Введение к работе
Актуальность проблемы. Дальневосточные моря являются важной
транспортной артерией и богатейшей промысловой'зонойг Однако,- наличие
сезонного ледяного покрова во многом препятствует эффективному их освоению. Практически все виды хозяйственной деятельности на морях, а также решение ряда задач долгосрочных гидрометеорологических прогнозов на дальневосточном регионе, во многом зависят от знания ледовой обстановки и возможности ее прогнозирования. Последнее диктуется тем, что ледяной покров, образующийся вследствие сложных механизмов взаимодействия атмосферы и океана, в свою очередь существенно влияет на формирование климата и погоды, термического режима вод, изменение течений и другие гидрометеорологические процессы.
Целя и задачи исследования. На основе комплексного исследования изменчивости ледовых условий дальневосточных (Охотское, Японское, Берингово) морей, а также гидрометеорологическго: факторов их определяющих, сформулировать и обосновать научно-практические положения, совокупность которых представляет теоретическое обобщение и решение проблемы гидрометеорологического (ледового) обеспечения морских отраслей промышленности дальневосточного региона.
Для достижения цели последовательно решались следующие задачи:
сформировать архив (на технических носителях) ледовой информации, включающий основные сведения о ледовых условиях па дальневосточных морях за максимально возможный период наблюдений, а также гидрометеорологических факторах, их определяющих;
провести анализ комплекса пространственно-временных связей между ледовыми условиями и факторами, их формирующими;
оценить связность ледовых условий на дальневосточных морях, их пространственную, внутрисезонную и многолетнюю изменчивость;
- разработать и реализовать комплексную схему, включающую набор
физико - статистических и вероятностных моделей для прогноза ледовых
характеристик с заданной заблаговременностью, а также выполнить ряд
экспериментальных расчетов для оценки эффективности полученных моделей.
Методы исследования, В методологическом отношении исследование изменчивости и прогноз ледовых условий дальневосточных морей основывается на представлениях о взаимодействие океана-леданого покрова-атмосферы как единой термодинамической системы с комплексом
прямых и обратных связей. При этом исследования проводились как в пространстве реальных величин, так и вероятностных отношений. В результате реализовывались как физико-статистические, так и вероятностные методы прогнозов.
Обзор и анализ пространственно-временной изменчивости ледовых условий позволил выявить зоны максимальной изменчивости ледовых характеристик, оценить их масштабы и предполагаемый характер формирования, определить возможные периоды заблаговременности.
При разработке прогностической схемы постулировались следующие положения:
ледовые условия на дальневосточном бассейне предсказуемы, что подтверждается наличием так называемых "механизмов заблаговременности" или цепочек связей между различными гидрометеорологическими процессами, одним из звеньев которой является ледяной покров. Эти механизмы выражают как прямую, так и косвенную зависимость отдельных звеньев в цепочке следующих друг за другом явлений в течение определенного времени;
существующие сдвиги во времени между ледовыми, атмосферными и гидросферными процессами позволяют предположить возможность прогноза ледовых характеристик на морях, используя в качестве
предикторов опережающие по развитию группы гидрометеорологических факторов или учитывая внутреннюю цикличность процессов;
- наличие достаточно выраженных связей между ледовыми
процессами,развивающимися на отдельных морях, позволяет предположить возможность исследования и прогноза комплекса ледовых характеристик одновременно для всей совокупности морей дальневосточного бассейна.
Разработка методов анализа и прогноза свелась к задачам исследования разномасштабной изменчивости ледовых условий, выявления системы гидрометеорологических параметров, определяющих эту изменчивость, анализу пространственно-временных связей и определению областей, процессы в которых существенно влияют на ледовые условия как всего региона так и отдельных морей, формулировке прогностического алгоритма, его реализации и экспериментальной проверке.
