ОКЕАНОЛОГИЯ, 2004, том 44, № 2, с. 305-312
ПРИБОРЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
УДК 551.465
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОЛЩИНЫ РЕЧНОГО ПОТОКА НА ПРИУСТЬЕВОМ ВЗМОРЬЕ ПО ИЗМЕРЕНИЯМ ДОПЛЕРОВСКОГО ВЫСОКОЧАСТОТНОГО РАДАРА
© 2004 г. Д. В. Ивонин1, П. Брош2
1Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва, Россия 2Университет г. Тулон и департамента Вар, Франция Поступила в редакцию 12.03.2003 г.
По результатам дистанционных измерений одночастотным доплеровским радаром метрового диапазона (45 МГц) на площади 5 х 5 кв. км восстановлена толщина речного потока, растекающегося на приустьевом взморье по поверхности моря тонким однородным слоем. Для измерений применялся новый дистанционный метод, использующий пики первого и второго порядка доплеровского спектра радиосигнала, отраженного морем. Согласно дистанционным измерениям толщина пресного слоя менялась в диапазоне от 30 до 60 см, что хорошо согласуется с контактными измерениями профиля скорости течения и гидрологическими измерениями профиля проводимости.
ВВЕДЕНИЕ
Изучение динамики тонкого приповерхностного слоя океана крайне важно для решения многих практических задач. В последнее время интенсивно проводятся разносторонние теоретические и экспериментальные исследования в рамках этой проблемы. Результаты таких исследований, приведенные в работах [2-5, 7, 9-12], показывают возможность применения дистанционных методов на базе высокочастотных (ВЧ) доплеровских радаров (диапазон 10-50 МГц) для измерений скорости и вертикальной структуры приповерхностного слоя. В отличие от контактных методов (измерения в одной точке), дистанционные методы позволяют проводить измерения практически одновременно на площадях до нескольких тысяч квадратных километров.
Доплеровские радары, работающие только на одной частоте, используются, в основном, для измерения скорости поверхностного течения [5, 10] и для восстановления спектра морского волнения [14]. Пространственная дискретность измерений при этом обычно составляет около одного квадратного километра, а точность измерений скорости течения зависит от рабочей частоты радара и колеблется от величины 5 см/с при использовании частоты 7 МГц до 1 см/с при 50 МГц.
Строго говоря, радиолокационные измерения позволяют оценить не саму скорость течения, а величину изменения фазовой скорости поверхностных гравитационных волн из-за их взаимодействия с приповерхностным течением. Эта величина зависит от вертикального профиля скорости течения и длины поверхностной волны, рассеивающей радиосигнал. Поверхностная волна осред-
няет течение по глубине проникновения волновых движений под морскую поверхность. Волновые движения, вызванные более длинными волнами, проникают больше вглубь, поэтому более длинные волны "чувствуют" течение на большей глубине, а более короткие - на меньшей. Для интерпретации радиолокационных измерений скорости течения часто используются две следующие модели вертикального профиля течения: первая предполагает линейный профиль (тогда измеренную радаром величину скорости принимают равной скорости течения на глубине около 4% длины радиоволны радара [7, 10]), вторая -логарифмический (тогда измеренную радаром величину скорости принимают равной скорости течения на глубине около 2% длины радиоволны [7]). Таким образом, радары, работающие одновременно на нескольких различных частотах, позволяют оценить вертикальную изменчивость скорости течения в рамках той или иной модели профиля [4, 7, 10, 11].
Задача о восстановлении самого вертикального профиля скорости течения по радиолокационным измерениям, строго говоря, математически некорректна. Априорные предположения о виде профиля не всегда помогают разрешить эту проблему. Так, в работе [7] был сделан вывод, что данных четырех-частотного радара (который позволяет измерить четыре значения доплеров-ской скорости) недостаточно для восстановления вертикального профиля скорости. Еще одним существенным ограничением в упомянутых выше работах являлись большие ошибки измерения доплеровских скоростей (от 5 до 7 см/с [6]), сравнимые с разностью скоростей течения, измеренных на соседних горизонтах (от 0 до 10 см/с).
Идея многочастотного зондирования вертикального профиля скорости была развита в работе [9], где впервые для этого было предложено применить обычный одночастотный радар. Предложенный новый подход зондирования основывается на использовании пиков второго порядка до-плеровского спектра радара (пик 2 на рис. 1а). Дополнительная информация о скорости течения при этом получается не путем использования дополнительных частот радара, а с помощью доплеров-ских пиков, даваемых другими компонентами поля поверхностных волн. Поскольку эти волновые компоненты имеют другие длины, то они позволяют получить оценки скорости течения, осред-ненные по другим вертикальным масштабам. Таким образом, идея многочастотного зондирования может быть технически реализована с помощью существенно более простых и дешевых одночастотных радаров. Ранее второй порядок спектра использовался только для восстановления направленного спектра морского волнения [14], а пики высших порядков вообще не использовались, т.к. они считались непригодными для измерений течения.
