Метод расчета количества атмосферных осадков и растворенных химических веществ, выпадающих на акваторию Черного моря, на основе данных натурных измерений и оперативной Интернет-информации
Представлены методика оперативных расчетов количества атмосферных осадков и растворенных в них химических веществ на поверхность Черного моря, описание программного расчетно-аналитического комплекса и банка данных для автоматизированного приема Интернет-информации с результатами модельных расчетов к...
Saved in:
| Published in: | Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу |
|---|---|
| Date: | 2005 |
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Морський гідрофізичний інститут НАН України
2005
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/57033 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Метод расчета количества атмосферных осадков и растворенных химических веществ, выпадающих на акваторию Черного моря, на основе данных натурных измерений и оперативной Интернет-информации / Л.Н. Репетин, В.В. Долотов, А.Е. Липченко, М.М. Липченко // Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу: Зб. наук. пр. — Севастополь, 2005. — Вип. 12. — С. 484-497. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860038195090030592 |
|---|---|
| author | Репетин, Л.Н. Долотов, В.В. Липченко, А.Е. Липченко, М.М. |
| author_facet | Репетин, Л.Н. Долотов, В.В. Липченко, А.Е. Липченко, М.М. |
| citation_txt | Метод расчета количества атмосферных осадков и растворенных химических веществ, выпадающих на акваторию Черного моря, на основе данных натурных измерений и оперативной Интернет-информации / Л.Н. Репетин, В.В. Долотов, А.Е. Липченко, М.М. Липченко // Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу: Зб. наук. пр. — Севастополь, 2005. — Вип. 12. — С. 484-497. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу |
| description | Представлены методика оперативных расчетов количества атмосферных осадков и растворенных в них химических веществ на поверхность Черного моря, описание программного расчетно-аналитического комплекса и банка данных для автоматизированного приема Интернет-информации с результатами модельных расчетов количества осадков над Черным морем, усвоения натурных береговых и судовых данных, а также для представления итоговых результатов в виде таблиц и карт пространственного распределения количества осадков и растворенных химических веществ за каждый дождь, сутки, месяц. Приводятся результаты сравнения с традиционным методом модульных коэффициентов.
The methods of operative calculations of the amount of atmospheric precipitation and dissolved chemical matter on the Black Sea surface are presented as well as the description of program calculating-analytical complex and data bank for the automatic receiving of the Internet information with the results of model computations of precipitation amount over the Black Sea to assimilate in situ coastal and ship data and to present the final results in the form of tables and maps of spatial spreading of precipitation amount and dissolved chemical matter for each rain, day, month. The results of comparison with the traditional method of module coefficients are given.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:54:29Z |
| format | Article |
| fulltext |
484
УДК 5 5 1 .5 78 .8
Л .Н .Репетин*, В .В.Долотов**,
А .Е .Липченко*, М .М .Липченко*
* Морское отделение Украинского научно-исследовательского
гидрометеорологического института, г.Севастополь
** Морской гидрофизический институт НАН Украины, г.Севастополь
МЕТОД РАСЧЕТА КОЛИЧЕСТВА АТМОСФЕРНЫХ ОСАДКОВ
И РАСТВОРЕННЫХ ХИМИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ,
ВЫПАДАЮЩИХ НА АКВАТОРИЮ ЧЕРНОГО МОРЯ,
НА ОСНОВЕ ДАННЫХ НАТУРНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
И ОПЕРАТИВНОЙ ИНТЕРНЕТ-ИНФОРМАЦИИ
Представлены методика оперативных расчетов количества атмосферных осад-
ков и растворенных в них химических веществ на поверхность Черного моря, опи-
сание программного расчетно-аналитического комплекса и банка данных для авто-
матизированного приема Интернет-информации с результатами модельных расче-
тов количества осадков над Черным морем, усвоения натурных береговых и судо-
вых данных, а также для представления итоговых результатов в виде таблиц и карт
пространственного распределения количества осадков и растворенных химических
веществ за каждый дождь, сутки, месяц. Приводятся результаты сравнения с тради-
ционным методом модульных коэффициентов.
Учитывая возрастание антропогенной нагрузки на экосистемы морей,
черноморские государства в рамках международной экологической про-
граммы Black Sea Ecosystem Recovery Project (BSERP), осуществляемой при
поддержке Глобального Экологического Фонда (GEF), объединяют свои
усилия для проведения комплексных исследований загрязнения вод Черно-
го моря химическими элементами. В частности, в рамках предварительного
этапа международной программы RER/01/G33 «Control of eutrophication,
hazardous substances and related measures for rehabilitating the Black Sea
ecosystem» (Atmospheric Deposition), в период с ноября 2003 г. по май 2004 г.
силами мореведческих организаций Украины и Болгарии проведен экспе-
риментальный мониторинг атмосферных осадков и растворенных в осадках
биогенных и некоторых других веществ [1]. Для реализации мониторинга,
прежде всего, было необходимо разработать оптимальную систему сбора,
обработки данных, методологию расчета количества атмосферных осадков
и содержащихся в них веществ с целью оценки количества их поступления
на всю акваторию Черного моря.
