Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Краткий анализ состояния гидрометеорологического обеспечения безопасности мореплавания на Каспийском море 16-57
1.1. Краткие сведения из истории гидрометеорологического обеспечения безопасности мореплавания 16
1.2. Задачи и современные требования морского гидрометеорологического обеспечения 24
1.3. Гидрометеорологические параметры Каспийского моря, оказывающие влияние на безопасность судоходства 39
1.3.1 Режим ветра Каспийского моря 39
1.3.2 Режим волнения Каспийского моря 46
1.3.3 Непериодические колебания уровня 47
1.3.4 Видимость, туманы 48
1.3.5 Опасные явления, вызванные ледовыми процессами 50
1.3.6 Особенности ледовых условий зимних навигаций на трассах и в портах Каспийского моря 52
1.3.7 Неблагоприятные периоды для судоходства 56
Глава 2. Разработка и создание «Атласа ледовых явлений и образований Северного Каспия и дельты Волги» 58-73
2.1. Анализ ледовой обстановки при обеспечении безопасности морских операций 58
2.2. Репрезентативность и надежность данных существующих атласов ледовых образований Каспийского моря 61
2.3. Создание нового ледового атласа Каспийского моря с применением современных геоинформационных технологий 63
Глава 3. Разработка концепции комплексной системы гидрометеорологического обеспечения безопасности мореплавания на Каспийском море 74-104
3.1 Разработка методики комплексной оценки условий плавания по степени риска под влиянием неблагоприятных факторов 74
3.2 Внедрение и использование современных технологий в решении задач гидрометеорологического обеспечения безопасности мореплавания 92
Заключение 105-107
Библиографический список использованной литературы 108-118
- Краткие сведения из истории гидрометеорологического обеспечения безопасности мореплавания
- Режим ветра Каспийского моря
- Создание нового ледового атласа Каспийского моря с применением современных геоинформационных технологий
- Внедрение и использование современных технологий в решении задач гидрометеорологического обеспечения безопасности мореплавания
Введение к работе
Мореходство на Каспийском море имеет давнюю историю. Уже в конце XVII века в дельте Волги имелся значительный торговый флот, который играл большую роль в торговых связях России с Кавказом, Ираном, Индией и другими странами. Дальнейшее развитие мореходства в этом районе продолжилось в связи с развитием капитализма в России с середины XIX века. С Кавказа в Россию шли нефтекараваны, а из России в южные порты Каспия — большое количество леса, соли и других грузов. В 1878 - 1882 гг. был построен Волго-Каспийский канал, он непрерывно совершенствовался и в настоящее время является основной судоходной артерией, связывающей порты Каспийского моря с портами Черного и Балтийских морей [19].
До начала 90-х годов XX века роль Астраханского транспортного узла, расположенного в северной части региона Каспийского моря и дельты реки Волги, во внешнеэкономической деятельности страны можно было оценивать как крайне незначительную. Морские перевозки между СССР и странами Юго-Восточной Азии осуществлялись в основном из порта Баку. До 2,5 миллионов тонн грузов назначением в Иран ежегодно шли по железной дороге через Азербайджан (Джульфа). Всего в 70-80-е годы на иранском направлении транзитом через территорию СССР перевозилось до пяти миллионов тонн грузов. После событий в Нагорном Карабахе прямое железнодорожное сообщение между СССР и Ираном было прервано. Распад Советского Союза привел к ослаблению торгово-экономических связей. С тех пор Астрахань стала пограничным городом, значение региона в международной торговле стало возрастать. Свою роль здесь сыграла и нестабильная обстановка на Северном Кавказе: вариант доставки грузов в Иран и из Ирана через Астраханский консолидированный транспортный узел оказался более безопасным и сравнительно более выгодным. В настоящее время объем перевозок между Западной Европой и Восточной Азией оценивается в $250 млрд. в год. До 15-ти процентов этих грузов может следовать через Россию: бюджет страны за счет доходов от транзита может ежегодно получать $300млн. Начиная с 90-х годов 20 века все активнее стала обсуждаться возможность создания международного транспортного коридора "Север-Юг". Основное направление: Финляндия — Санкт-Петербург - Москва - Астрахань - Каспийское море - Иран - страны Персидского залива - Пакистан - Индия.
В настоящее время транспортный коридор "Север-Юг" работает преимущественно для обеспечения двусторонней торговли России с Ираном и рядом государств Закавказья, а также между странами Средней Азии и Закавказья.
Всего на линии работают четыре паромных судна ("Кристина" — бывший теплоход "Композитор Даргомыжский", "Композитор Новиков" и "Акварама"), перевозящие нефть и нефтепродукты, металл, пиломатериал, лес, бумагу, контейнеры на экспорт, в Россию и Европу перевозят чай, табак, специи, консервированные продовольственные грузы (томатная паста и др.).
Кроме паромных судов в перевозке грузов участвуют около тридцати судов под российским флагом общим тоннажем 75,0 тысячи тонн и четыре судна под иранским флагом общим тоннажем 10,0 тысячи тонн. В летний период каждое осуществляет два с половиной - три оборота в месяц между Астраханью и иранским портом Энзели; в зимний период - два оборота.
Проведенный экспертами Министерств транспорта России, Индии и Ирана мониторинг позволяет предполагать, что в ближайшие годы объем перевозок может возрасти до 12-15-ти млн. тонн в год [18].
Россия, через которую проходит этот путь, сможет получать свой доход от транзита: по данным Министерства транспорта РФ, он составит от пяти до шести миллиардов долларов. Кроме того, это отвечает коренным национальным интересам России, поскольку в случае реализации данного проекта позволит нашей стране эффективно влиять на геополитическую и геоэкономическую ситуацию в обширном регионе - в том числе и на вопросы, связанные с транспортировкой нефти, добываемой в Каспийском бассейне, Иране и Ираке [4].
