Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Статистические характеристики колебаний уровня Черного моря вдоль Болгарского побережья 8
1.1. Определение среднего многолетнего уровня 8
1.2. Характеристики экстремальных уровней различной обеспеченности 19
1.2.1. Расчет максимальных уровней. 27
1.2.1. Расчет минимальных уровней 31
Глава 2. Структура и условия формирования колебании уровня моря вдоль Болгарского побережья 36
2.1. Общая структура колебаний уровня Черного моря. 36
2.2. Исходные данные и методы анализа 40
2.3. Основные колебания, выделяемые на спектрах уровня Черного моря вдоль Болгарского побережья 53
2.4. Исследование влияния атмосферных факторов на формирование структуры колебании уровня моря 67
Глава 3. Применение статистических методов прогноза штормовых нагонов по Болгарскоме побережью 87
3.1. Выбор и построение схемы прогноза уровня во время сильных штормов 88
3.2. Основные результаты применения разработанной схемой прогноза 93
Глава 4. Численное моделирование штормовых нагонов по Болгарскому побережью 109
4.1. Обзор методов численного моделирования штор мовых нагонов 110
4.2. Применение линейной модели для изучения и прогнозирования штормовых нагонов по Болгар скому побережью. Н8
Заключение 132
Литература... 136
- Характеристики экстремальных уровней различной обеспеченности
- Основные колебания, выделяемые на спектрах уровня Черного моря вдоль Болгарского побережья
- Исследование влияния атмосферных факторов на формирование структуры колебании уровня моря
- Основные результаты применения разработанной схемой прогноза
Введение к работе
В последние годы требования к гидрометеорологическому обслуживанию в районе Болгарского побережья Черного моря непрерывно возрастают. Быстрое экономическое развитие народного хозяйства и увеличивающееся значение морских ресурсов сопровождаются здесь большим строительством разнообразных гидротехнических сооружений, В этом отношении уровень является одним из наиболее важных элементов, характеризующих режим прибрежной зоны моря. Несмотря на то, что гидрологический режим Черного моря в основном известен, до сих пор его западный район достаточно не изучен. Исследования колебаний уровня моря вдоль Болгарского побережья тоже немногочислены. Большая часть из них посвящена изучению сезонного и векового хода и его связи со стоком реки Дунай. Изучению короткопериодных колебаний уровня, и особенно непериодических^до последнего времени внимания не уделялось. В то же время эти колебания уровня оказывают наиболее существенное влияние на эксплуатацию всех береговых сооружений и в ряде случаев с ними связаны большие материальные потери, которые несет народное хозяйство Болгарии.
В связи с этим в Институте гидрологии и метеорологии (ИГМ) Главного управления гидрологии и метеорологии (І7ГМ) в Софии была поставлена задача изучить режим уровня Западного побережья Черного моря и разработать методы прогноза штормовых нагонов, которые наносят наибольший ущерб народному хозяйству. Отсюда
— 5 "*
целью настоящей работы явилось изучение структуры колебаний уровня и формирования штормовых нагонов и разработка методов их прогноза.
Исходя из основной цели,решались следующие задачи:
Определить средний многолетний уровень с повышенной точностью по имеющимся длинным рядам наблюдений и характеристики экстремальных уровней различной обеспеченности,
Изучить вдоль побережья структуру среднемасштабных колебаний уровня и особенно в зоне синоптического частотного диапазона, вскрыть условия ее формирования в зависимости от вынуждающих сил.
Разработать эффективные методы прогноза штормовых нагонов, применимые в оперативной практике Гидрометслужбы НРБ*
Полученные результаты при выполнении поставленных задач изложены в настоящей диссертации, диссертация состоит из четырех глав.
Первая глава посвящена определению среднего уровня и экстремальных характеристик уровней Черного моря вдоль Болгарского побережья. Сделан краткий анализ имеющихся данных. Показано существенное влияние локальных оседаний на точность расчета среднего уровня, который определен по обычной методике и с повышенной точностью путем устранения остаточной энергии оезонных колебаний в среднегодовых уровнях. Характеристики экстремальных уровней получены аппроксимацией эмпирических распределений экстремумов .двойным экспоненциальным законом распределения и последующей его экстраполяцией. Реализации годовых экстремумов исследованы на однородность и полученные результаты прежде всего отражают метеорологические условия их формирования.
