ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2011, том 436, № 3, с. 407-411
= ОКЕАНОЛОГИЯ
УДК 551.465:629.783
ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ГЕНЕРАЦИИ И РАСПРОСТРАНЕНИЯ ВНУТРЕННИХ ВОЛН В БЕСПРИЛИВНЫХ МОРЯХ ПО ДАННЫМ СПУТНИКОВОЙ РАДИОЛОКАЦИИ © 2011 г. О. Ю. Лаврова, М. И. Митягина, К. Д. Сабинин
Представлено академиком Л.М. Зеленым 22.03.2010 г. Поступило 27.08.2010 г.
Существование внутренних волн (ВВ) в толще морских вод обусловлено устойчивой стратификацией, соответствующей увеличению плотности воды по направлению силы тяжести. Внутренние волны играют важную роль в процессах горизонтального и вертикального обмена и перемешивания вод и в формировании термохалинной циркуляции водоемов. Движения, создаваемые ВВ, оказывают огромное влияние на динамические процессы, протекающие в Мировом океане и на его поверхности. Амплитуда ВВ может достигать в океане ста метров, длины волн — многих километров, но колебания водной поверхности при этом обычно ничтожны. Тем не менее при определенных условиях ВВ могут проявляться на поверхности океана, модулируя ветровую рябь своими орбитальными течениями.
Поверхностные проявления внутренних волн (ППВВ) в океане визуализируются на радиолокационных изображениях (РЛИ) морской поверхности в виде чередующихся полос усиления и ослабления радиолокационного сигнала, обусловленных модуляцией мелкомасштабной составляющей спектра поверхностного волнения переменными течениями, создаваемыми в приповерхностном слое ВВ [1—3]. Привлечение к исследованию ВВ в океане данных спутникового радиолокационного зондирования морской поверхности, обеспечивающих регулярный обзор акваторий с высоким пространственным разрешением (25—75 м) независимо от освещения и облачного покрытия, значительно расширило возможности получения информации об источниках и механизмах генерации, распространении и взаимодействии таких волн.
Несмотря на усиленное внимание к исследованию ВВ, наиболее изученными экспериментально и описанными теоретически остаются внутренние гравитационные волны в прибрежных акваториях
Институт космических исследований Российской Академии наук, Москва
океанов и приливных морей, возникающие при взаимодействии приливных течений с краем шельфа [4]. Экспериментальные исследования, как правило, проводятся на ограниченных акваториях и привязаны к местам устойчивой генерации приливных внутренних волн. В то же время разнообразие условий в реальном океане, влияние огромного числа факторов как атмосферного, так и внутриокеанического происхождения при большой сложности и стоимости натурных измерений создают определенную фрагментарность сведений о процессах, приводящих к возбуждению внутренних гравитационных волн. Сведения о ППВВ во внутренних морях, например, таких как Черное и Каспийское, практически отсутствуют. Характерной особенностью, общей для этих морей, является то, что они могут быть отнесены к классу бесприливных морей, так как колебание уровня воды в этих морях под влиянием приливов составляет менее 10 см. Соответственно, упомянутый выше механизм генерации ВВ приливными течениями здесь исключен.
Начиная с 1970-х гг. в шельфовых зонах Каспийского и Черного морей на протяжении многих лет проводились длительные и детальные исследования внутренних волн. С помощью контактных методов выполнены измерения характеристик внутренних волн и сделаны предположения о том, какие из динамических процессов в этих акваториях ответственны за генерацию цугов интенсивных внутренних волн [5—8].
Зарождение внутренних волн в этих морях возможно при протекании активных динамических процессов, связанных с возникновением и релаксацией прибрежного апвеллинга, сгонно-нагон-ными явлениями, инерционными колебаниями, вихрями различных масштабов, осцилляциями гидрологических фронтов и пр. Регулярный спутниковый мониторинг морской поверхности, проводящийся Лабораторией аэрокосмической радиолокации ИКИ РАН с 2005 г. в северо-восточной части Черного моря и с 2009 г. в Каспийском море, позволил не только впервые обнаружить поверхностные проявления внутренних волн на
с.ш. 45°
44°
37° 38° в.д.
Рис. 1. Карта-схема распределения ППВВ, выявленных по данным спутниковой радиолокации в северо-восточном секторе Черного моря.
радиолокационных и оптических изображениях в бесприливных морях, но и восстановить картину их пространственной и временной изменчивости. Кроме того, комплексное использование данных, различных по своей физической природе (активное и пассивное микроволновое зондирование, оптические и ИК-данные), пространственному разрешению и ширине полосы съемки, дало уникальную возможность восстановить целостную картину метеорологических и гидродинамических явлений и процессов в выбранных районах. На основе анализа совокупности параметров, полученных из данных дистанционного зондирования, определены возможные факторы, приводящие к генерации наблюдаемых внутренних волн неприливного происхождения, и сделаны предположения о соответствующих механизмах генерации.
