Анализ метеорологических данных полученных с дрейфующих станций Арктики

Введение 2
1. Географические особенности Арктики и история дрейфов: от палаток до
ледоколов 11
2. Проведение метеорологических наблюдений на дрейфующей станции .... 20
3. Архив данных 25
3.1 Общий обзор: количество дрейфов, состав имеющихся данных 30
3.2 Имеющиеся файлы и их описание; перевод данных в Excel 33
4. Анализ данных, полученных в процессе функционирования дрейфующих станций 39
4.1 Контроль качества данных - алгоритмы, результаты расчетов и их анализ. 42
4.2 Статистика: среднее, СКО, максимальное и минимальное значение 50
4.3 Эмпирические функции распределения - гистограммы 60
Заключение 75
Приложение 1 76
Список использованных источников 81
Купить

Многие эксперты подчеркивают, что для России 21 век является веком освоения Арктики, что будущее страны зависит от того насколько успешными, будут исследования в полярных широтах.
С 19 века и по сей день исследование Арктического бассейна является одной из важнейших геофизических и геополитических задач. Благодаря интенсивному развитию за последние годы космических и авиационных методов наблюдения за состоянием поверхности Земли, у нас появилось больше представлений о структуре и движении Ледяного покрова Арктики. С помощью таких технологий наблюдения, стало возможным вести постоянный мониторинг за состоянием и динамикой многолетних паковых льдов. Особое значение при этом, придается именно положению южной границы льдов, так как от этого напрямую зависят маршруты судов, круглогодично проходящих по Северному Морскому пути.
Дрейф, толщина, сплоченность, площадь льдов - не единственное что нам необходимо знать об Арктике, для совершенствования своего понимания Арктической природы. Изучение Северного Ледовитого океана и атмосферы также важны и помогут составить полную картину климатических процессов, берущих начало здесь, в этих широтах и распространяющихся на веся Земной шар.
Для точной оценки и определения закономерностей климатических изменений и повышения качества прогноза, необходимо совершенствование наших знаний касательно теплового режима, структуры течений и водных масс Северного Ледовитого океана. Арктика и Антарктика часто считаются планетарными «холодильниками» климатической сети. От того какие процессы происходят в полярных широтах, зависит погода и климат многих регионов. Как показала практика, наиболее оптимальными способами освоения я исследования Северного Ледовитого океана являются контактные наблюдения по местам. Изначально это были дрейфующие станции, но со временем, начали использоваться и другие способы по сбору геофизических данных. Большой вклад привнесли кратковременные высадки на льдины группы полярников, наблюдения с научных судов и автоматические метеостанции.
Помимо «холодильника», Арктику и Антарктику в научных кругах часто именуют «кухней погоды». Арктика — это регион, имеющий неоспоримую важность для страны, об этом еще упоминал Ломоносов, говоря в своих работах «Россия - будет прирастать своим фасадом в Арктику». Регион, в котором круглогодичный минус, представляет собой множество плюсов, для сверхдержав, которые учувствуют в гонке за освоение и приватизацию, в который в свою очередь Российская Федерация остается впереди. Результаты, который удалось достигнуть нашей стране в этой сфере., до сих пор поражают всё мировое сообщество. «То, что делаем мы - до сих пор поражает остальных» - говорят опытные полярники. Сегодня работа в Артике никуда не исчезла, она, как и 100 лет назад благополучно и плодотворно продолжается. Так же опасна для жизни, как и прежде, но возможно в нынешнее время не так на слуху. Работа в таких экстремальных условиях - действительно проверка на прочность для любого мужчины. Арктика, как упоминалось ранее, очень важна для России - множество полезных ископаемых, и нефть, и газ, и еще бесчисленное множество элементов таблицы Менделеева. Это Северный морской путь и стратегическая безопасность страны. Основные наши конкуренты по Арктике — это США и Канада, по словам президента Российской Федерации, В.В Путина «США, которые являются кстати нашими соседями по Арктике, развивают свою военную деятельность, которая на наш взгляд представляет для нас определенную угрозу.»
В районе северного полюса нет твердой земли, лишь только лёд. Поэтому единственным способом находится там является - высадка на лёд или проведение наблюдений с борта судна. Для проведения непрерывных метеорологических, гидрологических, магнитных и других измерений, самым действенным способ оказалась организация многомесячных экспедиций. Такие экспедиции обустраивались прямо на льдах, первые из них устанавливали палатки их фанер и древесины, и отапливались керосином. В будущих экспедициях начали появляться различные палатки и совершенные отопительные системы. Такой лагерь имел название дрейфующая станция. Или говоря иначе, дрейфующая станция - это научно-исследовательская база, которая строится прямо на льдах, расположенных в недрах Северного ледовитого океана.
«6 июня 1937 года началась полярная эпопея дрейфующей станции северный полюс - 1.» Не многим будет понятна и известна эта строчка, но стоит сказать экспедиция Папанина, и моментально приходит на ум история завоевания Северного полюса легендарной и героической четверкой, получивших мировую славу и ставших по праву Героями Советского Союза Их подвиг несомненно находится на уровне первого полета космонавта в космос. Их имена восторженно звучали во всех уголках Земли. Собранный ими материал, поражал своей уникальностью и содержанием и был высоко оценен всем мировым научным сообществом.
