ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ О ЗЕМЛЕ
ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ВОССТАНОВЛЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОЙ
ГЕОСТРОФИЧЕСКОЙ ЦИРКУЛЯЦИИ ЧЕРНОГО МОРЯ ПО ДАННЫМ СПУТНИКОВОЙ АЛЬТИМЕТРИИ НА ОСНОВЕ СОПОСТАВЛЕНИЯ С ДРИФТЕРНЫМИ ИЗМЕРЕНИЯМИ © 2013 г. А. А. Кубряков*, С. В. Станичный
Морской гидрофизический институт НАНУкраины, Севастополь *E-mail: arskubr@gmail.com Поступила в редакцию 19.07.2012 г.
Комбинированные измерения спутниковых альтиметров позволяют определять аномалии уровненной поверхности Черного моря на регулярной сетке с высоким пространственным разрешением, составляющим 1/8°. В работе по этим данным были восстановлены массивы полных геострофических скоростей течений в бассейне Черного моря, которые были сопоставлены с дрифтерными измерениями скоростей течений за 1999—2007 гг. Сопоставление было проведено как для всего массива дрифтерных измерений (~110000 измерений), так и для каждого дрифтера отдельно. Для восстановления скоростей были использованы два различных массива средней динамической топографии (СДТ): синтетическая и климатическая средняя динамическая топография. Результаты сопоставления показали, что использование синтетической СДТ предпочтительнее для расчета геострофических скоростей. Скорости, рассчитанные по данным спутниковой альтиметрии, с достаточно высокой степенью точности согласуются со скоростями, полученным по данным контактных измерений.
Ключевые слова: спутниковая альтиметрия, дрифтеры, валидация, циркуляция, высокое разрешение, Черное море
DOI: 10.7868/S0205961413020061
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время спутниковая альтиметрия является единственным средством исследования, позволяющим регулярно получать информацию о динамике Мирового океана и, в частности, бассейна Черного моря.
Современные спутниковые альтиметры определяют высоту морской поверхности с высокой точностью ~2 см (Cheney et al., 1994). Эти данные могут быть использованы для определения динамической топографии морской поверхности и расчета поверхностных геострофических скоростей течений в бассейне. Комбинированные измерения, полученные вдоль треков нескольких альтиметрических спутников, позволяют с помощью разработанных в (Le Traon et al., 2001; Pascual et al., 2006) алгоритмов восстанавливать аномалии уровня моря на регулярной сетке. Карты аномалии уровня доступны каждые семь дней (delayed time products) и имеют пространственное разрешение 1/3° для Мирового океана (http:// www.aviso.oceanobs.com/). Сравнительно недавно, благодаря работе французской компании CLS (Collecte Localisation Satellites), стали доступны
региональные массивы альтиметрических данных для районов Черного и Средиземного морей с более высоким пространственным разрешением 1/8°.
Однако для расчета полей геострофической циркуляции по этим данным необходимо перейти от альтиметрических аномалий уровня моря к полной динамической топографии морской поверхности. Для этого к аномалиям уровня необходимо прибавить поле средней динамической топографии (СДТ), представляющее собой осреднен-ное поле реального уровня за 1993—1999 гг. (Fu, Cazenave, 2001). Скорости течений, определяемые по данным альтиметрии, существенно зависят от используемой СДТ. Зачастую СДТ оказывается определяющим параметром при восстановлении реальных полей скорости (Hernandez et al., 2001).
Цель данной работы — оценка качества полей поверхностных геострофических скоростей Черного моря, восстановленных по данным альтиметрии с высоким пространственным разрешением, на основе сопоставления с результатами дрифтерных экспериментов и анализ вклада вли-
47 46 45
св
g 44
л s
Э 43 42 41 40
28
2008-10-15
У
0.22 0.20 0.18 0.16 0.14 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0
-0.02 -0.04 -0.06 -0.08 -0.10
30
32
34 36 Долгота
38
40
42
Рис. 1. Пример карты аномалий уровня, полученной по данным альтиметрии за 15.10.2008 г.
яния средней динамической топографии на качество воспроизведения этих полей.
Для решения поставленной задачи по альти-метрическим измерениям были рассчитаны поля поверхностной геострофической скорости течений в Черноморском бассейне за 1992-2010 гг. с пространственным разрешением 1/8° и временным - семь дней. При этом полная динамическая топография, необходимая для расчета, определялась с использованием двух различных полей СДТ - синтетической средней динамической топографии (ССДТ), полученной на основе комбинирования альтиметрических и контактных измерений в (Кубряков, Станичный, 2011), и климатической средней динамической топографии (КСДТ), восстановленной на основе модельного расчета с ассимиляцией данных гидрологических зондирований (Кныш и др., 2005).
В настоящее время существует несколько работ, в которых проводилась валидация альтимет-рических скоростей в различных районах Мирового океана: в работах (Rio, Hernandez, 2004; Rio et al., 2007) проводится сопоставление всего массива данных, полученных по измерениям дрифтеров для акватории Мирового океана; в работах (Ichikawa et al., 1995; Uchida et al., 1998) оценки качества сопоставления даются на основании измерений одного буя в районе Тихого океана. Однако для бассейна Черного моря, для которого пространственное разрешение картированных альтиметрических данных выше, чем в океанических бассейнах, таких работ выполнено не было. Валидация, выполненная в этой работе, позволит оценить качество восстанавливаемых по данным
альтиметрии скоростей в Черноморском бассейне и, кроме того, определить возможности использования альтиметрических данных с более высоким пространственным разрешением.
