Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Особенности поверхностных течений мирового океана, определенные по дрифтерным данным 30
1.1. Дрифтерные наблюдения в Мировом океане 30
1.2. Компьютерная система хранения, математической обработки, визуализации и анализа дрифтерных данных 40
1.2.1. Общая характеристика системы 40
1.2.2. Описание базы дрифтерных данных 44
1.2.3. Программный комплекс для обработки, визуализации, анализа дрифтерных данных, расчета сеточных полей, статистических характеристик и анимации 51
1.2.4. Примеры средств визуализации и анализа данных 57
1.3. Карты, характеризующие глобальные дрифтерные наблюдения и используемые массивы данных 62
1.4. Карты, характеризующие поверхностные течения Мирового океана, и некоторые глобальные оценки 68
1.5. Особенности поверхностных течений в Северной Атлантике 82
1.5.1. Климатические поверхностные течения в Северной Атлантике 82
1.5.2. Норвежское течение. 87
1.5.3. Северо-Атлантическое, Ирмингера, Северо- и Восточно-Исландское течения 91
1.5.4. Гольфстрим 102
1 1.6. Поверхностные течения в Черном море 105
1.7. Практические приложения системы 108
1.8. Поверхностные течения вокруг японских островов: пути распространения радиоактивного загрязнения вследствие аварий на АЭС "Фукусима-1" 111
Глава 2. Особенности вертикальной структуры и изменчивости течений Мирового океана 117
2.1. Проект "Абиссаль" 118
2.2. Рекомендации разработчикам океанского добычного комплекса 123
2.3. О неизвестных течениях северной тропической зоны Тихого океана 136
2.4. Вертикальная структура низкочастотных течений в районах экспериментов "Абиссаль", "DOMES" и "Полигон-70" 148
2.5. Особенности вертикального профиля кинетической энергии низкочастотных течений в северных тропиках Тихого и Атлантического океанов 153
2.6. О внутригодовой изменчивости интенсивности низкочастотных течений в различных слоях океана 156
2.6.1. Предисловие 156
2.6.2. Эксперимент "Абиссаль" 158
2.6.3. Эксперимент "DOMES" 162
2.6.4. Эксперимент ПОЛИМОДЕ 165
2.6.5. Эксперимент "Полигон-70" 168
2.7. Концепция 170
Глава 3. Разработка и применение методов объективного анализа данных океанографических измерений с целью изучения течений синоптического масштаба 172
3.1. Восстановление синоптического поля скорости на полигоне ПОЛИМОДЕ 172
3.1.1. Предисловие 172
3.1.2. Восстановление синоптического поля скорости на полигоне ПОЛИМОДЕ на основе кусочной полиномиальной среднеквадратичной аппроксимации 174
3.1.3. Тестирование и приложения 181
3.2. Восстановление синоптического поля гидрологической характеристики по данным измерений в нерегулярно расположенных в пространстве точках 187
3.2.1. Предисловие 187
3.2.2. Восстановление синоптического поля гидрологической характеристики путем его последовательных аппроксимаций линейными комбинациями функций, ортогональных на системе нерегулярно расположенных в пространстве точек измерений 189
3.2.3. Тестирование и приложения 200
3.3. Оптимизация размещения точек океанографических измерений 203
3.3.1. Предисловие 203
3.3.2. Погрешности восстановления гидрологических полей и полей их дифференциальных характеристик методом аппроксимации ортогональными функциями 205
3.3.3. Тестирование и приложения 218
2 3.4. Обработка и анализ данных ХВТ 223
3.5. Оценка погрешностей измерений скорости течения и температуры воды с заякоренных буйковых станций 226
3.5.1. Предисловие 226
3.5.2. Расхождения между показаниями измерителей скорости течений различных систем 228
3.5.3. Сравнения измеренных и геострофических вертикальных сдвигов скорости по данным измерений течений и гидрологических измерений 232
Глава 4. Информационные ресурсы и результаты анализа, связанные с измерениями уровня морей 246
4.1. Глобальные наблюдения за уровнем океанов и морей 246
4.2. База данных прибрежных уровенных наблюдений на морях, окружающих Россию 247
4.3. База сведений о реперах и пунктах уровенных наблюдений 253
4.4. Опыт постановки автономного уровнемерного комплекса на острове Гогланд в Финском заливе Балтийского моря 255
4.5. Многолетние изменения уровня моря в Финском заливе Балтийского моря и подтопление Санкт-Петербурга 264
4.6. Вариации расхода течений через Берингов пролив по альтиметрическим данным и влияние на них изменчивости ветров 271
Заключение 273
Новизна работы и основные научные результаты 273
Практическая значимость работы 277
Список использованных источников 281
- Описание базы дрифтерных данных
- О неизвестных течениях северной тропической зоны Тихого океана
- Погрешности восстановления гидрологических полей и полей их дифференциальных характеристик методом аппроксимации ортогональными функциями
- Многолетние изменения уровня моря в Финском заливе Балтийского моря и подтопление Санкт-Петербурга
Введение к работе
з
Актуальность темы диссертации. Исследования течений и уровня Мирового океана, занимающего почти три четверти поверхности Земли, ведутся на протяжении уже столетий в связи с его огромным значением в жизни человечества, в первую очередь, в связи с судоходством, промыслом, добычей минеральных ресурсов и воздействием на населенные береговые зоны.
Максимально детальная информация о течениях и их изменчивости важна для судоводителей и рыбаков, позволяя первым существенно снижать расходы на топливо, а вторым прогнозировать места скоплений промысловых рыб. Такая информация необходима гидробиологам, изучающим миграцию морских организмов, экологам, интересующимся переносом загрязнений и мусора, плавающего в больших количествах на поверхности океанов и морей и имеющего тенденцию скапливаться в зонах конвергенции течений и в береговых зонах, ликвидаторам нефтяных разливов в море в результате аварий на танкерах и нефтяных платформах, создателям океанотехники (например, оборудования для разработки полиметаллических руд на дне океана и подъема их на добычное судно), специалистам по эрозии и намыву берегов, поисковикам жертв морских катастроф, лицам, отвечающим за безопасность отдыхающих в местах купания на море (известен недавний случай 2010 г. гибели на Азовском море шестерых школьников и преподавателя из Москвы из-за очень сильного течения в районе Ейской косы). К этому перечню можно добавить океанографов, климатологов, акустиков, лоцманов, яхтсменов, подводников, военных, специалистов нефтегазовой промышленности и других профессионалов, связанных в своей деятельности с работами в океанах и морях.
Течения переносят водные массы, а с ними тепло и холод из одних районов Мирового океана в другие. От течений зависит климат многих районов земного шара. Теплые атлантические течения и их продолжения обогревают Европу и делают возможным круглогодичную эксплуатацию северных портов.
Не менее важна наиболее полная информация о пространственно-временных изменениях уровня океанов и морей. Начавшееся в последние десятилетия повышение среднего уровня Мирового океана может привести в будущем к катастрофическим последствиям для многих низкорасположенных районов земного шара. В то же время во многих местностях из-за медленных поднятий элементов земной коры, наоборот, происходит понижение уровня моря. Мониторинг и долгосрочный прогноз изменений уровня моря в каждом конкретном месте имеет большое значение для строительства в прибрежных зонах, для осуществления судоходства и т. д. Известно, какой урон экологии и экономике региона, судоходству и рыбному хозяйству принесло долговременное понижение уровня Каспийского моря в конце 1970-х годов.
