Многомерный статистический анализ гидрометеорологических полей Балтийского моря

Задача создания справочных пособий по режиму морей, омывающих берега нашей страны, является одной из основных в кругу задач гидрометеорологического обеспечения мореплавания и других видов деятельности, связанных с морем. Она решалась совместными усилиями организаций Госкомгидромета, в результате которых в рамках проекта «Моря СССР» с 1985 по 1995 гг. под общей редакцией Ф. С. Терзиева была подготовлена и опубликована серия монографий «Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР». В нее вошли научно-справочные пособия по гидрометеорологическому и гидрохимическому режиму Баренцева, Белого, Балтийского, Черного, Азовского, Каспийского, Аральского, Японского, Охотского и Берингова морей.

Для Балтийского моря создание практического справочного пособия по региональной океанографии проводилось совместно с проектом «Балтика». Этот проект был направлен на изучение Балтийского моря как единого географического объекта, а его основной целью было создание математической модели экосистемы моря и ее использования для оценки антропогенных воздействий. ГКНТ СССР назначил И. Н. Давидана научным руководителем, а Ленинградское (Санкт-Петербургское) отделение Государственного океанографического института (СПО ГОИН) — головной организацией проекта. С 1983 по 1997 гг. в рамках проекта «Балтика» подготовлен и опубликован цикл монографий «Проблемы исследований и математического моделирования экосистемы Балтийского моря» [44,45].

С начала подготовки пособий по морям СССР СПО ГОИН выступил в качестве организатора унифицированной обработки и анализа натурных данных и предложил в качестве эталона для такого пособия Балтийское море. Балтийское море является наиболее обеспеченным данными натурных измерений элементов гидрометеорологического режима, поэтому двухтомное справочное пособие по режиму Балтийского моря, составленное сотрудниками Санкт-Петербургского отделения Государственного океанографического института [14,15], отличается полнотой содержащейся в нем информации. СПО ГОИН приобрел опыт вероятностного анализа натурных данных как реализаций стационарных, периодически коррелированных, скалярных и векторных случайных процессов.

Методика анализа натурных данных, используемая как в проекте «Моря», так и в настоящей работе, основывается на представлении моря как элемента климатической системы. Климатической системой называется совокупность взаимодействующих между собой и обменивающихся энергией и веществом атмосферы, гидросферы, криосферы, литосферы и биосферы [35]. С точки зрения термодинамики климатическая система представляет собой неизолированную систему, состоящую из взаимодействующих друг с другом и с окружающей средой макроскопических подсистем, каждая из которых обладает чрезвычайно большим числом степеней свободы. Климатом называется статистический ансамбль состояний, проходимых системой атмосфера — океан — суша за промежуток времени в несколько десятилетий. Поскольку состояние системы суть многокомпонентные поля, математически климат определяется как многокомпонентное случайное поле. На основе этого определения климата в работе [46] дано определение режима моря как статистического ансамбля состояний, которые проходит система взаимосвязанных физических, химических и биологических процессов в диапазонах внутрисуточной, синоптической, сезонной и межгодовой изменчивости. Закономерности режима описываются в терминах вероятностных характеристик.

Информационная база океанологических величин, используемая при подготовке справочника [14,15], состоит из результатов натурных измерений на стандартной сети прибрежных гидрометеорологических станций, на отдельных рейдовых станциях, а также на плавмаяках в открытом море. При большом объеме и разнообразии по составу данных натурных измерений для этой информационной базы: подавляющее большинство данных представлены временными рядами океанологических величин в отдельных точках и на отдельных горизонтах, открытые части акватории слабо обеспечены данными, а имеющиеся здесь временные ряды некоторых элементов неэквидистантны.

Полученные результаты представлены в виде таблиц оценок функции и моментов распределения, спектральных характеристик процессов и соответствующих графиков и карт.

На сегодняшний день появилась необходимость в уточнении и дополнении наших знаний о гидрометеорологическом режиме Балтийского моря.