Вместе с героической четверкой полярников, заслужили себе славу и награды, и лётчики, которые отправились вместе с экспедицией на северный полюс, впервые приземлив самолеты на плавучий лёд, а потом также впервые совершив взлёт со льдов. В те времена, всё что делалось в полярных широтах, делалось впервые.
Актуальность темы условно можно разделить на несколько пунктов.
Первым и возможно самым важным пунктом, является поиск во времена освоения Арктики, Северного Морского Пути, а в последующем его поддержание, контроль и конечно эксплуатация. Обладая протяженностью в 5600 км, наличием льдов, достигающих до 4 метров в толщину, проход через 9 часовых поясов - Северный Морской Путь имеет ключевое стратегическое значение. Самый быстрый и как следствие экономически-рациональный путь транспортировки сырья различного характера, а именно нефти Ухты, угля Воркуты, меди и никеля Таймыра, золота Якутии и Колымы и другого сырья Северной части России. До открытия Северного Морского пути всё это сырьевое богатство казалось недосягаемым, скованным вечной мерзлотой и за пределами полярного круга, так как единственным способ доставлять его была однопутная, стоившая России великих денег, трудов и поражения от Японии - транссибирская железнодорожная магистраль.
К счастью, в наши дни Северный морской путь используется на полный ход, но сложности при транспортировке сырья по -прежнему присутствуют. Льды Арктики, настолько суровы, что порой становятся непреодолимым препятствием, даже для ледоколов. Как следствие выбор оптимального маршрута, сезона транспортировки и главное метеорологических условий и прогноза толщи льда может сильно удешевить и облегчить маршрут.
Второй пункт, обуславливающий актуальность исследования Арктики, так сильно значим стал в последствии, после начала проведения наблюдений. Арктический шельф или Континентальный шельф Российской Федерации, это шельф, определяющийся по Конвенции ООН по морскому праву как океанское дно и недра подводных районов, которые находятся под суверенитетом СССР. Ценность шельфа в том, что по прогнозу ученных 3 / 4 части мирового запаса углеводорода находится в его недрах. Это невероятный объем, ради которого интенсивность исследований только растет.
Третий пункт обуславливается стратегической важностью этого региона, сюда относится и важность иметь возможность производить трансарктические перелеты, и организация военных баз, и проведение учений в условиях полярных широт, и переправка флотилии под предводительством атомных ледоколов и много многое другое. Именно по причине желания осуществить первый перелёт из России в Америку, была организована первая дрейфующая станция «Северный полюс -1». В её задачу входило непосредственная передачи метеорологических условий, а именно скорости ветра, температуры, толщины льда и проведение сопутствующих наблюдений.
Спустя год подготовок, в июне 1937 года было положено начало успешной работы станция Северный полюс -1 во главе полярника Папанина. Каждый месяц экспедиция оправляла отчет о проделанной работе в Москву Эта группа полярников совершила много значимых открытий, среди которых впервые измеренная глубина океана у центра полюса. Лебёдка достигла дня на отметке равной 4290 метрам. До этого открытия было лишь известно, что максимальная измеренная глубина океана у полюса как минимум 2742 м. Среди менее значимых открытий также наконец полностью опровергнутое предположение о том, что в Арктике имеется суша и многое другое. При советском союзе всего было создано 31 таких дрейфующих станций, которые проводили наблюдения вплоть до 1991 года. За время дрейфа всех станций было собранно невероятное количество данных и сделано много открытий в таких сферах науки как: гидрология, метеорология, океанология,
климатология, аэрология, и др. Полученный научный материал уникален тем, что впервые позволил описать взаимосвязанную сущность природы центральной Арктики. Участникам экспедиций и всему мировому научному сообществу, наконец стало известно о перемещении и изменении структуры ледяного покрова, о химическом содержании и свойствах водных масс, их перемещениях под льдами, рельефе дна океана и его интереснейших видах обитателей.
Полярниками, первооткрывателями и исследователями двигали не материальные интересы, ими двигала любознательность. Своё счастье и богатство они видели и считали именно в путешествии и открытиях. Да дело это нелегкое, да во время дрейфа могло произойти непоправимое, но это никого не останавливало. Многие из первых полярников, пилотов и капитанов, выполняющих экспедиции в полярные широты, возвращались на родины героями, становились руководителями так как имели богатый опыт и получали высшие награды СССР. И даже когда как уже казалось, жизнь полярника исследователя удалась, они вновь и вновь оправлялись в новые экспедиции, объясняя это тем, что Арктика притягивает. «Вы не испытали еще полярной зимовки, и все равно не поймете. Арктика притягивает. Кто раз побывал в Арктике, тот на всю жизнь отравлен ею. Сами убедитесь в этом...».