Знания о краткосрочных изменениях уровня моря важны в связи с явлениями цунами, наводнениями (которые, например, в Финском заливе случаются почти ежегодно), проводкой судов в мелководных бассейнах и под мостами, погрузочными работами в портах (например, в Таганроге имели место случаи, когда из-за резкого понижения уровня моря стоящие у причала суда после погрузки приходилось срочно разгружать). Экстремальные понижения уровня моря представляют опасность для расположенных на берегу моря АЭС (например, в Ленинградской области), которые закачивают морскую воду для охлаждения реакторов, для рыб и их мальков, которые могут погибнуть в образующихся из-за обмеления лагунах, и т. д.
В последнее время научное сообщество пришло к выводу о том, что информации о Мировом океане накоплено все еще очень мало, что о нем известно меньше, чем о космосе, что необходимо более масштабное и глубокое его изучение, включая непрерывный мониторинг изменений течений, уровня, других океанских гидрофизических характеристик. В 1991 г. ассамблея МОК приняла решение о создании постоянно действующей Глобальной системы инструментальных наблюдений за Мировым океаном (ГСНО), реализация которой в настоящее время подходит к концу. В состав наблюдательных
1 МОК - Межправительственная океанографическая комиссия ЮНЕСКО
средств ГСНО входят поверхностные дрифтеры, профилирующие буи АРГО, прибрежные и глубоководные автономные заякоренные буйковые станции (АБС), береговые станции слежения за уровнем океанов и морей, попутные судовые наблюдения, включая измерения температуры верхнего слоя океана с помощью обрывных зондов ХВТ, спутниковые и другие измерения. Важнейшим и первым, недавно полностью реализованным компонентом ГСНО является сеть поверхностных дрейфующих буев или дрифтеров, предназначенных для измерения течений и других характеристик. Каждый день с дрифтеров, уровнемеров и других наблюдательных средств ГСНО идут большие потоки данных, которые следует архивировать, обрабатывать, визуализировать, анализировать, выявлять новые факты и делать выводы.
Появилась возможность слежения за текущим состоянием климата, а также «погодой» всего Мирового океана, составления об этом ежегодных отчетов и ежемесячных сводок с описанием аномалий (что еще совсем недавно представлялось делом далекого будущего). Но чтобы реализовать подобные возможности, предоставляемые ГСНО, требуется наличие методов обработки данных и информационных компьютерных систем (ИС), способных усваивать и обрабатывать потоки гидрофизических данных. Созданные соискателем методы объективного анализа данных океанографических измерений, а также информационные ресурсы (реляционные базы данных, электронные атласы, ИС хранения, обработки, визуализации и анализа данных глобальных дрифтерных наблюдений) отвечают этим современным требованиям и дают возможность получения новых результатов и обобщающих заключений.
Основной целью работы является получение новых знаний о структуре и изменчивости течений и уровня Мирового океана на основе математической обработки, анализа и интерпретации данных океанографических наблюдений.
Для достижения основной цели исследования были поставлены следующие задачи:
Собрать разнообразные массивы исторических и современных данных океанографических наблюдений и наладить постоянное обновление последних свежими данными;
Создать реляционные базы данных для работы с собранными массивами;
Разработать оригинальные методы математической обработки данных наблюдений;
На основе созданных методов и баз данных провести обработку и анализ глобального массива дрифтерных данных, региональных массивов данных, полученных с глубоководных АБС, гидрологических зондов, термозондов ХВТ и береговых уровнемеров. Рассматриваемые пространственные и временные масштабы превышают бароклинный радиус деформации Россби и инерционный период.
Научная новизна работы и результаты, выносимые на защиту
1. Создана информационная интерактивная автоматизированная
компьютерная система хранения, математической обработки, визуализации и анализа данных глобальных наблюдений за поверхностными течениями и температурой в Мировом океане с помощью отслеживаемых со спутников дрейфующих океанографических буев - дрифтеров (ИС "Дрифтеры"). ИС предоставляет по запросам разнообразную графическую и статистическую информацию об измеренных течениях и температуре в поверхностном слое любого задаваемого района Мирового океана.
На основе ИС "Дрифтеры" и собранного массива дрифтерных данных за период с 1979 по 2012 г. получены следующие результаты:
построен ряд новых, не публиковавшихся ранее карт, характеризующих поверхностные течения Мирового океана;
показано, что обширные области слабых средних течений в трех океанах приурочены в обоих полушариях к широте 30 ;
определены области Мирового океана, где течения могут достигать высоких значений скорости;
рассчитана средняя скорость поверхностных течений Мирового океана и средняя температура вод на его поверхности;
уточнены положения течений в Северной Атлантике, в частности, течения Ирмингера;
показана двухструйность и высокая устойчивость Норвежского течения и определены источники его питания;
показано значительное влияние рельефа дна на направления поверхностных течений в северной части Северной Атлантики;
установлено, что сезонная изменчивость скорости Гольфстрима, а также Основного черноморского течения характеризуется двумя максимумами и двумя минимумами в течение года.
-
Получены свидетельства существования в северной тропической зоне Тихого океана трех ранее неизвестных протяженных зональных тропических течений. Одно из них располагается под восточным Межпассатным противотечением и направлено на запад. Два других располагаются соответственно в центральной части западного Северного Пассатного течения и под его южной ветвью и направлены на восток.
-
Предложена научная концепция вертикальной структуры низкочастотных (ниже инерционной частоты) течений открытого океана, состоящая их трех положений (гипотез):
а) Во внеэкваториальных глубоководных районах Мирового океана вдали от
берегов с выраженным крупномасштабным течением в верхнем слое имеет
место трехслойная вертикальная структура поля скорости низкочастотных
течений в силу того, что течения в верхнем, промежуточном и придонном
слоях в основном вызываются и поддерживаются различными
гидродинамическими процессами.
б) Указанным слоям на осредненном за длительный срок (среднегодовом)
вертикальном профиле удельной кинетической энергии (КЭ)
низкочастотных течений в этих районах соответствуют максимумы КЭ.
При этом годовой ход КЭ (интенсивности) низкочастотных течений в
выделенных трех слоях различен и в разных слоях внутригодовые
максимумы КЭ наблюдаются в разное время,
в) Сезоны усиления крупномасштабных течений в этих районах
сопровождаются усилением неравномерности вертикального
распределения КЭ низкочастотных течений, их бароклинизацией. Сезонам ослабления крупномасштабных течений соответствуют периоды баротропизации, в которые вертикальное распределение КЭ по всей толще океана наиболее равномерно. Переход от периода бароклинизации к периоду баротропизации связан с перераспределением энергии между указанными выше слоями и сопровождается перемещением от слоя к слою с задержкой в 2-3 месяца уединенного возмущения в поле КЭ. Это возмущение, проникая в глубинные слои океана, повышает там уровни КЭ низкочастотных течений. Им отчасти можно объяснить существование сравнительно сильных течений на больших глубинах. Благодаря ему сезонные изменения КЭ низкочастотных течений в верхнем и нижнем слоях океана могут происходить в противофазе. 4. Разработан метод восстановления полей гидрологических характеристик по данным измерений в нерегулярно расположенных в пространстве точках, не требующий знания статистических характеристик восстанавливаемого поля. Метод основан на последовательных аппроксимациях восстанавливаемого поля (предполагаемого детерминированным и гладким) сглаживающими поверхностями все более сложного вида. Каждая поверхность представляет собой линейную комбинацию ортонормированных на системе точек измерений базисных функций от горизонтальных координат, коэффициенты которой находятся методом наименьших квадратов по данным измерений. Выведены критерии, которым должна удовлетворять наилучшая сглаживающая поверхность.
