Размещено на http://www.allbest.ru/

МОРСЬКИЙ ГІДРОФІЗИЧНИЙ ІНСТИТУТ НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ

11.00.09 - метеорологія, кліматологія, агрометеорологія

УДК 551.589.1 551.583.13

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата географічних наук

ВІТРО-ХВИЛЬОВІ АНОМАЛІЇ В ПРИБЕРЕЖНІЙ ЗОНІ МОРІВ УКРАЇНИ ТА ЇХ ЗВ'ЯЗОК З ВЕЛИКОМАСШТАБНИМИ АТМОСФЕРНИМИ ПРОЦЕСАМИ

Наумова Валентина

Анатоліївна

Севастополь - 2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Морському гідрофізичному інституті Національної Академії наук України.

Науковий керівник:

доктор географічних наук, старший науковий співробітник, Воскресенська Олена Миколаївна, Морський гідрофізичний інститут НАН України, провідний науковий співробітник.

Офіційні опоненти:

доктор географічних наук, доцент, Хохлов Валерій Миколайович, Одеський державний екологічний університет МОН України, професор;

кандидат географічних наук, старший науковий співробітник Белокопитов Володимир Миколайович, Морський гідрофізичний інститут НАН України, старший науковий співробітник.

Захист відбудеться « 11 » травня 2011 р. о 11 годині на засіданні Спеціалізованої вченої ради Д 50.158.01 в Морському гідрофізичному інституті Національної Академії наук України за адресою: 99011, Україна, м. Севастополь, вул. Капітанська, 2, малий конференц-зал.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Морського гідрофізичного інституту НАН України, м. Севастополь, вул. Капітанська, 2.

Автореферат розісланий « 07 » квітня 2011 р.

Вчений секретар Спеціалізованої вченої ради Д 50.158.01 доктор географічних наук Совга О.Є.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Глобальні та регіональні зміни клімату, а також зростання антропогенного навантаження на Азово-Чорноморський регіон призводять до збільшення імовірності виникнення небезпечних і стихійних гідрометеорологічних явищ, які спричинюють техногенні катастрофи з величезними економічними і моральними втратами. Прикладом подібної ситуації є шторм 11 листопада 2007 р. Одним з основних напрямів попередження і зниження несприятливих наслідків подібних явищ є вдосконалення знань про вітро-хвильовий режим і закономірності виникнення штормових умов, а також розвиток і впровадження в практику нових технологій контролю стану морського середовища. Вітро-хвильові кліматичні дослідження, спрямовані на забезпечення сталого розвитку приморських регіонів України, безпеки мореплавання, безаварійності експлуатації інженерних споруд і раціонального використання природних ресурсів прибережної зони Чорного і Азовського морів, є надзвичайно актуальними та розв'язуються в даний час в рамках найбільших міжнародних науково-дослідних програм і регіональних і національних спеціалізованих проектів.

Результати аналізу вітро-хвильових полів Чорного і Азовського морів, опубліковані в останні десятиріччя, в основному відносяться до відкритої частини моря. Є успішні результати моделювання. Проте для прибережної зони немає вичерпних сучасних оцінок середніх і аномальних вітро-хвильових умов, не вивчені закономірності їх формування. Саме такі задачі розв'язуються в даній роботі. В той же час, багато досліджень в цьому напрямі показують, що їх коректне рішення можливе тільки на основі якісної інформації і відпрацьованої методології. Тому у дисертаційній роботі особлива увага присвячена удосконаленню інформаційно-технологічної бази, покладеної в основу подальших досліджень. Таким чином, рішення комплексу задач по вивченню режиму вітро-хвильових умов і їх аномалій в прибережній зоні морів України має важливе прикладне значення як для поточної господарської діяльності, так і для перспективного планування розвитку приморських регіонів України.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася відповідно до планів наукових досліджень Морського гідрофізичного інституту НАН України в рамках науково-дослідних програм і проектів Національної академії наук України.

-Проект «Дослідження змін клімату в системі океан-атмосфера-літосфера на глобальних і регіональних масштабах», шифр «Океан-клімат», ДР №0101U001023 (2001-2005 рр.), виконавець.

-Проект «Фундаментальні та прикладні фізико-кліматичні дослідження морського середовища і кліматичної системи океан-атмосфера», шифр «Клімат», ДР №0106U001406 (2006-2010 рр.), виконавець.

-Тема «Комплексні гідрофізичні та гідрохімічні дослідження морського середовища з метою стійкого, екологічно і техногенно-безпечного використання її ресурсного потенціалу», шифр «Океанографія», ДР №0107U004396 (2007-2009 рр.), виконавець.

-Тема «Розробка проекту методики атестації нових методів морських прогнозів», шифр «Чорноморський прогноз». ДР №0110U000964. (2010 - 2011р)., виконавець.

Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є комплексне дослідження особливостей формування середньокліматичних і аномальних вітро-хвильових умов в прибережній зоні України Чорного і Азовського морів.

Для досягнення поставленої мети були вирішені наступні задачі:

1. Приведена оцінка сучасного стану вивченості вітро-хвильових умов в прибережній зоні Азово-Чорноморського регіону України, включаючи екстремальні шторми і причини їх формування.

2. Виконаний аналіз методів морських берегових спостережень вітро-хвильових характеристик в прибережній зоні Азово-Чорноморського регіону України, проведена оцінка якості даних спостережень і реаналізу, використовуваних в роботі.

3. Досліджені типові і аномальні вітро-хвильові умови Азово-Чорноморського побережжя України.

4. Виконана класифікація великомасштабних синоптичних процесів, що призводять до штормів в прибережній зоні Азово-Чорноморського регіону України.

