ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2013, № 3, с. 13-21
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ О ЗЕМЛЕ
ПАРАМЕТРЫ ПРИДОННОЙ ДИНАМИКИ ПРИБРЕЖНОЙ ЗОНЫ ПО ДАННЫМ КОСМИЧЕСКИХ СЪЕМОК ОПТИЧЕСКИМИ СКАНЕРАМИ
© 2013 г. В. М. Кушнир
Морской гидрофизический институт НАНУкраины, Севастополь E-mail: kushnirv@yahoo.com Поступила в редакцию 06.06.2012 г.
Рассмотрена возможность определения параметров придонной динамики прибрежных зон западного побережья Крыма. Использованы показания оптических сканеров системы MODIS на длинах волн 645 и 858.5 нм с пространственным разрешением 250 м. Учет атмосферы выполнен на основе анализа оптических контрастов прибрежной зоны и зоны прозрачных морских вод за ее пределами. В качестве безразмерных динамических параметров прибрежной зоны использованы числа Шильд-са. Показано, что основные особенности пространственной структуры чисел Шильдса, по данным космических съемок и модельных расчетов в целом соответствуют друг другу.
Ключевые слова: прибрежная зона, концентрация взвеси, оптические сканеры, числа Шильдса
Б01: 10.7868/80205961413030020
ВВЕДЕНИЕ
Динамические процессы в прибрежной зоне моря характеризуются сложным взаимодействием прибрежных течений и поверхностных волн с морским дном. Это взаимодействие проявляется в деформации профилей пришедших на мелководье поверхностных волн, усилении нелинейных волновых эффектов и формировании турбулентного пограничного слоя под действием вертикальных перепадов волновых и квази-постоян-ных скоростей относительно дна. Турбулентные напряжения на поверхности дна приводят к перемещению донного грунта и формированию профилей взвешенных частиц. В результате при усилении транспорта донного материала образуются зоны размыва, при ослаблении — области осаждения частиц грунта и образование отмелей. Указанные сложные литодинамические процессы имеют большое практическое значение. Это касается навигации в мелководных районах (образование отмелей), укрепления прибрежной зоны (динамика пляжей), решения практически всех проблем морского строительства, а также освоения энергетических ресурсов мелководных районов (размыва опорных оснований буровых платформ, терминалов, подводных трубопроводов и других океано-технических установок).
Литодинамические эффекты активно проявляются в прибрежных морских зонах на глубинах порядка десятка метров и на космических съемках морской поверхности в виде объектов с увеличением уровня восходящего излучения в види-
мом и ИК-диапазонах спектра (Карабашев и др. 2009; Карабашев, Евдошенко, 2011). Активные проявления литодинамических процессов наблюдаются в Керченском проливе (размыв о. Коса Туз-ла и образование новых отмелей), на западном побережье Крымского п-ова (изменчивость конфигураций евпаторийских пляжей, промоина в Бакальской косе шириной свыше 600 м и глубиной 3—4 м), а также в других прибрежных районах, где на дне преобладает песок (Кушнир, Бердников, 2010; Ломакин и др., 2008; Спиридонова, 2007).
Интенсивность литодинамических процессов, влияющих на изменчивость рельефа дна, резко усиливается при штормах. С другой стороны, особенностью таких процессов является интегральный эффект их постепенного развития при умеренных гидрометеорологических условиях.
Традиционные методы изучения литодинами-ческих процессов основаны на повторяющихся батиметрических съемках конкретного района и проведении комплексных геологических изысканий. Выполнение таких работ связано со значительными финансовыми затратами, а возможность их выполнения сильно зависит от погодных условий. Поэтому разработка новых технологий литодина-мических исследований прибрежных зон является актуальной научно-технической проблемой.
В настоящее время имеются следующие предпосылки для ее решения:
— спутниковые методы измерения яркости восходящего излучения в оптическом (0.4—0.7 мкм) и
ИК-диапазонах, скорости приводного ветра, высот волн 3%-ной обеспеченности;
— численные методы расчета полей поверхностных волн, течений и параметров удельного транспорта донного материала (Иванов, Михи-нов, 1991; Иванов и др., 2010);
— разработки специализированной измерительной аппаратуры "Донная станция" для исследований динамики придонных процессов (Дыкман и др., 2012; Маньковская, Маньковский, 2008; Иванов и др. 2006).
Эти возможности использованы в настоящей работе для создания технологии дистанционного определения параметров придонной динамики, которые влияют на интенсивность литодинами-ческих процессов в прибрежных зонах.