До последнего времени в основу расчетов количества осадков, выпа-
дающих на поверхность Черного моря (в основном для оценок водного ба-
ланса), была положена гипотеза о пропорциональности хода осредненных
модульных коэффициентов (отношение суммы осадков данного года к
среднему многолетнему значению) на опорных береговых станциях и в от-
крытом море [2]. На основании данных многолетних береговых наблюдений
и весьма ограниченных судовых измерений осадков были построены сред-
ние месячные и годовые карты сумм осадков. По этим картам были опреде-
© Л .Н .Репетин , В .В .Долотов , А .Е .Липченко , М .М .Липченко , 2005
485
лены площади каждой зоны изогиет (планиметрированием) и вычислены
средние многолетние величины сумм атмосферных осадков, выпавших на
поверхность Черного моря. Графическим анализом изменчивости атмосфер-
ных осадков были отобраны 5 опорных станций: Одесса, Севастополь, Фео-
досия, Новороссийск, Поти, осредненные значения сумм осадков которых (по
мнению авторов [2]) наилучшим образом отражают внутригодовые измене-
ния осадков над морем. Таким образом, из-за отсутствия данных по западно-
му и южному побережьям Черного моря, в качестве опорных точек выбира-
лись станции только на северном и восточном побережьях Черного моря. Со-
поставление многолетних данных, рассчитанных с использованием модуль-
ных коэффициентов, с расчетами количества осадков по методу Re-анализа,
которые были выполнены Европейским центром среднесрочных прогнозов
погоды (ECMWF) [3], показало якобы заниженные для условий Черного моря
результаты [4] по сравнению с данными, опубликованными в [2] и [4]. Одна-
ко следует учесть, что авторы этих двух работ использовали только измере-
ния береговых станций и не располагали данными диагностических и про-
гностических расчетов осадков над водными акваториями, полученными с
помощью апробированных глобальных численных моделей. В данной работе
применен комплексный метод оценки количества осадков над Черным морем,
учитывающий результаты оперативных расчетов по модели Global Forecast
System (GFS) by National Center for Environmental Prediction (США), натурных
данных измерений на береговых и судовых станциях, а также детальный си-
ноптический анализ каждого дождя. Методических рекомендаций по расчету
количества химических веществ, выпадающих с осадками на поверхность
Черного или других морей, в опубликованных материалах нами не найдено.
Априори очевидно, что достоверность таких расчетов будет зависеть от каче-
ства отбора и химических определений проб атмосферных осадков, от точно-
сти оценки пространственного распределения количества осадков над морем
и корректности метода экстраполяции натурных данных на удаленные от бе-
рега районы моря. Решение поставленной задачи позволит создать инстру-
мент для оценки роли атмосферных осадков в балансе химического загрязне-
ния и уточнения величин пресного баланса Черного моря.
Использованные материалы. Для апробирования расчетов использо-
вались данные измерений количества атмосферных осадков на станциях Го-
сударственной гидрометеорологической службы Украины: Одесса, Одесса-
порт, Хорлы, Севастополь, Херсонесский маяк, Ялта, Феодосия и Опасное.
Отбор проб атмосферных осадков и определение их химического соста-
ва производились на северном побережье моря в Севастополе и Одессе (Ук-
раина), а также на западном побережье Черного моря в порту Варна (Болга-
рия). В данной работе результаты, полученные в Варне, не использовались.
Пробы атмосферных осадков анализировались в основном на содержание
анионов Cl-, NO3
-, SO4
2-, ионов NO2
-, NH4
+, PO4
3-, H2PO4
2- и рН. Пробные
эксперименты по измерению количества осадков, отбору и анализу проб
осадков в открытых районах моря были проведены также на НИС «Акаде-
мик» (Болгария) и НИС «Проф. Водяницкий» (Украина).
С целью получения оперативных данных модельных расчетов количе-
ства осадков ежедневно, в течение семи месяцев, проводился регулярный
прием информации открытых метеорологических Интернет-сайтов. Для си-
486
ноптического анализа привлекались данные европейских гидрометцентров
Bracknell, Meteo Franse, Sуmbach, SKIRON, Московского и Киевского гид-
рометцентров. Таким образом, основу исходной информации составили
данные фактических измерений количества осадков, их химического соста-
ва, полученные на береговых станциях, данные модельных расчетов полей
количества осадков над акваторией Черного моря (GFS) и результаты си-
ноптического анализа эволюции осадкообразующих процессов над бассей-
ном Черного моря. В итоге была создана база данных для 173 суток с осад-
ками, которая позволила получить предварительные оценки количества
осадков и химических веществ, выпавших на поверхность Черного моря за
период экспериментального мониторинга.
Общая концепция. Основная идея заключалась в разработке компью-
терной системы, способной в автоматическом режиме или при участии поль-
зователя принимать Интернет-карты распределения количества осадков, вы-
падающих на различные регионы Черного моря, с последующей оцифровкой
на основе цветовой или иной шкалы с целью создания соответствующего
банка данных. Для этого необходимо было предусмотреть возможность за-
грузки натурных данных количества осадков и их химического состава, а
также возможность корректировки расчетных данных результатами натурных
береговых измерений и их экстраполяции на районы открытого моря. Для ко-
личественной оценки поступления в воды Черного моря химических веществ
необходимо располагать распределенными по регионам данными о содержа-
нии в осадках растворенных веществ за каждый случай дождя, определенны-
ми по единой методике. Помимо этого известно, что содержание растворен-
ных веществ в осадках не постоянно даже в течение одного дождя вследствие
эффекта «вымывания» растворенных веществ из облачности со скоростью,
характерной для каждого из них. Кроме того, концентрация химических ве-
ществ в осадках зависит не только от уровня загрязнения атмосферы в том
или ином регионе, но и от количества и интенсивности выпадения осадков.
Учитывая основное назначение программы как расчетного и аналитического
инструмента, предполагалось разработать удобные средства для пространст-
венного и статистического анализа результатов расчетов.
Разработанный компьютерный расчетно-аналитический комплекс спо-
собен:
• усваивать информацию о количестве осадков, выпадающих на бере-
га и поверхность Черного моря;
• усваивать информацию о концентрации биогенных и других раство-
ренных в атмосферных осадках химических веществ;
• автоматически оцифровывать и усваивать в банке данных (БД) ин-
формацию Интернет-сайтов о количестве осадков, выпадающих на аквато-
рию Черного моря;
• рассчитывать:
– средние значения слоя осадков (в мм) за каждые сутки и каждый месяц;
– объёмы осадков (в км3) каждого дождя (снега) по отдельным задан-
ным квадратам и акватории Черного моря в целом;
– суммарные величины осадков на поверхность всего моря за каждые
сутки и за каждый месяц;
487
– количество выпадающего с осадками каждого из определяемых рас-
творенных веществ (т) для каждых суток с дождем и месяца в целом;
• производить в автоматическом режиме построение таблиц с резуль-
татами расчетов и схем пространственного распределения каждого из рас-
четных параметров по площади моря для каждых суток и месяца в целом.