5. Досліджені зв'язки штормових умов в прибережній зоні Азово-Чорноморського регіону України з великомасштабними процесами в системі океан-атмосфера.

Об'єкт і предмет дослідження. Об'єктом дослідження дисертаційної роботи є прибережна зона України Чорного і Азовського морів. Предметом дослідження дисертації є регіональні штормові умови в прибережній зоні України Чорного і Азовського морів, обумовлені дією глобальних і регіональних погодно-кліматичних процесів.

Використані матеріали і методи дослідження. У дисертації використовувалися дані Державної Гідрометеорологічної служби України (ГМС) морських берегових спостережень за хвилюванням в Азово-Чорноморському регіоні по 20 пунктах (Усть-Дунайськ, Приморське, Ільїчівськ, Одеса, Цареградське гирло, Южний, Очаків, Хорли, Чорноморське, Євпаторія, Херсонеський маяк, Ялта, Алушта, Феодосія, Заповітне, Керч, Опасне, Мисове, Бердянськ, Маріуполь) за період 1900-2008 рр., а також дані реаналізу глобальних атмосферних полів NCEP/NCAR (АТ 500гПа, 1000гПа) за 1954-2008 рр., збірно-кінематичні карти за період 1954-2008 рр., індекси ПАК, а також АМО і ТДО за період 1900-2008 рр. Останні розраховувалися через аномалії температури поверхні океану (ТПО) Північної Атлантики та Північної частини Тихого океану за середньомісячними даними NOAA SST v.3 фільтрації. За допомогою стандартних статистичних пакетів і програм проводився кластерний, кореляційний аналіз, аналіз виду статистичного розподілу і аналіз екстремальних ситуацій.

Наукова новизна одержаних результатів. Основні результати в даній дисертації одержані вперше, зокрема:

1. Розроблена і упроваджена в організаціях Державної Гідрометеорологічної служби України спеціалізована підсистема контролю якості даних морських берегових спостережень в рамках системи АССОКА.

2. Вперше виявлено, що довготривалі зміни аномалій висоти хвиль в прибережній зоні Азово-Чорноморського регіону характеризуються квазіперіодичними коливаннями міждесятилітнього масштабу, що вказує на зв'язок з глобальними кліматичними процесами.

3. Вперше проведена класифікація великомасштабних синоптичних процесів, що призводять до штормів в Азово-Чорноморському басейні.

Практичне значення одержаних результатів. Одержані в дисертації результати використовуються в поточній роботі Гідрометслужби України по обробці та контролю якості даних морських берегових спостережень. Є авторське свідоцтво №23158 і акти упровадження. Встановлені закономірності формування штормових умов в прибережній зоні Азово-Чорноморського регіону України дозволять поліпшити якість довгострокового прогнозу погоди, а також будуть використані для удосконалення учбових курсів у Вузах України географічного і гідрометеорологічного профілів.

Особистий внесок здобувача. Здобувачем спільно з науковим керівником проводилася постановка задач, обговорення основних результатів і формулювання висновків. Здобувачем особисто проводився вибір методів дослідження, аналіз і узагальнення результатів.

Частина наукових результатів, що увійшли до дисертації, опубліковані в співавторстві з академіком НАН України професором В.О. Івановим, членом-кореспондентом НАН України професором О.Б. Полонським, членом-кореспондентом НАН України професором Л.В. Черкесовим, д. геогр. н. О.М. Воскресенською, д. ф.-м. н. М.П. Євстигнеєвим, д. ф.-м. н. В.В. Фоміним, д. т. н. В.О. Гайським, к. ф.-м. н. В.П. Євстигнеєвим, к. ф.-м. н. Т.Я. Шульгою, Н.В. Михайловою, В.В. Белоусовим, які брали участь в постановці задач, обговоренні результатів і формулюванні висновків.

У роботах, опублікованих із співавторами, конкретний внесок здобувача полягав в наступному:

у роботах [3, 10, 13, 14] проаналізовані та описані синоптичні процеси аномальних погодно-кліматичних умов;

у роботах [5, 6, 16] виділена низькочастотна мінливість вітро-хвильових аномалій, проаналізований їх зв'язок із глобальними процесами в системі океан-атмосфера, проведена класифікація макросиноптичних процесів штормів, верифікація і інтерпретація результатів;

у роботах [7, 11, 15] виконана розробка підсистеми контролю якості даних, приймалася участь в обговоренні результатів;

у роботах [1, 2, 9] виконаний аналіз якості використовуваних даних і експертна оцінка якості розрахунків і експериментальних результатів;

у роботі [4] проведені підготовка і оцінка якості даних спостережень ГМС України, приймалася участь в розрахунках кореляційного зв'язку, аналізі та формулюванні висновків;

у роботі [8] проведена підготовка даних, виконані розрахунки кліматичних характеристик, приймалася участь в обговоренні результатів;

у роботі [12] виділена низькочастотна мінливість вітро-хвильових аномалій, проаналізований їх зв'язок з Північноатлантичним коливанням.

Апробація роботи. Основні результати роботи доповідалися на наступних регіональних і міжнародних конференціях:

1. Міжнародна наукова конференція «Фундаментальні дослідження найважливіших проблем природних наук на основі інтеграційних процесів в освіті і науці», Севастополь, 19 - 24 серпня 2006 р.

2. Міжнародна наукова конференція «Навколишнє природне середовіще-2007: актуальні проблеми екології та гідрометеорології; інтеграція освіти i науки», Одеса: "ТВС", 2007р.

3. Всеукраїнська науково-методична конференція «Молоді вчені в рішенні актуальних проблем науки і освіти», Севастополь, 3 - 4 березня 2008 р.

