Зимний термический и ледовый режим озера Ильмень (Новгородская область, бассейн Балтийского моря), 1982-1983 гг.

Сведения о скорости ветра, по данным метеорологического ежегодника за 1982-1983 гг.и сведения занесены в таблицу 3.2.Таблица 3.2 – Среднемесячная скорость ветра на станции СызраньМесяцдекабрьянварьфевральмартапрельVср м/с5,54,34,64,24,1Таблица 3.3 - Данные о температуре воздуха озера Ильмень на период ледостава, 1982-1983 гг. ДатаДекабрьЯнварьФевральМартАпрель1-4,3-5,2-20,9-3,90,52-2-3,1-9,7-3,60,732,1-2,6-7,8-4,81,141,2-3,7-6,2-4,61,750,9-5,8-5,8-7,52,561,3-3,2-5,5-9,2170-6,5-5,7-13,58-5,4-7,6-6,1-3,12,19-9,2-8,4-8,4-8,71,410-7,1-11,2-18,5-11,21,211-8,5-9,2-22,3-7,61,112-11,9-15,6-27,4-6,81,213-12,3-7,8-22,1-6,91,714-13,2-1,6-16,4-10,72,315-11,8-3,5-5,3-9,51,416-12,1-10,3-4,2-5,80,617-3,4-19,7-2,6-7,91,7180,8-3,3-14,4-9,70,4191,2-7,2-14,6-12,62,920-1,9-11,5-5,7-15,33,221-5,9-15,3-2,3-13,13,8223,5-16,7-3,4-12,85,4230,4-12,4-5,1-11,67,524-1,3-10,2-5,6-12,612,925-3,4-15,4-4,5-9,814,726-6,7-18,7-3,3-7,313,527-2,6-26,9-3,6-2,812,828-1,9-27,4-4,7-2,616,229-5-28,8--1,115,530-4,9-24,7--0,113,931-1,3-19,6-0,2-При расчете используются постоянные величины:λл = 2,24 Вт/м*град, ρл = 917 кг/м3. Lкр = 33,4*104 Дж/кгТаблица 3.4 - Данные о среднедекадных температурах воздуха озера Ильмень на период ледостава, 1982-1983 гг. ДекадаДекабрьЯнварьФевральМартАпрель1-2,25-5,73-9,46-5,761,572-7,31-8,97-13,50-9,281,653-3,28-19,65-4,06-6,6911,623.2 Расчет толщины льда по эмпирическим формуламДля подбора наиболее четкой зависимости расчет толщины льда выполнялся по трем эмпирическим формулам разного вида (линейной, степенной, полиномиальной):)± b (3.1)ⁿ) (3.2)ⁿ) ± ) ± c (3.3)где a, b, c – некоторые постоянные; - сумма средних месячных температур на высоте 2 м за расчетный период .Необходимо установить значения параметров a, bиcдля исследуемого водного объекта. Для этого используем данные наблюдений за толщиной льда на гидрологическом посту озера Ильмень за 1982-1983 гг., а также данные о среднесуточных температурах воздуха за синхронные периоды по данным метеостанции (таблица 3.5).На основе данных таблицы 3.4 в Excel была построенная точечная диаграмма (рисунок 3.1): по оси абсцисс нанесены значения hл, по ось ординат - значения ⁿ. В этой системе выстроены точки, соответствующие каждой паре значений hл и ⁿ.Таблица 3.5 – Сведения о толщине льда и суммы температур (по модулю)ДатаТолщина льда, hл, смТолщина снега, hсн, смСумма отрицательных температур воздуха по декадам, tоCСумма температур, Ʃθⁿ10.12.821112-22,522,520.12.821823-73,195,631.12.82257-29,1124,710.01.83353-57,3182,020.01.83446-89,7271,731.01.835215-216,1487,810.02.835526-94,6582,420.02.835724-135,0717,428.02.835922-32,5749,910.03.83626-57,6807,520.03.83622-92,8900,331.03.8362--73,6973,910.04.836-15,7958,220.04.83--16,5941,730.04.83--116,2825,5Рисунок 3.1 – График зависимости данных измеренной толщины льда и сумм отрицательных температур, измеренных на высоте 2 м(1982- 1983 гг., озеро Ильмень)Для сравнения выполнены построения разных линий тренда: линейной, степенной и полиномиальной зависимостей. Формулы зависимостей и величины достоверности аппроксимациивыведены на графики.Линейная зависимость описывается уравнением:y = 0,0983x-0,7979R² = 0,9397Степенная зависимость описывается уравнением:y = 0,0195x1,2654R² = 0,9098Полиномиальная зависимость описывается уравнением:y = -0,000x2 + 0,334x+11,97R² = 0,781Выполним проверку на адекватность полученных уравнений.