Во второй главе рассмотрены структура и условия формирования колебаний уровня моря вдоль побережья. Сделан краткий обзор работ советских и болгарских исследователей. Для анализа использованы мареографные данные двух дискретностей (І час и 2,5 мин). Структура колебаний исследована с применением спектрального анализа, а изучение условий ее формирования выполнено с помощью метода спектральной регрессии и аппарата линейных динамических систем с постоянными параметрами. Исследованы качества различных фильтров,применяемых для подавления суточных и полусуточных колебаний. В результате проведенных исследований вскрыта структура колебаний уровня в частотном диапазоне от одного цикла за несколько минут до одного цикла за несколько суток. Показана устойчивость в течение года полусуточных колебаний приливного происхождения. Выявлено влияние бризовой циркуляции и подавление ею ночного максимума в колебаниях уровня. Установлена необходимость учета наиболее мощных сейш в западной части моря как регионального фактора в колебаниях уровня, обусловленность двухсуточных колебаний флуктуаци-*-ями атмосферного давления, доминирующее влияние продольного ветрового напряжения на формирование колебаний уровня синоптического частотного диапазона и необходимость использования в качестве второго входа линейной системы продольного к берегу градиента даления.
В третьей главе изложена методика статистического прогноза штормовых нагонов. В разработанной схеме прогноза используется в качестве основных предикторов последовательность полей атмосферного давления, которая подвергается разложению естественным ортогональным функциям (е.о.ф.). Коэффициенты разложений используются в качестве предикторов, а регрессионные уравнения
_ 7-
для каждого следувдего срока получаются пошаговой регрессией. Испробованы различные варианты составления регрессионных прогностических уровней. На основе оценок качества прогнозов высказаны соображения о построении прогностических уравнений в зависимости от конкретных особенностей метеорологической обстановки.
В четвертой главе рассматривается применение линейной численой модели для исследования штормовых нагонов по Болгарскому побережью. Сделан краткий обзор численных моделей динамики уровня на мелководье, указана применимость отдельных моделей и целесообразность учета отдельных членов уравнений.Из-ложены основные моменты численной реализации выбранной линейной модели на однородной и сочетающейся пространственной сетке. Обсуждены результаты применения двух вариантов этой модели к штормам в ноябре 1976 г.', январе 1977 г. и феврале 1979г. и высказаны соображения о целесообразности их применения в зависимости от конкретных целей исследования.
Основные результаты работы изложены в следующих публикациях [85-90] V
Работа выполнена в Институте гидрологии и метеорологии Болгарской Академии Наук и на кафедре "Динамика океана" Ленинградского гидрометеорологического института. В работе использованы данные из архивов Главного управления гидрологии и метеорологии и Главного управления геодезии и картографии (НРБ). Все вычисления сделаны по программам,составленным автором, и выполнены' в ВЦ І7ГМ в Софии на ЭВМ EC-I022.
Автор выражает искреннюю признательность Н.Н.Смирнову за руководство работой и коллективу кафедры "Динамика океана", с с которыми имел удовольствие обсуждать отдельные стороны настоящей работы и пользоваться их советами*
" О "
Характеристики экстремальных уровней различной обеспеченности
Статистические характеристики экстремальных уровней Черного моря вдоль Болгарского побережья вообще не исследованы.Правда необходимо упомянуть об исследовании Е.Крыстевой [79]. Она выполнила статистическую обработку амплитуд ежесуточных колебаний Варны и Бургаса за двадцатилетний период 1929-1948 годов и установила, что максимальная ежесуточная амплитуда для Варны составляет 128 см и была обнаружена во время интенсивных сейше-вых колебаний, вероятно сейсмического происхождения. Для Бургаса определенная ею максимальная амплитуда была равна соответственно 74 см. Эти исследования не связаны с определением экстремальных высот уровня штормового происхождения, так как наиболее интенсивные нагоны по Болгарскому побережью имеют продолжительность больше суток и высота нагона реализуется в продолжении нескольких суток, а в [79] определена только максимальная суточная амплитуда. Кроме этого Е.Крыстева [75] выполнила и статистическую обработку синоптических обусловленных сгонов и нагонов за 12-летний период 1956-1968 г .г. Но, используя ежесуточные данные Гидрометслужбы, полученные ею статистические характеристики сгонов и нагонов определенно занижены. Так, рассчитанные ею максимальные колебания для Варны составили 52 см и для Бургаса - 55 см. Эти высоты вдвое меньше высот штормовых нагонов в октябре 1976, январе 1977 и феврале 1979 г.г.