Экспериментальную основу исследования составили радиолокационные изображения морской поверхности, полученные при помощи радиолокаторов с синтезированной апертурой, установленных на ИСЗ Епу18а1 и ЕЯ8-2. Кроме того, для интерпретации РЛИ привлекались дан-
ные сенсоров MODIS ИСЗ Aqua/Terra, MERIS ИСЗ Envisat и AVHRR ИСЗ NOAA оптического и инфракрасного диапазонов, несущие информацию о полях температуры морской поверхности и мезомасштабной динамике вод. При мониторинге Каспийского моря дополнительно использовались данные сканирующего радиометра ETM+ ИСЗ Landsat-7. Всего за время наблюдений получено и обработано более 1000 спутниковых изображений морской поверхности районов исследований. Большой объем экспериментального материала обеспечил статистическую обоснованность результатов исследований.
На основе целевой обработки РЛИ морской поверхности проведена феноменологическая идентификация радиолокационных образов ППВВ, вихревых структур различных масштабов, фронтальных зон и зон апвеллинга. Составлены карты пространственного распределения ППВВ неприливного происхождения, выявленных по радиолокационным данным в северо-восточной части Черного моря (рис. 1) и в центральной части Каспийского моря (рис. 2) за период наблюдений, и
ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ГЕНЕРАЦИИ
409
50°
52°
42'
40°
в.д. 54°
с.ш. 42°
40°
Рис. 2. Карта-схема распределения ППВВ, выявленных по данным спутниковой радиолокации в центральной части Каспийского моря.
локализованы районы их зарождения и распространения.
Как видно из рис. 1, в северо-восточной части Черного моря можно выделить три района, где сосредоточены ППВВ: район Керченского пред-проливья над изобатами 50—100 м; район вблизи Цемесской бухты над изобатами 40—50 м; район, расположенный на расстоянии 25—28 миль к юго-западу от участка береговой черты в районе Новороссийск—Туапсе над изобатами 1800—2000 м. Большинство наблюдений ППВВ приходится на периоды с начала июня до середины июля.
В ходе мониторинга акватории Каспийского моря в 2009 г. многочисленные поверхностные проявления цугов ВВ зарегистрированы в период с третьей декады мая и до конца августа. Определены три основных района их локализации в зависимости от сезона: юго-западная часть Каспия,
вблизи м. Лимир (конец мая); восточная часть Каспия от м. Бекдаш до п-ова Челекен (июнь-июль); восточная часть Каспия от Актау до Казахского залива (август). Аналогичные результаты получены и при анализе архивных данных за 2003 и 2007 гг.
Для объяснения сезонной изменчивости ППВВ проведено сопоставление результатов, полученных на основе спутниковых данных, с измерениями, проведенными in situ. Максимальная встречаемость ППВВ соответствует наличию резкого и неглубокого пикноклина. Такие условия благоприятствуют как зарождению внутренних солитонов, так и выраженному проявлению их на морской поверхности, поскольку способствуют развитию сильных орбитальных течений в приповерхностном слое, что приводит к модуляции спектра ветрового волнения и проявлению внутренних волн в РЛИ морской поверхности. По
Рис. 3. Примеры поверхностных проявлений нелинейных взаимодействий цугов внутренних волн в Каспийском море: а — фрагмент РЛИ ASAR ИСЗ Envisat (15 х 16 км), полученного 22.08.2003 г. в 0.6:47 UTC с разрешением 12.5 м; б — фрагмент РЛИ ASAR ИСЗ Envisat (65 х 65 км), полученного 24.07.2009 г. в 18:23 UTC с разрешением 75 м.
спутниковым данным определены основные пространственно-временные характеристики ВВ неприливного происхождения, выявленных из данных дистанционного зондирования, такие как длина волны, количество цугов и количество волн в цуге, направление распространения, рефракция, длина видимого фронта волны и его ориентация.
Факт регистрации радиолокационных образов ППВВ в северо-восточной части Черного моря является относительно редким событием. За период 2005—2009 гг. на радиолокационных изображениях морской поверхности, полученных над этой акваторией, выявлено только девять случаев ППВВ. В северо-восточной части Черного моря ВВ проявляются в виде изолированных цугов, содержащих до 20 волн, при этом максимальная длина волны в цуге не превышает 500 м. Фронт ведущей волны, как правило, существенно искривлен, длина его изменяется от 7 до 18 км. Ширина пакетов в зависимости от количества волн в цуге изменяется от 0.85 до 3.5 км. Выявление ППВВ относительно малых пространственных масштабов в северо-восточной части Черного моря стало возможным благодаря привлечению данных спутниковой радиолокации, обладающих высоким пространственным разрешением.
Поверхностные проявления внутренних волн в Каспийском море более многочисленны (только в 2009 г. зарегистрировано 27 РЛИ, содержащих ППВВ) и существенно отличаются от черноморских по своим феноменологическим признакам. На одном кадре (400 х 400 км), как правило,
выявляется несколько цугов ВВ, число которых доходит до шести. Это свидетельствует о наличии нескольких мест генерации, расположенных на относительно небольшом расстоянии. ППВВ в Каспийском море имеют вид классических цугов солитонов. Для взаимодействующих цугов наблюдаются характерные для нелинейных взаимодействий искривлени
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.