Том III Балтийске море
Выпуск 1 Гидрометеорологические условия
Под редакцией канд. геогр. наук Ф. С. ТЕРЗИЕВА, д-ра физ.-мат. наук В. А. РОЖКОВА, канд. геогр. наук А. И. СМИРНОВОЙ
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ ГИДРОМЕТЕОИЗДАТ 1992
РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ СЕРИИ МОНОГРАФИИ «ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЯ И ГИДРОХИМИЯ МОРЕЙ СССР*
Ф. С. Терзиев (отв. редактор), Н. П. Гоптарев, В. И. Калацкий, |А. И. Симонов) М. М. Борнсенко, В. Е. Бородачев, Д. Е. Гершановнч, Г. В. Гирдкн, А. А. Керимов, Н. Н. Колесннченко, В. А. Рожков, В. Г. Федорей/
Освещен широкий круг вопросов по метеорологии и климату, гидрологическому режиму, динамике вод и геологин Балтийского моря. Дана комплексная характеристика современного состояния гидрометеорологического режима моря и оценка его изменчивости под влиянием режимообразующих факторов. Эта характеристика базировалась на анализе информационной базы натурных данных вероятностными методами, учитывающими особенности исследуемых процессов и специфику данных. Информационная база данных включает результаты наблюдений на береговых и островных станциях, плавмаяках и станциях открытого моря, сформированные в массивы временные ряды, а также результаты, полученные расчетными методами.
Представляет интерес для специалистов океанологов, метеорологов и гидрологов, проектировщиков, изыскателей и работников транспортного и промыслового флотов.
Отзывы и предложения просьба направлять в Государственный океанографический институт по адресу: 119838, ГСП, Москва, Г-34, Кропоткинский пер., 6.
Предисловие
Окраинные и внутренние моря Советского Союза обладают огромными биологическими, минерально-сырьевыми, энергетическими, водными и другими ресурсами, которые используются многими отраслями народного хозяйства. К числу наиболее крупных отраслей относится рыбное хозяйство, морская нефтегазодобывающая промышленность, морской транспорт, гидроэнергетика, гидромелиорация, здравоохранение (рекреация), коммунальное и промышленное строительство на побережье морей. Многим из них для рационального планирования своего развития и его эффективного осуществления требуется всесторонний учет гидрометеорологических и гидрохимических факторов, в первую очередь таких, как колебания уровня моря, ветер и волны, ледовые условия, течения, химическая агрессивность морских вод, солевой состав, биогенные вещества и другие.
Дальнейшее развитие морских отраслей народного хозяйства вызывает острую необходимость разработки принципиально новых более совершенных путей и форм гидрометеорологического обеспечения на морях, так как одни традиционные формы в виде таблиц приливов, гидрометеорологических карт океанов и морей, ежегодников, ежемесячников и тому подобное уже не могут удовлетворить растущие запросы. Необходимо было создать целенаправленную систему обеспечения режимной гидрометеорологической и гидрохимической информацией хозяйственной деятельности на морях. Такая система создавалась в три этапа под общим научно-методическим руководством ГОИНа при участии специалистов ДАНИИ, ДВНИИ, ГГО, республиканских и территориальных управлений по гидрометеорологии и ряда мореведческих организаций других министерств и ведомств. Первый этап приурочен к исследованиям прибрежной полосы моря и устьев рек, второй — к шельфовой зоне моря, третий — к открытым районам и морю в целом.
К основным компонентам системы относятся следующие :
1. Серия справочно-кадастровых пособий по 12 морским бассейнам, содержащих режимные и статистические данные по важнейшим элементам гидрометеорологического и гидрохимического режима морей и крупных морских устьев рек, которые широко используются многими практическими и научными организациями.
2. «Руководство по расчету элементов гидрологического режима в прибрежной зоне морей и в устьях рек при инженерных изысканиях» (М., Гидрометеоиздат, 1973), в котором изложены практические приемы расчета характеристик режима на основе натурных данных и теоретических исследований.
