1. Адаптация картосновы

2. Создание специализированной региональной база данных (РБД)

3. Анализ качества информации и формальный контроль данных

3.1. Контроль значений горизонтов наблюдений на станциях

3.2. Контроль значений температуры и солености по диапазонам

3.3. Контроль солености по вертикальному распределению плотности на океанографических станциях

4. Этапы построения полей океанографических характеристик

4.1. Пересчет географических координат в базе данных в декартовы

4.2. Интерполяция и "притягивание" данных на заданные (стандартные) горизонты

4.3. Статистический контроль температуры, солености и плотности на стандартных горизонтах

4.4. Расчет статистических характеристик температуры, солености и плотности в квадратах 100 км на 100 км

4.5. Предварительное гридирование. Экспертный анализ полей, исправление ошибок в базе данных и окончательное построение карт

5. Список использованных источников

 

1. Адаптация картосновы по Баренцеву морю к задачам электронного режимного справочного пособия (ЭРСП).

За картоснову ЭРСП Баренцева моря был взят массив береговой черты, подготовленный Гос.НИНГИ и массив глубин IBCAO / 1 /. На рис. 1 представлена береговая черта Гос.НИНГИ и рельеф дна, построенный по данным массива глубин IBCAO.

Для бланкования карт можно было использовать следующие массивы глубин, имеющиеся в отделе океанологии ААНИИ:

1)     массив глубин IBCAO с шагом 2.5 км / 1 / ;

2)     массив глубин, предоставленный Гос.НИНГИ с шагом 5 км.

Рисунок 1. Береговая черта Гос.НИНГИ и рельеф дна, построенный по данным массива глубин IBCAO

Для бланкования карт горизонтального распределения температуры и солености на стандартных горизонтах был выбран массив глубин IBCAO с шагом 2.5 км / 1/. Предпочтение массиву глубин IBCAO было отдано в связи с тем, что он, в отличие от массива Гос.НИНГИ, полностью покрывает весь выбранный нами регион (массив же Гос.НИНГИ покрывает только акваторию Баренцева моря), имеет более частый шаг, а также в массиве глубин Гос.НИНГИ много нулевых значений в отдельных заливах и проливах. Выбор массива глубин IBCAO позволил, на наш взгляд, детальнее произвести контроль данных по глубине и бланкование гридированных полей.

2. Создание специализированной региональной база данных (РБД) гидрологических характеристик по Баренцеву и сопредельным акваториям

Для данной работы была выбран регион, включающий полностью Баренцево море и сопредельные районы.

Исходными архивами для специализированной региональной базы данных (РБД) гидрологических характеристик по Баренцеву морю и сопредельным акваториям являлись следующие данные наблюдений за температурой и солёностью:

  1. данные 61889-ти океанографических станций (за период 1882–2000 гг.), выбранные из базы гидрологических данных Северного Ледовитого океана (СЛО) отдела океанологии ГУ РФ ААНИИ, по всему вышеуказанному региону;
  2. данные 319497-ми океанографических станций (за период 1893–1996 гг.), полученные из ЦОД ВНИИГМИ-МЦД, по Баренцеву морю;
  3. данные 74273-ёх океанографических станций (за период 1898–1993 гг.) из электронного Атласа ММБИ / 2 / по Баренцеву морю;
  4. данные 126962-ух океанографических станций (за период 1898–1998 гг.) из электронного Атласа BarKode / 3 / по Баренцеву и Карскому морям.

Всего в объединенном исходном архиве содержались данные  582621-ой океанографической станции за период 1882-2000 гг.

Затем был произведён контроль данных на дубли (по равенству дат, времени, координат и кодов исследовательских платформ). После этих двух процедур в архиве, загруженном в РБД, оказалось всего 246483-ри океанографические станции, которые распределились следующим образом по источникам поступления в исходный архив:

  1. данные 19893-ёх океанографических станций (за период 1882–2000 гг.), выбранные из базы гидрологических данных Северного Ледовитого океана (СЛО) отдела океанологии ГУ РФ ААНИИ, по всему вышеуказанному региону;
  2. данные 127948-ми океанографических станций (за период 1893–1996 гг.), полученные из ЦОД ВНИИГМИ-МЦД, по Баренцеву морю;
  3. данные 42795-ти океанографических станций (за период 1898–1993 гг.) из электронного Атласа ММБИ / 2 / по Баренцеву морю;
  4. данные 55847-ми океанографических станций (за период 1898–1998 гг.) из электронного Атласа BarKode / 3 / по Баренцеву и Карскому морям.

