WWW.KNIGA.LIB-I.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Онлайн материалы
 

Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |

«Федеральная служба России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды ТРУДЫ ГОСУДАРСТВЕННОГО ОКЕАНОГРАФИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА ...»

-- [ Страница 3 ] --

гидрокарбонат-иона и иона кальция по отнош ению к и ону хлора р езк о падает при сум м е солей соответственно 0,5 и 1,0 г /к г. Л е ­ том данны е гидр охим и ческ ие параметры ведут себя аналогичны м образом при сум м е солей 1,0 и 1,5 г /к г соответственно.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

–  –  –

УДК 551.464.32 Н а основе анализа специализированных массивов данных об ионном составе вод Азовского, Каспийского и Черного морей, дополненных новейшими данны ­ ми наблюдений 1999—2000 гг. оценены среднеклиматические полож ения геохи­ мических барьеров в ю ж ны х морях России.

П оказано существование карбонатно-кальциевого, а в ряде случаев и суль­ фатно-кальциевого барьеров и их среднеклиматическое положение. Ш ирина бу­ ферной зоны зависит от содержания солей в речной и морской воде. Чем больше сток рек, тем ш ире зона смешения. В общем случае это происходит при сумме солей 2—4 г /к г. Однако есть и региональные особенности. Т ак, в Таганрогском заливе Азовского моря существует постоянный барьер по Са2*, Н С03 и при сумме солей 2,0—2,5 г /к г, в Северном Каспии — при 3,0 г /к г, в Черном море — при 2,0 —2,5 г/к г.

Работа выполнена при поддерж ке М инпромнауки Р Ф и РФ Ф И, проекты 99—05—64085 и 01—0 5 —06094.

Г еохи м ич ески е барьеры играю т огром ную роль в ф орм ирова­ н ии и и зм енчивости общ ей картины ги др ологи ч еск и х, ги д р охи ­ м ических и гидробиологических процессов в м орях. П онятие «гео­ хи м и ч еск ого барьера» введено в соврем енную н аук у В. И. В ер­ н адским. Согласно [9 ], геохи м и ческ и е барьеры харак тери зую тся резк и м и зм ен ен и ем м играционной способности элем ентов, оп ре­ деляем ы м м ехан и ч еск и м и, ф и зи к о-хи м и ч еск и м и и би охи м и ч ес­ ким и ф акторам и.



Р езк о вы раж енны й барьер — устьевая область реки и морское взморье. Эта ф изик о-географ и ческ ая систем а является ун и к ал ь­ ным объ ек том, где присутствую т практически все типы геохи м и ­ ч еск и х барьеров.

Здесь п р ои сходи т целы й спектр явлений:

— р езк ое зам едл ен и е скорости течения речны х вод;

— оса ж д ен и е крупны х ф ракций взвеш енного материала;

— к оагул яц ия глинисты х частиц;

— см еш ен и е речны х и м ор ски х вод и и х взаим ное разбавле­ ние;

— ф и зи к о-хи м и ч еск ое взаим одействие вещ еств, не сводя щ ее­ ся к разбавлению (ф л ок к ул яц и я органических вещ еств и м етал­ лов, сорбц ия, десорбция);

— и нтенси ф ик ац ия би ологи ческ и х процессов.

Д и н ам и к а развития и взаим освязь различны х барьеров ок а­ зы вают первостепенное влияние на ф ункционирование м орских экоси стем.

Г ео х и м и я п рак ти ч еск и в сех эл ем ен тов в зо н а х см еш ен и я р ек а— море очень сл о ж н а и слабо изуч ен а. С уж ден и я о консерва­ тивности или неконсервативности конкретного элем ен та в эстуа­ р и я х разны х рек нередко противоречивы. О ценки потерь эл ем ен ­ тов сильно колеблю тся. Р азн ообр ази е эстуариев и ф изико-геогр аф и ч еск и е усл ов и я среды т о ж е наклады ваю т отп еч аток на геохи м и ческ ое поведение элементов.

В качестве количественной харак тери сти к и геохи м и ч еск и х барьеров обы чн о и сп о л ь зу ю т г р а ди ен т — р а зн и ц у зн а ч ен и й содер ж а н и я элем ен та до и после барьера, норм ированную на его ш и рин у [ 1 ]. Чтобы установить факт вовлечения элем ен та в х и ­ м ич ески е и би охи м и ч еск и е реак ци и, его содер ж ан и е сравниваю т с к он сер в ати вн ы м п о к а за т ел ем (и н д ек со м ). Е сл и к ом п он ен т участвует только в проц ессе м ехани ческ ого см еш ен и я, его со ­ д е р ж а н и е л и н ей н о связан о с консервати вн ы м п ок азател ем и бл и зк о к теор ети ч еск ой п рям ой р азбав л ен и я. П ри уч асти и в ф и зи к о -х и м и ч е с к и х и л и б и о л о ги ч еск и х п р о ц ессах п ов еден и е элем ен та неконсервативно, и наблю дается отк лон ени е от л и н ей ­ ной связи с индексом [1 6 ]. Одним и з наиболее п о д ход я щ и х п ара­ метров д л я консервативны х индексов см еш ен и я считаю т хлорность [1 4 ].

П ри солености более 5 г /к г соли в м орской воде на 9 8 % н аходятся в растворенном состояни и, в речной воде — в основ­ ном в виде взвесей. К оличество взвеси на барьере ум еньш ается эксп он енц и ал ьн о, взвесь осаж дается на сам ы х р ан н их стади ях см еш ен и я в интервале солености 0 — 5 г /к г. Н аиболее благопри­ ятны е услови я дл я коагул яц ии тон к и х глинисты х частиц со зд а ­ ю тся при солености около 2 г /к г [1]. У даление главной массы взвеш енного м атериала оказы вает п реобр азую щ ее вли ян и е на формы м играции х и м и ч еск и х элементов.

И сследован ие связи основны х ионов хим и ч еск ого состава вод с соленостью в зон е см еш ен и я показало, что практически все они м огут быть индикаторам ф изического см еш ен и я пресны х и сол е­ ны х вод [ 1 ]: т. е. основны е ионы речны х вод преодолеваю т барьер р ек а— м оре без сущ ественны х потерь.

В то ж е время и звестн о, что при см еш ен и и вод в эстуарны х зо н а х п рослеж и ваю тся все п ереходны е стадии м еж д у гидрокарбонатно-кальциевы м и и хлоридно-натриевы м и водам и. О тноси­ тельное содер ж ан и е основны х ионов и зм ен я ется особенно резко при солености м енее 2 г /к г. П реобразование ионного состава вод п родол ж ается до солености 5 г /к г, а при солености выш е 10 г /к г относительное со дер ж а н и е ионов практически не м еня ется.

В п роцессе и зм ен ен и я типа вод суш и на м орской тип в озн и к а­ ют карбонатны й и сульф атны й ф и зи к о-хи м и ч еск и е барьеры, о п ­ редел яем ы е д о сти ж ен и ем предел а растворим ости сол ей и и м ею ­ щ и е общ егеограф ический хар ак тер, иллю стрируем ы й обобщ аю ­ щ им и м играционны м и кривы ми В аляш ко [7, 10]. О днако этот процесс в разл и ч ны х м орях не полностью тож дествен и им еет региональны е особенности.

Ю жные моря России относятся к замкнутым (Каспийское) либо полузамкнуты м (Черное, Азовское) морям с солоноватым типом вод.

П реимущ ественно на севере каж дого и з морей расположены круп­ ные м елководны е зоны р асп р еснен и я, приуроченны е к устьям крупны х рек (Днепр, Днестр, Д он, Кубань, Волга, Терек). В этих зон ах, являю щ ихся очагами биопродуктивности и рыболовства, происходят весьма слож ны е процессы взаимодействия вод разны х типов, во многом определяю щ ие гидролого-химический реж им ре­ гиона, трансформацию и распределение поступаю щ их с речным стоком ионов и биогенных веществ. Вследствие этих географических особенностей геохим ический барьер типа река— море представля­ ет особы й интерес дл я и зуч ен и я ю ж н ы х м орей Р осси и.





П ри и ссл едов ан и и трансф орм ации солевого состава в зон е рек а— м оре основны м м етодом является п остроение обобщ аю щ их м играционны х кривы х В ал яш к о, отобр аж аю щ их и зм ен ен и е от­ носительны х к онцентраций наиболее неконсервативны х ионов.

К ак правило, это ионы Са2+ и НСОд. Они образую т м алораствори­ мый ком плекс карбоната и гидрокарбоната кальц ия, которы е в значительны х количествах вы падают и з м орской воды при см е­ ш ен ии речной и м орской воды и затем осаж даю тся на дн о либо пребы ваю т в толщ е воды в ф орм е взвеси.

П оведен ие неконсервативны х ионов в общ ем случае описано зависимостью :

I Ь8а, = где I — относительная конц ен трац и я иона; 5 — общ ая сум м а сол ей, г /к г ; а и Ъ — иском ы е коэф ф ициенты.

К оренная перестройка солевы х систем А зовск ого, К асп и й ск о­ го и Ч ерного м орей п рои сходи т при сум м е солей около 2 г /к г.

Она вы раж ается п р еж д е всего в ум еньш ении доли к альц ия и к ар­ бон атсодер ж ащ и х солей и росте содер ж ан и я ЫаС1, соли, хар ак ­ терной дл я м орской воды.

В целом ди н ам и к а и зм ен ен и я солевы х систем ю ж н ы х м орей схо дн а. К региональны м различиям относится значительное со ­ дер ж а н и е С а 3 0 4 в пресны х водах Северного К асп и я. Это обстоя­ тельство объясняется специф икой ионного состава зам кнутого К ас­ пий ск ого м оря [8, 1 1 ].

Т аганрогский залив А зовск ого м оря представляет собой п р и ­ м ер ярк о вы раж енного геохи м и ческ ого барьера в граничной об­ ласти р ек а— м оре. Б ольш ой объем стока р. Д он по отнош ению к объ ем у зали ва и А зовск ого м оря в целом обеспечивает больш ую п ротяж ен ность зоны п ер ехода речны х вод к м орским.

Солевой состав вод зали ва ф орм и руется в результате взаи м о­ дей стви я д в у х п роти воп олож н о направленны х потоков:

1) и з р. Д он,

2) и з откры той части м оря ч ерез Д ол ж а н ск и й пролив.

П оток пресны х вод значительно возрастает только в весен н е­ л етн и й п ер и од, оставаясь сравнительно устойчивы м по объ ем у в остальное время года. Соленость вод увеличивается от устья р. Д он к м орском у краю зали ва. П ри сильны х сгонны х ветрах и боль­ ш ом сток е р. Д он р асп реснен и е вод распространяется д а ж е за пределы зали ва, а при н агонах м орская вода проникает в зали в, повы ш ая соленость его вод [5].

А н ал и з дан н ы х, п олучен н ы х при проведении эк сп еди ц и й на А зов ск ом м оре в и ю л е— сентябре 1 9 9 9 г. и в м арте и и ю л е— авгу­ сте 2000 г. позволил вы явить важ ны е особенности ф орм ирования в Таганрогском зали ве солевы х геохи м и ч еск и х барьеров.

Д л я исследовани я геохи м и ч еск и х барьеров н аиболее и н тер ес­ ны и зм ен ен и я сум м ы сол ей, отдельны х ком понентов солевого состава и м еж и о н н ы х соотн ош ен ий в Таганрогском зали ве от у с ­ тья р. Д он до Д ол ж ан ск ого пролива.

А бсолю тн ы е к онц ен трац и и всех ком понентов солевого соста­ ва постеп енн о растут с увели чен и ем сум мы солей. Это естеств ен ­ но дл я лю бого эстуари й ного бассейн а и принципиально н е зав и ­ сит от врем ени года. Тем не м енее внутригодовы е р азли ч ия стока рек и тем пературного р еж и м а наклады ваю т свой отпечаток на ги д р охи м и ч еск и й р еж и м Т аганрогского зал и ва. П овы ш енны й весен ни й сток влечет за собой п роникновение речны х вод в глубь зали ва. В м еж ен н ы й р еж и м л ета— ранней осени зон а м аксим аль­ н ы х градиентов сум м ы солей и абсолю тны х к онцентраций основ­ н ы х ионов см ещ ается к устью р. Д он.

Однако сгущ ение изолиний, приуроченное к гидрологическому фронту, не означает автоматически формирование в данной зоне геохимического солевого барьера. А нализ поведения абсолютных концентраций [3, 4] в Таганрогском заливе показал плавный рост содерж ания всех солеобразую щ их ионов вместе с сум мой солей и не обнаружил признаков наруш ения миграционной способности ионов.

Б олее наглядны й вид имеет пространственное распределение относительны х к онцентраций ионов (отнош ение др уги х состав­ л яю щ и х ионного состава к хл ор у, как наиболее консервативном у из ионов). П ри ан ализе пространственного расп ределени е м еж ионны х соотнош ений вы явлена граница м еж д у районом устой ч и ­ вых соотн ош ен ий (основная акватория А зовского м оря и н и ж н я я часть Таганрогского залива) и зон ой коренной перестройки сол е­ вой систем ы. П оследн яя приурочена к верхней части Таганрог­ ского залива, прим ы каю щ ей к устью р. Д он (рис. 1). Ее лок али ­ зац и я н е столь сильно зависит от сезон а, как гидрологический фронт, и ее м ож н о приблизительно привязать к изохали не 2 г /к г.

П ри сум м е солей п орядк а 2 г /к г м еня ю тся соотн ош ен и я всех ионов солевого состава. О днако в строгом см ы сле г ео х и м и ч ес­ кий барьер в Т аганрогском зали ве возни к ает дл я тр ех ионов — ж) Рис. 1. Распределение м еж ионных отношений на поверхности Таганрогского залива в марте (а —в) и июле—августе (г—ж ) 2000 г.

а и г — Са/С1; б и ж — Н С 03/С1; в — сумма солей, г / к г ; д — M g/Cl; е — S 0 4/C1.

–  –  –

В о-первы х, К асп и й ск ое м оре в отличие от А зовск ого п олн ос­ тью изолировано от М ирового океана и им еет вследствие этого сильно м етам орф изированны й солевой состав.

Во-вторы х, северная часть К аспия представляет собой обш и р­ ны й м елководны й регион, а не у зк и й залив, как в случае с Таган­ рогским заливом А зовск ого м оря. Основным ф актором, оп р еде­ ляю щ и м гидрол ого-ги др охи м и ческ и й р еж и м рай он а, является сток р.

В олги, которы й п оступает в море через сл ож н ую си стем у рукавов и каналов дельты. В соответствии с типичной для м орей северного п олуш ария общ ей схем ой ц и р куляци и основная часть распресненны х вод дв и ж ется вдоль северо-западного и западного берега К аспийского м оря на ю г, проникая до ш ироты г. Б ак у и д а ж е н и ж е [6]. Т аким образом, зон а см еш ен и я речны х и м орски х вод в Северном К аспии м енее локализована и одн ородн а, чем в А зов ск ом море.

В -тр етьи х, общ ая м ин ерал и зац ия вод р. В олги в несколько раз н и ж е м ин ерал и зац ии вод р. Д он. П ри этом воды р. Волги содер ж ат м еньш е сульфатов.

А н ал и з пространственного расп редел ени я сум мы сол ей и аб­ солю тны х конц ен трац и й сол еобр азую щ их ионов в Северном К ас­ п ии по данны м эк сп еди ц и й и ю л я— сентября и августа— сентября 2000 г. обн ар уж и л наиболее явны е черты зоны см еш ен и я по м ере следования основной струи волж ской воды в северо-западной части акватории. Н аиболее резк и й рост абсолю тны х к онцентраций всех ионов п росл еж и вал ся при увели чен и и суммы солей с 2 до 8 г /к г.

К ак и в случае с А зов ск и м м орем, наличие в дан ном ди апазон е сум мы солей гидрологического фронта не является прям ы м и н ­ дикатором сущ ествования солевого геохим и ческ ого барьера. Со­ поставление расп редел ени я основны х ионов в поверхностном и придонном сл оя х не вы являют значительны х разли чий.

А н ал и з пространственного расп ределени я отн ош ен ий ионов основного состава к хл ору сущ ественно доп олни л ги д р охи м и ч ес­ кую к арти н у района (рис.

3):

1 ) данны е л ета— осени 2000 г. подтвердили крайню ю н е у с­ тойчивость м еж и он н ы х соотн ош ен ий п рактически по всей аква­ тории Северного К асп и я, исследованную ранее [2];

2 ) н аиболее р езк и е и зм ен ен и я м еж и он н ы х соотн ош ен ий о т ­ мечены в восточной части дельты р. В олги, т. е. в стороне от м агистрального п р о х о ж ден и я волж ской струи. П ри этом гради ­ ент сум м ы солей в данной области относительно невелик.

Столь р езк ая перестройка солевой системы к востоку от д ел ь ­ ты р. В олги объ ясн яется тем, что им ен н о с этой стороны м орские воды, м енее п одверж ен н ы е влиянию стока р. В олги, гл убж е п ро­ никаю т к ее устью. При этом общ ая распресненность акватории С евер н ого К а сп и я я в л я е т с я п р и ч и н о й д о в о л ь н о н еб о л ь ш и х гради ентов сол ен ости н а ф оне к р уп н ом асш табн ы х и зм ен ен и й солевой систем ы. Сопоставление пространственны х р асп ределе­ ний сум м ы солей и м еж и он н ы х отнош ений п оказало, что к за ­ п ад у от дельты (в направлении дви ж ен и я волж ской воды) п е­ рестройка солевой систем ы в основном п р ои сходи т при сум м е со­ л ей 3 — 4 г /к г, тогда как к востоку от дельты он а охваты вала воды с м ин ерал и зац ией до 8 г /к г.

а) О 1 * * * 1 • ' * ' 1 * ' ", ) Рис. 3. Распределение межионных соотношений на поверхности (а, в) и в придонном слое (б, г) Северного Каспия в июле— августе 2000 г.

а и б — Са/С1, в и г — НС03/С1.

Смена речного р еж и м а на м орской характерна при сум м е со­ лей 2 — 4 г /к г. О днако и з дан ны х эк сп еди ц и й л ета— осени 2 0 0 0 г.

этот ди ап азон ви ди тся более размы ты м (м аксим ум сум мы солей 6 и д а ж е 8 г /к г ) (рис. 4 а и б). Это говорит в пользу гипотезы о расш ирении солевой барьерной зоны река— море в последние годы, вы двинутой на основании исследования геохи м и ч еск и х барьеров Т аганрогского залива А зовского м оря.

Е щ е более разм ы т солевой геохим и ческ ий барьер, и сследо­ ванный на основе проб воды, отобранны х на взморье р. Терек в зап адн ой части Северного К аспия (рис. 4 в и г). Терек впадает в зон у влияния основной вол ж ской струи, играю щ ую роль буф ера м е ж д у речной и м орской водой. П оэтом у перестрой ка солевой систем ы с постепенны м ум еньш ен и ем доли кальция и карбона­ тов за счет хем оген н ого, биологического и м ехани ческ ого вы па­ ден и я п родол ж ается вплоть до того м ом ента, к огда сум м а солей дости гн ет 8— 10 г /к г. П ри этом собственно воды р. Терек п росле­ ж иваю тся лиш ь до зоны, в которой сум м а солей 4 — 5 г /к г.

А н ал из коэф ф ициентов, входящ их в эм пирические уравнения см еш ения дл я К аспийского моря (см. таблицу), п оказал, что абсо­ лю тные значения коэффициентов дл я обеих эксп еди ци й 2000 г.

очень б л и зк и. Это свидетельствует о достаточной устойчивости характеристик солевого р еж и м а в целом и геохим и ческ их барье­ ров, в частности, на протяж ении временны х периодов синоптичес­ кого м асш таба (в течение сезона). В то ж е время абсолютные зн а­ чения коэфф ициентов а и b м играционны х кривы х, полученны е для Северного К аспия в 2 0 0 0 г., значительно меньш е аналогичны х значений, полученны х из общ его массива. Д ля геохим и ческ их ба­ рьеров, формирую щ ихся на взморьях относительно небольш их рек, которы е впадаю т в зо н у влияния р. В олги, они ещ е м еньш е.

П ри исследовани и геохи м и ч еск и х барьеров, возни к аю щ и х в Ч ерном м оре, использован массив данны х 158 прям ы х оп редел е­ ний основного ионного состава чер ном орских вод и и х см есей, а так ж е ранее проанализированны е в ГОИНе или взяты е и з л и те­ ратурны х источников данны е проб воды со взм орий рек Р и он и, Д н естр и Д н еп р [1 2 ].

По ф орме эстуари я северо-западная часть Ч ерного м оря п о х о ­ ж а на северную часть К аспийского м оря, однако по составу воды Ч ерное м оре бл и ж е к А зов ск ом у и ок еани ческ ом у ти п у в целом.