Исследование общих закономерностей ледового режима показало, что ледовые условия дальневосточных морей отличаются значительной пространственно-временной изменчивостью, формирующейся под влиянием крупномасштабных атмосферных и гидросферных процессов. Основными факторами, определяющими изменчивость ледовых условий на морях, являются характеристики крупномасштабной атмосферной циркуляции, конкретная барическая обстановка и термический режим окружающих вод. Кроме этого существенное влияние, особенно во второй половине ледового периода, оказывает инерция ледовых процессов. Для долгосрочных прогнозов определенное значение могут иметь существующие скрытые многолетние периодичности ледовых процессов, связанные с природными циклами.
Область, термодинамические процессы в которой необходимо учитывать при выработке прогностических рекомендаций зависит от желаемой
заблаговременности прогнозов. При заблаговременности прогнозов до трех декад, как правило, можно ограничиться территорией 100 - 170 в.д., 30-80 с.ш.. С увеличением 'заблаговременности эту область необходимо расширять, и характер атмосферных процессов учитывать уже практически по всему северному полушарию.
Наличие современных быстродействующих ПЭВМ позволило реализовать достаточно полные алгоритмы перебора возможных вариантов при отыскании оптимальной совокупности предикторов и вида прогностической зависимости для последующего прогноза.
Неустойчивость прогностических связей во времени заставляет считать необходимым постоянную корректировку получаемых зависимостей с учетом меняющейся информации. Удовлетворение этого требования приводит к адаптивной схеме прогноза.
Научная новизна исследования. В соответствии с поставленной целью в работе впервые в практике ледовых исследований и прогнозов для дальневосточных морей использован системный подход к данной проблеме, рассматривающий эволюцию состояния ледяного покрова как всей системы морей дальневосточного бассейна в целом, так и отдельных ее составляющих.
Впервые на большом историческом архиве подробно исследуется характер внутрисезонной и многолетней изменчивости ледовых условий, а также проводится оценка синхронных и асинхронных связей между ледовитостями системы дальневосточных морей. Наряду с всесторонним анализом изменчивости ледовитостей морей исследуется статистическая структура полей ледовых элементов (сплоченность, возраст, формы, положение кромки льда и границы тяжелого льда) и делаются выводы, касающиеся причин, формирующих основные особенности этой структуры.
Реализуя принципы системного подхода, был разработан и внедрен прогностический комплекс, позволяющий с единых позиций подойти к прогнозу различных ледовых характеристик, объективно оценить совокупность сформирующих ледовые условия факторов и включающий набор физико-статистических и вероятностных моделей прогноза различных ледовых характеристик с заблаговременностью от одной декады до нескольких лет. Одним из достоинств реализуемых моделей является возможность прогноза в режиме адаптации, что позволяет в какой-то мере учесть нестационарность природных процессов.
Впервые для получения статистических зависимостей при решении задач ледовых прогнозов на дальневосточных морях были использованы различные критерии согласия, реализованные в алгоритмах многоцелевой оптимизации.
Самостоятельный научный и практический интерес представляют также сведения, касающиеся методологии численного представления полей ледовых характеристик на морях , включающие алгоршмы и проіраммьі восстановления пропущенных значений.
Кроме того в работе последовательно обобщены и систематизированы (в виде архива, представленного на технических носителях) наблюдения за ледяным покровом дальневосточных морей с 1960 по1993 гг., а также материалы предшествующих исследований (в виде библиографии).
Выполненные экспериментальные расчеты показали достаточную адекватность прогностических моделей рассматриваемому природному объекту (ледовым условиям дальневосточных морей) и, как следствие, хорошую согласованность прогностических результатов с фактическими величинами, что свидетельствует о перспективности данного направления
исследования и позволяет рекомендовать основные результаты и методики для практического использования.
Решение каждой из этих задач имело самостоятельное научное и практическое значение на различных этапах многолетних исследований автора.
На защиту выносится:
1. Ледовые условия дальневосточных морей находятся в тесной
взаимосвязи между собой и отличаются большой пространстенно-
временной изменчивостью.
2. Эта изменчивость в значительной мере определяется
крупномасштабными процессами, происходящими в атмосфере и океане.