На рис. 2 показано (после процедуры исключения дублей) распределение количества станций по годам, а на рис. 3 – по месяцам.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2. Количество станций в базе данных по Баренцеву морю по годам (после процедуры исключения дублей).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3. Количество станций в базе данных по Баренцеву морю по месяцам (после процедуры исключения дублей).

Региональная база данных по Баренцеву морю (РБД) состоит из двух реляционно связанных между собой таблиц: таблицы призначной информации, содержащей сведения о станции (дата и время выполнения станции, географические координаты станции, глубина на станции, флаг качества информации) и таблицы данных по температуре и солености на станциях на различных горизонтах и флагов качества этих данных.

 

3. Анализ качества информации и формальный контроль данных

3.1. Контроль значений горизонтов наблюдений на станциях

Станция помечалась флагом 25 и не использовалась для дальнейшей работы, если горизонты наблюдений на станции, выходили за диапазон в справочном массиве глубин Северного Ледовитого океана (массив IBCAO с шагом 2.5 км / 1 /). Выбиралась ближайшая к этой станции точка из массива глубин, но не далее чем на 2.5 км. Если горизонт наблюдений на станции значительно (на 120% - для слоя 0-100 м и на 40% - для глубин более 100 м) превышает глубину в этой точке, положение станции считается сомнительным.

Также считались сомнительными, помечалась флагом 25 и не использовались для дальнейшей работы станции, лежащие на берегу, т.е. те станции, для которых не нашлось точки в массиве глубин на расстоянии менее 2.5 км.

Всего флагом 25 помечена 18821-на станция.

3.2. Контроль значений температуры и солености по диапазонам

Проводился довольно “грубый” формальный контроль данных на диапазон температуры и солености в конкретном слое.

Для температуры (t) помечались флагом 41 и не использовались в дальнейших расчетах значения, попадающие в следующие диапазоны по следующим слоям:

слой 0¸30 м: t > 25°C или t < -2.0°C ;       

слой 30.1¸100 м: t > 20°C или  t < -2.0°C ;

         слой 100.1¸400 м: t > 15°C или  t < -2.0°C ;        

слой  от 400.1 м до придонного горизонта: t > 10°C или  t < -1.8°C.

Общее число наблюдений над температурой в базе данных по Баренцеву морю составило: 6300386-ть наблюдений на 582366-ти станциях. Из них флагом 41 помечено 969-ть наблюдений  над температурой на 312-ти станциях.

Для солености (S) помечались флагом 51 и не использовались в дальнейших расчетах значения, попадающие в следующие диапазоны по следующим слоям:

слой 0¸10 м: S <= 0 psu или S > 36 psu;

слой 10.1¸50 м: S < 15 psu или S > 36 psu;

слой 50.1¸250 м: S < 20 psu или S > 36 psu;

слой 250.1¸400 м: S < 25 psu или S > 36 psu;

слой  от 400.1 м до придонного горизонта: S < 30 psu или S > 36 psu.

Общее число наблюдений над соленостью в базе данных по Баренцеву морю составило: 4911665-ть наблюдений на 415296-ти станциях. Из них флагом 51 помечено 1463-ри наблюдений  над соленостью на 532-ух станциях.

3.3. Контроль солености по вертикальному распределению плотности на океанографических станциях

Поскольку в Северном Ледовитом океане (СЛО) вклад солености в изменение плотности значительно превышает вклад температуры, то после этого контроля помечались флагом 61 и не использовались для дальнейшей работы значения только солености.

