Опыт создания компьютеризированого гидролого-гидрохимического атласаСахалинского шельфа
Введение
С начала 90-х годов наблюдается процесс стремительной компьютеризации практически всех направлений деятельности нашего общества. Особенно заметно это в научной сфере. Наряду с техническим совершенствованием персональных компьютеров (увеличение быстродействия, памяти и т.д.) быстрыми темпами развиваются и новые компьютерные технологии. Среди них особое место занимают Географические информационные системы (ГИС). ГИС-технологии наиболее успешно используются для решения прикладных задач с применением картографических баз данных. Обработка ими географических данных позволяет реализовать возможность многовариdHTHOff визуализации интересующих пользователя объектов и территорий, TAKKE I OFICK E Här лиза связей между этими объектами.
В настоящее время на рынке информационных систем предлагается широкий выбор программных оболочек, например, MAPINFO, ATLAS GIS и др. Они обеспечивают принципиально новые возможности экспертизы хозяйственных проектов, систематизации и быстрой выдачи каДастровой информации, например, для мониторинга и управления природными ресурсами.
Вместе с тем при кажущейся теперь простоте решения задач картографического представления океанографических данных (особенно режимных) в этой области не отмечено большого проГресса. Особенность океанографической информации заключается в том, что она дискретна во времени и в пространстве, а изученность отдельных районов океанов и морей может различатьCH Порядки. Поэтому получить картину, адекватно отражающую реальное распределение раметров, весьма непросто.
сматривать как упрощенную модель геоинформационной системы. Ознакомленне специалнстов работки и представления океанографической информации в картографическом виде и является основной целыю вастоящей работы.
наблюдений надтечениями, приливами, температурой на удельным весом морской воды, которые
Затем заметный вклад в изученне Юго-Западного побережья Охотского и северной части вом академика А.Ф.Мнддендорфа (1842-1845 гг.) были получены первые сведення о фауне Охотского моря, которые вместе с теоретическими соображениями о ее примисхождении былинзложены впоследствии в его трудах. Нельзя не отметить болыпую роль Амурской зкспедиции ческих изысканий. В этот период было доказано островное положение Сахалина, определена исследовании.
Завершил этап первых инструментальных наблюденнй академик Л.И.Шренк, плававший в самым "... подвел итог знанням о природе восточных морей к середине XIX в. и положил научную основу их дальнейшего изученны" Леовов, 1960).
Следующим важным пиагом в изучении режима дальневосточных морейявнлись океанографические экспедиции С.О.Макарова на корвете "Внтязь" в 1887-1889 гг. и его капнтальный труд "Витязь" и Тикнйокеан". В своей книге С.О.Макаров обобщает сведения о первых глубоководLL пературы нудельного веса воды на поверхности в Охотском и Японском морях, указывает граннцы распределения лѣдов. отмечает наличие холодното промежуточного сломя в Охотском море. показывает характер водообмена Яшинского и Онотского морей через пролив Лаперуза МакаpoB, 1950.
Впоследствии К.В.Моропикнн (1963, проводивший детальный анализ исторических материаLCCCS ся с экспедиций первого "Витязя" под командованием адмирала С. О.Макарова.
Японские океанографы начали интенсивное изучение Охотского и Яшонского морей с 1915 г. В летний период 1915-1917 гг. они вынколнили обширную программу наблюдений, в рамках которой впервые проводились и определения содержания растворенного кислорода в морской воде
Следующий активный этап изучения дальневосточных норей относится к 30-м годам нашего столетия. В 1930 г. под руководством военного гидрографа Б.В.Давыдова выполняется гидрологический разреза с 11-ю глубоководными станциями в Охотском море, между заливом Чайвои мысом Лопатка на Камчатке. В 1932-1934 тт. профессорами K MAерногиным и П.В.Упаковым закладывается начало комплексных гидрологических и гидрохимических исследований в ряде крупных океанографических экспедиций, организованных Тихоокеанским научно-исследовательским институтом рыбного хозяйства и океанографии (ТИНРО) совместно с Государственным гидрологическим институтом (ГГИ). В дальнейшем эти работы были продолжены ТИНРО в 1937
1939.