Для этого подставим значенияпараметров a, bиc,а также значения сумм отрицательных температур воздуха по данным наблюдений на метеостанции озера Ильмень в формулы (3.1 – 3.3) и получим вычисленные (прогнозные) значения толщины льда за 1982-83 гидрологический год. Для расчета прогнозной средне декадной толщины льда в 1982-83 гг. используем данные из таблицы 3.4, а также полученные по графикам (рисунок 3.1) значения коэффициентов a, bиc. Результаты вычислений оформлены в таблицы 3.6, где представлено сравнение фактических и расчетных величин толщины льда по декадам, а также вычислены погрешности, полученные при расчете толщины льда, по эмпирическим формулам.δhл=(hл факт - hл расч / hл факт)*100% (3.4)Рисунок 3.2 – Сравнение фактическое толщины льда с расчетными значениями (1982 - 1983 гг,озеро Ильмень)Таблица 3.6 – Результаты расчета толщины льда для озеро Ильмень, 1982 – 1983 гг.ДатаСумма температур, Sthл фактлинейнаястепеннаяполиномиальнаяhл расчетdH, смdH, %hл расчетdH, смdH, %hл расчетdH, смdH, %10.12.8222,511387311087476020.12.8295,61881056414751263331.12.82124,72542185124942239110.01.831823562982332917288020.01.83217,7441034786388718265931.01.83487,8522230581835666081610.02.83582,4551045826498920356420.02.83717,45714437510478333244228.02.83749,95945593257971589810.03.83807,56265690359957558820.03.83900,3621052846569019436931.03.83973,962854874589313498010.04.83958,2615881590171118720.04.83941,7011-11-1717-30.04.83825,501111-88-5151-Среднее    79  87  743.3Расчет толщины льда аналитическим методом (на основе использования уравнения теплового баланса)Для расчетов необходимо знать коэффициенты теплопроводности льда и снега (λл, λс), коэффициент теплообмена льда и снега с атмосферой (α), удельную теплоту ледообразования или удельная теплота кристаллизации (Lл), продолжительность расчетного интервала времени (τ).Коэффициент теплопроводности льда (λл), согласно теоретическим расчетам и многочисленным экспериментальным данным, при температуре от -30 до нуля примерно равен 2,24 (Вт/м*°С).Коэффициент теплопроводности снега (λс) зависит от его плотности. Его можно найти по формуле 2.24.Коэффициент теплообмена (α) определяется по формуле 2.27 при наличии снега на льду.Удельная теплота кристаллизации (Lл) – величина постоянная равная 33,4 Дж/кг.Продолжительность расчетного интервала времени (τ) находим путем перевода количества дней декады в секунды.Для расчета толщины льда аналитическим методом используются формулы, описанные во 2 главе курсового проекта. Результаты расчётов представлены в таблице 3.7.По результатам вычислений толщины льда в главах 3.1 и 3.2 строим совмещенный график.Рисунок 3.3 – Совмещенный график фактического и расчетного по двум методикам нарастания толщины льда по декадам с декабря 1982 г. по апрель1983 г., озеро ИльменьТаблица 3.7 – Расчет толщины льда аналитическим методомДатаТолщина льдаТолщина снегаСкорость ветра, м/сСредняя температура, oCПлотность снега, г/см3λснαАТолщина льда расчетнаяОшибкасммсммЛедСнегмсмабсdH, %10.12.82110.11120.125.5-8,3120 -13.9755.87 -0.12120,01820.12.82180.18230.235.5-4,5120 -13.9755.87 -0.21210,031331.12.82250.2570.075.5-2,7120 -13.9755.87 -0.26260,01210.01.83350.3530.034.30,7210 -12.4449.76 -0.24240,114320.01.83440.4460.064.3-1,0210 -12.4449.76 -0.26260,187031.01.83520.52150.154.3-4,9210 -12.4449.76 -0.33330,195710.02.83550.55260.264.6-6,52404,1012.8451.3614.230.33330,226520.02.83570.57240.244.6-5,92404,1012.8451.3613.140.34340,237028.02.83590.59220.224.6-1,62404,1012.8451.3612.050.34340,257510.03.83620.6260.064.2-4,72204,1012.3049.213.320.34340,288020.03.83620.6220.024.2-9,12204,1012.3049.211.140.38380,246231.03.83620.62--4.2-4,52204,1012.3049.210.050.45450,173810.04.8360.6--4.1-2,221012,5712.1748.660.050.48480,428720.04.83----4.1-5,721012,5712.1748.660.050.54540,5410030.04.83----4.1-0,921012,5712.1748.660.050.55550,55100Среднее0,2358На совмещенном графике (рисунок 3.3) находятся три графика. График «hл факт» – толщина льда фактическая, по данным