На основе разработанного метода рассмотрено влияние расположения точек измерений на точность восстановления полей измеряемой величины и ее дифференциальных характеристик. Выведены формулы, с помощью которых
можно контролировать точность восстановления указанных полей и планировать размещение станций на океанографических полигонах.
Метод интенсивно использовался при планировании и обработке данных крупных океанских экспериментов "Абиссаль" и ПОЛИМОДЕ.
5. Показано, что по сравнению со многими другими городами в
Финском заливе, где подъем земной коры в определенной степени компенсирует повышение уровня моря за счет глобального потепления, Санкт-Петербург в результате оседания находится в наиболее неблагоприятном положении с точки зрения постепенного затопления. Построенная в 2011 г. 25-км дамба для защиты от краткосрочных наводнений вследствие штормовых нагонов не защищает метрополис от этого вида наводнений.
Практическая значимость работы
1. Официальным источником информации в РФ о течениях Мирового
океана до сих пор остается давно не переиздававшийся Атлас океанов, где приведены карты циркуляции вод . Рассчитанные на основе приближенных методов, эти карты показывают весьма упрощенные, схематические, безвихревые картины океанских и морских течений. С помощью созданной соискателем ИС "Дрифтеры" появилась возможность построения более точных и детальных современных карт поверхностных течений на основе данных их прямых измерений с помощью дрейфующих океанографических буев. Следует отметить, что к настоящему времени для многих районов Мирового океана уже накоплены достаточно представительные многолетние массивы таких данных.
Продукция ИС "Дрифтеры" уже не раз использовалась в течение последних 14 лет в различных проектах и для удовлетворения запросов от различных организаций, в том числе правительственных и зарубежных.
В 1999 г. с помощью ИС "Дрифтеры" были обнаружены массовые грубые ошибки в массиве дрифтерных данных (1989-1998 гг.), подготовленном в рам-
Атлас океанов. Серия из 3-х томов: Тихий, Атлантический и Индийский, Северный ледовитый океаны. Министерство обороны СССР. Военно-морской флот, 1974-80 гг.
ках эксперимента WOCE и размещенном на сервере уполномоченного канадского центра архивации дрифтерных данных MEDS , а также на компакт-диске, подготовленном к конференции WOCE-1998 в Галифаксе (Канада). После систематизации и классификации обнаруженных ошибок соискателем был подготовлен доклад, который обсуждался на совещании Комитета по подготовке данных WOCE и был помещен на официальный сервер исполнительного комитета WOCE. В результате обсуждения было принято решение о дополнительной редакции и замене находящихся в открытом доступе на WWW-сервере MEDS дрифтерных данных с учетом сделанных в докладе замечаний.
Подготовленная с помощью ИС "Дрифтеры" информация о поверхностных течениях предоставлялась в 2000 г. для района гибели атомной подводной лодки "Курск" в Баренцевом море, а в 2009 г. - для района падения французского самолета А-330 в тропической Атлантике. В 2002 г. ИС "Дрифтеры" использовалась для удовлетворения запроса МИД РФ о вероятности переноса нефтяных загрязнений в северной части Тихого океана поверхностными течениями от американского побережья Аляски в сторону российской Камчатки, а в 2011 г. - для определения путей распространения с поверхностными течениями и вероятности достижения российских берегов радиоактивного загрязнения вследствие аварий (после удара цунами) на АЭС "Фукусима-1".
Исходя из опыта работы, соискатель рекомендует иметь в морских подразделениях МЧС РФ наготове сигнальные буи (способные при дрейфе в море передавать информацию о своем местонахождении по системе спутниковой связи), которые оперативно сбрасывать с самолета в район морской катастрофы для облегчения поиска людей, обломков судов и самолетов, определения направления перемещения загрязнений, в том числе, радиоактивных.
2. Частью упомянутой ИС является клиент-серверная реляционная база дрифтерных данных о скоростях поверхностных течений и температуре воды
3 World Ocean Circulation Experiment (1990-2002 гг.) - эксперимент по исследованию глобальной океанской циркуляции. Ныне ISDM: Integrated Science Data Management.
Мирового океана, размещенная на сервере ГОИН. Эта база данных, а также разработанная соискателем клиент-серверная реляционная база исторических среднемесячных данных об уровне морей, окружающих Россию, входят в состав распределенных баз данных национальной Единой системы информации об обстановке в Мировом океане (ЕСИМО).
-
Разработанная соискателем реляционная база сведений о морских пунктах уровенных наблюдений, включая сведения об уровнемерных устройствах и близрасположенных реперах геодезической сети, представляет собой мобильный информационный ресурс, удобный для сбора и хранения разнообразных сведений (в цифровом, текстовом и графическом виде) во время инспекций уровнемерных пунктов и полевых геодезических работ.
-
Дана экспертная оценка с точки зрения гидрометеорологии и экологии двух отечественных проектов океанского комплекса по добыче полиметаллических конкреций со дна глубоководной области Тихого океана. Приведены аргументы против трубно-гидравлической системы добычи и подъема конкреций, которая разрабатывалась такими организациями, как ЦКБ "Восток", ВНИПИ "Океанмаш", ЦКБ "Океангеотехника", ПО "Южморгеология", Московская горная академия, в пользу лифтовой системы, разработанной в НПО "Энергия". Соискатель выступал с соответствующими докладами на Советах главных конструкторов трубно-гидравлической системы "Урал" в ЦКБ "Восток" (Санкт-Петербург) и ВНИПИ "Океанмаш" (Днепропетровск). Заключительный отчет на эту тему был направлен в Управление ресурсов недр шельфа и Мирового океана Комитета РФ по геологии и использованию недр и в Министерство науки и технологии РФ.
-
Разработанный метод восстановления полей гидрологических характеристик по данным измерений в нерегулярно расположенных в пространстве точках использовался для построения карт полей температуры в районе синоптико-динамического эксперимента ПОЛИМОДЕ. Сто восемь карт температуры, построенных для различных глубин по данным 27 съемок зондами ХВТ, были включены в Атлас ПОЛИМОДЕ, изданный в США в 1986 г.
-
Упомянутый метод позволяет заранее рассчитывать погрешность восстановления полей измеряемой величины и ее производных в зависимости от расположения точек измерений. Это свойство было использовано при планировании конфигурации системы из 13-ти АБС (полигона), поставленной в 1986 г. в период эксперимента "Абиссаль" в Тихом океане.
-
На основе расчетов по разным наборам данных наблюдений даны дополнительные свидетельства в пользу той точки зрения (широко обсуждавшейся в 1970-80 гг.), что применение АБС с поверхностным поддерживающим буем как платформы для измерений приводит к систематическому завышению измеряемого модуля скорости течения, в то время как температура воды и направление течения определяются удовлетворительно.
