. Здесь, учитывая наличие длительных рядов наблюдений, более хороший результат может обеспечить использование статистического анализа материалов наблюдений и стохастических моделей исследуемых процессов. Часто такое воздействие (затопление, подтопление объектов, осушка) приводит к нанесению ущербов для окружающей среды.

Дело в том, что высота нагона (сгона) заданной вероятности может формироваться при различных сочетаниях скорости, направления и продолжительности ветра. Для корректной; композиции указанных факторов нужна достоверная информация о типах распределения вероятностей и статистических параметров (включая характеристики взаимной корреляции) всех факторов, формирующих синоптическую ситуацию, ее изменчивость и т. п.

Без статистической информации о вероятностях тех или иных сгонно-нагонных изменениях уровня невозможно проектирование инженерных объектов, связанных с выдающимися уровнями воды. Информация о больших сгонах необходима также в связи с поддержанием судоходных глубин у пристаней и на морских подводящих каналах.

Следует отметить еще один пример, когда использованию физико-математических моделей не может быть противопоставлен какой либо альтернативный подход, -получение данных о надвигающихся опасных изменениях уровня для оперативного оповещения об этом граждан и организаций.

Несмотря на научную и практическую значимость исследований сгонно-нагонных колебаний уровня специальные монографии единичны. Большая часть работ посвящена гидродинамическим исследованиям. Наиболее известные работы в этой области принадлежат Скриптунову Н.А. [44-46], Герману В.Х. и Левикову С.П. [10], Герштанскому Н. Д. [11,12], Бортнику В.Н. [7,8], Филиппову Ю.Г. [51], Зильберштейну

0.И. и Сафронову Г.В. [21], Ван Данцигу Д. [54], Вемельсфельдеру П. [58], Леннону Г. [55], Саутону С. [57] и другим.

Цель и задачи исследования. |Цель исследования - разработка методики вероятностных расчетов сгонно-нагонных I колебаний уровня внутренних водоемов.

Задачи исследования:

1. На основе анализа рядов наблюдений установить обеспеченности экстремальных сгонно-нагонных уровней;

2. Установить статистические параметры «выдающихся» сгонов и нагонов;

3. Оценить статистическую однородность наблюдений на разных пунктах наблюдений одного водоема;

Научная новизна.

Практическая значимость

Предлагается обобщенная зависимость для определения экстремальных уровней заданной обеспеченности в зависимости от максимальных наблюденных. Эта методика окажется крайне полезной при расчетах «выдающихся» нагонов на внутренних водоемах. Защищаемые положения

1. Показано, что в различных точках побережья сгонно-нагонные уровни практически не связаны между собой.

2. Колебания экстремальных годовых сгонно-нагонных уровней характеризуются изменчивостью Cv~0,3

3. Последовательности годовых экстремумов сгонно-нагонных уровней не коррелированны. Связь между последовательными годовыми сгонами и нагонами отсутствует, а между месячными эти связи могут иметь место.

5. На отдельных пунктах наблюдений изредка фиксируются экстремумы до 2-3 раз превышающие прочие члены ряда. Такие ряды нельзя рассматривать как однородные. На Каспийском, Азовском и Аральском морях, а также на озерах Балхаш и Гурон зависимость hHmi</hH от обеспеченности (р) для определения расчетных уровней заданной обеспеченности близка к единой. Для указанных выше водоемов на защиту выносится единая зависимость для определения экстремальных сгонно-нагонных положений уровня заданной обеспеченности.

Апробация работы и публикации.

Основные положения диссертационной работы докладывались на Третьей Иранско-Российской конференции «Сельское хозяйство и природные ресурсы» (Москва, 2002), на Международной научной конференции «Экстремальные гидрологические события: теория, моделирование и прогнозирование» (Москва, 2003), на семинаре секции гидрофизики ИБП РАН, на семинарах лаборатории поверхностных вод ИБП РАН.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, грант № 99-05-65525 «Математические модели гидрометеорологических процессов и применение этих моделей в научных и прикладных целях».

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа содержит 118 страниц текста и включает в себя 29 рисунков, 35 таблиц и список литературы, состоящий из 58 наименований.

Заключение Диссертация по теме "Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия", Соломонова, Ирина Владимировна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На озерах Ладожское, Онежское и Гурон сгонно-нагонные процессы протекают гораздо слабее, чем на Каспийском, Азовском и Аральском морях: средние значения максимальных годовых нагонов составляют для озер Ладожского, Онежского, Гурона 22 см, 19 см, и 27 см и для Каспийского, Азовского и Аральского морей 38 см, 93 см и 53 см соответственно. На озере Балхаш в период сильных ветров повышение уровня воды у берегов достигает 1 м.

