WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 12 |

Методы исследования. Для изучения синоптической изменчивости уровня и течений в морях, омывающих северо-западное и арктическое побережья России, использовались различные методы статистического анализа стационарных и нестационарных случайных процессов и полей (подиапазонный дисперсионный анализ нестационарных случайных скалярных и векторных процессов, автокорреляционный и взаимный корреляционный анализ уровня моря, спектральный и взаимный спектральный анализ уровня моря, векторно-алгебраический метод анализа течений, частотно-направленный спектральный анализ полей уровня по методу Лонге-Хиггинса-Свешникова, гармонический анализ приливов по методу наименьших квадратов), а также вейвлет-анализ. Идентификация выделенных низкочастотных волновых возмущений в поле уровня и течений производилась путем сравнения их характеристик с известными теоретическими дисперсионными соотношениями баротропных и бароклинных градиентно-вихревых волн и волн Кельвина. Оценка сравнительного вклада различных процессов и факторов в формирование полей уровня и течений синоптического масштаба производилась с помощью численных экспериментов на гидродинамической модели Балтийского моря. Для этого сравнивались низкочастотные поля уровня, течений и их вероятностные характеристики, полученные путем решения полной задачи и при различных упрощающих сценариях.

Научная новизна работы состоит в следующем:

  • Впервые исследованы особенности синоптической изменчивости уровня и течений в морях, омывающих северо-западное и арктическое побережья России с учетом динамики градиентно-вихревых волн и волн Кельвина
  • Впервые для исследования синоптической изменчивости уровня в северо-западных и арктических морях России использованы спутниковые альтиметрические данные
  • На основе подиапазонного дисперсионного анализа рядов уровня и течений, выполненного в нестационарном приближении, получена временная изменчивость количественных оценок интенсивности синоптических возмущений по сравнению с колебаниями других временных масштабов
  • Оценены различные эмпирические характеристики низкочастотных волновых возмущений уровня и течений и проведено их сравнение с теоретическими дисперсионными соотношениями разных видов низкочастотных волн
  • На основе векторно-алгебраического метода анализа случайных процессов получены количественные оценки статистических связей синоптических возмущений течений с различными метеорологическими характеристиками и выдвинута гипотеза о резонансном механизме их генерации
  • Впервые на основе численных экспериментов на гидродинамической модели оценены и описаны вклады различных процессов и факторов в формирование и эволюцию полей уровня и течений Балтийского моря в синоптическом диапазоне пространственно-временных масштабов.

На защиту выносится новая концепция интерпретации механизмов формирования полей уровня и течений синоптического масштаба в морях, омывающих северо-западное и арктическое побережья России, которая заключается в следующих положениях:

1. Вопреки широко распространенным взглядам, изменчивость уровня и течений в морях, омывающих северо-западное и арктическое побережья России, в синоптическом диапазоне пространственно-временных масштабов определяется, главным образом, не локальным воздействием на них анемобарических сил, возбуждающих ветровые, бароградиентные течения и связанные с ними колебания уровня моря, а низкочастотными волновыми возмущениями, типа градиентно-вихревых волн и бароклинных волн Кельвина, генерируемых перемещающимися циклонами и антициклонами.

2. Основные механизмы передачи энергии от атмосферных возмущений к движению вод исследуемых морей в синоптическом диапазоне масштабов связаны с релаксацией начальных возмущений метеорологического происхождения в виде свободных низкочастотных волн различных типов и с резонансным механизмом генерации вынужденных анемобарических волновых возмущений.

3. Особенности динамики низкочастотных волновых возмущений в морях, омывающих северо-западное и арктическое побережья России, связаны с эффектами сферичности и вращения Земли, донной топографии, плотностной стратификации вод и в отдельных районах с существенным вкладом нелинейных эффектов, обусловленных влиянием адвективных ускорений.

Практическая значимость работы. Результаты работы вошли в материалы отчетов по темам НИОКР Росгидромета, выполнявшихся в рамках целевой научно-технической программы (ЦНТП-7) «Гидрометеорологические прогнозы для обеспечения морских отраслей экономики, исследования гидрометеорологических процессов и режима морей России, Арктики, Антарктики и Мирового океана»; подпрограммы «Комплексные исследования океанов и морей, Арктики и Антарктики» Федеральной целевой научно-технической программы (ФЦНТП) «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения»; подпрограммы «Гидрометеорологическое обеспечение безопасной жизнедеятельности и рационального природопользования» 1-й части Федеральной целевой программы (ФЦП) «Экология и природные ресурсы России»; а также по теме «Комплексные исследования процессов, характеристик и ресурсов российских морей Северо-Европейского бассейна» подпрограммы «Исследование природы Мирового океана» ФЦП «Мировой океан».