в соответствии с планами освоения Каспийских нефтяных месторождений объем добычи нефти в Каспийском регионе к 2010 году может достичь 100 - 120 млн. т. в год, что равняется объему нефтяного экспорта России [52].
Ежегодно увеличиваются морские перевозки. Нефть и нефтепродукты по Каспию возят в самых различньгх, иногда весьма неожиданных направлениях. При перевозке используются суда национального азербайджанского "Каспийского пароходства" (КАСПАР) и казахский "Казмортрансфлот". Активно работают частные компании "Волготанкер", "Палмали", "Аншип".
Идет активная закупка новых судов, но большая часть каспийского флота имеет солидный возраст.
Основная проблема связана с отсутствием единой картины того, что происходит на Каспийском море. Каково качество и техническое состояние плавающих в нем судов? Четкой, своевременной официальной информации о том, что происходит с морскими перевозками на Каспии, как обеспечивается их безопасность, нет. Ситуация усложняется еще и тем, что в каждом из пяти прикаспийских государств — свои особенности. Отсутствие открытой информации на эту тему вызывает тревогу.
Есть ряд стандартных вопросов, касающихся безопасности морских перевозок, особенно таких грузов как нефтяные, на которые должны быть получены ответы.
Когда будет преьфащено использование однокорпусных танкеров, и они будут заменены на более безопасные суда с двойной обшивкой корпуса? Двойная обшивка значительно снижает риск разлива нефти в случае аварий.
При столкновении, посадке на мель повреждается наружная обшивка, а внутренняя, отделенная от наружной на 0,7-1,5 м, как правило, остается целой.
Второй вопрос — техническое состояние судов, особенно старых. Например, танкер "Престиж" в конце концов, просто разломился на две части, потому что после 25 лет эксплуатации толщина бортов и прочность корпуса были уже не те, что в начальный период эксплуатации судна. Понятно, что на старых судах и двигатели, и системы управления судном с большей вероятностью могут выйти из строя.
Третье - навигационное оборудование и системы приема гидрометеорологической информации. Современные суда должны быть оснащены современным оборудованием, позволяющее повысить эффективность и безопасность судоходства, это становится все более важным. Капитан должен принимать решение, не только смотря в бинокль, но и имея возможность использовать самые современные радиолокационные и космические средства навигации и связи. Береговые службы должны контролировать движение судна, хотя бы на наиболее важных и опасных участках маршрутов. Есть ли на Каспийском море система для эффективного управления судоходством на акватории Каспийского моря с правами и полномочиями, распространяющимися на все суда вне зависимости от ведомственной принадлежности? Последствия крупного разлива нефти на Каспии для нашей страны будут зависеть от направления течений, ветра, размеров разлива. Если разлив произойдет в центральной или северной части Каспийского моря, нефть может прибить к российским берегам. Экологические последствия катастроф с танкерами "Престиж", "Эрика" и других, которые произошли в последние годы, хорошо известны.
Северный Каспий является ценнейшей рыбохозяйственной акваторией.
Все знают про черную икру и каспийских осетров. Еще есть каспийские тюлени, миллионы птиц, которые пролетают либо зимуют на различных участках побережья Каспийского моря. Российская часть побережья Каспия представляет собой первоклассные места для отдыха. Нефтяная угроза Каспию связана не только с морскими перевозками. Сейчас и на севере и на юге моря активно реализуются гигантские проекты по добыче нефти со дна моря.
Строятся платформы и искусственные острова, бурятся глубочайшие скважины, чтобы добраться до громадных запасов нефти и газа. Но добыча — очень сложная задача: это огромные давления, высокое содержание ядовитых газов, сложные климатические условия, а на севере Каспийского моря — мелководье и лед, что создает дополнительные сложности и проблемы [78].
Подводя итог сказанному, следует отметить, что значительные геополитические изменения, произошедшие в мире и прикаспийском регионе за последние годы, в корне изменили политическую и экономическую ситуацию в данном регионе. Россия всесторонне укрепляет свое влияние в прикаспийском регионе. Как следствие объем морских перевозок, морских переходов, всего объема мореплавания растет из года в год [21].
Потребность в увеличении объёма специализированного гидрометеорологического обеспечения морской деятельности очевидна. Проводимые в последнее время нефтяными компаниями в мелководной части Северного Каспия поисковые работы по разведке углеводородного сырья требуют также серьезного научного, экологического, технического и гидрометеорологического обеспечения. Анализ имеющихся данных по отраслям экономики показывает, что из общей суммы ущерба, наносимого неблагоприятными погодными условиями, на долю сельского хозяйства приходится 65%, на авиацию
45%, на строительство 38%, в морской деятельности - 68%. Причем предотвратительный ущерб (т.е. тот, который можно предотвратить, используя гидрометеорологическую информацию) по экспертным оценкам отечественных и зарубежных специалистов составляет до 20% от суммы ущерба [102]. Таким образом, эффективность использования гидрометеорологической информации выражается в реальной экономии материальных средств в тех областях производства, где учитываются погодные условия при планировании и организации своей деятельности.
Учитывая то, что прикаспийские страны предусматривают значительное расширение использования природных ресурсов, возрастает и важность гидрометеорологического обеспечения морской деятельности в Каспийском регионе.
Цель работы - разработка концепции комплексной системы гидрометеорологического обеспечения безопасности мореплавания, морских перевозок и проведения операций по добыче и транспортировки углеводородного сырья на акватории Каспийского моря.
Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:
1. Исследование пространственно-временных закономерностей гидрометеорологических характеристик Каспийского моря, влияющих на безопасность мореплавания.
2. Разработка и создание электронного "Атласа ледовых явлений и образований Северного Каспия и дельты Волги" в целях оперативного гидрометеорологического обеспечения морской деятельности в ледовых условиях.