Экстремальные высоты уровней редкой повторяемости имеют первостепенное значение при проектировании морских гидротехнических сооружений. От них зависит объем и стоимость строительства. От минимальных уровней зависят проходные глубины каналов и портовых акваторий. Во время последних наиболее сильных штормов в октябре 1976, январе 1977 и феврале 1979 годах вследствие повышения: уровня были затоплены большие акватории наиболее важных портов Болгарского побережья. Рассмотрение данного вопроса сейчас особенно актуально, потому что в течение 15-20 лет до 1976 года штормов такой интенсивности не было.
Для настоящего исследования были использованы наблюдения над уровнем моря, проводимые по рейкам ГУГМ в пунктах Варна, Несебр и ЗЗургас с начала 1924 года. Рейки этих постов находятся в пристанях одноименных городов,и весь период 1924-1979 г.г. представлен качественными наблюдениями, за исключением штормового нагона в феврале 1979 г., когда морские волны перевалили волноломы и подход к рейкам был невозможным. Поэтому было принято, что во время упомянутого шторма был отмечен абсолютный максимум максиморум уровня за весь период наблюдений. Стабильность "нулей" постов Варны и Бургаса установлена при определении среднемноголетнего уровня. Движение "нуля" Несебрского поста до 1944 г. аналогичное движению Біургасского, а с 1944 г. начинает равномерно снижаться до 1951 года, вследствие погружения несущей эстакады, после того была построена новая пристань и старая эстакада разрушена. Поэтому за этот период "нуль" Несеб-рокого поста исправлен по "нулю" ближайшего Зургасского поста. На рис.6 представлена зависимость между среднемесячными, месячными максимальными и минимальными уровнями в Бургасе и Несебре за 1977-1979 г.г., а на рис.7 представлены изменения среднегодовых уровней трех постов. Величины трендов, согласно [59] получены следующие: для Варны CL = -2,70 + 0,54 мм/год, для Несебр CL = 1,96 + 0,61 мм/год, для Бургаса а = -1,63+0,59 мм/год, при доверительной вероятности Р = 90$.
Для расчета уровней редкой повторяемости применяется аппроксимация эмпирических распределений двойным экспоненциальным законом распределения и последующая его экстраполяция, потому что при неизвестном теоретическом распределении, распределение экстремумов следует этому закону. Для расчета экстремальных уровней различной обеспеченности была использована методика,разработанная в ГОИНе В Д.Германом [15, I7J. Гибкость методики состоит в том, что представлены три предельные распределения, аппроксимирующие все встречающиеся в практике случаи, и экстраполируется региональная кривая распределения, объединяющая несколько станций с близким режимом колебаний уровня. Б нашем случае целесообразно использовать годовые экстремумы для составления эмпирических кривых распределения, так как в этом случае отдельные члены выборки независимы. Для увеличения длины исходных рядов и повышения репрезентативности выборки Е.Е. Дворкин [23] предложил использовать месячные или декадные экстремумы, но такой подход в нашем случае нецелесообразно применять, так как разовыми отсчетами по рейкам регистрируются наиболее продолжительные изменения уровня, а вторичные колебания между отсчетами не улавливаются. Эти "вторичные" максимумы при уменьшении интервала дискретизации приобретают непрерывно увеличивающееся значение. Возможен и другой подход - можно составить выборку из всех максимумов, превышающих данный произвольно выбранный уровень-базис, т.е. составить "усеченные выборки". Но оказывается, что величина этого базиса в большинстве случаев предопределяет вид распределения.
