Введение к работе
Актуальность темы. Особенности структуры термодинамических полей крупнейшего в Европе пресноводного Ладожского озера определяют в значительной степени его экологическое состояние и возможности рационального использования.
Знание особенностей протекания термодинамических процессов в разных частях озера позволяет выявить закономерности их воздействия на условия жизнедеятельности гидробионтов, наметить пути преодоления негативного влияния антропогенной нагрузки и более рационально использовать заложенный Природой огромный потенциал Ладожского озера.
Изучение структуры термодинамических полей Ладожского озера необходимо прежде всего для понимания процессов ответственных за формирование показателей качества вод. Сроки наступления, продолжительность свободной конвекции и стратификации, определение степени заглубления и границ перемешанного слоя играют одну из важных ролей в распределении химических и биологических параметров.
Сегодняшние знания термики крупных озер основываются на усилиях нескольких поколений исследователей по ее изучению. Пристальное внимание к термическому состоянию и его значение для Ладожского озера прослеживается в работах А.П. Андреева (1875), Ю.М. Шокальского(1901), а в своей работе, актуальной и сегодня, И.И. Молчанов (1945) раскрыл основные черты термической структуры озера. Закономерности распределения температуры воды, исследования термического бара, элементы теплового режима крупных озер Мира выявили исследования А.И. Тихомирова (1968, 1982, 1985), М.Н. Шимараева (1997), Е. Bennett (1978), W. Schertzer (1987). Результаты исследований разномасштабных динамических явлений, происходящих в озерах, приведены в работах Н.Н. Филатова (1983, 1991). Представления о процессах формирования гидрофизических полей Ладожского озера даются в работах А.Ю Тержевика и А.М.Крючкова (1982, 1987). Особенности термического режима и пространственно-временной неоднородности полей, новые подходы в изучении озер с использованием дистанционных методов и цифровых батиметрических моделей обсуждаются в работах М.А. Науменко и С.Г. Каретникова (1989, 1994, 1996, 1998, 2003).
Необходимым этапом развития современной лимнологии является сохранение накопленных многолетних материалов и их представление в виде специализированных баз данных. Значительный объем имеющихся натурных наблюдений за гидрометеорологическими и термодинамическими параметрами Ладожского озера позволяет использовать их при анализе изменений окружающей среды в связи с происходящими глобальными вариациями климата. Представляет значительный интерес получить новые знания о распределении гидрофизических характеристик и связанных с ними термических и динамических процессов, основываясь на современных компьютерных методах обработки данных. Особое значение приобретают ере днемного летние, ежесуточные пространственные
распределения температуры воды на различных горизонтах, их статистические характеристики и пространственно-временная изменчивость для оценки процессов синоптического масштаба. Таким образом, актуальность темы диссертации обусловлена необходимостью развития представлений о распределении гидрофизических характеристик и недостаточной изученностью изменчивости сезонной структуры термодинамических полей Ладожского озера. Исследования актуальны не только для познания термодинамических процессов Ладожского озера, но и представляет интерес для его экологического моделирования.
Цели и задачи исследования. Цель настоящей работы - выявить особенности сезонного цикла изменчивости термодинамических полей Ладожского озера, крупного димиктического пресноводного озера Европы, на основе созданной специализированной базы данных.
Для достижения цели диссертации были сформулированы и решены следующие задачи:
- сбор архивной лимнологической информации с начала инструментальных
измерений на Ладожском озере с 1898 года;
планирование, организация и проведение натурных наблюдений (за температурой воды и сопутствующими гидрофизическими характеристиками) с экспедиционных судов на Ладожском озере с 1988 года по настоящее время;
разработка и создание компьютерной базы гидрофизических данных Ладожского озера для сохранения информации о температуре воды с сопутствующими гидрометеорологическими параметрами в едином удобном для обработки формате;
- разработка подходов и создание программных инструментов для анализа
изменчивости термодинамических параметров различных районов озера и
построение пространственных распределений температуры воды на различных
горизонтах на основе статистических методов;
- анализ и оценка возможных климатических вариаций температуры
поверхности воды в Ладожском озере на основе собранных данных.
Объект исследования: Ладожское озеро, самое крупное в Европе пресноводное димиктическое озеро.
Предметом исследования являются особенности изменчивости сезонной структуры термодинамических полей Ладожского озера.
Научная новизна и основные положения, выносимые на защиту:
Впервые созданная гидрофизическая база данных по Ладожскому озеру позволила проводить исследования на качественно новом уровне, расширить и уточнить наши знания о процессах, происходящих в нём.