-
Разработанную при участии соискателя технологию постановки и запуска в эксплуатацию автономных необслуживаемых уровнемерных комплексов, которые в автоматическом режиме передают данные измерений по каналу сотовой связи на FTP-сервер, а с него на персональные компьютеры конечных пользователей, можно рекомендовать для использования при постановках в пунктах береговых наблюдений, включая пункты, расположенные в труднодоступных, малонаселенных, плохо обустроенных, замерзающих морских регионах. Установленный под руководством соискателя уровнемерный комплекс на труднодоступном о-ве Гогланд в Балтийском море успешно передает с 2007 г. информацию об уровне моря в Северо-Западное управление гидрометеослужбы - информацию, которая используется при прогнозе невских наводнений.
Достоверность полученных результатов обеспечена: использованием инструментальных данных, прошедших многократный контроль и редактирование; проверкой разработанных методов обработки и анализа данных в многочисленных тестовых экспериментах; согласием результатов, полученных с использованием различных методов и данных; сопоставлением с результатами, полученными другими авторами.
Апробация диссертации. Результаты, описываемые в диссертации,
докладывались соискателем на семинарах Государственного
океанографического института, Института океанологии РАН, Института физики атмосферы РАН, Гидрометцентра России, Морского гидрофизического института, Летнего теоретического института ПОЛИМОДЕ (Ялта, 1976), Национального института океанографии (Дона Паула, Индия, 1989 и 1997), а также на конференциях в России (Терскол, 1980; Севастополь, 1984 и 1985; Солнечногорск, 1986; Светлогорск, 1992; Санкт-Петербург, 2007), США (Гонолулу, 1990 и Сан-Антонио, 2002), Австрии (Вена, 2003), Бельгии (Остенде, 2007), Испании (Гижон, 2008), Эстонии (Таллинн, 1984, 1990, 2006 и 2008), Нидерландах (Дельфт, 2009), Малайзии (Лангкави, 2010), Франции (Ницца, 2003 и Париж, 2009 и 2011), Великобритании (Плимут, 2013).
Публикации и личный вклад соискателя. По теме диссертации опубликовано 127 научных трудов соискателя, из них 64 без соавторов; 15 публикаций - в журналах из списка ВАК. За исключением 8 работ (Никитин, Тареев, 1971а, 19716, 1972; Дикий, Никитин, 1975; Heinmiller et al, 1982, 1983; Cherniawsky et al, 2004, 2005), в работах с соавторами постановки задач были сформулированы соискателем; им же собственноручно были написаны и тексты соответствующих публикаций, а также в немалой степени проведены расчеты. Результаты, полученные в упомянутых 8 работах, не входят в число научных результатов, выносимых на защиту.
Соискатель являлся руководителем многих ведомственных и договорных тем, национального проекта «Абиссаль» (1991-1995 гг.), 4-х грантов РФФИ, содиректором международного проекта НАТО «Анализ риска наводнений в Финском заливе и в Санкт-Петербурге» (2006-2009 гг.). С 2003 г. соискатель является официальным представителем РФ в Группе национальных экспертов по сотрудничеству в использовании океанографических буев для сбора данных, а с 2011 г. - официальным представителем РФ также и в Группе национальных экспертов по глобальным наблюдениям за уровнем моря. Обе группы входят в
состав совместной технической комиссии МОК-ВМО по океанографии и морской метеорологии.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения и списка использованных источников из 278 наименований. В ней содержатся 312 страниц, включая 4 таблицы и 102 рисунка.
Благодарности. Большую помощь соискателю в разработке программных средств, использованных им для получения ряда описываемых в диссертации результатов, а также в работе с исходными данными наблюдений оказали в разные годы СЮ. Касьянов, К.Г. Виноградова, М.Э. Первухина, Ю.Я. Элькен, А.О. Ашевский, Г.В. Музыка, Н.В. Григорьева, В.В. Лежнев, А.О. Жуковская, СП. Апухтина, O.K. Назарова, СР. Цветцих.
Описание базы дрифтерных данных
Реляционная база данных измерений скорости течений и температуры воды в Мировом океане была спроектирована с целью удобства хранения и управления глобальным историческим массивом данных, поиском и выборкой информации, а также для контроля и редактирования данных. При разработке БД предварительно была определена совокупность основных сущностей БД, их атрибутный состав и построена концептуальная информационная модель. При разработке логической модели БД с целью сокращения избыточности хранимых данных была применена обычная методология нормализации отношений (основных сущностей, представленных в виде таблиц БД). Как известно, нормализация - это разбиение таблицы на две и более с целью удаления из нее повторяющихся данных путём их переноса в новые таблицы. В итоге проведенной нормализации был определен окончательный состав основных сущностей и прописаны структурные связи между ними. В качестве инструментария для разработки логической схемы описываемой БД на этапе проектирования было применено кэйс-средство ERwin с использованием нотации Entity-Relationship.
БД измерений скорости течений и температуры воды в Мировом океане, логическая схема которой представлена на рис. 13 (Никитин и др., 2005), изначально проектировалась для работы с разнообразными данными о скоростях течений, включая данные измерений, полученные с помощью акустических профилографов течений ADCP, буев ARGO и АБС. Однако в настоящее время эта БД используется для работы только с данными дрифтерных наблюдений за течениями и температурой в поверхностном слое Мирового океана.
На рис. 13 сущности предметной области изображены в виде прямоугольников, внутри которых помещается список атрибутов (т.е. отдельных специфических черт или свойств) данной сущности. Независимые сущности (основной ключ которых состоит из атрибутов, не принадлежащих более никакой другой сущности) изображены прямоугольниками с острыми углами. Зависимая сущность (основной ключ которой содержит атрибуты из других сущностей) изображена в виде прямоугольника с округлёнными углами. Атрибуты, составляющие основной ключ сущности (Primary Key), в том числе кластеризованный, как у сущности Drifter Data, находятся выше горизонтальной черты. Ниже располагаются неключевые, зависимые от ключа атрибуты. Прерывистыми линиями изображены связи атрибутов внешних ключей, мигрирующих из родительской сущности, отмеченной белым кружком, в ключевые или неключевые атрибуты дочерней сущности, отмеченной черным кружком (идентифицирующие зависимости). Внешние ключи помечены литерами FK (Foreign Keys); они соответствуют первичным ключам, мигрирующим из родительской сущности в атрибуты дочерней сущности. Кластер дрифтерных данных состоит из таблиц DrifterData, Drifter и EqPropValue.
В показанной на рис. 13 логической схеме БД отражены в качестве сущностей реквизиты различных организаций, каталоги данных, профилированные по методам наблюдений и организациям, описания представлений данных наблюдений и их форматов, описания видов наблюдений, характеристики и идентификационные номера оборудования, используемого для наблюдений, хранилище данных наблюдений, профилированное по видам наблюдений, оборудованию и географическим координатам, а также специфические данные измерений, полученные посредством дрифтеров.