3. «Руководство по гидрологическим исследованиям в прибрежной зоне морей и в устьях рек при инженерных изысканиях» (М., Гидрометеоиздат, 1972), содержащее методические рекомендации по организации и проведению полевых изысканий непосредственно в районе проектируемых гидротехнических сооружений.
4. Методы расчета основных характеристик гидрометеорологических элементов в шельфовых и открытых акваториях моря, позволяющие определить параметры ветра, волн, уровня, течений, льда при конкретных синоптических условиях и в многолетнем (режимном) плане, изданные в 1975—1983 гг.
5. Серия специализированных справочных пособий по гидрометеорологии и гидрохимии шельфа морей СССР, состоящая из 13 томов, изданная в середине 80-х годов.
В соответствии с заданиями проекта «Моря СССР» научно-технической программы ГКНТ «Мировой океан» 39 организациями Госгидро- мета, Минрыбхоза СССР, АН СССР и союзных республик и других ведомств под общим руководством ГОИНа и специализированным научно- методическим руководством ВНИРО (океанологические основы биопродуктивности морей), ГГО (метеорология и климат), ААНИИ (ледовые условия) подготовлена серия монографий «Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР».
Серия состоит из 10 томов, включающих около 20 выпусков:
том I — Баренцево море,
том II — Белое море,
том III — Балтийское море,
том IV — Черное море,
том V — Азовское море,
том VI — Каспийское море,
том VII — Аральское море,
том VIII—Японское море,
том IX — Охотское море,
том X — Берингово море
Каждый том состоит, как правило, из двух выпусков: «Гидрометеорологические условия» (выпуск 1) и «Гидрохимические условия и океанологические основы формирования биопродуктивности» (выпуск 2). Для акватории некоторых морей подго товлен выпуск 3, учитывающий особенности гидрометеорологических и гидрохимических условий моря и его отдельных районов.
В монографиях по единому типовому проспекту освещается широкий круг вопросов по метеорологии и климату, физической океанологии, динамике вод, гидрохимии, океанологическим основам биопродуктивности морей. Существенное внимание уделяется современным и ожидаемым антропогенным изменениям элементов режима. В силу объективных причин — специфики режима морей, степени изученности, различного уровня теоретических разработок — в освещении некоторых вопросов по разным морям имеются существенные различия. Однако при разработке научной программы и в процессе выполнения работ перед исполнителями ставилась основная задача — отразить современный уровень знаний гидрометеорологических и гидрохимических условий.
В разделах по метеорологии и климату рассматриваются климатообразующие факторы—радиационные условия, циркуляционные процессы, орография берегов, морские течения; климатическое районирование; режим ветра, местные его особенности, штормы; температура воздуха — средние, экстремальные, характерные значения; аномальные сезоны; влажность воздуха; атмосферные осадки и снежный покров; облачность — общая, нижнего яруса, число дней с ясным, полуясным и облачным небом; опасные и особо опасные гидрометеорологические явления — обледенение судов, туманы, метели, град, сильные морозы
Разделы по физической океанографии содержат характеристики: температурного режима, теплового баланса; ледовых условий, включая условия ледового плавания и физико-механические свойства льда; солености — средняя соленость, соленость в зонах смещения морских и речных вод, многолетняя и сезонная изменчивость, антропогенные изменения солености; плотности — средние значения, сезонные изменения, вертикальное распределение, конвекция; цвета и относительной прозрачности вод; фронтальных зон; водных масс; водного и солевого баланса.
В разделах по динамике вод рассматриваются: средний уровень моря, колебания уровня различных временных масштабов, включая приливы; течения— крупномасштабная геострофическая и ветровая циркуляция вод, сезонная, межгодовая и синоптическая изменчивость течений, циркуляция вод в шельфовых районах моря, приливные течения; ветровые волны, их режимные характеристики, максимальные высоты волн по районам морей и по сезонам.