Результаты проведенных исследований позволили получитъ общую схему течений н выявить основные черты термического режима далыневосточных морей. В частности, был обьяснен механизм формирования холодного промежуточного смоя в Охотском море.
Современный этап изучения дальневосточных морей начался в послевоенные годы с работы в 1947-1949 гг. в южной части Охотского моря Курнло-Камчатской зкспедиции Зоологического института АН СССР и ТИНРО под руководством профессора ГУ-Aиндберга. С 1949 г. на дальневосточных морях начинает работать комплексная океанографическая экспедиция Института океанологии АН СССР на новом экспедиционном судне "Витязь" под руководством академика А-А-Зенкевича. За период 1949-1957 гг. "Витязь" выполнил 23 рейса, восемь из которых были полностью посвящены нзучению Охотского моря. Материалы этих экспедиций явнлись основой первых отечественных обобщений и монографий Бруевич, 1956. Бруевич и др. 1960: Зенкевич. 1963: Истошин, 1959: Климатический ., 1955. Леонов, 1960. Морошкин. 1964. 1966: Основные. 1961; Удинцев, 1957; Упаков. 195з.
Здесь необходимо заметить, что все эти рейсы были ориентированы на изучение режима дальневосточных морей в целом, поэтому Сахалинский шельф охватывался исследованиями лишь фрагментарно. Согласно оценкам, сделанным в работах КВ.Морошкина (1963), В.М.Пищальника, С.М.Климова (1991), доля исторических наблюдений, выполненных непосредственно в шельфовой зоне острова Сахалин до 1947 г. ** "த невелика и относительно современного " объема информации в этом районе состав- . ляет около 3%. .
Планомерное исследование гидрологического режима Сахалинского шельфа началось с организации в 1946 г. Сахалино-Курильского управления гидрометеослужбы (ныне СахУГМС). Объединив свои усилия с Сахалинским отделением ТИНРО (ныне = CaxНИРО), они уже в 1948 г. в заливе Ани- :| ت" ); ва организовали выполнение съемок по де- 3 W. M || тальной схеме разрезов, а с 1950 г. исследованиями охватили весь шельф острова. 47
Разработанная в то время схема стан- / 규 дартных гидрологических разрезов (рис.1) ஒச் ! явилась достаточно удачной структурной основой для систематизации сбора океанографической информации, которая с не- تھی۔ большими изменениями сохранилась до наших дней. Разрезы полностью покрывают * * Татарский пролив на западе и охватывают 100-мильную зону к востоку от острова. Всего же на 33 разрезах расположено око- E. 国 ло 300 станций.
" " Перечисленные выше организации были 4S" и остаются в настоящее время основными : исполнителями гидрологических, гидрохи- " мических и гидробиологических работ на этой стандартной схеме разрезов. Кроме Рис. 1. Схема гидрологических разрезов и районирования них, существенный вклад в изучение шель- Сахалинского шелыфа
poBo 3oHL o CaxauH BHeCAH: TIMHPO, Дальневосточный научно-исследовательский гидрометеорологический институт (ДBНИГМИ), Тихоокеанский океанологический институт Российской академии наук (ТОИ ДВО РАН), Дальневосточная морская инженерно-геологическая экспедиция (ДМИГЭ), наиболее активно выполняющая океанографические работы в районе северо-восточного шельфа острова.
Более подробные сведения по истории исследования дальневосточных морей и прилегающей части Тихого океана можно найти в следующих литературных источниках (Баталин, 1968, Дерюгин, 1968. Зубов, 1954; Леонов, 1960: Макаров, 1950; Морошкин, 1963: Основные ., 1956; Рудовиц, 1954; Справочный . , 1984; Яричин, Моторыкина, 1987).
Количественный и качественный состав океанографических наблюдений на охотоморском шельфе острова Сахалин
При анализе гидролого-гидрохимического режима вод шельфа крайне нецелесообразно было бы ограничиваться исследованиями только районов в его границах (от береговой черты до изобаты 200 м), поэтому в дальнейшем под выражением "шельфовая зона острова Сахалин" мы будем понимать прилегающую к Сахалину акваторию, включающую районы, показанные на рис.1. Такой подход позволит значительно повысить достоверность получаемых результатов.