наблюдателя. График «hл степенная» – толщина льда вычисленная по эмпирической формуле (степенная) с использованием суммы отрицательных температур и коэффициентов, найденных через обработку многолетних данных. На графике «hл аналитическая» показана толщина льда, рассчитанная по формуле, основанной на уравнении теплового баланса, в данной методике были использованы среднедекадная температура воздуха, плотности снега и льда, высота снега на льду, скорость ветра, период времени, коэффициент кристаллизации. При сравнении трех графиков видно, что есть отклонение фактических и рассчитанных по двум методикам данных. По графику, рассчитанному по второй методике (степенная зависимость), есть наибольшее отклонение за период ледостава в 1983 г. Это подтверждается расчетами погрешности вычисления, с второй декады января1983 г. отклонение рассчитанной толщины льда от фактической колеблется на уровне 38-100%, ранее графики (декабрь 1982 г.) более выровнены и погрешность составляет 2-13%.График толщины льда, рассчитанной по первой методике характеризуется продолжительными,в основном, значительными (более 50%) отклонениями от фактических значений на протяжении периода исследования. Заключение1. В курсовом проектеизучены физико-географических условий организации и функционирования озера Ильмень, проанализированы геологические и геоморфологические особенности бассейна Балтийского моря на участке исследования (раздел 1.2), охарактеризованы климатические и гидрологические особенности озера Ильмень(разделы 1.4-1.6).2. Расчет толщины льда был произведен двумя способами: по эмпирическим и аналитическим формулам. В эмпирическом методе толщина льда была рассчитана с помощью линейной, степенной и полиномиальной зависимостям. Рассчитанные значения толщины льда сопоставлялись с фактическими данными наблюдений. 2. Выводы расчета льда по эмпирическим формулам:2.1. При сравнении расчетных данных и фактических данных наблюдений на гидрологическом посту (таблица 3.6) выявлены значительные проценты погрешностей расчетов по выведенным эмпирическим формулам с применением рассчитанных коэффициентов. Для периода 1982-83 гг. средние погрешности (линейной, степенной и полиномиальной) расчетов отличаются несущественно – от 74% для полиномиальной до 87% для степенной. В отдельные декады (в конце исследуемого периода) погрешность расчетов линейной и степенной зависимостей достигает более 80%.2.2. Причины высоких погрешностей:- для выявления закономерностей и описания их уравнениями разным видов использовался недостоверно короткий период осреднения (всего один гидрологический год).- анализируемый год не является типичным при плавном нарастпнии толщины льда, неравномерностью нарастания снега на объекте исследования.- отрицательные температуры меняются неравномерно, отмечены периоды повышения температур до резко отрицательных, что меняет общую картину нарастания мощности льда.Следовательно, для определения коэффициентов a, bиc необходимо использовать значительно более продолжительные ряды наблюдений.3. Выводы расчета льда по аналитической формуле:Сопоставление фактических значений нарастания мощности льда и рассчитанных аналитическим методом выявили существенные расхождения в значениях, погрешность расчетов по аналитической формуле составила 58% (таблица 3.7). Максимальные отклонения наблюдаются в конце ледоставного периода и достигают 100%. В этот период колебание температур составляет 0,9-5,7 градусов, при этом толщина ледового покрова резко сокращается (до 6 см).Общий вывод: высокие погрешности значений толщины ледового покрова, рассчитанные эмпирическими и аналитическим методами, не позволяют использовать данные подходы для прогнозов в не типичных (отличных от «классических») схем нарастания мощности льда (при наличии отклонений в соотношении хода изменения температурного и ледового режимов) на объекте исследования.