4. International Conference “Black Sea hurricanes and environmental contamination”, Varna, 2008 р.

5. Міжнародні науково-технічні семінари «Системи контролю навколишнього середовища», Севастополь, вересень 2006-2010 рр.

6. Міжнародна наукова конференція «Морському гідрофізичному інституту НАН України - 80 років: минуле, сьогодення і майбутнє», Севастополь, 8 - 10 вересня 2009 р.

7. Міжнародна наукова конференція «Функціонування і еволюція екосистем Азово-Чорноморського басейну в умовах глобальної зміни клімату», Севастополь, 6 - 11 вересня 2010 р.

8. First Biannual Scientific Conference “Black sea Ecosystem 2006 and Beyond”, Istanbul, Turkey, 2006.

9. International Conference «Global and Regional Climate Changes», Kyiv, November 2010.

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в 16 наукових працях, 10 з яких опубліковані у виданнях, що відповідають вимогам ВАК України до наукових видань, в яких можуть публікуватися основні результати дисертаційних робіт: 1 стаття в періодичному науковому журналі, 9 статей в збірках наукових праць. Здобувач має 1 авторське свідоцтво і 5 публікацій в збірках тез доповідей наукових конференцій.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел і додатку. Вона містить 169 сторінок друкарського тексту, зокрема 74 рисунків, з них 10 на 5 окремих сторінках і 12 таблиць. Список використаних літературних джерел з 174 найменувань займає 18 сторінок. Додаток займає 19 сторінок.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обговорюються актуальність проблематики вивчення вітро-хвильових умов прибережних районів Азово-Чорноморського регіону, формулюються мета і задачі дисертації, наводиться зв'язок роботи з науковими програмами і планами Морського гідрофізичного інституту НАН України. Приведені методи дослідження, характеристика використаних даних, наукова новизна одержаних результатів, практичне значення роботи, її апробація, наводиться характеристика опублікованих робіт і структура дисертації.

Перший розділ присвячений аналізу сучасного стану вивченості середньокліматичних і аномальних вітро-хвильових умов в прибережній зоні Азово-Чорноморського регіону України. Описуються особливості кліматичного режиму вітру і хвилювання, дається характеристика аномальних вітро-хвильових умов. Показується, що вивчення глобальних кліматичних аномалій і низькочастотної мінливості штормових умов в даному регіоні є актуальним і важливим як для практичного застосування в Гідрометслужбі для удосконалення довгострокових прогнозів погоди, так і для використання в моделях економічного і соціального розвитку сучасного суспільства.

В результаті проведеного огляду літератури зроблено висновок про те, що опубліковані до теперішнього часу відомості про вітро-хвильовий режим Азово-Чорноморського басейну стосуються в основному відкритої частини моря, а комплексний опис для прибережної зони відсутній. Відкритими питаннями також залишаються закономірності формування штормових умов на Азово-Чорноморському побережжі України, масштаби кліматичної мінливості вітро-хвильових характеристик та їх зв'язок з великомасштабними процесами в системі океан-атмосфера. Вказується, що повноцінний аналіз умов виникнення аномальних вітро-хвильових подій в даному регіоні неможливий без вивчення макросиноптичних процесів. Розглядаються наявні в літературі схеми і підходи по класифікації макросиноптичних процесів і робиться висновок про те, що для Азово-Чорноморського басейну типізація синоптичних процесів, що призводять до штормових вітро-хвильових умов, відсутня.

У другому розділі дисертації описується інформаційно-технологічна база для дослідження режиму і мінливості вітро-хвильових умов в прибережній зоні України Азово-Чорноморського регіону. Дається детальна характеристика даних спостережень на морських станціях (МГ) та постах (МГП) Державної гідрометеорологічної служби (Держгідромету) України (рис.1) і методів їх обробки.

Показано, що при вивченні штормового хвилювання на побережжі Азово-Чорноморського регіону за даними морських берегових пунктів критичними є не тільки тривалість і безперервність ряду спостережень, але і об'єкт спостереження, глибина в місці спостереження, сектор огляду, метод спостереження. У даній роботі використовувалися дані спостережень за хвилюванням за період 1954-2008 рр., оскільки до п'ятдесятих років спостереження велися візуально, визначався стан моря (у балах) для оперативного гідрометеорологічного забезпечення.

Висока якість використаних даних спостережень за вітром і хвилюванням була забезпечена створенням системи АССОКА (Автоматизована Система Збору Обробки Контролю і Аналізу даних морських прибережних спостережень), що було виконане у відділі обробки інформації Севастопольської гідрометеорологічної морської обсерваторії за участю автора. Дана система упроваджена на морській береговій мережі рішенням науково-технічної ради № 11 від 20.10.98 Гідрометслужби України. Схема руху гідрометеорологічних даних в АССОКА представлена на рис.2.

Основна увага була приділена контролю якості даних, який є багатоступеневою системою фільтрів, що розрізняються по чутливості (жорсткості) і характеру помилок, що виявляються (випадкові, систематичні). Сукупність методів автоматизованого контролю даних, реалізованих в АССОКА, підрозділяються на два види: синтаксичний і семантичний (смисловий) і реалізуються в повній відповідності із методичними вказівками до проведення критичного контролю даних гідрометеорологічних спостережень.

У даній роботі був проведений кореляційний аналіз глобальних масивів даних про атмосферний тиск з масиву глобальних даних NCEP/NCAR з даними спостережень Гідрометслужби (ГМС) України в регіоні Чорного і Азовського морів і показана ідентичність їх статистичної структури. Одержаний результат указує на можливість використання даних масиву NCEP/NCAR для класифікації великомасштабних атмосферних полів, відповідних умовам формування штормів в прибережній зоні морів України.