Так как в базе данных, к сожалению, отсутствуют признак или тип измерительных приборов и средств, то для учета точности измерений температуры и солености для задания диапазонов инверсии плотности данные делились на две группы следующим образом. Данные с наблюдениями с дискретностью по глубине измерений более 1 м были отнесены к батометрическим (с точностью измерения температуры ± 0.02 ° С, солености ± 0.02 psu), остальные - к зондированиям более высокоточными приборами (с точностью измерения температуры ± 0.01 ° С, солености ± 0.01 psu).

Допустимым отрицательным градиентом плотности для слоя 0-50 м в Арктическом бассейне согласно работе / 4 / является значение -0.01 у.е./м. Эта величина допустимого отрицательного градиента плотности принималась и для морей СЛО. Поэтому допустимый диапазон инверсии плотности не должен превышать значения, определяемого следующими формулами:        

для слоя 0 - 50 м: s (t,s,p)2-s (t,s,p)1< D s -0.01· (h2- h1) ;

для слоя 50.1 - 5000 м: s (t,s,p)2-s (t,s,p)1< D s ,

где s (t,s,p)2 плотность на нижнем горизонте (у.е.);

      s (t,s,p)1 плотность на верхнем горизонте (у.е.);

      h2 значение нижнего горизонта (м);

      h1 значение верхнего горизонта (м);

      D s значение максимальной ошибки определения плотности воды (-0.040 у.е. для батометрии, -0.019 у.е. для зондирований более высокоточными         приборами), обусловленной инструментальными ошибками измерения температуры и солености.

Флагом 61 помечено 33791-на наблюдений над соленостью (из общего количества  4911665-ть наблюдений)  на 12239-ти станциях (из общего числа 415296-ть станций).

 

4. Этапы построения полей океанографических характеристик

4.1. Пересчет географических координат в базе данных в декартовы

Для исключения эффекта схождения меридианов при выполнении расчета значений гидрологических характеристик в узлы регулярной сетки географические координаты станций пересчитывались в декартовые координаты азимутальной равновеликой проекции Ламберта / 5 / по следующим формулам:

X=2Rsin(c /2)sinl

Y=2Rsin(c /2)cosl

где c =(90-j ) – дополнение широты;

l - долгота;

R = 6371.116 км – радиус шара, имеющего одинаковую поверхность с поверхностью земного эллипсоида / 6 /;

X, Y – координаты сетки.

4.2. Интерполяция и "притягивание" данных на заданные (стандартные) горизонты

Интерполяция и "притягивание" значений температуры и солености, прошедших формальный контроль качества, производилась на следующие стандартные горизонты: 0, 5, 10,  20, 25, 30, 50, 75, 100, 150, 200, 250, 300, 400, 500, 600, 800, 1000. Если наблюдения на станции производились на отличных горизонтах, то производилась линейная интерполяция значений температуры и солености на указанные выше горизонты. Интерполяция производилась только в том случае, если количество стандартных горизонтов между последовательными верхним и нижним горизонтами наблюдений не превышало одного. Кроме того, если интерполяция по этому критерию была запрещена, но разница между горизонтом наблюдений и ближайшим стандартным не превышала 5 % от толщины слоя между соседними стандартными горизонтами, в пределах которого находился горизонт наблюдений, то значения температуры и солености на таком горизонте наблюдений переносились (“притягивались”) на ближайший стандартный горизонт. Например, если верхний горизонт наблюдений был выполнен на 210 м, а последующий нижний горизонт наблюдений - на 305 м, то интерполяция на “пропущенные” стандартные горизонты 250 и 300 м не производилась, т. к. их количество (два) превышало выбранный нами вышеописанный критерий (один). Однако в этом случае выполнялось “притягивание” (перенос) значений гидрологического параметра на наблюденном горизонте 305 м к стандартному горизонту 300 м. “Притягивание” же горизонта наблюдений 210 м не выполнялось. В табл. 1 приведены значения стандартных горизонтов и верхний и нижний предел при использовании процедуры “притягивания”.

Таблица 1.

Стандартные горизонты, верхний и нижний предел при использовании процедуры “притягивания” горизонта наблюдений к стандартному.