Основные принципы и методика расчетов. На основании рассчитан-
ных с помощью модели GFS карт пространственного распределения коли-
чества осадков определялись величины слоя осадков для каждого из
95 квадратов заданной регулярной сетки акватории Черного моря [2], тра-
диционно использующейся для климатических расчетов гидрометеорологи-
ческих параметров (рис.1). Полученные значения корректировались по дан-
ным натурных измерений на береговых станциях. С учетом данных о пло-
щадях квадратов [2], покрытых осадками, выполнялся расчет общего коли-
чества выпавших осадков. На основании данных береговых лабораторий о
концентрациях растворенных в осадках химических веществ, выполнялся
расчет количества биогенных и других веществ, выпавших на акваторию
моря за сутки или месяц.
На предварительном этапе исследований для этого использовался наи-
более простой прием, когда общая масса поступления химических элемен-
тов на площадь моря рассчитывалась по формуле:
M=h·C·S, (1)
где М – масса вещества (т), h – количество осадков (мм), С –концентрация
вещества в осадках (мг/дм3), S – площадь поверхности (км2). При этом ис-
пользовались измерения концентраций только имевшихся в нашем распо-
ряжении береговых станций Севастополь и Одесса. Расчеты поступления
каждого химического вещества на всю площадь моря производились, исходя
из предположения, что концентрация исследуемых веществ в атмосферных
осадках в районе береговых пунктов отбора проб близка к их концентрациям
в открытой части моря. Реализация этих основных принципов в программе
выполнена в следующей последовательности.
Анализ Интернет-сайтов, предоставляющих информацию об атмосфер-
ных осадках над Черным морем, позволил выбрать оптимальный, характери-
зующийся достаточным раз-
решением, отсутствием по-
мех и регулярностью обновле-
ния информации: http://www.
westwind.ch. Карты этого сай-
та основаны на авиационной
компьютерной модели (AVN)
глобальной прогностической
системы GFS и предоставля-
ют прогностические и теку-
щие (анализ) данные полей
метеопараметров над Евро-
пой. Пример увеличенного
фрагмента карты про-
Р и с . 1 . Схема условных квадратов Черного
моря [2].
1
4 5 6
10 11 12 13 16 17
19 20 21 22 23 24 25 26 27 28
31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41
43 44 45 46 47 48 19 50 51 52 53 54 55
57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70
73 74 75 76 81 82 83 84 85
88 89 92 93 94
56
7
80
2
27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° °
27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° °
47
46
45
44
43
42
41
°
°
°
°
°
°
°
47
46
45
44
43
42
41
°
°
°
°
°
°
°
Новороссийск
Сочи
Сухуми
Стамбул
Одесса
Керчь
Синоп
Эрегли
Самсун
Николаев
Херсон
Феодосия
Севастополь
Констанца
Варна
488
странственного распределения
количеств осадков (в оттенках
серого цвета) с районом Чер-
ного моря представлен на
рис.2. Карты рассчитываются 4
раза в сутки, и на их основе
имеется возможность создать
банк данных по осадкам с ин-
тервалом в 6 ч. Распределение
величин количества осадков по
площади моря соответствует
цветовой шкале карты. Анализ
структуры рисунка показал,
что, несмотря на то, что пло-
щадь, занимаемая Черным мо-
рем на карте Европы, невелика, количество точек изображения, приходя-
щихся на этот регион, значительно превышает необходимый уровень и со-
ставляет 86 × 74 = 6364. Отсеивая точки, лежащие за пределами контура
Черного моря, получаем информационный массив в количестве 2266 точек.
С целью определения соответствия точек карты (рис.2) квадратам стандарт-
ной сетки (рис.1) была построена совмещенная схема, с помощью которой
определялись точки (пиксели изображения), относящиеся к каждому квад-
рату, с целью последующего их осреднения в рамках этих квадратов. Сред-
ние для квадрата значения и использовались для дальнейших расчетов.
Модуль приема картографической информации из сети Интернет
предназначен для автоматического вызова Интернет-сайта и загрузки карты
количества осадков. Все карты для последующей оцифровки помещались в
отдельный каталог и названы по датам приема, например «050304-1.bmp»,
где первая цифра соответствует дате (день, месяц, год), последняя цифра –
номеру (времени) принятой карты (1 – за 00 ч, 2 – за 6 ч, 3 – за 12 ч, 4 – за
18 ч) в течение каждых суток. В режиме автоматического приема в файл
карты получают названия автоматически.
Модуль оцифровки карт является центральным модулем программы,
поскольку именно он обеспечивает пополнение БД – основного хранилища
данных о количестве осадков. Он представляет собой окно, в которое за-
гружаются предварительно сохраненные 4 карты, в соответствии с выбран-
ной пользователем датой (рис.3).
С помощью специальной команды программа генерирует из нескольких
схем (от 1 до 4) карту суммарных осадков за сутки, данные которой по сле-
дующей команде автоматически включаются в БД в оцифрованном виде.
Структура БД организована в виде традиционного для операционной
системы дерева каталогов, поименованных по годам и содержащих файлы
следующих типов:
1) файл количества осадков с данными по отдельным квадратам аква-
тории Черного моря для каждого месяца, номер которого входит в состав
имени файла, например, «Prec11.dat»;
2) файл концентраций растворенных в осадках веществ, названный
Р и с . 2 . Точечное представление карты поля
количества осадков (мм) над Черным морем.