По гидрохимии морей дается общая характеристика гидрохимического режима и определяющих его факторов, солевой состав морских вод и его трансформация; режим кислорода, его межгодовая, сезонная и суточная изменчивость; активная реакция (рН); щелочность как показатель смешения и происхождения вод в море, изменение се под влиянием природных и антропогенных факторов; режим биогенных веществ — минеральных и органических, растворенных и взвешенных соединений кремния, фосфора и азота, характеристика элементов баланса биогенных веществ, антропогенные изменения баланса биогенных веществ.
В разделе океанологические основы формирования биопродуктивиости вод, который впервые включен в подобного рода научно-справочные пособия, рассматривается влияние океанологических факторов на формирование биологической продуктивности вод, на воспроизводство, поведение и распределение основных промысловых объектов, дается оценка оптимальных факторов среды для обитания рыб в различные периоды их жизни.
При подготовке данной серии монографий исполнители стремились оптимально использовать имеющиеся натурные данные и современные гидротермодинамические и физико-статистические методы расчета гидрофизических и метеорологических параметров и характеристик, а там, где это было целесообразно, и полуэмпирические методы расчетов с привлечением натурных данных для оценки адекватности модели и натуры.
В результате исследований по проекту «Моря СССР» уточнены существующие представления о характеристиках гидрометеорологического и гидрохимического режима морей, в частности:
— определены условия формирования режима элементов климата, закономерности их изменения в пространстве и времени и различные вероятностные характеристики;
— получены режимные характеристики ветра и волнения, непериодических колебаний уровня, приливов и льда;
— получены новые поля гидрологических и гидрохимических элементов и характеристики вертикальной структуры вод;
— уточнены данные о солевых составах и электропроводности вод морей, которые свидетельствуют о существенной трансформации ионного состава и минерализации речного стока под влиянием антропогенных факторов;
— изучены основные факторы формирования газового режима вод — вертикальная устойчивость, биопродукционные процессы, загрязнение морской среды и др.;
— исследованы механизмы и масштабы, даны оценки возможных изменений гидрометеорологического и гидрохимического режимов при осуществлении крупных водохозяйственных мероприятий, рассмотрена эффективность регулирования режима морей СССР.
В целом настоящая серия монографий представляет собой естественное продолжение и развитие общей системы обеспечения режимной гидрометеорологической и гидрохимической информацией морских отраслей народного хозяйства и обороны страны на морях, омывающих берега Советского Союза, и служит ее важнейшей составной частью.
Общее научно-методическое руководство исследованиями по проекту «Моря СССР» и по подготовке серии монографий «Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР» осуществлялось ГОИНом. Руководство исследованиями по отдельным морям осуществляли: МФ ДАНИИ (Баренцево море), Севгидромет (Белое море), ЛО ГОИН (Балтийское море), СО ГОИН (Черное море), ГОИН (Азовское и Аральское моря), БО ЗакНИИ (Каспийское море), ДВНИИ (Японское, Охотское и Берингово моря).
Подготовка серий монографий «Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР» выполнена под общим руководством научного руководителя проекта «Моря СССР» канд. геогр. наук Ф. С. Терзиева. Ответственные исполнители работ канд. геогр. наук Н. П. Гоптарев, д-р ф.-м. наук В. И. Калацкий, д-р геогр. наук |А. И. Симонов| (ГОИН), д-р биол. паук Д. Е. Гершанович (ВНИРО), канд. геогр. наук В. Е. Бородачев (ДАНИИ), д-р геогр. наук М. М. Борисепко (ГТО).
Справочник по режиму Балтийского моря (том III) состоит из трех выпусков. Первые два выпуска характеризуют особенности гидрометеорологического и гидрохимического режима открытой части моря, а также дают представление о геологии моря и об океанологических основах формирования биопродуктивности. В третьем выпуске освещается режим Финского, Рижского, Куршского и Вислинского заливов.
