Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Условия возникновения сильных невских наводнений

ВАК РФ 25.00.30, Метеорология, климатология, агрометеорология

Содержание диссертации, кандидата географических наук, Ефимова, Юлия Викторовна

Введение

1 глава Невские наводнения в истории Санкт-Петербурга.

1.1. Сезонные и многолетние изменения повторяемости невских 9 наводнений.

1.2. Экологические последствия сильных и катастрофических 11 наводнений.

1.2.1. Понятие экологических катастроф.

1.2.2. Речные наводнения.

1.2.3. Размер ущерба при наводнениях.

2 глава Механизм возникновения невских наводнений.

2.1. Ветровой нагон.

2.2. Сейшевые колебания уровня Балтики.

2.2.1. История вопроса.

2.2.2. Теория сейш.

2.2.3. Сейши Балтийского моря и их связь с наводнениями.

2.3. Явление длинной волны.

2.3.1. Длинные гравитационные волны.

2.3.2. Нагонные явления в морских устьях рек.

2.3.3. Длинные волны на Балтийском море.

2.4. Средний уровень моря.

2.4.1. Общий ход колебаний уровня Мирового океана и Балтийского моря.

2.4.2. Средний уровень Балтийского моря. Многолетние и сезонные 48 колебания уровня Балтийского моря.

2.5 Влияние ледового покрова.

2.5.1 Ледовый режим Балтийского моря и его влияние на зимние невские наводнения.

2.5.2 Основные климатические особенности северной части Балтийского моря.

3 Синоптические и климатические условия возникновения невских

глава наводнений.

3.1. Повторяемость форм атмосферной циркуляции и уровень

Балтики.

3.1.1. Классификации атмосферных процессов.

3.1.2. Формы атмосферной циркуляции.

3.1.3. Распределение сильных наводнений в Санкт-Петербурге в зависимости от основной формы циркуляции.

3.2. Типы элементарных синоптических процессов.

3.2.1. Элементарные синоптические процессы в атлантико-европейском секторе по классификации Вангенгейма.

3.2.2. Элементарные синоптические процессы и их повторяемость в случае сильных наводнений.

3.3. Барические и изашгобарические поля над Балтикой типичные для возникновения наводнений.

3.3.1. Циркуляционные процессы Балтийского региона. Основные характеристики северо-западных и западных циклонов.

3.3.2. Повторяемость штормовых циклонов.

3.3.3. Синоптическая ситуация, сопутствующая невским наводнениям.

3.3.4. Катастрофические наводнения в Санкт-Петербурге.

3.3.5. Изашгобарические поля над Балтикой типичные для возникновения наводнений.

3.4. Современные изменения климата и повторяемость невских

3.4. наводнений.

4. Различные подходы к прогнозу невских наводнений.

4.1 Развитие синоптического метода ГМЦ СПб.

4.2 Гидродинамический подход, методика К.А.Клеванного.

4.3. Возможность учета возникновения длинной волны и сеишевых колебании.

4.3.1. Условия возникновения длинной волны.

4.3.2. Спектральный анализ и вейвлет анализ сейшевых колебаний в наводненческий период.jjq

4.3.3. Анализ синоптической ситуации, сопутствующей наводнения.

4.4. Учет фоновых предикторов (средний уровень и зимнее похолодание).

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Условия возникновения сильных невских наводнений"

До завершения строительства комплекса морских защитных сооружений (МЗС) проблема прогнозирования сильных и катастрофических наводнений в Невской губе сохраняет актуальность. Заблаговременное предупреждение администрации и населения о катастрофическом наводнении позволило бы уменьшить материальные потери и гибель людей. В перспективе, в случае завершения строительства МЗС достаточно точный прогноз колебаний уровня будет важным элементом управления водным режимом и экологическим состоянием Невской дельты, что технологически обеспечивается маневрированием затворами МЗС

Данная работа посвящена исследованию синоптических условий возникновения длинной волны и ее учета при прогнозе сильных наводнений. Самостоятельное значение имеет зависимость возникновения наводнения от характера зимы и от среднего уровня моря.

Целью работы является исследование синоптических условий возникновения значительного статического и динамического подъема уровня моря в Центральной Балтике, которое является начальной фазой сейшевых колебаний уровня моря или приводят к вхождению в Финский залив длинной волны и разработка схемы использования наблюдений уровня моря и влияющих на колебания уровня атмосферных процессов, характера движения на восток и эволюции атлантического циклона. Использовать зависимость возникновения наводненческих ситуаций от типа синоптических процессов, каталог которых имеется с 1891 года.