489
произвольно, например, по наименованию пункта наблюдения, также с ука-
занием месяца, например, «Sevastopol11.dat» или «Odessa03.dat»;
3) файл соответствия расчетных квадратов моря пунктам измерения
концентраций растворенных веществ, имеющий в названии префикс
«Cells», а также номер месяца, например, «Cells01.dat».
На основании данных базы о распределении количества осадков по квад-
ратам для каждого случая дождя рассчитываются объемы осадков, выпавших
в каждом квадрате, с учетом его площади и общая сумма осадков, выпавших
на всю акваторию Черного моря. Расчет можно выполнять либо для конкрет-
ной даты, либо для заданного месяца, который выбирается пользователем
(рис.4). В обоих случаях результат выдается в виде соответствующей таблицы.
Для загрузки данных о концентрациях растворенных в осадках химиче-
ских веществ используется формат <.CSV> (comma separated value – числа
разделенные знаком «точка с запятой»), поскольку он является универсаль-
ным для передачи данных в текстовом формате и удобен для преобразова-
ния файлов из формата MS Excel. Использование в расчетах данных о кон-
центрациях выполняется по следующему алгоритму. При наличии файла
«Cells??.dat» определенного месяца данные для каждого квадрата автомати-
чески извлекаются из фай-
ла, соответствующего на-
именованию пункта, ука-
занного в файле. При от-
сутствии последнего или
при отсутствии в нем дан-
ных для какого-либо из
квадратов данные берутся
из файла с наименованием
пункта, указанного поль-
зователем, для каждого ре-
гиона. При этом во всех
случаях при отсутствии Р и с . 4 .Основное окно программы.
Р и с . 3 .Интерфейс модуля оцифровки.
490
данных за выбранную дату программа выбирает ближайшую к ней, о чем
уведомляет пользователя.
Редактирование расчетных данных на основании натурных измерений
береговых, островных и судовых станций, корректировка значений концен-
траций химических веществ и распределение расчетных квадратов сетки по
зонам пунктов измерения химического состава осадков производится в со-
ответствующих диалоговых окнах (рис.5).
В окне итоговых результатов представлены расчетные величины атмо-
сферных осадков и химических выпадений по каждому квадрату, средние и
суммы для всего моря. В этом же окне предусмотрена возможность получе-
ния основных статистических характеристик по выделенному параметру и
диапазону квадратов (рис.6). Используя списки дат, месяцев и лет, пользова-
тель может пересчитывать данные в соответствии с выбором. Результат рас-
чета нажатием определенной клавиши можно перенести в офисную програм-
му MS Excel, сохранить в текстовом файле или построить пространственное
распределение любого, курсором отмеченного в окне, рассчитанного пара-
метра с использованием программы GS Surfer фирмы Golden Software Inc.
Последняя включает в себя высокоразвитые алгоритмы интерполяции и
пространственного анализа географических данных. При этом результаты
отображаются либо непосредственно в окне программы Surfer, что позволя-
ет выполнять любые модификации построенного распределения либо в окне
модуля построения карт аналитического блока системы.
В качестве примеров на рис.7 представлены построенные в автоматиче-
ском режиме карты распределения по акватории Черного моря, суточного
количества осадков, выпавших 22 января 2004 г. и месячного количества
фосфатов, выпавших в январе 2004 г. На картах оставлены расчет-
ные значения средних для каждого квадрата величин.
Р и с . 5 .Форма представления диалоговых окон редактирования данных БД по
количеству осадков, концентрациям растворенных веществ и пунктам наблюде-
ния за химическим составом осадков.
491
28 30 32 34 36 38 40 42
42
44
46
0 0 1
0 0 1 1 2
1 1 2 4 8 15 30.6 25 20 20
1 4 8 10 11.4 18 25 22 10 5 2
3 5 8 10 12 15 15 20 10 5 3 1 0
8 10 15 20 20 15 10 8 4 2 1 0 0 0
10 20 20 25 25 15 10 8 5 3 1 0 0 0 0
20 40 40 30 25 20 10 5 4 2 0 0 0 0 0
50 50 30 1 0 0 0 0 0
Р и с . 7 .Пример построения пространственно-
го распределения суточного количества осад-
ков (мм) за 22 января 2004 г. (а) и месячного
количества фосфатов (т), выпавших на по-
верхность Черного моря в январе 2004 г. (б).
28 30 32 34 36 38 40 42
42
44
46
25.7 11.5 3.2
12.6 23.2 21.1 9.2 0.9
0.9 10.6 15.8 16.8 45.6 0.3 32.6 52.7 28 0.2
5.9 9.1 12.3 34.6 52.9 50.2 85 73.6 48.2 24.5 4.1
0.7 7.4 11 12.4 24.1 42.2 49.8 54.4 67.8 62.4 36.6 24.1 2.7
6.8 9.6 12.7 13.7 16.8 23.3 26.6 20.8 18.5 26.1 24.9 25.6 17 7.4
16.6 12.7 10.2 14.8 16.5 16.6 15.7 14.3 13.8 19.1 31.1 31.1 23.9 27.1 3.4
2.8 12.8 14.9 15.4 10.6 2.1 0.6 2.6 12.5 21.2 23.8 28.3 27.6 27.2 4.1
1.3 4.6 4.9 0.4 3 11.7 12.5 14.5 5.5
а
б
Результаты расчетов количества осадков (слой в мм и объем в км3), а
также любого определяемого в осадках растворенного химического вещест-
ва (т) можно автоматически представить в виде сводных таблиц формата
MS Excel, рассчитанных для каждых суток или каждого месяца. Пример та-
кой таблицы с данными для
дождя 11 ноября 2003 г.
представлен в табл.1.