Первоначально для оценки изученности вод сахалинского шельфа была выполнена каталогизация всей исходной информации более чем за вековой период, которая проводилась последующей схеме:
"сбор сведений о количественном и качественном составе океанографических наблюдений отAельно в границах каждого района из опубликованных официальных справочных источников ("Морские гидрометеорологические ежегодники (ежемесячники)" и "Справочники государственного фонда данных о состоянии окружающей природной среды");
"детальный анализ литературных источников, посвященных изучению морей (Гидрометеоро
логические., 1981; Гидрометеорологические., 1984; Морошкин, 1963; Основные., 1961, Справочный., 1984: Яричин, Моторыкина, 1987), который позволил выявить пробелы, а в отдельных
случаях и значительные расхождении в количественной в качественной оценке исходных дан
В настоящей работе сведення указанного каталога были дополнены данными по 1993 г. включительно fтаблI)- За пернод с 1988 по 1993 г. количество океанографическнх данных на охотоL не о Сахалин в послевоенный период было катами изнровано 18758 океанографических станций. В историческом плане качественный состав океанографической ннформации первоначально формировался из наблюдений затемпературой н соленостыo (или удельным весом) морской воды. Первые регулярные наблюдении за гидрокимическнын параметрами среды на Сахалинском шкельфе стали проводиться в конце 50-х годов (растворенный в воде кислород и pH). Определение 1975 г. (на рейдах портов с конца Б0-х годов). Этими факторами обьясняются существенные различия объемов наблюдений по отдельным злементам
Если количество измерений температуры воды прннянь за 100., то относительно каталогизиРованной информации объем наблюдений засоленостью по районам в среднем составит около ми веществами и химическим загрязнением вод — около 53. - Естественно, что если пересчитать зти соотношения относительно всего объема данных за вековой период. то они изменятся в сторону уменышения.
Во временном масштабе достаточно равномерное накопление информации происходнло только в проливах Лаперуза и Татарском. В заливах Анива и Терпения информационный пик приходился на первое десятилетие их интенсивного изучения, а на северо-восточном шельфе, наоборот, более 50% данных собрано в 80-е годы. что обусловлено проведеннем интенсивных исследований в связи с перспективой разработки морских нефтегазовых месторождений.
В плане внутригодовой изученности наиболыпиая повторяемость наблюдений в южных районах DeAdba opHroAHTO: Eka Mai. B CesepHHDI - Ba HKML.
В пространственном отношении накопленная информация распределена следующим образом: в заливе Анива - 3.2 %, в проливе Лаперуза - 14 %, в заливе Терпения - 35% на северо-восточном шельфе острова - 17 % и в Сахалинском заливе менее - 2%.
Изученность хорошо ಖ್ವpHayerca плотностью океанографической информации - отношением количества станций к 1000 км" площади акватории. В заливе Анива относительно каталогизированных данных отемпературе воды (что соответствует количеству станций) этот показатель равен 918. В заливе Терпения он на порядок меньше - 87. В проливе Лаперуза на 1000 км2 площади приходится 175 станций, а в Сахалинском заливе и на северо-восточном шельфе острова - соответственно 23 и 28 станций. Отсюда следует, что в настоящее время самым малоизученным остается сложнейший район смешения морских и речных вод в Сахалинском заливе и на шельфе Восточного Сахалина, оказывающий существенное влияние на формирование гидролого-гидрохимического режима большей части охотоморского шельфа острова.
Прииципы формирования базы данных для гидролого-гидрохимического атласа Сахалинского шельфа
Первоочередной задачей при создании любого режимного пособия является количественный и качественный анализ исходной информации, на основе которого определяется методология ее обработки. Базу данных для атласа было решено формировать на основе океанографических съемок, выполненных на стандартной сети станций в шельфовой зоне Сахалина (рис.2), принимая во внимание две основные характерные особенности, присущие этим данным:
в преимущественно комплексный характер наблюдений, а следовательно, возможность применения многовариантного контроля качества информации;
* наблюдения были выполнены квалифицированным персоналом на специально оборудованНЫX Судах.