Результаты работы нашли свое приложение в исследованиях изменчивости океанологических условий рыбного промысла в Норвежском и Баренцевом морях, выполненных для научно-технической фирмы «Комплексные системы» и ООО НПК «Морская информатика» (г. Мурманск) в 2001 – 2005 гг.; в рамках договора между ГАО РАН и СПО ГУ «ГОИН» по теме: «Гидрологический анализ репрезентативности и класса инструментального обеспечения измерений колебаний уровня моря на Шепелевском гидролого-геодинамическом полигоне» в 2005 г.; при инженерно-экологических изысканиях в районе Калининградского побережья Балтийского моря, выполненных по заказу ООО «Подземгазпром» (г. Москва) в 2007 г.

Результаты работы можно использовать также при построении гидродинамических моделей для прогнозирования физического и биохимического состояний шельфовых морей; для уточнения мер контроля за загрязнением морей, а также для разработки репрезентативной системы их гидрометеорологического и экологического мониторинга.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на российских и международных семинарах, конференциях и симпозиумах: First International Research Conference «Barents Sea Impact Study (BASIS). Global Changes and the Barents Region». St. Petersburg, Russia, February 22 – 25. (1999). Fifth Workshop on Russian-German Cooperation: Laptev Sea System. State Research Center-Arctic and Antarctic Research Institute. St. Petersburg, Russia, November 25-29. (1999). Sixth Workshop on Russian-German Cooperation: Laptev Sea System. State Research Center-Arctic and Antarctic Research Institute. St. Petersburg, Russia, October 12-14. (2000). PORSEC-2000, Goa, India. (2000). Всероссийской научной конференции «Дистанционное зондирование земных покровов и атмосферы аэрокосмическими средствами». Муром, 20-22 июня. (2001 г). Научной конференции по результатам исследований в области гидрометеорологии и мониторинга загрязнения природной среды в государствах – участниках СНГ, посвященной 10-летию образования Межгосударственного совета по гидрометеорологии. Санкт-Петербург. (2002 г). PORSEC-2002. Bali. (2002). Seventh International Conference Remote Sensing for Marine and Coastal Environments, Miami, Florida. (2002). Пятой Российской научно-технической конференции «Современное состояние и проблемы навигации и океанографии» («НО-2004»). Санкт-Петербург. (2004 г.). V международном экологическом форуме «День Балтийского моря» посвященном 30-летию подписания Хельсинской Комиссии. Санкт-Петербург. (2004 г.). 7-й Международной конференции и выставки «Акватерра». (Санкт-Петербург, 2004 г.). VII Международном экологическом форуме «День Балтийского моря». Санкт-Петербург. (2006 г.). International Workshop “Extreme water levels in the Eastern Baltic”. St. Petersburg, Russia. (2007 г.), а также в Нансеновском центре дистанционных исследований окружающей среды (Берген, Норвегия, 2000 г.), Океанографической комиссии Русского Географического общества (Санкт-Петербург, 2001, 2002, 2003 гг.), итоговых сессиях Ученого совета ГУ «ГОИН» и СПО ГУ «ГОИН» (2001 – 2007 гг.), семинарах в СПбГУ. Результаты работы вошли в отчеты по проектам РФФИ (96-05-65157-а; 98-05-64468-а; 03-05-64755-а; 06-05-64908-а).

Личный вклад автора. В большинстве публикаций, содержащих основные результаты диссертационной работы, автору принадлежат идеи исследования, формулировка целей и задач, сбор необходимой натурной информации, проведение статистического анализа уровня и течений, идеология численных экспериментов на гидродинамической модели, а также физическая интерпретация результатов статистического анализа и численного гидродинамического моделирования.

Публикации. Научные результаты диссертации опубликованы в 5 российских и 2 зарубежных монографиях и 52 работах, включающих 12 статей в периодических реферируемых журналах, таких как «Метеорология и гидрология», «Океанология», «Известия Русского географического общества», «Вестник Санкт-Петербургского университета», а также в других изданиях: «Трудах ГОИН», материалах российских и международных конференций.