П оэтом у географ ически геохи м и ческ и е барьеры ти п а р ек а— море локализованы не столь явно, как в Таганрогском зали ве, но н е­ см отря на больш ое влияние речного стока, граница геохи м и ч ес­ кого барьера почти совпадает с океанской, в среднем соответствуя сум м е солей 2,0 — 2,5 г /к г. Д анны й факт прям о связан с н ек ото­ рым недостатком сульф атны х ионов в анионной части ионного состава вод Ч ерного м оря, что подтверж ден о некоторы м ум ен ь ­ ш ен ием коэф ф иц и ента при хлорности в уравнении Я = f (С1).

О тнош ения гидрокарбонатов и иона кальция к хл ору в м атери ко­ вом сток е в Ч ерное море и зм еняю тся соответственно в п ределах 0,8 — 2,1 и 0,9 — 2,6.

Эти оц ен к и хар ак тер и зую т некоторое ср едн ее п ол ож ен и е ба­ рьерной зоны в Ч ерном море. Д овольно ш ирокий ди апазон о ц е ­ нок состава м атерикового стока связан с совместны м использова­ нием дан ны х по различны м рекам. Е стественно, если рассм атри ­ вать ф орм ирование барьера дл я взм орья рек Д н естр и Д н еп р отдельно от рек К авказского п обереж ья м оря, то под влиянием разли ч ий м ин ерал и зац ий и составов и х вод полученны е р езул ь ­ таты м огут значим о м еняться.

С ледует та к ж е учиты вать возм ож ность сезон н ы х колебаний п ол ож ен и я барьерной зоны, в значительной степ ен и зав и ся щ и х от харак тери сти к им енно речной воды (в первую очередь от со ­ д ер ж а н и я карбонатов, крайне изм енчивы х во врем ени).

Р азл и ч и я геохи м и ч еск и х барьеров, возни к аю щ и х при см еш е­ нии речны х и м орск и х вод в Ч ерном море и в К асп и й ск ом и А зовск ом м ор ях, зам етно и по коэф ф ициентам уравн ен ия, п риве­ ден ны м в таблице.

Д л я всех исследованны х м орей средн екли м ати ческ ое п о л о ж е­ н и е геохи м и ч еск ого барьера соответствует и зохал и н ам сум мы солей 2 — 4 г /к г. Ш ирина барьерной зоны оп ределяется отн оси ­ тельны м содер ж ан и ем рассм атриваем ы х ионов в речной и м орс­ к ой воде, а та к ж е соотнош ением речны х и м орск и х вод в зоне см еш ен и я и к онф и гур аци ей эстуари я. В общ ем случае ув ел и ч е­ ние речного стока ведет к расш ирению буф ерной зоны м е ж д у речны м и и м орским и водам и и расш ирению барьерной зоны.

Н епосредственны й контакт слабо м етам орф изированны х м орских вод с небольш им объемом речны х вод ведет к ф ормированию от­ носительно ком пактной барьерной зоны.

В Т аганрогском заливе А зовского моря круглы й год наблю да­ ю тся геохи м и ч еск и е барьеры по трем ком понентам солевого со­ става: Са2+, БО2' и НСО3.

Барьерная зон а в среднем р асп ол ож ен а в д и ап азон е сум мы солей 2,0 — 2,5 г /к г и харак тери зуется сл едую ­ щ им и абсолю тны м и к онц ен трац и ям и по данны м ионам:

— дл я Са2+ — 4 0 — 1 0 0 м г /л, — дл я БО2- — 2 0 0 — 5 0 0 м г /л, — д л я НСОд — 1 5 0 — 1 9 0 м г /л.

В ы сокое относительное сод ер ж ан и е ионов к альц ия и ги д р о­ карбонат-ионов в водах р. Д он (и х отнош ение к хл ор у в донской Са/С1 Н С 03/С1

–  –  –

для Каспийского моря в июле—сентябре (а, б) и для взморья сентябре (в, г) 2000 г.

и г — НС03.

б воде равно соответственно 1,0 — 1,1 и 3,1 — 3,2 ) при п р охож ден и и барьера ум еньш ается соответственно до 0,0 4 — 0,0 5 и 0,0 8 — 0,1 0.

В устья х рек Волга и особенно Урал отн ош ен ие к альц ия и гидрокарбонат-иона к хл ор у меньш е:

— дл я кальция 0,2 6 — 0,3 0 и 0,2 2 — 0,2 3, — д л я гидрокарбонатов 1,8 — 1,9 и 0,7 — 0,8.

П ри п р охож ден и и барьерной зоны отн ош ен ие кальция к х л о ­ ру ум еньш ается до 0,0 7 — 0,0 8, а гидрокарбонатов к хл ор у — до 0,1 0 — 0,1 5.

Среднее полож ение барьера для Северного К аспия соответствует сум м е солей 3 г /к г. Д л я относительно н ебольш их рек зап адн ого п обер еж ья К аспийского моря (наприм ер, р. Терек) наличие об­ ш ирной буф ерной зоны и з распресненны х вод приводит к более плавном у и зм енен и ю ч исленны х характеристик геохим и ческ ого барьера, что вы раж ается в сгл аж ен ном виде м играц и онн ы х к р и ­ вы х.

В л и ян и е речного стока на чер ном орские воды так ж е весьма значительно, однако граница геохим и ческ ого барьера здесь п о­ чти совпадает с ок еанск ой, соответствую щ ей сум м е солей 2,0— 2,5 г /к г. О тнош ения гидрокарбонатов и кальция к хл ор у в реч ­ ном стоке здесь соответственно равны 0,8— 2,1 и 0,9 — 2,6.

Сравнение дан ны х эк сп еди ц и й 1 9 9 9 — 2 0 0 0 гг. со ср едн ек л и ­ м атическим и п оказателям и барьерны х зон Т аганрогского залива и К асп и й ск ого м оря вы являет тен ден ци ю к расш ирению границ барьерны х зон. О днако недостаточны е объем и равном ерность м ассива не позволяю т статистически обосновать данную гипотезу.

В аж ны м м ом ентом является то, что сезон н ы е и более вы соко­ частотны е к олебания п ол ож ен и я барьера в значительной степени зависят от харак тери сти к речной воды, и в первую очередь, от содер ж ан и я карбонатов, чрезвы чайно изм енчивы х во времени под влиянием хи м и ч еск ого, водного, твердого стока рек и. Этим оп ре­ дел яется первостепенное зн ач ен и е речной щ елочности для пара­ метров соотнош ений м еж д у щ елочностью и соленостью в см еш ан ­ ны х водах.

О бобщ енны е индексы см еш ен и я и и х численны е ап п р ок си м а­ ц ии хар ак тер и зую т п о л о ж ен и е барьера в к аж дом конкретном объекте. П ри изм енен и и м инерализации речны х или м орски х вод под влиянием природны х или антропогенны х факторов к оэф ф и ­ циенты м огут значим о м еняться.

Д етальное ч исленное описание сезон н ы х колебаний границы барьера требует больш ого количества специальны х натурны х на­ блю ден и й. Д а ж е сформированны е уникальны е базы дан ны х по и онн ом у составу вод рассм атриваемы х объектов пока не п озво­ ляю т всесторонне оценить этот п роц есс. О днако бы строе ув ел и ­ чение м ассива данны х в результате эк сп еди ц и й п осл едн и х лет п озв ол я ет р ассчиты вать на с о зд а н и е б азы, н е о б х о д и м о й дл я м оделирования процесса ф ормирования геохи м и ч еск и х барьеров в зон ах см еш ен и я рек а— м оре. Так, данны е наблю дений 1 9 9 9 — 2000 гг. позволили перейти к рассм отрению сезон н ой и зм енч ив о­ сти границ барьерны х зон в Таганрогском заливе А зовского моря.

СПИСОК Л И Т Е Р А Т У Р Ы

–  –  –

У Д К 5 5 1.4 6 5 В первы е сф орм улирована проблем а токсичности м орски х аэрозолей д л я п р и ­ бреж ного кон ти н ген та н асел ен ия вследствие м ассопереноса за гр язн яю щ и х вещ еств по пути объ ем н ая ф аза морской воды —поверхностны й м икрослой (П М С)—м ор­ ской аэрозоль. Обобщ ены д ан н ы е по хи м и ч еск о м у за гр язн ен и ю восточной части Ф и н ского за л и в а з а последние 10 л ет. О п исана м етодология о ц ен к и в оздей стви я н а населен ие за гр я з н я ю щ и х вещ еств м о р ск и х аэрозол ей. С оздана м одель м ассо­ перен оса т о кси к ан то в в орган и зм п ри бреж ного ж и т е л я с м о р ск и м и аэр о зо л ям и.

Экосистема Балтийского моря — одна и з сам ы х чувствитель­ ны х к загрязнению. Это обусловлено стоком в море около 2 5 0 рек, п ротек аю щ и х по пром ы ш ленно развиты м районам с н аселением около 2 0 млн человек, небольш им объем ом воды (2 0 5 0 0 к м 3) и м едленны м водообм еном с Северным м орем чер ез Д атск и е п роли ­ вы (вода в Б алти к е обновляется за 1 0 — 4 0 лет). И з зн ачительного числа вредны х вещ еств, попадаю щ и х в Б алти к у, наиболее и ссл е­ дованы хл орорган ич ески е пестициды (Х О П ), неф тяны е угл еводо­ роды (Н У ), а та к ж е тя ж ел ы е м еталлы (ТМ).

Д л я больш и н ства за гр я зн я ю щ и х вещ еств (ЗВ ) хар ак тер н о к онцентрирование в поверхностном м икрослое. П узы рьки в о зд у ­ х а, со д ер ж ащ и еся в столбе воды, подним аю тся на п оверхность, где разруш аю тся. П ри разруш ении пузы рька образую тся м орские аэрозоли. В составе аэрозолей отраж ен состав поверхностной плен­ ки вод. Они содер ж ат ТМ, хлорорган ически е соеди н ен и я, д етер ­ генты и Н У.

С западны м переносом аэрозоли попадаю т в п ри бреж н ую зон у Ф инского зали ва, где расп ол ож ен не только один и з к р уп н ей ш и х городов Р осси и — С анкт-П етербург, но и м ногочисленны е к урор­ ты (наприм ер, С естрорецк). П ом им о обы чны х факторов т ех н о ­ генной н агр узк и лю ди на п обер еж ье загрязн енн ой акватории п о­ стоянно испы ты ваю т воздействие токсичны х м орск и х аэрозолей.

Н асел ен и е п р и бр еж н ы х м ор ск и х районов ч ер ез ды хательн ую си ­ стем у подвергается воздействию значительны х доз м ногок ом п о­ нентны х систем токсичных соединений, д а ж е если качество «объем­ ной» воды вполне пригодно дл я рыболовства, к упан и я и т. д.

К ом бинированное ток си ческ ое воздействие хи м и ч еск и х аген ­ тов редк о проявляется как сум м а воздействия отдельны х эл ем ен ­ тов.

Б ол ее характерны н еаддитивны е эффекты :

— си нер ги ческ ий (уси л ен и е воздей ствия по сравнению с а д ­ дитивны м эф ф ектом ), — антагон истически й (ослабление воздей ствия по сравнению с аддитивны м ).

В р езультате хрон и ческ ого синергического ком бинированно­ го ток си ческ ого воздей ствия м орски х аэрозолей у постоянного конти нген та н асел ен и я п р и бр еж н ы х районов возм ож н о с н и ж е ­ ние и м м ун и тета и, как сл едстви е, увел и чен и е распространения р еспираторны х и н ф ек ц и й. С ледует отм етить, что эта проблем а ак туальна не только дл я п обер еж ья Ф инского зали ва, но и дл я лю бой п ри бреж н ой зоны.

П ервая часть работы посвящ ена собственно загр я зн ен и ю вод восточной части Ф инского зали ва и р еж и м у п оступ лен и я в аква­ торию З В. И спользованы материалы Е ж егодн и к ов качества м ор­ ск и х вод по гидр охим и ческ им показател ям (в том числе и д а н ­ ны е Ц ен тр а м ониторинга А рк ти к и ) [6], вклю чаю щ ие особен н ос­ ти водосборной территории и данны е по ди н ам и к е загря зн ен и й водной среды восточной части Ф инского зали ва на п ротя ж ен и и п осл едн и х 10 лет.

В о второй части работы подробно рассм отрен м ехан и зм к он ­ ц ентри рован ия токсикантов в поверхностном м ик рослое (ПМС), приведены факторы обогащ ения дл я р азли чны х ТМ (м еди, н и к е­ л я, ц и н к а, сви н ца, кобальта, м арганца), и сх одя и з к оторы х рас­ считаны сод ер ж а н и я эти х З В в ПМС восточной части Ф инского зали ва в 1 9 9 9 г.

В третьей части работы освещ ен п роцесс ф орм ирования м ор­ ск и х аэр озол ей и и х хи м и ч еск и й состав.

В четвертой части на основе дан ны х м еди ц и н ск ой статистики описаны м етодология и принципы оц енк и состояни я здоровья н аселен и я на прим ере г. С анкт-П етербурга. Таким образом, вы ­ явлена связь м е ж д у экологи ческ ой обстановкой и здоровьем н а­ селен и я.

В пятой части описаны м одель м ассопереноса токсикантов в организм п р и бр еж н ого ж и т ел я с м орским и аэрозолям и и сх ем а м етодологии оценки опасности токсического воздействия м орских аэрозол ей.

1. Современное загрязнение акватории Финского залива и его источники

–  –  –

В п осл едни е 10 лет содер ж ан и я всех перечи сленн ы х ток си ­ кантов варьирую т в ди ап азон е 0,5 — 5,0 П Д К. В отдельны е п ер и ­ оды содер ж а н и е ф енолов в устье Больш ой Н евки и п л я ж н ой зоне северного курортного района возрастало до 10 П Д К. К роме того, в воде и ногда обн аруж и вал и ХОП в к онц ен тр ац и ях от 1 — 5 (а - и %-ГХЦГ) д о 70 н г /л (Д Д Т ) [6].

Больш инство рек бассейна загрязнены хим ическим и вещ ества­ м и, которы е обр азую тся в результате пром ы ш ленной и сельск о­ хозя й ствен н ой деятельности (биогенны е вещ ества, ТМ, хлор- и ф осф орорганические вещ ества, Н У и др ). К ч и сл у загря зн ен н ы х рек относятся притоки Невы (И ж ор а, Охта) и р. Сестра. В Н еве превы ш ение П Д К отм ечено по ТМ (С1, Со, Сг, РЬ, №, 2п, Ав, В е, Т1, и по Н У [5]. В Охте заф иксировано превы ш ение П Д К по ф енолам в 1 0 — 15 раз, по м арганцу — в 2 0 раз. В северной курорт­ ной зон е вы явлен ряд аном алий по содерж ан и ю в речной воде Си, М о, 7л\, а в некоторы х сл учая х — по Ва и Т1. С одерж ания назван ­ ны х токсикантов как м иним ум в 2,5 — 3,0 раза превы ш аю т П Д К.

П ревы ш ение П Д К та к ж е отм ечено в районе В ол хов— Л адога.

В В олхове м акси м ум содер ж ан и я фенолов достигал 132 П Д К. В 1 9 9 3 г.

отм ечены сл едую щ и е конц ен трац и и ТМ [1]:

Ре

М п

2 п

В настоящ ее время установлены основные ток си ческ ие ЗВ, которы е присутствую т в водной толщ е Н евской губы и восточной части Ф инского залива:

— ТМ (м едь, ж ел езо, цин к, м арганец, кадмий);

— некоторы е органические вещ ества — Н У, синтетические поверхностно-активны е вещ ества (СПАВ), ф енолы.

Главный источник поступления ТМ в воды залива — п ред­ п риятия черной и цветной м еталлургии и судостроительной про­ м ы ш ленности. По данны м С еверо-Западного УГМС, в среднем в течение года в п ри бреж н ы х водах восточной части Ф инского за ­ лива содерж ан и е м еди до 7 П Д К при м аксим ум е 28 П Д К, а м ар­ ганца — до 2 П Д К при м аксим ум е 8 П ДК.

Основные источники поступления Н У — м орской транспорт, ком м унальное хозяйство и промы ш ленны е предприяти я. Ф ен о­ лы поступаю т в основном с предприятий л есной, целлю лознобум аж н ой пром ы ш ленности, в м еньш ей степени — с ком м уналь­ ными сточны ми водам и. Н акоплению ф енолов в воде способству­ ет относительно слабый водообмен. Детергенты, в частности СПАВ, попадаю т в воды залива с коммунальны ми сточными водами [27].

а) б)

–  –  –

С уммарная н агр узк а, склады ваю щ аяся и з п оступ лени я с реч ­ ным стоком (природное ф оновое поступление) и антропогенного п оступ л ен и я со сточны м и водам и и чер ез атм осф еру, п риведена в табл. 1. 1.

П редп ол ож и тел ьн о, больш ая часть м еди п оступает с речны м стоком, сви н ца — и з атм осферы, к адм и я — со стоком и и з атм о­ сф еры, ртути — и з атмосферы и со сточны м и водам и [1 7 ]. Д а н ­ ны е по ди н ам и к е загр я зн ен и й вод Ф инского зали ва приведены на ри сун к е. В и дн о, что загря зн ен и е Ф инского зали ва носит регу­ лярны й харак тер. Н а п ротя ж ен и и п осл едни х 10 лет содер ж ан и я п оступ авш и х в воды акватории различны х ЗВ превы ш али П Д К.

Так, со дер ж ан и е фенолов в объем ной ф азе воды постоянно превы ш ает П Д К в 4 — 9 раз.

Д л я так и х токсикантов, как Х О П, доп усти м о только полное и х отсутствие. В п оследнее врем я нам етилась тен ден ц и я сн и ж е ­ н ия сод ер ж ан и я Х О П, что связано с п рекр ащ ением и х и сп ол ьзо­ вания в сельском хозя й стве и процессам и сам оочи щ ени я (о с а ж ­ ден и е на дн о при седи м ен тац и и взвеш енны х частиц).

Такясе м ож н о отметить устойчивое сн и ж ен и е содерж ан и й ТМ.

В озм ож н о, это объ ясн яется полной или частичной остановкой п р едпр ияти й, загр я зн яю щ и х акваторию.

С одерж ани я Н У п о-п р еж н ем у вы соки и превы ш аю т П Д К в несколько р аз. Этот ф акт обусловлен сильно развиты м су д о х о д ­ ством и загруж енн остью фарватеров.

–  –  –

Т аким образом, без учета концентрирования ком плексов м е­ таллов с органическим и соеди нен и ям и и элем ен торган и ческ их соеди н ен и й к онцентрация ТМ в ПМС восточной части Ф инского залива составляет, как м иним ум 5,1 м к г /л дл я Мп; 0,0 8 м к г /л — дл я Си; 1,2 м к г /л — дл я РЬ.

В едущ ее м есто в загря зн ени и поверхности океана бесспорно при н адл еж и т Н У. П рактически все Н У остаю тся на поверхности океана, что связано с ф изик о-хи м и ческ и м и свойствами нефти как см еси углеводородов и гетероатом ны х соеди н ен и й, плохо раство­ рим ы х в воде [8]. К онцентрация Н У в ПМС м орской воды зн ач и ­ тельна — от 0,2 до 15 м г /л [1 6 ]. Средняя конц ен трац и я в районе и сследовани я 0,9 5 ± 0,0 7 м г /л. К онц ен трац ия ж е Н У, у д ер ж и в а ­ ем ы х в ПМС, около 1 0 — 3 5 % и х годового притока в акваторию.

СПАВ по своей хи м и ч еск ой природе относится к амфифильным соеди н ен и ям. П опадая в акваторию и естественны м образом к онцентрируясь на границе р аздел а ф аз, СПАВ влияю т на содер ­ ж а н и е Н У в ПМС [2 6 ], которое возрастает за счет эм ульгирова­ н ия Н У в п оверхностны х п л енк ах детергентов. У становлено, что м е ж д у трем я перем енны м и — содер ж ан и ем Н У, ХОП и СПАВ в ПМС м орской воды сущ ествует вы сокая к оррел яц и я. Так, в ч ас­ тности, к оэф ф иц и ент м нож ествен н ой корреляции эти х тр ех в е­ личин равен 0,5 4 1 [1 6 ]. Это говорит о том, что концентрирование детергентов в ПМС привело к увеличению в этом слое Н У, а это в свою очередь повлекло за собой накоп лен ие здесь ж е ХОП, кото­ ры е та к ж е растворяю тся в п оверхностны х п л енк ах.

3. Образование и состав морских аэрозолей

М орские аэрозоли охваты ваю т ш ирокий ди ап азон д и сп ер с­ ности, однако м елко- и грубодисперсны е аэрозоли неустойчивы, первы е — и з-за часты х столкновений частиц м еж д у собой, вто­ рые — и з-за больш ой скорости седи м ен тац и и. П оэтом у практи­ ч еск и разм еры аэрозолей заним аю т область 10"5— 10 2 см [24].