Помимо этого, обработка наблюдений в точках со строго фиксированными координатами в значительной мере упрощает математическую часть задачи относительно выбора метода и задания условий интерполяции данных. Таким образом, залогическую единицу информации принималась стандартная океанографическая станция, на которой были проведены наблюдения завертикальным распределением одного или нескольких параметров. В свою очередь, станции сводились в стандартные океанографические разрезы. Для каждой станции на разрезе требовалось соблюдение следующих условий:
* принимая во внимание точность определения местоположения судов в море (особенно в 5060-х годах) и дрейф судна в период выполнения работ, в качестве стандартной принималась станция, отстоящая не более чем на 5 миль в открытом море и 2 - 3 мили - в прибрежной зоне от точек с фиксированными координатами (Пищальник, Климов, 1991);
* отсутствие пропусков наблюдений на стандартных горизонтах: станции, выполненные в фиксированных точках, но имеющие наблюдения только на поверхности или в поверхностном и придонном горизонтах или имеющие пропуски наблюдений на трех и более горизонтах подряд (крометрех последних), отбраковывались. Глубина наблюдений ограничивалась горизонтом 500 м.
Для выбора таких станций при каталогизации данных в каждом районе шельфа учет информации, полученной на стандартных гидрологических разрезах и вне их, проводился раздельно. ПоСкольку наблюдения на большинстве разрезов выполнялись в течение суток, то все съемки разрезов относились к одной дате. Это значительно упростило временной контроль информации и позволило исключить случайное попадание станций из других съемок. Таким образом, на стандартном разрезе мы получали вертикальное распределение параметра на определенную дату. Эта информация и являлась базовой основой для построения компьютеризированного атласа (табл.2).
По всем параметрам для построения атласа было использовано около 48 тыс. наблюдений за их вертикальным распределением. Сопоставляя эти данные с общим количеством станций (см.табл.1), можно отметить, что на стандартных разрезах для различных параметров в среднем было собрано от 50 до 70 % всей учтенной информации (здесь следует обратитъ внимание на то, что в табл.2 включены сведения по Татарскому проливу, поскольку он является составной частью атласа, и в то же время отсутствует Сахалинский залив по причине недостаточности наблюдений для расчета режимных характеристик).
Количественная характеристика наблюдений на отдельных разрезах приведена в табл.3. Поскольку за стандартный принимался разрез, на котором выполнено не менее 2/3 от количества Расположенных на нем станций, то в таблице имеется несоответствие между числом съемокразРеза и количеством имеющихся на нем станций.
Распределение съемок по отдельным разрезам крайне неравномерно. В границах районов наиболее обеспеченными наблюдениями были вековые разрезы. Наиболее изученным из районов является залив Анива, а максимальное число съемок (205) было выполнено на разрезе No4 м.АнаCTCPACİMM - M.AHKMBö Однако восстановление временных рядов с применением современных техно
логий пока не позволяет получитъ достоверной оценки их межгодовой и сезонной изменчиBOT.
Примечание. В скобках указано число съемок в восточиой части разреза.
Одной из особенностей обработки океанографической информации, полученной в фиксированных точках, является то, что к ней можно применять более жесткие критерии по качеству, что позволяет значительно уменьшить ее зашумленность и в какой-то мере компенсировать количественные потери за счет неучета определенной части данных. Поскольку объем наблюдений на Сахалинском шельфе небольшой (особенно в части гидрохимии и загрязнения), то контроль качества данных был направлен не на их отбраковку, а на выяснение причин возникновения бра
Методология обработки исходных данных
ка и возможности его устранения с целью сохранения информации.
Весь процесс подготовки исходных массивов к обработке условно можно подразделить на три
5T
* логический контроль и устранение грубых ошибок в пределах изменения элемента при филь
трации массивов;
в предварительная статистическая обработка массивов с целью выявления выбросов во временном ходе параметров;
в комплексный контроль и анализ графиков временного хода всех параметров на каждой станции повсем горизонтам, а также графиков их вертикального распределения и выянление скрытых ошибок.
