2. Методика промысловых прогнозов

Гидрометеорологическое обеспечение промысловых прогнозов включает расчет или прогноз вертикальных и горизонтальных перемещений водных масс, главным образом их границ, являющихся фронтальными зонами с предпосылками повышенной биологической и промысловой продуктивности. Обусловленные ими особенности поведения объектов промысла, то есть смещения, изменения глубины скоплений, увеличение их плотности или рассеяние, прогнозируются с заблаговременностью от 1 до 5 суток. Комплекс прогностических операций такого временного масштаба представляет собой оперативный прогноз, который дается непосредственно на промысле. Изменения поведения рыб в течение годового астрономического и гидрологического цикла, связанные с их биологическим состоянием, - с нерестом, зимовкой, кормовыми миграциями, являются объектом краткосрочного (сезонного) прогноза, который может даваться соответствующими организациями на берегу: научно-исследовательскими институтами, перспективными разведками, штабами путин или специальными отделами рыбопромысловых организаций. Межгодовые изменения промысловых видов в качестве основных показателей имеют уровень запаса и смену районов при разных стадиях жизненного цикла. Такие колебания рассматриваются в плане долгосрочного прогноза, имеющего заблаговременность год и более. Методика последнего разрабатывается в научно-исследовательских институтах и представляется рыбодобывающим организациям, регулярно или в виде публикуемых пособий и справочников.

Следует отметить, что основные гидрологические и метеорологические индексы, служащие предикторами прогностических уравнений, представляются в разделе «Оперативные прогнозы», затем используются и для остальных видов прогнозирования с осреднениями в соответствующих масштабах.

Выявленные статистически достоверные связи метеорологических, гидрологических, гео- и гелиофизических факторов с биотическими и рыбопромысловыми параметрами при возможности переводятся в форму прямых зависимостей последних от абиотических характеристик, опуская найденные или предполагаемые промежуточные звенья. Например, индексы атмосферной циркуляции, естественно, определяющие изменения термохалинной структуры и системы течений, коррелируемые с промысловыми показателями, используются в прогностических уравнениях непосредственно.

Примечание. Заблаговременности, а следовательно и типы прогнозов, принятые в рыбохозяйственной практике, отличаются то таковых в метеорологии, где краткосрочные имеют заблаговременность 2-3 суток, а более – относятся к долгосрочным и сверхдолгосрочным.

1. Оперативный прогноз

Оперативный прогноз это предсказание поведения объектов промысла, главным образом, смещения скоплений, изменения глубины их концентраций и рассеяния. Первый прогноз ориентирует флот на перемены района промысла вслед за движением границы водной массы, второй – на оптимальные глубины постановки орудий лова, третий – на максимальную плотность скоплений.

Данный прогноз может быть основан на результатах оперативных океанографических наблюдений в виде съемок, на которых ограничиваются регистрацией температуры воды с помощью батитермографов или других термозондов. Съемка выполняется в течение одних суток. Ее целью является получение карты глубин термоклина в районе промысла и на сопредельных акваториях. На ней представляется рельеф указанной изоповерхности и тенденция в направлении подъема или опускания термоклина. Последнее, при небольших глубинах в районе, может указывать на «прижатие» скоплений пелагических рыб ко дну, а следовательно к увеличению уловов за траление в придонных горизонтах.

Гидрологические разрезы вдоль 100, 150 и 200-метровых изобат (метод Кухоренко-Рябикова), применяемые при поисковых работах в Центрально-Восточной Атлантике, пересекают «языки» холодных продуктивных вод, обычные в зонах пассатных апвеллингов. Увеличение их вертикальных размеров будет свидетельствовать об интенсификации апвеллинга, следовательно граница прибрежных относительно холодных вод будет смещаться в сторону открытого моря вместе со скоплениями пелагических рыб. Это, конечно, упрощенная схема процесса. В качестве ориентира используется еще и расположение языков, поскольку косяки рыб при различных состояниях могут по-разному реагировать на фронтальные зоны. Но главный источник информации для составления оперативного прогноза является температурное поле в плоскости выполненного разреза.

Обычные прямолинейные разрезы, ориентированные по нормали к предполагаемой или известной фронтальной зоне, уточняют краткосрочные изменения последней под воздействием конкретных синоптических ситуаций, в которых определяющим параметром является поле ветра. Например, во время промысла сельди в 60-е годы прошлого столетия в Норвежском море, на зимовальных скоплениях, гидрологические разрезы по нормали к Восточно-Исландскому течению позволяли определить возможные перемещения скоплений в сторону от более холодных вод.