С точки зрения оптимизации выполнения запросов к БД "Дрифтеры" большое значение имеет выбор правильной стратегии индексирования. Наиболее критичными по времени выполнения являются запросы к таблице с дрифтерными данными, объём которой в 2012 году достиг 26 млн. строк и при дальнейшем пополнении будет составлять десятки млн. строк. Наиболее часто выполняемые к этой таблице запросы можно отнести к одной из следующих категорий или к их комбинации:
Выборка данных, относящихся к каким-либо дрифтерам по их идентификационным номерам;
Выборка дрифтерных данных для заданного участка Мирового океана;
Выборка дрифтерных данных для заданного временного интервала.
Кроме указанных запросов возможны запросы, построенные на соединении атрибутов из различных таблиц, а также когда критерии выборки основаны на значениях данных о скоростях или температуре. Для оптимизации запросов, относящихся к первой категории, используется кластеризованный индекс, включающий идентификационный номер дрифтера. Запросы, относящиеся ко второй категории, оптимизируются как с помощью первичного ключа, так и с помощью индексируемых полей Year# и Month#. Хотя эти колонки являются избыточными, они упрощают формирование запросов по этим критериям. Для оптимизации запросов по заданным координатам используются индексы по полям Latitude и Longitude.
В настоящее время происходит изменение модели данных БД "Дрифтеры", поскольку за время эксплуатации появились соображения по ее оптимизации, а также в связи с тем, что относительно недавно появился новый источник для получения данных. Дрифтерные данные распределены по новым таблицам "BuoyStatus", "BuoyType", "Buoylnventory", "Experiment" и "KrigData". Планируется создать два ьсластера дрифтерных данных, обслуживающие отредактированные данные из категории "delayed mode", а также квазиоперативные, неотредактированные данные океанографических наблюдений из категории "realime", которые с недавнего времени стали еженедельно выкладывать на французском FTP-сервере проекта Coriolis (www.coriolis.eu.org). Разработано соответствующее программное обеспечение, которое позволяет выполнять функции по загрузке данных в БД "Дрифтеры" из файлов проекта Coriolis, которые представляются в формате NetCDF.
Проект базы данных первоначально был реализован в среде системы управления реляционными базами данных (СУБД) Microsoft SQL Server. Этот сервер баз данных работает на основе операционной системы Microsoft Windows и имеет пользовательский графический интерфейс администрирования. Следует отметить высокие эксплуатационные качества СУБД MS SQL Server в сочетании с относительно низкими затратами на внедрение и эксплуатацию (особенно по сравнению с СУБД типа Oracle или DB-2). Высокий уровень интеграции с продуктами семейства Microsoft Office и наличие широкого набора программных интерфейсов обеспечивает возможность быстрого создания клиент-серверных и Интернет приложений. Однако Microsoft SQL Server является коммерческим продуктом и требует получения лицензии, поэтому впоследствии был осуществлен перевод БД "Дрифтеры" на сервер ГОИН в постреляционную СУБД PostgreSQL 9.1 на базе ОС Linux Red Hat, являющимися некоммерческими продуктами.
Архитектура СУБД PostgreSQL позволяет использовать БД "Дрифтеры" в клиент-серверной моде, допускает многопользовательский режим. СУБД PostgreSQL ориентирована на протокол TCP/IP - это может быть локальная сеть или Интернет. Клиентские приложения можно разрабатывать в удобной для пользователя среде Windows. Посредством ODBC-драйвера можно работать с БД, размещенной в PostgreSQL, используя офисные программы Microsoft Access и Excel. Существенно, что лицензионного разрешения на использование СУБД PostgreSQL не требуется. В то же время, по своим возможностям СУБД PostgreSQL, разрабатываемая в настоящее время группой Интернет-разработчиков, может успешно конкурировать со многими коммерческими СУБД.
Для работы с текущей версией 9.1 PostgreSQL, инсталлированной на сервере ГОИН, используется штатный графический интерфейс pgAdmin третьего поколения (релиз pgAdmin III v. 1.4.0), который должен быть установлен в среде Windows на клиентском компьютере пользователя БД "Дрифтеры". К сожалению, pgAdmin III (в отличие от pgAdmin II) не содержит мастера импорта данных и ввод массовой информации в БД "Дрифтеры" в настоящее время выполняется посредством СУБД Access. При этом необходимость соблюдения ограничений - внешних ключей - накладывает ограничение на порядок ввода данных в таблицы БД "Дрифтеры". Сначала данные вводятся в родительские таблицы, а потом в дочерние.
Вывод информации из БД "Дрифтеры" осуществляется посредством интерфейса pgAdmin III. Взаимодействие с серверной программой (postmaster PostgreSQL), которая непрерывно работает в ожидании подключения клиентов и выполняет от их имени заданные действия с базами данных, размещенными в СУБД PostgreSQL, осуществляется через локальную сеть ГОИН по протоколу TCP/IP посредством ODBC-драйвера psqlODBC. После подключения к программе postmaster PostgreSQL с помощью интерфейса pgAdmin III можно создавать, просматривать, изменять или удалять различные объекты БД "Дрифтеры" (рис. 14); с помощью SQL-запросов производить выборки подмассивов дрифтерных данных, получать различные справки и статистические сведения о данных и метаданных.
Более подробное описание БД "Дрифтеры" и работы с ней содержится в документации по этой БД (Никитин, 2007а, 20076, 2007в, 2007г, 2007д), доступной на сайте ВНИИГМИ-МЦД. Получены свидетельства о государственной регистрации БД "Дрифтеры" (Никитин, 2010, 2012).
На начало 2013 г. массив данных глобальных дрифтерных наблюдений за поверхностными течениями Мирового океана, загруженный в БД "Дрифтеры", охватывал период с 15 февраля 1979 по 31 декабря 2012 г. и насчитывал 26085045 записей скорости течений, полученных с 17028 дрифтеров. Со времени завершения в октябре 2005 г. строительства глобальной сети наблюдений за поверхностными течениями Мирового океана с помощью дрифтеров, как подсистемы ГСНО, ежегодное пополнение БД "Дрифтеры" составляло от 1,4 до 1,9 млн. записей.
О неизвестных течениях северной тропической зоны Тихого океана
Полученные по проекту "Абиссаль" материалы экспедиционных исследований были рассмотрены также с чисто океанографической точки зрения (Никитин, Первухина, 1987, 1989; Никитин, 1990а, 19906, 1995в, 1996а, 1997, 1998, 1999; Никитин, Ашевский, 1995; Никитин, Касьянов, 1995; Никитин, Филиппов, Касьянов, 1995; Nikitin, 1992, 1994, 1995, 1996а, 19966, 1996в).
В процессе анализа данных диссертантом было обращено внимание на систематическое проявление в районе эксперимента "Абиссаль" на одних и тех же широтах (5-8, 10-13, 14-17 с.ш.) узких (шириной 100-200 км) струй неизвестных безымянных зональных течений. Они обнаруживались на меридиональных гидрологических разрезах и среднемасштабных гидрологических съемках, а также фиксировались прямыми измерениями скорости течений с АБС (Никитин, 1995в; Никитин, Касьянов, 1995; Nikitin, 1998). На рис. 69 изображена интегральная карта меридиональной структуры зональных геострофических течений, рассчитанная по данным 18-ти меридиональных гидрологических разрезов, которые были выполнены в рамках проекта "Абиссаль" в северо-восточной части тропической зоны Тихого океана в области 131-133 з.д., 5-20 с.ш. (Никитин, 1995в). Географическое расположение этих меридиональных разрезов (отнесенных к долготе 133 з.д.), а также среднемасштабных гидрологических съемок, выполненных в рамках проекта "Абиссаль", показано на рис. 70. Там же показано расположение двух других разрезов, описываемых в настоящем разделе, и изображены векторы скорости среднемноголетних поверхностных течений, рассчитанные по дрифтерним данным за период 1979-2012 гг. с помощью ИС "Дрифтеры".