2. Высоты нагонов различаются в разных пунктах, причем в каждом пункте корреляция между годовыми экстремумами нагонов отсутствует. Математические ожидания по постам одного объекта могут быть близкими, но по отдельным постам расхождения выходят за рамки случайных ошибок, что заставляет пользоваться выборочными оценками.

3. Внутригодовое распределение экстремумов неравномерно; в большей части случаев годовой максимум приходится на осенне-зимний период. Однако средние значения экстремумов от месяца к месяцу изменяются незначительно. Коэффициенты вариации месячных экстремумов (с учетом случайного рассеяния) имеют один порядок величин для сгонов и нагонов. Значения коэффициентов вариации годовых экстремумов, с учетом выборочной изменчивости, могут повсеместно приниматься равными -0.3 (кроме Онежского озера, где Cv -0.4).

4. Коэффициенты корреляции между годовыми экстремумами сгонов и нагонов, за редким исключением, отсутствуют на всех рассматриваемых водоемах. На; Каспийском море коэффициенты корреляции между месячными экстремумами при расстояниях между постами 50-150 км могут достигать 0.6-0.8 (это не относится , к островным постам). При большей взаимной удаленности постов корреляция всегда становится статистически незначимой. Из этого следует, что синоптическая ситуация, обусловливающая корреляцию между сгонно-нагонными колебаниями уровня' Каспийского моря на смежных постах, имеет линейные размеры порядка 100 км (вследствие распространения синоптического вихря).

5. В шести пунктах Каспийского моря-из исследованных 22 (т.е. 1/4 случаев) за имеющиеся периоды наблюдений зафиксировано по одному выдающемуся нагону или сгону, которые до нескольких раз превышают предыдущие. На Азовском море аналогичная ситуация с нагонами наблюдается в трех пунктах из семи. Такая же ситуация складывается и на Аральском море, где за имеющиеся периоды наблюдений зафиксировано по одному выдающемуся нагону в двух пунктах из шести, который до нескольких раз превышает предыдущие; на Ладожском озере, где выдающийся нагон зафиксирован в двух случаях из четырех, на Онежском - в двух из восьми, а на Гуроне - в двух из пяти. На озере Балхаш зафиксировано по два нагона, до несколько раз превышающих предыдущие. Эти выдающиеся значения : со статистической точки зрения нельзя считать однородными с прочими значениями по этому объекту и совместная статистическая обработка их не корректна.

6. Выдающиеся значения нагонов подвергнуты совместному анализу. Экстремальные нагоны h„ „ах, каждый из которых отнесен к среднегодовому максимуму h „, дают по Каспийскому, Азовскому и Аральскому морям, а также по озерам Гурон и Балхаш единую зависимость от Рр«сч, приведенную к доле постов, на которых фиксировались выдающиеся нагоны. Значения зависимости р—hH maJhH ложатся на единую кривую.

Это свидетельствует об общей закономерности и, кроме того, подтверждает эту закономерность большим числом данных. Приведена шкала расчетных относительных высот hH m&JhH. Использование этой зависимости дает вполне удовлетворительное совпадение с материалами наблюдений; Ладожское и Онежское озера не отвечают этой закономерности. Вероятно, в дальнейшем следует учитывать не только долю постов с экстремальными высотами сгонов и нагонов, но и длительность наблюдений на этих постах.

7. На Каспийском море с середины 30-х гг. XX в., когда произошло резкое снижение фоновых уровней моря, высоты экстремумов почти удвоились, а осредненные экстремумы увеличились примерно на 1/3, что не может быть объяснено только случайным рассеянием. Привлечение материалов наблюдений по Азовскому морю, уровень которого относительно стабилен (благодаря сообщению с Мировым океаном), позволяет уже на данном этапе, склонятся к мнению, что увеличение высоты экстремумов на Каспии обусловлено влиянием (во всяком случае частично) более низкого фонового уровня за последние 50-60 лет. Дело в том, что на Азовском море, находящемся в близких физико-географических условиях, экстремумы за весь период наблюдений не обнаруживают видимых трендов. Следует также отметить, что при выделении дух периодов на Каспийском море: при низком (с середины 30-х гг. XX в.) и общем (который включает и низкий и высокий) уровне очертание обобщенной кривой, которая включала бы только значения при низком уровне водоема, практически не меняются.

Актуальная теоретическая и практическая проблема - определение экстремальных расчетных уровней воды редкой повторяемости, возникающих в результате наложения среднегодовых и сезонных балансовых колебаний, а также краткосрочных сгонно-нагонных колебаний. В связи с этим требуется исследовать композицию двух нормальных распределений (годовых тесно-автокоррелированных уровней и их сезонного хода), и трехпараметрического гамма-распределения (или логнормального) для описания сгонно-нагонных колебаний. При этом следует учитывать зависимость последнего из указанных распределений от фонового уровня водоема. На устьевых участках рек следует, кроме того, принимать во внимание половодные подъемы уровня.