Характерными ошибками первого этапа являются преимущественно механические ошибки операторов при заноске информации на технические носители. Например, легко поддаются исправлению явно абсурдные значения температуры воды, такие как 44"С и т.п. Так же легковыявляются грубые ошибки в сроках наблюдений (обычно это месяц) при анализе массивов отсортированных по возрастанию дат.
Специфической особенностью этого этапа являлось восстановление отрицательных значений температуры воды в подповерхностном холодном слое воды в зоне охотоморского шельфа. Предположительно знак (-) был "утерян" при подготовке ежегодников во время переноса данных из гидрологических книжек. Восстановление знака проводилось экспертным путем при анализе вертикального хода температуры. Необходимым условием для этого являлось наличие явно выраженного перехода абсолютных значений температуры через 0°С при учете местоположения станции и даты съемки. Дополнительно использовались данные вертикального распределения других параметров в данной съемке. И тем не менее часть информации по этой причине была отбракована. -
Предварительная статистическая обработка массивов позволила завершить устранение пропущенных грубых ошибок первого этапа и подготовить материал для следующего этапа логического контроля, где комплексный анализ графиков годового хода средних многолетних значений параметров на каждом горизонте позволил выявить ошибки, обусловленные некорректным применением методов анализа, что особенно характерно для гидрохимических определений (например, OLLIM6KM, допущенные при определении поправки к титру раствора азотнокислого серебра O нормальной воде).
Следует обратить внимание еще на одну особенность подготовки гидрохимических данных. Kak уже отмечалось, из-за больших временных затрат на производство анализов гидрохимические наблюдения проводятся "через станцию". В практике работ эти станции постоянны (Пищальник, Климов, 1991), но имелся ряд съемок со смещением наблюдений на соседние. В таких случаях с целью сохранения информации при выполнении ряда условий (наличии полноценной съемки на разрезе: отсутствии резких, скачкообразных изменений элемента) проводилась интерполяция значений по горизонтам на постоянные гидрохимические станции. Этот прием позволил на 10-15% повысить обеспеченностъ наблюдений, главным образом, за растворенным в воде кислородом и pH. -
Предложенный подход к контролю исходных данных позволил сохранить более 1/3 первоначально предназначенной к отбраковке информации, а возможность при любых сомнениях оперативно обращаться к первоисточникам свела до минимума вероятность внесения субъективных coLLI6OK.
Подготовленные таким образом ряды исходных данных подвергались окончательной статистической обработке, суть которой заключалась в следующем. Из литературы известно, что пространственно-временная изменчивость гидролого-гидрохимических процессов в морской среде обусловлена взаимодействием большого числа факторов различной природы, периодичности и мощности. Поэтому их относят к классу случайных процессов.
Выборочные совокупности наблюдений по отдельным элементам, положенные в основу расчетаосредненных характеристик для настоящего атласа, относятся к малым выборкам (Гаскаров, Шаповалов, 1978). Оценка функции и плотности распределения по малым выборкам затруднена, а вычисление оценок моментов выше второго порядка нецелесообразно. Кроме того, малые выборки гидролого-гидрохимических данных характеризуются наличием таких свойств, как асимметрия и разбросанность хвостов (загрязненность). Этого достаточно, чтобы поставить под сомнение необходимость вычисления традиционных оценок первого и второго моментов (среднее арифметическое и стандартное отклонение) и перейти к рассмотрению центра и масштаба распределений. В последнее время для этой цели в статистических расчетах все чаще используются оценки квантилей и квантильных характеристик (Воронцов и др., 1990; Гаскаров, Шаповалов, 1978; Дейвид. 1979: Режимообразующие. , 1988, Режимообразующие. 1989). Заметим, что наиболее эффективны данные оценки в тех случаях, когда закон распределения отличен от нормального, что особенно характерно для гидрохимических показателей.
Для анализа числовых характеристик одномерных распределений вероятностей были взяты пять квартилей: Xпа Хон Хун X, Xзу. В качестве характеристики центра обычно используется медиана (квартиль Ху.) или рассчитывается трехсрединное значение, позволяющее более полно, по сравнению с медианой, учитывать плотность выборки вблизи центра:
盗 (X+2X + X) : 4. (1) Для описания масштаба выборки по найденным квартилям определяется размах R и интерквартильное расстояние О:
R = *Imax Жmin r (2)
Q X X. (3)
дополнительно определяются барьеры: внутренние (нижний и верхний), находящиеся на расстоянии 1,5 С от квартилей X и Xзу, и, соответственно, внешние (нижний и верхний), отстоящие от внутренних барьеров на расстоянии 1,5 C).