В морях умеренного пояса перемещение водных масс, сопряженное с подходом рыбных скоплений, можно обнаружить по изменению температуры воды как следствию их адвекции. Для увеличения заблаговременности прогноза используется расчет сгонов и нагонов вод к побережью по ежечасным наблюдениям за ветром, если с указанными явлениями ассоциируются изменения температуры и перемещения скоплений. Результирующая составляющая векторов ветра получается при их сложении по формуле Зверева:

где  - сумма проекций ветра на так называемое эффективное направление

W_i – скорость ветра

_I – угол между направлением ветра и направлением максимального сгона или нагона.

Из всех видов гидрометеорологических наблюдений, направленных на поиск связей внешних факторов с поведением объектов промысла, наиболее эффективными, хотя и наиболее дорогостоящими, являются многосуточные станции с регулярными регистрациями океанографических характеристик. С судна, стоящего на глубоководном якоре, лучше всего на краю шельфа (на глубине 200 м), производятся наблюдения с помощью вертикального зондирования температуры – ежечасно и солености – 4 раза в сутки. Наблюдения за течениями желательно выполнять автоматическими приборами на отдельной от судна буйковой установке. Продолжительность станции 15 или 30 суток, что позволяет затем выделить приливные колебания. При современном оснащении судна оборудованием и лабораториями в программу исследования могут быть включены и гидробиологические. Если станция выполняется вблизи исследуемого района промысла и в период работы флота, то сопоставление всех звеньев зависимостей может дать наибольшее количество прогностических связей.

Наблюденные колебания глубины термоклина, уровня промежуточных вод, изменения режима течений и термохаллинной структуры ассоциируются с горизонтальной адвекцией водных масс, с образованием фронтов и различных форм потоков. Далее находятся связи гидрологических характеристик с особенностями барического поля с одной стороны и с промысловыми показателями с другой, а затем первых с абиотическими факторами среды для получения методики оперативного прогноза по данным атмосферного давления – характеристике с регулярной и детальной информацией. Помимо этого, ежечасные данные температуры и течений дают возможность выявить периодические колебания приливного характера и циклические, обусловленные изменениями атмосферной циркуляции синоптического масштаба.

Для выявления скрытых периодичностей применяется ряд несложных методов: периодограмманализ, метод Цейлона, метод Ланцоша, а также гармонический анализ. Наиболее распространенный первый из них. В изложении Руднева и Палия он представляется следующим образом.

При периодограмманализе результатом операций является периодограмма – кривая функции, при построении которой по оси Х откладываются величины периодов, по оси У – амплитуды (Рис. 4).

Рис. 4. Периодограмма

Ряд изменений характеристики через промежутки времени (t) у=f(t), У₁, У₂, У₃………… У_n может быть представлен в виде функции f(t)=С₀+С₁sin(₁t+)+C₂sin((₂t+)+…………..,

Где С₀ – средняя арифметическая ряда наблюдений;

 - некоторая непериодическая функция;

- частоты;

С_i – амплитуды;

i – фазы.

Процедура расчета периодограммы состоит из определения амплитуд, а если необходимо и фаз, каждого из пробных периодов (S_i), обозначенных в дальнейшем непрерывно на оси Х:

для нахождения периода S_i (i=2, 3, 4, 5…….12…….24) частоты делим исследуемый ряд на равные части длиной S_i. Остаток, меньший отбрасываем. Схема расчета будет следующей:

У₁ У₂ У₃

У_si+1 У_si+2 У_si+3

……………………………..

Находим коэффициенты ряда Фурье:

затем амплитуду и фазу

Таким образом вычисляются все амплитуды и фазы для каждого из пробных периодов. После этого наносим значения амплитуд каждого периода в системе координат период-амплитуда. Максимумы на периодограмме указывают на периоды, присутствующие в исследуемом ряду. Статистическая достоверность существования найденного периода подтверждается условием

где n – число членов исследуемого ряда.

Смещение границ водных масс под воздействием поля ветра в синоптическом масштабе времени, то есть за несколько дней, отражаемые вертикальными колебаниями этих границ при наблюдениях в точке многосуточной станции, могут коррелироваться с определенными особенностями барического поля. Последние выражаются в преобладании атмосферных переносов зонального, меридионального или более сложных типов. Их количественное выражение в наиболее простом виде представляется, в частности К.В. Кондратовичем. Методика их расчетов состоит в следующем.