Изображенные на рис. 69 тихоокеанские течения в верхнем слое хорошо известны - это Северное пассатное течение (СПТ) и Межпассатное противотечение (МПТ). СПТ состоит из двух ветвей, северной (сСПТ) и южной (юСПТ). При этом согласно рис. 70 воды Калифорнийского течения вливаются в сСПТ, а разворачивающиеся воды МПТ - в юСПТ.
Следует отметить согласованность карты средних поверхностных течений в Тихом океане (рис. 70), построенной по дрифтерным данным, с приведенной на рис. 69 картой геострофических скоростей. Совпадают не только широтные положения основных течений - сСПТ, юСПТ и МПТ, но и наблюдается соответствие по их силе. Согласно рис. 69, геострофические скорости в ядре МПТ вдвое выше геострофических скоростей в ядре юСПТ, а последние вдвое выше геострофических скоростей в ядре сСПТ. Похожее соотношение наблюдается на разрезе по 133 з.д. и для средних скоростей этих течений по дрифтерным данным.
Упомянутые безымянные течения обозначены на рис. 69 как ТІ, Т2 и ТЗ. Течения ТІ и Т2 - подповерхностные, располагаются под термоклином ниже 200 м. "Двухярусное" течение ТЗ проявилось также и на поверхности (как геострофическое). Течение ТІ направлено на запад, а течения Т2 и ТЗ - на восток. В работе (Никитин, 1995в) в предварительном порядке было предложено называть ТІ Тропическим подтермоклинным течением, Т2 -Тропическим подтермоклинным противотечением и ТЗ - Межструйным тропическим противотечением. Течение ТІ также можно трактовать как противотечение, поскольку оно направлено противоположно МПТ.
Согласно картам геострофических скоростей, построенным для индивидуальных разрезов, положение и интенсивность течений Т1-ТЗ значительно изменялись от одного разреза к другому. Временами не только течение ТЗ, но и течение Т2 выходило на поверхность, расчленяя юСПТ на две части. Временами некоторые из течений Т1-ТЗ отсутствовали или, напротив, были представлены в виде двух-трех тонких струй. Тем не менее, поскольку все три течения Т1-ТЗ проявились на карте осредненных по данным 18-ти разрезов течений (рис. 69), то их следует квалифицировать именно как течения, а не как случайные проявления синоптических вихревых образований, хотя, возможно, что они генерируются и поддерживаются синоптическими вихрями (как периферийные интенсификации на границах пар циклон-антициклон), которые постоянно наблюдались в рассматриваемой области в периоды гидрологических съемок эксперимента "Абиссаль" (Никитин, Касьянов, 1995).
В верхнем квазиоднородном слое (ВКС) помимо геострофической сильна также дрейфовая составляющая поверхностного течения. Поскольку для ТЗ эти составляющие имеют разные знаки и дрейфовая может превалировать, отнюдь не факт, что ТЗ может проявиться при анализе прямых измерений поверхностных течений. Однако в 52-ом рейсе НИСП "Георгий Ушаков" (февраль 1989 г.) диссертанту удалось зафиксировать такое проявление путем анализа данных о дрейфе судна в периоды выполнения гидрологических станций на меридиональном разрезе (Никитин, 1989в). На рис. 71 представлена реализация распределения векторов скорости поверхностных течений на разрезе по 133 з.д. - данных, полученных с помощью спутниковой навигационной системы "Транзит".
Вектор поверхностного течения определялся по разности вектора суммарного дрейфа и вектора дрейфа судна за счет воздействия ветра. Коэффициент ветрового дрейфа для НИСП "Георгий Ушаков" был принят равным 0,12; при этом полагалось, что чисто ветровой дрейф происходит в подветренном направлении, составляющим угол 60 с курсом судна. Определенные таким образом скорости в поверхностном слое МПТ составили между 8 и 9 с.ш. от 50 до 75 см/с; в СПТ между 10,5 и 16 с.ш. - от 15 до 65 см/с. Векторы скорости с восточной составляющей на 14,5 и 15 с.ш. находились в согласии со знаком геострофических скоростей, определенных по гидрологическим данным.На рис. 70 к востоку от 112 з.д. в окрестности 15 с.ш. в выделенной красным цветом области видно течение восточного направления. Это течение можно идентифицировать как течение ТЗ, которое, эпизодически проявляясь на поверхности океана на долготах эксперимента "Абиссаль", устойчиво выходит на поверхность (как климатическое) на подходе к мексиканским берегам. Далее оно разворачивается и вливается в юСПТ вместе с разворачивающимися водами МПТ (рис. 70). Это течение имеет сезонный ход. Расчеты по дрифтерным данным за период 1979-2012 гг. показали, что оно наиболее выражено и прослеживается к востоку от 119 з.д. вплоть до мексиканских берегов во втором квартале года, когда СПТ наиболее слабое. В четвертом квартале, когда СПТ наиболее сильно, это течение наименее выражено и прослеживается к востоку от 107 з.д. В первом квартале года течение прослеживается от 115 з.д., а в третьем квартале - от 113 з.д.
В истории изучения течений в северных тропиках Тихого океана представленную на рис. 69 карту можно считать второй по репрезентативности картой распределения в меридионально-вертикальной плоскости тропических течений, основанной на богатом массиве данных гидрологических наблюдений. Первая, широко цитируемая карта распределения скорости средних зональных геострофических течений в тропиках Тихого океана была построена Wyrtki & Kilonsky (1984) по данным 17-ти месячного американского эксперимента "Shuttle" - рис. 72. На рис. 73 показана соответствующая ей схема средних экваториально-тропических течений. Положение меридиональных разрезов, выполнявшихся в эксперименте "Shuttle" в полосе 150-158 з.д. с разной на разных долготах протяженностью в меридиональном направлении, на рис. 70 отнесено к 157 з.д.
Представленные на рис. 69 и 72 карты течений очень похожи, что не удивительно, учитывая высокую степень зональности средних поверхностных течений в экваториально-тропической зоне Тихого океана (рис. 70). На рис. 72 СПТ (NEC), как и на рис. 69, состоит из двух ветвей. МПТ (NECC) - согласно рис. 72-73 соединено в едином восточном потоке с Северным Подповерхностным противотечением - СППТ (NSCC) и с течением Кромвелла (UC), под которым залегает Западное экваториальное промежуточное течение -EIC. Некоторые отличия рис. 69 от 72 выражаются в том, что на рис. 69 ядро сСПТ заглублено, а ядро МПТ находится на поверхности, а на рис. 72 ситуация обратная.
