1 Исходные данные

2 Контроль данных

2.1 Контроль значений горизонтов наблюдений на станциях

2.2 Контроль значений температуры и солености по диапазонам

2.3 Контроль солености по вертикальному распределению плотности на океанографических станциях

3 Удаление дублей

4 Интерполяция на стандартные горизонты

5 Расчет статистических характеристик

6 Построение полей и экспертный контроль

7 Подготовка электронного Атласа климатических термохалинных характеристик моря Лаптевых за зимний период

8 Разрезы среднемноголетних термохалинных характеристик за зимний сезон

1 Исходные данные

Для создания атласа термохалинных характеристик моря Лаптевых в зимний сезон из базы термохалинных характеристик Северного Ледовитого океана были выбраны данные по температуре и солености для моря Лаптевых и прилегающих акваторий за 11, 12, 1, 2, 3, 4 и 5 месяцы. После контроля данных на дубли и их удаления в региональной базе данных по морю Лаптевых и прилегающих районов насчитывается 5906 станций за период с 1893 по 1999 годы. Количество измерений термохалинных характеристик за каждый месяц зимнего гидрологического сезона приведено в таблице 1. Распределение количества станций по месяцам приведено на рисунке 1. Схема положения станций приведена на рисунке 2.

Таблица 1 - Количество измерений термохалинных характеристик за каждый месяц зимнего гидрологического сезона

Рисунок 1 – Распределение количества станций за каждый месяц зимнего гидрологического сезона

Рисунок 2 – Схема положения океанографических станций в региональной базе данных моря Лаптевых в зимний гидрологический сезон

2 Контроль данных

2.1 Контроль значений горизонтов наблюдений на станциях

Контроль значений горизонтов наблюдений на станциях производится с помощью скриптов, разработанных для этой цели под управлением СУБД Visual FoxPro.

Станция помечается флагом 25 и не используется для дальнейшей работы, если горизонты наблюдений на станции, выходят за диапазон в справочном массиве глубин Северного Ледовитого океана (массив IBCAO с шагом 2.5 км [ 1 ]). Выбирается 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 считаются сомнительными, помечаются флагом 25 и не используются 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.

2.2 Контроль значений температуры и солености по диапазонам

Контроль значений температуры и солености по диапазонам производится с помощью скриптов, разработанных для этой цели под управлением СУБД Visual FoxPro.

Проводится контроль данных на диапазон температуры и солености в конкретном слое.

Для температуры помечаются флагом 41 и не используются 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.

Для солености помечаются флагом 51 и не используются 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 < 5 psu или S > 36 psu;

слой 50.1-250 м: S < 15 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.

2.3 Контроль солености по вертикальному распределению плотности на океанографических станциях

Контроль солености по вертикальному распределению плотности на океанографических станциях производится с помощью скриптов, разработанных для этой цели под управлением СУБД Visual FoxPro.

Поскольку в Северном Ледовитом океане вклад солености в изменение плотности значительно превышает вклад температуры, то в результате этого контроля помечаются флагом 61 и не используются для дальнейшей работы значения солености.

Так как в базе данных отсутствуют признак или тип измерительных приборов и средств, то для учета точности измерений температуры и солености для задания диапазонов инверсии плотности данные делятся на две группы следующим образом. Данные с наблюдениями с дискретностью по глубине измерений более 1 м относятся 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 [ 2 ], является значение -0.01 у.е./м. Эта величина допустимого отрицательного градиента плотности принимается и для морей Северного Ледовитого океана. Принимается, что 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.);

h_{2 -} значение нижнего горизонта (м);

h_{1 -} 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.

После формального контроля солености по вертикальному распределению плотности проводился экспертный просмотр забракованных значений солености для экспертной корректировки флагов качества.

3 Удаление дублей

Удаление дублей станций в базе технологии производится с помощью скриптов, разработанных для этой цели под управлением СУБД Visual FoxPro.

После проведения перечисленных выше видов контроля данных осуществляется процедура выявления дублей станций и выбор наиболее информационной станции из дублирующих станций.

Контроль на дубли осуществляется с помощью созданной для этой цели программой (скриптом). Выбор наиболее информационной станции основан на подсчетах количества измерений над температурой и соленость не забракованных перечисленными выше видами контроля. В случае одинакового количества измерений на всех дублирующих станциях выбирается станция с наиболее полной призначной информацией.