Выпуск 1 «Гидрометеорологические условия» состоит из шести частей. В части 1 даны морфо-метрическая и геологическая характеристики моря и описание донных отложений. В части 2 охарактеризованы метеорологические условия, в части 3— режимообразующие факторы. Части 4, 5 и 6 посвящены описанию различных гидрологических характеристик морской воды и динамике моря. Каждая часть помимо самостоятельного интереса к закономерностям того или иного процесса определяет специфику условий Балтийского региона.
В каждом из разделов выпуска приведены сведения об истории исследований, дана характеристика информационной базы натурных данных и по диапазонам изменчивости проанализированы закономерности всех процессов и роль факторов, их определяющих.
Справочник является результатом многолетнего труда большого авторского коллектива, а также специалистов из учреждений-соисполнителей по проекту «Моря СССР». Части 3, 4, 5 и 6 настоящего выпуска Справочника подготовлены в Ленинградском отделении ГОИНа.
Предисловие написано канд. геогр. наук Ф. С. Терзиевым (ГОИН) и д-ром физ.-мат. наук, проф. В. А. Рожковым (ЛО ГОИН), введение — В. А. Рожковым.
Ответственный исполнитель и научный редактор части 1 д-р геол.-минер. наук Е. М. Емельянов (АО ИОАН). Авторами отдельных разделов являются: гл. 1.1, 1.2 и 1.3—Е. М. Емельянов, B. М. Литвин, Г. А. Никитин, В. А. Строк при участии Г. С. Харина (п. 1.3.2); гл. 1.4—Е. М. Емельянов, А. И. Гайгалас и М. Репечка; гл 1.5, пп. 1.6.2, 1.6.3, 1.7.1—Е. М. Емельянов; п. 1.6.4—Н. А. Айбу- латов и А. Л. Жиндарев; п. 1.6.5—Е. М. Емельянов, Э. С. Тримонис и В. М. Слободяник; п. 1.7.2— Е. М. Емельянов и Р. В. Мокрик; п. 1.7.3— Е. М. Емельянов и Г. С. Харин.
Ответственный исполнитель части 2 канд. геогр. наук С. Н. Тупикин (Калининградский ГУ), научные редакторы — С. Н. Тупикин и канд. геогр. наук Л. А. Хандожко (ЛГМИ). Авторами отдельных разделов являются: гл. 2.1, 2.3, 2.5, 2.7—2.9 — C. Н. Тупикин, гл. 2.2—С. Н. Тупикин, Т. И. Румянцева (Калининградский ГУ), С. Н. Соколова (ГГО); гл. 2.6 —В. Н. Боков, п. 2.6.2.—В. Н. Боков, Б. Н. Шатов (ЛО ГОИН); гл. 2.10 —Т. И. Румянцева.
В сборе материалов и подготовке таблиц принимали участие сотрудники Калининградского государственного университета Т. И. Румянцева, Н. П. Иванова, О. А. Савостина, С. В. Ковалева Е. А. Малышева, И. В. Азюковская, Т. А. Чижева, Е. С. Чернова, Е. В. Карпухина и Н. С. Орлова. Расчеты выполнены Е. И. Захаровой, И. А. Петровой (ВЦ Калининградского ГУ), Н. Н. Михайловым и И. Г. Ульяничем (ВНИИГМИ — МЦД). Графические работы выполнены Н. А. Голеницким, С. В. Ковалевой и С. В. Григорьевой.
Ответственный исполнитель и научный редактор части 3 канд. геогр. наук А. И. Смирнова (ЛО ГОИН). Авторами отдельных разделов являются: гл. 3.1—Н. В. Мякишева (ЛГУ); гл. 3.2— А. И. Смирнова и Н. И. Минина (ЛО ГОИН); гл. 3.3—А. И. Смирнова, Е. С. Ерофеева (ЛО ГОИН); гл. 3.4—А. И. Смирнова, Н. И. Минина, Е. С. Ерофеева (ЛО ГОИН) и Н. В. Мякишева (ЛГУ).
