ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2014, № 3, с. 41-55
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ О ЗЕМЛЕ
КОРОТКОПЕРИОДНЫЕ ВНУТРЕННИЕ ВОЛНЫ В БЕЛОМ МОРЕ: ОПЕРАТИВНЫЙ ПОДСПУТНИКОВЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ ЛЕТОМ 2012 г.
© 2014 г. А. В. Зимин1, 2*, Д. А. Романенков1, И. Е. Козлов2, Б. Шапрон2, 3, А. А. Родионов1,
О. А. Атаджанова2, А. Г. Мясоедов2, Ф. Коллар4
Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН(СПбФ ИО РАН), Санкт-Петербург 2Российский государственный гидрометеорологический университет, Санкт-Петербург 3Institut français de recherche pour l'exploitation de la mer (IFREMER), Brest, France
4OceanDataLab, Brest, France * E-mail: zimin2@mail.ru Поступила в редакцию 26.06.2013 г.
Представлены результаты изучения короткопериодных внутренних волн на границе Бассейна и Горла Белого моря по данным контактных наблюдений и спутниковых радиолокационных (РЛ) снимков в период с 29 июля по 2 августа 2012 г. Прямые измерения позволили получить информацию об изменчивости термохалинных и динамических характеристик в ходе двух полусуточных приливных периодов, а оперативные спутниковые данные высокого разрешения дали информацию о пространственной картине поверхностных проявлений гидродинамических процессов в морской среде в районе суточного полигона, а также в южной части Горла Белого моря. Совместный анализ контактных и спутниковых данных в районе полигона позволил идентифицировать наблюдаемые на РЛ-снимках структуры как проходящие через точку наблюдений внутренние волны с высотами 2—4 м, длинами 200—300 м и периодами 9—12 мин. Пространственная картина поверхностных проявлений внутренних волн и гидрологические разрезы в южной части Горла указывают на районы интенсивной генерации внутренних волн, к которым можно отнести области структурного и стокового тер-мохалинных фронтов. Обсуждается связь наблюдаемых внутренних волн и их поверхностных проявлений с приливной динамикой в регионе.
Ключевые слова: короткопериодные внутренние волны, контактные измерения, спутниковые радиолокационные данные, проявления на поверхности моря, прилив, Белое море
Б01: 10.7868/80205961414030087
ВВВЕДЕНИЕ
Основные сведения о характеристиках короткопериодных внутренних волн (ВВ) в Белом море базируются на результатах контактных наблюдений (Серебряный и др., 2009; Зимин, 2012, 2013). В этих работах показано, что характеристики ВВ существенно отличаются на различных по характеру стратификации вод и рельефа дна участках шельфа. Даже не обрушаясь, короткопериодные ВВ приводят к большой изменчивости гидрологических характеристик, с чем и связана важность их изучения в интересах подводного мореплавания и строительства (Родионов и др., 2012). Установлено (Зимин, 2013), что в отдельных районах моря они имеют характеристики интенсивных внутренних волн (ИВВ), которые обладают значительной нелинейностью: их высота может достигать половины глубины моря, а период составляет десятки минут. Обнаружен участок шельфа, на котором ИВ В наблюдаются каждый прилив-
ной цикл и вносят значительный вклад в перемешивание вод. Они являются звеном передачи энергии от приливов к турбулентному перемешиванию и, следовательно, играют важную роль в формировании структуры вод и поддержании жизнедеятельности морских экосистем.
Однако проводимые ранее эксперименты в Белом море выполнялись непродолжительное время и охватывали весьма ограниченные акватории. В итоге, на сегодняшний день отсутствует четкое представление о том, насколько коротко-периодные ВВ распространены в Белом море, и где их вклад в вертикальный обмен наиболее значим. Кроме того, выбор районов для проведения исследований (Зимин, 2012, 2013) обосновывался только с учетом результатов численного моделирования ВВ приливного периода, не позволяющего в настоящее время адекватно описать коротковолновую часть спектра ВВ (Семенов, Лунева, 1995; Каган, Тимофеев, 2005).
Использование спутниковых дистанционных методов для изучения процессов генерации, распространения и диссипации внутренних волн различного происхождения получило в последние годы широкое распространение (Сабинин, Серебряный 2007; Бондур и др., 2008; Козлов и др., 2010; Лаврова и др., 2011; Liu et al., 1998; Дубина, Митник, 2007). Эти методы могут значительно расширить представление о распространенности ВВ в приливном Белом море. Большое количество публикаций было посвящено анализу проявлений (сигнатур) на поверхности моря, которые возникают при трансформации и распаде длинных внутренних приливных волн в акваториях, где баротроп-ный прилив взаимодействует с топографией при наличии плотностных неоднородностей. Как правило, эта трансформация сопровождается возникновением солитонов и пакетов более коротких волн, которые могут наблюдаться в спутниковых снимках в виде квазипараллельных структур дугообразной формы, распространяющихся из очагов генерации ВВ (Бондур и др., 2008; Серебряный, 2012а, 2012б). Однако интерпретация поверхностных проявлений ВВ в районах со сложной топографией и взаимодействием различных физических процессов часто бывает затруднительной, и для анализа процессов, протекающих внутри водной толщи, требуется привлечение данных контактных измерений. Наиболее часто поверхностные проявления ВВ на спутниковых РЛ-изображениях отображаются в виде чередующихся светлых и темных полос, связанных с усилением/ослаблением обратного рассеяния радиоволн в зонах конвергенции/дивергенции поверхностных течений (Apel et al., 1975). На поверхности моря в этот момент исследователь может наблюдать полосы ряби, толчеи или сулоя, чередующиеся с выглаженными участками поверхности или сликами. Для Белого моря подобные поверхностные явления отмечались часто (Федоров, Гинзбург, 1986), но ранее они связывались с взаимодействием разнонаправленных течений или приливного течения с неровностями дна, а также с фронтами различного происхождения (Серебряный, 2012б).