3. Комплексный анализ гидрометеорологических, технических, человеческих факторов с целью выработки интегрированного коэффициента степени риска безопасности мореплавания.
4. Внедрение новых форм и способов представления специализированной гидрометеорологической информации с использованием новых современных информационных и телекоммуникационных технологий для гидрометеорологического обеспечения мореплавания.
На защиту выносятся:
1. Алгоритм совокупного учета и модель оценки влияния совокупных (гидрометеорологических, судовых, человеческих) факторов с целью выработки единого, интегрированного коэффициента степени риска безопасности мореплавания.
2. Структурная модель доведения гидрометеорологической информации на суда в море с использованием новых современных информационных и телекоммуникационных технологий.
3. Электронный "Атлас ледовых явлений и образований Северного Каспия и дельты Волги" и его использование в целях гидрометеорологического обеспечения морской деятельности»на Каспийском море.
Научная новизна работы.
1. Предложена новая схема гидрометеорологического районирования Каспийского моря для точного прогнозирования направления и скорости ветра, конкретизации штормовых предупреждений по основным судовым маршрутам акватории моря.
2. Впервые создан электронный каталог "Атлас ледовых явлений и образований Северного Каспия и дельты Волги".
3. Впервые разработана, испытана и внедрена методика учета совокупного влияния гидрометеорологических, технических и человеческих факторов путем расчета коэффициента степени риска мореплавания, с целью усовершенствования системы помощи принятия решений при управлении силами морского флота.
4. Предложена технология доведения гидрометеорологической информации на суда в море с использованием современных информационных и телекоммуникационных достижений.
Практическая значимость работы.
Испытана и внедрена методика учета совокупного влияния гидрометеорологических, технических и человеческих факторов путем расчета коэффициента степени риска мореплавания. Предложены прогрессивные технологии для совершенствования предоставления гидрометеорологической информации судоводителям.
Апробация работы и публикации.
Диссертационная работа является итогом научных исследований, проведенных автором в период с 2002 по 2005 год. Основные результаты диссертационной работы докладывались: на научно-практическом совещании "Гидрометеорологическое обеспечение хозяйственной деятельности в Арктике и замерзающих морях" (27-29 марта 2002г., г. С-Петербург); на ежегодных итоговых научно-практических конференциях АГУ (с 2003 по 2007гг., г. Астрахань); на Первой Международной научно-практической конференции "Проблемы сохранения экосистемы Каспия в условиях освоения нефтегазовых месторождений" (16-18 февраля 2005г., г. Астрахань); на сборах руководяще. го состава гидрометеорологической службы Военно - Морского флота РФ (декабрь 2006 г., г. С-Петербург); на 11 сессии Координационного комитета по гидрометеорологии и мониторингу загрязнения Каспийского моря (КАСПКОМ) ( 25-26 октября 2006г., г.Астрахань); на второй Международной научно-практической конференции "Проблемы сохранения экосистемы Каспийского моря в условиях освоения нефтегазовых месторождений" (28-30 августа 2007г., г. Астрахань); на VI Международной научно-практической конференции "Международные и отечественные технологии освоения природных минеральных ресурсов и глобальной энергии" (26-28 сентября 2007г., г. Астрахань); на Всероссийской научно-практической конференции "Водные ресурсы Волги: настоящее и будущее, проблемы управления" (3-5 октября 2007г., г. Астрахань).
По теме диссертации опубликовано 15 работ, в том числе в журналах, ре- ' комендованных ВАК - "Естественные и технические науки", "Метеорология и гидрология", "Вестник Воронежского государственного университета". Две работы находятся в печати.
Список опубликованных работ аспиранта Болдырева Б.Ю. по теме кандидатской диссертации "Разработка концепции создания комплексной системы гидрометеорологического обеспечения безопасности мореплавания на Каспийском море":
1. Ветровые волны в Каспийском море // Южно-российский вестник геологии, географии и глобальной энергии. Научно-технический журнал №2, 2003. - Астрахань, издательство Астраханского государственного университета, 2003. 6-10. (соавтор Бухарицин П.И.).
2. Прозрачность вод Каспийского моря // Южно-российский вестник геологии, географии и глобальной энергии. Научно-технический журнал №2, 2003. - Астрахань, издательство Астраханского государственного университета, 2003. 11-15. (соавтор Бухарицин П.И.).
3. Современное состояние и перспективы развития и совершенствования технического, навигационного и гидрометеорологического обеспечения воднотранспортного коридора «север-юг»// Астраполис. Астраханские политические исследования №№ 4-5, 2003.С. 36-38. (соавторы Бухарицин П.И., Беззубиков Л.Г., Куршанова Е.Ю.).
4. Особенности гидрометеорологического обеспечения на Каспийском море // Навигация и гидрография № 17, 2003. - Санкт-Петербург, 2003.
С. 156-160. (соавтор Бухарицин П.И.).
5. Климатическая характеристика и гидрометеорологические условия в холодный период года по Астрахани и Северному Каспию// Вестник Российского университета Дружбы Народов Серия «Экология и безопасность жизнедеятельности» № 2 (12) 2005. 7-11. (соавторы: Андреев А.Н., Болдырев Б.Ю.).
6. Основные задачи по гидрометеорологическому обеспечению на / Каспийском море в современных условиях.// Материалы Первой Международной научно-практической конференции «Проблемы сохранения экосистемы Каспия в условиях освоения нефтегазовых месторождений» (16-18 февраля 2005г., г. Астрахань). Астрахань 2005, - 33. (соавтор Бухарицин
7. Ледовые процессы на Нижней Волге и Северном Каспии зимой 2006/2007гг.// Материалы второй Международной научно-практической конференции «Проблемы сохранения экосистемы Каспийского моря в условиях освоения нефтегазовых месторождений» (28-30 августа 2007г., г. Астрахань). Астрахань, 2007. 26-29. (соавтор Бухарицин П.И.).
8. Использование современных ГИС-технологий в решении задач гидрометеорологического обеспечения безопасности мореплавания// ЮжноРоссийский вестник геологии, географии и глобальной энергии. - №2 (26)/ 2007. Издательский дом «Астраханский университет», 2007. 48-56. (соавтор Бзосарицин П.И.).
9. Использование ГИС в целях обеспечения безопасности мореплавания// Материалы Всероссийской научно-практической конференции: «Водные ресурсы Волги: настоящее и будущее, проблемы управления» (3-5 октября, 2007г., г. Астрахань). Астрахань, 2007. 43-45. (соавторы Шишканова Н.В., Дозорцева Ю.В., Бухарицин П.И.).
10. Использование геоинформационных систем при осуществлении гидрометеорологического обеспечения безопасности мореплавания на Каспийском море (Вестник АГТУ, 2007) (соавторы Шишканова Н.В., Бухарицин
11. Особенности ветрового режима над акваторией Каспийского моря в 2003 году (Вестник АГУ, 2007) (соавторы Андреев А.Н., Бухарицин
12. Гидрометеорологическое обеспечение поисковых работ на шельфе Северного Каспия в зимний период (Вестник АГУ, 2007) (соавторы П. И. Бухарицин, Ю. В. Дозорцева.) - в печати.
13. Особенности ветрового режима Каспийского моря в холодный период 2007/08 г.г.//Вестник Воронежского государственного университета, № Воронеж,2008, (соавторы Ю. В. Дозорцева, А.Н. Андреев)- в печати.
14. Систематизация условий мореплавания по степени риска под влиянием неблагоприятных факторов // Естественные и технические науки//№ 12, Москва, Издательство «Спутник+», 2008, (соавторы Ю. В. Дозорцева)- включен в перечень ВАК.
15. Погодные особенности Каспийского моря в холодный период 2007/08г.г.//Метеорология и гидрология // Москва,2008, №12 (соавторы Ю. В. Дозорцева, А.Н. Андреев)- включен в перечень ВАК. Реализация результатов работы. Основные научные результаты работы реализованы:
• при подготовке материалов научных исследований по теме ЗАО «ЦНИИМФ» «Обоснование возможности расширения района плавания грузовых самоходных судов класса «М-СП»;
• при работе над материалами, по НИР "Создание макета электронного Атласа ледовых явлений и образований Северного Каспия и дельты Волги";
• в практическом применении методики учета влияния совокупных (гидрометеорологических, технических, человеческих) факторов при проведении гидрометеорологического обеспечения сил Каспийской флотилии, что подтверждено соответствующими актами.
Первый раздел диссертации посвящен анализу гидрометеорологических характеристик Каспийского моря, влияющие на безопасность мореплавания.
Проведён анализ ветрового и волнового режимов, уровневого и ледового режимов, течений, температуры, солености и плотности воды Каспийского Во втором разделе рассмотрены этапы создания и практического применения-электронного "Атласа ледовых явлений и образований Северного .
Каспия и дельты Волги".
Третий раздел посвящен разработке методики оценки условий плавания .
по степени риска под влиянием неблагоприятных факторов, которая включает в себя учет гидрометеорологических, технических, человеческого факто- .
ров. Обоснована возможность практического использования модели учета степени риска при проведении гидрометеорологического обеспечения безопасности мореплавания. Автором предложены новые формы и способы представления специализированной гидрометеорологической информации с использованием новых современных информационных и телекоммуникационных технологий.
В заключении изложены основные научные и практические результаты, пол5Д1енные в работе, даны предложения и рекомендации по дальнейшему совершенствованию гидрометеорологического обеспечения безопасности мореплавания в бассейне Каспийского моря.
Диссертационная работа изложена на 118 страницах текста, иллюстрируется 16 рисунками, 1 схемой, включает 9 таблиц и список цитируемой литературы из 106 наименований.
Краткие сведения из истории гидрометеорологического обеспечения безопасности мореплавания
Предсказание погоды - это всего лишь одна из многих составляющих деятельности метеоролога, хотя, несомненно, потребителю она известна лучше остальных. Вообще то, задача науки метеорологии - это изучение атмосферных процессов во всем их многообразии, изучение взаимодействия атмосферы с другими сферами Земли, выяснение причин возникновения различных явлений в атмосфере.
В процессе практического использования метеорологических сведений выделялись и продолжают выделяться некоторые прикладные отрасли метеорологии. Важнейшие из них - сельскохозяйственная метеорология, авиационная метеорология, космическая метеорология, морская метеорология, медицинская метеорология и др.
Для человека, находящегося на капитанском мостике, всегда полезно знать погоду и состояние моря, которые ожидают его впереди. Метеорологическая информация всегда имела жизненно важное значение для обеспечения -безопасности и эффективного функционирования морских отраслей промышленности, особенно транспорта и рыболовного промысла [58]. Когда электрический телеграф и научные достижения в середине девятнадцатого века позволили прогнозировать погоду с определённой степенью надёжности, главная цель создания национальных метеорологических бюро заключалась в предоставлении прогнозов для морского сообщества. В портах вывешивались визуальные сигналы для предупреждения судов о надвигающихся штормах [44].
На первой международной конференции по морской метеорологии, состоявшейся в Брюсселе в 1853 году, было принято решение о едином способе производства морских метеорологических наблюдений с борта судов [59]. Данные наблюдений, получаемые в результате добровольного сотрудничества торговых судов, преобразовывались в климатическую информацию для использования при мореплавании. Таким образом, было положено начало уникальному виду обслуживания, при котором потребители сами предоставляли в обслуживающие их организации комплект наблюденных основных гидрометеорологических данных по районам плавания.
Гидрометеорологические наблюдения начали проводиться на кораблях российского флота с момента его основания. Первые записи в вахтенных журналах наблюдений за погодой относятся к 1696г., когда эскадра Петра I, построенная под Воронежем, не смогла выйти в Азовское море из-за сильных восточных ветров, согнавших воду в устье реки Дон. Первый в российском флоте «Устав морской» обязывал штурмана: «...записывать... прибавление и убавление ветров и парусов, склонение компаса, течения моря и грунты»1, а командира корабля «...оной журнал по возвращению из компании, отдавать аншеф-командующему для подання в Адмиралтейскую Коллегию» . В Уставе приводилась форма журнала и «пример как журнал держать»3.
Основные успехи в развитии отечественной метеорологии в России связаны с именем М.В. Ломоносова. В «Рассуждении о большой точности морского пути» он предлагал государствам, заинтересованным в развитии мореплавания, объединить усилия, создав Морскую академию, которая могла бы «новыми полезными изобретениями безопасность мореплавания умножить. По его инициативе Адмиралтейств-коллегией были организованы экспедиция В.Я. Чичагова (1765-1766 гг.) с целью пройти из Атлантического океана в Тихий океан Северным морским путем и одновременно с ней экспедиция П.К. Креницына (1764-1769 гг.) для исследования Алеутских островов. Благодаря Ломоносову корабли экспедиций были обеспечены необходимыми астрономическими и физическими приборами, многие из которых были им лично изготовлены в мастерских Академии наук.
В этих экспедициях было положено начало инструментальным гидрометеорологическим и геофизическим измерениям, проводившимся на кораблях российского флота, которые с этого времени стали вытеснять визуальные наблюдения, в основном сводившиеся к записям об изменении ветра.
Предсказание погоды Ломоносов считал одной из основных задач метеорологии, указывая: «Если мы научимся точно предсказывать погоду нам нечего будет просить у бога», но оговаривался, что она «едва постижимой кажется». 13 мая 1759 г. в докладе «О предсказании погод, а особенно ветру» он обращает внимание на необходимость сбора гидрометеорологических сведений и их обработки: «...все сие по истинной теории ничем другим, как частными и верными мореплавающих наблюдениями и записками перемен воздуха утверждено и в порядок приведено быть должно... А особливо когда б в различных частях света... те, кои мореплаватели пользуются, учредили самопишущие метеорологические обсерватории»1.
Таким образом, Ломоносов выдвинул идею службы погоды, а затем и разработал ее основные положения. Отметим, что именно этими путями ШЛО создание сети морских обсерваторий и гидрометеорологических станций, наблюдения которых позволили не только создать службу погоды России, но и обеспечить значительные достижения, как в изучении атмосферы, так и в разработке теоретических методов прогнозов погоды.
В 1720-1740-е годы. Адмиралтейств-коллегией были организованы гидрографические экспедиции в Карском, Баренцевом, Белом, Балтийском, Каспийском и Беринговом морях.
Особое внимание заслуживает Вторая Камчатская экспедиция (1733-1743 гг.) Беринга - Чирикова, во время которой была организована первая сеть (120 станций) постоянных гидрометеорологических станций, производивших наблюдения по единой программе на огромной территории от Урала до Камчатки. Обсуждение результатов работ этой экспедиции в Академии наук и художеств, способствовало поиску путей предсказания погоды [61].
В 1777 г. Адмиралтейств-коллегией был подготовлен указ Екатерины II об оповещении жителей Петербурга об опасных подъемах уровня воды в реке Нева. Ему предшествовал указ 1726 г. об установлении меток высоких вод, анализ наводнений, наблюдавшихся с 1715 по 1777 г.г., а также организация ряда постов для наблюдения уровня воды Невы и ее притоков. Создание этой службы оповещения можно рассматривать как первую попытку организации . в России службы оповещения об опасных гидрометеорологических явлениях.
В это же время были организованы регулярные гидрометеорологические наблюдения в Кронштадте (1752 г.), Охотске (1785 r.)j Николаеве (1801 г.). Знания, накопленные русскими моряками и учеными к началу XIX в, были подытожены капитан-командором П.Я. Тамалеем в его трудах «Опыт мор- -ской практики» (1804 г.) и «Теория и практика кораблевождения» (1806-1808 гг.) [59]. На заседании ученого совета Адмиралтейского департамента он об- І ратил внимание на сложность познания атмосферных процессов, которое можно осуществить только точными метеорологическими наблюдениями, -чем обосновывал необходимость дальнейшего увеличения количества гидрометеорологических станций и проведение наблюдений на кораблях, особенно в дальних океанских плаваниях.
Эпизодические метеорологические наблюдения на Каспийском море проводились уже в XVIII веке. Так,, в 1732-1736 и 1745-1749 гг. военный врач Иоганн Лерхё выполнял первые стационарные наблюдения в Баку, в Дербенте. Подобные же наблюдения за температурой и давлением воздуха по порту Астрахань вел А. Лохтин [49]і Первые, имеющие серьезное научное значение метеорологические наблюдения в Астрахани начаты в 1830 г. морским ведомством в Астраханском порту. Наблюдения выполняли в три срока: утром, днем и вечером за давлением и температурой воздуха, направлением: и скоростью (по шкале Бофорта) ветра, состоянием погоды, атмосферными явлениями. Кроме того, определяли уровень воды по футштоку и толщину льда зимой. Программа наблюдений соответствовала запросам порта. В 1846г. начаты наблюдения за осадками и влажностью воздуха по психрометру. В середине XIX века материалы наблюдений станции публиковались в газете «Астраханские губернские ведомости» [89].
Регулярные метеорологические наблюдения по порту Махачкала (Пет-ровск) производились с 1862 года по распоряжению Гидрографического департамента, штабс-капитаном Андреевым «по простому флюгеру и компасу в 7 ч. утра, в 2 ч. дня и 9 ч. вечера. С 1881г. наблюдения ведутся на правильно организованной станции второго разряда, устроенной Главной физической обсерваторией и содержимой на средства Гидрографического департамента. Наблюдения ведутся в 7 ч. утра, віч. дня и 9 ч. вечера» [86].
Режим ветра Каспийского моря
Рассмотренные синоптические процессы, как крупномасштабные циркуляции атмосферы, так и местные барико-циркуляционные и термические условия, обусловленные большой меридиональной протяженностью моря, а также различиями в физико-географических условиях побережья, определяют характер ветров над Каспийским морем [3, 63].
Для анализа режима ветра на Каспийском море в 2003 - 2006 гг. использовались следующие данные:
ежедневные наблюдения за погодой с судов различных министерств и ведомств в море — 43560 сводок погоды;
ежедневные наблюдения за погодой в море с судов гидрографической службы Каспийской флотилии - 15600 сводок погоды;
ежедневные наблюдения за погодой в 00.00, 06.00, 12.00, 18.00 часов на постах наблюдения (п. Чечень, Махачкала, п. Каспийск, п. Сулак, п. Избербаш) — 21900 сводок погоды;
ежедневные наблюдения за погодой за 09.00 и 15.00 на СПБУ "Астра" в период с 01.01.2003 г. до 01.10.2003 г., 600 сводок погоды [6].
В результате обработки данной информации получено распределение скорости ветра в течение года по акватории Каспия, выделены районы моря наиболее штормоопасные в Северном, Среднем и Южном Каспии, определены районы моря, из которых практически не поступает информация (режим ветра не изучен) о погоде, выделены случаи наиболее сильных штормов.
Всего в 2003 - 2006 гг. случаев усиления ветра до 20 м/с и более отмечено:
- по всему Каспийскому морю: 117, из них СЗ, СВ - 88, ЮВ - 29;
- по Северному Каспию: 21, из них СЗ, СВ - 14, ЮВ - 7;
- по Среднему Каспию: 39, из них СЗ, СВ - 27, ЮВ - 12;
- по Южному Каспию: 57, из них СЗ, СВ - 47, ЮВ - 10.
Наибольшее число штормов за три года отмечено в феврале - 28 в год и марте - 22 в год. Самые безопасные месяцы - июнь и июль (по 2 случая штормов в год). Максимальная скорость ветра при шторме зарегистрирована следующая: Северный Каспий - 30 м/с; Средний Каспий - 33 м/с; Южный Каспий - 36 м/с. При этом повторяемость штормовых ветров северных румбов в 3 раза чаще, чем южных [29]. Продолжительность ветров 20 м/с колебалась от 6 до 72 часов, средняя продолжительность СЗ штормов составила 12-18 часов, ЮВ - 30 -36 часов. Несмотря на значительную физико-географическую неоднородность, акватория Каспийского моря и его побережье были подразделены на районы с относительно устойчивым режимом направления ветра (21010, 21020, 21030, 21040, 21050, 21060, 21070, 21080; 21090,21100,21110,21120,21130,21140,21150,21160,21170,21180,21190).
Однако, в процессе проводимого гидрометеорологического обеспечения кораблей и судов Каспийской флотилии и анализа данных, полученных от них, а также судов гражданских компаний, можно прийти к выводу, что существующее деление Каспийского моря на районы не отражает локальные особенности ветрового режима. Разнообразные физико-географические усло вия, даже в пределах одного района, создают различные направления и скорости ветра.
Рассмотрим следующие примеры:
а) Северный Каспий (район 21110) 7-8.03.2006 года - при стационировании обширного антициклона над Средней Азией и малоактивной ложбиной над Кавказом, на полуострове Мангышлак и прилегающей части моря сохранялся юго-восточный ветер 18-24 м/с. По району о.Тюлений утром 8.03 усилился северо-западный ветер до 14 м/с (рис. 1).
15.01.2006 года, 4.05.2005 года - при прохождении частного циклона с Северного Кавказа через Средний и Северный Каспий на восток, северо-восток и усилении западных, северо-западных ветров по западной части района 21110 до 20-25 м/с, происходит их ослабление в восточном, северовосточном направлении до нештормовых значений и, зачастую, переход на юго-западное направление (рис. 2 и 3).
б) Средний Каспий (район 21130)
При одновременном воздействии Сибирского Антициклона и Южно-Каспийского циклона, преобладающие на Северном Каспии ветры восточной четверти вследствие воздействия Большого Кавказского хребта у западного побережья поворачивают на северо-западные и к южной половине района 21130 сохраняют данное направление. Также, в зависимости от синоптической ситуации (выхода Южно-Каспийского циклона или усиления Сибирского Антициклона) и значительной меридиональной протяженности района 21130 усиление ветра может отмечаться только по его северной или южной половине (рис. 4).
в) Южный Каспий (район 21180)
Из-за орографического воздействия Апшеронского полуострова на затекающую холодную массу воздуха в тылу проходящих через Средний и Южный Каспий Черноморских и Южно-Каспийских циклонов, происходит разделение воздушного потока и отклонение ветров по западу района к юго-западу, а по востоку района к юго-востоку.
Причем по району Сальянского рейда усиления северо-восточных ветров более резкие, но обычно продолжаются 1-1,5 суток, а по востоку района продолжительность действия северо-западного ветра обычно составляет 2-3 суток (рис. 5 и 6).
Создание нового ледового атласа Каспийского моря с применением современных геоинформационных технологий
В 2004 году специалисты гидрометеорологического центра Каспийской флотилии, под руководством автора диссертации, начали работу по созданию электронного «Атласа ледовых явлений и образований Северного Каспия и дельты Волги».
В новый Атлас включено большое количество материалов многолетних наблюдений об изменчивости характеристик ледяного покрова по районам низовьев Волги и Северного Каспия, полученных при помощи дистанционных (авиационных и спутниковых) методов (табл. 2.1), стационарных наблюдений, выполненных на береговых и островных гидрометеорологических станциях, а также данных полевых исследований, полученных во время зимних ледовых экспедиций (на ледоколах, тюленебойных судах, дрейфующих льдинах и вертолетах) в различные по суровости зимы, гидросиноптические ситуации, в условиях изменяющегося фонового уровня моря.
На первом этапе работ в новый атлас включены материалы многолетних (в том числе синхронных и квази - синхронных) наблюдений по изменчивости характеристик ледяного покрова по районам низовьев Волги и Северного Каспия, полученных при помощи дистанционных (аэровизуальных и спутниковых) методов (табл. 2.2). В атласе также использованы данные стационарных и рейдовых наблюдений, выполненных на береговых и островных гидрометеорологических станциях и постах Северного Каспия, многочисленные материалы полевых исследований, полученные во время зимних ледовых экспедиций (на ледоколах, тюленебойных судах, дрейфующих льдинах и вертолетах).
В атлас также включены систематизированные данные о состоянии ледяного покрова, полученные в разные по суровости зимы, в различных гидросиноптических ситуациях, в условиях изменяющегося фонового уровня моря и др.(таблицы, схемы, карты, графики, формулы, прогностические зависимости и фотографии).
Электронный «Атлас ледовых явлений и образований Северного Каспия и дельты Волги» состоит из восьми разделов, представляющих собой интерактивные «окна» (рис. 8).
Во введении указаны цели и задачи создания атласа, сведения о его разработчиках, справочный материал для работы с атласом. Первые три раздела атласа содержат сведения ознакомительного характера: вводная часть, физико-географическое описание и физико-статистические методы расчета и прогноза элементов ледяного покрова.
В физико-географическом описании дана краткая характеристика Каспийского моря как географического объекта, описаны физико-географические особенностей, климатических и погодных условий, формирующих ледяной покров.
В третьем разделе приводится обзор существующих методов составления ледовых прогнозов: краткосрочных (метод краткосрочного прогноза положения кромки сплоченных льдов П.И. Бухарицина, метод краткосрочных прогнозов первого появления льда на морях Я.А. Тютнева и т. п.), среднесрочных (метод прогноза нарастания толщины льда Е.М. Саускан, методы расчета и прогноза толщины наслоенного льда для Северного Каспия П.И. Бухарицина и т.п.) и долгосрочных (методы долгосрочного прогноза ледовых фаз О.И. Шереметевской, метод сезонного прогнозирования торосистости льдов Северного Каспия П.И. Бухарицина, методы прогноза ледовитости А.И. Ка-ракаша и т.п.). Особое внимание при этом уделено методам прогнозирования ледовой обстановки на Северном Каспии и Нижней Волге, разработанным с учетом местных физико-географических и климатических особенностей (методы Ф.И. Валлера, П.И. Бухарицина, А.К. Барабаш). Прогностические зависимости нашли практическое применение в работе Гидрометеорологического центра Каспийской флотилии, при оперативном обеспечении ледовыми про гнозами плавания кораблей и судов КФ, а также работы морского и речного флота, деятельности нефтяных компании.
В четвертом разделе представлены собственно ледовые оцифрованные карты с указанием даты и конкретных ледовых и метеорологических условий. При оцифровке карт применялось программное обеспечение Arc View GIS 3.2, предназначенное для настольных ГИС и предоставляющее готовый набор средств, используемых при создании современных карт. Создание ледовой электронной карты проходило в три этапа:
1. - оцифровка карт;
2. - создание чертежей и карт в графическом редакторе Arc View GIS 3.2.;
3. - нанесение условных обозначений в графическом редакторе Photo Shop.
Всего оцифровано 360 ледовых карт, охватывающих временной интервал с 1976 по 2004 г.г. (рис. 9).
Оцифровка карт производилась при помощи прозрачной палетки, имеющей координатную сетку. С ледовых карт снимались координаты характерных точек положения границ и кромок, мест расположения разводий, стамух, торосов и др. элементов ледяного покрова и его изменения.
В редакторе Arc View GIS 3.2 координаты с оцифрованной карты переносились в базу данных и на карте - основе строились ледовые карты с границами ледовых полей. После чего карта переводится в формат JPEG. В редакторе Photo Shop на полученную карту, по характерным точкам, наносились условные ледовые обозначения, из базы данных условных обозначений, характеризующих ледовый режим замерзающих морей. Полученные в результате цифровой обработки ледовые карты имеют удобный для пользователя формат JPEG, благодаря которому ледовые карты можно просматривать в любой программе, предназначенной для просмотра графической информации. Следует отметить, что это чрезвычайно трудоемкая работа еще далека от завершения, так как всего в архивных фондах имеется свыше 1500 карт ледовых авиаразведок и описаний к ним.
Внедрение и использование современных технологий в решении задач гидрометеорологического обеспечения безопасности мореплавания
Создание первых геоинформационных систем (ГИС) стало возможным в 60-х годах XX века, благодаря появлению электронно-вычислительных машин, цифрователей, плоттеров, графических дисплеев и других периферийных устройств, позволяющих перевести географическую информацию с бумажной карты в электронный вид. В настоящее время ГИС нашли широкое применение во всех сферах хозяйственной деятельности человека, а также в науке и образовании. ГИС используются в картографии, экономике, политике, экологии, управлении и охране природных ресурсов, гидрометеорологии и т. д
В настоящее время имеются десятки ГИС самого различного назначения: кадастровые, муниципальные, ресурсные, экологические, гидрометеорологические, навигационные, морские. В ряде стран образованы различные национальные и региональные учреждения, в задачи которых ходит развитие ГИС, координация программ получения, обработки и распределения географической информации, создание сетей ГИС, формирование международного рынка геоинформационных технологий и услуг [93].