Стандартный горизонт (м)

Верхний предел для процедуры “притягивания” горизонта наблюдений к стандартному (м)

Нижний предел для процедуры “притягивания” горизонта наблюдений к стандартному (м)

0

0.00

0.25

5

-0.25

0.25

10

-0.25

0.50

20

-0.50

0.25

25

-0.25

0.25

30

-0.25

1.00

50

-1.00

1.25

75

-1.25

1.25

100

-1.25

2.50

150

-2.50

2.50

200

-2.50

2.50

250

-2.50

2.50

300

-2.50

5.00

400

-5.00

5.00

500

-5.00

5.00

600

-5.00

10.00

800

-10.00

10.00

1000

-10.00

10.00

 

 

После процедур интерполяции и "притягивания" температуры и солености на стандартные горизонты по значениям температуры и солености на стандартных горизонтах рассчитывались значения плотности на стандартных горизонтах. В табл. 2 приводится количество значений температуры, солености и плотности на стандартных горизонтах, используемых при всех последующих этапах работы.

 

Таблица 2.

Количество значений температуры, солености и плотности на стандартных горизонтах.

 

Стандартный горизонт (м)

Количество наблюденных (или проинтерполированнных) значений на стандартных горизонтах

Количество рассчитанных значений плотности по наблюденным (или по  проинтерполированным) значениям температуры и солености на стандартных горизонтах

температуры

солености

0

208918

137213

136976

5

176116

128963

128697

10

174721

131004

130908

20

172695

129075

128933

25

170078

127155

127004

30

173602

129127

128979

50

176227

129655

129581

75

163527

118704

118629

100

154956

112216

112150

150

133631

97210

97146

200

112344

78829

78771

250

69257

54721

54687

300

40038

29616

29594

400

11305

10250

10242

500

2584

2421

2420

600

1445

1379

1379

800

1014

983

981

1000

496

474

471

 

4.3. Статистический контроль температуры, солености и плотности на стандартных горизонтах

Данные по температуре, солености и плотности на каждом из стандартных горизонтов для каждого месяца были подвергнуты статистическому контролю. Статистический контроль проводился по сетке квадратов с переменным шагом. Сетка строилась следующим образом. Вся акватория разбивалась первоначально на четыре квадрата.  Далее каждый из квадратов,  в котором выполнялись следующие два условия: количество наблюдений равнялось не менее 12, ряд наблюдений составлял не менее трёх лет, в свою очередь, разбивался последовательно на четыре квадрата. (Заметим, что такое малое количество наблюдений и такое малое количество лет наблюдений, принятых для этого критерия, было выбрано в связи со слабой освещённостью в некоторых частях акватории особенно в зимние месяцы и в северо-восточной части моря.) И такое разбиение каждого из квадратов, удовлетворяющего этим критериям, продолжалось до тех пор, пока на каком-либо шаге-попытке дальнейшего разбиения такого квадрата на четыре  ни происходило следующее: ни в одном из четырёх квадратов для дальнейшего деления не выполнялись такие условия, а именно - количество наблюдений  в каждом из четырёх квадрат становилось менее 12, а ряд наблюдений составлял  менее трёх лет.

Только для квадратов со стороной не более 25 км и удовлетворяющих вышеописанным критериям по количеству наблюдений (не менее 12) и ряду лет (не менее трёх) производился собственно статистический контроль, заключающийся в пометке и в неиспользовании в дальнейших расчетах данных, выходящих за пределы Pср.± 3s, где Pср. – среднее значение температуры (или солености, или плотности) в данном квадрате, s - среднеквадратичное отклонение температуры (или солености, или плотности) в данном квадрате. Таким контролем было помечено и не использовалось при дальнейшей работе по температуре – 1208 значений; по солености – 575 значений; по плотности – 1194 значений.