В умеренных широтах зональная составляющая геострофического ветра определяется меридиональной компонентной градиента давления, а меридиональный перенос – зональной. Воздушный перенос можно оценить, например, через десятиградусные отрезки меридианов и параллелей. В конечно-разностной форме они выглядят следующим образом:

;

;

где b – величина через которую проводятся изобары (5 или 4 мб),

i – число меридианов, использованных для определения меридионального градиента давления в широтной зоне между ₁ и ₂;

n – число пересечений изобарами параллелей, положительное при пересечении с запада на восток;

j – число параллелей, использованных для определения зонального градиента давления в районе между меридианами ₁ и ₂;

m – число пересечений изобарами параллелей, положительное при пересечении с юга на север;

- множитель, учитывающий схождение меридианов.

Указанным автором предложены и производные индексы оценки атмосферной циркуляции:

- индекс зональной циркуляции,

- индекс зонального воздухообмена, который, в отличие от , является выражением модуля зональных воздушных переносов обоих направлений, - западного и восточного.

Количественный учет устойчивости зональных воздушных переносов можно осуществить с помощью соотношения:

Соотношение меридиональных и зональных составляющих оценивается по формуле:

Барическое поле определенной формы, заданное значениями атмосферного давления на сетке точек, может характеризоваться и другими простейшими количественными индексами: общим средним значением, разницей между северной и южной или западной и восточной частью акватории и т.д. Наиболее полный количественный анализ барического поля выполняется посредством его математического разложения в ряд, например по полиномам Чебышева. Основы аналитического представления кривых и полей гидрометеорологических элементов, технику расчета коэффициентов разложения, описание их физического смысла можем найти в монографии Л.И. Скриптуновой или К.И. Кудрявой с соавторами.

Для разложения поля Р (Х, У) применяется формула:

,

где - полиномы Чебышева,

- коэффициенты разложения. Значения последних вычисляются по формуле:

где к – число узлов, в которых задается функция в направлении оси Х,

ℓ - в направлении оси У (система координат правая). Поле функции Р(Х_mY_n) представляется в виде матрицы:

Коэффициент, у которого хотя бы один из индексов равен нулю (А₀₀, А₁₀, А₀₂), имеет простой физический смысл и упрощается:

Формула для расчетов полиномов Чебышева любого порядка имеет вид:

где n – число точек, в которых задано значение функции;

к – номер точки, принимающей значения 1, 2 3………

Например, при 16-точечном квадратном поле, где n=4, ₀=1, а значение  вычисляется по формуле:

Придавая значению «к» последовательно величины 1, 2, 3 и 4, получим: -1,5; -0,5; 0,5; 1,5.

Значение получаем соответственно: 1, -1, -1 и 1.

Значения  находим по той же формуле и далее аналогично, так как в нашем поле n=m=4.

Учитывая принятую систему координат и нахождение барического поля в северном полушарии, мы можем интерпретировать физический смысл первых трех указанных выше, коэффициентов следующим образом:

А₀₀ – среднее значение поля, - отражает уровень циклоничности или антициклоничности над данной акваторией;

А₀₁ – зональный перенос в данном барическом поле с запада на восток;

А₁₀ – меридиональный перенос в данном барическом поле, при положительном значении с юга на север, при отрицательном – с севера на юг.

Коэффициенты второго порядка:

А₂₀ – Меридиональный перенос в западной половине с севера на юг, в восточной – с юга на север;

А₀₂ – зональный перенос, в южной половине с запада на восток, в северной – с востока на запад.

В практике оперативных расчетов и прогнозов находятся эмпирические связи между указанными коэффициентами и глубинами границ водных масс на многосуточных станциях в качестве показателей их горизонтальной адвекции, или коэффициентов непосредственно с показателями рыбопромысловых характеристик – уловами на усилие, смещение скоплений и т.п.

В качестве примера использования связей типа «коэффициент, отражающий определенный атмосферный перенос, - глубина границы водной массы» для оперативного промыслового прогноза с заблаговременностью от 1 до 3 суток, приведем систему зависимостей, полученную в районе Новошотландского шельфа и банки Джорджес, где были выполнены 4 многосуточные станции. В гидроструктуре региона определены две экологически значимые границы: между поверхностной и промежуточной холодной водной массой (На) и между последней и донной (Нв). Первая граница при вертикальных колебаниях отражает степень горизонтальной адвекции прогретого в летний период поверхностного слоя вод, фронтальная зона которого является местом образования промысловых скоплений сельди. Зона выклинивания донной водной массы и ее граница с холодным промежуточным слоем является предпосылкой образования промысловых скоплений серебристого хека и других рыб придонного комплекса.

Главная роль как предикторов в полученных связях принадлежит меридиональным (А₁₀ и А₂₀) и широтным (А₀₁ и А₀₂) воздушным переносам, вызывающим усиление или ослабление теплых и холодных затоков на шельф соответствующих водных масс. Некоторые из полученных прогностических уравнений представляются в таблице 1.