Погрешности восстановления гидрологических полей и полей их дифференциальных характеристик методом аппроксимации ортогональными функциями
Будем моделировать измеряемое в момент to на некотором горизонте z0 поле скалярной величины T = T(x,y,z0,t0), например, температуры, суммой детерминированной Т и случайной AT составляющих: Т = Т+АТ. (1)
Систематическую ошибку измерений будем считать известной и исключенной из данных измерений, а случайные ошибки измерений присовокупим к составляющей А Г. Предположим, что совокупные случайные искажения А Г поля Т статистически однородны в области измерений, имеют пренебрежимо малый по сравнению со средним расстоянием h между соседними точками измерений радиус корреляции, дисперсию а2 и нулевое среднее значение.
Представим в области измерений поле Т с некоторой погрешностью г в виде разложения _ p N T{x,y,z0,tQ)=YjAkFk y) + r y) (2) по ортонормированным на заданной совокупности несовпадающих точек измерений (хп,уп), п = \,N, функциям Fk =Fk(x,y), таким, что EF A = V (3) В (3) дк1 - символ Кронекера, a F =Fk(xn,yn). Условимся и далее индексом п (а также ш) обозначать значение той или иной функции в одной из точек заданной совокупности. Суммирование по п (и по т) всегда будем проводить от 1 до N. Функции Fk,k = I, N, можно построить процессом ортогонализации Грама-Шмидта (Корн, 1973) по заданному набору линейно-независимых функций fk=fk(x- y) v і -1 F = Г4! IK1 = лЕ v « v = А " Е F Z F nfk" (4)
Функции fk должны иметь конечную норму на заданной конфигурации точек в смысле второй формулы (4) и упорядочены каким-либо образом (различные упорядочения приводят, вообще говоря, к различным наборам Fk, k = \,N. Предел р суммы в (2) обозначает число функций Fk , существующих на данной конфигурации точек измерений; Ак - неизвестные постоянные коэффициенты, подлежащие оцениванию.
3. Пусть L обозначает единицу или двумерный линейный дифференциальный оператор. Получим выражение для среднего по ансамблю возможных реализаций шума AT в точках (х„, у,) квадрата погрешности восстановления величины LT в произвольной точке области измерений с помощью поверхности (5) с фиксированным числом р базисных функций. Обозначим символом оператор осреднения по упомянутому ансамблю. Согласно условиям, наложенным на случайные искажения А Г,
Средний квадрат (8) можно рассматривать как меру погрешности восстановления поля LT методом аппроксимации ортогональными функциями. Заметим, что если поле Т гладкое, с характерным масштабом много большим среднего расстояния h между точками измерений, то коэффициенты АК с большими индексами к и погрешность г в разложении (2) являются малыми. В таком случае при не слишком малом Р погрешность восстановления поля LT определяется в основном первым слагаемым выражения (8), которое не зависит от данных Tn,N = 1,... N, и определяется величиной а, исходным набором функций fk и конфигурацией точек измерений. Обозначим его через eL и назовем функцию контролируемой погрешностью восстановления поля LT методом аппроксимации ортогональными функциями. Распределение значений функции єь в интересующей нас области Q(x,y) можно вычислять заранее, на этапе планирования измерений, отвергая априори конфигурации, приводящие к большим значениям sL в Q и, следовательно, к низкой точности восстановления полей L Т .
Установим некоторые свойства функции sL .
Свойство 1. Контролируемая погрешность eL восстановления искомого поля LT на фиксированной конфигурации точек измерений монотонно растет в каждой точке (х, у) с увеличением числа р членов аппроксимирующего выражения (5). Это свойство очевидно из (9). Если F\ - полиномы, то можно также сказать, что погрешность sL увеличивается с ростом степени полинома, аппроксимирующего данные TnN = 1,... N.
Свойство 2. Если с помощью поверхности (5) производится интерполяция в какую-либо из точек измерений, то справедливо следующее равенство: єьл(х=х„ У=Уп P=N) = cr. (10)
Действительно, интерполирующая поверхность должна проходить через все точки Тп, поэтому
Свойство 3. Среднее по Лоточкам измерений значение єL=l функции є і=1 является не зависящим от конфигурации точек измерений инвариантом. Действительно, используя (3), (9), имеем
Теоретическая погрешность Sf среднеквадратичной полиномиальной аппроксимации применительно к задаче объективного анализа метеорологических полей впервые рассматривалась Петровым (1969). Вместо (5) использовалась традиционная аппроксимация вида, что поле Т описывается разложением такого же вид (15)
Среднеквадратичные оценки ак, коэффициентов ак в соответствии с методом наименьших квадратов являлись решениями системы нормальных алгебраических уравнений. Дисперсия sj поверхности (14) относительно поверхности (15) была выражена через элементы матрицы, обратной матрице системы нормальных уравнений. В обозначениях настоящей работы Петровым (1968, 1969) рассматривался случай L = 1,р = р,г = 0 , для которого дисперсия sj совпадает согласно (8) с функцией е=1.
Однако выражение погрешности восстановления поля Т через ортогональные функции представляется более предпочтительным. Дело в том, что для плохо обусловленных систем элементы обратной матрицы определяются численно с большими ошибками. Получается, что погрешность Sf в таких случаях сама вычисляется с большой погрешностью.
В то же время известно, что использование ортогональных функций приводит к большей точности при решении плохо обусловленных систем. Эта точность увеличивается, если для численного построения функций Fk используется не классический алгоритм (4), а его модификация (Wellington, 1978).
У Петрова (1968, 1969) в качестве функций fk использовались степенные одночлены вида хаур (a,fi 0- целые числа), упорядоченные последовательным увеличением суммы у = а + р и для каждого значения у таким образом,, чтобы обеспечить большее равноправие по переменным х, у в следовании одночленов /к: fk = J,x,y,xy,x2,y2,x2y,xy2,x3,y\...; к = 1,2,... (16) Петров (1969) доказал, что величина Sf(x,y) не изменится, если масштаб по обеим осям координат будет одинаково изменен. Ограничиваясь далее степенными одночленами в качестве функций /к, обобщим указанное свойство.
Свойство 4. Величина sL=1(x,y) инвариантна по отношению к независимому изменению масштабов по осям х и у. Действительно, легко проверить, используя (4) и (16), что полиномы Fk для нескольких первых значений к, например к = 1,4, не изменяются при замене переменных х=Ях, j =//y(A,// 0). Предположив, согласно методу математической индукции, что указанная замена переменных не влияет на совокупность , полиномов Fk, k = \,j-\, убеждаемся, что она не влияет и на полином Fj. Действительно, поскольку для каждого значения к /к(х,у) = Аа М&/к(х,у), то, согласно формуле ортогонализации (4) и сделанному на шаге к = j - 1 предположению, имеем
Подставляя (17) в формулу нормировки (4), получаем, что Fj(x,y) = Fj(x,y).
Таким образом, имеем по индукции, что все полиномы Fk,k 5, не зависят от изменения масштабов по х и у. Следовательно, согласно (9), и функция sL=l также обладает этим свойством.