Представление об особенностях проявлений короткопериодных ВВ в акватории Белого моря было получено совсем недавно по результатам обработки РЛ-изображений ENVISAT ASAR (Зимин и др. 2012а; Kozlov et al., 2014). На основании спутниковых наблюдений в период с мая по сентябрь 2010 г. были получены предпосылки для районирования акватории моря по характеру проявлений короткопериодных ВВ. Были выделены зоны частой регистрации волн: мелководные районы шельфа с глубинами 30—50 м, участки вблизи проливных зон с двухслойной страти-
фикацией вод. Стоит отметить, что наибольшее количество проявлений короткопериодных ВВ выявлено около фронта Двинского течения, образуемого пресным стоком р. Северная Двина на границе между Бассейном и Горлом. Однако по данным только РЛ-изображений нельзя получить сведений об амплитудах и периодах ВВ, и соответственно неизвестно, какие ВВ находят свое отражение в спутниковых данных.
Для расширения существующих представлений о характеристиках короткопериодных ВВ в Белом море летом 2012 г. был выполнен комплексный эксперимент (Зимин и др., 2012б). Он проводился на границе Горла и Бассейна и включал одновременные судовые и спутниковые наблюдения. Основные задачи работы заключались в описании по данным контактных измерений характеристик короткопериодных внутренних волн в течение приливного цикла, соответствующего гармонике М2 (период Т ~ 12.42 ч), а также в оценке пространственно-временной изменчивости характеристик ВВ на основе спутниковых снимков радиолокаторов с синтезированной апертурой (РСА), получаемых в оперативном режиме, и в сопоставлении результатов разнородных наблюдений.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Контактные данные
Экспедиционные работы в районе границы Горла и Бассейна Белого моря выполнялись с борта НИС "Эколог" в период с 29 июля по 1 августа 2012 г. Они включали измерения на двух гидрологических разрезах и полигоне (рис. 1). Разрез от Терского берега к Зимнему берегу на рис. 1 обозначен кружками. Он выполнялся дважды. Разрез вдоль Зимнего берега обозначен звездочками. Гидрологические станции на полигоне обозначены треугольникам. Исследования на полигоне выполнялись с 31 июля до 1 августа 2012 г., а его местоположение выбиралось по результатам экспресс-анализа данных, полученных в предшествующие дни, со спутника RADARSAT-1. Они включали мелкомасштабную океанографическую съемку и постановку полигона из трех буйковых станций (северной, южной и центральной). Станции располагались в виде треугольника, вытянутого с севера на юг, ближе всего к центру полигона располагалась станция (заякоренное судно) с координатами 65°30' с.ш. и 39°25' в.д.; расстояние от нее до южной станции составляло 1.8 км, а до северной — 2.3 км. Продолжительность наблюдений составляла около суток, что позволяло охватить два приливных цикла гармоники М2. Гидрометеорологические условия во время выполнения работ на полигоне характеризовались слабым ветром
с.ш.
в.д.
Рис. 1. Карта Белого моря (а) и схема района работ, совмещенная с картой глубин (б). Рамками обозначено положение РЛИ, полученных в разные моменты времени: 1 и 2 — снимки от 29.07.2012, 18:45 мск (КАОАК5АТ-2), 3 — 31.07.2012, 18:35 мск (RADARSAT-1), 4 - 01.08.2012, 08:14 мск (RADARSAT-1), 5 - 01.08.2012, 18:58 мск (RADARSAT-2). Кружки, звездочки и треугольники обозначают точки гидрологических станций.
2—7 м/с переменного направления и волнением моря до 1 балла.
На южной и северной станциях были размещены доплеровские профилографы течений ADP SonTek-500 (США) и ADCP WHS-300 (США), оснащенные также датчиками давления и придонной температуры. Дискретность измерений составляла 2 мин. В центральной части полигона на горизонтах 9, 12, 15, 18, 21, 24 м с помощью электромагнитных измерителей JFE Alec (Япония) определялись скорость и направление течений, а также температура с дискретностью две минуты. В этой же точке с борта судна выполня-
лось непрерывное (насколько позволяли технические возможности) сканирование водной толщи от поверхности до дна зондом СТЭ90М (США). Один "спуск" и "подъем" зонда занимал 1-2 мин. Общее время сканирования составило около 23 ч. По данным сканирований определялась временная изменчивость по вертикали температуры и солености, затем после расчета плотности
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.