Необходим углубленный анализ динамики синоптической ситуации в пределах акваторий рассматриваемых водоемов с целью установления причин изредка проявляющихся выдающихся величин сгонов и нагонов. На данном этапе изученности можно склониться к мнению, что одной из причин возникновения выдающихся нагонов являются шторма шквального характера.

Основой усовершенствования методики предвидения сгонно-нагонных колебаний уровня и методов инженерного расчета является сохранение и расширение наблюдательной сети станций и постов. К сожалению, в действительности реализуется противоположная тенденция.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Соломонова, Ирина Владимировна, Москва

1. Абросов В.Н. Озеро Балхаш. Л: Наука (Ленинградское отделение). 1973. 179 с.

2. Авакян А.Б., Истомина М.Н. //Энергия. 2001. №4

3. Айбулатов Н.А., Артюхин Ю.В. Геоэкология шельфа и берегов мирового океана. Спб: Гидрометеоиздат. 1993. 304 с.

4. Бискэ Г.С., Григорьев С.В., Малинина Т.И., Смирнов А.Ф., Эпштейн Е.М. Онежское озеро. Петрозаводск: Изд. Карелия, 1975. 166 с.

5. Богословский Б., Георгиевский Ю. Онего. Л.: Гидрометеорологическое издательство. 1969.

6. Борисов В.И., Капитонов Е.И. Азовское море. 1973. http://roksalan.narod.ru/meotida.htm.

7. Бортник В.Н. Современные антропогенные изменения уровня и солености Аральского моря// Метеорология и гидрология. 1977. №9. с. 51-55.

8. Бортник В.Н. Современные и прогнозируемые изменения гидрологических, гидрохимических и гидробиологических условий Аральского моря// Водные ресурсы. 1983. №5. с. 3-16.

9. Бутаев А.М. Каспий: загадки уровня. Махачкала. 1998. 70 с.

10. Герман В.Х., Левиков С.П. Вероятностный анализ и моделирование колебаний уровня моря. Л: Гидрометеоиздат, 1988. 230 с.

11. Герштанский Н. Д. Некоторые особенности рельефа водной поверхности при нагонах и сгонах в отмелых районах моря (на примере Северного Каспия)// Тр. ГОИН. 1971. Вып. 104. С. 82-95.

12. Герштанский Н. Д. Особенности сгонно-нагонных колебаний уровня воды на устьевом взморье Волги//Тр. ГОИН. 1973. Вып. 116. С. 131-145.

13. Гидрологические и водохозяйственные аспекты Или Балхашской проблемы. /Под ред. А.А. Соколова. Л: Гидрометеоиздат, 1989. 310 с.

14. Гидрологический ежегодник. Бассейн Балтийского моря. Т. 1. Вып. 0-3. Л.: СевероЗападное управление гидрометеорологической службы и управление гидрометеорологической службы.

15. Гидрологический ежегодник. Бассейны рек Средней Азии. Т. 5. Вып. 5-8. Алма-Ата: Управление гидрометеорологической службы КазССР.

16. Гидрометеорологические условия шельфовой зоны морей СССР. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. Т. 3. 219 с.

17. Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР. Л.: Гидрометеоиздат, 1990. Т. 7. 196 с.

18. Гидрометеорология и гидрохимия морей. СПб.: Гидрометеоиздат, 1992. Т. 6. Вып.1. 358 с.

19. Государственный водный кадастр. Бассейн Балтийского моря, Ладожского и Онежского озер. Ч. 2. Озера и водохранилища. Т. 1. Вып. 5. Л.: Северо-Западное территориальное управление по гидрометеорологии.

20. Дуйсенов С. Т. Характеристика ветрового режима и карта результирующих ветровых полей над оз. Балхаш // Труды КазНИГМИ. 1980. Вып.55. с. 92-111.

21. Зильберштейн О.И., Попов С.К., Чумаков М.М., Сафронов Г.В. Метод расчета экстремальных характеристик уровня моря в Северном Каспии// Водные ресурсы. 2001. Т. 28. № 6. с. 692-700.

22. Ивельская Т.Н., Храмушин В.Н. и Шевченко Г.В. Мониторинг морских опасных явлений в порту города Холмск.

23. Калесник С.В. http://kirjazh.spb.ru

24. Каспийское море. Гидрология и гидрохимия. М: Наука. 1986. 262с.

25. Каталог наблюдений над уровнем моря. Аральское море. Алма Ата. 1987. 40 с.

26. Каталог уровенных наблюдений гидрометеорологических станций и постов, расположенных на Каспийском море. М.: Гидрометеоиздат. 1964. 118 с.

27. Кириллова В. А., Распопова И.М. Озера ленинградской области. Л: Лениздат. 1971.