Балтийское море имеет свою специфику. Оно является мелководным (средняя глубина 48 м) внутриконтинентальным шельфовым бассейном с эстуарным типом циркуляции. Водообмен с Мировым океаном, осуществляемый лишь через узкие и мелкие проливы Скагеррак и Каттегат (ведущие в Северное море), замедлен: полное обновление воды может произойти в среднем за 30—50 лет. Эти особенности обусловливают чрезвычайную чувствительность Балтийского моря к антропогенному воздействию. Площадь бассейна Балтийского моря в 4 раза больше площади самого моря и составляет 1,75 млн. км2. Это густонаселенный район с высокой концентрацией промышленности и интенсивным сельским хозяйством. Основные промышленные центры и сельскохозяйственные районы непосредственно приурочены к прибрежной зоне, что еще более усиливает антропогенную нагрузку на море. В связи с назревшими экологическими проблемами был учрежден ряд международных программ по выработке принципов и норм безопасного использования природных ресурсов Балтики. Среди них можно выделить Хельсинскую Конвенцию (HELCOM) по предотвращению загрязнения морской среды Балтийского моря, проект BASYS, направленный на исследование восприимчивости экосистемы моря к внешним воздействиям, программа BALTEX, посвященная анализу и предсказанию глобальных изменений Балтийского региона, связанных с антропогенным воздействием. Однако ни в одной из этих и других программ не ставилось задачи использования данных гидродинамического моделирования в качестве информационной базы для описания гидрометеорологического режима моря.

Актуальность работы.

В подпрограмме 10 Федеральной целевой программы «Мировой океан» «Создание единой системы информации об обстановке в Мировом океане» (ЕСИМО) с 1999 по 2007 гг. запланирована подготовка серии гидрометеорологических компьютерных справочников нового поколения. Задача этой программы — в удобном для пользователя виде представить в электронных справочных пособиях (ЭРСП) результаты исследований гидрометеорологического режима морей. Проект 4 настоящей подпрограммы посвящен подготовке электронного справочника по режиму Балтийского моря.

Подготовка режимных справочников осложнена несколькими обстоятельствами. На сегодняшний день принципиально не изменился состав наблюдений, а их объем даже несколько уменьшился по сравнению с положением на 60−80-е гг. XX в. Многосуточные станции, которые организовывались в рамках специальных экспедиций, и сезонные съемки выполняются эпизодически. В соответствии с Международной Конвенцией по мониторингу Балтийского моря продолжаются сезонные съемки на станциях международного Года Балтики (Baltic Year — BY), но состав наблюдений остается прежним. Наблюдения за уровнем моря на береговых и островных станциях и постах производятся, как и раньше.

В соответствии с таким положением возникла необходимость получения новой, более полной и систематичной гидрометеорологической информации. Это в первую очередь поля метеорологических характеристик, созданные по моделям реанализа с усвоением натурных данных. Во-вторых, это поля океанологических характеристик, рассчитанные по метеорологическим полям.

Различные гидродинамические модели, получившие применение у нас и за рубежом,. активно используются при изучении морских бассейнов, однако систематическое обобщение информации, получаемой при реализации этих моделей, не стало основой для подготовки режимных справочников. Статистический анализ полей гидрометеорологических характеристик в существующих на сегодняшний день справочниках не представлен, поэтому подготовка электронных версий морских справочников имеет 2 тенденции:

• перевести в электронный вид уже имеющуюся в опубликованных справочниках информацию, осуществив ее унификацию и визуализацию;

• проанализировать и обобщить накопленный материал модельных расчетов полей гидрометеорологических характеристик, пользуясь методами многомерного статистического анализа.

В соответствии с обозначенными направлениями работ по составлению справочных пособий Госкомгидромет утвердил 2 очереди приема результатов от организаций-исполнителей. Первая очередь завершилась 2002 годом, использование новых методов обобщения информации не предполагалось. Вторая очередь открылась 2003 годом. Ее новизна состоит во внедрении методов статистической обработки и представления данных более высокого уровня. Настоящая работа является развитием этого второго направления [72,73] на примере полей атмосферного давления, уровня моря, температуры, солености морской воды, концентрации растворенного кислорода в диапазонах межгодовой, сезонной и синоптической изменчивости применительно к Балтийскому морю.

Цель работы — дать статистическое описание характеристик гидрометеорологического режима Балтийского моря по натурным данным и модельным расчетам, пользуясь методами многомерного статистического анализа (МСА), и предложить способы представления обобщенной информации в электронном справочнике.