У третьому розділі приведена кліматична характеристика вітро-хвильових умов Азово-Чорноморського побережжя України, одержана за даними всіх пунктів спостережень. Розглядалися наступні характеристики вітро-хвильового режиму:

- висота хвиль і швидкість вітру (середня, максимальна, мінімальна) - по місяцях і сезонах;

- повторюваність (%) вітру і хвилювання по напрямках - по місяцях і сезонах;

- повторюваність (%) вітру і хвилювання по градаціях висоти хвиль (швидкості вітру) - по місяцях;

- повторюваність (%) типів хвилювання - по місяцях;

- повторюваність (%) типів хвилювання - по восьми румбах;

- небезпечна і стихійна висота хвиль і їх повторюваність в Азово-Чорноморському регіоні.

Відзначимо, при цьому, що аналіз типу хвилювання був проведений вперше. Проведені розрахунки і аналіз дозволили отримати нові результати.

Середньорічна висота хвиль на морських берегових пунктах спостереження ГМС України складає 0,3-0,8м. Найчастіше спостерігаються хвилі заввишки 0,5м і нижче, повторюваність яких складає 70-96%. Винятком є побережжя Криму, де такі хвилі спостерігаються рідше та їх повторюваність складає на південно-західній частині до 42%, а на Південному березі Криму (ПБК) - близько 60%.

Середньорічна повторюваність хвиль, що досягли критерію небезпечного явища (НЯ), на різних пунктах значно відрізняється і складає від 1,0 до 13,7 % (рис.3). Максимальна повторюваність таких висот хвиль відмічається на Кримському побережжі. На мілководних ділянках побережжя Чорного моря, на побережжі Азовського моря і в Керченській протоці небезпечна висота хвиль спостерігається вкрай рідко та її повторюваність складає менше 1%, а максимальні висоти за період з 1954 по 2008 рр. не перевищували 2м. На південно-західному побережжі Чорного моря і ПБК максимальні висоти хвиль можуть досягати 6-7м. За досліджуваний період абсолютний максимум 7,3м спостерігався 10 листопада 1981року на МГ «Херсонеський маяк».

Повторюваність вітру і хвилювання по напрямках над Азово-Чорноморським басейном обумовлена впливом переважаючих синоптичних процесів, бризової циркуляції та фізико-географічного розташування для кожного з районів. Переважаючими напрямками вітру в прибережних областях Чорноморської зони України є: вітри північної (більше 40%) і південної (більше 30% ) чверті в північно-західному регіоні; північно-східного напрямку (20%-26%) на Кримському побережжі за винятком ПБК, де переважають вітри північно-західного напрямку (до 41,5%). На побережжі Азовського моря переважним напрямком вітру є східний, повторюваність якого складає 22% - 30%. У теплий період року повторюваність вітру південного напрямку по всьому Азово-Чорноморському побережжю збільшується, що обумовлене формуванням бризової циркуляції.

Повторюваність по напрямках вітру і хвилювання для більшості пунктів спостереження істотно не відрізняється, що визначається типом хвилювання, яке в переважній більшості випадків вітрове за винятком Чорноморського побережжя Криму, де конфігурація берега створює сприятливі умови для деформації та екранування хвиль біля мисів при підході до берега. На південно-західній частині півострова спостерігаються два основні типи хвилювання: брижі / вітрове - більше 51%; вітрове - близько 38%. На ПБК основним типом хвилювання є брижі із повторюваністю протягом року від 73,3% (на МГ «Ялта») до 82,9% (на МГ «Алушта»). Найчастіше спостерігається хвилювання східного, південно-східного або південного напрямку, їх сумарна повторюваність досягає 96% - 98,3%.

Найбільшу небезпеку являють хвилі, висота яких досягає критерію стихійного гідрометеорологічного явища (СГЯ) - 6м і більше. За досліджуваний період 1954-2008 рр. на Чорному морі було відмічено лише 8 випадків СГЯ, які були зафіксовані на МГ «Херсонеський маяк» - 6 випадків і на МГ «Ялта» - 2 випадки. Проте, необхідно відзначити, що до значного збитку можуть призвести і такі шторми, при яких висота хвиль не досягає критерію СГЯ. Так, в період розвитку шторму 11 листопада 2007 року висота хвилі за даними МГ «Херсонеський маяк» досягала 5,0м, а при штормі 14-15 листопада 1992 року не перевищувала 4,0м, але, не дивлячись на це, збиток був значний. вітровий аномальний синоптичний шторм

У багаторічному ході аномалій максимальних висот хвиль у всі сезони і місяці чітко простежується чергування періодів стійких позитивних і негативних величин аномалій міждесятилітнього масштабу з точкою переходу, що припадає приблизно на 1983 рік (рис.4). Отриману картину можна охарактеризувати як зміну кліматичного режиму вітро-хвильових умов в регіоні.

Аналіз статистичних характеристик максимальних висот хвиль, проведений по ряду спостережень відокремлено місячних і річних екстремумів висоти хвилі за даний період, показав, що статистичний розподіл максимальних висот хвиль відповідає розподілу Гумбеля.

У даній роботі як критерій шторму використовувалася висота хвиль 3м і більше, яка відповідає не більше ніж 5%-ній забезпеченості. Всього за досліджуваний період спостерігалося 442 випадки штормів на побережжі України, для яких була проведена класифікація синоптичних процесів.