Вынос солей на суш у с морскими аэрозолями — около 1000 т/год [2 5 ].

П р о и сх о ж ден и е свободны х воздуш ны х пузы рьков обуслов­ лено двум я процессам и:

1 ) захватом в о зд у х а волнами,

2 ) увели чен и ем м икропузы рьков, сущ ествовавш их в столбе воды ранее.

При ветровом волнении поверхность раздела вода— воздух см е­ щ ается. П ри обруш ен ии волн образую тся пузы рьки и з захв ач ен ­ ного во зду х а. К ром е ветровы х волн сл едует отм етить явление сулоя.

П од сулоем обы чно поним аю т нерегулярн ое м орское волне­ ние, возникаю щ ее в некоторы х м естах при обтекании течением неровностей рельеф а д н а на м елководьях или при набегании волн на встречное течени е. Волны, распространяясь навстречу гори ­ зон тально-н еодн ородн ом у течению, увеличиваю т свою вы соту и ум еньш аю т дл и н у. С ледствием этого та к ж е является обруш ение волны и захват воздуха. Сулои н аблю даю тся при устан ови вш и х­ ся приливны х (отливны х) теч ени ях в м ом ент м аксим альной ск о ­ рости течения и чащ е всего в сл уч ая х, к огда ветер и течение противополож ны по направлению. Волны сулоев короче и круче, чем обы чны е ветровые волны и зы бь. К роме того, они более аси м ­ метричны [1 2 ]. П редполагаю т, что сулой м ож н о связать с тр ан с­ ф орм ацией ветровы х волн на свободной поверхности при обтек а­ нии течени ем подводного препятствия [2 ].

М икропузы рьки в столбе воды та к ж е образую тся в результате сорбции газов на поверхности взвесей или при биологи ч еск и х п р оц ессах, наприм ер при ф отосинтезе и ды хан и и м орск и х орга­ низм ов. О бразовавш ийся воздуш ны й пузы рек п одни м ается к п о­ верхности со все возрастаю щ ей скоростью, поскольку его объем увеличивается. Д ости гая поверхности воды, пузы рек лопается.

Это соп р овож дается целой серией явлений, сл едую щ и х одно за други м с больш ой скоростью.

П ри разры ве пузы рька с п оверхн о­ сти м оря в атм осф еру вы брасываю тся капли дв ух видов [26]:

1 ) м елкие, представляющ ие собой остатки поверхностной плен­ ки пузы рька, контактировавш ей с атмосферой;

2 ) более крупны е «реактивные», вы летающ ие со дн а пузы рька.

Общее количество солей, поступающ их в атмосферу в результате разрыва воздуш ны х пузы рьков, значительно — 10 “12 г /(с м 2-сут) [14]. У становлено, что лопаю щ ийся воздуш ны й п узы рек образует 10 0 — 200 аэрозольны х частичек.

С одерж ание солей в м орской атм осф ере в значительной м ере зависит от м етеорологически х условий: осадков, скоростей вет­ ра.

Зависим ость сод ер ж ан и я в атм осф ере над морем солей ок еан ­ ского ген ези са (?) от скорости ветра в некотором п ри бл и ж ен и и м ож н о определить при пом ощ и уравнения [14]:

^ = А Г + Б, где А = 0,0 5...0,0 7 и В = 0,4 2...0,6 1 — коэф ф ициенты, оп р едел я ­ ем ы е эксперим ентально.

Т аким образом, дл я восточной части Ф инского зали ва вели­ чина 5 прим ерно равна 10 м к г /м 3.

П ри образовании м орски х аэрозолей путем капельного ун оса хи м и ч еск и е элементы ф ракц и они рую тся, следствием чего яв л я­ ется неполная идентичность состава образую щ и хся м орских аэро­ золей и м орской воды.

К оличественную харак тери сти к у ф рак ц и ­ онирования обы чно даю т в ф орме коэф ф ициента ф ракционирова­ ния (К ) эл ем ен та Ьотносительно натрия [19]:

К, = т / [ В Д аэрозоль / ( И / [К а])мор. вода.

Д анны е натурны х наблю дений и эксперим ентов в естествен ­ ны х у сл ов и я х свидетельствую т о вы соких коэф ф иц и ентах ф рак ­ цион и рован и я, д л я м ноги х м икроэлем ентов дости гаю щ и х 10 2— 1 0 3 (табл. 3.1 ). М аксимальны е К 1 наблю даю тся для элем ентов, значительная дол я которы х в м орской воде и м еет ф орм у к ом п ­ лексов с растворенны м органическим вещ еством (РОВ) и взвесей.

Это наводит на мысль о том, что определяю щ ую роль в яв л ен и ях м орского ф ракционирования при капельном уносе играю т п ро­ цессы ф лотационного извлечения взвесей, п одни м аю щ и хся в вод­ ной среде воздуш ны м и пузы рькам и [1 9 ].

Таблица 3.1 Экспериментальные [22] и расчетные [23] значения К1 Эксперимент [22] Расчет [23] Элемент Ре 110—700 Со 6 0 —230 Си 70—30 000 гп — РЬ —

–  –  –

4. Методология оценки воздействия неблагоприятных экологических факторов на состояние здоровья определенных групп населения Н ар я ду с промы ш ленны м загря зн ен и ем атм осферы м орские аэрозол и, со д ер ж ащ и е токсичны е хи м и ч еск и е соеди н ен и я, яв л я­ ю тся дополнительны м ф актором экологического н еблагоп олучия д л я постоянного контингента н аселения п р и бреж н ы х районов.

Отечественными и зарубеж ны м и исследователями установлено п о­ вр еж даю щ ее вли ян и е ток си ч еск и х факторов внеш ней среды на состояни е гуморального им м унитета, а та к ж е психом оторн ое р а з­ витие у д етей. Это приводит к значительном у сн и ж ен и ю и ндек са здоровья н аселения и аллергизаци и организм а, росту заболевае­ м ости детей, в первую очередь болезням и ды хани я.

У детей, рожденны х в так называемом «грязном» районе г. СанктП етербурга, отм ечено сн и ж ен и е роста, массы тела, ок руж н ости головы по сравнению с детьм и и з условно чистого района. В р ай ­ оне с более вы соким и ндексом загря зн ен и я атмосферы на 9 % больш е детей с отклонениям и в состоянии здоровья, а забол евае­ мость всеми нозальны м и формами выш е на 12 %. Общая забол е­ ваемость детей выш е в 2 раза по сравнению с районом, где индекс загрязн енн ости атмосферы н и ж е. Т ак ж е более вы соки п ок азате­ ли м л аденческой см ертности [2 4 ].

У л ю д ей, п р ож и ваю щ и х в экол оги ческ и неблагоп ри ятны х рай он ах, отм ечено сн и ж ен и е им м унитета.

М аркерами эк ол оги ­ ческого неблагополучия сл уж ат сл едую щ и е вирусы:

— вирус простого герпеса первого типа (В П Р -1), — аденовирусы, — респираторно-синтипциальны й вирус (РС-вирус), — различны е вирусы гриппа.

М ож но вы делить особенности вирусны х и нф екций у л и ц, про­ ж и в аю щ и х в экологически неблагоприятны х регион ах [4, 7, 20].

1. П о к а за т ел и ви русон оси т ел ьст ва у лю дей, п рож ива в у с л о в и я х э к о л о г и ч е с к о г о з а г р я з н е н и я а т м о с ф е р1ы 9 4 — За 9.

1 9 9 7 гг. обследовано 2 2 6 8 человек, у 1 6,6 % которы х вы делено 3 7 7 ш таммов разли чны х вирусов. По частоте вы деления и х м о ж ­ но расп олож и ть следую щ им образом:

— аденовирусы различны х серотипов — 5 0,7 %, — ВПГ-1 — 2 7,9 %, — РС -вирус — 1 8,0 %, — группа К оксак и А серотипов 1 и 5 — 3,4 %.

В течение всего п ериода наблю дений дом инировал аден ови ­ рус.

Его вы деленная доля увеличивалась в к аж ды й последую щ и й год:

— в 1 9 9 4 г. на долю аденовирусов п риходилось 4 0,7 %, — в 1 9 9 5 — 4 0,9 %, — в 1 9 9 6 — 6 6,7 %, — в 1 9 9 7 — 68,8 %.

Обратная тен ден ц и я наблю далась в отнош ении В П Г -1. Если в 1 9 9 4 г. его вы деленная дол я составляла 3 7,7 %, то в п осл едую ­ щ ие 2 года она сн изилась до 2 6,4 (1 9 9 5 г.) и до 15 % (1 9 9 6 г.).

П оказатель ж е его вы деления составил 2 4,7 %.

Д оля РС-вируса за весь период наблюдения находилась на уров­ не среднего сум м арного п оказателя, немного повы ш аясь в 1 9 9 5 и п он и ж аясь в 1 9 9 7 гг.

2. Т и п о вой сост ав а д ен о ви р усо в, ц и р к у л и р о в а в ш и х в г. С анкт П е т е р б у р г е и Л е н и н г р а д с к о й о б л а сВ ц и р к ул я ц и и д ом и н и ­ т и.

ровали сл едую щ и е серотипы:

— 1 9 9 4 г. — эп и дем ич ески й 3-й (3 6,9 % ) и латентны й 5-й (1 6,9 %);

— в 1 9 9 5 г. — 3-й и эпи дем ич ески актуальны й 7-й (1 7,8 %);

— в 1 9 9 6 г. — 3-й (2 2,2 % ), 4-й (2 0,0 %) и 7-й (25 % ).

И з всей группы латентны х серотипов аденовирусов превали­ ровал 5-й серотип (3 1,6 % ), а из всей группы эп и дем и ч еск и ак ту­ альны х аденовирусов — 3-й серологический серотип (4 6,5 %).

Таким образом, в ц и р к ул я ц и и аденовирусов за п оследни е четыре года наблю дения преобладали эпидем ически актуальны е 3-й и 7-й серотипы и латентны е 2-й и 5-й серотипы.

В 1 9 9 4 — 1 9 9 7 гг. расш иф рована этиология четы рех вспы ш ек заболеван и й в г.

Санкт-П етербурге:

— одной — в больнице им. Ф илатова, — одной — в Н ахим овском уч ил и щ е, — дв у х внутрибольничны х в больнице им. Боткина.

В се вспы ш ки эти ологически связаны с аденовирусам и (73 %) в сочетании с ВПГ-1 (2 4,3 %). А деновирусы в основном выделены от больны х с диагнозом «грипп» (72 %). В этой ж е группе боль­ ны х наряду с аденовирусами выделен ВПГ-1 (24 %). А деновирусы представлены в основном эпи дем ич ески м и серотипам и 3, 4 и 7.

3. Д и н а м и к а ц и р к ул и р ую щ и х ви р усо в п ри воздей ст ви и м а ­ л ы х д о з р а д и а ц и иН. а территории Л ен инградской области в з а ­ грязнен н ы х р ай он ах определяли частоту вы деления респ иратор­ ны х вирусов от клин и ческ и здоровы х детей (1 2 5 человек). К онт­ рольную группу составили дети того ж е возраста, но прож иваю щ ие на территории, которая относится к категории «чистой».

У становлено, что частота «здорового» вирусоносительства со ­ ставила 5 3,5 % в загрязн енн ы х рай он ах, а в контрольной группе этот показатель составил 2 1,9 %. В аж н о отм етить, что доля и зо ­ л яц и и латентны х ш таммов аденовируса и ВПГ-1 бы ла в 2,7 раза выш е на загр я зн ен н ы х терр иториях (из 1 1 вы деленны х ш таммов вирусов 10 приходятся на латентные серотипы 2 и 5). Среди клини­ чески здоровы х д етей 3 —6 лет вирусоносителям и бы ли 3 5,1 %, а среди детей 1 2 — 14 лет — 1 6,7 %.

П олученны е данны е свидетельствую т об ак тивизации и н ф ек ­ ц и й, вы званны х аденовирусам и и ВПГ-1 в загря зн ен н ы х рай о­ н ах. О тмечена к оррел яц и я м е ж д у степенью загрязн енн ости тер­ ритории и уровнем заболеваем ости. Об ак тивизации аден ови рус­ ной и гер петической инф ек ци й на загря зн ен н ы х территориях свидетельствую т и данны е серологического обследования, к ото­ рые н аходятся в строгой корреляции с данны м и вирусологич ес­ кого исследовани я. С татистически достоверны й прирост антител вы явлен в пострадавш ем в результате аварии на ЧАЭС Волосовском районе Л ен инградской области.

4. Особенности простого герпеса у лиц, проживающих в эко­ логически неблагополучных районах г. Санкт-Петербурга. У боль­ ны х герпетической и нф ек ци ей в период обострения угнетен к л е­ точный и м м ун итет. Н ачата работа с целью и зуч ить влияние эк о­ логи ч еск и х факторов на состояни е клеточного и гум орального и м м ун итета у взрослы х с герпетической и н ф ек ц и ей, п рож и ваю ­ щ и х в р ай он ах г. С анкт-П етербурга с различны м и эк ол оги ч еск и ­ ми усл ови ям и. О бследовано 2 4 2 человека и з 13 районов города, обративш и хся за м еди ц и н ск ой помощ ью по поводу хрон и ческ ой герпетической инф ек ци и в период обострения, и 51 человек — в период рем исси и.

О ценены состояни е клеточного и м м унитета, содер ж ан и е Т- и В -клеток и и х субп оп ул я ц и й (С Д 4+- и СД8+-клеток ), ф ун к ц и о­ нальную активность СД8+-клеток. О состоянии гум орального и м ­ м уни тета суди л и по уровню основны х классов и м м ун огл обули ­ нов (1ёМ, 1ё 0, 1ёА ).

Степень экологического благополучия территории п рож и ва­ ния больного оп ределяли по экологическим картам районов го­ рода, подготовленны м и ком итетом по охран е ок руж аю щ ей среды Г оссан эп идн адзора г. С анкт-П етербурга. Н а эти х к артах п ом ече­ ны обобщ енны е факты экологического состояния территорий, рас­ считанны е на основании содер ж ан и я вредны х газообразны х при ­ м есей, ТМ и др у ги х ЗВ в пробах воздуха, воды и почвы. В ы деле­ ны четыре степени загрязнения территории города: от 1 -й (хорош ее состояни е) до 4-й (п л охое состояние).

Д л я сравнения п оказателей им м унитета все обследованны е больны е распределены на четы ре группы. В среднем у 3 7,1 % больных в период обострения отмечено уменьш ение содерж ания об­ щего числа Т-лимфоцитов в основном за счет СД4+-клеток (50,4 % обследованны х) и СД8+-клеток (1 6,1 % больны х). У 7,4 % боль­ ны х отм ечено увели чен и е содер ж ан и я СД8+-клеток и у 3 4,7 % — увел и чен и е и х ф ункциональной активности.

Вы явлены р азл и ч ия уровней клеточного им м ун итета в зав и ­ сим ости от экологического состояния территории п рож и ван и я.

Так, у больны х и з благоприятны х районов в 2,7 раза чащ е отм е­ чено уси лен и е ф ункциональной активности СД8+-клеток, чем сре­ д и п р ож и ваю щ и х на территориях с 4-й степенью ’загря зн ен и я (5 1,1 % против 1 9,0 %, р 0,0 5 ). Средний уровень ф унк ц ион аль­ ной активности СД8+-клеток (как спонтанной, так и К он А -активированной) н и ж е в р ай он ах с неблагоприятной экологической си туац ией.

А н а л и з показателей Т-клеточного им м унитета у пациентов и з разн ы х адм инистративны х районов города позволил груп п и ро­ вать полученны е данны е в сл едую щ и е группы по степ ен и эк ол о­ гической ситуации:

— у ж и т ел ей районов с 4-й степенью загр я зн ен и я (М осков­ ск о го, Ц ен тр а л ь н о го и П етр о гр а д ск о го ) о тм еч ен а т ен д е н ц и я сн и ж ен и я общ его ч и сл а Т-лимф оцитов за счет сн и ж ен и я числа СД8+-клеток;

— у больны х и з А дм иралтейского района отм ечено сн и ж ен и е общ его числа Т-лимфоцитов за счет сн и ж ен и я числа СД4+-клеток.

О писанны е явлен и я указы ваю т на наличие разли ч ны х п р и ­ м есей экоток сик ан тов, и м ею щ и х м есто на территориях разн ы х районов г. С анкт-П етербурга. Сравнивая п ор аж ен и е ви русам и — м аркерам и экологического неблагополучия п ри бреж н ого к он ти н ­ гента н асел ен и я и населен и я «контрольны х» районов, м ож н о вы­ явить вл ияние на им м ун итет ком би н аци й токсикантов, п опадаю ­ щ и х в организм человека с м орским и аэрозолям и.

5. Модель массопереноса токсикантов в организм прибрежного жителя с морскими аэрозолями и оценка опасности токсического воздействия морских аэрозолей М одель м ассо п ер ен о са ток си к ан тов учиты вает сл ед у ю щ и е факторы.

1. К онцентрирование ЗВ на границе раздел а ф аз вода— воз­ д у х. Д л я Н У, СПАВ и хл орор ган ич ески х соеди н ен и й — соотн о­ ш ен ие содер ж ан и й в ПМС и в подповерхностной воде — 1 0 3— 1 0 5 [1 6 ]. Д л я ионов металлов это зн ач ен и е требует эксп ери м ен таль­ ной п роверки, так как пом им о ф ракционирования на и х к он ц ен ­ трирование в ПМС влияю т м ногие ф акторы, в том числе и компл ек сообр азован и е.

2. П еренос в атм осф еру в составе аэрозол я за счет сл едую щ и х процессов:

— образования м ор ски х воздуш ны х пузы рьков в объем ной ф азе м орской воды;

— обр уш ен ия волн: а) ш торм ового, б) в составе сулоя.

3. М ехан и зм ф орм ирования аэрозоля за счет л оп ани я в оздуш ­ ны х пузы рьков (не в прибойной зон е), при водящ и й к и ден ти ч ­ ности хи м и ч еск ого состава ПМС и м орского аэрозоля.

4. В етровой р еж и м Ф инского залива.

П олны й расчет м ассопереноса с учетом всех факторов по п е­ речисленны м пунктам 2 — 4 ещ е предстоит осущ ествить. В н асто­ ящ ей работе использованы данны е работ [1 4, 26]: на вы соте над уровнем м оря до 10 м и расстоянии от берега до 2 км квазистационарная конц ен трац и я м орской соли п риблизительно 10 м к г /м 3.

С учетом солености вод, ветрового р еж и м а восточной части Ф ин ­ ского зали ва и ф актора концентрирования в ПМС квазистационарны е к онцентрации токсикантов в в озд ухе п ри бреж н ой зоны (в составе м орски х аэрозолей) будут иметь следую щ и й порядок:

— Н У — 1 0 0 м к г /м 3, — СПАВ — 1 м к г /м 3, — Д Д Т — 1 п г /м 3, — ХМе2+ — 1 м к г /м 3.

ЗВ в составе м орски х аэрозолей при ды хани и попадаю т в л ег­ к и е, отк уда п ер еходят в кровь и поступаю т ко всем органам.

Д ы хательны й объем л егк и х взрослого человека 5 0 0 см 3. П ри об­ щ ей поверхности газообм ена около 10 0 м2 м ож н о принять, что все компоненты м орского аэрозоля либо всасы ваю тся в кровь, либо остаю тся в ф азе эпи тел ия альвеол (в отличие от терригенны х аэрозолей со значительны м числом твердоф азны х д и сп ер с­ ны х части ц, вы водимы х и з л егк и х за счет м укоциллиарного к л и ­ ренса [2 3 ]). П осл едн ее подтверж ден о и в м еди ц и н ск ой п рактике, приравниваю щ ей интраназальное и нгаляци он ное введение пре­ паратов к внутривенном у.

Д л я ф изич ески работаю щ его человека м инутны й объем д ы х а ­ н ия —. около 5 0 л /м и н, что составит до 3 0 м3/с у т. Т аким обра­ зом, в альвеолярны й эпителий организм а человека, работаю щ его в п р и бр еж н ой зон е Ф инского залива, за рабочий день п опадет до 3,0 мг Н У, 0,0 3 мг СПАВ и 0,0 3 мг ТМ. И н ток сик ац и я сравним а с курильщ иком, вы куриваю щ им несколько сигарет в ден ь. С у ч е­ том ветрового р еж и м а приведенны й расчет верен дл я северной и восточной частей побереж ья Ф инского залива с м ая по сентябрь.