В течение 7 месяцев экс-
периментального мониторинга
с помощью разработанного
расчетно-аналитического ком-
плекса были собраны и обра-
ботаны в общей сложности
более 700 карт для 173 суток
с осадками, выпадавшими на
берега и акваторию Черного
моря. Расчеты количества
осадков были выполнены по
различным методикам и ре-
зультаты показали сущест-
венные отличия. При этом
сравнивались:
1) месячные суммы осад-
ков (мм) над морем, рассчи-
танные по изложенному мето-
ду на основе данных числен-
ного моделирования (GFS),
откорректированных по ин-
формации береговых станций
и с помощью комплексного
синоптического анализа;
2) месячные суммы осад-
Р и с . 6 . Результирующее расчетное окно программы.
492
Т а б л и ц а 1 .Фрагмент результатов расчета осадков и выпавших с ними раство-
ренных веществ в течение суток 11 ноября 2003 г.
квад-
рат
слой,
мм
объем,
км
3
NH4
+, т NO2
-, т NO3
-, т SO4
2-, т PO4
3-, т Cl-, т
1 5 0,0227 6,81 29,51 0,91 45,4 3,4 13,6
2 5 0,01268 3,8 16,48 0,51 25,36 1,9 7,61
3 5 0,00478 1,43 6,21 0,19 9,56 0,72 2,87
4 5 0,01757 5,27 22,84 0,7 35,14 2,64 10,5
89 2 0,00394 1,18 5,12 0,16 7,88 0,59 2,36
90 2 0,00027 0,08 0,35 0,01 0,54 0,04 0,16
91 6 0,00629 1,89 8,18 0,25 12,58 0,94 3,77
92 8 0,02618 7,85 34,03 1,05 52,36 3,93 15,7
93 8 0,02348 7,04 30,52 0,94 46,96 3,52 14,1
94 9 0,02988 8,96 38,84 1,2 59,76 4,48 17,9
95 10 0,01222 3,67 15,89 0,49 24,44 1,83 7,33
средн. 7,15 0,03 9,7 42,04 1,29 64,67 4,85 19,4
Σ 679 3,07 921,49 3993,35 122,88 6143,54 460,74 1843
ков, рассчитанные по данным 11 специально подобранных береговых стан-
ций, расположенных на всех четырех берегах Черного моря: Одесса, Сева-
стополь, Феодосия, Опасное (по данным измерений), Новороссийск, Поти,
Ризе, Самсун, Стамбул, Варна, Констанца (по расчету);
3) месячные суммы осадков, рассчитанные с использованием методики
применения модульных коэффициентов с учетом поправок на выдувание
осадков из осадкомеров.
Величины осадков, рассчитанные методами 1 и 2 расходятся на ~ 5 %,
при этом данные берего-
вых станций выше, чем над
морем (рис.8). Небольшие
расхождения свидетельст-
вуют об удачном подборе
станций, равномерно рас-
пределенных по основным
регионам моря.
Месячные значения,
рассчитанные 1 методом
(«над морем») иногда бо-
лее чем в вдвое отличаются
от месячных сумм, вычис-
ленных методом 3, причем
разницы этих сумм имеют
разные знаки (рис.8). Ана-
лиз показал, что макси-
мальные значения, полу-
0
20
40
60
80
100
120
140
XI XII I II III IV V
2003 г. 2004 г.
С
л
о
й
о
с
а
д
ко
в
, м
м
По модульным
коэффициентам
Над морем (GFS)
По береговым
станциям
Р и с . 8 . Соотношение месячных сумм атмо-
сферных осадков по данным береговых
пунктов, вычисленных по модели GFS и с
использованием модульных коэффициентов.
493
ченные с использованием модульных коэффициентов, соответствуют меся-
цам, в течение которых наибольшее количество осадков выпадало у север-
ного побережья Черного моря (с ноября 2003 г. по февраль 2004 г.), а наи-
меньшие значения – тем месяцам, когда максимум осадков отмечался у
юго-восточного и южного берегов (март, апрель и май 2004 г.). Это может
быть связано со следующими основными причинами:
– из пяти использовавшихся в методе три опорных станций расположе-
ны на берегах бывшего Советского Союза: Одесса, Севастополь, Феодосия,
Новороссийск и Поти; три расположены на северном побережье моря, одна
– на восточном (Новороссийск) и одна в юго-восточной части (Поти). Ин-
формация по южному и западному побережьям по известным причинам от-
сутствовала, поэтому удельный вес трех северных станций превалирует.
– положенная в основу метода 3 гипотеза о пропорциональности хода
осредненных модульных коэффициентов на пяти опорных береговых стан-
циях и в открытом море не всегда оправдана для расчетов месячных вели-
чин количества атмосферных осадков над акваторией Черного моря.
Тем не менее, разница сумм осадков за 7 месяцев мониторинга, вычис-
ленных по каждому из трех методов (379, 416 и 452 мм соответственно), не
превышает 20 %. Поэтому для вычисления годовых и среднемноголетних ве-
личин количества осадков при расчетах водного баланса метод модульных
коэффициентов может быть приемлем. Однако для надежной оценки про-
странственного распределения количества осадков, выпадающих на по-
верхность Черного моря, внутримесячной и внутригодовой их изменчиво-
сти предпочтительным является метод 1, основанный на оперативных дан-
ных численного моделирования (GFS), представленных в Интернет-сайтах,
регулярно корректируемых всеми доступными натурными данными берего-
вых наблюдений и данными комплексного анализа синоптической и спут-
никовой информации.