Для достижения указанной цели необходимо решить ряд задач: а) оценить корреляцию колебаний уровня моря в Центральной Балтике и в Невской губе с различными временными сдвигами. Определить признаки возникновения явления длинной волны; b) по материалам каталога элементарных процессов и форм циркуляции Вангенгейма за 1891 - 2001 годы выявить те типы ЭСП, при которых в каждом календарном месяце «наводненческого периода» (август - январь) наблюдались наводнения.

Наводнением в Санкт-Петербурге считается превышение уровня Невы над уровнем ординара (h) на160 см (h>160 см), сильным наводнением -превышение над уровнем ординара на 200 см (h>200 см); c) разработать схему использования оперативно составляемых в России и зарубежных центрах прогнозов барического поля на 3 суток для определения типа элементарного синоптического процесса по классификации Вангенгейма.

В ходе исследований впервые установлено, что в ряде случаев возникновения наводнений имеет место корреляционная связь колебаний уровня в Центральной Балтике и Невской губе. Наличие этой связи указывает на перспективу повышения заблаговременности прогноза сильных наводнений. Анализ изаллобарических очагов на акватории Балтики и способы учета фоновых предикторов (градации среднего уровня моря и сумма отрицательных температур воздуха) также являются новыми. Учет гомологов циркуляции на основе типизации Вангенгейма ранее не использовался.

Анализ синоптических условий прохождения атлантического циклона по району Балтики и возникновения длинной волны осуществлялся путем построения карт давления и карт изаллобар по материалам архива барических полей за 1946 - 1994 гг. (2 срока в сутки).

Корреляционные оценки связи колебаний уровня в Центральной Балтике и в Невской губе осуществлялись по материалам наблюдения уровня моря в Стокгольме и р. Невы у Горного института.

Выявление зависимости наводнений от типа синоптического процесса основывалось на каталоге элементарных синоптических процессов Вангенгейма за период с 1891 года по 2001 год.

Выполненные в процессе исследований по теме диссертации работы непосредственно входят в НИР кафедры динамики атмосферы и космического землеведения.

Оценки повторяемости невских наводнений в наступающем месяце составлялись регулярно с августа 1993 года по январь 2003 года и направлялись в МЧС, ГМЦ СПб, в "Морзащиту". Результаты исследований и отдельные положения диссертации докладывались на Итоговых сессиях Ученого Совета РГГМУ в 2002, 2003, были представлены на седьмой Санкт-Петербургской ассамблее молодых ученых и специалистов в 2002 г. Основные положения, выносимые на защиту a) выявлены существенные корреляционные зависимости между подъемом уровня моря в Центральной Балтике и в устье реки Невы. Признаком возникновения длинной волны или сейшевого колебания в Центральной Балтике при наличии очага падения давления целесообразно считать подъем уровня более 10 см; b) зависимость повторяемости сильных наводнений от фонового предиктора: среднего уровня моря. В январе практически все невские наводнения происходили при градации «значительно выше нормы»; c) зависимость повторяемости сильных наводнений от фонового предиктора: суммы отрицательных температур воздуха в Санкт-Петербурге. Малая вероятность возникновения наводнения в декабре - январе при достижении суммы отрицательных температур градаций «значительно ниже нормы» (ЗНН) и «ниже нормы» (НН) в данный день. d) зависимость повторяемости сильных наводнений от типа синоптического процесса на основе каталога элементарных синоптических процессов Г.Я. Вангенгейма.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю доктору географических наук, проф. К.В. Кондратовичу за всестороннюю поддержку, сотруднику кафедры ДАКЗ РГТМУ кандидату физико-математических наук Л.А.Куликовой, кандидату физико-математичесих наук сотруднику кафедры метеопрогнозов О.Г. Анискиной, сотрудникам кафедры ДАКЗ и кафедры метеопрогнозов за внимание и помощь в подготовке диссертации.

1. Невские наводнения в истории Санкт-Петербурга

Заключение Диссертация по теме "Метеорология, климатология, агрометеорология", Ефимова, Юлия Викторовна

Заключение.