Д л я м едик о-экол оги ческ ой оц енк и тя ж ест и п ор аж ен и я орга­ нов ды хан и я сл едует учесть си нергические эфф екты при к ом би ­ нированном воздействии ЗВ [2 1, 2 9, 3 1 ]. Так, хрон и ческ ая пероральная и аэрозольная и нтоксикация крыс к ом би н аци ям и З В из ТМ и П Х Б, не влияя на общ ее состояни е ж ивотн ы х и и х поведен ­ ческ и е р еак ц и и, приводила к полном у п ораж ен и ю сем енников сам ц ов.1 П ор аж ен и е защ и тн ы х ф унк ц ий органов ды хан и я д а ж е сильнее, если ЗВ — компоненты м орского аэрозоля — м едленно 1 Персональное сообщение С. П. Рыбалкина, Н ИЦ токсикологии и гигиени­ ческой регламентации биопрепаратов (ТБП) М инздрава РФ.

(с суточной кинетикой) п ереходят в кровь. Л окальны е к он ц ен т­ рации ЗВ в эпителиальны х сл оях м огут достигать м иллим оля.

П оследн ее м ож ет привести к остром у локальном у ток си ческ ом у п ораж ен и ю м и к роби оц ен оза поверхностны х тканей и, в первую очередь, к гибели макроф агального звена и м м унной защ иты.

Чтобы провести эк ол ого-м еди ц и н ск ую о ц ен к у токсичности м орски х аэрозолей по параметрам м ассопереноса ЗВ и п о р аж е­ н и я населен и я вирусам и — маркерами экологического неблаго­ получи я, ГОИНом совместно с м едиц и нск и м ф акультетом Р У Д Н, Н И Ц ТБП и м едиц и нск и м ф акультетом Н овгородского ун и в ерси ­ тета начаты работы в области м едиц и нск ой океанограф ии Ф и н ­ ского зали ва, что м ож ет стать составной частью программ к ом п ­ лек сн ого уп равления прибреж ны м и зонам и (К У П З).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. А н ц у л е в и ч А., Ф л о р и н с к а я Т. Экологические проблемы Л енин­ градской области и пути их реш ения. — СПб: Изд. Санкт-Петербургского науч.

центра РА Н, 1996.

2. Б а р е н б л а т т Г. И., Л е й к и н И. А., К у з ь м и н А. С. и др. Сулой в Белом море / / ДАН СССР. — 1985. — Т. 281, № 6. — С. 1435—1439.

3. Б е з б о р о д о в А. А., Е р е м е е в В. Н. Ф изико-химические аспекты взаи­ модействия океана и атмосферы. — Киев: Наукова Д умка, 1984.

4. Д о б р о д е е в а Л. К. Грипп и ОРЗ, иммунологическая реактивность ко­ ренного и пришлого населения севера Европейской территории СССР: Автореф.

дис.... д-ра мед. наук. — Л., 1989.

5 - Д о н ч е н к о В. К. Оценка экологического состояния окружаю щ ей среды Ленинградской области: отчет НИЦЭБ РАН. — СПб, 1994.

6. Е ж е г о д н и к качества морских вод по гидрохимическим показателям 1991—1999. — Обнинск: Изд. Росгидромета.

7. И с а к о в В. А., Б о р и с о в а В. В., И с а к о в Д. В. Герпес. Патогенез и лабораторная диагностика. — СПб: Л ань, 1999.

8. К о ж е в н и к о в А. В. Х имия нефти. — Л., 1974.

9. К о р ж В. Д. Исследование содержания микроэлементов в морских аэрозо­ л ях и поверхностном микрослое морской воды / / ДАН СССР. — 1986. — Т. 286, № 6. — С. 12—15.

10. К о р ж В. Д. Геохимия элементного состава гидросферы. — М.: Наука, 1991.

11. К р а у с Е. Б. Взаимодействие атмосферы и океана. — Л.: Гидрометеоиздат, 1976.

12. Л а в р е н о в И. В. Математическое моделирование ветрового волнения в пространственно-неоднородном океане. — СПб: Гидрометеоиздат, 1998.

13. Л е б е д е в В. Л., А й з а т у л л и н Т. А., Х а й л о в К. М. Океан к ак динамическая система. — Л.: Гидрометеоиздат, 1974.

1 4. П е т р е н ч у к О. П. Экспериментальные исследования атмосферного аэро­ золя. — Л.: Гидрометеоиздат, 1979.

15. П о п о в а Т. Л., К а р п о в а Л. С., Ц и б а л о в а Л. М., И с а к о в В. А и др. Влияние загрязнения атмосферы выбросами промыш ленных предприятий на состояние здоровья детей раннего возраста и уровень младенческой смертно^ сти / / П едиатрия. — 1994. — № 5. — С. 3 —5.

16. П р о б л е м ы химического загрязнения вод Мирового океана. Т. 3. Вли­ яние загрязнения поверхностного слоя на тепло-, газо- и влагообмен океана с атмосферой. — Л.: Гидрометеоиздат, 1985.

17. П ы д е р Т. А. П риток, распределение и перенос тяж елы х металлов в экосистеме. — М.: Глобус, 1993.

18. С а в е н к о В. С. Роль флотационных процессов во фракционировании химических элементов при образовании морского аэрозоля / / ДАН СССР. — 1989. — Т. 309, № 5. — С. 12—15.

19. С а в е н к о В. С. Геохимия океанского аэрозоля / / Вестник МГУ. Серия 5.

География. — 1998. — № 1. — С. 28—32.

20. С о м и н и н а А. А., И с а к о в В. А. Отчет о научно-исследовательской работе. Особенности клин ики и лечения респираторных вирусных инфекций у лиц со сниж енным иммунным статусом. — СПб: Изд. НИИ гриппа М3 РФ, К ли­ ника респираторных вирусных инфекций взрослых, 1998.

21. С ы р о е ш к и н А. В., С и н ю к Т. Ф., Л е б е д е в И. М., П л е т е н е в а Т. В.

и др. Изучение антагонизма в токсическом действии ионов меди и ц ин ка в вод­ ных растворах / / Метеорология и гидрология. — 2000. — № 10. — С. 55—61.

22. Ф е д о р о в К. Н. Т онкая термохалинная структура вод океана. — Л.:

Гидрометеоиздат, 1976.

23. Ф и з и о л о г и я человека. — М.: Мир, 1986.

24. Ф р и д р и х с б е р г Д. А. Курс коллоидной химии. — Л.: Х им ия, 1984.

25. Х и м и я океана. Х имия вод океана. — М.: Н аука, 1979.

26. Х о р н Р. М орская хим ия (структура воды и хим ия гидросферы). — М.:

Мир, 1972.

27. Ш а п о р е н к о С. И. Загрязнение прибрежных морских вод России / / Водные ресурсы. — 1997. — Т. 24, № 3. — С. 320—327.

28. Я н к о в с к и й X. И., П ы д е р Т. А., С и л е м М. А. Т яж елы е металлы в экосистеме Б алтики. Основные тенденции эволюции экосистемы. — Л.: Гидро­ метеоиздат, 1989. — С. 150—200.

29. E r s h о v Yu. A., P i e t е n e v a Т. V, S i n i u k Т. F., D o l g o p o l o v a V. A.

D eterm ination of grow th p aram eters of th e Param ecium caudatum test-system d u r­ ing stan d ard izatio n of studies of biological activ ity of chemicals / / Bui. Exp. Biol.

Med. — 1999. — 127. — P. 717—720.

30. L i t h n e r G., B o r g H., G r i m a s V. E stim ating the load of m etals to the B altic Sea / / Ambio Spec. Rep. — 1990. — N 7. — P. 7—9.

31. S y r o e s h k i n A. V., P I e t e n e v a Т. V., K i r i a n o v S. V. The combined action of zinc (II) and copper (П) ions: effect of antagonism on yesat culture S. cerevisiae / / PBA 2000, 11th In tern atio n al Symposium of Pharm aceutical and Biomed­ ical A nalysis. M ayl 14—18. Basel, Sw itzerland. P098. — 2000. — P. 120.

ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРИОДИЧЕСКИХ

И НЕПЕРИОДИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ УРОВНЯ МОРЯ

И ВЕТРОВОГО ВОЛНЕНИЯ

ИССЛЕДОВАНИЕ УРОВНЯ КАСПИЙСКОГО МОРЯ

ПО СПУТНИКОВЫМ АЛЬТИМЕТРИЧЕСКИМ ИЗМЕРЕНИЯМ

–  –  –

УДК 551.461.24 (262.81) Рассмотрены проблемы обработки спутниковой информации об уровне Кас­ пийского моря, получаемой с ИСЗ ТОРЕХ/РОЭЕШСШ. Предложен метод опреде­ л ени я динамического уровня моря, связанны й с заменой геоида поверхности Каспийского моря на среднюю за многолетний период эквипотенциальную по­ верхность, приведенную к нулю наблюдательных постов в Балтийской системе отсчета (ВС).

П риведены результаты расчета среднего за 1994 г. динамического уровня Каспийского моря, хорошо отражающ ие его динамические структуры, а такж е многолетние изменения динамического уровня в центральны х районах моря, привязанны е к БС.

Введение

В аж ной проблемой при проведении комплексного мониторинга М ирового ок еана, а та к ж е при осущ ествлении хозя й ствен н ой д е ­ ятельности на ш ельф е и в откры той части м орей, ок р у ж а ю щ и х Р Ф, является оп редел ени е уровня м оря при пом ощ и сп утн и к о­ вой альтим етрии. Д о настоящ его врем ени работы, связан ны е с и зуч ен и ем уровня м оря, традиционно реш ались на основе исполь­ зов ан и я наблю дений на береговы х (островны х) стан ц и я х и п о­ стах Ф едеральной сл уж бы Р осси и по гидром етеорологии и м он и ­ тор ин гу ок р уж аю щ ей среды (Р осгидром ет) и эп и зоди ч еск и — по данны м сам описцев уровня откры того м оря [6].

Однако при этом возни к али сл едую щ и е проблемы:

— п р и вязк а эти х постов к еди н ой абсолю тной си стем е вы сот, вклю чаю щ ая, н априм ер, возм ож ны е ош ибки такой привязки;

— нерегулярность измерений уровня на многих и з эти х постов;

— невозм ож н ость производить и зм ерени я по п лощ ади и зуч а­ ем ой акватории на удал ен и и от берега.

В се это приводило к результатам, трудно поддаю щ им ся д о с­ товерной интерпретации.

И деальны м путем реш ения проблемы вы сокоточной п ри вяз­ ки уровенны х постов к единой глобальной систем е высот явилась бы устан овк а вблизи эти х постов периоди ческ и дей ствую щ и х двухчастотны х геодезических приемников GPS и (или) ГЛОНАСС.

Это, одн ако, в реальны х усл ови ях в настоящ ее время не п ред­ ставляется возм ож ны м при ограниченном ф инансировании та­ к и х работ. Н о д а ж е при организации так и х и зм ерени й остается откры ты м вопрос об и зм ерен и ях уровня на акваториях, удал ен ­ ны х от берега, что весьма важ но дл я и зуч ен и я временны х и зм е­ нений уровня откры того моря у российской территории.

Кардинальны м реш ением проблемы и зуч ен и я уровня не толь­ ко вблизи п обереж ья, но и на значительном удален ии от берега с точной п р ивязкой к единой геодези ческ ой систем е отсчета в н а ­ стоящ ее время является использование спутниковой альтим ет­ рии и, в частности, изм ерени й с ИСЗ TO PEX /PO SEID O N (Т /Р ), ERS-1 и E R S-2. В перспективе с этой целью м ож н о использовать и зм ерени я с российского геодезического ИСЗ «М уссон-2» и за р у ­ беж н ы х ок еанограф ически х спутников GFO, JA SO N и EN V ISA T.

О тметим, что точную п ри вязк у полученны х в итоге эти х работ дан ны х об уровне м оря к еди ной глобальной систем е высот обес­ печиваю т, п рим еняя устанавливаем ы е на ИСЗ прием ники точно­ го оп р едел ени я абсолю тны х высот орбит какой-либо и з навига­ ционны х систем (ГЛОНАСС, G PS или DORIS). При этом и зм ер ен ­ н ая вы сота п о в ер х н о ст и м о р я не за в и си т от в ер т и к а л ь н ы х дви ж ен и й зем н ой поверхности в пунк тах р асп олож ен и я уровен ­ ны х постов. Т акие и зм ерени я м ож н о проводить не только вблизи берегов, но и по площ ади и сследуем ого морского бассейн а вдоль спутниковы х трасс (треков — восходя щ и х и н и сход я щ и х вит­ ков), равном ерно покры ваю щ их и зучаем ую акваторию.

В аж н ы й аспект сп утн ик овой альтим етрии — возм ож ность регулярно проводить повторны е и зм ерени я практически по о д ­ ним и тем ж е трассам с постоянной дл я к аж дого и з спутников периодичностью :

— дл я И СЗ Т /Р период изом арш рутности 9,9 1 6 сут, — дл я E R S — 35 сут, — дл я G EA SA T и GFO — 17 сут.

Учиты вая различия наклонений орбит эти х спутников и п е­ риодов повторяемости трасс, м ож н о заклю чить, что при совм ест­ ном и спользовании и зм ерени й с н ескольких спутников увели чи ­ вается плотность покры тия и зм ер ен и ям и и зуч аем ы х м орски х акваторий.

Р асстоя н и е м е ж д у бл и ж ай ш и м и изом арш рутны м и п одсп ут­ никовы ми трассам и (трекам и) составляет:

— дл я И СЗ Т / Р и JA SO N — около 1 6 0 км на экваторе, — д л я E R S и E N V ISA T — п орядк а 5 0 км, — дл я GEOSAT и GFO — прим ерно 100 км.

Д л я мониторинга среднего уровня моря сущ ествен выбор сп ут­ н иков.

Главны м условием д л я такого выбора является наличие на борту спутников сл едую щ и х приборов:

— вы сотом еров, обеспечиваю щ их вы полнение и зм ерени й с погреш ностью около 2 см при 1 -секундном осреднении;

— аппаратуры дл я оп редел ени я и х орбит с такой ж е п огр еш ­ ностью в реальном м асш табе врем ени (наприм ер, прием ников сигналов навигационно-геодезических спутников G P S / ГЛОНАСС или аппаратуры ти п а DORIS).

В настоящ ее время наилучш ими спутниками для реш ения этих задач являю тся Т /Р и E R S -2. В 2 0 0 1 г. планирую тся зап уск и И С З JA SO N (на орбиту, бл и зк ую к орбите Т /Р ) и EN V ISA T (на орби ту, бл и зк ую к орбите E R S). Т ак ж е м ож ет быть эф ф ектив­ ным использование спутника GFO, запущ енного в начале 1 9 9 9 г., при восстановлении его работоспособности в части н орм ализации ш татного ф унк ц ион и рован и я бортовы х прием ников G PS.

В ы сокая эф ф ективность использования м етода спутниковой альтим етрии д л я м ониторинга уровня М ирового океана, внутрен­ н и х м орей и крупны х озер подтверж ден а результатам и м ногочис­ л ен н ы х зар у б еж н ы х и отечественны х и сследований [3, 4, 7, 8].

Методические основы дистанционного измерения уровня моря

Д л я и зм ерени й уровня м оря в Р Ф в настоящ ее время и споль­ зую т Б алти й скую си стем у (БС) высот эп охи 1 9 7 7 г. Реперы уровенного поста привязы ваю т к государственной вы сотной систем е при п ом ощ и нивелирования. Н аблю ден и я за уровнем моря о су ­ щ ествляю т в абсолю тной си стем е высот над едины м нулем п о­ стов, которы й и м еет отм етку «м инус 5,0 0 0 м» БС для м орей, связанны х с М ировым океаном, и «м инус 2 8,0 0 0 м» БС — дл я К асп и й ск ого м оря. В ы соту н ул я поста контролирую т путем п е­ р и оди ч еск и х нивелировок реперов и уровнем ерны х устройств п о ­ ста.

Альтернативой традиционны м м етодам контроля еди н ой вы­ сотной основы и зм ер ен и й уровня на п обереж ья х м орей и в усть­ я х рек является использование соврем енного м етода сп утн и к о­ вой геодези и — G P S-и зм ер ен и й.

С оврем енная п огреш ность оп р едел ен и я высоты G P S -м етодами ок оло 1 см, т. е. она вплотную п ри бл изилась к погреш н ости отсчетов ур овн я м оря (воды ) на уровн ем ер ны х устр ой ств ах (в том числ е и на сам оп и сц ах уровня м оря), которая составляет та к ж е 1 см [в].

И спользование м етодов G PS позволяет в к аж дом м орском н а­ блю дательном пункте Росгидром ета систематически и сравнитель­ но недорого собственны ми силами регулярно контролировать вер­ тикальны е см ещ ен и я реперов и н улей уровнем ерны х устройств и привязы вать и зм ерени я уровня м оря к еди ной си стем е высот.

Это позволяет эф ф ективно повысить точность уровен н ы х наблю ­ ден и й на м орях.

Системы отсчета высот в Б алтийской си стем е и в G PS-м ето­ д а х различаю тся:

— в главной вы сотной основе РФ высоты отсчиты ваю т отн о­ сительно поверхности геоида, соответствую щ ей средн ем у уровню м оря, совп адаю щ ем у с нулем К ронш тадтского ф утш тока;

— при м ен яя стандартны й G P S-м етод, высоты отсчиты вают в си стем е эл л ип сои да Б ессел я — так назы ваемого м еж дун ародн ого эллип сои да W G S-84 (м ировая геодези ческ ая координатная си сте­ ма, установленная в 1 9 8 7 и частично и зм енен н ая в 1 9 9 6 гг.).

Л окальное превы ш ение эл липсоида над геоидом определяю т путем сл и чен ия отм еток реперов в си стем е W G S-84 и в Б алти й ­ ск ой си стем е, т. е. сопоставляя эллипсоидальную и ортометрическ ую (от поверхности геоида) высоты реп ера— м арки или д р у ­ гой точ к и, над которой расп олож ен прием ник G PS и вы полняет­ ся сеанс непреры вны х ф азовы х изм ерени й сигналов спутников и и х псевдодальностей.

П огреш ность оп редел ени я высот поверхности м оря по дан ­ ным и зм ер ен и й с уп ом януты х спутников в еди ны х м ировы х с и с­ тем ах координат W G S-84 или ITR F составляет в настоящ ее вре­ мя около 1 см. В то ж е время дл я удобства и зуч ен и я вариаций уровня м оря м ож н о использовать связанную с указанны м и си сте­ м ами условную си стем у ср едн и х высот поверхности м оря, задан ­ ную в виде циф ровой м одели. Такую циф ровую м одель эк в и п о­ тенциальной поверхности конкретного моря м ож н о, наприм ер, получить дл я вы бранны х подспутниковы х трасс (треков) или для и зуч аем ой акватории путем совм естной обработки и осредн ени я результатов и зм ер ен и й за п ериод, кратный 1 году.

Д л я связи абсолю тны х мировы х систем координат с м орски ­ ми региональны м и систем ам и отсчета высот м ож н о прим енять данны е нивелирования. О днако н еобходим о иметь в ви ду, что при этом м ож н о внести дополнительны е погреш ности, связан ­ н ы х с ош ибкам и вы сотной п ри вязк и пунктов и высот геоида в случае и х использования.

В дан ной работе п р едл ож ен а и использована м етоди ка и ссл е­ дован и я уровн я м оря, основанная на построении эк в и п отен ц и ­ альной поверхности, соответствую щ ей поверхности среднего уров­ н я, п олучен н ой по результатам альтим етрических и зм ен ен и й и соп оставл ен ий с данны м и прям ы х ур овен н ы х н аблю ден и й на м орском п о бер еж ье и остр овах. Р азр аботан н ая регресси он н ая модель позволяет восстанавливать уровень моря на акватории, прилегаю щ ей к уровенном у посту.

В работе использованы обработанны е Г еоф изическим центром Р А Н (ГЦ Р А Н ) данны е альтим етрических и зм ерени й с И С З Т /Р в 1 9 9 3 — 2 0 0 0 гг. П ри этом в качестве и сходн ы х альтим етрических и зм ерен и й ГЦ Р А Н приняты данны е и з РО БА А С 1 И А вА. Д ля сопоставления с альтим етрическим и данны м и использованы д а н ­ ные по ср еднем есячны м и среднегодовы м уровням К аспийского м оря [4, 9, 10].

И С З Т /Р и зм ер яет геоцен три ческ и е высоты поверхности а к ­ ватории К асп и я по четы рем восходящ им и четы рем н исходя щ и м п р охож д ен и я м И СЗ (трекам ) над м орем внутри к аж дого 10-суточного ц и к л а (ри с. 1). Н ум ераци я циклов и зом арш рутн ы х и з­ м ерени й и треков соответствует принятой в и сходн ы х дан ны х РО БАА С. Ц иклы и зм ер ени й по к а ж д о м у треку повторяю тся п р и ­ м ерно 3 раза в м еся ц, т. е. в течение года вы полняется около 36 циклов и зм ер ен и й уровня м оря вдоль к аж дого трека.