Список использованных источников1. Бойцов А.В., Васильев В.Ю., Горбовская А.Д. Экосистема озера Ильмень и его поймы / [А.В. Бойцов, В.Ю. Васильев, А.Д. Горбовская и др.]; Под ред. акад. РЭА Ю.Н. Сергеева С.-Петерб. гос. ун-т. - СПб. : Изд-во С.-Петерб. ун-та, 1997. - 274, [1] с.2. Бойцов В.Д., Педченко А.П. Гидрологический климат озера Ильмень во второй половине XX-начале XXI столетий //Гидрометеорология и экология: научные достижения и перспективы развития. – 2018. – С. 101-104.3. Васильева Н.В. и др. История формирования Ильмень-Волховского бассейна //Известия Российского государственного педагогического университета им. АИ Герцена. – 2012. – №. 153-2. – С. 141-150.4. Винников С.Д., Викторова Н.В. Физика вод суши. Изд. 2-е, испр. и доп. Учебник //СПб.: изд. РГГМУ. – 2009. – Т. 430.5. Виноградов А.Ю. и др. Уровенный режим озера Ильмень //Гидросфера. Опасные процессы и явления. – 2019. – Т. 1. – №. 2. – С. 190-218.6. Голубев В.Н., Фролов Д.М. Особенности снегонакопления и термического режима зимних сезонов как факторы формирования ледового покрова и возникновения заторов на реках северных регионов РФ //Водные ресурсы: новые вызовы и пути решения. – 2017. – С. 506-510.7. Голубев В.Н., Фролов Д.М. Оценка весенней затороопасности на реках севера России по данным о термическом режиме зимнего сезона и особенностях снегонакопления //Третьи виноградовские чтения. Грани гидрологии. – 2018. – С. 35-38.8. Донченко Р.В. Ледовый режим рек СССР / Р.В. Донченко. Л.: Гидрометеоиздат, 1987. 247 с.9. Здоровеннов Р.Э. и др. Термический и ледовый режимы арктических озер на фоне изменчивости регионального климата //Водные ресурсы: изучение и управление (школа-практика). – 2020. – С. 174-178.10. Краснова Е.Д. и др. Термический и ледовый режимы реликтовых водоемов, отделяющихся от Белого моря //Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежной зоны морей. – 2014. – С. 430.11. Кузьмина И.А., Кузнецова О.В. Анализ результатов гидро- и геохимического мониторинга озера Ильмень //Вестник Новгородского государственного университета им. Ярослава Мудрого. – 2014. – №. 76. – С. 69-73.12. Кузьмина И.А., Кузнецова О.В., Асанова Т.А. Гидрологическая, геохимическая и биоиндикационная характеристика озера Ильмень //Известия Самарского научного центра Российской академии наук. – 2011. – Т. 13. – №. 1-6. – С. 1438-1442.13. Метеорологический ежемесячник. Выпуск 12, ч. 1, 2, 1983 г.14. Мишон В.М. Гидрофизика / В.М. Мишон. Воронеж: Изд-во Воронеж, унта, 1979. С. 219-274. 15. Науменко М.А. и др. Озеро Ильмень: Определение морфометрических характеристик на основе цифровой модели //Водные ресурсы. – 2015. – Т. 42. – №. 5. – С. 467-467.16. Несветова Г.И., Бойцов В.Д. Гидрохимическая характеристика озера Ильмень //Ученые записки Российского государственного гидрометеорологического университета. – 2018. – №. 50. – С. 66-80.17. Петухова Е.А. Динамика изменения содержания различных форм общего азота и фосфора в воде озера Ильмень //Современные подходы к развитию агропромышленного, химического и лесного комплексов. Проблемы, тенденции, перспективы. – 2021. – С. 432-436.18. Пиотрович В.В. Расчет толщины ледяного покрова на реках и водохранилищах для целей прогноза ледовых явлений /В.В. Пиотрович, В.Я. Аминева // Тр. IV Всес. гидрол. съезда. Л., 1975. Т. 7. С. 288-295. 19. Придорогин М.В., Козлова И.И. Критерии оценки рельефа и почв для рационального размещения производственных насаждений садовых культур у озера Ильмень //Плодоводство и ягодоводство России. – 2012. – Т. 29. – №. 2. – С. 91-99.20. Специализированная база данных основных метеорологических параметров АИСОРИ ВИИГМИ-МЦД.