В результате проделанной работы были сформулированные следующие выводы и предложения по мониторингу невских наводнений: a) при климатическом и метеорологическом прогнозе вероятности возникновения сильного наводнения целесообразно для всего наводненческого периода (август-январь) использовать зависимость повторяемости сильных наводнений от форм циркуляции и при краткосрочном прогнозе от типа элементарного синоптического процесса; b) средний уровень моря является фоновым предиктором, влияющим на возможность возникновения наводнения. Градация уровня «значительно выше нормы» является благоприятной для возникновения сильного наводнения, особенно в совокупности с западной формой циркуляции. Градация «ниже нормы» после периодов длительного преобладания восточной циркуляции и отсутствия западной циркуляции существенно снижает вероятность возникновения наводнений в наступающем месяце. Оценка данных предикторов по гомологам циркуляции ААНИИ позволит судить о повышенной или пониженной климатической вероятности возникновения наводнения и сильного наводнения; c) для каждого зимнего сезона, целесообразно, вести свой график зависимости суммы градусодней мороза и по накопленной сумме для каждого дня судить о возможности возникновения сильного наводнения в последующий период; d) выявлены существенные корреляционные зависимости между подъемом уровня моря в Центральной Балтике и в устье реки Невы. Признаком возникновения длинной волны или сейшевого колебания в

Центральной Балтике при наличии очага падения давления целесообразно считать подъем уровня более 10 см.

Помимо фоновых предикторов необходимо учитывать возможность вклада явления длинной волны, возникающей в Центральной Балтике, или сейшевого колебания в подъем уровня Невы у Санкт-Петербурга. Современные возможности сбора необходимой информации с помощью Интернета обеспечивают анализ случаев возникновения сейш и статического подъема уровня в Центральной Балтике в оперативном режиме.

Европейский центр погоды публикует на своем сервере фактические и прогностические (на 12, 24, 48 и 72 ч.) карты погоды. По ним с заблашвременностью до 3 суток возможно оценить синоптическую обстановку на ближайшее время. В случае ожидаемого выхода циклона или глубокой ложбины на Центральную Балтику необходимо отслеживать уровни у Санкт-Петербурга на предмет сейшевых колебаний, а при фактическом выходе циклона - уровни моря у Стокгольма. В качестве первого приближения целесообразно считать повышение уровня моря в Центральной Балтике на 10 - 15 см в качестве признака возникновения статического подъема уровня, который может проявляться в виде длинной волны или сейшевых колебаний уровня. При возникновении вышеуказанного подъема, имеет смысл, по прогностическим картам приблизительно оценить ожидаемую скорость циклона и его траекторию. При скорости циклона выше 50 км/ч и одной из опасных траекторий, вклад длинной волны или сейши в подъем уровня становится более вероятным. Далее необходимо отслеживание продвижения длинной волны и изменения ее параметров с помощью системы BOOS (в оперативном режиме уровни моря по Центральной Балтике даются через каждые 20 мин.).

В перспективе, в случае завершения строительства МЗС достаточно точный прогноз колебаний уровня будет важным элементом управления водным режимом и экологическим состоянием Невской дельты, что технологически обеспечивается маневрированием затворами МЗС.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Ефимова, Юлия Викторовна, Санкт-Петербург

1. Авлошенко И.В., Бетин В.В., Куприянова Н.Г., Смирнова, Широков К.П. Наводнение в Ленинграде 20 декабря 1973 г. - Сборник работ ЛГМО, Л: Гидрометеоиздат, 1974. Вып. 8 - С. 174-186.

2. Астафьева Н.М. Анализ временных метеорологических рядов. Вейвлет-анализ: основы и теории, примеры применения // Успехи физических наук, 1996 . Вып.166 (11)- С. 1145 1170 .

3. Антонов А.Е. Настоящее и будущее Балтики. Долгосрочный метеорологический прогноз. СПб: Гидрометеоиздат, 1994. -С. 88.

4. Багров Н.А., Кондратович К.В., Педь Д.А., Угрюмов А.И. Долгосрочные метеорологические прогнозы. Л: Гидрометеоиздат, 1985. - С.248

5. Башилов Б. Левкович-Маслюк Л. Мелководный анализ // Компьютера, , 1998. Вып 8 (236) -С 28- 33.

6. Берг В.А. О механизме наводнений в устье р.Невы/УМатериал ы 4 гидрологической конференции. Ленинград, сентябрь 1933. Типография Гидрологического института. 1933. —18 с.

7. Бельский Н.И. Синоптические условия Ленинградских наводнений. -«Тр. ГОИН», 1954. Вып. 27(39) С. 43-80.

8. Бегин В.В. Ледовые условия в районе Балтийского моря и на подходах к нему и их многолетние изменения// Тр. ГОИН 1957. Вып.41 - С. 54-125.

