ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ О ЗЕМЛЕ
МОНИТОРИНГ КОРОТКОПЕРИОДНЫХ ВНУТРЕННИХ ВОЛН
В БЕЛОМ МОРЕ
© 2015 г. А. В. Зимин1,2 *, И. Е. Козлов2, 3, О. А. Атаджанова2, Б. Шапрон2,4
Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН (Санкт-Петербургский филиал, СПбФ ИО РАН),
Санкт- Петербург
2Российский государственный гидрометеорологический университет, Санкт-Петербург 3Klaipeda University, Klaipeda, Lithuania 4Institut français de recherche pour l'exploitation de la mer (IFREMER), Brest, France
* E-mail: zimin2@mail.ru Поступила в редакцию 20.05.2014 г.
Впервые на основании многолетнего мониторинга (2009—2013 гг.) с использованием спутниковых и контактных наблюдений выявлено широкое распространение короткопериодных внутренних волн на акватории Белого моря и получены их статистические характеристики. Выделено два района постоянного существования короткопериодных волн: участок шельфа вблизи фронтальной зоны на границе Бассейна и Горла моря и мелководный район шельфа с глубинами 30—50 м около Соловецких о-вов. Вблизи фронтальных зон регулярно отмечаются интенсивные внутренние волны, обладающие значительной нелинейностью и привязанные к определенным фазам баротропного прилива. Их высота может достигать половины глубины моря, а периоды лежат в диапазоне 7—18 мин.
Ключевые слова: короткопериодные внутренние волны, мониторинг, контактные измерения, спутниковые радиолокационные изображения, статистические характеристики элементов волн, Белое море
Б01: 10.7868/80205961415030148
ВВЕДЕНИЕ
Белое море является одним из самых обособленных и наиболее изученных бассейнов Северного Ледовитого океана (Гидрометеорология..., 1991; Бабков, 1998; Филатов, Тержевик, 2007; Система., 2012). В нем определен состав водных масс, выявлена сезонная изменчивость вертикальной структуры вод, показана тесная связь изменчивости термохалинных полей с синоптическими и приливными явлениями. Мощные приливные процессы энергетически превосходят все остальные движения и создают доминирующие на акватории квазипериодические приливные течения. Одной из основных гармонических составляющих прилива является главная лунная полусуточная волна М2. Она имеет период, равный половине лунных суток (12 ч 24 мин), и соответственно две полные и две малые воды за лунные сутки. Под влиянием приливных течений в Белом море образуются внутренние волны (ВВ) полусуточного периода (Семенов, Лунева, 1996; Каган, Тимофеев, 2005). В районах генерации они имеют амплитуды до 10 м. Однако подробное описание особенностей гидрологических процессов и явлений на масштабах времени, меньших, чем цикл волны М2, до сих пор отсутствует (Роди-
онов и др., 2012). Примером такого малоизученного процесса являются короткопериодные внутренние волны (КВВ), которые часто образуются при распаде В В приливных периодов (Коняев, Сабинин, 1992).
Основные сведения о характеристиках КВВ в Белом море длительное время основывались на результатах непродолжительных контактных наблюдений (Серебряный и др., 2009; Зимин и др., 2009; Зимин, 2012, 2013; Зимин и др., 2013а). Были установлены различия ВВ, связываемые с особенностями вертикальной структуры вод, морфо-метрией дна и интенсивностью приливного потока. В глубоководной части Белого моря (Серебряный и др., 2009; Зимин, 2013) регистрировались колебания преимущественно небольших амплитуд. В районах, где сохранялась четко выраженная двухслойная структура вод, вблизи проливных зон КВВ характеризовались значительной высотой (Зимин, 2012) и соответствовали критериям интенсивных внутренних волн (ИВВ) (Сабинин, Серебряный, 2007). В ходе исследований 2010-2011 гг. (Зимин, 2012, 2013) был обнаружен участок шельфа, на котором ИВВ наблюдались каждый приливной цикл. Было показано, что они, даже не обрушаясь, значительно влияют на процессы вертикального обмена. Так как Бе-
51
4*
лое море является областью интенсивной диссипации приливной энергии в системе морей Североевропейского бассейна (Каган и др., 2013), представляется, что КВВ (и даже ИВВ) могут наблюдаться регулярно и вносить значительный вклад в перемешивание на обширных акваториях.
В прошедшие десятилетия значительное развитие получили методы исследования ВВ на основе анализа данных спутниковых радиолокационных изображений (РЛИ) (Дубина, Митник, 2007; Козлов и др., 2010; Лаврова и др., 2009, 2011а, 2011б). В последние годы данные спутниковой радиолокации стали применяться и для исследования пространственного распределения КВВ на акватории Белого моря (Зимин и др., 2013б, 2014; Козлов и др., 2014; Родионов и др., 2014; Ко21оу й а1., 2014). По результатам оперативного подспутникового эксперимента, выполненного летом 2012 г. (Зимин и др., 2014), установлено, что на РЛ-снимках при глубине залегания пикно-клина10—15 м находят свое отображение пакеты ВВ высотой 2—4 м. Обработка архива спутниковых РЛ-изображений за период с мая по сентябрь 2010 г. (Зимин и др., 2012) позволила впервые выявить области с различной распространенностью КВВ на акватории Белого моря и заложить основу для выбора типовых районов для проведения контактных наблюдений.