Для качественной и количественной оценки корректности данных
модельных (GFS) расчетов была проведена верификация данных модели пу-
тем сравнения рассчитанных и измеренных величин в одних и тех же квадра-
тах Черного моря (рис.1). Прежде всего, расчетные поля количества осадков
(6-ти ч прогноза) сопоставлялись с данными синхронного синоптического
анализа. Практически во всех анализируемых случаях данные синоптическо-
го анализа и фактическая спутниковая информация (облачность, положение
фронтальных зон) показали высокую степень качественного соответствия с
расчетными полями осадков по положению, конфигурации зон, площади ох-
вата и по характеру эволюции над акваторией Черного моря. Некоторые рас-
хождения отмечались в оценке скорости смещения зон осадков через аквато-
рию моря, что иногда проявлялось в несовпадении сроков выпадения интен-
сивных осадков. Следует отметить и высокую пространственную неоднород-
ность фактических полей осадков. Даже на рядом расположенных станциях в
Одессе («Одесса», «Одесса-порт») и Севастополе («Севастополь», «Херсо-
несский маяк») величины осадков в течение одного и того же дождя могут
отличаться на 10 – 20 мм и наступать в разные сроки. Тем не менее, сравнива-
лись средние значения для квадрата с данными измерений в точках располо-
жения станций: Одесса (квадрат 1), Хорлы (квадрат 3), Феодосия (квадрат 15),
494
Опасное (квадрат 16), Севастополь
(квадрат 23), Ялта (квадрат 24). При
этом использовался ряд данных за
полугодовой цикл.
Из-за вышеизложенных причин
корреляция рассчитанных и изме-
ренных величин на масштабе суток
оказалась низкой. Однако зависи-
мость между среднемесячными зна-
чениями слоя осадков (когда несоот-
ветствие сроков не сказывается) име-
ет относительно высокий коэффици-
ент корреляции (К = 0,71; рис.9) и
подтверждает достаточную надеж-
ность расчетов, которая существен-
но повышается при коррекции рас-
четных величин натурными данны-
ми береговых измерений. Сопостав-
ление береговых данных с наблюде-
ниями на НИС «Академик» и «Проф. Водяницкий» в удаленных от берега
районах моря показало, что сравнивать эпизодические, кратковременные
попутные измерения количества осадков на постоянно двигающемся судне
с суточными суммами, рассчитанными или измеренными на берегу, некор-
ректно, за исключением случаев, когда судно стоит в определенной точке на
протяжении суток и более.
Точность оценки количественных характеристик биогенных ве-
ществ, выпадавших с осадками, значительно ниже, т.к. в период предвари-
тельной фазы мониторинга существовал ряд важных ограничений:
– химический анализ проб атмосферных осадков проводился только в
двух пунктах – Севастополе и Одессе, – расположенных на северном побе-
режье Черного моря, поэтому для разных районов моря в расчетах выпаде-
ний на всю площадь моря использовались ближайшие по времени данные
этих двух станций;
– отсутствовали регулярные измерения количества осадков и их хими-
ческого состава в открытом море, необходимые для оценки фоновых значе-
ний концентраций химических элементов по отношению к береговым дан-
ным, а также для расчета и использования переходных коэффициентов;
– период выполненных исследований не достаточен для получения
продолжительных рядов величин концентраций химических веществ в ат-
мосферных осадках, на основании которых можно было бы получить стати-
стически обеспеченные зависимости между количественными характери-
стиками осадков и значениями концентраций.
Получение таких связей для решения задачи необходимо, т.к. в форми-
ровании пространственно-временных полей приземных концентраций хи-
мических веществ в атмосферных осадках важнейшую роль играют меха-
низмы «вымывания» и разбавления концентраций, совместное действие ко-
торых приводит к нелинейному характеру связи между концентрациями и
Р и с . 9 . Корреляция месячных
сумм атмосферных осадков (мм),
определенных по данным измере-
ний на шести береговых станциях
и вычисленных (GFS) для 6 квад-
ратов моря, в которых эти стан-
ции расположены.
R2 = 0.7143
0
40
80
120
160
0 40 80 120 160
Расчет (GFS)
И
зм
е
р
е
н
и
я
495
количеством осадков [5, 6]. Разнообразие факторов и механизмов вымыва-
ния различных химических веществ приводит к необходимости получения
эмпирических зависимостей между количеством выпавших осадков и кон-
центрациями растворенных в них веществ. Графический пример зависимо-
сти концентрации ионов нитратов в пробах атмосферных осадков от вели-
чин суточного количества осадков, полученной по результатам измерений в
течение 7 месяцев, представлен на рис.10. На правом графике значения
концентраций получены в результате осреднения концентраций ионов нит-
ратов по определенным интервалам (градациям) суточных сумм осадков и
хорошо аппроксимируются степенной функцией вида С = К·h-а, где h – су-
точная сумма осадков (мм), К и а – эмпирические коэффициенты; С – сред-
несуточная концентрация вещества в осадках (мг/л). Аналогичные зависи-
мости определены для концентраций ионов всех исследуемых веществ. На-
личие таких аналитических выражений для всех привлеченных к измерени-
ям береговых пунктов позволило бы учесть факторы вымывания в различ-
ных районах моря и получить более точные оценки, чем по формуле (1). На
основании таких зависимостей можно определить значения эмпирических
коэффициентов в уравнениях связи и, используя эти коэффициенты в алго-
ритмах расчетной схемы, экстраполировать данные береговых пунктов на
удаленные от берега районы моря, где данные о количестве осадков рассчи-
тываются с помощью модели GFS.