Монография «Градиентно-вихревые волны в океане» (2004 г.), одним из авторов которой был диссертант, получила в 2007 г. ведомственную премию Росгидромета за лучшие научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы, включающего 209 наименований. Объем работы составляет 317 страниц, включая 97 рисунков и 39 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования, отмечается научная новизна и практическая значимость работы, представлены основные положения, выносимые на защиту. Приводится краткое содержание разделов диссертации, сведения об апробации работы и ее внедрении.

В первой главе обосновывается выбор методов для исследования синоптической изменчивости уровня и течений.

В параграфе 1.1 описываются различные методы статистического анализа уровня и течений.

Для исследования вклада синоптических возмущений уровня и течений в их общую изменчивость по сравнению с колебаниями других временных масштабов предлагается использовать подиапазонный дисперсионный анализ рядов уровня и течений, выполненный в нестационарном приближении, с последующей оценкой максимальных величин колебаний в выделенных диапазонах частот. Для этого с помощью гармонического анализа приливов по методу наименьших квадратов и операций фильтрации и осреднения в рядах уровня и течений выделяются многолетние, сезонные, синоптические (по отдельности долгопериодные приливы (волны ММ, MF, MSF) и неприливные колебания), мезомасштабные (по отдельности короткопериодные приливы и неприливные колебания) и мелкомасштабные колебания. С выделенными таким образом рядами колебаний уровня и течений разных временных масштабов производятся скользящие оценки дисперсии уровня моря и линейного инварианта тензора дисперсии скорости течений (Белышев и др., 1983), а также оценки максимальных величин колебаний.

Для дальнейшего более подробного исследования особенностей статистических характеристик синоптических колебаний уровня моря и механизмов их формирования предлагается использовать традиционные, хорошо известные методы корреляционно-спектрального анализа случайных процессов (Дженкинс и Ваттс, 1971; Рожков, 1979; Фукс, 1982; Герман и Левиков, 1988). Описываются основные положения стационарного и нестационарного автокорреляционного, взаимного-корреляционного, спектрального и взаимного спектрального анализа рядов колебаний уровня моря.

Одним из основных источников информации о морских течениях являются данные продолжительных измерений их скорости и направления в фиксированных точках моря, на разных горизонтах заякоренных буйковых станциях. Показано, что наиболее представительным методом статистического анализа таких данных, является векторно-алгебраический метод анализа течений, который был разработан группой ученых Ленинградского (Санкт-Петербургского) отделения ГОИНа под руководством профессора В. А. Рожкова (Белышев и др., 1983; Методическое письмо…, 1984). В этом методе естественным образом вводится принцип объединения элементов матриц вероятностных характеристик в виде аргументированного алгоритма вычисления инвариантов тензора, раскрывающих совокупность кинематических свойств анализируемого векторного процесса. Описываются особенности расчета различных инвариантов тензора-дисперсии, автокорреляционной, взаимной корреляционной, спектральной и взаимной спектральной тензор-функций, а также инвариантов тензора-когерентности рядов скорости течений.

Показано, что для исследования нелинейных взаимодействий между синоптическими возмущениями уровня и течений разных временных масштабов, проявляющихся в перераспределении энергии по масштабам, весьма полезно использовать их вейвлет-анализ. Описываются преимущества вейвлет-анализа по сравнению с Фурье анализом. Даны формальные определения, лежащие в основе вейвлет-анализа, и основные свойства вейвлетов. Рассмотрены несколько примеров вейвлетов.

Для оценки пространственно-временной структуры синоптических полей уровня, полученных на основе спутниковой альтиметрической информации предлагается использовать частотно-направленный спектральный анализ по методу Лонге-Хиггинса-Свешникова (Свешников, 1959; Лонге-Хиггинс, 1961). На основе анализа работы Клеванцова и Рожкова (2007) описывается алгоритм расчета значений частотно-направленного спектра S(,) уровня моря.

В диапазоне синоптической изменчивости океанологических характеристик определенный вклад в формирование полей уровня и течений оказывают долгопериодные приливы 1-го и 2-го рода (Марчук и Каган, 1991; Фукс, 1977). Для выделения приливов и оценки их вклада в суммарную дисперсию уровня и течений предлагается применять широко используемый в последние десятилетия метод наименьших квадратов гармонического анализа приливов. Приводится изложение основ гармонического анализа приливов по методу наименьших квадратов.

Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 12 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»