 4.4. Расчет статистических характеристик температуры, солености и плотности в квадратах 100 км на 100 км

Далее в квадратах 100 км на 100 км (центры квадратов представлены на рис. 3) для каждого месяца на каждом из стандартных горизонтов производился расчет следующих статистических характеристик температуры, солености и плотности: количества наблюдений в квадрате, количества лет наблюдений в квадрате, среднего значения в квадрате (с предварительным осреднением наблюдений за каждый год наблюдений), дисперсии, среднего квадратичного отклонения, минимального и максимального значения в квадрате, значений коэффициента асимметрии  и эксцесса температуры, солености и плотности в квадрате.

 

Рис. 3. Центры квадратов 100х100 км для которых производился расчет статистических характеристик

4.5. Предварительное гридирование. Экспертный анализ полей, исправление ошибок в базе данных и окончательное построение карт

Предварительное гридирование (интерполяция  в узлы регулярной сетки 100 км на 100 км) на каждом из стандартных горизонтов для каждого месяца производилась помощью программы SURFER 6.4 с помощью процедуры Kriging. Гридировались средние значения температуры, солености и плотности в квадратах 100 км на 100 км (с предварительным осреднением наблюдений за каждый год наблюдений).  Параметры гридирования подбирались опытным путем в зависимости от количества данных и равномерности их распределения по акватории.

Карты среднемноголетнего распределения гидрологических характеристик для каждого месяца строились на следующих горизонтах: 0, 5, 10, 20, 25, 30, 50, 75, 100, 150, 200, 250, 300 и 400 м.

После предварительного гридирования проводился экспертный анализ полученных полей. Вносились исправления в базу данных. После этого производилась  окончательная интерполяция значений температуры, солености и плотности в узлы заданной сетки и построение полей этих характеристик. При построении карт средних значений производилось матричное сглаживание гридированных значений по две строки и два столбца процедурой "Matrix Smooth" программы SURFER 6.4.

Экстремальные характеристики температуры, солености и плотности для конкретного горизонта, конкретного месяца могут быть за разные годы, поэтому эти карты не характеризуются взаимосвязанными гидрометеорологическими процессами и в изолиниях не строились. На картах в каждом из квадратов 100 км на 100 км на каждом стандартном горизонте каждого месяца приводятся значения соответствующего экстремума соответствующего гидрологического элемента, а также приводится количество наблюдений и количество лет наблюдений.

Необходимо отметить, что экстремальные величины температуры, солености и плотности могут иметь значения прошедшие только “грубый” формальный контроль (п. 3.2). Статистический контроль мог не проводиться по причине не выполнения вышеописанных критериев (п. 4.3).

5. Список использованных источников

  1. IOC/IASC/IHO Editorial Board for the International Bathymetric Chart of the Arctic Ocean (EB-IBCAO) Report of Meeting: Dartmouth, Canada; June 24, 1999
  2. Matishov G. et al., 1998 (Matishov G., Zuyev A., Golubev V., Adrov N., Slobodin V., Levitus S., Smolyar I.), Climatic atlas of the Barents Sea 1998: temperature, salinity, oxygen. Murmansk Marine Biological Institute (Russia), National Oceanographic Data Center, Ocean Climate Laboratory (USA), Washington, 1998, 122 p. + CD-ROM
  3. Океанографическая база данных (BarKode) CD-ROM, 1999, предоставлена Администрацией Международного Проекта ACSYS/CLIC, Центр Полярной Окружающей Среды, Тромсе, Норвегия
  4. Лукин В. В., Тимохов Л. А. Инверсионные слои под ледяным покровом. – В кн.: Вертикальная структура и динамика подледного слоя океана. Л.: Гидрометеоиздат, 1989, 144 с.
  5. Картография. Выпуск 3. Картографирование океанов. М.: Издательство “Прогресс”, 1988 г., 264 c.
  6. Граур А.В. Математическая картография. Л.: Издательство Ленинградского универитета, 1956 г., 372 с.
  7. Joint US Russian Atlas of the Arctic Ocean for winter period (1997) and summer period (1998). Ed. By L. Timokhov, F. Tanis, Environment Working Group, NSIDC, Boulder, Colorado.
  8. Пановский Г.А., Брайер Г.В. Статистические методы в метеорологии. Л.: Гидрометеоиздат, 1967, 244 с.