„Колкото е повече науката, толкова са по-умни ръцете.“

За информационната поддръжка на морските дейности важно значение имат сведенията за теченията. Основни характеристики на теченията се явяват тяхната скорост и направление. По силата на природната изменчивост тези характеристики зависят от мащабите на усредняване. Мигновените значения на характеристиките на теченията при измерване могат съществено да се различават от резултатите на усредняването. Традиционните инструментални средства за измерванията на теченията не се отличават с висока точност, отнасят се към числото на най-скъпо струващите средства за изучаване на океана, имат различни периоди на усредняване, което в съвкупност не позволяват получаването на пълноценна информация за измерванията на полето на теченията в океана, достатъчна за климатични обобщения.

Появяването на спътниковите системи за наблюдение на океаните, развитието на изчислителните схеми и методи за хидродинамичното моделиране е създало предпоставки за развитието на глобалните и регионалните системи за оперативна океанология, основани на численото моделиране на океана. Една от тези бурно развиващи се системи се явява Европейската система за оперативна океанология (СОО) Copernicus. Мащабите на усредняване на резултатите от числовото моделиране се определят от мащабите на моделираните процеси и напълно зависят от нивото на развитие на технологиите за числовото прогнозиране. На съвременния етап на развитие на СОО Copernicus времевия мащаб за усредняване на характеристиките на теченията е едно денонощие за целия слой вода на океана и един час за теченията на повърхността. Пространствения мащаб на усредняване е 15 ъглови минути.

В настоящата публикация е направен опит за разработка на методика за разчет и построение на карта схема на климатическите показатели на теченията с отчитане на тяхната устойчивост.

В практиката на хидрометеорологичното осигуряване е широко разпространено мнението за високата изменчивост на полето на теченията и свързаната с това невъзможност за използването на данните за средните течения при информационната поддръжка на морските дейности. Ще се опитаме да оценим правомерността на това мнение.

Към най-изменчивите видове течения се отнасят приливните и ветровите течения. Приливните течения изменят своето направление на 360º с периодичност примерно от 12 или 24 часа. Траекториите на дрейфа на трасерите (ледени късове), предизвикани от приливите, сами по себе си представляват затворени елипси. Поради това при усредняване на 12 часа или на денонощие на сумарното сместване на трасерите за сметка на приливите обикновено се пренебрегват и изменчивостта на теченията, предизвикана от приливите, автоматично се изключва.

Изменчивостта на ветровите течения, предизвикани от атмосферните процеси са в синоптически мащаби. Но теченията по силата на това, че те се разпространяват в конкретен басейн, не могат да бъдат толкова изменчиви колкото вятъра. За определяне на теченията към брега, те не могат да бъдат насочени перпендикулярно на брега, иначе ще бъде нарушено условието за протичане. При голямото разнообразие на полета на вятъра, генериращи течения, принципната схема на теченията могат да носят ограничен брой от състояния, например, в затворени басейни или заливи схемите на теченията като цяло могат да носят циклонически или антициклонически характер. И накрая, въздействието на атмосферата на океана е ограничено в основния активен слой на морето, чиято дебелина на слоя е до 300 м. По-дълбоко от този слой изменчивостта на океана трябва да бъде съществено снижена, в сравнение с повърхността. В формирането на полето на теченията съществена роля играя плътностните течения. Тези течения се определят от не еднородността на полето на плътността в океана и изпитват дълго периодична изменчивост, която може да се отрази по пътя на разчета на климатическите показатели на теченията.

Всичко това дава основание да се счита, че климатическите показатели на теченията в районите с тяхната висока устойчивост могат да отразяват характерните черти на режима на теченията и да бъдат доста полезни не само при проектирането на комплексите въоръжение, с предварителност да се планира тяхното използване, но и на етапа на управление на морските операции в условията на отсъствие на оперативна метеорологическа информация.

Методическа основа за разчет на устойчивостта на теченията.

На практика под термина устойчивост на теченията обикновено се разбира някоя качествена характеристика на теченията, или признак на течението, в съответствие с които теченията се подразделят на постоянни, периодични и не периодични. При това общо приет показател за степента на устойчивост на морските течения не съществува.

В аерологията в качеството на показател за устойчивост на вятъра доста отдавна се използва отношението на модула на средния вектор на вятъра към средната скаларна скорост на вятъра за многогодишен период. Средния вектор на вятъра определя скоростта и направлението на резултатното преместване на въздуха за избран период на усредняване. Ако вятърът винаги има едно и също направление, то показателят за устойчивост е равен на единица. Ако вятъра във всички направления е равно вероятен, то при еднакви негови скорости вятърът е абсолютно неустойчив и показателят за неустойчивост е равен на нула. Устойчивостта обикновено се изразява в проценти и се изменя от 0 до 100% и тя характеризира степента на изменчивост на направлението на вятъра във времето. В аерологията най-голяма устойчивост имат струйните течения, показателя за устойчивост на които в пределите на периода на усредняване превишава 80%.