4. В отличие от контролируемой погрешности sL=x восстановления поля Т контролируемые погрешности восстановления дифференциальных характеристик поля Т неинвариантны к изменению масштабов по осям координат. Получим свободные от этого недостатка выражения для относительных контролируемых погрешностей. Введем в рассмотрение простейшие конфигурации (рис. 85), каждая из которых состоит из минимально возможного для точечной оценки заданной дифференциальной характеристики величины Т числа точек измерений. Например, для оценки в точке х =у = О
Многолетние изменения уровня моря в Финском заливе Балтийского моря и подтопление Санкт-Петербурга
Собранные, оцифрованные, приведенные к единой системе отсчета, отредактированные и загруженные в БД "Уровень" (раздел 4.2) исторические временные ряды среднемесячных значений уровня были использованы диссертантом в рамках научного проекта НАТО "Анализ риска наводнений в Финском заливе и в Санкт-Петербурге" для определения долговременных трендов уровня моря в Финском заливе (Nikitin, 2008, 2010; Nikitin, Suursaar, 2013). Временные интервалы имевшихся измерений уровня моря на различных активных и закрытых станциях в Финском заливе сильно отличались друг от друга. Кроме того, если данные действующих российских и финских станций имелись по 2008-2010 гг., то эстонские данные ограничивались 1991 г. Был выбран общий период наблюдений на большинстве станций: с 1926 по 1991 г. (66 лет).
Изменения уровня моря в Финском заливе на соседних станциях в высокой степени коррелированы. Поэтому некоторые относительно короткие неполные временные ряды на ряде станций, соответствующие первой или второй половинам указанного периода, были дополнены рядами на соседних станциях с целью получения полных 66-летних рядов, которые были приписаны к так называемым "виртуальным" станциям. Расположение последних было отнесено к середине расстояний между исходными соседними станциями, данные которых объединялись. Карта скоростей линейных трендов уровня моря, рассчитанных для указанного периода времени, приведена на рис. 98. Значения скоростей трендов, заключенные в круглые скобки, получены по данным объединенных рядов на "виртуальных" станциях.
Согласно рис. 98, вдоль северного побережья Финского залива скорости трендов уровня моря изменяются от минус 3 мм/год в западной части побережья (в Турку и Ханко) до плюс 2 мм/год в восточной части побережья (в пункте Лисий нос). Вдоль южного побережья Финского залива скорости трендов уровня моря также изменяются от небольших отрицательных значений на западе (Ristna - Poosaspea) к положительным значениям на востоке (1,9 мм/год в Ломоносове). Однако пространственный градиент скоростей трендов вдоль южного побережья залива примерно вдвое меньше, чем вдоль северного побережья. В восточной оконечности залива, в Санкт-Петербурге (в порту), скорость линейного тренда оказалась наибольшей: 3,3 мм/год.
Поскольку Санкт-Петербург расположен в устье Невы, был рассчитан долговременный тренд ее расхода на выходе в залив. Однако скорость этого тренда в рассматриваемый 66-летний период оказалась статистически неотличимой от нуля (рис. 99). Следовательно, долговременные изменения расхода Невы не являются причиной стойкого повышения уровня моря у Санкт-Петербурга.
Глобальное повышение уровня Мирового океана из-за потепления и таяния ледников должно вносить вклад в повышение уровня воды в Финском заливе, однако оно не объясняет неодинаковость такого повышения в различных пунктах.
Пространственное распределение изображенных на рис. 98 изолиний скоростей трендов уровня моря оказалось качественно соответствующим пространственному распределению изобаз на карте постледникового подъема Северной Европы - карте, построенной на основе модели NKG2005LU Скандинавской геодезической комиссии и имеющей официальный статус (рис. 100).
Поэтому главной причиной для неодинакового в разных пунктах долговременного изменения уровня моря в Финском заливе являются разноскоростные и даже разнонаправленные вертикальные движения земной коры в различных частях залива. В то время как финские берега поднимаются (и тем быстрее, чем дальше от Финского залива и ближе к вершине Ботнического залива), российские берега в районе Санкт-Петербурга, как показали результаты повторных нивелировок вдоль российского побережья Финского залива через Санкт-Петербург и пригороды, опускаются вследствие тектонических и техногенных причин (рис. 101).
При расчете графика на рис. 101 было предположено, что в Ораниенбауме вертикального смещения за рассматриваемый период не произошло. Видно, что скорости изменяются от 1 до 3,3 мм/год и в среднем составляют 2,2 мм/год. Неодинаковость скоростей можно объяснить погрешностями измерений и техногенными факторами - различной нагрузкой от зданий и водопотреблением через скважины.
Климатические изменения температуры воздуха, осадков, испарения, плотности воды, притока и оттока воды через датские проливы, давления на уровне моря, направлений и силы доминирующих ветров в бассейне Балтийского моря также могут влиять на долгосрочные изменения среднего уровня моря в Финском заливе. Относительную роль этих факторов в изменении уровня моря весьма трудно определить, тем более что они связаны между собой (например, повышение температуры воздуха приведет к увеличению испарения, компенсирующего осадки). Однако какими бы ни были причины долговременного изменения уровня Балтийского моря, важно, что он изменяется, как это следует из наблюдений. Согласно построенной карте (рис. 98), наибольший рост уровня моря наблюдается в восточной части Финского залива и особенно в Санкт-Петербурге. Это постепенное повышение уровня моря может привести в будущем к серьезным проблемам в связи с повышением уровня грунтовых вод, созданием заболоченных участков, эрозией берегов, сокращением пляжей и увеличением числа краткосрочных наводнений вследствие штормовых нагонов (Павловский, Митина, 2012; Павловский, Малинина, 2012).
Согласно имеющимся данным по 2011 г. для ряда указанных на рис. 98 пунктов, есть основания полагать, что изображенная на нем карта действительна и для расширенного периода времени: с 1926 по 2011 г., поскольку рассчитанные для него в этих пунктах тренды почти не изменились. Не изменился долгосрочный тренд уровня моря для Санкт-Петербурга (станция Невская-Порт), рассчитанный по 2011 г. включительно: 3,3 мм/год. Хотя это значение близко к результатам, полученным по данным спутниковой альтиметрии для глобального подъема уровня океана (3,1 мм/год за период 1993-2011 гг.), однако в случае Санкт-Петербурга такая скорость повышения уровня моря относится к гораздо более длительному периоду времени (86 лет), чем относительно короткий период (19 лет) альтиметрических наблюдений. Поэтому указанный рост уровня моря в Санкт-Петербурге - не общемировая ситуация. К последней следует отнести опубликованные разными авторами оценки, основанные на наиболее длинных рядах мареографных уровенных наблюдений, согласно которым рост глобального уровня океана в 20 веке составил от 1 до 2 мм/год. Кроме того, существует мнение, что спутниковая альтиметрия завышает рост уровня океана в силу ряда причин (уменьшение со временем радиуса орбиты спутника и др.).
По сравнению со многими другими городами в Финском заливе, где подъем земной коры в определенной степени компенсирует повышение уровня моря за счет глобального потепления, Санкт-Петербург в результате оседания находится в наиболее неблагоприятном положении с точки зрения постепенного затопления. За 86 лет к 2012 г. средний уровень моря на станции Невская-Порт поднялся на 28 см и к 2100 г. поднимется еще на 30 см в предположении сохранения существующей тенденции. Построенная в 2011 г. 25-км дамба для защиты от краткосрочных наводнений вследствие штормовых нагонов не защищает метрополис от этого вида наводнений.