Основные колебания, выделяемые на спектрах уровня Черного моря вдоль Болгарского побережья
На приведенных спектрах (рис.13) наиболее отчетливо видно присутствие полусуточных и суточных составляющей. Изменение спектральной энергии полусуточных составляющей по отдельным станциям имеет следующий характер: наибольшее значение (лххШ наблюдается в Бургасе, в Иракли и Ахтополе Gxx(J-) мало отличается от Бургаса, а в Варне она в два раза меньше, чем у Бургаса, Спектральная энергия полусуточных колебаний сравнительно мало ИЗМЄЕЯЄТСЯ в зависимости от сезонов года. Эти результаты подтверждают устойчивость одноузловой полусуточной сейши, охватывающей все море в целом, приливное происхождение которой показано И.В.Еурчатовым [14, 64J еще в 1925 г. Более высокие значения спектральной энергии в Бургасе очевидно объясняются влиянием залива, пункты Иракли и Ахтополь расположены сравнительно недалеко от Бургаса вдоль продольной оси,по которой распространяется приливная волна. Пункт Варна расположен севернее от нее.
Существенные изменения в зависимости от сезонов года испытывают суточные колебания. Максимальные значения их спектральной энергии наблюдаются летом, когда они сравнимы с энергией полусуточных. Зимой их энергия уменьшается в 2-4 раза. Это указывает на то, что летом на небольшие суточные колебания накладываются и сгонно-нагонные периодические колебания бризового происхождения. Изменение их спектральной энергии по отдельным станциям невелико.
Здесь необходимо указать, почему Е.Крыстева [во] получила в суточном ходе уровня в Варне и Бургасе только одну волну суточного периода. На рис. 14,А показан суточный ход уровня,полученный осреднением ежечасных наблюдений для использованных нами периодов наблюдений: для летнего периода Варна - I, Иракли - 2, Бургас - 3, Ахтопол - 7; для зимнего периода 1977-1978 г.г. Варна 5, Бургас - 6, Ахтопол - 7; для зимнего периода 1968-1969 г.г. Варна - 8, Бургас - 9. Из рисунка видно, что ночью максимумы отмечаются около 4-5 час по Московскому времени, и именно тогда, в июле, континентальный бриз интенсивно действует. Поэтому следует предполагать, что июльский "ночной" максимум компенсируется сгоном континентального бриза, а "дневной" максимум усиливается морским. Это подтверждается суточным ходом уровня на четырех станциях (рис.14,В , полученного осреднением июльских ежечасных наблюдений за 1979 г. (нумерация прежняя). Аналогичные графики строились и для других месяцев летнего периода (Рис.14,Б) в Варне и в Бургасе (рис.14,Г), Их анализ показал, что в июле в результате бризовой деятельности амплитуда среднего для этого месяца хода уровня нарастает около двух раз и летний дневной максимум всегда выше зимнего,
В никзочастотных областях спектров различаются не особенно мощные колебания в диапазоне периодов от 36 до 60 часов. Их присутствие наиболее отчетливо на спектрах зимнего периода 1977-1978 г.г.: в Бургасе их период Т = 52 час и в Варне, Иракли и Ахтополе Т = 60 час. На спектрах второго исследуемого зимнего периода 1968 1969 г.г, они очень слабы. На летних спектрах энергия колебаний в диапазоне 48 60 час тоже невелика. Колебания такого рода широко распространены в Мировом океане и являются ре« зультатом взаимодействия океана и атмооферы и поэтому их максимумы на спектрах колебаний уровня моря называются синоптическими.
Черное море и особенно участок Болгарского побережья характеризуются небольшими размерами. Однако условия у различных участков заметно неодинаковы. Северное побережье находится недалек ко от обширной мелководной зоны Северо-западного района моря, а у южного побережья ширина шельфа до изобаты 200 м (начало склона) не больше 40 км. Поэтому следует ожидать, что хотя колебания уровня формируются под совместным влиянием ветра и атмосферного давления на всем побережье, возможно и изменение характера этого воздействия вдоль него. Так как энергия колебаний синоптического частотного диапазона небольшая, лучше всего они выявляются функциями когерентности между отдельными станциями (рис.15);. Вы« сокая когерентность между станциями кроме приливных частот отмечается и в частотном диапазоне у = 19,5" , -15,0 1 ц/час и по-видимому связана с наличием небольших инерционных колебаний в прибрежных течениях. Болгарское побережье находится между 42 и 44 с-.ш.", для которого теоретические значения периодов инерционных колебаний соответственно изменяются от 17,9 до 17,2 час. Отмеченное на функциях когерентности уширение инерционного частотного диапазона может быть взывано влиянием шельфа и конфигурации берега на характер инерционных течений.