Продолжение накопления данных на береговых станциях позволит
уточнить коэффициенты и получить статистически надежные оценки сред-
несуточных значений концентраций ионов растворенных биогенных и дру-
гих веществ в осадках и определить поступление массы веществ на поверх-
ность всего моря по формуле:
N i
M jсут = 10-3
∑ Ki
j hi
1 – а
j Si. (2)
i = 1
где M j
сут – суточная масса (т) поступления j-го вещества на всю площадь
поверхности Черного моря; Ki
j и аi
j – эмпирические коэффициенты уравне-
ния связи концентраций с суточным количеством осадков для j-го вещества
в i-ом квадрате Черного моря или пункте наблюдения; Si – площадь i-го
NO2
C = 5,9h-0,46
0
4
8
12
16
20
0 4 8 12 16
h, мм
С, мг/л
NO2
С = 7,6h-0,42
0
4
8
12
16
0 4 8 12 16
h, мм
С, мг/л
Р и с . 1 0 .Пример зависимости величин концентраций ионов нитратов от ве-
личин суточного количества осадков для г.Севастополь: фактических (а) и
осредненных по градациям осадков (б).
а б
496
квадрата (км2); hi – суточное количество осадков в i-ом квадрате Черного
моря или на береговой станции (мм); N – количество условных квадратов, в
которых рассчитываются среднесуточные суммы осадков.
Точность оценки поступления биогенных и других веществ во многом
будет зависеть также от количества станций отбора и анализа проб атмо-
сферных осадков, расположенных на берегах Черного моря, от продолжи-
тельности измерений, качества определений концентраций химических ве-
ществ и количества полученной информации.
Очевидно, что использование в качестве опорных только станций на по-
бережье Украины недостаточно для расчета суммарного количества химиче-
ских веществ, выпадающих с осадками на всю поверхность Черного моря.
При наличии более или менее равномерной сети береговых пунктов химиче-
ских наблюдений можно разделить акваторию моря на определенные зоны
(сектора), прилегающие к каждому пункту, например, как это показано на
рис.11, и при расчетах количества выпадений относить данные концентраций
к количеству осадков конкретной зоны (соответствующим квадратам).
Подобная система береговых пунктов измерений количества и химиче-
ского состава осадков необходима еще и потому, что при прохождении юж-
ных циклонов через центральную часть Черного моря в период одного дож-
дя в течение одних и тех же суток осадкообразующие облака могут сме-
щаться на акваторию Черного моря, например, с северо-запада, юга и юго-
востока одновременно. Химический состав поллютантов осадков этих облач-
ных систем может существенно отличаться и должен определяться в каждом
регионе акватории моря. Следовательно, система наблюдений над количест-
вом и химическим составом атмосферных осадков обязательно должна быть
международной. Только в этом случае можно обеспечить достаточную точ-
ность расчетов химических выпадений на всю акваторию Черного моря.
Новороссийск
Одесса
Эрегли Самсун
Севастополь
Варна
Констанца
Поти
о.Змеиный
Р и с . 1 1 . Схема возможной системы береговых пунктов измерений количества и хи-
мического состава осадков и расчетных зон Черного моря, замкнутых на эти пункты.
497
Выводы. 1. Разработанный метод, при соблюдении вышеизложенных
условий, позволяет получить достоверные оценки количества атмосферных
осадков и химических веществ, поступающих с жидкими осадками на по-
верхность моря и может быть использован для определения роли атмосфер-
ных осадков в балансе химического загрязнения и уточнения величин пре-
сного баланса Черного моря.
2. За период исследований собрана и обработана информация по
173 суткам с осадками, рассчитаны количественные характеристики каждо-
го дождя, создан инструмент – программный расчетно-аналитический ком-
плекс – для автоматизированных расчетов и представления результатов в
виде суточных таблиц или карт пространственного распределения количе-
ства осадков и химических выпадений на поверхность Черного моря, а так-
же сводных месячных таблиц и карт.
3. Полученные результаты показали, что расчеты по модульным коэф-
фициентам могут быть завышенными или заниженными в зависимости от
положения зон максимальных осадков. Для надежной оценки пространст-
венного распределения количества осадков, выпадающих на поверхность
Черного моря, внутримесячной и внутригодовой их изменчивости предпоч-
тительным является представленный метод, основанный на оперативных
данных численного моделирования (GFS), регулярно корректируемых все-
ми доступными натурными данными береговых наблюдений и данными
комплексного анализа синоптической и спутниковой информации.
4. Данные мониторинга показали, что удовлетворительные величины
биогенных и других растворенных в осадках веществ, выпадающих на по-
верхность Черного моря, можно получить только при наличии качествен-
ных (выполненных по единой методике) измерений химического состава
осадков на всех берегах Черного моря (северном, восточном, южном и за-
падном), а также в открытых районах моря.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Репетин Л.Н., Войцехович О.В., Рябинин А.И., Ильин Ю.П., Долотов В.В., Лип-
ченко А.Е. Организация и результаты экспериментального мониторинга атмо-
сферных осадков и биогенных веществ, выпадающих на поверхность Черного
моря (проект BSERP/GEF) // Материалы 6-ого Междунар. Симпоз. «Экологиче-
ские проблемы Черного моря».– Одесса: ОЦНТЭПИ, 2004.– С.363-367.
2. Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР. Том IV. Черное море. Вып.1.
Гидрометеорологические условия // СПб: Гидрометеоиздат, 1991.– 430 с.
3. ECMWF. The description of the ECMWF Re-analysis global atmospheric data
archive. Reading.– UK, 1997.
4. Горячкин Ю.Н., Липченко М.М. О количестве атмосферных осадков, выпадающих
на поверхность Черного моря // Труды УкрНИГМИ.– 2000.– 248.– С.221-227.
5. Хрыневич Р. Сульфаты в атмосферных осадках Варшавы в зависимости от их
количества и адвекции воздушных масс // Метеорологические аспекты загряз-
нения атмосферы. Междунар. симпоз. Ленинград, март 1977. Том 3.– М.: Гид-
рометеоиздат, 1981.– С.178-183.
6. Bleike S., Georgii N.W. Investigation on the incorporation of sulfur-dioxide into fog
and rain-droplets // Tellus.– 1968.– 20.– Р.435.