Статистичний аналіз розподілу числа штормів у часі за період найінтенсивнішої штормової діяльності 1954-1983 рр. (см. рис.4) показав його відповідність розподілу Пуасона. Ключовим параметром пуасонівського розподілу є середнє значення розподілу n=2.12, яке характеризує середнє число штормів за будь-який місяць осінньо-зимового періоду.

У розділі 4 виконаний аналіз великомасштабних синоптичних процесів, що призводять до штормів в Азово-Чорноморському басейні. Для об'єктивної класифікації таких процесів в даній роботі використовувався метод кластерного аналізу. Як початкові дані використовувалися відхилення абсолютних значень геопотенційної висоти баричного поля АТ 500 гПа поверхні від його середнього значення, нормовані на середнє квадратичне відхилення (СКВ) поля, тільки для тих випадків, коли висота хвиль досягала або перевищувала прийнятий критерій шторму. Кластерний аналіз проводився для випадків штормової хвилі в Азово-Чорноморському басейні України окремо по наступних групах: 5м і більше, 4,0-4,9м, 3,5-3,9м і 3,0-3,4м. За період 1954-2008 рр. таких випадків спостерігалося відповідно 45, 81, 106 і 210. Типи визначалися залежно від локалізації висотних гребенів на просторі першого природного синоптичного району з координатами: 20єп.ш., 50єз.д.; 90єп.ш., 90єс.д. Результати кластеризації були піддані верифікації з використанням результатів якісного аналізу синоптичним методом.

Кластерний аналіз дозволив виявити чотири типи меридіональної циркуляції: I тип - західний, II тип - змішаний, III тип - центральний, IV тип - східний. При цьому для західного і змішаного типів виділено два підтипи, макросиноптичні умови яких значно відрізняються. Так, в одному з підтипів західного типу здійснюється північно-західний перенос повітряних мас, а в іншому - північно-східний, східний. Аналогічно змішаний тип залежно від локалізації гребенів по відношенню до Азово-Чорноморського басейну представляється двома підтипами, в одному з яких перенос повітряних мас здійснюється з півдня на Чорне море), в іншому випадку - з півночі, північного заходу. Якнайповніші типи і підтипи зазначені для синоптичних процесів штормів 4,0-4,9м. Для випадків штормів з висотою хвиль 5м і більше відсутній IV тип, а I тип представлений тільки підтипом б. Дещо складними для аналізу вийшли результати при кластеризації синоптичних ситуацій штормів від 3,0 до 3,4м, що, можливо, пояснюється меншою активністю і стійкістю в часі синоптичних процесів, що обумовлюють такі шторми. Виділені типи меридіональної форми циркуляції співпадають з типами, емпірично одержаними в працях А.Л Каца.

Повторюваність великомасштабних синоптичних процесів штормів (висота хвиль більше 3м) по типах розподілилася таким чином: близько 42% випадків припадає на змішаний тип (II тип); значно рідше спостерігається IV тип - на частку якого припадає близько 13% (рис.5). У випадках для хвиль заввишки 5м і більше, також шторми найчастіше спостерігалися при II типі, на їх частку припадає більше 66 %.

Показано, що повторюваність (%) типів (підтипів) синоптичних процесів штормів для різних пунктів істотно відрізняється. Наприклад, на МГ «Херсонеський маяк» шторм спостерігається частіше всього при II типі синоптичних процесів, на ПБК - при III типі (39,1%), в північно-західному районі Чорного моря - при IV типі синоптичних процесів.

Подальший аналіз розподілу типів штормів був проведений по градаціях висоти хвилі, по різних районах Чорного моря і окремо для кожної з трьох найбільш показових станцій. Також приведена синоптична характеристика найсильніших штормів, що досягли критерію СГЯ. Аналіз синоптичних процесів біля поверхні Землі для випадків штормів із висотою хвилі ?3м проводився з використанням збірно-кінематичних карт і показав, що більш ніж в 65% шторми обумовлені південними циклонами, а інші - північно-західними (пірнаючими), однією з основних умов утворення, яких є меридіональна форма циркуляції. При цьому близько 30% штормових умов обумовлено чорноморськими циклонами.

У розділі 5 проведений аналіз мінливості вітро-хвильових аномалій в прибережній зоні Азово-Чорноморського регіону України як регіональний відгук на великомасштабні процеси в системі океан-атмосфера. Нагадаємо, що аналіз аномалій максимальних висот хвиль в даний період виявив квазіперіодичний характер з періодом 55-60 років. При цьому зміна знаку аномалій припадає приблизно на початок 1980-х років, було виділено два періоди з активною (1954-1983 - позитивна фаза) і слабкою штормовою діяльністю (1984-2008 - негативна фаза). Порівняльний аналіз фаз максимальних висот хвиль і частоти штормів у відповідні періоди показує, що шторми значно частіше спостерігалися в період з позитивними вітро-хвильовими аномаліями (1954-1983 рр.) і складали 87% від загального числа випадків.

Для більш обґрунтованого ствердження щодо виявленого характеру мінливості необхідно збільшити період ряду спостережень, що можливе тільки при використанні даних спостережень до 1954 року. Оскільки до 1954 року проводилися спостереження за станом моря (у балах), створений історичні масив за 1900-2008 рр. складається з неоднорідних даних, одержаних з використанням різних методів спостереження. Для уніфікації створеного ряду даних різнорідні ряди були перетворені в ряди безрозмірних нормованих на с.к.в аномалій. Таким чином, для аналізу використовувалися безрозмірні аномалії висоти хвиль. Слід зазначити, що, в спостережуваній квазіперіодичній мінливості характер зміни аномалій до 1954 року менш впорядкований, що очевидно, є наслідком використання менш точного методу спостереження за станом моря (в балах), і переривами в спостереженнях, які трапляються.