В названии работы подчеркивается специфика достижения поставленной целисоздание справочника исходя из гидрометеорологической информации, представленной ансамблями полей, на основе многомерного статистического анализа этих ансамблей. Для достижения цели работы были поставлены следующие задачи:

1 Пользуясь результатами реанализа полей атмосферного давления, результатами расчетов по гидродинамической модели и данными натурных наблюдений создать ИБ для подготовки разделов компьютерного справочника Балтийского моря по режиму атмосферного давления, режиму уровня и термохалинной структуре вод.

2 Выбрать вероятностные характеристики для описания режима Балтийского моря, исходя из характерных особенностей гидрометеорологических полей и специфики исходных данных, и обосновать выбор методов их статистического оценивания.

3 Адаптировать имеющийся и создать новый пакет прикладных программ (ППП) для обработки используемых данных.

4 Выполнить MCA полей атмосферного давления, уровепной поверхности и вертикально-неоднородных полей гидролого-гидрохимических характеристик с целью их типизации.

5 Представить полученные результаты анализа в компактной и наглядной форме для помещения их в электронный справочник по режиму Балтийского моря.

Научная новизна:

• По данным двух массивов реанализа атмосферного давления дано статистическое описание полей атмосферного давления в области северо-запада Европы (Скандинавский полуостров, Балтийское море) с учетом их пространственной неоднородности. В справочнике по Балтийскому морю (Гидрометеорология., 1992 г.) закономерности годовой и сезонной изменчивости атмосферного давления даны по нескольким временным рядам в отдельных точках побережья, а также по данным разрозненных судовых наблюдений в открытом море. Синоптическая изменчивость не рассматривалась.

• С помощью гидродинамического моделирования создан ансамбль полей уровня Балтийского моря в узлах регулярной сеточной области в синоптические сроки за 16 лет (1979;1994 гг.), выполнено систематическое описание режима уровня для всей акватории Балтийского моря в терминах статистических характеристик в сезонном и межгодовом диапазонах изменчивости и дано соответствующее районирование моря. В справочнике по Балтийскому морю (Гидрометеорология., 1992 г.) закономерности колебаний уровня рассматривались лишь по временным рядам среднемесячных значений в прибрежной зоне моря. В открытом море оценка положения уровенной поверхности и ее изменчивости не рассматривалась, модельные расчеты и спутниковые данные не привлекались.

• На основе статистических взаимосвязей основных гидролого-гидрохимических параметров дана классификация вод Балтийского моря. В справочнике по Балтийскому морю (Гидрометеорология., 1994 г.) стратификация вод рассматривалась экспертно отдельно по каждому из параметров Т, S, р, Ог уравнения состояния, хотя эти переменные являются связанными не только между собой, но и с другими гидролого-гидрохимическими элементами водных масс. Предложенная классификация (Т, S, р, Ог) базируется на статистическом анализе связного четырехпараметрического неоднородного по вертикали и по горизонтали и нестационарного по сезонам поля.

• Предложены разделы компьютерного гидрометеорологического справочника Балтийского моря по режиму атмосферного давления, режиму уровня и термохалинной структуре вод для помещения его в сеть Internet.

На защиту выносятся следующие положения работы:

1. Закономерности пространственно-временной и межэлементной связности океанологических и метеорологических полей Балтийского моря с учетом их нестационарности и неоднородности.

2. Аппарат многомерного статистического анализа позволяет учесть пространственную связность гидрометеорологических полей, описать их пространственно-временную изменчивость и дать оценку межэлементной связности процессов и полей.

3. Результаты МСА многолетнего ансамбля гидрометеорологических полей Балтийского моря, созданного на основе модели общей циркуляции атмосферы с усвоением натурных данных и расчетов по гидродинамической модели, для описания режима моря.

Практическая значимость работы. В результате исследований оценена пространственно-временная изменчивость положения уровенной поверхности в открытых частях акватории Балтийского моря, дополняющая результаты прибрежных наблюдений. Эта информация является необходимой для безопасного осуществления хозяйственно-экономической деятельности на берегах Балтики, функционирования шельфовых сооружений и мореплавания. Произведенная классификация вод Балтийского моря на основе статистической взаимосвязи гидролого-гидрохимических характеристик будет учтена при организации и осуществлении экологического мониторинга моря в рамках подпрограммы ЕСИМО. Составлены разделы электронного справочника по атмосферному давлению, уровню, термохалинному режиму при выполнении проекта 4 подпрограммы ЕСИМО ФЦП «Мировой океан».