9. Бон даре нко А. Л., Бычков B.C. Морские барические волны//Метеорология и гидрология.-1983.-№6. -С.86-91.

10. Бровиков И.С. Изменение элементов волн при выходе на мелководье. Тр. ГОИН. 1960. Вып. 50

11. Вангенгейм Г.Я. Опыт применения синоптических методов к изучению и характеристике климата. М: Редакциин но- из дател ьский отдел центр, упр. гидрометеорологической службы СССР, 1935. -112 с.

12. Гидрометеорологические условия шельфовой зоны морей СССР. Справочник. Т.1. Вып. 1. JL: Гидрометеоиздат, 1983 - 173 с.

13. Гире А.А. Макроциркуляционный метод долгосрочных метеорологических прогнозов. ААЫИИ Л: Гидрометеоиздат, 1974.-488 с.

14. Гире А.А., Кондратович К.В. Методы долгосрочных прогнозов. Л: Гидрометеоиздат, 1978. - 343 с.

15. Григорьев Ал.А., Кондратьев К.Я. Экодинамика и геополитика, том 2, Экологические катастрофы, СПб. 2001. 687 с.

16. Дальние корреляции в атмосфере и океане для Северного полушария/Гидрометеорология. Серия Метеорология. Обзорная Информация. Вып.7. Обнинск. 1987. 30 с.

17. Дитрих Г. Кале К. Общее мореведение// Пер. с нем. — Л: Гидрометеоиздат, 1961. 460 с.

18. Дубов В.П. Сейши Балтийского моря и их связь с наводнениями в Ленинграде.//Тр. ГГИ. 1937. - Вып.5

19. Ефимов В.В., Куликов Е.А., Рабинович А.Б., Файн И.В. «Волны в пограничных областях океана». Л.: Гидрометеоиздат, 1985. - 280 с.

20. Зубакин Г.Н. Крупномасштабная изменчивость состояния ледяного покрова морей Северо-Европейского бассейна / Под редакцией В.М. Захарова: ААНИИ. Л: Гидрометеоиздат, 1987. - 157 (I) с.

21. Зубова М.М. Зависимость скорости ветра от градиента атмосферного давления для Балтийского моря. /Тр. ГОИН. -Вып. 70. 1962. С. 25 -31.

22. Кац А.Л. Сезонные изменения общей циркуляции атмосферы и долгосрочные прогнозы. Л.:Гидрометеоиздат, 1960. — 269 с.

23. Каталог макросиноптических процессов по классификации Г.Я.Вангенгейма 1891 1962 года-Л: 1964.

24. Кононкова Г.Е., «Динамика морских волн». М: Издательство московского университета, 1969. - 206 с.

25. Кононкова Г.Е. Зарождение ветровых волн на поверхности воды. Тр. МГИ АН СССР., 1953. Вып.З

26. Коняев К.В., Сабинин К.Д., «Волны внутри океана». СПб: Гидрометеоиздат, 1992.-271 с.

27. Колесников А.Г., Кононкова Т.Е., Никитина Е.А., Сперанская А.А. Экспериментальное исследование структуры ветрового потока над взволнованной поверхностью. II Международный океанографический конгресс. Тезисы докладов. М. Изд-во АН СССР, 1966.

28. Корнюшин О.Г. Опасные гидрометеорологические явления в Северном и Балтийских морях//Тр. ВНИИГМИ-МЦД, 1980. - Вып.22. --С. 21-41.

29. Клеванный К.А. Моделирование длинноволновых процессов в геофизической гидродинамики, докторская диссертация, 1999., рукопись.

30. Куприянова Н.Г., Фрейдзон А.И. О прогнозе сейшевых подъемов уровня воды в устье Невы. Сборник работ ЛГМО, Л: Гидрометеоиздат, 1977. Вып. 9-С.146-153.

31. Куприянова Н.Г., Фрейдзон А.И. Влияние ледовой обстановки в Финском заливе на высоту подъема уровня воды в устье р. Невы. Сборник работ ЛГМО, вып. 12, Л: Гидрометеоиздат, 1981. С.95-101.

32. Куприянова Н.Г., Третьякова А.П. Зависимость между подъемами уровня в западной и восточной части Невской губы. Сборник работ ЛГМО, Л: Гидрометеоиздат, 1981. Вып. 12 С. 109-111.

33. Лазаренко Н.Н. Колебания уровня моря. Л: Гидрометеоиздат 1961.-108 с.