Установить различия между лимническими районами в распределении
термодинамических характеристик, доступной потенциальной энергии, в сроках наступления, продолжительности свободной конвекции и стратификации, а также оценить вариации теплосодержания и температуры воды для экстремально холодного и экстремально теплого года.
Разработать методики и получить среднемноголетние, ежесуточные распределения температуры воды и их статистические характеристики на поверхности и горизонтах 20 и 50 метров.
Оценить климатические тренды температуры поверхности воды глубоководного района озера.
Практическая значимость работы. Результаты, представленные в работе, выполнены по темам Института озероведения РАН: 1991-1995 г. г. «Экспериментальные и теоретические исследования тепло-массопереноса в озере с учетом процессов в пограничных слоях», 1996-2000 г. (Гос. per. №01.9.70004025) «Исследования термогидродинамических процессов в прибрежной зоне большого озера», 2001-2005 г. (Гос. per. №01.200.11.2573) «Изучение гидрологических аспектов трансформации энергии и веществ в разнотипных объектах», 2006-2008 г. (Гос. per. №01.2.00611272) «Изучение пространственно-временной изменчивости характеристик внутриводных гидрологических процессов под влиянием гидрометеорологических факторов», а также ряда хоздоговорных работ. Эти результаты применялись при решении народно-хозяйственных задач и проблем, связанных с рациональным использованием Ладожского озера в водохозяйственных целях, при определении мест водозаборов, размещении и разработке научно-обоснованной стратегии рыбохозяйственного использования озера. Результаты работы входят в качестве гидрологического блока в модели водных экосистем и являются основой для прогноза сезонных изменений гидрохимического и гидробиологического режимов Ладожского озера. Полученные в предлагаемой работе результаты позволили оптимизировать проведение экологического мониторинга Ладожского озера. Практическое применение полученных результатов при совместном использовании дистанционных и контактных методов исследований позволяет оценивать величины аномалий температурных полей Ладожского озера для конкретных периодов времени. Полученные результаты использовались при создании Атласа Ладожского озера в 2002 году.
Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на итоговых сессиях Ученого Совета, семинарах Лаборатории гидрологии Института озероведения РАН за период с 1998 г. по 2008 г. на II Международном симпозиуме по проблемам Ладожского озера (Йоенсу, 1999), на V конференции "Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежной зоны морей" (Москва, 1999), на III Международном симпозиуме по Ладожскому озеру (Петрозаводск, 1999), на IV Международной конференции по интеграции информационных географических систем (GIS) и моделировании окружающей среды (GIS/EM4) (Banff, Alberta, Canada, September 2-8, 2000), на IV Международном симпозиуме по Ладожскому озеру (Великий Новгород, 2002), на VI Всеросийском гидрологическом съезде (СПб, 2004), на Международной конференции "Экологическое состояние континентальных водоёмов северных территорий" (Архангельск, 2005), на международной конференции "Anthropogenic and natural transformations of lakes" (Щецин, 2007 г.), на научной сессии, посвященной 90-летию кафедры гидрологии суши Санкт-Петербургского государственного университета, (СПб, 2008 г.).
Публикации и личный вклад автора. По теме диссертации было опубликовано 23 работы, в том числе 3 статьи в рецензируемых журналах.
Автор непосредственно участвовал в течение 20 лет в экспедиционных работах по сбору первичной информации, принимал участие в создании базы гидрофизических данных, осуществлял обработку, контроль исходных и архивных материалов. Проводил расчеты термодинамических характеристик для различных районов Ладожского озера, пространственных распределений и климатических трендов температуры воды.
Для реализации поставленных целей было написано несколько программ на различных языках программирования. Автор принимал участие в коллективных исследованиях и совместных публикациях, начиная с этапа обсуждения задач, выбора путей их реализации, разработки методик, обработки результатов, анализа, интерпретации данных и формулировании выводов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения. Общий объем работы составляет 133 страницы машинописного текста, иллюстрирована 50 рисунками и 6 таблицами. Список цитируемой литературы содержит 145 наименований.
Благодарности. Автор выражает искреннюю признательность научному руководителю д.г.н. М.А. Науменко за всестороннюю помощь и поддержку, а также сотрудникам Института озероведения РАН ст.н.с. С.Г. Каретникову и ст.н.с. A.M. Крючкову за помощь в организации и проведении полевых работ, за участие в обсуждении и за полезные замечания. Автор выражает глубокую благодарность команде НИС «Талан» за оказанную помощь при проведении исследований.