В качестве конкретного примера рассмотрен участок западного побережья Крыма вблизи Ба-кальской косы (Каркинитский залив). В этом районе с 21 по 25 июня 2011 г. проводились измерения характеристик придонной динамики комплексом "Донная станция" (Иванов и др., 2006; Дыкман и др., 2012). Результаты этих измерений были обработаны в комплексе с данными космических съемок МОЭК с пространственным разрешением 250 м. При этих съемках в пределах одного изображения получены характеристики взмученных прибрежных вод и прилегающих глубоководных вод с относительно высокой прозрачностью. С учетом сложной конфигурации береговой линии и рельефа дна выполнено численное моделирование параметров поверхностных волн и течений. Эти комплексные данные стали основой для обоснования методов дистанционных оценок параметров динамики придонного слоя.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
В настоящей работе использованы данные космических съемок МОЭК от 21—25 июня 2011 г. территорий западного побережья Крыма, Карки-нитский залив (северо-западная часть Черного моря). В этот период на Бакальской косе работала экспедиция Морского гидрофизического института Национальной академии наук Украины (МГИ НАНУ), выполняющая измерения характеристик придонной динамики комплексом "Донная станция", созданным в МГИ (Иванов и др., 2006). В его состав входят трехкомпонент-ный измеритель пульсаций вектора скорости течения и среднего значения его горизонтальных составляющих, ловушки взвешенного донного материала с дистанционным считыванием данных, лазерный прозрачномер для определений концентрации взвеси и среднего размера частиц донного материала. Измерения пульсаций вектора скорости течения выполнены малогабаритным трехкомпонентным электромагнитным дат-
чиком, установленным неподвижно в специальной раме на расстоянии 0.25 м от поверхности морского дна. Частота измерений равна 100 Гц, данные в виде физических величин пульсаций скорости течения вводятся непосредственно в память персонального компьютера по кабельной линии связи. Серии измерений выполнялись на расстоянии 10—15 м от берега на глубине около 1.5 м. Так как характерный период поверхностных волн был равен 2.2—2.7 с, а длины анализируемых рядов составляли 20000 отсчетов (200 с), обеспечивалась высокая статистическая достоверность спектральных характеристик волновых возмущений и индуцированной турбулентности в диапазоне частот от 0.1 до 50 Гц (число степеней свободы при оценке спектров было равно 60).
Спектральная обработка данных измерений пульсаций скорости течения показала, что на периодах 2.2—2.7 с находится основной пик спектра волновых возмущений. В диапазоне частот от
0.37—0.45 до 1 Гц наклон спектра S(f) к f "5, при
увеличении частоты до 10—15 Гц S(f) ж f , что соответствует диапазону мелкомасштабной турбулентности (об этом свидетельствуют структура спектров когерентности и фазы горизонтальных и вертикальной составляющих пульсаций скорости, а также модельные оценки (Дыкман и др., 2012)). Анализ спектральных характеристик пульсаций скорости течений показал, что при наблюдавшейся средней скорости ветра 7—8 м/с в прибрежной зоне формируется сложная динамика поля скорости течения. Ее основными составляющими являются нелинейные поверхностные волны Стокса и мелкомасштабная турбулентность, индуцированная этими волнами. Расчеты параметров нелинейных волн, выполненные по модели пятого порядка (Skjelbreia, Hendrickson, 1961), показали, что амплитуда первой гармоники волновой скорости по данным измерений соответствует модельным расчетам с относительным расхождением не более 10%. Амплитуда второй и третьей гармоник волновой скорости на расстоянии от дна 0.25 м значительно меньше амплитуды турбулентных пульсаций на этих же частотах.
В диапазоне частот от 1 до 12—15 Гц спектры пульсаций скорости относятся к диапазону мелкомасштабной турбулентности. Оценки скорости диссипации и микромасштаба турбулентности выполнены по известным соотношениям (Монин, Озмидов, 1981). По данным экспериментальных спектров пульсаций скорости течения выполнена оценка динамической скорости (скорости трения) на дне и турбулентных напряжений, под действием которых происходит перемещение и взмучивание донного материала — формирование профилей взвеси. Обычно аналогичные оценки находят на основе полуэмпирических моделей. Выполненные расчеты для шести моделей (Кушнир, 2005,
Дыкман и др., 2012) показали, что наиболее близкими к экспериментальным данным являются оценки по модели, использованной в работе (Иванова, Михинова, 1991). Эта модель использована ниже для независимых оценок параметров придонной динамики.
Измерения, выполненные лазерным прозрач-номером на расстоянии 0.25 м от поверхности песчаного дна, показали, что концентрация взвешенных частиц грунта сильно зависела от погодных условий. При этом оценки среднего размера частиц песка при наблюдаемой скорости ветра 7— 8 м/с изменялись в пределах от 0.16 до 0.18 мм.
Таким образом, данные измерений комплексом "Донная станция" были использованы:
— для контроля соответствия измеренных и вычисленных характерных периодов и амплитуд поверхностных волн;
— для выбора необходимой эмпирической модели расчета придонного трения;
— для определения среднего размера частиц донного грунта.
При несоответствии измеренных и вычисленных периодов поверхностных волн в МГИ отработана методика необходимой корректировка параметров модели SWAN (Иванов и др., 2010).
Для расчета параметров динамики придонного слоя в общем случае необходимы результаты гранулометрического анализа. Специальные исследования такого типа в районе исследований не проводились. В связи с этим ис
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.