28. Клиге Р.К. Нарушение экологических условий подъемом уровня Каспия//Проблемы экологической безопасности Каспийского региона. Москва-Махачкала. 1997. с. 42-44.

29. Кравцова В.И., Михайлов В.Н., Ермошкин И.С. Динамика дельты р. Куры// Вест. Моск. Ун-та. Сер. 5. География. 2003.№ 2. с. 66-75.

30. Кравцова В.И., Лукьянова С.А. Изучение современных изменений в береговой зоне российского побережья Каспия по аэрокосмическим снимкам// Геоморфология. 1997. № 2.

31. Курдин Р.Д. Многолетние колебания водного баланса и уровня оз. Балхаш и их изменения в период наполнения Капчагайского водохранилища//Труды ГТИ. 1986. Вып. 315. с. 23-41.

32. Курдин Р.Д. О роли дельты р. Или и климатических факторов в колебаниях уровня оз. Балхаш// Водные ресурсы. 1977. № 1. с. 143-150.

33. Ладожское озеро гидрографический очерк (из Лоции), http://www.t22.nm.ru

34. Малик Л.К. //Энергия. 2003. № 10. С. 53-58.

35. Малинина Т.И., Охлопкова А.Н.// Труды Всесоюзного симпозиума по основным проблемам пресноводных озер. 1970. Т. 1. Вильнюс: Изд-во Пяргале.

36. МЧС. http://www.mchs.gov.ru

37. Нежиховский Р.А. Наводнения на реках и озерах. Л.: Гидрометеоиздат. 1988. 184 с.

38. Овсеенко С. Н.//Труды Гидрометцентра СССР. 1973. Вып. 127. С. 33

39. Последствия изменения климата для регионов: оценка уязвимости// Специальный доклад Рабочей группы IIМГЭИК. 1997

40. Раткович Д.Я. Гидрологические основы водообеспечения. М.: ИВП РАН. 1993. 430с.

41. Раткович Д.Я., Иванова Л.В.// Вод. ресурсы. 2001. Т. 28. № 5. С. 559.

42. Ресурсы поверхностных вод СССР. Т. 13. Центральный и Южный Казахстан. Вып. 2. Л.: Гидрометеоиздат. 1970. 645 с.

43. Рождественский А.В. Оценка точности кривых распределения гидрологических характеристик. Л.: Гидрометеоиздат, 1977. 270 с.

44. Скриптунов Н.А. Изменения солености воды в западной части взморья Волги после зарегулирования стока реки//Тр. ГОИН. 1971. Вып. 104. С. 96-108.

45. Скриптунов Н.А. К расчету максимальных сгонно-нагонных колебаний уровня Каспийского моря//Тр. ГОИН. 1967. Вып. 80. С. 46.

46. Скриптунов Н.А., Горелиц О.П.// Вод. ресурсы. 2001. Т. 28. № 2. С. 198.

47. Соколов А. А. Гидрография СССР. Л.:Гидрометеоиздат. 1952.

48. Спровочно энциклопедическая информация. http://www. BESTof.RU

49. Счетная палата Российской Федерации. Контрольно-ревизионная. http://www.ach.gov.ru

50. Тарасов М.Н. Гидрохимия озера Балхаш. М.: Изд. АН СССР. 1961. 225 с

51. Филиппов Ю.Г. Численное исследования колебаний уровня и течений северной части Каспийского моря при различных значениях его фонового уровня// Водные ресурсы. 1997. Т. 24. № 4. с. 424-429.

52. Шиварева С.П., Ивкина Н И., Строева Т.П., Васенина Е.И.// Вестник Каспия. 2002. №2.

53. An official state of Michigan web site, http://www.michigan.gov

54. Dantzig D. van, Hemelrijk J. Extrapolatie van de overschrijdingslijn van de hoogwaterstanden te Hoek van Holland met behulp van geselecteerde Stormen// Rapport Deltacommissie. 1960. d. 3. S. 8-56.

55. Lennon G.W. A frequency investigation of abnormally high tidal levels of certain west coast ports// Proc. Inst. Civ. Eng; 1963. Vol. 25. P. 451-483.

56. National Ocean Service (NOAA). http://co-ops.nos.noaa.gov

57. Suthons C.T. Frequency of occurrence of abnormally high sea level on the east and south coast of England// Proc. Inst. Civ. Eng. 1963. Vol. 25. P. 440-449.

58. Wemelsfelder P.J. On the use of frequency curves of storm-floods// Proc. Seventh conf. on coast, eng. Hague, Netherlands. 1960. P. 8-86.

Информация о работе

Соломонова, Ирина Владимировна
кандидата технических наук
Москва, 2004
ВАК 25.00.27

Диссертация

Статистический анализ и вероятностные расчеты сгонно-пагонных колебаний уровня внутренних водоемов - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы