Введение к работе
Актуальность темы. Дальневосточные моря России обладают огромными биологическими, минерально-сырьевыми, водными и другими ресурсами, которые используются многими отраслями народного хозяйства. Развитие этих отраслей вызывает необходимость изучения режимных параметров в толще вод морей, а также физических механизмов формирования аномалий состояния вод на временных масштабах от месяца до десятков лет.
Исследуемый регион, расположенный в переходной зоне между Тихим океаном и континентом, играет существенную роль в крупномасштабном взаимодействии системы океан-атмосфера-континент. Здесь в результате взаимодействия с атмосферой и водами прилегающей части океана формируется своеобразный гидрологический режим, определяемый географическим положением морей.
В предшествующих публикациях и монографических обобщениях были
даны общие представления об особенностях пространственного распределения
океанографических характеристик морей в различные периоды года. Проведен
анализ обусловливающих их природных процессов. Рассмотрены особенности
временных вариаций параметров вод (масштабы от суточных до сезонных).
Выявлены закономерности межгодовых изменений состояния вод. Получены
значимые связи между океанографическими характеристиками и
гидрометеорологическими процессами в регионе. Отмечена большая роль суточных вариаций характеристик, которые в деятельном слое морей сравнимы с сезонными.
Несмотря на большое количество публикаций российских и иностранных авторов, посвященных изучению различных аспектов режима вод дальневосточных морей, наименее освещенными в научной литературе остаются вопросы многолетних колебаний океанологических параметров, а также отдельных аспектов их сезонной изменчивости. Исследование долгопериодных вариаций в предшествующих работах было ограничено
длительностью используемых рядов наблюдений. Статистический анализ сезонных колебаний температуры воды выполнялся на весьма ограниченных массивах данных, а оценка статистической достоверности этих изменений вообще не проводилась.
Прогнозы термического состояния морских акваторий заслуживают самого пристального внимания, но эта проблема по отношению к дальневосточным морям еще далека от завершения, и препятствием тому служит сложность процессов, протекающих на акваториях морей, и недостаток имеющейся в настоящее время гидрометеорологической информации.
За последние несколько десятилетий в результате работы российских и иностранных мореведческих организаций происходило интенсивное пополнение океанографических данных о дальневосточных морях. Сформированные автором работы массивы океанографических данных значительно превышают информационную базу, использованную всеми предшествующими исследователями, что позволяет более полно исследовать режимные особенности дальневосточных морей на новом, более качественном материале.
Цель работы - дать комплексную оценку термического режима вод дальневосточных морей России (Японского, Охотского, Берингова).
Для реализации поставленной цели сформулированы следующие задачи:
сформировать наиболее полные массивы океанографической информации по морям;
исследовать вертикальную структуру вод с выделением параметров верхнего квазиоднородного слоя (ВКС), холодного промежуточного слоя (ХПС) и теплого промежуточного слоя (ТПС);
представить средние многолетние распределения температуры на стандартных горизонтах с месячным, сезонным и годовым разрешением, а также оценить их возможные погрешности;
найти статистически достоверное положение нижней границы деятельного слоя и оценить параметры сезонной изменчивости температуры воды (с выделением амплитуд колебаний и времени наступления экстремумов на различных горизонтах);
рассмотреть структуру межгодовых колебаний термических условий в деятельном слое;
исследовать вероятные сценарии развития термических процессов в дальневосточных морях (по типу «холодных» и «теплых» в гидрологическом отношении лет);
оценить возможность прогнозирования типовых состояний.
Объектом исследования является система океан-ледяной покров-атмосфера в регионе дальневосточных морей и северной части Тихого океана. К основным компонентам системы относятся термический режим вод морей Дальнего Востока России (Японского, Охотского, Берингова), характеристики атмосферной циркуляции над восточной частью азиатского материка (параметры и изменчивость центров действия, индексы циркуляции), температура воды на поверхности северной части Тихого океана, а также характеристики ледовых условий дальневосточных морей.
Предметом исследования являются: 1. Связи и закономерности формирования термической структуры в толще вод дальневосточных морей, представленные:
средними месячными, сезонными и годовыми полями на стандартных горизонтах;
параметрами верхнего квазиоднородного слоя, сезонного и главного термоклина, холодного и теплого промежуточных слоев;
параметрами сезонной изменчивости температуры воды на акваториях дальневосточных морей с выделением амплитуд колебаний и времени наступления экстремумов на различных горизонтах;
- положением нижних границ деятельного слоя для конкретных морей;
- параметрами межгодовой изменчивости термических условий для характерных слоев вод дальневосточных морей с оценкой аномальности отдельных лет в термическом режиме конкретных морей.
2. Вероятные сценарии развития термических процессов в дальневосточных морях и оценка возможности прогнозирования типовых состояний под влиянием макромасштабных процессов в атмосфере Северного полушария, термического и динамического состояния Тихого океаны и изменчивости ледовых условий ДВ морей.
Информационная база исследования. В качестве исходной информации использован объединенный архив глубоководных океанографических наблюдений, в котором находится около 670 тысяч станций, выполненных за период с 1900 по 2004 г. Использованные материалы наблюдений были получены организациями России, Японии, Республики Корея, КНДР, США. Основная часть массива данных представлена учреждениями России (Росгидрометом, рыбохозяйственными организациями (ТИНРО и ТУРНИФ), Академией наук, Гидрографической службой ТОФ).
Методологической и теоретической основой исследования являются фундаментальные разработки отечественных и зарубежных исследователей по физической океанографии (Муромцев, 1958; Фукс, 1958, 1960; Бурков, 1961; Добровольский, 1961; Коплан-Дикс, 1968; Панфилова, 1968; Филюшкин, 1968; Навроцкий, Филюшкин, 1969; Монин и др., 1974; Левасту, Хела, 1974; Степанов, 1974; Агафонова и др., 1975; Физика океана, 1978; Будаева и др., 2005;). Использован также опыт предшествующих авторов, занимавшихся обобщением океанографического материала в регионе дальневосточных морей (Истошин, 1960; Леонов, 1960; Панфилова, 1961; Иваненков, 1964; Морошкин, 1966; Арсеньев, 1967; Веселова, 1972, 1975; Чернявский, 1992; Зуенко, Юрасов, 1995; Пономарев и др., 2000).
При исследовании вопроса об аномальности термического состояния моря в том или ином году полагалось (как, например, в работах: Давыдов,
Куцых, 1968; Хен, Воронина, 1986; Чернявский, 1992; Takenouti, Ohtani, 1974; Azumaya, Ohtani, 1995), что она должна охватывать продолжительный временной интервал и значительные площади.
Научная новизна результатов. Впервые представлены: статистически достоверные глубины распространения сезонных колебаний температуры воды в толще вод дальневосточных морей; амплитуды сезонных колебаний температуры воды на акваториях морей; существенно уточненные, а в некоторых случаях впервые полученные средние многолетние месячные, сезонные и годовые карты распределения температуры; анализ закономерностей многолетней изменчивости температуры воды для акваторий дальневосточных морей в целом, выполненная классификация термических условий по типам «холодных», «нормальных» и «теплых» в гидрологическом отношении зим.
Определены связи и исследованы вероятные сценарии развития термических процессов в водах дальневосточных морей под влиянием макромасштабных процессов в атмосфере Северного полушария, термического и динамического состояния Тихого океаны и изменчивости ледовых условий ДВ морей.
Представленные в диссертационной работе результаты существенно дополняют справочные данные о термических условиях дальневосточных морей, приведенные в более ранних работах. Многие режимные характеристики получены впервые или со значительно большей пространственно-временной детализацией, чем прежде, а в ряде случаев выявленные закономерности режима имеют прогностическое значение.
Практическая значимость полученных результатов. Диссертационная работа подготовлена в рамках выполнения плановых НИР Росгидромета и ТОЙ ДВО РАН:
- отраслевых НИР Росгидромета (темы № ; П.17а.ОЗ; П. 166.01; Ш.236.01);
- ФЦП «Мировой океан» (проекты «Моря СССР» и «Пособия»;
подпрограммы «Исследования природы Мирового океана» и «Создание единой
системы информации об обстановке в Мировом океане»);
- грантов РФФИ № 97-05-65010-а; 98-05-65100-а; 01-05-64098-а; 06-05-
96064-рвостока; 06-05-96065-р_восток_а).
Результаты работы автора, представленные в монографиях (Гидрометеорология и гидрохимия морей, 1998, 1999, 2003; Dynamics of the Bering Sea, 1999), используются в учебном процессе при подготовке студентов-океанологов ДВГУ, студентов мореведческих специальностей ДВГТРУ (Дальрыбвтуза), в практической работе биологов и океанологов ТИНРО-Центра и бассейновых научных организаций рыбной отрасли (СахНИРО, КамчатНИРО, МагаданНИРО), а также в работе специалистов морских отделов территориальных подразделений Госгидромета на Дальнем Востоке.
Карты температуры воды, подготовленные автором, использованы при составлении Атласа океанографических параметров Охотского моря (2001), Атласа океанографических параметров Берингова моря (2004). Эти Атласы предназначены в качестве справочных пособий для решения научных и прикладных задач, связанных с планированием и обеспечением деятельности кораблей и судов ВМФ, а также судов морского и промыслового флотов.