ВОССТАНОВЛЕНИЕ СКОРОСТИ ПО ДАННЫМ СПУТНИКОВОЙ АЛЬТИМЕТРИИ
Для расчета скоростей по данным спутниковой альтиметрии использовался массив аномалий уровня моря за 1992-2010 гг. на регулярной сетке, полученный по комбинированным вдольтреко-вым измерениям современных альтиметров со спутников Jason-1, Jason-2, Envisat, Topex/Posei-don, GFO (Le Traon et al., 2001; Pascual et al., 2006) (рис. 1). При создании массивов в исходные аль-тиметрические данные были введены традиционные для таких измерений коррекции (Fu, Ca-zenave, 2001).
В данной работе использовался региональный массив данных, разработанный в CLS специально для Черного моря. Его основным отличием от глобального массива является более высокое пространственное разрешение данных: региональные карты аномалий уровня для Черного моря имеют пространственное разрешение 1/8° по сравнению с 1/3° для глобальных карт (http:// www.aviso.oceanobs.com/). Временное разрешение картированных данных составляет семь дней (delayed time).
Абсолютная динамическая топография определялась как сумма аномалии уровня и средней динамической топографии. Как было указано вы-
о л S
47 46 45 44 43 42 41 40
0.18 0.16 0.14 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0
-0.02 -0.04 -0.06 -0.08 -0.10 -0.12
47 46 45 44 43 42 41 40
0.16 0.12 0.08 0.04 0
-0.04 -0.08 -0.12
28 30
32 34 36 Долгота
38 40 42
28 30
32 34 36 Долгота
38 40 42
Рис. 2. Средние динамические топографии Черного моря: а — синтетическая (ССДТ); б — климатическая (КСДТ).
б
тк 2008-07-30-00 0 45 ЛИй* 200
46 ^ ' ' '
45
44
43
42
41
0.45
0.40 46
0.35 45
0.30
0.25 44
0.20
0.15 43
0.10 42
0.05 41
28 30 32 34 36 38 40
28 30 32
Рис. 3. Поля скоростей, полученных по данным альтиметрии за 30.07.2008 г.: а использованием КСДТ.
34 36 38 40
с использованием ССДТ; б
с
ше, для анализа были использованы две различных СДТ:
1) средняя динамическая топография, восстановленная "синтетическим" методом на основе сопоставления данных SVP-дрифтеров, судовых гидрологических съемок и альтиметрических измерений (Кубряков, Станичный, 2011) (рис. 2а);
2) средняя динамическая топография, полученная при помощи модельного расчета климатической циркуляции с ассимиляцией гидрологических данных. Для расчета использовались трехмерная нелинейная модель циркуляции Черного моря, разработанная в Морском гидрофизическом институте, и климатический массив гидрологических съемок за период 1950-2004 гг. (Кныш и др., 2005) (рис. 2б).
Используя полученные массивы абсолютной динамической топографии, из уравнений геострофического баланса были рассчитаны поверхност-
ные скорости геострофических течений с временным разрешением семь дней на сетке 1/8° х 1/8°:
п =- g dh •
g ~~ f dy '
= g dh V fdx '
где и, ч& — геострофические скорости; g = 9.8 м/с — ускорение свободного падения; / = 10-4 с — параметр Кориолиса.
На рис. 3 изображен пример полей рассчитанных скоростей за 30 июля 2008 г. с использованием различных СДТ. Как видно из примера, полученные карты существенно отличаются друг от друга, особенно в терминах амплитуд течений. Более подробно эти различия будут рассмотрены несколько позже.
ДРИФТЕРНЫЕ ДАННЫЕ
Для валидации полученных полей течений использовались данные дрифтеров с 1999 по 2007 гг. Основным инструментом являлся 8УР-В-дриф-
св Н О
л 8
46 -
45 -
44 -
43
42
41
28
30
32
34 36 Долгота
38
40
Рис. 4. Траектории дрейфа 51 буя разных типов, развернутых в Черном море в период октябрь 1999-де-кабрь 2007 гг.
тер и его модификации (Мо1у2Иеу е! а1., 2000). Дрифтер имеет подводный парус с центром действия на глубине 15 м, сопротивление которого примерно в 40 раз больше, чем у связанного с ним поверхностного поплавка вместе с тросовой линией.
Спутники системы "Аргос" определяют местоположение дрифтера с разрешением не хуже нескольких десятков метров. На рис. 4 изображены траектории дрейфа этих буев.
Измерения покрывают практически всю акваторию Черного моря, наибольшая часть их находится на периферии в районе ОЧТ Исходное временное разрешение данных составляет 1—6 часов. Всего использовались данные 51 дрифтера, что соответствует более чем 110000 измерений скорости.
По данным о местоположении дрифтеров г(0 были вычислены полные скорости течений V:
V
(+1/2
П+1 - г
и+1 ^
Инерционная компонента скорости дрифтера были отфильтрована скользящим средним. Окно фильтра выбиралось так, чтобы оно совпадало с периодом инерционных колебаний в Черном море ~17 ч, определяющимся по формуле
Т = 12 +/8Шф,
где ф — широта (для Черного моря она находится в диапазоне 41°—48° с.ш.).
СОПОСТ
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.