На первом этапе анализа выборочные совокупности данных по отдельным элементам за различные годы упорядочивались по календарным датам наблюдений и проводилась операция осреднения СО СКОЛЫЗяІЦим ОКНом. Для получения достоверных оценок ширина окна должна быть достаточно велика, но в то же время и достаточно мала, чтобы наблюдения, составляющие выборку, можно было считать однородными по среднему и дисперсии. Экспериментальным путем установлено, что наиболее полно таким условиям для наших данных отвечает календарный месяц. Сдвиг окна проводился с шагом в одни сутки. На каждом шаге осреднения вычислялось среднее значение злемента на среднюю дату с отбраковкой средних значений, отстоящих друг от друга на временной шкале ближе 5 дней. Между полученными значениями строился сплайн и проводилось табулирование с заданной дискретностью. Рассчитывались также внутренние и внешние барьеры.
Полученные таким образом средние значения использовались для построения графиков годового хода элементов. По этим графикам делались предварительные оценки характерных особенностей годового хода, анализировались (отбраковывались) данные, выходящие за внешние барьеры, и перепроверялись выходящие за внутренние, выбирались пределы изменений элементов для последующей фильтрации данных. Напомним, что между внутренними барьерами содержится около 99%, а между внешними - 99,9997% элементов выборки.
Окончательный расчет проводился по откорректированным рядам. Оценка центра проводилась в зависимости от количества наблюдений в окне: по медиане - при 5 < N < 10, потрексрединному значению при - 10 < N < 40 и по среднемуарифметическому - при N > 40. На график выводились: оценка центра в виде одной средней линии, квартили и внутренние барьеры, фактические максимумы и минимумы. Табулирование средних значений элементов проводилось на каждую пентаду.
После получения средних характеристиканалогичным образом проводился расчет стандартного отклонения для всех параметров на каждой станции и на всех горизонтах. Вместе с тем при выполнении расчетов имели место случаи, для которых вышеописанные алгоритмы неприменимы ввиду того, что количество исходной информации по некоторым параметрам (например, биогенным веществам) в отдельных районах в определенные периоды чрезвычайно мало. Строго говоря, в такой ситуации возможен лишь анализ качестненной картины 6e3 OLeHK ee CTaTMCTMческой достоверности. HO, поскольку в процентном отношении количество таких случаев составляет 3 - 4 % TO, TIO MIHEHHEO авторов, при условии проведения комплексного анализа можно делать статистически обоснованные выводы, основываясь на характере изменчивости других параметров,
Структура и функционнльные возможностн пакета прикладных программ "ATLAS"
Для построения атласа и управления им был разработан пакет прикладных программ "ATLAS" (автор Бобков А.О., ИМГиГ ДВО РАН). Весь пакет условно можно разбить натриключевых блока. В первый блок входят программы подготовки и первичной обработки данных. Во втором блоке находятся расчетные программы статистической обработки и интерполяции средних значений в узлы регулярной сетки. Третий - это единый блок управления атласом с одновременным построением изолиний по подготовленным информационным массивам. Управление всеми программами организовано с помощью меню (Пищальник, Бобков, 1992).
Подготовительные программы осуществляют сортировку, фильтрацию данных и скользящее осреднение рядов. Важнейшей программой второго блока является программа построения сглаженной кривой годового хода элемента для всей выборочной совокупности данных и его стандартного отклонения. Предусмотреноручное и автоматическое задание оценки центра (в завиСимости от количества точек в окне) по медиане, трехсрединному значению или среднемуарифметическому. Для визуального контроля в процессе работы программы, кроме исходных данных и рассчитанного сплайна, на дисплей выводятся линиями разного цвета внутренние (или внешние) барьеры и контролируется выход данных за их пределы.