Качественный скачок в описании КВВ в Белом море возможно получить только по результатам комплексного мониторинга, сочетающего контактные (подробные и локальные) и спутниковые (более редкие, но охватывающие большую площадь акватории) наблюдения. Основной целью этих исследований является накопление фактических данных о параметрах ВВ различными методами. Ключевые задачи мониторинга: получить данные о пространственно-временном распределении проявлений КВВ в течение теплого сезона, определить их основные пространственные параметры по РЛИ, выделить типичные районы проявлений для проведения контактных наблюдений, по результатам которых описать подробно характеристики волн.
Обобщение новых данных позволит получить достоверные количественные представления о пространственно-временной изменчивости характеристик КВВ на акватории всего Белого моря и ее связи с приливными процессами.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Спутниковые наблюдения
Для изучения пространственно-временной изменчивости характеристик КВВ на всей акватории моря анализировались спутниковые изображения радиолокаторов с синтезированной апертурой (РСА) за теплый период (май—сен-
тябрь) 2009-2012 гг. За 2009-2011 гг. были использованы РЛ-данные Envisat ASAR в С-диапа-зоне и режимах съемки WSM (ширина полосы обзора — 400 км, с пространственным разрешением 150 х 150 м) и IMP (100 км и 25 х 25 м соответственно) при различной поляризации РЛ-сигнала. За 2012 г. были обработаны РЛ-снимки Radarsat-1 на ГГ-поляризации сигнала с пространственным разрешением 25 м в режиме съемки SGF (Path Image), а также РЛИ Radarsat-2 в режиме съемки Wide Fine Quad-Pol (Single Look Complex) на квадратичной поляризации РЛ-сигнала и с пространственным разрешением около 6 м. Спутниковые данные были получены из Европейского космического агентства и Французского института освоения и изучения моря (IFREMER), а также через Геопортал МГУ.
Всего был обработан 221 РЛ-снимок (2009 г. — 60, 2010 г. — 111, 2011 г. — 37, 2012 г. — 13). Распределение снимков по районам моря и по годам крайне неравномерно (рис. 1). В 2009 г. при равномерном покрытии акватории (рис. 1а) большинство снимков (55) получено в июне—августе, а в мае снимки отсутствовали. В 2010 г. количество снимков было самым равномерным и по пространству (рис. 1б), и по времени: на май пришлось 24 снимка, на июнь — 22, на июль — 22, на август — 24, на сентябрь — 19. В 2011 г. наибольшее число РЛИ относилось к маю и августу (14 и 11 снимков соответственно), а максимальное покрытие пришлось на Онежский залив (рис. 1в). Наблюдения 2012 г. охватывают крайне небольшой временной интервал (конец июля и первую половину августа) и локальные районы (рис. 1г) вероятного обнаружения внутренних волн (Зимин и др., 2014).
Если обобщить информацию за весь исследуемый период, практически для всех районов Белого моря частота покрытия акватории составила более 100 снимков. Процедура анализа изображений проводилась в два этапа на основе использования программного обеспечения (ПО) INTERWAVE (Козлов, Мясоедов, 2012). На первом этапе данные подвергались низкочастотной фильтрации, т.е. исключались пространственные вариации поля РЛ-сигнала на масштабах, существенно больших длины ВВ. После этой процедуры поверхностные проявления внутренних волн в РСА-снимках, становились "визуально" очевидными, и далее они картировались и подвергались количественному анализу. Определялись следующие характеристики ВВ: длина волнового пакета, количество волн в пакете, максимальная и минимальная длины волн в пакете, длинна гребня лидирующей волны и направление их распространения.
Контактные наблюдения
Контактные наблюдения выполнялись в июле—августе 2009—2013 гг. Измерения проводи-
67.5° с.ш.
66.5° 65.5° 64.5°
33
67.5° с.ш.
66.5 65.5 64.5
33°
30 25 20 15 10
45 40
35 66.5°
35°
37°
39°
41° в.д.
65.5°
64.5°
33 67.5° с.ш.
66.5° 65.5°
64.5° 33°
35°
37°
39°
65 60 55 50 45 40 35 30
6
5
4
3
2
1
0
41° в.д.
Рис. 1. Карты покрытия акватории Белого моря РЛИ за теплый период (май—сентябрь) по годам: 2009 (а), 2010 (б), 2011 (в), 2012 (г).
лись в Соловецких Салмах, Бассейне, Онежском заливе, Горле и Двинском заливе на 12 полигонах (рис. 2). Работы на полигоне № 1 повторялись ежегодно, положение остальных районов работ определялось особенностями вертикальной структуры вод и различной интенсивностью проявлений КВВ на поверхности океана по данным спутниковой радиолокации (Зимин и др., 2012). Наблюдения на каждом полигоне включали постановку автономных буйковых станций с приборами для проведения измерений на нескольких горизонтах и учащенные океанографические станции (сканирования) с заякоренного судна. Все работы выполнялись с привязкой данных к фазе приливных колебаний уровня и течений. Исследования осуществлялись в погодных условиях, определяемых преимущественно влиянием малоградиентного барического поля или антициклона. Волнение моря не превышало трех баллов, скорость ветра была менее 8 м/с.
На полигонах устанавливал
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.