М а т е р и а л п о с т у п и л в р е д а к ц и ю 1 3 . 1 2 . 2 0 0 4 г .
П о с л е д о р а б о т к и 1 4 . 0 3 . 2 0 0 5 г .
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-57033 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1726-9903 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:54:29Z |
| publishDate | 2005 |
| publisher | Морський гідрофізичний інститут НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Репетин, Л.Н. Долотов, В.В. Липченко, А.Е. Липченко, М.М. 2014-03-02T18:39:20Z 2014-03-02T18:39:20Z 2005 Метод расчета количества атмосферных осадков и растворенных химических веществ, выпадающих на акваторию Черного моря, на основе данных натурных измерений и оперативной Интернет-информации / Л.Н. Репетин, В.В. Долотов, А.Е. Липченко, М.М. Липченко // Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу: Зб. наук. пр. — Севастополь, 2005. — Вип. 12. — С. 484-497. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 1726-9903 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/57033 551.578.8 Представлены методика оперативных расчетов количества атмосферных осадков и растворенных в них химических веществ на поверхность Черного моря, описание программного расчетно-аналитического комплекса и банка данных для автоматизированного приема Интернет-информации с результатами модельных расчетов количества осадков над Черным морем, усвоения натурных береговых и судовых данных, а также для представления итоговых результатов в виде таблиц и карт пространственного распределения количества осадков и растворенных химических веществ за каждый дождь, сутки, месяц. Приводятся результаты сравнения с традиционным методом модульных коэффициентов. The methods of operative calculations of the amount of atmospheric precipitation and dissolved chemical matter on the Black Sea surface are presented as well as the description of program calculating-analytical complex and data bank for the automatic receiving of the Internet information with the results of model computations of precipitation amount over the Black Sea to assimilate in situ coastal and ship data and to present the final results in the form of tables and maps of spatial spreading of precipitation amount and dissolved chemical matter for each rain, day, month. The results of comparison with the traditional method of module coefficients are given. ru Морський гідрофізичний інститут НАН України Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу Разработка новых средств и методов контроля морской среды Метод расчета количества атмосферных осадков и растворенных химических веществ, выпадающих на акваторию Черного моря, на основе данных натурных измерений и оперативной Интернет-информации Methods of Calculating of Atmospheric Precipitation and Dissolved Chemical Matter Falling on the Black Sea Region on the Basis of in situ and Internet Data Article published earlier |
| spellingShingle | Метод расчета количества атмосферных осадков и растворенных химических веществ, выпадающих на акваторию Черного моря, на основе данных натурных измерений и оперативной Интернет-информации Репетин, Л.Н. Долотов, В.В. Липченко, А.Е. Липченко, М.М. Разработка новых средств и методов контроля морской среды |
| title | Метод расчета количества атмосферных осадков и растворенных химических веществ, выпадающих на акваторию Черного моря, на основе данных натурных измерений и оперативной Интернет-информации |
| title_alt | Methods of Calculating of Atmospheric Precipitation and Dissolved Chemical Matter Falling on the Black Sea Region on the Basis of in situ and Internet Data |
| title_full | Метод расчета количества атмосферных осадков и растворенных химических веществ, выпадающих на акваторию Черного моря, на основе данных натурных измерений и оперативной Интернет-информации |
| title_fullStr | Метод расчета количества атмосферных осадков и растворенных химических веществ, выпадающих на акваторию Черного моря, на основе данных натурных измерений и оперативной Интернет-информации |
| title_full_unstemmed | Метод расчета количества атмосферных осадков и растворенных химических веществ, выпадающих на акваторию Черного моря, на основе данных натурных измерений и оперативной Интернет-информации |
| title_short | Метод расчета количества атмосферных осадков и растворенных химических веществ, выпадающих на акваторию Черного моря, на основе данных натурных измерений и оперативной Интернет-информации |
| title_sort | метод расчета количества атмосферных осадков и растворенных химических веществ, выпадающих на акваторию черного моря, на основе данных натурных измерений и оперативной интернет-информации |
| topic | Разработка новых средств и методов контроля морской среды |
| topic_facet | Разработка новых средств и методов контроля морской среды |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/57033 |
| work_keys_str_mv | AT repetinln metodrasčetakoličestvaatmosfernyhosadkovirastvorennyhhimičeskihveŝestvvypadaûŝihnaakvatoriûčernogomorânaosnovedannyhnaturnyhizmereniiioperativnoiinternetinformacii AT dolotovvv metodrasčetakoličestvaatmosfernyhosadkovirastvorennyhhimičeskihveŝestvvypadaûŝihnaakvatoriûčernogomorânaosnovedannyhnaturnyhizmereniiioperativnoiinternetinformacii AT lipčenkoae metodrasčetakoličestvaatmosfernyhosadkovirastvorennyhhimičeskihveŝestvvypadaûŝihnaakvatoriûčernogomorânaosnovedannyhnaturnyhizmereniiioperativnoiinternetinformacii AT lipčenkomm metodrasčetakoličestvaatmosfernyhosadkovirastvorennyhhimičeskihveŝestvvypadaûŝihnaakvatoriûčernogomorânaosnovedannyhnaturnyhizmereniiioperativnoiinternetinformacii AT repetinln methodsofcalculatingofatmosphericprecipitationanddissolvedchemicalmatterfallingontheblacksearegiononthebasisofinsituandinternetdata AT dolotovvv methodsofcalculatingofatmosphericprecipitationanddissolvedchemicalmatterfallingontheblacksearegiononthebasisofinsituandinternetdata AT lipčenkoae methodsofcalculatingofatmosphericprecipitationanddissolvedchemicalmatterfallingontheblacksearegiononthebasisofinsituandinternetdata AT lipčenkomm methodsofcalculatingofatmosphericprecipitationanddissolvedchemicalmatterfallingontheblacksearegiononthebasisofinsituandinternetdata |