4 Интерполяция на стандартные горизонты

Интерполяция и “притягивание” значений температуры и солености производится с помощью скриптов, разработанных для этой цели под управлением СУБД Visual FoxPro.

Необходимыми компонентами являются таблицы стандартных горизонтов и термохалинных данных в базе технологии.

Интерполяция и “притягивание” значений температуры и солености, прошедших перечисленные выше виды контроля качества, производится на следующие стандартные горизонты: 5, 10, 20, 25, 30, 50, 75, 100, 150, 200, 250, 300, 400, 500, 600, 800, 1000, 1500, 2000, 2500, 3000. Если наблюдения на станции производились на отличных горизонтах, то производится линейная интерполяция значений температуры и солености на указанные выше горизонты. Интерполяция производится только в том случае, если количество стандартных горизонтов между последовательными верхним и нижним горизонтами наблюдений не превышает одного. Кроме того, если интерполяция по этому критерию запрещена, но разница между горизонтом наблюдений и ближайшим стандартным не превышает 5 % от толщины слоя между соседними стандартными горизонтами, в пределах которого находится горизонт наблюдений, то значения температуры и солености на таком горизонте наблюдений переносятся (“притягивается”) 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 производится, т. к. их количество (два) превышает вышеописанный критерий (один). Однако, в этом случае выполняется “притягивание” (перенос) значений гидрологического параметра на наблюденном горизонте 305 м к стандартному горизонту 300 м. “Притягивание” же горизонта наблюдений 210 м не выполняется. В таблице 2 приведены значения стандартных горизонтов и верхний и нижний предел при использовании процедуры “притягивания”.

Таблица 2 - Стандартные горизонты, верхний и нижний предел при использовании процедуры “притягивания” горизонта наблюдений к стандартному.

После процедур интерполяции и “притягивания” температуры и солености на стандартные горизонты по значениям температуры и солености на стандартных горизонтах рассчитывается значения плотности на стандартных горизонтах.

5 Расчет статистических характеристик

Компонента расчет статистик включает программы создания регулярных сеток с заданным пространственным разрешением и программы выборки данных из базы данных и расчета статистических характеристик в заданных квадратах с постоянной стороной. Создание регулярных сеток и расчет статистических характеристик производится с помощью скриптов разработанных для этой цели под управлением СУБД VISUAL FoxPro 5.0.

В квадратах 100 км на 100 км (рисунок 3) для каждого сезона на каждом из стандартных горизонтов производится 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 (СКО), минимального и максимального значения в квадрате, значений коэффициента асимметрии и эксцесса температуры, солености и плотности в квадрате. Расчет среднего, дисперсии и СКО имеет смысл только в тех случаях, когда число измерений более трех. Среднее значение параметра в квадрате рассчитывается с учетом предварительного осреднения по годам. Экстремальные же значения выбираются, а остальные вышеперечисленные статистические характеристики рассчитываются по всему ряду значений в квадрате.

Рисунок 3 - Положение и номера квадратов 100х100 км в которых рассчитывались статистические характеристики

X=S Xi/N

где Х – среднее значение параметра;

Xi - наблюденное значение параметра;

N – количество наблюдений в квадрате

центральный момент 2-ого порядка m 2:

m 2=[S (Хi-Х)²]/N

центральный момент 3-его порядка m 3:

m 3=[S (Хi-Х)³]/N

центральный момент 4-ого порядка m 4:

m 4=[S (Хi-Х)⁴]/N

дисперсия параметра:

S2=m 2

где S2 - дисперсия параметра;

m 2 - центральный момент 2-ого порядка

стандартное квадратичное отклонение:

S = (S2)^0.5

где S - стандартное квадратичное отклонение;

S2 - дисперсия параметра

коэффициент асимметрии:

Ас=m 3/S³

где Ас - коэффициент асимметрии;

m 3 - центральный момент 3-его порядка;

S - стандартное квадратичное отклонение

коэффициент эксцесса:

Ek=m 4/S⁴-3

где Ek - коэффициент эксцесса;

m 4 - центральный момент 4-ого порядка;

S - стандартное квадратичное отклонение

Кроме того, рассчитывались методом наименьших квадратов коэффициенты А, B и C плоскости регрессии.