34. Лазаренко Н.Н. Средний уровень и объем вод Балтийского моря, (серия 4.) ЛОГОИН. Л: Гидрометеоиздат, 1982. 210 с.

35. Лихачева О.Н., Рабинович А.Б. Сезонные и синоптические колебания уровня океана в Северо-Курильске//В сб.: Нестационарные длинноволновые процессы на шельфе Курильских островов. -Владивосток: ДВНЦ АН СССР, 1984. -С.116-120

36. Лихачева О.Н. Вынужденные колебания уровня у берегов Курильской гряды в синоптическом диапазоне частот/Юкеанология. — 1984. №2. — С. 245-250.

37. Лундберг О.Р. Возможности долгосрочного фонового прогноза ленинградских наводнений. Труды Государственного Океанографического Института, Л: Гидрометеоиздат, 1959. Вып.37.

38. Матвеев Л.Т., Теория общей циркуляции атмосферы и климата Земли,. Л: Гидрометеоиздат, 1991. -295 с.

39. Моносов М.Л., Моносов Л.М., Павлихин Н.В. Ледовые условия в период зимних наводнений в Ленинграде. Сборник работ ЛГМО, Л: Гидрометеоиздат, 1981 Вып. 12-С.102-108.

40. Морской ледовый сборник и анализ данных наблюдений, физические свойства и прогнозирование ледовых условий. Справочное пособие / Под ред. И.Е. Фролова, В.П. Гаврилова. ААНИИ. СПБ, 1997. - 402 с.

41. Мультановский Б.П. Основные Положения синоптического метода долгосрочных прогнозов погоды. 4.1. -М., 1933. 139 с.

42. Нежиховский Р.А. Вопросы гидрологии реки Невы и Невской губы. -Л.: Гидрометеоиздат. 1998. - 224 с.

43. Нежиховский Р.А. Река Нева и Невская губа. Л.: Гидрометеоиздат, 1981.-112 с.

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

45. Померанец К.С. Наводнения в Санкт-Петербурге 1703 1997 гг. СПб: Издательство ТОО «Компания Балтрус». 1998.-172 с

46. Помыткин Б. А. Сейшевые колебания уровня Балтийского моря и их влияние на наводнения в дельте реки Невы// Изв. ВГО. 1977. - Вып2 -с. 143-149.

47. Проект «Моря СССР», Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР, Том 3 «Балтийское море», вып. 1 - Гидрометеорологические условия», СПб, Гидрометеоиздат., 1992. -449 с.

48. Пясковский Р.В. Наводнения, их причины, физическая сущность, меры борьбы с ними Л Изд. «Знание» РСФСР. Ленингр. организация. 1995,- 36 с

49. Пясковский Р.В., Померанец К.С. Наводнения: Математическая теория и предсказания, Л.: Гидрометеоиздат, 1982. -176 с.

50. Рабинович А.Б., «Длинные гравитационные волны в океане: захват, резонанс, излучение», СПб, 1993.-325 с.

51. Руководство по краткосрочным прогнозам погоды. Ч.З, Л: Гидрометеоиздат, 1965. Вып.2, -232 с. (с.ЗО)

52. Фрейдзон А.И., Бельский Н.И., Попков А.А., Приемы расчета подъемов уровня в устье р. Невы. «Тр. ГОИН», 1960. - Вып. - 56 С. 65 - 75.

53. Хандожко Л.А. Типовые траектории штормовых циклонов для северо-запада ETC// Тр. ЛГМИ. 1964. - Вып. 22. - С. 54 - 61.

54. Чичасов Г.Н. Численные методы обработки и анализа информации. Учебно-методическое пособие, Казгидромет. -1995. -106 с.

55. Climatological ice atlas for the Baltic Sea, Kattegat, Skagerrak and Lake Vanera (1963 -1979)//Norrkoping, Helsinki, Sweden and Institute of Marine Research. 1982 219 p.

56. Munk W.H., Long ocean waves/Лп: The Sea. Ideas and Observations on Progress in the Study of the Sea. New York. J.Wiley, 1962. - P. 647 - 663.

57. Neuman G. Uoer die komplexe Nature des Seeganges. Dtsch. Hydrogr. Zeitschr., 5, No. 5/6,1952.

58. Hess P Brezowsky H.,Katalog der Grosswettelagen Eropas//Ber. des. Deutschen Wetterdienstes. 1977. - Bd. 15. - N 113. - 68 s

59. Hydrological aspects of combined effects of storm surges and heavy rainfall on river flow. World meteorological organization. Operational hydrology report №30. 1988.