Завершает расчетный блок программа интерполяции табулированных данных в узлы регулярной сетки. Выбор параметров сеточной области осуществлялся с соблюдением следующих усло
"шаг расчетной сетки выбирался с учетом соотношения расстояний между станциями и разРезами. Если расстояние между станциями приблизительно одинаково на всех разрезах и колеблется в среднем от 8 до 12 миль, то расстояния между разрезами в значительной мере различаются и составляют: в заливе Анива - 10 миль, в проливе Лаперуза - в среднем 18 миль, в заливе Терпения - 27 миль, в Татарском проливе - 51 миля и на северо-восточном шельфе - 87 миль. Эмпирическим путем установлено, что наименьшие искажения и вполне приемлемая детализация при интерполяции в узлы расчетной сетки происходят при наличии не более 2-3 промежуточных шагов между интерполируемыми точками. Исходя из этого, шаг расчетной сетки по долготе и пироте составил соответственно: для залива Анива - 10 и 10 км, для залива Терпения - 10 и 20 км, для Татарского пролива - 10 и 40 км и для северо-восточного шельфа- 10 и 50 км (см. рис.2);
* границы районов подбирались таким образом, чтобы добиться максимального совмещения узлов расчетной сетки со стандартными разрезами. Поскольку пространственные размеры районов различны, то и масштаб изображения получился тоже разный. Для залива Анива и пролива
Лаперуза он составляет 1:1 000 000, для залива Терпения - 1:1 500 000, для Татарского пролива и северо-восточного шельфа - 1:2500 000. Таким образом, границы районов строго фиксированы и ограничены следующими координатами: залив Анива и пролив Лаперуза - от 4422 до 46°43' с.ш. и от 141"50"до 143"39"в.д., залив Терпения и прилегающие к нему акватории - от 45°50' до 49"15" с.ш. и от 142 32 до 145-53в.д., Татарский пролив - от 45-50 до 51 36' с.ш. и от 138 05' до 142-15 в.д., район северо-восточного шельфа - от 48°37'до 54°28'c.ш. и от 142°40' до 146"16"в.д.
Интерполяция расчетных данных вузлы регулярной сетки осуществлялась по алгоритму "Kriging" (расчет значений автокорреляционной функции) (Сагт, 1990]. Кроме интерполированных значений, в выходной файл записывались: количество шагов по осям X и У, количество изолиний и их уровни, режим маркировки линий, т.е. создавался полный набор входных данных, необходимых для построения карт и разрезов в виде матриц. Это и является основой информационноTOMCCB TWC.
Здесь следует обратить внимание на одну очень важную деталь. Поскольку годовой ход параметров рассчитывался для каждой станции отдельно по фактической дате съемки, а интерполяция расчетных данных проводилась на табулированную дату, то в матрицах отсутствуют искажения, обусловленные временным фактором, образующимся при съемках на больших акваториях. Это позволяет получать режимные карты пространственного распределения параметров для всех районов на определенную дату с большой точностью, но для оперативных съемок эти искажения сохраняются.
Управление атласом максимально упрощено и осуществляется с помощью виртуальных кнопок. В ходе последовательного опроса пользователя (выбор района, параметра, горизонта, вида представления информации - карта или разрез) формируется команда обращения к базе исходных данных и на экран выводится требуемая страница атласа в виде изолиний, на которую накладывается береговая линия.
При повторном опросе реализуются дополнительные возможности работы с материалом: вывод на принтер, переход к другой дате, горизонту или параметру и т.д. Предусмотрена возможность наложения изображений, что позволяет анализировать одновременно данные за разные даты, на различных горизонтах и по разным параметрам. Допускается совмещение до 3-х изображений, которые выводятся на экран линиями разного типа и цвета. При этом для исключения перегруженности экрана частота проведения изолиний уменьшается вдвое.