Личный вклад автора. Автором рассчитан массив полей уровня Балтийского моря на основе реанализа метеопараметров для многолетнего интервала в узлах регулярной сетки в синоптические сроки. Создана ИБ в виде системы полей и временных рядов для подготовки разделов гидрометеорологического компьютерного справочника Балтийского моря по режиму уровня, атмосферного давления и термохалинной структуры вод. Автором разработан ППП для статистического анализа ансамбля гидрометеорологических полей исходя из специфики исходных данных. Проведен статистический анализ ансамбля океанологических и метеорологических полей Балтийского моря и предложена географическая интерпретация полученных результатов.

Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты работы обсуждались: на конференции молодых ученых «Гидродинамические методы прогноза погоды и исследования климата» в Санкт-Петербурге в 2001 г.- на постоянно действующем семинаре «Методы анализа и расчетов океанографических процессов» при океанографической комиссии Русского географического общества в Санкт-Петербурге в 2001 г.- на международной конференции балтийских океанографов (Baltic Sea Science Congress) в Стокгольме, Швеция, в 2001 г.- на конференции по результатам исследований в области гидрометеорологии и мониторинга загрязнения природной среды в государствахучастниках СНГ, посвященной 10-летию образования Межгосударственного совета по гидрометеорологии, в Санкт-Петербурге в 2002 г.- на постоянно действующей сессии результатов работы молодых специалистов при СПО ГОИН в Санкт-Петербурге в 2003 г.- на международном семинаре по Океанографии среди аспирантов (Summer School for PhD students on Oceanography) в Виго, Испания, в 2003 гна 5-ой Российской научно-технической конференции «Современное состояние и проблемы навигации и океанографии» в Санкт-Петербурге в 2004 гна международном симпозиуме по Балтийскому морю (USA-Baltic International Symposium) в Клайпеде, Литва, в 2004 гна конференции «Challenger Conference for Marine Science MS 2004» в Ливерпуле, Великобритания, в 2004 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, 8 из которых — в соавторстве.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложения. Объем диссертации составляет 140 страниц, включая 31 рисунок, 19 таблиц и 3 приложения.

Список литературы

составляет 85 наименований, в том числе 29 на иностранных языках. Приложения, которые представляют собой рекомендуемый автором вариант справочных материалов, включенных в ЭРСП, содержат 32 рисунка.

В заключение работы приведем основные выводы диссертации:

1. Для описания режима Балтийского моря как статистического ансамбля состояний, которые проходит система взаимосвязанных физических, химических и биологических процессов в диапазонах внутрисуточной, синоптической, сезонной и межгодовой изменчивости, необходимо использовать не только обобщенные натурные данные в виде системы временных рядов, но и данные в виде системы полей, полученной на основе реанализа метеорологической информации и модельных океанологических расчетов. Модель (2.1), использующая данные реанализа атмосферы в качестве входной информации, учитывает лишь некоторые из факторов, определяющих положение уровенной поверхности Балтийского моря, поэтому для получения достоверного ансамбля состояний уровенной поверхности на основе модельных расчетов требуется привлечение данных натурных наблюдений за уровнем, как контактных, так и бесконтактных.

2. Характерной особенностью гидрометеорологических процессов и полей является их пространственная, временная и межэлементная связность. Для ее статистического описания необходимо использовать как одноточечные моменты) и), так и двухточечные К^(Г, р, t, x). Из-за многомерности этих характеристик для их оценивания требуется применять методы МСА, а для представления результатов этого анализа использовать ЕОФ, ККК, старплоты и другие. Разложение полей атмосферного давления и уровня на естественные ортогональные функции позволило оценить качественно и количественно их собственную пространственно-временную структуру. Эта структура с 90%-м приближением для давления и 84%-м приближением для уровня описывается тремя первыми собственными функциями. Пространственное распределение первой ЕОФ давления отражает крупномасштабную изменчивость, определяемую узлами поля давления, а распределение второй и третьей — зональными и меридиональными различиями. Максимум пространственной связности поля уровня приходится на открытую часть моря. Многомерный статистический анализ (T, S,0) подтвердил ранее предложенную в [14,15] типизацию водных масс Балтийского моря. Сочетание методов многомерного регрессионного анализа, канонических корреляций и кластер-анализа (в z, t, l-TexHHKax) позволяет статистически обосновать эту типизацию и открывает дальнейшие перспективы по увеличению количества привлекаемых для классификации элементов (например, рН, РО4-Р, NO3-N). Применение аппарата ДА к коэффициентам биортогональных разложений (3.16) позволяет утверждать о различии режима (T, S,0) в трех характерных районах Балтийского моря: Арконской впадине,.