3. Между ледовыми условиями, атмосферными и гидросферными
процессами существуют разнопериодные асинхронные связи, что
предполагает создание иерархической системы прогноза совокупности
ледовых характеристик на дальневосточных морях.
4. Предлагается методология и конкретные, доведенные до
практического внедрения статистические и вероятностные модели прогноза
ледовых характеристик.
5. Методика использования алгоритмов многоцелевой оптимизации при
решении задач ледовых прогнозов.
Практическая значимость работы. Результаты, полученные в работе, имеют важное народно-хозяйственное значение и могут быть использованы при:
а) планировании любых морских операций на дальневосточных морях в
холодный период года;
б) дальнейшей разработке методов прогнозов ледовых и
гидрометеорологических условий;
в) создании и развитии современной системы научно-оперативного
гидрометеорологического обеспечения народно-хозяйственных мероприятий на
дальневосточном регионе;
г) оценке разномасштабной климатической изменчивости ледовых условий
дальневосточных морей;
д) в моделях диагноза и прогаоза погоды и климата дальневосточного
региона, где в качестве составляющих учитывается ледяной покров;
е) для исследования и прогноза ледовых условий на других замерзающих
морях, так как учет региональных особенностей в основном осуществляется
заданием исходных информационных массивов.
Отдельные результаты исследования в настоящее время уже успешно используются в практической деятельности прогностических подразделений гидрометслужбы Дальнего Востока, ТИНРО, СахНИПиморнефть и т.д. Результаты работы вошли в коллективные монографии по гидрометеорологии и гидрохимии дальневосточных морей, в "Руководство по морским гидрологическим прогнозам", а также были использованы при издании гидрометеорологических карт и атласов гадрометеорологических параметров дальневосточных морей.
Личный вклад автора. Основные результаты получены автором лично в процессе его работы над плановыми и инициативными темами. Автором собраны, обработаны и проанализированы имеющиеся материалы о характере ледовых условий на дальневосточных морях и основных гидрометеорологических факторах, их определяющих. Приведены обоснования и реализован рад прикладных программ для исследования и прогноза ледовых характеристик на морях. Все это позволило автору решить поставленные в работе вопросы: детализировать ряд характеристик, обнаружить новые закономерности, предложить ряд методик для прогноза комплекса ледовых
характеристик на морях и дать рекомендации по практическому использованию результатов.
Апробапня работы. Основные результаты выполненных исследований докладывались на научных семинарах и заседаниях Ученых Советов ДВНИГМИ,(Владивосток, 1976-1995 гг), ТОЙ ДВО РАН (Владивосток,1981,1995 гт), на научных семинарах кафедры океанологии ДВГУ (Владивосток, 1980-1988 гг.), на научных семинарах в ААНИИ (Ленинград,1980, 1987, 1995 гг.) и в Гидрометцентре СССР (Москва,1981, 1995), на Всесоюзных конференциях по промысловой океанографии (Калининград, 1979, Владивосток, 1991), на IY Всесоюзной конференции "Мировой океан" (Владивосток, 1983), на Всесоюзном совещании "Ледовые прогнозы и расчеты" (Ленинград,1984), на Всесоюзном совещании "Исследование и рациональное использование биоресурсов дальневосточных и северных морей" (Владивосток, 1985), на Всесоюзной конференции "Морские льды и хозяйственная деятельность на шельфе" (Мурманск, 1989), на Ш съезде сов. океанологов (Ленинград, 1987), на Ш Всесоюз. конф. по проблемам промыслового прогнозирования (Мурманск, 1986),на Международной конференции по Японскому и Охотскому морям (Находка, 1989), на III годовой конференции "PICES" (Япония, Немуро, 1994) и т.п.
В дополнение можно отметить, что за цикл работ в области исследования и прогноза льда на Охотском море в 1982 году автор был удостоин премии Приморского комсомола.
Публикации. По теме диссертации опубликовано свыше 50 работ, в том числе и за рубежом.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения трех глав, заключения и списка литературы, включающего 163 наименования. Объем работы 201 страница, 34 рисунка и 22 таблицы.