Представленные уравнения для прогноза типа термического состояния подповерхностных вод дальневосточных морей могут быть использованы в работе прогностических подразделений мореведческих организаций Дальнего Востока.
Апробация работы. Отдельные положения и главы работы докладывались: на Ученых советах ДВНИГМИ Росгидромета, секции «Исследование дальневосточных морей России» ТОЙ ДВО РАН, на Всесоюзных конференциях «Моря СССР» (Ленинград, 1986 г.; Одесса, 1991 г.), на Международных конференциях организации PICES (Владивосток (Россия), 1995 и 2003 гг.; Фербенкс (США), 1997 г.; Циндао (Китай), 1995 г.), на
Международном совещании «Изучение глобальных изменений на Дальнем Востоке» (Владивосток (Россия), 2002 г.), на Международных конференциях CREAMS (Владивосток (Россия), 1997 г.; Гонолулу (США), 2001 г.).
Личный вклад. В настоящей работе представлены научные результаты, полученные лично автором при выполнении исследований за период с конца 1970-х годов по настоящее время. Автор участвовал в проведении экспедиционных океанографических наблюдений на акваториях дальневосточных морей, руководил реализацией долговременных программ научных наблюдений, а также программ конкретных экспедиционных рейсов. Непосредственно участвовал в формировании баз океанографических наблюдений по региону дальневосточных морей и их дополнении из всех доступных источников (архивов мореведческих организаций России, электронных массивов данных на CD из источников различных стран и организаций, сети Интернет). Оптимизировал технологию сбора, обработки, визуализации океанографической информации, а также подготовил алгоритмы соответствующих программных средств и произвел их тестирование; сформировал специализированные массивы данных по конкретным морям, выполнил первичную обработку информации (контроль качества, исключение дублей), статистические расчеты, построение необходимых полей и графиков распределения характеристик, подготовку табличных материалов, а также анализ результатов.
Проведенное в работе комплексное исследование термического режима дальневосточных морей, основанное на всех доступных данных наблюдений и современной методологической базе отечественных и зарубежных авторов, позволило сформулировать следующие основные защищаемые положения.
1. В поверхностном слое вод Охотского и Берингова морей преобладают два типа пространственного распределения температуры, выделенные в теплый (с июня-июля по октябрь) и холодный (с декабря по апрель-май) периоды года. В теплый период распространяющиеся в море тихоокеанские воды
являются более холодными по сравнению с собственными водами моря (особенно на прибрежных акваториях), а в холодный - более теплыми.
Для подповерхностных и глубинных вод Охотского и Берингова морей, а также для деятельного слоя вод Японского моря отсутствует отмеченное выше деление на периоды, а пространственные распределения температуры, которые формируются адвекцией тихоокеанских вод и особенностями систем течений отдельных морей, отражают состояние холодного периода года.
-
Полученные в работе пространственно-временные закономерности распределений полей температуры от поверхности до придонных горизонтов уточняют существующие представления о комплексе физических процессов, формирующих гидрологическое состояние вод дальневосточных морей.
-
Основные черты эволюции деятельного слоя дальневосточных морей (от поверхности до статистически определенной нижней границы) определяются сезонной изменчивостью параметров ВКС, ХПС и амплитудой сезонных колебаний температуры на различных горизонтах в толще вод деятельного слоя.
4. Пространственно-временная структура межгодовой изменчивости
термических полей на характерных горизонтах каждого из дальневосточных
морей с точностью до погрешностей расчета средних многолетних месячных
значений температуры может быть представлена первыми тремя функциями
разложения по ЭОФ.
5. С использованием разложения по ЭОФ и в рамках предложенной
классификации рассчитаны типовые распределения температуры воды на
акваториях дальневосточных морей, формируемые под влиянием изменений в
термическом и динамическом состоянии вод северной части Тихого океана,
изменчивости ледовых условий дальневосточных морей и макромасштабных
процессов в атмосфере Северного полушария, что указывает на возможность
использования данного подхода для реализации диагностических и
прогностических задач.
Достоверность полученных результатов исследования и публикации.
Защищаемые положения обоснованы использованием наиболее полной базы океанографических данных (более 670 тыс. станций) и современных статистических методов расчетов и исследований. Основные результаты работы опубликованы в ведущих российских и зарубежных рецензируемых журналах. По теме диссертации опубликовано 65 научных работ. В том числе 17 работ опубликовано в журналах, рекомендованных ВАК для докторских диссертаций, 10 являются разделами коллективных монографий, 3 - разделами Атласов океанографических параметров, 8 статей опубликованы в материалах международных конференций.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Текст работы изложен на 319 страницах. Содержит 106 рисунков и 7 таблиц. Список литературы включает 498 наименований, в том числе 180 иностранных.