Періоди посилення прибережної штормової діяльності в Азово-Чорноморському регіоні на міждесятилітньому масштабі є приблизно синфазними з періодами інтенсифікації меридіональної циркуляції, які наводяться в деяких літературних джерелах.

Оскільки десятилітній-міждесятилітній масштаби мінливості гідрометеорологічних характеристик ряд дослідників пов'язують здебільшого з двома кліматичними сигналами: атлантичною мультидекадною осциляцією (АМО) і тихоокеанською декадною осциляцією (ТДО), в даній роботі був виконаний аналіз мінливості вітро-хвильових аномалій в прибережній зоні морів України у зв'язку з цими кліматичними сигналами. В результаті аналізу аномалій висоти хвиль виділені періоди, які відповідають фазам ТДО: 1900-1924 рр. - негативна; 1924-1946 рр. - позитивна; 1947-1976 рр. - негативна; 1977-2001 рр. - позитивна фаза і після 2002 р. визначається початок негативної фази ТДО. В той же час, в роботі відмічено, максимуми і мінімуми в низькочастотній мінливості висоти хвиль припадають на етапи зміни фаз ТДО. Це свідчить про те, що характер поведінки аномалій висоти хвиль формується на фоні тихоокеанських процесів системі океан-атмосфера декадного масштабу.

У даній роботі був проведений аналіз статистичного зв'язку аномалій висот хвиль з низькочастотними кліматичними сигналами, в результаті був знайдений кореляційний зв'язок (який особливо виявляється в зимовий сезон).

Величини коефіцієнтів кореляції складають 0,52 з АМО і -0,50 - з ТДО. Отже, їх сумісний вплив на формування вітро-хвильових аномалій в даному регіоні досягає 52%. На підставі виявленої тенденції показано, що наступний період збільшення числа штормів в районі Чорного моря може спостерігатися в 2020-2030 рр.

У додатку А наведені основні таблиці, що містять довідковий матеріал по морських станціях Гідрометеослужби України і розрахункові значення режимних гідрометеорологічних елементів, які використані в роботі.

У додатку б представлені рисунки карт баричної топографії та повторюваність об'єктів меридіональної форми циркуляції для різних типів синоптичних ситуацій штормів по градаціях висоти хвилі.

ВИСНОВКИ

В ході виконання дисертаційної роботи вперше проведений комплексний аналіз кліматичних вітро-хвильових умов і великомасштабних синоптичних процесів, що призводять до виникнення штормів (висота хвилі ?3 м) в Азово-Чорноморському регіоні. Основні результати і висновки роботи можуть бути сформульовані таким чином:

1. Розроблена спеціалізована підсистема контролю якості даних морських берегових спостережень в Азово-Чорноморському регіоні в рамках системи АССОКА. Система упроваджена в організаціях Державної Гідрометеорологічної служби України.

2. Вперше виконаний аналіз режиму вітро-хвильових характеристик по тривалих рядах даних 20 морських берегових пунктів спостережень в Азово-Чорноморському регіоні України:

· Показано, що середньобагатолітня висота хвиль складає 0,3-0,8м. Найбільшу повторюваність складають хвилі заввишки 0,5м і нижче (70-96%) за винятком південно-західного частини Криму (42%) і на ПБК (60%);

· Одержано, що середньорічна повторюваність хвиль, що досягають критерію небезпечного явища, на різних пунктах значно розрізняється і складає від 1,0 до 13,7 %. Максимальна повторюваність таких висот хвиль відмічена на побережжі Криму. На мілководних ділянках побережжя Чорного моря, на побережжі Азовського моря і в Керченській протоці повторюваність небезпечних висот хвиль складає менше 1%.

3. Вперше виконана класифікація великомасштабних процесів в середній тропосфері на рівні АТ-500гПа, що призводять до штормових умов в Азово-Чорноморському басейні. Виділено чотири типи і два підтипи процесів, які відповідають меридіональній формі циркуляції. У приземному шарі атмосфери (1000гПа) меридіональна форма циркуляції обумовлює штормові умови в 65% випадків виходом південних циклонів, а в 35% - північних («пірнаючих»).

4. Встановлено, що довготривалі зміни аномалій висоти хвиль в прибережній зоні України Азово-Чорноморського регіону характеризуються квазіперіодичними коливаннями міждесятилітнього масштабу із зміною знаку аномалій в кліматичному режимі вітро-хвильових характеристик, що вказує на їх зв'язок з глобальними кліматичними процесами.

5. Виявлено, що на десятилітньому-міждесятилітньому масштабі формування штормів в прибережній зоні Азово-Чорноморського регіону України значною мірою пов'язане з сумісним впливом АМО і ТДО, який визначає близько 52% аномалій висоти хвиль.

ОСНОВНІ РОБОТИ, ОПУБЛІКОВАНІ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Моделирование колебаний уровня Азовского моря, вызываемых ветром / В.А. Иванов, В.А. Наумова, В.В. Фомин, Л.В Черкесов, Т.Я. Шульга // Морской гидрофизический журнал. - 2008. - №. 6. - С. 53-65.

2. Ефимов В.В. Статистическая оценка ветровых данных реанализа по данным срочных измерений ветра на метеостанциях северного побережья Черного моря / В.В. Ефимов, О.И. Комаровская, В.А. Наумова // Системы контроля окружающей среды. - 2004. - С. 214-216.

3. Воскресенская Е.Н. Глобальные процессы в системе океан-атмосфера и экстремальные погодно-климатические аномалии в Черноморско-азовском регионе / Е.Н. Воскресенская, В.А. Наумова // Системы контроля окружающей среды. - 2006. - С. 319-323.