Начиная с частоты = 24 ц/час, когерентность между всеми станциями выше верхнего нулевого уровня. На частоте Зб" 1 ц/час когерентность между всеми станциями для всех исследуемых периодов выше когерентности на соседних частотах. Возможной причиной может быть присутствие свободных длинных волн. По функциям сдвига фаз получено, что они распространяются с севера на юг и их скорость около 45 км/час.
Исследование влияния атмосферных факторов на формирование структуры колебании уровня моря
Основные частоты и амплитуды синоптических колебаний зависят от динамики атмосферы, характера взаимодействия с морем и от условия выполнения закона "обратного барометра" статической реакции уровня океана на изменения атмосферного давления. В результате проведенных исследований Б.В.Хэмон [l09, НО, III] , Б.В.Хэмон и Е.И.Хэннан [ііз], К.Дунш [l44j, Б.В.Хэмон и Д.С.Годфрей [lI2J, Е.Лисыцина [l2lj, С.СЛаппо [І37, 38], В.Х.Герман и С.П.Левиков [20], О.Н.Лихачева и А.В.Скрипник [44] и др. установили, что отклик уровня на изменения атмосферного давления является сложным и характер его изменяется на различных частотах. Воздействие атмосферного давления на уровень океана в шельфових и мелководных районах не подчиняется статическому закону и в зависимости от местных условий локальный синоптический максимум уровня формируется при преобладающем вкладе ветрового напряжения. Вариации атмосферного давления при отсутствии зоны мелководья вызывают колебания уровня в соответствии с, законом "обратного барометра".
Отличия в реакции уровня в этом случае связываются с существованием резонансных механизмов, усиливающих колебания на частотах собственных колебаний исследуемого района [44J. Существование резонансных механизмов и преобладающая роль собственных колебаний уровня в синоптическом диапазоне объясняет наблюдаемые по экспериментальным данным отклонения от теоретически рассчитанных монотонных частотных передаточных функции, несущественно трансформирующих исходные спектры метеорологических возмущений [37]. Поэтому в зависимости от местных условий отклик уровня отличается от равновесного для различных пунктов и может даже заметно отклоняться от него [39, 40) С.С.Лаппо [37] подразделяет отклик уровня на два типа - высокочастотный и никзочастотный. Периоды высокочастотного отклика имеют порядок часов. Его величина может быть больше статической, если наблюдаемые колебания давления приурочены к берегу и в его формирование преимуществоенно принимают участие длинные краевые волны. Отклик уровня на низкочастотные колебания давления меньше или приближается к статическому и здесь энергия колебаний атмосферного давления отдается шельфовим волнам или волнам Роосбы. На рис.18 представлено частотное изменение барометрического фактора Mi) , рассчитанного по рядам дискретностью 24 час после фильтрации высокочастотных колебаний КМ. Для летнего периода на всех станциях максимум В (і) наблюдается на частоте 2Г1 ц/дн. Максимальное значение fb(i) получено на станции Варна Р() -= -2,03 см/мб. В Иракли он равен /3(1г) - -1,30 см/мб, в Бургасе A(f)= -1,07 см/мб и Ахтополе 3({-) = -0,70 см/мб, т.е на остальных станциях он колеблется около статического значения. На средних частотах около 4,3 1 ц/дн. отклик уровня меняет фазу, в Варне он минимален B(i)- 0,21 см/мб, а в открытоморских станциях Иракли и Ахтопол он равен 0,46 см/мб, а в Бургасе 0,57 см/мб. Во время зимнего периода 1977-1978 г.г. на всех частотах барометрический фактор незначителен. Это может быть связано с изменением характера взаимодействия атмосферы с морем. Зимой динамичность метеорологических процессов над Черным морем значительно увеличивается и относительный вклад барометрического фактора в формирование колебаний уровня естественно резко уменьшается. Его максимум отмечается тоже на частоте 2Г ц/дн, но здесь он ниже статического. На средних частотах он колеблется около нуля. На рис.18 представлены и модули передаточных функций ІН ШІ Модули передаточных функций в данном случае представляют полный "динамический" барометрический фактор fb (fr) . Существенного изменения по сравнению со статическим барометрическим фактором нет. Только на высоких частотах в области двухсуточной изменчивости для всех станций В ($) увеличивается, т.е. на всех станциях увеличивается сдвинутая по фазе реакция уровня.