П ри таком интервале дискретности и зм ерен и й уровня м оря, согласно известной теорем е К отельникова, м ож н о воспроизводить колебани я уровня м оря, спектр которы х ограничен в области вы­ сок и х частот периодом 2 0 сут. С ледовательно, данны е И С З Т /Р м ож н о обоснованно использовать дл я исследования текущ его рас­ п ределени я высот м орской поверхности или временны х и зм ен е­ ний эт и х высот с периодом 20 сут и более (наприм ер, за 1 м еся ц, 1 год). О днако в точках п ересеч ен ия п одспутни к овы х трасс д и ск ­ ретность и зм ерен и й равна 6 разам в м еся ц, что п озволяет в эти х точках отслеж ивать и зм ен ен и я высот с периодом п орядк а 10 сут.

В обработку приняты данны е и зм ерен и й высоты поверхности м оря относительно эл л и п сои да, оп р едел яем ы е в точ к ах вдоль ли н и и тр ека с дискретностью по врем ени 1 сут. Такая ди ск р ет­ ность соответствует расстоянию м еж д у подспутниковы м и точка­ ми на поверхности м оря, равном у 6 км.

Д л я обработки и сп ользо­ ваны сл едую щ и е параметры:

lThe Physical O ceanography D istributed A ctive Center.

Рис. 1. Расположение и номера подспутниковых альтиметрических трасс.

— врем я наблю дений;

— географ ические координаты к аж дой точки трека;

— тек ущ ая высота поверхности моря в точке;

— ср едн яя вы сота поверхности моря и высота геоида в п од­ сп утн ик овой точке, вы численны е относительно поверхности реф ерен ц -эллип сои да.

А нализ и м ею щ ихся результатов альтим етрических изм ерений высоты поверхности К аспия показал, что эквипотенциальная по­ верхность, соответствую щ ая средней высоте поверхности м оря, отсчитанной относительно поверхности реф еренц-эллипсоида и м е­ ет слож н ую топографию, связанную с особенностями распределе­ ния гравитационного поля в этом регионе. Она характеризуется резко вы раж енной зоной высотной депрессии на участке моря над А пш еронским порогом, разделяю щ им Среднекаспийскую (Дербент­ скую ) и Ю ж нокаспийскую впадины моря. Глубина этой депрессии м орской поверхности в двух ее центрах достигает 1 2 м (рис. 2 ).

К роме того, м орская п оверхность, соответствую щ ая средн ем у уровню м оря, им еет хорош о вы раж енны й наклон в восточном направлении. В результате этого наклона перепад среднего уровня м оря (рассчитанного относительно элл ип сои да) м е ж д у западны м и восточным побереж ьем Среднего К аспия 3 — 5 м, а м еж д у зап ад­ ной и восточной частью Северного К асп и я — 8 м. Средние вы со­ ты п оверхн ости м оря и зм еняю тся и в м еридиональном н аправле­ н ии от - 3 4 м на северной и ю ж н ой границах моря до - 4 6 м в центрах отм еченной зоны депрессии уровенной поверхности м оря.

В ы полненны й анализ показал, что испол ьзуем ая в м атериа­ л ах по альтим етрии Т /Р -м о д ел ь геоида дл я К аспийского м оря не соответствует геои ду, п ри м ен яем ом у в Б алтийской систем е вы­ сот и эквипотенциальной поверхности м оря, полученной при о с­ редн ени и альтим етрических и зм ер ени й за достаточно больш ой п ром еж уток врем ени. П оэтом у расчетная поверхность м орского геои да, вклю ченная в данны е ал ьтим етри ч еск и х и зм ер ен и й в п роекте Т /Р, не использована дл я оп редел ени я тек ущ и х высот п оверхности м оря.

В качестве отсчетной эквипотенциальной поверхности для ана­ л и за ди н ам и ческ и х и зм енен и й уровня в откры той части моря использована поверхность среднего уровня м оря, п олучен н ая по альтим етрическим и зм ерен и ям. О тносительно этой поверхности рассчитаны тек ущ и е высоты м орской поверхности вдоль треков и в целом дл я откры той части м оря.

Установлено, что другая отсчетная эквипотенциальная поверх­ ность, соответствующ ая нулю уровенных постов К аспийского моря с отм еткой - 2 8,0 0 м БС, р асп ол ож ен а на 1 м н и ж е поверхности Рис. 2. Высоты поверхности среднего уровня Каспийского моря, рассчитанного относительно поверхности референц-эллипсоида, м.

Рис. 3. Топография эквипотенциальной поверхности Каспийского моря, соот­ ветствую щая нулю постов моря с отметкой -2 8,0 м БС.

Высоты даны относительно поверхности референц-эллипсоида.

средн его уровня м оря. Н ал и чи е второй отсчетной поверхности п озволяет вы числить вы соту м орской п оверхн ости в си стем е е д и ­ ного н ул я постов м оря, т. е. связать альтим етрические данны е с данны м и береговы х наблю дений уровня м оря (рис. 3).

Вы бранная в качестве отсчетной ук азан н ая эквип отен ц и аль­ н ая поверхность позволяет строить схем ы р асп ределени я д и н а ­ м ического уровн я м оря и его и зм ен ен и й во врем ени с м есячны м и ли годовы м оср едн ени ем на пространственной сетк е.

Д и н ам и ч еск и й уровень м оря Н л дл я к а ж дой п одспутниковой точки с определенны м и географ ическим и координатам и (дол го­ той и ш и р отой ), дл я которой проведены альтим етрические и зм е­ р ен и я, оцениваю т по формуле:

Н~ 1 ~ К-2В’ где /гг — тек ущ ая вы сота уровня м оря, Ьт— рассчитанная высота средн ей эквипотенциальной м орской поверхности в дан н ой точ ­ к е, К_2а = 10 0 см — поправка дл я приведени я ди нам и ческ ого уровня к еди н ом у нулю постов.

Д и н ам и ч еск и е высоты уровня Н л, т. е. возвы ш ения или п он и ­ ж ен и я уровн я над эквипотенциальной поверхностью м оря, п р и ­ ведены на рис. 4. В ы сота уровня м оря рассчитана относительно еди ного н ул я постов с отм еткой - 2 8,0 0 м БС. И зол и н и и п роведе­ ны с интервалом 0,2 м.

И зол и н и и среднегодового ди нам и ческ ого уровн я, п ри веден ­ ные на дан ном р и сун к е, м ож н о рассм атривать как ф унк ц ии тока сум м арн ы х п оверхн остн ы х течени й. Н е оценивая пока точность п олучен н ы х дан н ы х, отм етим, что течения и ц ир куля ци он ны е структуры (А — антициклональны е, Ц — ц иклональны е), с х е ­ м ати ческ и и зобр аж ен н ы е на этом р и су н к е, хорош о отр аж аю т соврем енны е п редставления о ди н ам и к е вод К асп и я [1, 2]. В ы ­ дел яю тся так и е основны е ди нам и ческ и е структуры, как О снов­ н ое вдольбереговое К асп и й ск ое течение (ОВКТ), Д ербен тск и е и Ю ж н ок аспи й ски е дипольны е структуры, область циклональной зав и хрен н ости В осточного К асп и я, связан ная с известны м и и з н аблю ден и й зон ам и апвеллинга.

Анализ изменчивости динамического уровня Каспийского моря

Годовая сер и я альтим етри ческ и х и зм ер ен и й И СЗ Т /Р на 8 тр ек ах, п ер есек аю щ и х откры тую часть м оря, вклю чает 36 п осл е­ довательны х циклов с общ им числом и зм ер ен и й более 20 000, П отребовалась тщ ательная ф ильтрация д ан н ы х, так как альтим етрические и зм ер ени я вблизи берегов м оря, около островов и на м елководье соп ровож даю тся случайны м и «вы бросами», д о с­ тигаю щ им и 1 0 — 15 м. В озм ож но, это связано с адаптацией работы альтим етра к новой п одстилаю щ ей п оверхн ости при п ер еходе границы суш а— м оре, на уч астк ах м оря с малы ми глубин ам и, а так ж е обусловлено ради оп ом ехам и в при зем н ом слое тропосф е­ ры. В озм ущ аю щ ее влияние берега моря на изм ерения высоты м ор­ ской поверхности проявляется на расстоянии 2 0 — 50 км от бер е­ га. Главной задач ей ф ильтрации дан ны х является удал ен и е всех «вы бросов», связанны х с воздействием различны х возм ущ аю щ их ф акторов.

Н еобходи м о та к ж е иметь в ви ду, что при повторны х п р о х о ж ­ д ен и я х ИСЗ по трек у над морем могут см ещ аться координаты точек и зм ер ен и й, т. е. требование и зом арш рутности вы полняет­ ся не всегда точно. Это создает дополнительны е трудности в обра­ ботке дан ны х.

О бработка и анализ дан ны х отдельны х циклов альтим етрич еск и х и зм ерен и й проведены в сл едую щ и х направлениях:

1 ) использован ие и зм ер ен и й высоты относительной высоты уровня вдоль треков дл я анализа ден ивел яц ий м орской п овер х­ ности;

2 ) расчет приращ ений динам ического уровня м оря за период м еж д у ц иклам и и зм ерен и й, в. том числе и оп ределен и е эк стре­ мальны х п ол ож ен и й проф илей м орской поверхности за тот или иной период изм ерений;

3) осредн ени е динам ического уровня на тр ек ах или в и х от­ дельн ы х зо н а х за п ериод, кратны й м еся ц у и году с целью найти его статистические связи с осредненны м и уровн ям и, и зм ерен н ы ­ ми на уровен н ы х постах;

4) оп р едел ени е сезон н ы х и м еж годовы х и зм ен ен и й ди н ам и ­ ческого уровня К аспийского м оря по данны м альтим етрических и зм ер ен и й.

С татистическая обработка дан ны х по отдельны м трекам п о­ казал а, что средн ее ли ней н ое отклонение и зм еренн ы х зн ачен и й от осредненной (сглаж енной) линии профиля динам ического уров­ ня м оря м ож ет изм еняться в предел ах 5 — 10 см, дости гая иногда экстрем ального зн ач ен и я 20 см.

Р а зм а х вариаций ди нам ического уровня м оря в годовой се­ рии и зм ер ен и й зависит от района м оря. Так, по данны м и зм ер е­ ний 1 9 9 5 г. по продольном у треку 9 2, р азм ах колебаний ди н ам и ­ ческого уровня в северной части м оря достигал 4 0 см, а в ю ж н ой части — 16 см. К олебания ди нам ического уровня в эти х частях м оря п р ои сходи л и в основном в противоф азе. М иним альны й р аз­ м ах эти х к ол ебан и й ОтМечен в районе А п ш ер онск ого порога, где р асп олож ен а узл ов ая л и ни я эти х продольны х колебаний свобод­ ной поверхности м оря.

И сследованы та к ж е расп редел ени я и вариации ди н ам и ч еск о­ го уровн я вдоль поперечного трёка%СГ9.гИЬ,Ш*ренйя на этом треке вы полняет И СЗ Т /Р на 5 сут п о зж е, чем на продольном тр ек е 9 2, т. е. в точке и х пересечен ия частота альтим ётрических и зм ер е­ н ий уровня м оря возрастает вдвое и составляет 5 сут. И ссл едова­ н и я п ок азал и, что и в зоне пересечен ия треков 92 и 2 0 9, и на сам и х эти х тр ек ах достаточно четко проявляю тся сезон н ы е и зм е­ н ен и я уровн я м оря.

С реднемесячны е ди нам ические уровни моря вы числяю т на ос­ нове оср едн ен и я тр ех последовательны х циклов и зм ер ен и й по трекам или по отдельны м зонам треков, наприм ер по зон е п ер есе­ ч ен и я см еж н ы х треков или бл и ж ай ш ей к береговом у уровенном у п осту. П ериод осредн ени я д о л ж ен приблизительно совпадать с календарны м м еся ц ем, чтобы получать зн ач ен и я, сравнимы е со

-2 0 0 20 40 Н Баку см Рис. 5. Изменение среднемесячного динамическо­ го уровня моря в 1995—1996 гг., рассчитанного по данным уровенного поста Баку (/) и трека 92 (2).

3 — точки корреляционного поля.

среднем есячны м и значениям и, рассчитанны ми по данны м берего­ вы х н аблю дений.

Т очнее вы числяю т средн есезонн ы е (за 3 — 4 м есяца) и ср едн е­ годовы е ди н ам и ч еск и е уровни. П осл едн ие рассчиты ваю т на осн о­ ве осредн ени я 3 6 последовательны х циклов и зм ер ен и й, охваты ­ ваю щ их прим ерно календарны й год.

Н а рис. 5 показано и зм ен ен и е среднем есячного уровня м оря, рассчитанного по отдельном у трек у и по береговом у посту. Обе кривы е и зм ен ен и я уровня м оря им ею т согласованны й ход. К ор­ рел яц и он н ое поле точек хар ак тер и зует тесн оту связи и зм ен ен и я уровня м оря на тр еке и на уровенном посту. К оэф ф ициенты к ор­ рел яц и и средн ем есячн ы х уровней м оря, вы численны х дл я основ­ ны х ур свен н ы х постов К аспийского моря и средн ем есяч н ы х д и ­ н ам и ч еск и х уровней по тр еку 9 2, приведены в табли ц е.

–  –  –

К оэф ф ициенты корреляции показы ваю т, что среднем есячны е уровни м оря, полученны е по и зм ер ени ям вдоль отдельны х п од­ спутниковы х трасс Т /Р и по данны м наблю дений на основны х береговы х п остах, испол ьзуем ы х в расчетах среднего уровня К ас­ п и я, связаны достаточно тесно и дл я ю ж н ой, и дл я северной ча­ сти м оря. С ледовательно, дл я расчетов средн ем есяч н ы х уровней м оря по спутниковы м данны м ц елесообразн ее использовать от­ дельны е треки или зоны треков, а не сум м арно восемь треков, п оскольк у и зм ен ен и я уровня моря в течение м еся ц а сущ ественно различаю тся в различны х частях К аспия.

Н а основе дан ны х последовательны х циклов альтим етрическ и х и зм ерен и й за 1 9 9 3 — 2 0 0 0 гг. рассчитаны уровни в откры том м оре дл я зоны пересечен ия 92-го и 133-го треков вблизи уровенного поста М ахачкала (рис. 6). П риведенны й граф ик воспро­ и зводит довольно сл ож н ы й ход уровня м оря, на ф оне которого проявляю тся сезонны е и м еж годовы е и зм ен ен и я уровня в д а н ­ ном районе м оря. И з этого граф ика сл едует, что для отобр аж ен ия сезон н ы х и м еж годовы х и зм енений уровня моря н еобходим о сгла­ ж и ван и е кривой хо да «м гновенны х» зн ачен и й уровня в х а р ак ­ терной зон е м оря, полученной по спутниковы м и зм ерени ям.

юский уровень, м БС Рис. 6. И зменение динамического уровня Каспийского моря с сентября 1992 по июнь 2000 г. в зоне пересечения 92-го и 133-го треков.

Заключение Результаты вы полненны х предварительны х исследований воз­ м ож н остей м етода спутниковой альтиметрии даю т основание счи ­ тать, что этот м етод позволяет достаточно н адеж н о рассчитывать средн ие (сезонны е и годовы е) уровни всего К асп и й ск ого м оря, воспроизводить пространственно-врем енны е вариации уровня в откры той части м оря и сущ ественно дополнять и в отдельны х сл уч ая х корректировать данны е, полученны е на основе н аблю де­ ний на береговы х уровенны х п остах.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. В а с и л ь е в А. С., Б е л о в А. Б., К о н о в а л о в М. Л. О сезонной измен­ чивости океанографических полей Каспийского моря / / См. наст. сб. — С. 127— 156.

2. Г и д р о м е т е о р о л о г и я и гидрохимия морей. Т. VI. Каспийское море.

Вып. 1. Гидрометеорологические условия..— СПб: Гидрометеоиздат, 1992. — 360 с.

3. М е д в е д е в П. П. Исследование гравитационного поля и фигуры Земли новыми методами космической геодезии / / Итоги науки и техники ВИНИТИ.

Серия Геодезия и аэросъемка. — 1980. — Т. 17. — 99 с.

4. М е д в е д е в П. П. И зучение топографической поверхности Мирового океана / / Итоги науки и техники ВИНИТИ. — 1988. — Т. 26. — С. 76—129.

5. М е д в е д е в П. П., Б а р а н о в И. С. Глобальные космические навигацион­ ные системы (геодезическое использование) / / Итоги науки и техники ВИНИТИ.

Серия Геодезия и аэросъемка. — 1992. — Т. 29. — 158 с.

6. Н а с т а в л е н и е гидрометеорологическим станциям и постам. Вып. 9, ч. 1. — Л.: Гидрометеоиздат, 1984. — 311 с.

7. K u l i k o v Ye. A., Z u e v a А. N. On th e mesoscale v ariab ility observed in the N orth A tlantic by satellite altim eters / / Proc. 1993 IEEE conf. Vol. 1. — V ictoria, BC, Canada, 1993. — P. 51—54.

8. M e d v e d e v P. P., H e i r t z l e r J. R. Comparisons of the Geoik, Geosat and ERS satellites altim e try d ata over seas around R ussia / / A nnales Geophysicae, European Geophysical Society, XXII General Assembly, Vienna, 21—25 A pril 1997. — 1997. — Vol. 15.

9. M e d v e d e v P. P., L e b e d e v S. A., T y u p k i n Yu. S. A n In teg rated D ata Base of A ltim etric S atellite fo r F undam ental Geosciences R esearch / / Proc. of the 1“ East-Europen Symposium on Advances in D ata Bases and Inform ation Systems (ADBIS'97). S t.-P eterb u rg, R ussia, Septem ber 2—5, 1997. Vol. 2. — S t.-P eterb u rg U niversity, 1997. — P. 95—96.

10. M e d v e d e v P. P., P l e s h a c o v D., B u l y c h e v A. A n In te g ra te d Satellite A ltim etry, G ravity and Geodesy D ata Base: D ata Processing and Regional M arine G ravity Field Modeling / / General Assemblies International Union of Geodesy and Geophysics (IUGG). Birm ingham, U nited Kingdom, 18—30, Ju ly 1999. A bstract Book. Vol. B. — P. 83.

ВЕРОЯТНОСТНЫ Й А Н А Л И З

П РО СТРАН СТВЕН НО -ВРЕМ ЕН Н О Й И ЗМ ЕНЧИВОСТИ

П О Л ЕЙ ВОЛН

–  –  –

УДК 551.465 Исследована пространственно-временная изменчивость ветрового волнения по данным модельных расчетов частотно-направленных спектров в Баренцевом море с 1990—1999 гг. При вероятностном анализе спектры представлены в виде в (о, 0) = 5 (со, 0, Е), где Е — параметр, характеризую щ ий наличие в волновом поле систем ветровых волн и волн зыби.

Эти составляющие выделены на каждом шаге непосредственно в процессе модельных расчетов частотно-направленных спектров с учетом нелинейных вза­ имодействий между спектральными составляющ ими. Исследована годовая рит­ м и ка и синоптическая изменчивость пространственных полей волнения.

П ока основной инф орм ацией о волнении были данны е п оп ут­ ны х судовы х н абл ю ден и й, вопрос о зак он ом ерн остях простран­ ственно-врем енной изм енчивости полей волн д а ж е не возни к ал, п оскольку основной формой статистического обобщ ения являлись ф унк ц ии р асп редел ени я элементов волн в задан н ы х рай он ах и по сезон ам [4, 1 7 ]. Д лительны е ряды и зм ерени й с буев и платф орм п озволили [3, 1 3, 19] описать врем енную изм енчивость волнения в отдельны х точ к ах ч ер ез спектральную плотность 5 (со) и частот­ но-направленны й спектр 5 (со, 0). В качестве прим ера, по данны м и зм ерен и й [3], на рис. 1 приведены характерны е спектры в (со, 0) в сл уч ая х ветрового (а) и см еш анного волнения с раздел я ю щ и м и ­ ся (по частоте и направлению ) пикам и систем ветрового волне­ н ия и зы би (б), а та к ж е когда эти системы сл ож н о разделить (в).

Спутниковые измерения систематически выполняются с 1975 г.

П ервое оп исан и е пространственно-врем енной изм енчивости п о­ л ей волн дано в справочниках [1 5, 22 ]. П ри подготовке м ноголет­ него м ассива реан ал иза м етеорологически х дан ны х [1 8 ] и со зд а ­ нии вериф ицированны х м оделей расчета волн в (со, 0) по полям ветра [1 1, 14] поставлен вопрос о м етодах р еж и м н ы х обобщ ений результатов эти х расчетов.