Южной Балтике (Борнхольмекая впадина), Центральной и Северной Балтике (Готландская, Северная, Ландсортская впадины).

3. Закономерности пространственно-временной изменчивости гидрометеорологических полей проявляются через изменение пространственных ареалов вероятностных характеристик временной изменчивости. Для описания этих закономерностей требуется использовать модель не только ПКСП (процессов), но и ПКСП (полей). Это обобщение модели требует учета характерных особенностей пространственно-временной ритмики. В работе показано, что для атмосферного давления и уровня моря компонентный метод оценивания вероятностных характеристик хотя и приводит к сжатию информации, но не дает наглядной картины. Когерентный метод для этих полей предпочтителен. Анализ полей оценок одноточечных моментов показал, что неоднородность полей атмосферного давления и уровня обусловлена пространственным различием синоптической изменчивости и ее сезонной модуляции, выражающейся в перераспределении градиентов средних и стандартных отклонений по районам и сезонам. Пространственное различие и сезонная модуляция синоптической изменчивости определяются совместным влиянием центров действия атмосферы: их пульсацией и миграцией в течение года. Пространственная перестройка поля атмосферного давления в течение года выражается в изменении его от слабоградиентного в теплый период к структуре с широтно-ориентированными изобарами с повышенным градиентом, направленным на север, в холодный период. При смене сезонов пространственная перестройка поля уровня выражается в усложнении топографии уровенной поверхности, смещении зон пространственных экстремумов и увеличении интенсификации колебаний уровня при переходе от лета к зиме.

4. Вероятностная неоднородность термохалинной структуры и связанных с ней гидрохимических показателей приводит к необходимости сочетания компонентного и когерентного подходов. В работе это достигается путем представления одноточечных и двухточечных моментов пространственно-временной структуры элементов термохалинного режима моря в одно-, двухи трехмерном виде, а также путем разложения пространственно-временных полей гидролого-гидрохимических характеристик (с учетом их вертикальной неоднородности и годовой ритмики) по моно-и биортогональному базису.

5. Синоптическая изменчивость гидрометеорологических полей проявляется в форме возмущений, математической моделью которых является импульсное случайное поле (ИСП). Эти импульсы для поля атмосферного давления имеют вид движущихся барических образований (Zn, Az) — для поля уровня моря — вид штормовых нагонов, сейш, волн Россби. Годовая ритмика проявляется в виде периодической модуляции вероятностных характеристик ИСП. В работе было показано, что синоптическая изменчивость полей атмосферного давления, уровня моря и вертикального поля температуры воды наиболее существенна в холодное время года. Синоптическая изменчивость поля уровня, максимальная в заливах, существенна также в открытых частях моря. Для разделения синоптической и межгодовой изменчивости температуры воды необходимо оперировать с оценками энтальпии элементов вертикальной стратификации. б. Использование новых видов информации (атмосферный реанализ, данные гидродинамического моделирования, спутниковая альтиметрия) приводит к необходимости их сопоставления как друг с другом, так и с традиционными натурными данными. В работе эта задача решалась на основе сопоставления оценок вероятностных характеристик уровня моря, полученных по ансамблям прибрежных наблюдений, модельных и спутниковых данных. Было показано, что данные модельных расчетов и прибрежных наблюдений приемлемы для оценки колебаний уровня в диапазоне изменчивости от синоптического до межгодового, а результаты спутниковых альтиметрических измерений позволяют оценить колебания уровня с периодом более 20 суток и выявить локальные аномалии уровенной поверхности, не воспроизводимые с помощью гидродинамического моделирования.