Основные результаты применения разработанной схемой прогноза
Синоптические условия возникновения штормов на Черном море рассмотрены еще К.М.Дончевым [7l], который обобщил опыт болгарских, русских и советских исследователей. Синоптические условия возникновения штормовых нагонов по Болгарскому побережью по обширному материалу изучены Е.Крыстевой [75, 79] , а анализ конкретной обстановки во время февральского шторма 1979 года сделан в [б7]. Условия возникновения всех интенсивных штормов сходны - над ETC располагается мощный антициклон, по южному пути над Средиземным и Эгейским морями продвигаются средиземноморские циклоны, которые,взаимодействя с антициклоном, способствуют увеличению барического градиента и, как следствие, скоростей ветра над Балканским полуостровом и Черным морем. Когда создаются условия для блокировки средиземноморского циклона, сильный ветер над Черным морем задерживается на несколько дней, что и является условием возникновения экстремальных штормовых нагонов и волн. На рис.26 представлена сетка,используемая для снятия значений атмосферного давления в 28 точках над Черным морем. Дискретность во времени была принята равной 6 часам и определялась сроками получения синоптических карт. На рис.27 представлены дисперсии последовательности метеополей и пространственное распределение первых трех собственных векторов разложения. В табл.10 представлено процентное распределение индивидуального вклада первых 5 главных компонентов разложения в общую дисперсию.
Они приведены для начальной совокупности, по которой начинается прогнозирование,и для конечной, в которой участвуют все поля. Из таблицы 10 видно, что для штормов 1976 и 1979 годов процентный вклад первого вектора постепенно уменьшается, а именно - он соответствует изменениям во времени среднего поля давления и представляет общие закономерности всей совокупности. Кроме того, из рис.27 видно, что максимальные значения дисперсии и распределение значений первого вектора для этих двух штормов расположены в верхней части исследуемого района, а для шторма 1977 года там расположены минимальные значения. Второй и третий собственные векторы отражают соответственно неоднородность в поле давления по параллели и меридиану, т.е.зональный и меридиа-нальный перенос. Их вклады во время штормов 1976 и 1979 годов увеличиваются от начала к концу шторма, а во время шторма 1977 года соответственно уменьшаются. Вкладом четвертого и всех следующих собственных векторов можно пренебречь. В литературе указывается, что если суммарный процентный вклад нескольких первых векторов составляет 90 или 80$, то они достаточно полно отражают исходную совокупность. Но,как отмечает Ю.Б. Николаев [_5Ij, при решении некоторых задач удельный вес отдельных компонент не определяет степень их важности. Он отмечает, что при прогнозе процессы с малым начальным удельным весом могут играть существенную роль впоследствии. Поэтому, исходя из полученных результатов,было принято в качестве параметров метеорологических полей учитывать первые три вектора. При этом оказалось, что в начальные моменты шторма в уравнения включалась только первая главная компонента, а вторая и третья включались во время интенсивного подъема уровня:, когда их вклады увеличивались,и в конечном счете принятое условие о значимости Т Ь выполнялось. Подбор предикторов осуществлялся при уровне значимости альтернативной гипотезы о = I - Р = 5%, Увеличение ol занижает критерий включения и при контрольных испытаниях в регрессионное уравнение включались главные компоненты выше третьей. Уменьшение ск ставило очень жесткие критерии для включения отдельных предикторов и при контрольных расчетах они ограничивались только первым или вторым или третьим, включаемых на разных стадиях развития шторма. Оценка точности прогностических зависимостей определялась согласно [35_ в зависимости от оценки качества прогноза А равной отношению среднеквадратического отклонения прогноза от эмпирического ряда и эмпирического ряда от среднего за период прогноза