В н астоящ ей работе в качестве и сходн ы х дан ны х дл я и ссл едо­ вания пространственно-врем енной изм енчивости ветрового вол­ н ен и я использованы результаты расчета частотно-направленного спектра волн в водном бассейне Н орвеж ского, Г ренландского и Б аренцева м орей за 10 лет (1 9 9 0 — 1 9 9 9 гг.).

Модель расчета спектра волн

–  –  –

Следовательно, 0C = arctg (sin 0C /cos 0C).

B B B Таким образом, спектру S (со, 0) при заданных (г, ) соответ­ ствуют шесть параметров: по три параметра (hn t, 0г для ветрово­ ) го волнения (i = 1) и по три — для зыби (i = 2).

Другой подход к статистическому анализу спектров выбран в работе [13], в которой частотные спектры рассортированы на 12 классов по градациям высот значительных волн hs через 0,5 и 1,0 м.

Внутри каждой из этих градаций на каждой фиксирован­ ной частоте со определены:

— средний спектр S (со), — CKO (со), 5S — max [ (со)].

S При всей простоте такого подхода и наглядности полученных результатов очевидно, что квантильный спектр S p (со) каждого такого семейства принадлежит (при фиксированном со) различ­ ным индивидуальным спектрам, входящим в ансамбль. Напри­ мер, величина max [S, (со)].

будет верхней огибающей этого семейства.

Предприняты такж е попытки представить спектр смешанно­ го волнения в виде S (со, 9, 5) = I a k (Н) % (со, 6), где а к — коэффициенты, фй ( - ) — базисные функции.

В качестве ср обычно принимают собственные функции кор­ * реляционной матрицы K s (Юр ш2, 0 Р 02). В работе [3] на примере частотных спектров S B (со) и S C (со) показано, что по виду (рА(со) B B трудно представить структуру ансамбля этих двух существенно различных классов. Однако первыми тремя членами разложения хорошо приближаются индивидуальные спектры.

В проекте GROW [20] путем модельных расчетов определены 17 параметров волнения в 223 узлах сеточной области:

— значительная высота волн, — период пика спектра, — направление ветровых волн и зыби, — основная энергонесущая составляющая и т, д.

Полученные данные подвергали вероятностному анализу, ис­ пользуя различные статистические процедуры.

В работе [21] частотные спектры смешанного волнения внача­ ле разделены на два класса:

1) случаи преобладания в смешанном волнении ветровых волн,

2) случаи преобладания волн зыби.

После этого спектры классифицированы по высоте смешанно­ го волнения hC и периоду волн Тр, соответствующему пику спек­ B тра S B (со) или S 3 (со), преобладающему в спектре S C (со). Впослед­ B B ствии в работе [17] эти ж е данные распределены и в зависимости от направления распространения волн.

Формальными статистическими процедурами лишь в частных случаях (см., например, рис. 1 а и б) можно разделить спектр смешанного волнения S C (со, 0) = S B (со, 0) + S 3 (со, 0) B B на составляющие, из которых S B ( • ) относится к вынужденным B волнам, a S 3 ( • ) — к свободным волнам.

По этой причине в настоящей статье для статистического ана­ лиза смешанного волнения использованы исходные данные, в ко­ торых спектр смешанного волнения разделен на спектры ветро­ вых волн и зыби по модели на каждом временном и простран­ ственном шаге расчета частотно-направленного спектра волн.

Статистический анализ параметров спектра волн

–  –  –

Рис. 3. Двумерные точечные диаграм­ мы распределения скорости ветра V по данным реанализа и направления вет­ ровых волн 0° по модельным расчетам для точки 75 0 с. ш, 30 в д. за февраль в.

1990—1999 гг.

а — исходные значения qty и расчетные 0^в ( N = 1120);

б — среднемесячные направления ветра при векторно-алгебраическом осреднении исход­ ных значений V t (arg mv, ось ординат) и при осреднении единичных векторов направления ветра ((&, ось абсцисс) ( N = 120);

в — среднемесячные направления ветрового волнения 6qq (ось ординат) и направления ветра (ось абсцисс) (N —120) На рис. 3 приведена двумерная диаграмма распределения ин­ дивидуальных направлений ветра ((\, и ветровых волн 0В Хотя В.

эти величины принадлежат разным функциональным простран­ ствам, в которых операциям сложения придана различная тополо­ гическая интерпретация1, их регрессионная зависимость линей­ на. Различие сказывается лишь в относительно малом (±20— 25°) СКО относительно биссектрисы угла меж ду осями (см. рис. 3).

Физически, с точки зрения генерации волн, этот разброс можно объяснить следующим образом: направление ветровых волн в за­ данной точке определяется не ветром в данной точке и в данный момент времени, а полем ветра в некоторой области пространства и за предшествующий промежуток времени (разгон и время роста).

Годовая ритмика и межгодовая изменчивость волнения и ветра

В табл. 3 приведены порядковые статистики среднемесячных значений, дисперсии и коэффициента изменчивости высот и пери­ одов волн и скорости ветра V. Всем этим величинам (кроме г и К) присуща годовая ритмика (медианные значения больше осенью и зимой, чем весной и летом) и межгодовая изменчивость (размах значений х и ) за 10 лет в осенне-зимний период весьма сущ е­ ствен).

–  –  –

1 Евклидовы векторы складываю т по правилу параллелограмма, а стохасти­ ческие колебания (ВВ) — по правилу (10).

Медианные значения высот ветровых волн меньше, чем зыби.

Различия периодов ветровых волн и зыби малы.

Коэффициент изменчивости г (и R для V) свидетельствует о малой изменчивости смешанного волнения и существенной и з­ менчивости скорости ветра (I®’5 » |mv |).

На рис.

3 б приведена двумерная диаграмма распределения среднемесячных направлений ветра, полученных двумя различ­ ными способами осреднения:

1) векторно-алгебраическим [1]:

–  –  –

4,7 0,2 1,0 4,6 3,9 0,8 1,6 0,7 63,8 1,2 6,0 0,2 5,2 3,0 5,6 1,8 2,8 4,3 88,1 2,3 6,3 2,7 0,3 5,4 4,5 6,2 7,0 111,0 14,7 4,1 4,8 0,2 4,4 1,2 1,5 4,5 1,5 0,5 48,0 1,0 5,4 2,3 0,3 4,8 2,7 5,2 3,2 4,5 77,9 2,2 6,2 3,2 0,4 5,8 3,6 5,9 5,0 6,9 115,1 19,3 2,8 2,7 0,9 2,7 0,0 0,1 0,3 14,9 0,9 0,1 3,8 0,6 0,2 3,4 3,7 0,7 26,7 3,5 1,7 1,5 0,3 3,9 4,1 1,3 2,9 4,6 52,8 14,3 1,8 4,1 4,7 0,6 0,2 4,2 4,3 0,8 2,3 45,0 1,5 1,4 5,4 0,2 1,3 4,9 2,8 5,0 71,3 1,7 4,1 2,1 5,9 2,6 0,3 5,4 3,6 5,3 3,2 6,2 95,0 3,8 вычисленных методом осреднения угловых величин [10]. В отли­ чие от рис. 3 а, в данном случае зависимость м еж ду (V и 0°вв нелинейна, т. е. среднее направление волн в точке нелинейно зависит от распределения разгонов ветра и продолжительностей его действия.

В работе [12] сопоставлены результаты регистрации волн и ветра с буев в трех точках за четыре года. На примере штормо­ вых ситуаций (а не всей выборки) отмечено наличие неколлинеарности изменений направлений на пике штормов и возрастание разности этих направлений с удалением от пика.

Учитывая дискуссионность вопроса о соотношении моментных характеристик угловых величин (ф°„, 6К предпочтительно ), использовать совместные распределения ветра и волн в заданных секторах их направлений.

Анализ временных рядов параметров f (?) = а 0 /2 + Е А 1 сов ( ц ( + щ) свидетельствует о довольно сложной форме годового хода и пре­ обладании годовой гармоники А 1 над ее обертонами (А1 г 1)., Значения а 0, и \|/^ всех параметров очень мало изменяются по пространству (табл. 4). Фазы ^ для й и х ветровых волн близ­ ки к нулю, что указывает на максимум годового хода и высот, и периодов ветровых волн в январе.

Для т у (?) скорости ветра (табл. 5) различия а 0 и f l от точки к точке сетки координат более заметны по модулю, направлению и по фазе, значения которой указывают на наличие максимума го­ дового образа скорости ветра в основном зимой.

Годовой ход дисперсии X) (?) скорости ветра в разных точках примерно одинаков по значениям а 0 и А 1 для инвариантов тензо­ ра дисперсии. Следует отметить довольно слабую вытянутость эл ­ липсов дисперсии (% = 0,55) и большие коэффициенты изменчи­ вости (г = 4).

Данные табл. 5 получены двумя способами:

1) параметры математического ожидания скорости ветра вы­ числены по векторным временным рядам среднемесячных дан­ ных (модуль и направление скорости ветра) по программе расче­ та характеристик векторных ПКСП;

2) параметры инвариантов дисперсии вычислены по скаляр­ ным временным рядам, сформированным из еж емесячных значе­ ний каждого инварианта (11( % г) тензора дисперсии данного, месяца, по программе расчета характеристик скалярных ПКСП.

Таким образом, из табл. 4 и 5 видно, что параметры годовой ритмики изменяются от района к району.

Таблица 4 Х арактеристики среднемноголетних значений а 0, ам плитуды А 1 и ф азы ^ годовой гармоники математического ож идания т (() и дисперсии О (*) высот и периодов волн (ветрового волнения Лвв и твв, зы би Л3и т3 и смешанного волнения к св и тсв) в Баренцевом море

–  –  –

Оценки дисперсии, вычисленные по срочным значениям высот и периодов волн, свидетельствуют о том (см. табл. 3), что синоп­ тическая изменчивость существенна, особенно в осенне-зимний период.

Наиболее наглядно этот вывод подтверждает рис. 4, на кото­ ром приведена временная последовательность квантилей простран­ ственного распределения высот Лсв волн по всему морю.

Такая форма представления позволяет:

— оценить разнообразие волн во всем море (в 1075 узлах сет­ ки) в конкретный срок или конкретные сутки рассматриваемого месяца;

— выявить отдельные штормы и сопоставить их между со­ бой.

Из рис. 4 следует, что в марте 1997 г. через Баренцево море прошли два сильных шторма (5—10 и 25—28 марта), в одном из которых 75 % волн на акватории моря были выше 4 м.

Наибольший размах высот волн (от 0,5 до 12,1 м) наблюдал­ ся 7 марта в первом шторме, когда максимум средней высоты волн достиг 12,1 м. При этом медианное значение средней высо­ ты волн й05 = 5,2...6,3 м.

Во время второго шторма Л05 = 4 м, а наибольшее интерквартильное расстояние *"(),25 — ^"0,75 — 3, 5 М.

Я ~ Во время мартовских штормов значения (3 средних высот волн колебались в основном в пределах 2,0—2,5 м.

–  –  –

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Б е л ы ш е в А. П., К л е в а н ц о в Ю. П., Р о ж к о в В. А. Вероятностный анализ морских течений. — JI.: Гидрометеоиздат, 1983. — 262 с.

2. Б у х а н о в с к и й А. В., Д е г т я р е в А. Б., Л о п а т у х и н Л. И., Р о ж к о в В. А. Вероятностное моделирование морского волнового клим ата / / Изв.

РАН. Серия ФАО. — 1998. — Т. 34, № 2. — С. 261—266.

3. Б у х а н о в с к и й А. В., Д и в и н с к и й Б. В., К о с ь я н Р. Д., Л о п а т у х и н Л. И. и др. Типизация ветрового волнения Черного моря по инструмен­ тальны м данным / / Океанология. — 2000. — Т. 40, № 2. — С. 289—297.

4. В е т е р и волны в океанах и морях. Справочные данные. Регистр СССР. — Л.: Транспорт, 1974. — 360 с.

5. Д а в и д а н И. Н. Новые результаты исследований развития ветровых волн / / Метеорология и гидрология. — 1996. — № 4. — С. 65—72.

6. Д а в и д а н И. Н. и др. М атематическая модель и метод оперативных расчетов ветрового волнения на морях СССР / / Метеорология и гидрология. — 1988. — № 11.

7. Д а в и д а н И. H., Лопатухин Л. И, Р о ж к о в В. А. Ветровое волнение в Мировом океане. — Л.: Гидрометеоиздат, 1985.

8. Л а в р е н о в И. В. Математическое моделирование ветрового волнения в пространственно-неоднородном океане. — СПб.: Гидрометеоиздат, 1998.

9. Л о н г е - Х и г г и н с М. С. Статистический анализ случайной движ ущ ей­ ся поверхности / / Ветровые волны. — М., 1962. — С. 125—218.

10. М а р д и а К. Статистический анализ угловых наблюдений. — М.: Н а­ ука, 1978. — 178 с.

11. Т е о р е т и ч е с к и е основы и методы расчета ветрового волнения / Под ред. И. Н. Давидана. — Л.: Гидрометеоиздат, 1988. — 264 с.

12. B o w e r s J. A., M o r t o n I. D., M o u l d G. I. D irectional sta tistic s of the wind and waves / / A pplied Ocean Research. — 2000. — 22. — F. 13—30.

13. B u c k l e y W. H. Design wave clim ates fo r th e world wide operations of ships / / IMO Publications. — 1993. — Oct.

14. C a r d o n e V. J., С о х A. Т., S w a i l V. R. Specification of global wave clim ate: is th is the final answ er? / / 6 th In t. W orkshop on W ave H indcasting and Forecasting. M onterey, C alifornia, November 6 —10.2000. — P. 211—223.

15. CLAMS (Climate A ssessm ent from M ultisensor S atellite data). — E ngland, 1998.

16. E i d e L. I., M a r t h i n s e n Т., L u n d e S. E nvironm ental conditions, Ormen Lange P roject / / H ydro Technology and Projects. 04.07.2000. — P. 35.

17. H o g b e n N., D a c u n k a N. M. C., O l i v e r G. F. Global W ave S tatistics / / B ritish M aritim e Technology. — London, 1986.

18. K a l n a y E., K a n a m i t s u M., K i s t l e r R., C o l l i n s W. e t al. The NCEP/NCAR 40-Y ear R eanalysis P roject / / Bull, of th e A m erican Meteorol. Soc. — 1996. — N 3.

19. K r o g s t a d H. E., B a r s t o w S. F., H a u g 0., P e t e r s D. J. H.

D irectional distrib u tio n s in wave spectra / / Proc. W AVES'97 Conf. — V irginia, USA, 1997.

20. S w a i l V. R., C o x A. T. On the use of NCEP/NCAR reanalysis surface m arine w ind fields fo r long-term N o rth A tlan tic hindcast / / J. A tm os. & Oceanogr.

Technol. — 2000. — 17. — P: 532—545.

21. T o r s e t h a u g e n K. Model fo r a doubly peaked wave spectrum / / S in te f.

report. — N orway, 20.02.1996.

22. W o r l d W ave A tlas. — Norway, 1996.

АНАЛИЗ СУЩЕСТВОВАНИЯ АМФИДРОМИЧЕСКИХ ТОЧЕК

В ПРОЛИВАХ

–  –  –

УДК 551.461.3 Н а основе топологических свойств амфидромических точек дан комбинатор­ ный анализ их существования в проливах при условии, что известно четыре значения фазы приливного колебания уровня на берегах пролива. Приведен п ри­ мер исследования по данной методике в проливе Ю горский Ш ар.

При создании приливных карт гармонических составляющих приливного уровня часто сложно строить системы изолиний фаз в естественных узкостях (проливах), соединяющ их два водных бассейна. Это связано с отсутствием достаточно густой сети бере­ говых станций в этих областях и различной структурой поля изо­ фаз приливных колебаний по обе стороны пролива. Рассмотрим возможность существования амфидромических точек в проливах, если известно распределение фаз гармонических составляющих приливных колебания в бассейнах.

Формулировка задачи. Пусть в угловых точках пролива зада­ ны некоторые значения фазы приливной волны ф1—ф4 (рис. 1).

Надо определить, при каких соотнош ениях этих значений фазы на акватории канала существуют амфидромические точки, а при каких они отсутствуют.

При решении этой задачи используем топологические и ком­ бинаторные методы, основываясь:

— на понятии «амфидромической точки» как топологическо­ го свойства пространственного распределения фазы приливной волны [1];

— на условиях, что пространственно-временное поле фазы не­ прерывно и гладко.

Кроме того, используем следствие, полученное в работе [1]:

если при одном полном обходе по любому замкнутому контуру на

–  –  –

По табл. 3 определяем, что в проливе существует одна амфидромическая точка для волны М 2 и фазы обращаются против ча­ совой стрелки. Данные меж ду точками необходимы для правиль­ ного выбора знака направления перехода, в противном случае решение задачи неоднозначно. Поясним это на примере исследо­ вания распределения фазы волны К у.

На фазовой окруж ности зададим направление против часо­ вой стрелки и расположим на ней значения фаз, соответствую­ щ их точкам 1—4 (см. рис. 5 в). При обходе по фазовой окр уж ­ ности против часовой стрелки от точки 1 получаем перестановку 1— 2 —4 —3, которой соответствует код «2» (см. табл. 1).

Сочета­ ния направлений переходов следующие:

— от точки 1 к точке 2 приращение фазы положительное, так как оно направлено против часовой стрелки;

— при переходе от точки 2 к точке 3 допустим, что значение фазы в п. Хабарово (162°) неизвестно. Предположим положитель­ ное приращение в этой паре смежных фаз, так как фаза возраста­ ет от 84 до 141°. Следовательно, на фазовой окружности двигаем­ ся от точки 2 к точке 3 против часовой стрелки;

— от точки 3 к точке 4 —отрицательное приращение фазы;

— от точки 4 к точки 1 — отрицательное приращение фазы, значение фазы -89° в промежутке между точками (п. Сухой Нос) убеждает в этом. Получаем вариант «+ -I------», которому по табл. 2 соответствует код сочетаний «4». При таком сочетании фаз вол­ ны на контуре пролива амфидромическая точка не существует (см. табл. 3). Напомним допущ ение о положительном направле­ нии перехода от точки 2 к точке 3 (против часовой стрелки на фазовой окружности).

При учете данных в промежуточной точке (п. Хабарово) ре­ шение будут другим. Очевидно, что фазовую окружность нужно обходить по часовой стрелке, только так мы проходим проме­ жуточное значение 162°, двигаясь от 84 к 141°. Следовательно, для данной смежной пары фаз направление перехода будет отри­ цательным (см. рис. 5 г) и сочетанию четырех смежны х пар фаз «Ч----------» соответствует код «8» по табл. 2. При таком варианте распределения значений фаз на контуре пролива существует одна амфидромическая точка для волны К 1на акватории пролива Югор­ ский Шар (см. табл. 3), причем с антициклоническим вращением котидальных линий.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ж у к о в Ю. Н., Ф е д о р о в а Е. В. Амфидромическая точка к ак топологи­ ческое свойство пространственного распределения фаз приливных колебаний / / См. наст. сб. — С. 320—327.

2. М а т е р и а л ы по изучению приливов арктических морей СССР / / Тр. А рк­ тического ин-та. — 1937. — Т. 81, вып. III (1934—1935 гг.). — 96 с.

3. М а т е р и а л ы по изучению приливов арктических морей СССР / / Тр. А рк­ тического ин-та. — 1940. — Т. 153, вып. V—VI. — 199 с.

4. Т а б л и ц ы приливов. Воды европейской части СССР и прилегаю щ их зарубежных районов. — Л.: Гидрометеоиздат, 1958. — 196 с.

АМФИДРОМИЧЕСКИЕ ТОЧКИ

КАК ТОПОЛОГИЧЕСКОЕ СВОЙСТВО

ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ

Ф А З ПРИЛИВНЫ Х КОЛЕБАНИЙ

–  –  –

УДК 551.461.3 Дано топологическое определение амфидромической точки. Приведено до­ казательство существования хотя бы одной амфидромической точки в Мировом океане. Предложенный подход может служить формальным инструментом для анализа возможности существования амфидромических точек на некоторой а к ­ ватории Мирового океана.

Пространственная структура приливных колебаний в океане сложна. Эта сложность проявляется как в числе амфидромичес­ ких точек, так и в распределении их по акватории океана. Рас­ пределение амфидромических точек в океане отображается на картах изофаз для отдельных гармонических волн.

Карты изофаз получают двумя способами:

1) способ на основе метода кинематического анализа [2, 3, 6], который позволяет получить распределение фаз приливных ко­ лебаний уровня для отдельных гармоник, определенных при по­ мощи гармонического анализа данных береговых наблюдений;

2) расчетный способ на основе численного моделирования при­ ливных колебаний с использованием гидродинамических урав­ нений.

К настоящему времени на основе этих способов построено боль­ шое число карт изофаз для различных районов Мирового океана.