Именно тази характеристика се предлага да се използва в качеството на показател за устойчивост на теченията. Ще отбележим, че могат да съществуват и други показатели за устойчивост на теченията. Към тях могат да бъдат отнесени, например, средно квадратичните отклонения (СКО) на двата компонента на резултатния вектор на теченията (вятъра) и техния резултатен модул. В този случай, ако средното векторно отклонение на течението е съизмеримо или превишава величината на модула на средния резултатен вектор на течението, то течението обикновено се счита за неустойчиво.

Модулът на средния вектор на течението се разчита по следния начин. В първия етап се разчитат средните месечни значения на компонента вектор на течението по меридиана (V) и по паралела (U) по данни от n „наблюдения” за целия период на анализа във възлите на регулярна мрежа: V_ср=1/n∑V_i, U_ср=1/n∑U_i.

След усреднения компонент на скоростта на течението се извършва разчет на модула (W_R) и за направлението на резултативния пренос (θ): W_срR=√V²_ср+U²_ср; θ=ArctgU_ср/V_ср.

Модулът на резултативния вектор на течението W_срR отразява средната скорост на преноса на водни маси за зададения период и усредняване на направленията θ. Поради това можем да го назовем резултативен за скоростта на течението.

Средната скорост на течението като скаларна величина се разчита по следния начин. За всяко денонощие от многолетния месец i се оценява средно денонощната скорост на течението W_i: W_i=√V²_i+U²_i, след което се извършват разчет на средната скорост на течението от „n” средно денонощната скорост за многолетните месеци: W_ср=1/n∑W_i.

Средната скаларна скорост на течението W_ср не може да бъде по-малка от резултативната скорост на течението W_срR.

Направлението на резултативното течение и средната скаларна скорост на течението обикновено се изобразяват в атласите за океанографски параметри.

Максималната скорост на теченията за многолетен месечен период на усредняване се оценява по формулата: W_max=Max(W_i).

Устойчивостта на средни денонощните течения се разчита като отношение на резултативната скорост на течението към средната скаларна скорост по формулата: U_st= W_срR/W_срx100%.

Колкото по-близко е показателят U_st до 100%, толкова е по-устойчиво течението. Към „постоянни” течения ще се отнасят теченията, чиито показатели за устойчивост превишават 80%.

Освен разчетите за причислените климатически показатели, интерес представлява да се оцени отношението на средните и максималните значения на скоростта, разчитани по данни от денонощните и часовите усреднявания, едно към друго. Ще ги наречем тези показатели редукционни множители R в уравненията: W_ср(hourly∙data)=R₁xW_ср(daily∙data); W_max(hourly∙data)=R₂xW_max(daily∙data).

Доколкото априори, колкото по-малък е мащаба на времевото усредняване на данни, толкова по-точни трябва да бъдат резултатите от климатичната обработка, тези редукционни множители е целесъобразно да се използват за корекция на оценките на климатическите показатели на течението, определени по средно денонощните данни, привеждайки изходните данни към средно часови.

Източници на изходни данни.

За разчитане на причислените климатически показатели за скоростта на течението е използван глобалния масив PHYS COO Copernicus на Европейския консорциум CMES. В основата на числения анализ лежи унифицирания модел на атмосферата и модела на океана NEMO, който се счита за най-подходящ в началния план за модел на океана. Резултатите от ретроспективния анализ е за възлите на регулярна мрежа с хоризонтално разрешение 1/4º за денонощния и часовия (само за повърхността) мащаби на усредняване. Бил е извършен подбор на данните за анализа на ежедневния компонент на скоростта на течението в целия слой вода на океана и ежечасовия компонент на скоростта на течението в повърхностния слой за периода от 14.03.2014 до 14.03.2018 г. Район на избора – северозападната част на Тихия океан.

Използвано програмно осигуряване.

За обработка на данните за числовото моделиране на масива PHYS, са представени в двоичен формат netCDF, и разчета на климатическите показатели на течението е било използвано програмното осигуряване CDO и възможностите на СУБД Access MS Office. За построяването на карта схема на течението е използвана ГИС “Surfer”.

Обсъждане на получените резултати.

Резултатите от оценката на средно годишните значения на редукционните множители R₁, R₂, характеризиращи връзката на оценката на климатическите показатели по данни от денонощните и часовите мащаби усреднени в районите с устойчивите (U_st>=80%) и неустойчивите (U_st<50%) течения приведени в таблицата. Там са показани оценките на средно квадратичните отклонения на тези множители.

Оценка на средно годишните значения на редукционните множители R₁, R₂ и тяхното СКО в северозападната част на Тихия океан.