С 1937 года по сей день проводятся регулярные высокоширотные экспедиционные наблюдения в Арктике, с перерывом на Великую Отечественную Войну и кризис из -за распада СССР. Распад привел к сильному экономическому кризису, а так как все научные исследования в полярных широтах были за счёт бюджетных средств, их финансирование пришлось приостановить. Вновь за Арктику Россия взялась в 2003 году, за это время многое изменилось, включая и подход к исследованию. Теперь в Арктике помимо дрейфующих станций уже существовало множество автоматических станций, также в труднодоступных местах наблюдения начали производится прямо с судов, позиционирующих себя как научные экспедиционные суда.
В данной работе будет рассмотрен материал, собранный именно в период с 1937 по 1991 год, это дрейф 31 стации «Северный полюс». Многие из них были многолетними, в них менялись полярники, менялось оборудование, доставлялся необходимый груз, и таким образом, например, станция «Северный полюс -22» (СП-22) просуществовала 3120 суток. За этот период всеми станциями собран отличный материал по всем отраслям науки. Получены многолетние универсальные данные по динамике и изменению ледяного покрова. Гидрологами сделаны открытия в области океанических течениях подо льдом и химическом составе водных масс Северного Ледовитого океана (СЛО), структуры и рельефе дна и о живых организмах, обитающих в нём. Метеорологами в свою очередь удалось обозначить полную картину динамики и состояния атмосферы над полярной и приполярной областями, что является фундаментальными знаниями необходимыми для успешного прогнозирования для высоких и средних широт. И это далеко не все открытия, сделанные за этот период.
Новизна исследования заключается создании общей базы или массива данных полученных в результате дрейфа 31-ой станции, в проведении алгоритмов контроля качества полученных данных, в использовании инструментов статистического анализа по описательным критериям, в проведении эмпирических функций распределения и составлении гистограмм на основании результатов исследования данных, сравнении данных полученных на дрейфующих станциях с данными прибрежных метеостанций Арктического бассейна. Изучении закономерностей траектории дрейфа станций и анализ результатов.
Целью нашего исследования выступает анализ сформированного архива данных в сфере дрейфа Арктических станций в период с 1937 по 1991 гг. и составление гистограммы эмпирического распределения данных .
Для реализации вышеуказанной цели необходимо решение следующих задач:
1. Изучить теоретико -методологическую базу дрейфующих станций и Арктического бассейна.
2. Сформировать архив данных, подготовить его для дальнейших вычислений.
3. Провести проверку на контроль качества и статистический анализ данных. Выявить зависимости.
4. На основании полученных результатов в описательной статистике произвести расчет эмпирической функции распределения и построить на основании результатов гистограммы.
Гипотезой исследования выступает идея о том, что при правильном выборе начальной точки дрейфа, станция, организованная во льдах может пройти через центр Арктики, а если улыбнется удача, то и вовсе попасть в самый центр Северного полюса. Эту знаменитую научную гипотезу высказал первым норвежский исследователь и путешественник Ф. Нансен. Он же впервые в истории предположил и реализовал идею дрейфа полярной станции прямо во льдах, которая в последствии стала основанием и теоретическим пособием для будущих советских и американских дрейфующих станций нового столетия. Нансен строил предположение о существовании определенного направления дрейфа арктических льдов с востока на запад, или говоря иными словами, из морей Восточной Сибири в Гренландское море. При таком раскладе можно было существенно упростить будущие исследования и получить данные из самого сердца Арктики.
Анализируя архивные данные дрейфа станций «Северный полюс», возможно удастся найти систематические закономерности траектории дрейфа. Сравнивая данные полученные с дрейфующих станций с данными полученными на ближайших наземных станциях, включая острова, производится анализ. На основании полученных графиков, проанализировав которые, придем к выводам относительно метеорологических данных.
В первой главе предполагается рассмотреть климат арктического региона и историю дрейфующих станций.
Во второй главе рассматривается процесс метеорологического наблюдения характерный для дрейфующих станций.
В третьей главе даётся общий обзор о количестве дрейфов станций, составе полученных данных, по которым в свою очередь формируется и приводится в надлежащий вид архив данных по траекториям дрейфа станций.
В четвертой главе магистерской диссертации проведен анализ данных на контроль качества, описательный статистический анализ и на основании эмпирических функций распределения построены и проанализированы гистограммы для наглядности результатов.
Апробация работы была проделана в ходе Восьмой международной научно-практической конференции «Полярные чтения - 2020», в которой был рассмотрен российский и зарубежный опыт научного изучения Арктики и Антарктики. Темой выступления было выбрано «Использование данных дрейфа полярных станций, с целью выявления метеорологических закономерностей и создания анимации на трёхмерной модели Земли». В презентации были подчеркнуты исторические достижения освоения Арктики, были представлены диаграммы и гистограммы особенностей дрейфа, а также составлена анимация с траекториями дрейфа на трёхмерной модели земли, входящей в состав программного обеспечения Microsoft Office. В международной конференции приняли участие исследователи из различных стран, в том числе России, Белоруссии, Швеции, Норвегии, Финляндии, Эстонии и Италии. Среди участников встречались представители различных отраслей науки: географы, геофизики, геологи, гидрологи, океанологи, историки, этнологи, археологи, социологи и другие исследователи, которые посветили изучению Арктике и Антарктике свою жизнь.

Купить