4. Михайлова Н.В. Сравнительный анализ гидрометеорологических данных глобальных массивов NCEP/NCAR и COADS с данными наблюдений гидрометслужбы Украины в регионе Черного моря / Н.В. Михайлова, В.А. Наумова, Е.Н. Воскресенская // Системы контроля окружающей среды. - 2008. - С. 312-315.

5. Низкочастотная изменчивость повторяемости экстремальных штормов в Азово-Черноморском бассейне / Е.Н. Воскресенская, В.А. Наумова, М.П. Евстигнеев, В.П. Евстигнеев // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. - 2009. - Вып.19. - С. 386-394.

6. Классификация синоптических процессов штормов в Азово-Черноморском бассейне / Е.Н. Воскресенская, В.А. Наумова, М.П. Евстигнеев, В.П. Евстигнеев // Наукові праці Українського науково-дослідного гідрометеорологічного інституту. - 2009. - Вып. 258. - С. 189-200.

7. Евстигнеев В.П. Комплекс автоматизированных систем сбора, обработки, контроля, анализа и хранения данных гидрометеорологических наблюдений - АССОКА / В.П. Евстигнеев, В.А. Наумова, М.П. Евстигнеев // Системы контроля окружающей среды. - 2009. - С. 157-162.

8. Ветро-волновые условия Азово-Черноморского побережья Украины / В.А. Наумова, М.П. Евстигнеев, В П. Евстигнеев, Е.П. Любарец // Наукові праці Українського науково-дослідного гідрометеорологічного інституту. - 2010. - № 259. - С. 263-283.

9. Результаты опытной эксплуатации измерителя уровня моря ИУМ-1 /, Н.А. Греков, В.И Забурдаев., П.В. Гайский, А.Н. Логвинчук, А.П. Алексеев, В.А. Наумова // Системы контроля окружающей среды. - 2005. - С. 53-66.

10. Белоусов В.В. Изучение апвеллинга в прибрежной зоне Южного берега Крыма / В.В. Белоусов, Е.Н. Воскресенская, В.А. Наумова // Системы контроля окружающей среды. - 2007. - С. 280-283.

11. А. с. Комп'ютерна програма „АССОКА (Морская гидрология)” / М.П. Євстигнєєв, В.П. Євстигнєєв, В.А. Наумова, Т.А. Тимофеїчева, Ю.В. Дороніна, Г.В. Тараненко. - №23158; реєстрація 19.12.07.

12. Polonsky A.B. Climatic anomalies, Black Sea hurricanes and environmental contamination / A.B. Polonsky, E.N. Voskresenskaya, V.A. Naumova // Bulletin of Black Sea Commission. - 2008. - Issue 10. - P. 3-5.

13. Воскресенская Е.Н. Крупномасштабные процессы в системе океан-атмосфера и экстремальные погодно-климатические условия в Черноморском регионе / Е.Н. Воскресенская, Н.В. Михайлова, В.А. Наумова // Фундаментальные исследования важнейших проблем естественных наук на основе интеграционных процессов в образовании и науке: междунар. науч. конф., 19-24 августа 2006г.: тезисы докл. - Севастополь, 2006. - С. 103.

14. Воскресенская Е.Н. Крупномасштабные процессы в системе океан-атмосфера и экстремальные гидрометеорологические условия в Черноморском регионе / Е.Н. Воскресенская, Н.В. Михайлова, В.А. Наумова // Навколишнє природне середовище-2007: актуальні проблеми екологii та гiдрометеорологii; iнтеграцiя освiти i науки: междунар. науч. конф., 2007: тези доп. - Одеса, 2006. - C. 28.

15. Евстигнеев М.П. Система АССОКА (морская гидрология) для сбора, обработки и контроля данных морских гидрологических наблюдений / М.П. Евстигнеев, В.П. Евстигнеев, В.А. Наумова // Молодые ученые в решении актуальных проблем науки и образования: материалы Всеукр. науч.-метод. конф., 3-4 марта 2008 г. - Севастополь, 2008. - С. 8-11.

16. Storm surges in Azov-Black Sea as regional response to large-scale processes in ocean-atmosphere system / V.A. Naumova, E.N. Voskresenskaya, M.P. Evstigneev, V.P. Evstigneev // Global and Regional Climate Changes: International Conference, 16-19 Nov 2010: books of abstracts. - Kyiv (Ukraine), 2010. - P. 30-31.

АНОТАЦІЇ

Наумова В.А. Вітро-хвильові аномалії в прибережній зоні морів України та їх зв'язок з великомасштабними атмосферними процесами. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата географічних наук за фахом 11.00.09 - метеорологія, кліматологія, агрометеорологія. - Морський гідрофізичний інститут НАН України, м. Севастополь, 2011.

Дисертація присвячена аналізу режимних характеристик вітро-хвильових умов в прибережній зоні України Чорного і Азовського морів, а також вивченню їх погодно-кліматичних аномалій. У основу досліджень покладений комплексний аналіз даних термінових спостережень Гідрометслужби України на двадцяти морських берегових пунктах Азово-Чорноморського басейну за параметрами вітру і хвилювання в 1900-2008 рр., а також масиви приземних і висотних полів тиску з глобального реаналізу NCEP/NCAR за 1954-2008 рр. Розроблена і впроваджена в організаціях Державної Гідрометеорологічної служби України спеціалізована підсистема контролю якості даних морських берегових спостережень в рамках системи АССОКА. Вперше показано, що довготривалі зміни аномалій висоти хвиль в прибережній зоні Азово-Чорноморського регіону характеризуються квазіперіодичними коливаннями міждесятилітнього масштабу, що вказує на зв'язок із глобальними кліматичними процесами. Вперше проведена класифікація великомасштабних синоптичних процесів, що призводять до штормів в Азово-Чорноморському басейні. Виявлено, що на десятилітньому-міждесятилітньому масштабі відмічається зміна вітро-хвильового режиму. Показано, що формування штормів в прибережній зоні Азово-чорноморського регіону України пов'язане з сумісним впливом Атлантичної мультидекадної осциляції та Тихоокеанської мультидекадної осциляції, який визначає близько 52% аномалій висоти хвиль. Одержані результати мають важливе прикладне значення, частина з них вже упроваджена в практику Гідрометслужби України.