Ответственный исполнитель и научный редактор части 4 канд. геогр. наук А. Е. Михайлов (ЛО ГОИН). Авторами отдельных разделов являются: гл. 4.1—А. Е. Михайлов; гл. 4.2, 4.3—А. Е. Михайлов и сотрудники ВНИГМИ —МЦД Н. Н. Михайлов, И. Г. Ульяиич, Н. П. Волков, А. Д. Воронцов, С. А. Олейников; п. 4.4.3 —А. Е. Михайлов; пп. 4.4.1, 4.4.2 — А. Е. Михайлов, Н. Н. Михайлов, A. И. Смирнова; пп. 4.4.4, 4.5.1 и 4.5.2 —А. Е. Михайлов, Н. Н. Михайлов, Н. П. Волков; гл. 4.6 — B. В. Драбкин, М. Л. Фокина, С. В. Клячкин, Н. В. Гасникова (ЛО ГОИН).
Ответственный исполнитель и научный редактор части 5 канд. геогр. наук А. Е. Михайлов (ЛО ГОИН). Авторами отдельных разделов являются: гл. 5.1, 5.2 и п. 5.2.3—А. Е. Михайлов при участии Е. А. Романовой (АО ИОАН); п. 5.2.1 — |Н. Н. Ла- заренко], Т. Ю. Алексеева; п. 5.2.2 — Н. Н. Лаза- ренко; п. 5.2.4— Т. Ю. Алексеева; п. 5.3.1— Б. Н. Шатов; пп. 5.3.2,5.3.4 — Л. И. Лопатухип, Б. Н. Шатов; п. 5.3.3—Л. И. Лопатухин, 10. Д. Заковряшин, Б. Н. Шатов; п. 5.3.5 —Л. И. Лопатухин, Л. Е. Якубовская.
Ответственный исполнитель части 6 канд. геогр. наук А. И. Смирнова, научный редактор — канд. геогр. наук Л. И. Хандожко. Авторами отдельных разделов являются: гл. 6.1.— Е. С. Ерофеева; гл. 6.2—Н. П. Яковлева (ЛО ГОИН).
Выражаем благодарность сотруднику отдела речного стока ГГИ канд. техн. наук А. Г. Лобановой за активное участие в подготовке главы 1 части 3 Справочника.
Подготовка рукописи к изданию осуществлена Г. А. Солдатовой (ЛО ГОИН).
Введение.
Под режимом моря понимается статистический ансамбль состояний системы гидрологических, метеорологических и гидрохимических процессов в диапазонах межгодовой, сезонной, синоптической и внутрпсуточной изменчивости [1]. Такой подиапазонный подход к описанию режима моря предъявляет особые требования к информационной базе (ИБ) натурных данных. В качестве основного массива ИБ приняты два массива: массив «Временные ряды», включающий данные сезонных океанографических съемок и многосуточных станций в фиксированном наборе точек, и массив «Станция», включающий данные прибрежных гидрометеорологических наблюдений.
Для обработки и анализа каждая из этих временных последовательностей данных рассматривается как реализация случайного процесса, а их совокупность — как система временных сечений пространственного случайного поля.
Причем в каждом диапазоне изменчивости свойства случайного процесса уточняются.
Сезонная и суточная ритмика гидрометеорологических процессов, в которой сочетается повторяемость колебаний и стохастичность их параметров, описывается в терминах периодически нестационарных случайных процессов (ПНСП). Под ПНСП понимается такой случайный процесс ξ(t),, в с е вероятностные характеристики которого обладают свойством годовой пли суточной периодичности. Это предположение основывается на том, что в комплексе условий, формирующих подавляющее большинство гидрометеорологических процессов входят астрофизические факторы, связанные с обращением Земли вокруг Солнца и вращением Земли вокруг своей оси.
Отсчеты ξ(t), взятые через период коррелированности, образуют стационарные случайные последовательности.
В диапазонах межгодовой и синоптической изменчивости случайная функция предполагается стационарной, т. е. не зависящей от времени. Это предположение позволяет упростить анализ натурных данных, а результаты анализа считать стационарным приближением к исследуемому процессу.