Показател	R1	R2	СКО R1	СКО R2
Ust<50%	1,22	1,18	0,32	0,38
Ust>=80%	1,05	1,08	0,41	0,37

Както и следва да се очаква в районите с висока устойчивост на теченията (80%) и повече), средните значения на скаларната скорост на течението, определени по данни от ежечасовите наблюдения само 5% са по-високо, от значенията, определени по данните от денонощния мащаб на усредняване. В районите с не висока устойчивост на теченията (по-малко от 50%) това различие се увеличава до 22%. Максималното значение на скоростите на теченията, определени по средно часови данни в районите с висока устойчивост по-висока от определените по средно устойчивите данни е средно на 8%, а в районите с ниска устойчивост – на 18%. Това означава, че в районите с висока устойчивост избраните климатически показатели на течението, получените по средно устойчиви данни, са много по-близки до показателите на течението, разчитани по данни с много по-високо разрешение, отколкото в районите с ниска устойчивост.

Ще разгледаме сезонния ход на климатичните показатели за скоростта на теченията в северозападната част на Тихия океан (СЗЧТО) – в райони с координати 25º-67º с.ш. и от 120º и.д. до 30º з.д. – за районите с висока устойчивост (80% и повече) и ниска (по-малка от 50%) устойчивост. На рис. 1 са приведени графики за сезонния ход на избраните климатични показатели на теченията.

В районите с висока устойчивост на теченията средната годишна скорост на резултативния пренос W_срR е в 4 пъти, а средната скаларна скорост на теченията W_ср е в 1,5 пъти по-висока, от колкото в районите с ниска устойчивост на теченията.

Най-голямото отличие между климатическите показатели в районите с ниска и висока изменчивост на теченията на повърхността на СЗЧТО се отбелязва през септември – октомври в периода на престрояване на полето на атмосферното налягане.

Рис. 1. Графики на сезонния ход на скоростите на резултативния пренос W_срR и средната скаларна скорост на теченията W_ср в районите на СЗЧТО с ниска и висока устойчивост на теченията.

Сезонния ход на средния показател за устойчивост на различни дълбочини е илюстриран на рис. 2.

Рис. 2. Сезонен ход на средния показател за устойчивост на теченията в слоя вода.

На повърхността средния показател за устойчивост се изменя от 46% през септември до 59% през януари. Средно годишния показател за устойчивост от повърхността към дълбочина до 300 м нараства от 53% до 67%. Като цяло, както е следвало и да се очаква, устойчивостта на теченията нараства с дълбочината и в периодите с устойчива атмосферна циркулация.

Ще разгледаме влиянието на периода от обобщение на данните за устойчивостта на теченията. На рис. 3 е приведена карта схема за разположението на районите с висока устойчивост (80% и повече). Лявата карта схема (3а) е получена от обобщение на всички данни (многолетни), а дясната (3б) – по данни за зимните месеци.

Рис. 3. Разположение на зоните с висока устойчивост на теченията от усреднени за година (а) и за зимата (б).

Площта на зоните с висока устойчивост на теченията при усреднени изходни данни за сезон (месец) е съществено по-висока, от колкото при усреднените многолетни за година. Това свидетелства за целесъобразността на построяването на картите на постоянните течения, не за многолетните за година, а за месец или сезон.

Ще разгледаме две форми за представяне на сведенията за теченията – с отчитане и без отчитане на показателя за тяхната устойчивост. В качество на пример на рис. 4а е приведена схема на устойчивите (U_st>=80%) течения на повърхността на Японско море, характерна за януари. Тази схема може да се нарече „схема на постоянните течения” в Японско море, и тя се препоръчва при използване в приложни цели за оценка на дрейфа. В районите, където „постоянните” течения отсъстват, дрейфа за сметка на такива променливи по направления течения се предлага да бъде пренебрегнат,

За сравнение на рис. 4б е приведена схема за „средните течения” на повърхността на Японско море. Тази традиционна форма на представяне на резултатите от усредняването на разчетните полета на теченията. Данните присъстват във всеки разчетен възел от мрежата, независимо от степента на времевата изменчивост на теченията.

Рис. 4. форми на представяне на сведенията за теченията във вид на „схеми на постоянните течения” (а) и във вид на схеми на „средните течения” (б) на примера на Японско море през януари.

Изводи.

Право на съществуване имат и двете приведени форми на представяне на сведенията за средните течения, но в справочните пособия за целите на навигацията за предпочитане са сведенията за режима на теченията във форми на привичните и нагледни схеми за „постоянните” течения. За да бъдат формализирани картите схеми, в качество на критерии за постоянните течения се предлага използването на величината на показателя за устойчивост U_st 80%.

При създаване на мрежови масиви на климатическите показатели за теченията, използвани за информационна поддръжка на решенията на многообразните задачи с приложен характер, състава на тези показатели е целесъобразно да бъдат допълнени със сведения за показателите за устойчивост на теченията и / или с данни за СКО на компонента на скоростта на теченията. Това ще позволи отчитането на неопределеността на климатическата информация при вземане на решение и да снижи риска на вземане на необосновани решения.