На данном этапе компьютеризированный атлас позволяет работать в интерактивном режиме со средними многолетними и оперативными данными температуры воды, солености, условной плотности, растворенного в воде кислорода, величины рН, биогенных элементов (фосфаты, нитриты, кремний). Расчетная циркуляция вод представляется векторами в узлах регулярной сетки. Для перечисленных параметров и их стандартных отклонений максимальный объем атласаможет составлять порядка 300 мегабайт, содержать при этом более 1 000 000 карт и разрезов и выполнять с ними следующие операции:
• представлятъ на экране монитора карты распределения значений элементов и их стандартных отклонений в любом районе на горизонтах до глубины 500 м в безледовый период с выбранной дискретностью;
в исследовать вертикальное распределение значения элемента и его стандартного отклонения на любом широтном или меридиональном разрезе:
в осуществлять пошаговый просмотр вперед (назад) в заданном временном интервале от искомой даты;
в проводить наложение изображений на картах (разрезах); причем, на одном рисунке одновременно можно совместить три изображения в любой комбинационной последовательности податам, параметрам и горизонтам,
в вычислять аномалии элементов и получать их пространственное распределение (карты, разрезы);
в вычислять средневзвешенное значение злемента на любом горизонте (карта) или в любом слое (разрез,
* выводить изображение экрана на печать в масштабе атласа, в записывать рисунки и проводить их редактирование в пакетах AutoCAD или СогelDRAW. Кроме этого, в пакете "ATLAS", имеется ряд вспомогательных программ для графического представления и анализа режимной информации. К ним относится программа построения кривых временного хода на одном или нескольких горизонтах, программа построения графиков вертикального распределения характеристик морской воды с возможностью наложения изображений, программа T,S-анализа (или любой другой пары злементов), программа расчета средневзвешенных значений элементов на картах и разрезах, программа расчета геострофических течений и ряд других.
Заключение
Главным достоинством представленной разработки является возможность проведения комплексного анализа на основе сопоставимых исходных данных, полученных в точках с фиксированными координатами и в одном временном масштабе. С использованием данного инструментария в настоящее время в CaxНИРО начата подготовка режимно-справочного пособия по гидрологии и гидрохимии Сахалинского шельфа, делаются попытки производства модельных расчетов. Практика работы с атласом показала, что он может стать прообразом океанографических ГИСов. Некоторые введенные ограничения (например, жестко фиксированные границы) сужают круг решаемых задач, но в то же время это уже инструментарий нового поколения, значи
тельно расширяющий возможности традиционного анализа состояния морскои среAbi Levitus et al., 1993, 1994.
очень эффективно матричные информационные массивы атласа могут использоваться при моделировании. В качестве примера приведен расчет циркуляции вод в заливе Анива, где хорошо диагностируется антициклонический вихрь с координатами центра 46' с.ш. и 143 в.д. (см.рис.3). Опускание вод в центре круговорота способствует накоплению там фито- и зоопланктона, а также органических остатков, дрейфующих в виде пассивнои примеси, что, в свою очередь, обеспечивает постоянную кормовую базу ракообразных, чем и объясняется их скопление в этом районе (см.рис.4).
Вместе с тем по целому ряду причин достаточно достоверные результаты моделирования можно в замкнутых и полузамкнутых ооластях. В раионах с таких, например, P3. Teorpಂಘಿಜ್ಜ в заливе Анива как район северо-восточного шельфа ост- риод рова, где мы имеем три открытые границы, результаты модельных расчетов могут быть весьма далеки от действительности. Все это позволяет сделать вывод о том, что наиболее оптимальным районом для разработки океанографической ГИС должно быть море в его географических границах с прилегающими к нему акваториями. Однако тогда на первое место выходят другие проблемы: это выбор оптимального шага расчетной сетки, чтобы с достаточной детализацией можно было описывать наиболее изученные районы моря, и необходимость международного сотрудничества по вопросу обмена океанографической информацией, поскольку, как правило, она рассредоточена у нескольких сопредельных государств. Вопрос сбора и подготовки исходных данных является самым трудноразрешимым.
Рис.4. Уловы по данным летней съемки CaxНИРО 1991 г.: a - шримса-медвежонка (кг / 30 минтраления) I - от 0,1 до 1,0: 2 - от 20 до 3,0; 3 - от 3,0 до 5,0; 4 - от 100 до 200;
Предложенная методология обработки и представления океанографической информации является универсальной и может быть рекомендована к применению на любых других акваториях Мирового океана.
В.М.Пищальник (CaxНИРО)
Смотрите также