Ключові слова: вітро-хвильові аномалії, низькочастотна мінливість, меридіональна форма циркуляції, класифікація синоптичних процесів, Азово-Чорноморське побережжя України.

Наумова В.А. Ветро-волновые аномалии в прибрежной зоне морей Украины и их связь с крупномасштабными атмосферными процессами. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук по специальности 11.00.09 - метеорология, климатология, агрометеорология. - Морской гидрофизический институт НАН Украины, г.Севастополь, 2011.

Диссертация посвящена анализу режимных характеристик ветро-волновых условий в прибрежной зоне Украины Черного и Азовского морей, а также изучению их погодно-климатических аномалий. В основу исследований положен комплексный анализ данных срочных наблюдений Гидрометслужбы Украины на двадцати морских береговых пунктах Азово-Черноморского бассейна за параметрами ветра и волнения в 1900-2008гг., а также массивы приземных и высотных полей давления из глобального реанализа NCEP/NCAR за 1954-2008гг. Особое внимание в диссертационной работе посвящено усовершенствованию информационно-технологической базы, положенной в основу последующих исследований. При участии автора разработана специализированная подсистема контроля качества данных морских береговых наблюдений в рамках системы АССОКА. Система внедрена в организациях Государственной Гидрометеорологической службе Украины.

Исследованы типичные и аномальные ветро-волновые условия Азово-Черноморского побережья Украины. Показано, что среднегодовая высота волн составляет 0,3-0,8м. Наибольшую повторяемость составляют волны высотой 0,5м и ниже (70-96%) за исключением юго-западной части Крыма (42%) и на ЮБК (60%). Получено, что среднегодовая повторяемость волн, достигающих критерия опасного явления, на разных пунктах значительно различается и составляет от 1,0 до 13,7 %. Максимальная повторяемость таких высот волн отмечается на побережье Крыма. На мелководных участках побережья Черного моря, на побережье Азовского моря и в Керченском проливе повторяемость опасных высот волн составляет менее 1%. Впервые выполнена классификация крупномасштабных процессов в средней тропосфере на уровне АТ-500гПа, приводящих к штормовым условиям в Азово-Черноморском бассейне. Выделено четыре типа и два подтипа процессов, соответствующих меридиональной форме циркуляции. В приземном слое атмосферы (1000гПа) меридиональная форма циркуляции обусловливает штормовые условия в 65% случаев выходом южных циклонов, а в 35% - северных («ныряющих»). Обнаружено, что долговременные изменения аномалий высоты волн в прибрежной зоне Украины Азово-Черноморского региона характеризуются квазипериодическими колебаниями междесятилетнего масштаба со сменой знака аномалий в климатическом режиме ветро-волновых характеристик, что указывает на их связь с глобальными климатическими процессами. Выявлено, что на десятилетнем-междесятилетнем масштабе формирование штормов в прибрежной зоне Украины Азово-Черноморского региона связано с совместным влиянием АМО и ТДО, которое определяет около 52% аномалий высоты волн. Полученные результаты имеют важное прикладное значение, часть из них уже внедрена в практику Гидрометслужбы Украины.

Ключевые слова: ветро-волновые аномалии, низкочастотная изменчивость, меридиональная форма циркуляции, классификация синоптических процессов, Азово-Черноморское побережье Украины.

Naumova V.A. Wind-wave anomalies in the Black sea and Azov coastal zone and their link with large-scale processes in atmosphere. - Manuscript.

Thesis to claim the academic degree of candidate of geographical sciences on the specialty 11.00.09 - meteorology, climatology, agrometeorology. - Marine Hydrophysical Institute, National Academy of Sciences of the Ukraine, Sevastopol, 2011.

The thesis is dedicated to analysis of wind-wave climate characteristics over the Black Sea and Azov coastal zone ant to study their climate-weather anomalies. The basis of study is the complex analysis of wind - wave data sets of standard observations of Hydrometeorological Service of Ukraine at the twenty marine coastal stations at the Azov-Black Sea basin in 1900-2008, and the global NCEP/NCAR re-analyses data sets in sea level and high level pressure in 1954-2008. The specific quality control subsystem for data of standard coastal observations within ASSOCA system was created and implemented in the agencies of State Hydrometeorological service of Ukraine. It was found that low-frequency wave-height anomalies in Black Sea and Azov coastal zone are characterized by quasi-periodical interdecadal scale. This result denotes the links with global climatic processes. For the first time the classification of large-scale synoptic processes leading to the storms in the Black Sea and Azov basin was done. It was shown that decadal-interdecadal wind-wave variability is characterized by climate regime change and storms generation is associated with joint AMO and PDO influence which is responsible for about 52% of wave height anomalies. The results of thesis are very important for application in different sectors of national economy while part of them are applied to the practice of Hydrometeorological Service of Ukraine.

Key words: wind-wave anomalies, low-frequency, meridional type of circulation, classification of synoptic processes, Ukrainian coastal zone of Black and Azov sea.

Размещено на Allbest.ru

...