Рассмотрим возможность применения ГИС технологий при проведении гидрометеорологического обеспечения мореплавания, на примере ГИС Метео, т.к. имеется многолетний опыт её использования при обеспечении кораблей (судов) Каспийской флотилии. Географическая информационная система (ГИС) - это аппаратно-программный комплекс, обеспечивающий сбор, хранение, обработку, доступ, отображение и распространение пространственно - координированных данных [93].
ГИС Метео - специализированная геоинформационная система, которая представляет собой интерактивный и работающий в режиме реального времени инструмент, предназначенный для использования в оперативной работе метеорологов. Область применения ГИС Метео: метеорология, агрометеорология, гидрология, океанология, экология и т. п [46]. Программный комплекс (ПК) ГИС Метео - это универсальный инструмент, предназначенный для изготовления, обработки и документирования метеорологических карт на персональной ЭВМ. Он позволяет создавать метеорологические карты в любой картографической проекции и любого масштаба с использованием данных, распространяемых по глобальной сети телесвязи ВМО (Всемирной Метеорологической Организации), через Internet, а также спутниковых снимков, данных радиолокационного зондирования и других, что способствует организации работы гидрометцентра любого ранга [46].
ПК ГИС Метео состоит из геоинформационной системы, её различных компонент, метеорологической базы данных, отдельных приложений, а также из многочисленных технологических средств сбора и распространения данных. ГИС Метео представляет пользователю удобный графический интерфейс для работы с картами, графиками, диаграммами, и т. д. Приложения к ГИС Метео при помощи различных компонент по заранее подготовленному сценарию автоматически или в интерактивном режиме, подготавливает многочисленные слои информации на фоне географической карты любого масштаба.
ГИС Метео строит карты с оперативной информацией наземных гидрометеостанций и постов, морских и океанических станций, средств дистанционного зондирования атмосферы, поступающей со всего земного шара. По данным различных гидродинамических моделей, рассчитываемых в метеорологических центрах России (в городах Москва, Новосибирск), Великобритании (в городах Рединг, Эксетер), США (город Вашингтон), Германии (город Оффенбах), создаются карты с прогностическими параметрами различной заблаговременности (до 168 часов).
Автоматизированное рабочее место (АРМ) позволяет организовать работу потребителя гидрометеорологической информации путём оперативного создания следующих видов продукции [83]:
приземных карт погоды, карт абсолютной и относительной топографии, монтажей снимков орбитальных и геостационарных ИСЗ, стыкованных карт по данным МРЛ;
прогностических карт давления, геопотенциала, температуры, влажности, ветра;
карт прогнозов осадков с определением их фазового состояния, прогнозов облачности и фронтальных зон;
карт прогнозов вертикальных скоростей ветра и турбулентности по модели пограничного слоя;
траекторных расчётов по аэрологическим данным объективного анализа и прогноза полей геопотенциала или ветра;
фактических и прогностических стратификации температуры, влажности, ветра на бланках аэрологических диаграмм и расчётов по ним;
вертикальных разрезов атмосферы;
синоптических таблиц и таблиц осадков, графиков изменения метеопараметров.
Анализируя работу синоптиков использующих современный комплекс ГИС Метео, можно с уверенностью сказать , что оправдываемость прогнозов ГМУ увеличивается в среднем на 10-13%,значительно сокращается время работы метеоролога при оценке ГМУ и составлении прогноза [25]. Поскольку гидрометеорология имеет дело с данными различной природы, характеризующими физику, химию, биологию моря и рельеф дна, в ней особенно ярко проявляются достоинства технологии графического сопоставления различных информационных слоев на одной и той же картографической основе.
Исходя из функциональных возможностей, ГИС могут быть использованы в целях [46]:
создание компьютеризированных баз данных (БД) гидрометеорологической информации;
создания электронных атласов и карт погоды, карт гидрометеорологической обстановки, ледовых обзоров;
анализа информации об окружающей среде, представленной на картографической основе;
анализа данных дистанционного зондирования, предварительно привязанных к картографической основе;
выдачи справок по гидрометеорологическому режиму морей и океанов;
накладывать различные ветровые и волновые слои друг на друга;
выбора оптимального маршрута перехода;
выбора района, наиболее благоприятного для выполнения задачи, по нескольким ограничивающим факторам.
Различные слои информации, формирующие БД, полностью интегрируются в систему и используются для планирования, навигации и других целей. Данные могут быть выведены на графический дисплей и наложены на картину, представленную на экране радара, совместно с навигационными характеристиками, картами развития синоптических процессов и ледовой обстановки. База данных ГИС также позволяет создавать специализированные цифровые картографические объекты, например карты температуры, солёности или течений. Данные могут храниться и в трёхмерном виде. Корабли, суда и подводные лодки в перспективе могут быть обеспечены в оперативном режиме трёхмерным отображением слоев температуры, солёности морской воды, положения термоклина, рельефа дна.
На основе ГИС-технологии возможно создание морской региональной системы управления безопасности, предназначенной для обеспечения мореплавания судов, кораблей, подводных лодок, проведения операций по нефтеразведке и нефтедобычи на акватории, рыболовецкого промысла, дноуглубительных работ и других мероприятий. Эта система окажет помощь в планировании более эффективного использования сил и средств, а также в повышении контроля зон рыболовства и загрязнения. Кроме того, в оперативном использовании могут быть собраны и отображены на единой картографической основе данные анализа состояния кораблей и судов, характеристиками района действия, морская и синоптическая информация. Пользуясь этими сведениями, администратор любого уровня может выбирать оптимальную модель управленческих действий.