Структура (в нотации описания DBF-файла) таблиц статистических характеристик приведена в таблице 3.

Таблица 3 - Структура таблицы статистических характеристик

6 Построение полей и экспертный контроль

С целью экспертного контроля данных осуществляется предварительное гридирование и построение полей термохалинных элементов.

Для предварительного гридирования и построения карт используются специально написанные скрипты, работающие под управлением программного продукта SURFER 6.4

Для исключения эффекта схождения меридианов, при построении полей характеристик с использованием программного средства SURFER, и для производства выбора данных в квадраты регулярной километровой сетки при расчете статистических значений гидрологических характеристик, рассчитываются декартовые координаты азимутальной равновеликой проекции Ламберта [ 3 ] по географическим координатам станций.

Расчет производится 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;

X, Y – декартовые координаты.

Ось Х направлена по меридиану 0 - 180° , ось Y направлена по меридиану 270 - 90° . Центр системы координат расположен на полюсе.

Строятся поля средних значений температуры, солености и плотности в квадратах 100 км на 100 км (с предварительным осреднением наблюдений за каждый год наблюдений). Параметры гридирования подбираются опытным путем в зависимости от количества данных и равномерности их распределения по акватории.

Карты среднемноголетнего распределения гидрологических характеристик для каждого сезона строятся на следующих горизонтах: 5, 10, 20, 25, 30, 50, 75, 100, 150, 200, 250, 300 , 400 , 500, 600, 800, 1000, 1500, 2000, 2500 и 3000. После предварительного гридирования проводится экспертный анализ полученных полей. Вносятся исправления в базу данных.

7 Подготовка электронного Атласа климатических термохалинных характеристик моря Лаптевых за зимний период

В электронном Атласа климатических термохалинных характеристик моря Лаптевых за зимний период содержится краткое описание гидрологического режима, описание массивов исходных данных, описание технологии подготовки материалов для Атласа, карты минимальных, среднемноголетних и максимальных значений температуры, солености и плотности (всего 198 карт), разрезы среднемноголетних значений этих гидрологических параметров (всего 18 рисунков с разрезами), вышеописанные таблицы статистических характеристик термохалинных элементов и текстовые файлы со значениями минимальных, среднемноголетних и максимальных значений температуры, солености и плотности в узлах регулярной сетки на стандартных горизонтах (всего 66 файлов).

В таблице 4 приведено описание массивов, полученных в результате работы над электронным Атласом (ЭА) климатических термохалинных характеристик моря Лаптевых за зимний период.

Таблица 4 - Набор данных климатических многолетних сезонных (зимних) статистических характеристик температуры, солености и плотности моря Лаптевых на стандартных горизонтах в виде системы файлов данных

Электронный Атлас климатических термохалинных характеристик моря Лаптевых за зимний период представляет собой электронный документ в формате HTML, содержащий набор значений статистических параметров режимного состояния моря за многолетний период (климатическое обобщение), представленных в форме таблиц, графиков, карт и текстовых описаний. ЭА содержит рассчитанные значения параметров, построенные карты, разрезы и профили термохалинных элементов. Пример среднемноголетних полей температуры и поверхности приведен на рисунке 4.

Рисунок 4 – Среднемноголетняя температура – а и соленость - б на поверхности зимой

8 Разрезы среднемноголетних термохалинных характеристик за зимний сезон

Схема разрезов для построения среднемноголетних термохалинных характеристик за зимний сезон в море Лаптевых приведена на рисунке 5. Для построения разрезов использовались данные на стандартных горизонтах. Строились вертикальные разрезы по значениям, полученным с помощью стандартной процедуры Slice пакета Golden Software Surfer 7.0. Этой процедуре подвергались поля горизонтального распределения термохалинных элементов на стандартных горизонтах. На ри сунке 6 приведено распределение температуры и солености на разрезе VI.

Рисунок 5 - Схема разрезов для построения среднемноголетних термохалинных характеристик за зимний сезон в море Лаптевых

Рисунок 6 – Температура (° С) (а) и соленость (psu) (б) на разрезе VI.

Литература

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. 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.

3. Картография. Выпуск 3. Картографирование океанов. М.: Издательство "Прогресс", 1988 г., 264 c. Граур А.В. Математическая картография. Л.: Издательство Ленинградского универитета, 1956 г., 372 с.