В работе [9] удалось использовать одночастотный радар для зондирования скорости течения на двух, иногда трех глубинах, что соответствует использованию 2-3-х частот многочастотного радара. На площади около 200 кв. км были построены карты доплеровских скоростей течения, отвечающих скоростям течения, осредненным по глубинам 0-25 и 0-50 см. Точность измерений оценивалась как 1-2 см/с при разности скоростей в слоях более 10 см/с. Измерения на двух горизонтах не могли быть использованы для восстановления профиля течения в исследуемой акватории из-за сложной картины циркуляции, однако поведение доплеровских скоростей качественно отражало черты этой циркуляции (убывание течения с глубиной, преимущественное направление речного стока, ветровое дрейфовое течение вне области речного стока и т.п.).
Результаты цитированных выше работ показывают, что априорные данные о приповерхностном течении, или, иными словами, модель поля течения определяют существенным образом успех решения обратной задачи восстановления поля скорости по данным дистанционного зондирования. Применение различных моделей профиля течения - модели Экмана [1, 13], модели Мадсена, модели волнового лагранжева переноса - обсуждалось в работе [4]. Основной сложностью при выборе модели является сосуществование сразу нескольких типов движений (инерционных и ветровых, стока рек), поэтому относительно простые "тестовые" ситуации, когда определенно доминирует один из типов движений, представляют особый интерес. Эстуарии рек представляют со-
бой очень удобный полигон для таких тестовых задач.
В настоящей работе рассмотрена такая простая "тестовая" ситуация. Ниже будут представлены результаты дистанционных и контактных
измерений толщины потока (плюма1) р. Рона на взморье. Многочисленные измерения в этом районе показали, что пресные воды р. Рона распространяются тонким однородным слоем по поверхности морской воды. Таким образом, если нет влияния других сильных факторов, таких как ветер и приливы, то вертикальная структура течения определяется целиком рекой. Это позволяет использовать простую ступенчатую модель для апп-рокимации профиля скорости течения, которая физически достоверна и отвечает техническим возможностям измерительного метода. Эта модель описывается всего двумя параметрами, а именно, скоростью плюма и его толщиной.
УСЛОВИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА
Эксперимент проводился в феврале 2000 г. вблизи места впадения р. Рона в Средиземное море (рис. 2а). Этот район очень хорошо изучен, здесь велась долговременная программа мониторинга плюма р. Рона, а также проводились разнообразные исследования взаимодействия океана и атмосферы [3-5]. Результаты исследований показали, что в районе дельты р. Рона наблюдаются течения с самыми разнообразными вертикальными профилями скорости: от течений с сильным вертикальным сдвигом, когда пресные воды р. Рона распространяются тонким слоем толщиной от 0.5 до 1.0 м со скоростью 1 м/с, до относительно слабых ветровых течений со скоростью 25 см/с и вертикальным масштабом порядка 25 м [4].
Эксперимент 2000 г. длился 6 дней, с 31 января по 5 февраля. В течение этого времени погодные условия позволяли наблюдать как преимущественно ветровые течения, так и течения, обусловленные преимущественно речным стоком. Для цели этой работы - наблюдения преимущественно речного стока - были подходящими измерения, выполненные 2 февраля 2000 г. В этот день дул слабый ветер со скоростью 1-2 м/с, постепенно меняющий свое направление от северного утром, к западному днем, и к южному вечером. Основная масса речного плюма распространялась с севера на юг со скоростью 50-60 см/с, часть пресных вод растекалась тонким слоем к востоку со скоростью 10-30 см/с (рис. 2а). На западе при углах больше 60° и расстоянии больше 5 км от радара влияния плюма не обнаруживалось и скорость течения была равна нулю, что подтверждает
1 Этот термин часто используется в литературе при описании растекания пресных вод на устьевом взморье и в дальнейшем будет использован в работе.
Мощность, дБ 0
(а)
-60
Угол, град. -40
-20 0 20 40 60 80
Угол, град. -40-20020406080-
0 (б)
Мощность, дБ 0
10 15 20 I 25 30 35 40
1.5 -1.0 -0.5 0 0.5 1.0 Доплеровская частота (безразмерная)
Мощность, дБ 0
10
I 15
20
25
30
35
40
Рис. 1. Доплеровский спектр сигнала для расстояния 3.4 км и направления 40° (а) (сечение двумерного спектра, представленного на (б)). Двумерные доплеровские спектры, полученные для расстояний 3.4 км (б) и 5.5 км (в) от радара. 1 - первый пик; 1с - первый пик для сигнала, пришедшего со стороны северного залива; 2 - второй пик; 3 - пик доминантных волн спектра; 4 - сигнал из-за бокового лепестка радара. Штриховые и пунктирные линии обозначают положения первых и вторых пиков без течения.
Рис. 2. Поля эффективных скоростей течения и (а) и и2 (б) для 02.02.2000 г. Модель пресного слоя (в). Толщина слоя речных вод к (г) и скорость их распространения и0 (д).
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.