Сравнение их показывает, что карты изофаз для одних и тех ж е акваторий различаются меж ду собой по числу амфидромических точек и по их расположению. Это объясняется тем, что при их построении использованы различные наборы данных береговых наблюдений за приливами. Кроме того, при использовании ме­ тода изогипс различия возникают по субъективным причинам.

При использовании гидродинамического метода связаны с разли­ чием применяемых математических моделей, граничных и на­ чальных условий, пространственно-временных сеток, численных схем и т. д. Все это свидетельствует о том, что до настоящего времени нет надежного однозначного способа для выявления оп­ ределяющей характеристики распределения фаз приливных ко­ лебаний, какой является амфидромическая точка, следователь­ но, нет и ясного представления о пространственно-временном рас­ пределении приливов в океане.

Чтобы уяснить суть проблемы с амфидромическими точками, следует обратиться к истокам возникновения этого понятия в тео­ рии приливов.

Несмотря на то, что гипотеза всемирного тяготения объяснила приливные движения в океане, существование амфидромических точек не было теоретически предсказано. На картах изофаз океан­ ских приливов до второй четверти XIX века их не было, простран­ ственно-временное распределение приливов представлялось в виде системы прогрессивных волн, генерируемых вокруг Антарктиды и интерферирующих из этого района в северном направлении в Индийский, Атлантический и Тихий океаны. Амфидромии в про­ странственном распределении фаз приливных колебаний обнару­ жены эмпирически только в 1836 г., когда по данным береговых наблюдений была построена карта изофаз Северного моря, на ко­ торой изображались две амфидромические точки [7].

Это открытие, в корне менявшее предыдущее представление о прогрессивном характере приливных волн, еще долго не входи­ ло в концептуальную картину приливной теории. Еще в 1932— 1949 гг. В. А. Березкиным и А. В. Коптевой построены карты изофаз Карского моря, на которых не было ни одной амфидро­ мии. На современных картах изофаз Карского моря изображают несколько амфидромий (рис. 1). Подчеркнем, что при построе­ нии карт изофаз в 1949 г. и позднее использован практически один и тот ж е набор данных береговых наблюдений. Тогда и сей­ час авторы убеждены, что построенные ими изофазы в Карском море достаточно точно согласуются с наблюдаемыми на берегах фазами приливных колебаний уровня. Березкин и Коптева не «видели» амфидромий, а последующие авторы их находят. По­ этому возникает вопрос: в чем причина различия интерпретации одних и тех ж е наблюдаемых данных? Очевидно, она кроется во внутренней субъективной концептуальной модели приливов раз­ личных исследователей.

У одних исследователей в субъективной модели приливов амфидромические точки присутствуют, и они их находят, у дру­ гих исследователей этого нет (см. рис. 1 и 2). Но решить вопрос о том, кто из них прав, можно только если предъявить доказатель­ ство существования или несуществования амфидромических то­ чек в океане.

Для доказательства существования достаточно доказать на­ личие хотя бы одной амфидромической точки. Причем доказа­ тельство это должно быть логическим, а не эмпирическим, как было сделано в 1836 г. [7].

Рис. 1. Карты изофаз приливных колебаний уровня Карского моря.

а — 1999 г., данные работы [5], 1 — амплитуда, 2 — фаза;

б — 1938 г., данные работы [6].

Как показывает история с построением карт изофаз Карского моря, эмпирического доказательства существования амфидромий недостаточно, чтобы эта характеристика вошла в концептуаль­ ную модель всех исследователей. Логическое доказательство по настоящее время не сделано.

Это объясняется тем, что сейчас под амфидромическими системами понимается своеобразная особенность приливных карт, имеющая вид «зон, в пределах которых прослеживается вееро­ образное расположение котидальных линий, расходящ ихся по­ добно лучам из некоторого центра». Этот «центр» и есть амфидромическая точка. И з этого определения понятие «амфидромическая точка» связывается с графическим рисунком изофаз на приливных картах, а не с реальным свойством фаз приливных движ ений уровня. На основе этого «графического» определения создана классификация эмпирически полученных амфидромий, и существует несколько формальных схем их образования в гео­ метрически правильных модельных бассейнах [5].

Приведем логическое доказательство существования амфидромических точек в океане. Оно должно основываться только на некотором наборе предположений относительно свойств прилив­ ных колебаний и не использовать каких-либо конкретных на­ блюдений за приливами. Для определения исходного набора пред­ положений рассмотрим условия, которые всегда предполагаются при составлении карт изофаз. Будем искать условия, как явные, так и скрытые, неявно предполагаемые при поиске амфидромических точек на акватории.

Во-первых, определим характеристику приливных колебаний, которая используется в процедуре составления карт изофаз, и в пространственном распределении которой может проявиться амфидромическая точка. Такой характеристикой является фаза приливного колебания. Именно с особенностью пространственно­ го распределения фазы прилива по акватории связывается при­ сутствие амфидромической точки. Никакие другие параметры не используются при выявлении амфидромических точек. Это яв­ ное условие.

Во-вторых, при построении карт изофаз всегда используется предположение о непрерывности значений фазы прилива на рас­ сматриваемой акватории по пространству и времени. Это условие общепринято в океанографии, но обычно предполагается неявно.

В-третьих, при построении карт изофаз всегда используется предположение о гладкости пространственно-временного распре­ деления фазы на акватории. Это условие использовано и теми исследователями, которые составляли карты изофаз без амфидромических точек, и теми, которые составляли карты изофаз с амфидромическими точками. Оно следует из гладкости в графи­ ческом представлении семейств изофаз на этих картах. Данное условие обычно используется, но явно не констатируется.

Теперь сформулируем задачу в более точной постановке: до­ казать, что в пространственном распределении фазы приливной волны сущ ествует (не существует) хотя бы одна амфидромическая точка, при следую щ их условиях:

1) пространственно-временное поле фазы непрерывно;

2) пространственно-временное поле фазы гладко.

Реш ение задачи в такой общей постановке целесообразно ис­ кать топологическими методами.

Рассмотрим гипотетический замкнутый бассейн без островов с произвольной береговой чертой (рис. 3), в котором есть прилив­ ные колебания. Определим правило обхода береговой черты: за положительное направление примем обход по контуру, при кото­ ром бассейн всегда остается слева, т. е. против часовой стрелки.

Рис. 2. Схемы котидальны х линий а — Фиельдстад, 1923 г.;

Рассмотрим приращение фазы прилива при одном полном обходе бассейна по береговой линии при фиксированном моменте време­ ни. Начальная точка обхода — произвольная постоянная. При этом приращение фазы прилива положительно, если направле­ ние увеличения фазы совпадает с положительным направлением обхода, и отрицательно, если эти направления противоположны.

Так как значения фазы лежат в диапазоне 0 — 2к, то можно утверждать, что в силу условий 1 и 2 на одном полном обходе изменение фазы может принимать только значения ±2к п (2к п — для совпадения направления обхода с изменением фазы, -271« — в противном случае). Здесь п = 1 для суточного прилива, п = 2 для полусуточного прилива, и т. д. (п = О при отсутствии прили­ вов в бассейне). Действительно, в противном случае было бы на­ рушено условие 2.

Далее найдем приращение фазы при одном полном обходе бассейна по контуру, который леж ит целиком внутри бассейна, но как можно ближ е к его береговой черте. В силу условий 1 и 2 Северного Ледовитого океана [3].

б — Ш тернек, 1928 г.

А мфидромическая точка получим, что абсолютное значение суммарного изменения фазы на этом контуре так ж е равно |2яп|.

Продолжая этот процесс расчета суммарного изменения фазы при одном полном обходе на все более суж аю щ ихся вложенных контурах (но мало отличающихся друг от друга на Смежных ш а­ гах процесса), получим на каждом из этих контуров приращение фазы, по-прежнему равное 2тш| в силу условий 1 и 2.

П родолжим сужать контур, пока он в конце концов не стя­ нется в точку. Но опять-таки в силу условий 1 и 2 суммарное изменение фазы должно быть равно |2тт|! Но это противоречит условию 2. Следовательно, это сингулярная (вырожденная) точ­ ка в поле фазы прилива в этом бассейне, другими словами это и есть амфидромическая точка. Это последнее предложение явля­ ется определением понятия «амфидромическая точка».

Здесь мы рассмотрели гипотетический бассейн, продемонст­ рировав использование топологического метода доказательства существования амфидромической точки.

Докаж ем с использованием этого метода существование ам­ фидромической точки в реальном океане.

Предварительно сфор­ мулируем следствие, вытекающее из предыдущего рассуждения:

если при одном полном обходе по любому замкнутому контуру на некоторой акватории модуль приращения фазы на этом контуре не равен нулю, то на акватории, ограниченной этим контуром, существует хотя бы одна амфидромическая точка.

Лунный прилив можно представить в виде двух поднятий уровня на поверхности Мирового океана, расположенных на двух противоположных сторонах Земли (полусуточный прилив). К аж ­ дое поднятие уровня — это полный цикл одного колебания. На каждом цикле приращение фазы равно \2к\. Если обходить Север­ ный полюс по расширяющимся замкнутым контурам, то всегда найдется контур, пересекающий хотя бы один раз эти два подня­ тия уровня. Следовательно, модуль суммарного изменения фазы должен быть не меньше |4я|. Но по сформулированному следствию внутри этого контура долж на существовать хотя бы одна амфидромическая точка. Таким образом, наличие одной амфидромической точки в реальном океане установлено.

Представляется, что предложенный подход может служить формальным инструментом для качественного анализа возмож ­ ности существования амфидромических точек на некоторой ак­ ватории Мирового океана.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Б е р е з к и н В. А. Д инам ика моря. —Л.: Изд. Военно-морской академии РК КФ, 1938. — С. 377—378.

2. Б о г д а н о в К. Т. О применимости и точности построения карт котидальны х линий методом изогипс / / Тр. ГОИН. — 1960. — Вып. 57. — С. 78—80.

3. Б о г д а н о в К. Т. П риливные явления в Тихом океане. — М.: Н аука, 1994. — 144 с.

4. В о й н о в Г. Н. Приливные явления в Карском море. — СПб, 1999. — С. 74.

5. Н е к р а с о в А. В. Энергия океанских приливов. — Л.: Гидрометеоиздат, 1990. — 288 с.

6. Т и м о н о в В. В. О кинематическом анализе приливов / / Тр. ГОИН. — 1959. — Вып. 37. — С. 185—204.

7. W h e w e l l W. Researches on th e Tides / / Philosophical T ransactions of the Roy. Soc. of London. — 1836. — 126. — P. 289—307.

ЧИСЛЕННАЯ МОДЕЛЬ ВЕТРОВЫХ ВОЛН

ЧЕТВЕРТОГО ПОКОЛЕНИЯ

–  –  –

УДК 651.466 Построена новая версия численной спектральной модели ветровых волн чет­ вертого поколения, основанная на следующих отличительных элементах ф унк­ ции источника: а) аналитической параметризации нелинейного механизма эво­ лю ции [16]; б) слагаемом накачки волн ветром, учитывающем подстройку при­ водного слоя к состоянию волнения [11]; в) квадратичной по спектру волн диссипативной ф ункции, разработанной ранее в работах [1, 6, 7].

Результаты тестовых испытаний модели для случая прямого разгона показа­ ли адекватность описания основных эмпирических эффектов развития волнения.

Н аряду с этим модель правильно воспроизводит эволюцию параметров приводного слоя атмосферы в зависимости от стадии развития волнения, что позволяет дать физическую трактовку указанных зависимостей. Перечисленные качества модели позволяют использовать ее в исследованиях и для прикладных целей.

Авторы выраж аю т благодарность Ю. А. Волкову и Г. С. Голицыну за инте­ рес к работе и полезные замечания.

Работа выполнена при поддержке РФФ И, проект 01—05—64580.

Введение

Проблема построения эффективной и физически обоснован­ ной модели далеко не исчерпана. Причина этого обстоятельства заключена в чрезвычайной сложности процессов на границе раз­ дела вода—воздух, ответственных за эволюцию ветровых волн.

За последние 10— 15 лет достигнут заметный прогресс в этой об­ ласти [2, 4, 10]. Тем не менее к настоящему времени уж е опреде­ лились вопросы, которые можно решить в порядке дальнейшего совершенствования ветро-волновых моделей.

Во всех известных моделях ветрового волнения [2, 4 — 6, 10], как правило, использованы подгоночные эмпирические парамет­ ризации нелинейного механизма эволюции и не учтена динами­ ческая подстройка приводного слоя атмосферы к состоянию вол­ нения (режим динамического приводного слоя). Вместе с тем со­ временное состояние теории позволяет устранить указанны е принципиальные дефекты в моделировании ветрового волнения и построить модели с динамическим приводным слоем, которые с учетом классификации проекта SWAMP [14] правомерно отно­ сить к следующ ему, четвертому, поколению.

В качестве позитивного примера можно указать спектраль­ ную модель ветровых волн [15], которая в настоящее время нахо­ дится в стадии тестирования и верификации и существенно превы­ шает все упомянутые модели по уровню теоретической обосно­ ванности в силу следую щ их двух обстоятельств:

1) в ней использовано строгое аналитическое приближение для нелинейного механизма эволюции — так называемое «узко­ направленное приближение» Захарова—Смилги [3];

2) в ней впервые реализован механизм подстройки приводно­ го слоя атмосферы к состоянию волнения, условно называемый нами как динамический приводный слой.

Предлагаемая в данной работе модель принадлежит к тому ж е, четвертому, поколению моделей.

Она имеет следую щ ие су­ щественные отличия, которые априорно гарантируют более ш и­ рокую область ее применения:

— в модели использовано новое, более универсальное прибли­ ж ение для описания нелинейных процессов — диффузное при­ ближ ение Захарова—Пушкарева [16], которое применимо даж е для спектров смешанного волнения [8];

— при описании слагаемого ветро-волнового взаимодействия использована новая модель динамического приводного слоя, пред­ ложенная в работе [11];

— в модели использована квадратичная по спектру функция диссипации волной энергии, эффективность и обоснованность ко­ торой показана в работах [1, 6, 7].

Наиболее важные сферы применения предлагаемой числен­ ной модели таковы:

1) расчет прогноза и диагноза поля двумерного частотно-углового спектра ветрового волнения по заданному полю ветра;

2) исследование зависимости параметров приводного слоя от состояния волнения;

3) сочетание модели ветрового волнения с моделью атмосфер­ ной циркуляции для обеспечения контроля меняющ ихся гранич­ ных условий на границе раздела вода—воздух.

Другие традиционные сферы применения модели подробно описаны в монографии [2].

Описание модели

Основное уравнение эволюции частотно-углового спектра волн S ( и, в, х, t) имеет вид уравнения переноса d S / d t + Cgx d S / d x + Сп d S / d y = F = NI + I n - D i s, (1) где a и 0 — частота и угол волнового компонента, х —вектор горизонтальных координат, t — время, Cgx и Cgy — слагаемые групповой скорости волнового компонента.

В правой части (1) выписана полная функция источника мо­ дели F, включающая следующие механизмы эволюции:

N1 — консервативный нелинейный перенос энергии по спект­ ру (нелинейность), I n — передачу энергии от ветра к волнам (накачка), D i s — потери энергии волн за счет обрушения и взаимодей­ ствия с турбулентностью верхнего слоя воды (диссипация).

Нелинейный механизм эволюции

В предлагаемой модели использована формула, полученная в «диффузном приближении» для нелинейного интеграла Хассельмана [16].

В частотно-угловом представлении эта формула имеет вид:

N l ( a, 9) = OS (с, Q)/dt\NL= с g * о L [а 12 S 3 (а, 0)], (2) где L — дифференциальный оператор второго порядка L = 0,5 (д2/ д а 2) + ( 1 /а 2) (д2/ д в 2). (3) Здесь, в отличие от оригинальной работы [16], в явном виде введены ускорение силы тяжести g и подгоночный безразмерный коэффициент с, имеющий порядок 0,1 (см. оценки с в работе [8]).

Приближение (2) правильно передает все особенности двумер­ ного нелинейного переноса по спектру волн и для простого, и для смешанного волнения [8]. При этом точность диффузного при­ ближ ения (средняя ошибка по спектру порядка 3 0 — 50 %) не уступает известным альтернативным приближениям [10].

Данное приближение (2) такж е описывает основные эволюци­ онные эффекты двумерного спектра:

— превышение (от англ. overshoot), — дрейф частоты пика спектра вниз по частотам, — стабилизацию формы спектра.

Поэтому есть основания для предпочтительного использова­ ния именно диффузного приближения в полной численной моде­ ли ветрового волнения. Приводимые далее результаты как раз и оценивают степень его эффективности в целом.

–  –  –

х [exp (-102&) cos (bnzk) R (c / U w) k2 S (a, 0) cos (0)|cos (0)|], где k = a2/ g — волновое число; R (c/U10) — эмпирический обреза­ ющий множитель на низких частотах для высокочастотной на­ качки Планта вида [10 ] R (c/TJw) = 1,0 - 1, 3 (c/U10f ; (14) с = g / a — фазовая скорость волнового компонента; Е/10 — ско­ рость ветра на стандартном горизонте г = 10 м, которая считает­ ся известной.

и аюхопределены соответствен­ а Параметры интегрирования но нижней границей расчетной полосы частот и специально подби­ раемым верхним пределом высокочастотной области спектра волн.

Таким образом, задача определения скорости трения U* (и эффективного параметра шероховатости z0ef) по заданной скорос­ ти U 10 становится замкнутой. Важно, что в данной модели обе эти величины являются функциями состояния волнения, напри­ мер возраста волн А, определяемого соотношением (15) А = cp/ U 10, где ср — фазовая скорость компонента волн, соответствующего пику спектра.

Достоинство данной модели динамического приводного слоя состоит в подходе к оценке турбулентной составляющей потока импульса т', основанном на уравнении (9) и определении коэффи­ циента вертикального перемешивания с привлечением уравнений баланса турбулентной энергии (подробности см. в работе [10]).

Заметим, что в данном случае величина т', так ж е как и величина т", зависит от состояния волнения.

–  –  –

Результаты тестирования модели и заключение Первые принципиально важные результаты настройки моде­ ли приведены на рис. 1—4. Они свидетельствуют об адекватном описании основных эмпирических эффектов развития волнения.

В частности, хорошо воспроизводятся следующ ие эффекты:

Е'

–  –  –

а) линейный закон эволюции энергии волн с разгоном и вы­ ходом на насыщение при больших разгонах (рис. 1);

б) эффект развития спектра волн, включая эффект превыше­ ния (последний выражен весьма слабо, что характерно именно для диффузного приближения) (рис. 2);

в) эффект уменьш ения коэффициента шероховатости г 0 с увеличением возраста волн.А ( г0^ определяется из формулы (12) для логарифмического приводного слоя) (рис. 3);

г) эффект уменьшения коэффициента трения С10 (а значит, и скорости трения 7*) с увеличением возраста волн А (рис. 4).

Отметим, что последние два эффекта можно воспроизвести лишь в моделях с динамическим приводным слоем. В столь яв­ ном виде подобные результаты для расчетных параметров при­ водного слоя приведены впервые. Именно проявление этих эф ­ фектов в численной модели ветрового волнения позволяет судить о правильности заложенных идей в описании динамики привод­ ного слоя.

Сопоставление численных результатов для г 0е/ (А) с эмпири­ ческой зависимостью г 0е/ (А), взятой из работы [9] (рис. 5), показало хорош ее качественное соответствие теории и эксперимента.

Приведенные детали описания модели позволяют дать трак­ товку эффектов динамики приводного слоя. Основная причина указанных эффектов связана с понижением уровня хвоста спект­ ра на высоких частотах при увеличении возраста волн. Это при­ водит к уменьшению волновой части потока импульса к волнам, что в свою очередь и определяет требуемое поведение параметров приводного слоя г 0е( и [/* с увеличением возраста волн в соЯ (/) т * т * з 0,3 Г=О »*= 1,8 + 05 Г = 3,7Я + 05 (* = 7,5 + 05 * = 1,3 + 05 <

–  –  –

20/(),0,5 Рис. 3. Зависимость нормированной эффек­ тивной шероховатости г0/( )0,5 от обратного возраста волн /*/ср.

Сплош ная линия — сте­ пенная аппроксимация.

–  –  –

влияют на значения указанных параметров. Окончательный вы­ бор о тах требует более детального сопоставления теории с экспе­ риментом по многим зависимостям.

Дальнейшая доработка модели планируется в направлении более качественного соответствия численных и эксперименталь­ ных зависимостей для всех приведенных эффектов, а такж е для ряда других более тонких эффектов зависимости параметров при­ водного слоя атмосферы от стадии развития волнения. Полное исследование свойств модели будет проведено на основе тестовых расчетов по известной методике с привлечением системы наибо­ лее информативных тестов, предложенной в монографии [2].

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Е ф и м о в В. В., П о л н и к о в В. Г. Численные эксперименты по моделиро­ ванию ветрового волнения / / Океанология. — 1985. — Т. 25, № 5. — С. 725—732.