Каждому временному ряду ξ(t), может соответствовать функция распределения Fξ(x) вероятностей его значений. Эта функция принята в Справочнике за основную вероятностную характеристику. Для графического представления часто более удобной формой является переход от Fξ(x) к квантилям хp, при которых значение функции распределения Fξ(хp)=p
Наибольший интерес представляют 5 квантилей
xmin , x0.25 , x0.5 , x0.75 , xmax
где xmin и xmax крайние члены ранжированного ряда Xi i=1 ,n x0.5 медиана
x0.25 , , x0.75— медианы левой и правой половин ранжированного ряда
На рис. 1 приведены в качестве примера оценка F(x) по натурным данным и квантили распределения в виде «ящика с усами». «Ящик» — это прямоугольник, ограниченный значениями Х0,25 и Х0,75, с поперечной чертой в медиане распределения. «Усы» — отрезки, соединяющие торцы ящика с крайними значениями Хmin и Хmax
Наряду с перечисленными квантилями, в Справочнике используются их линейные комбинации: интерквартилыюе расстояние
Для большинства гидрометеорологических процессов тип распределения F(x) отличается от стандартных (нормального, логнормального, Вейбулла и др.). Поэтому трудно указать априори необходимое для его описания число параметров. В Справочнике приводятся сведения о центре, масштабе и симметричности распределения
Оценки этих параметров можно определить несколькими способами.
Если временной ряд исходных данных имеет достаточно большую продолжительность и не содержит резко отличающихся значений [ Хmax < (Х0,75 + 3Q), Хmin > (Х0,25, — 3Q)], то за центр распределения принято среднее значение ,т, а за масштаб — среднее квадратическое отклонение σ=√D, где D — дисперсия.
При малом числе членов временного ряда и при наличии резко отличающихся значений за центр распределения принято трехсредиее значение Т, а за масштаб — интерквартильное расстояние. Отметим, что для нормального распределения
σ=0.74Q
Различия между T, Me и x, а также между (Хmin и Me), (Хmax и Me), (Х0.25 и Me), (Х0.75 и Me) характеризуют асимметрию распределения.
Наряду с распределением и его квантилями, при характеристике временных рядов используются коррелограммы K( т), K(t, т) и частотные S(ω,) или частотно-временные S(ω,т ) спектры.
В диапазонах сезонной и суточной изменчивости справедливы свойства периодичности значений K(t, т) и S(ω,т ) по аргументу t (месяцы года или часы суток). Отметим, что периодически нестационарный случайный процесс, у которого периодичны по t математическое ожидание m(t), дисперсия D(t) и корреляционная функция K(t, т), называют периодически коррелированным случайным процессом (ПКСП).
Временные ряды скорости ветра и морских течений рассматриваются как реализации векторных случайных процессов со значениями в евклидовом пространстве V(t). Специфика обработки и анализа таких рядов состоит в том, что вектора складываются «по правилу параллелограмма», т. е. математическое ожидание значений является вектором mv с модулем |mv | и направлением φ. Для определения дисперсии Dv и корреляционной функции Кv (τ) используется тензорность произведения векторов, т. е. Dv и Кv (τ) будут диадными тензорами.
Результаты обработки удобно представить графически (см. рис. 2.18) в виде совмещенного вектора среднего переноса и осей √ λ1 и √ λ2 эллипса средних квадратических отклонений V от mv .
Таким образом центр и масштаб распределения будут описаны пятью величинами |mv |, φ, λ1 и λ2 , а, где а — угол отклонения большой оси эллипса от направления на север.
Подробно методические рекомендации по обработке и анализу натурных данных приведены в работе [1]; в тексте Справочника приводятся пояснения для вычисленных статистических характеристик.
Список литературы.
1. Режимообразующие факторы, информационная база и методы ее анализа.— Л.: Гидрометеонздат, 1989. С. 9—22.
2. Тьюки Дж. Анализ результатов наблюдений. Разведочный анализ/Пер. с англ.— М.: Мир, 1981.— 693 с.
часть 1. Морфометрическая характеристика и геология моря