2. Е ф и м о в В. В., П о л н и к о в В. Г. Численное моделирование ветрового волнения. — Киев: Н аукова думка, 1991. — 240 с.

3. З а х а р о в В. Е., С м и л г а А. В. О квазиодномерных спектрах слабой турбулентности / / ЖЭТФ. — 1981. — Т. 81, № 4. — С. 1318—1326.

4. Л а в р е н о в И. В. Математическое моделирование ветрового волнения в пространственно-неоднородном океане. — СПб.: Гидрометеоиздат, 1998. — 500 с.

5. М а т у ш е в с к и й Г. В., К а б а т ч е н к о И. М. Объединенная параметри­ ческая интегральная модель ветрового волнения и ее применение / / Метеороло­ гия и гидрология. — 1991. — № 5. — С. 4 5 —50.

6. П о л н и к о в В. Г. С пектральная модель третьего поколения / / Изв. АН СССР. Серия ФАО. — 1991. — Т. 27, № 8. — С. 867—878.

7. П о л н и к о в В. Г. Исследование нелинейных взаимодействий в спектре ветровых волн: Дис.... д-ра физ.-мат. наук. — Севастополь, 1995. — 271 с.

8. П о л н и к о в В. Г. Обоснование вывода и свойства диффузного прибли­ ж ени я для нелинейного кинетического интеграла / / Изв. РАН. Серия ФАО. — 2001. — Т. 37, № 3.

9. D r e n n a n W. М., K a h m a К. К., Donelan М. A. On Momentum Flux and Velocity Spectra over W aves / / Boundary-Layer Meteorology. — 1999. — Vol. 92. — P. 489—515.

10. Komen G. et al. Dynamics and Modelling of Ocean W aves / / Cambridge U niversity Press. — London, 1994. — 532 p.

11. M a k i n V. K., K u d r y a v t s e v V. N. Coupled sea su rface-atm osphere m odel. P t. 1. W ind over waves coupling / / J. Geophys. R es. — 1999. — Vol. 104, N C4. — P. 7613—7623.

12. P l a n t W. J. A relationship Between W ind S tress and wave Slope / / J.

Geophys. Res. — 1982. — Vol. 87. — P. 1961—1967.

13. S n y d e r R. L., D o b s o n F. W., E l l i o t t J. A., L o n g R. B. A rray m easurem ents of atm ospheric pressure flu ctu atio n s above surface g rav ity waves / / J. Fluid Mech. — 1981. — Vol. 102. — P. 1—59.

14. T h e S W A M P group. Ocean wave modeling / / Plenum press. — N. Y. & L., 1985. — 256 p.

15. Z a k h a r o v V. E. et al. Conceptually new wind wave model / / The W indD riven A ir-Sea Interface. Proc. ASI-99. — Sydney, A ustralia, 1999. — P. 159—164.

16. Z a k h a r o v V. E., P u s h k a r e v A. D iffusion Model of Interacting G ravity W aves on the Surface of Deep Fluid / / N onlinear Processes in Geophysics. — 1999. — N 6. — P. 1—10.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСП ЕРИ М ЕН ТАЛЬН Ы Е

И ССЛ ЕДО ВАН И Я ГИ ДРО М ЕТЕО РОЛО ГИЧЕСКИХ

И Ф И З И К О -Х И М И Ч Е С К И Х П Р О Ц Е С С О В

МНОГОМЕРНЫЙ СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СВЯЗНЫХ

ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ

–  –  –

УДК 551.465 Приведены особенности применения методов многомерной статистики для анализа связных пространственно-временных гидрометеорологических полей, рас­ сматриваемых к ак элементы различных функциональны х пространств. В целях сниж ения мерности исходной информации использованы ортогональные разло­ ж ени я, коэффициенты которых — зависимые случайные величины. Д ля описа­ ния специфики пространственно-временных связей использованы канонические переменные (главные компоненты, канонические корреляции, ф акторные н а­ грузки). Во избежание мультиколлинеарности соответствующие им базисные фун­ кции определены к ак реш ения уравнений Фредгольма II рода при помощи про­ екционны х методов. Степень тесноты межэлементных связей системы случай­ н ы х п о лей х а р а к те р и зу ю т ф у н к ц и и м н о ж еств ен н о й, час тн о й, усл о вн о й, канонической корреляции и когерентности. Рассмотрена модель многомерной динамической системы случайных полей в пространстве состояний. Д ля согла­ сования с данными текущ их наблюдений использована процедура калмановской фильтрации.

Введение

Гидрометеорологическим полям (атмосферного давления, ско­ рости ветра, ветрового волнения, температуры и солености морс­ кой воды, морских течений) присуща пространственно-времен­ ная и межэлементная связность, обусловленная зависимостью м еж ду их значениями Е = {^} в различных точках г (х, у, г) пространства в моменты времени t.

Наличием многомасштабной (межгодовой, сезонной, синоп­ тической и внутрисуточной) изменчивости обусловлена нестационарность гидрометеорологических процессов, а разнообразие дей­ ствующих факторов приводит к пространственной неоднородности полей (стратификации приводного слоя атмосферы и морской воды, движению барических образований в атмосфере и синопти­ ческих вихрей в океанах и морях).

Следовательно, математичес­ кое ож идание т Е (г, #), дисперсия н (г, ) ковариационная функ­ ция К Е (г, р,, т) и спектральная плотность (со, г, ?) являются функциями нескольких переменных:

— координат г, — времени t, — частоты со, ^ — пространственного (р) и временного (т) сдвигов.

При каждом значении этих переменных (•) можно предста­ вить в виде многомерного вектора:

–  –  –

Основной вероятностной моделью для анализа гидрометеоро­ логических данных [19] является случайная функция г| (г, г), характеризуемая математическим ожиданием тЕ (г, ) = М [г| (г, t, и)], (3) и ковариационной функцией К ц (г, р, t,т) = М [г|° (г, ш) -Г|0 (г + р, Ь + х, н)], (4) где М [ • ] — оператор математического ожидания (осреднения по ансамблю реализаций, пронумерованных индексом и), Л° ( *) = л ( ) - » «, ( • ).

На примере трех взаимосвязанных полей: 1) атмосферного давления р (г, ), 2) скорости ветра V (г, ) и 3) ветрового волнения С (г, 4) легко убедиться в том, что операции суммирования и умно­, жения в (3) и (4) подлежат конкретизации в силу специфики по­ лей р (), V (• ), С (•), имеющей место при каждом значении (г, 4):

, — поле давления р (•) является скалярной величиной;

— поле V ( • ) — векторная величина, зависящая от градиента скалярного поля р (•);

— поле ветрового волнения, вычисляемое по полю V ( • ) через уравнение баланса волновой энергии [16], представлено частот­ но-направленным спектром в (со, 0, •), где со — частота, 0 — на­ правление распространения.

Следовательно, только для р ( • ) выражения (3) и (4) не требу­ ют комментариев.

Для V ( • ) операцию сложения в (3) проводят по «правилу па­ раллелограмма», а операцию умнож ения в (4) понимают как пря­ мое (тензорное) произведение; тогда т^ ( • ) — вектор, а (•) — диадный тензор [20].

Для поля волнения С ( ' ) роль функции Т (г, ) играет частот­ ] но-направленный спектр (со, 0, •), т. е. только при фиксирован­ ных значениях (со, 0 ) интерпретация пг8 ( • ) и К 8 ( • ) очевидна.

2. Снижение мерности вероятностных характеристик

Анализ величин тц (•) и К ц (•) из-за их многомерности при­ водит к необходимости конкретизировать модель случайной функ­ ции Г (г, ). Одним из наиболее действенных приемов, приводя­ ) щ их к снижению мерности вероятностных характеристик, явля­ ется представление функции г| (г, в виде г) (г, *) = Ъ а н (*) % (г), (5) Л где а к — коэффициенты, ср ( • ) — базисные функции.

А В качестве (рА(г) используют собственные функции интеграль­ ного уравнения [18]:

I К (г, р) ер, (р) ё р = Хк ер (г), * (6) Р где Хк — собственные числа.

При таком выборе базиса, называемого естественными орто­ гональными функциями (ЕОФ), коэффициенты а к в (5) не коррелированы м еж ду собой, а собственные значения Хк равны диспер­ сиям этих коэффициентов; ряд (5) сходится быстро. В качестве примера на рис. 1 приведены первые три ЕОФ полей среднеме­ сячного атмосферного давления над северным полушарием за 19 5 8 — 1998 гг. Они характеризуют процессы различных масшта­ бов и имеют четкие межсезонны е различия.

Несмотря на очевидные преимущества такого базиса, вид функ­ ций 4 (г) достаточно слож ен, а их оценки, вычисленные по вы­ р боркам малого объема, обладают большой выборочной изменчи­ востью. Потому наряду с ЕОФ за базис в (5) можно принять орто­ гональные полиномы \|/А(г), удовлетворяющие условию [3] / V* (Г) V* (Г) Ц (Г) «*г = 5к, (7) (г) где ц. (г) — весовая функция, Ык — норма, 8кв — символ Кронекера, (г) — область ортогональности.

При заданных |1 ( • ), Ык и (г) эти полиномы конструируются однозначно. Три последовательных полинома \|/А \|/л и \|^_2 связа­, _г ны м еж ду собой рекуррентными формулами.

В гидрометеорологии наиболее распространены полиномы П. Л. Чебышева, ортонормированные на конечной системе то­ чек, и полиномы (присоединенные функции) Л еж андра, ортого­ нальные на сфере. Выбор вида полинома существенно зависит от свойств поля, коэффициенты в (5) коррелированы м еж ду собой (что является следствием неоднородности поля), ряд (5) сходится медленнее, чем разложение по ЕОФ. В качестве примера для сред­ немесячного приземного атмосферного давления в табл. 1 сопо­ ставлены доли дисперсии, объясняемой к членами разложения (5), как суммы дисперсий коэффициентов а к, при выборе в каче­ стве базиса в (5) ЕОФ и сферических функций.

Таблица 1

–  –  –

D hj = М [ak ® a;], k,j= l,m, что сниж ает мерность исходных данных и упрощает модель ана­ лиза несмотря на то, что коэффициенты (12) векторно коррелированы м еж ду собой [7].

Для функциональных случайных полей, например поля спект­ ральной плотности морского волнения, одним из действенных способов сниж ения мерности является параметризация [8] S (со, в ) = S (со, 0, S), (14) где S — набор параметров / = 1, k.

В качестве параметров используют спектральные моменты или связанные с ними средние значения элементов видимых волн.



Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |
Похожие работы:

«Приложение к постановлению администрации Нижнегорского района от _ г. №_ АДМИНИСТРАТИВНЫЙ РЕГЛАМЕНТ ПРЕДОСТАВЛЕНИЯ МУНИЦИПАЛЬНОЙ УСЛУГИ "ПРИЕМ ЗАЯВЛЕНИЙ И ВЫДАЧА ДОКУМЕНТОВ О СОГЛАСОВАНИИ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ГРАНИЦ ЗЕ...»

«ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРЕПАРАТОВ НА ОСНОВЕ ГЛУТАТИОНА ДРОЖЖЕЙ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ДИОКСИДА СЕРЫ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ РОЗОВЫХ СТОЛОВЫХ ВИНОМАТЕРИАЛОВ Вступление. Промышленное производство вина предусматривает использова...»

«Целевая прогулка "Деревья" Цель: развитие слуховой и образной памяти, связной речи, фантазии.Задачи: Формировать умение распределять внимание, устанавливать соответствия между предметами; Развивать мелкую моторику,...»

«Gate-Relay-M РЕЛЕЙНЫЙ МОДУЛЬ Паспорт и инструкция по эксплуатации Санкт-Петербург, 2012-2014 Права и их защита Всеми правами на данный документ обладает компания "Равелин Лтд". Не допускается копирование, перепечатка и любой другой способ воспроизведения документа или его части без согласия Об этом документе Настоящее рук...»

«Дайджест космических новостей №156 Московский космический Институт космической клуб политики (21.07.2010-31.07.2010) 31.07.2010 2 Отложен ручной запуск микроспутника Кедр с борта МКС 2 На Нептуне обнаружены...»

«Соковыжималка шнековая RJ-M920S Руководство по эксплуатации A1 5 ON REV 10 УВАЖАЕМЫЙ ПОКУПАТЕЛЬ! Благодарим за то, что вы отдали предпочтение бытовой технике REDMOND. REDMOND — это качество, надежность и неизменно внимательное отношение к потребностям клиентов. Надеемся, что вам понравится продукция компании...»

«ПАХЛЕВАНЯН ВОЛОДЯ ГНЕЛОВИЧ Улучшение качества и профилактика осложнений электрокоагуляции при оперативных вмешательствах на паренхиматозных органах брюшной полости (экспериментально-клиническое исследование) Диссертация на соискание ученой степени кандидата...»

«Занятие 8. Эффективные методы решения творческих задач. Часть 1. Каждая проблема имеет решение. Единственная трудность заключается в том, чтобы его найти. Эвви Неф План занятия: 1. Необходимость специальных методов для решения творческих задач.2. Метод прямой мозговой атаки (мозгового штурма).3. Мето...»

«Jdische Gemeinde Hameln e.V. Mitglied der Union progressiver Juden in Deutschland Mitglied der Weltunion progressiver Juden Mitglied des Zentralrates der Juden in Deutschland Gemeindezentrum: Bahnhofstr. 22, 31785 Hameln Tel/Fax: 05151/925625 www.JGHReform.org Email: jgh@jghreform.org Geschftsstelle: Neue Heerstrae 35 31840 Hess....»

«Трал-Авто Описание устройства Устройство оцифровывает и сохраняет данные с двух аналоговых видеокамер, микрофона и данные с GPS-приемника (при условии, что он подключен). Видеоданные сжимаются алгоритмом MPEG4, аудио информация с микрофона не сжимаются, GPS-данные имеют формат NMEA. Архив сохраняется на устр...»

«УТВЕРЖДЁН Предварительно Советом директоров Открытого акционерного общества "Янтарь" Протокол заседания Совета директоров от 28.02.2006 года. Общим собранием акционеров ОАО "Янтарь" Протокол общего собрания акционеров от 28.02.2006 года. Председатель совета директоров общества _Шандаров В.С. м.п. ГОДОВОЙ ОТ...»

«Т.З. Адамьянц Понимание и взаимопонимание как определяющий фактор построения коммуникативного взаимодействия (Исследования по данной проблематике проводятся в рамках пр...»

«КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА ДЛЯ 5 КЛАССА ПО ТЕХНОЛОГИИ (ДЕРЕВООБРАБОТКА) Вопрос Ответ № 1 Ответ № 2 Ответ № 3 1 Профессии рабочих 1.Плотник 1.Столяр 1.Лакировщик обрабатывающие древесину? 2.Сборщик мебели 2.Сборщик мебели 2.Сборщик мебели 3.Слесарь 3.Плотик 3....»

«Лекция по дисциплине "Профилактика и коммунальная стоматология" Введение в предмет "Профилактика и коммунальная стоматология" Составлена доцентом, 2013 г. к.м.н. Лошаковой Л.Ю. www.tuppum.ru Основная мысль лекции Восстановление утраченного Недопущение здоровья – прямая заболевания – это задача врача. высший пилотаж...»

«Аннотации к рабочим программам учебных дисциплин программы подготовки кадров высшей квалификации в ординатуре по специальности 31.08.32 Дерматовенерология Аннотация к рабочей программе дисциплины "Дерматовенерология"1. Цель изучения дисциплины: подготовка квалифицированного врача-дерматолога, обладающего системой универсальны...»

«УДК 821.161.1-312.4 ББК 84(2Рос=Рус)6-44 А13 Абдуллаев, Чингиз Акифович. А13 Идеальная мишень / Чингиз Абдуллаев. — Москва : Издательство "Э", 2017. — 448 с. — (Абдуллаев. Мастер криминальных тайн). ISBN 978-5-699-98281-3 Счет идет на недели, затем — на дни. Если Дронго не сумеет отыскать в одной из евр...»

«341 Наши авторы Аббревиатуры, используемые в этом номере Abbreviations used in this issue ГИИ – Государственный институт искусствознания GII – State Institute for Art Studies ГИТИС – Государственный институт театраль...»

«Руководство пользователя к клиентской программе Avigilon Control Center™ Core Версия 5.10 © 2006– 2016, Avigilon Corporation. Все права защищены. AVIGILON, логотип AVIGILON, AVIGILON CONTROL CENTER, ACC, HIGH DEFINITION STREAM MANAGEMENT (HDSM), HDSM и RIALTO являются товарными знаками Avigilon Corporation.Другие упомянутые здесь н...»

«Н.А. Тернавский ЭтНоКоНтаКтНЫЕ ЗоНЫ ЭПохи ЭНЕоЛита ЦЕНтРаЛЬНоЙ и СРЕДНЕЙ аЗии (К ПоСтаНовКЕ воПРоСа) Центральная Азия в этногенетическом аспекте неоднородна; процессы, происходившие в этом регионе, были неоднозначнопозитивными и дискретными. Можно говорить о нескольких этноконтатных зонах, существовавших разновременно в Центральной Азии.1. Ю...»

«АННОТАЦИЯ РАБОЧЕЙ ПРОГРАММЫ ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО МОДУЛЯ РАБОЧАЯ ПРОФЕССИЯ 18621 "СОБАКОВОД" Специальность: 35.02.15 Кинология 1.1. Область применения программы Программа профессионального модуля – является частью ППССЗ в соответствии с ФГОС по специальности СПО 35.02.15."Кинология", в части освоения основного вида профессиона...»

«(12) Патент США (10) Патент №: US 6,183,711 B1 Накамото и соавт. (45) Дата патента: 6 февраля 2001 г. (54) АПАТИТОБРАЗУЮЩИЕ СИСТЕМЫ Фалстер и соавт. Физическое исследование МЕТОДЫ И ПРОДУКТЫ воздействия...»

«Гоцъ XLI.^ 1 6 — 31 января 190 5 года. СМОЛЕНСIЯ Ш Р Ш ЈМ IШ ш и Выходятъ два раза въ № 2. Ц'Ьва г о д о ю ау надаиiю мсядъ. 4 р уб. 50 "о п. Э Т Д -Ь Л Ъ Э Ф Ф ЗЕД Х Л Л ЬН Ы Й.В О Ж IЕ IО М И Л О С Т IЮ | І І І Д Р Ј | ; :. Святйшiй Правительствую щ ій Синодъ 'возлюбленныыъ чадамъ святой П рав...»

«Игровое занятие в виде суда "Кто победил в Бородинской битве?" Автор разработки: Клепикова В.В. (сайт egevmeste.ru) Предлагаемый материал представляет собой вариант урока-игры на тему “Бородинская битва”. Урок-суд "Кто...»

«СВЕДЕНИЯ о местонахождении и номерах телефонов участковых избирательных комиссий по выборам депутатов Палаты представителей Национального собрания Республики Беларусь пятого созыва Гомельская область Телефонный код, Номер участка для голосования, место нахождения номера телефонов Брагинский район, Хойникский избирател...»

«Праздник "Здравствуй Школа" Звучит вступительные фанфары (песня):Ведущий: 1.К нашей общей радости, Единою душой Все мы здесь собралися В Церкви дорогой.2.Лето уж кончается, И школа впереди.Пред Богом мы склоняемся: Ты нас благослови.3.Чтобы в учебе первыми Были мы...»

«ISSN 2313-500 Х. Англістика та американістика. Випуск 13. 2016 УДК 811. 112. 2 243: 378. 147 Л. Ф. Пономарёва Л. Ф. Пономарьова L. F. Ponomariova Днепропетровский национальный университет имени Олеся Гончара Дніпропет...»

«Теплица "Агросфера-ТЦ" из оцинкованной стальной трубы предназначена для покрытия сотовым поликарбонатом ПАСПОРТ ИЗДЕЛИЯ www.parnik-sfera.ru www.агросфера.рф длина – 4, 6, 8 м, ширина – 3 м, высота – 2 м Уважаемый покупатель! Благодарим Вас за покупку теплицы "...»

«СВЕДЕНИЯ о местонахождении и номерах телефонов участковых избирательных комиссий по выборам депутатов Палаты представителей Национального собрания Республики Беларусь шестого созыва Гомельская область Номер участка для Фамилия, имя, отчество Телефонный код, го...»

«№ 4(4) август 2009 Все, что нужно знать о рыбе. Вести с морей, с.2 Самые актуальные новости рыбного рынка. Коротко о главном. Россия – рыбная держава?с.5 Итоги первого полугодия 2009г, строим планы на второе. Коптись рыбка большая и маленькая с.9 Все о технологии копчения "Русская семга"с. 13 Все про горбушу Алексей Трофимов...»








 
2017 www.kniga.lib-i.ru - «Бесплатная электронная библиотека - онлайн материалы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.