ОКЕАНОЛОГИЯ, 2004, том 44, № 1, с. 62-69
= ФИЗИКА МОРЯ
УДК 551.465
ПОДСПУТНИКОВЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ ЗА МЕЗОМАСШТАБНЫМИ ПРОЦЕССАМИ В ОКЕАНЕ МЕТОДОМ АКУСТИЧЕСКОГО
ЗОНДИРОВАНИЯ
© 2004 г. В. П. Шевцов1, М. Г. Алексанина2
Тихоокеанский океанологический институт ДВО РАН, Владивосток 2Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН, Владивосток Поступила в редакцию 06.06.2002 г., после доработки 05.05.2003 г.
Наблюдения за океаном из космоса, дополненные судовыми измерениями методом дистанционного акустического зондирования, позволяют получить существенно более полную информацию о синоптических и мезо-масштабных процессах, по сравнению с тем, что может дать каждый из этих методов по отдельности. Панорамные спутниковые данные в этом случае удачно дополняются сведениями о детальной глубинной структуре гидрофизических неоднородностей, интенсивности волновых процессов и процессов перемешивания, о распределении различных биологических объектов в океане и др. Результаты подспутниковых экспериментов свидетельствуют о том, что дистанционные космические и корабельные акустические средства наблюдений в комплексе могут служить основой для создания эффективной системы оперативного мониторинга за синоптическими, мезо- и микро-масштабными гидрофизическими и биологическими процессами в океане. В качестве постоянной сети сбора акустических данных при этом могут быть задействованы различные суда для попутных наблюдений, а непосредственно для измерений - использованы слегка модернизированные на месте штатные гидролокаторы и эхолоты.
Возможности экспериментального исследования высокочастотных гидрофизических процессов в океане, как и перспективы их мониторинга, вполне обоснованно связываются с развитием и широким использованием аэрокосмических средств наблюдений. Но, несмотря на множество несомненных методических достоинств, эти средства не могут полностью решить проблему сбора данных на должном уровне, поскольку ограничены лишь поверхностными проявлениями океанических процессов, в то время как непосредственные глубинные наблюдения для них недоступны. Очевидно, что без надлежащего сопровождения глубинными измерениями научная и практическая ценность спутниковой океанологической информации в значительной мере снижается.
Подспутниковые наблюдения за крупномасштабными явлениями ценою огромных затрат в принципе можно обеспечить традиционными методами с помощью специализированных экспедиций на судах, системы стационарных и дрейфующих буев, прибрежными наблюдениями и др. Но при этом в любом случае остается проблема "освещения" мезо- и микро-масштабных процессов, определяющих "погоду" океана. По нашему мнению, весьма полезными в этом отношении могут быть дистанционные акустические методы наблюдений, основанные на вертикальном зондировании водной толщи разночастотными сигналами. Они обеспечивают высокое пространственное разреше-
ние, обладают большой информативностью, оперативны в работе и, что очень важно, позволяют использовать для попутных наблюдений различные суда.
Полезная информация при таких измерениях представлена в сигналах, рассеянных в обратном направлении биологическими объектами, а также различными гидрофизическими неоднородно-стями, в том числе микроструктурой полей температуры и солености (скорости звука, плотности), их турбулентными пульсациями и др. Зоны активного перемешивания в океане за счет этого обретают значительный акустический контраст, т.е. в поле обратного рассеяния звука становятся "видимыми" внутренние волны, океанические фронты, мезо-масштабные и синоптические вихри и другие явления, которые являются также и традиционными объектами наблюдений из космоса [3, 4].
На рис. 1 в качестве примера показано, как неоднородности водной среды отображаются в акустических сигналах обратного рассеяния. В левой части рисунка представлены фрагменты эхо-грамм, зарегистрированных на двух разных станциях на частотах 19.5 и 135 кГц. Рядом приведены вертикальные профили уровня соответствующих сигналов рассеяния, принятых в моменты, указанные сверху темными треугольниками, согласованные по времени с сопутствующими зондированиями температуры и солености. Профили тем-
26.2
а, кг/м3 27.0 27.8
ст.2664
-1.0 0 0.5 град/м
200 H, м
(а)
(б)
(в)
ст.2668
50Jlll
100-1
150-
200 H, м
(г) (д)
а, кг/м3
26.2 27.0 27.8
—I-1-г~
-0.5 0 град/м -1-
0 2.0 T, °C
(а)
(б)
(в)
(г)
(д)
Рис. 1. Результаты синхронных акустических и гидрофизических измерений, выполненных на станциях 2664 и 2668 в 18-м рейсе НИС "Академик М.А. Лаврентьев" в Тихом океане. (а, б) - фрагменты эхолокационной записи на частотах 19.5 (а) и 135 кГц (б); (в, г) - вертикальные профили уровня сигнала обратного рассеяния звука тех же частот; (д) -вертикальные профили температуры (Т, °С), ее градиента (dT/dH) и плотности (а).
пературы, измеренные CTD-зондом фирмы "Neil Brown" с пространственным разрешением порядка 1 см, распределение ее локального градиента в слоях толщиной около 10 см и плотности приведены в правой части рисунка (рис. 1д). Видно, что различные неоднородности резко селектируются по частоте. На более высокой частоте (рис. 16, 1г) основной вклад в рассеяние вносят скопления мелких организмов типа зоопланктона, которые практически незаметны на низкой частоте (рис. 1а, 1в). Но зато здесь отчетливо выделяются тонкие слои со значительным акустическим кон-
трастом, которые представляют собой не что иное, как высокоградиентные прослойки, приуроченные, в основном, к границам инверсий, т.е. к областям, где условия благоприятны для развития процессов "двойной" диффузии (рис. 1в, 1д).
Опыт показывает, что акустический контраст подобных неоднородностей вполне достаточен для того, чтобы за активными областями с развитой микроструктурой в океане можно было наблюдать на ходу судна, в том числе - и с помощью серийно выпускаемой гидролокационной аппаратуры. На рис. 2 приведены результаты наблюде-
(а)
10 100
200
300 Глубина, м
10 100
200
300 Глубина, м
0 2 4
Г--^^г --Л* -с "Ч Зл.х, л, ^^
* *ч
ст. 2589
ст. 2590
(б)
0 1 2 3
1 и
--"а,5 ■ а £ Р у
-2 0 2 4
1-1 _^и
_____
«.IV I
ст. 2593
ст. 2594
-2 0 2 4
(в)
■ см
.и1, „Л г
-18 км —
«-18 км-
Рис. 2. Типичные результаты совместных измерений обратного рассеяния звука и температуры (Т, °С), полученные на разрезе протяженностью 15 миль на ходу (а), в процессе его гидрофизической съемки в обратном направлении (б) и повторного наблюдения на ходу в первоначальном направлении (в).
ний на разрезе протяженностью около 15 миль с типичными мезомасштабными неоднородностя-ми в виде фронтальных разделов на границах между разнородными водными массами. Вначале были проведены акустические измерения на ходу судна (рис. 2а). Затем на обратном галсе по возможности по тому же маршруту были выполнены зондирования температуры и солености на станциях через 3 мили (рис. 26). И после этого разрез был пройден еще раз с акустическими наблюдениями на полной скорости (рис. 2в).
Акустические данные, как видно на рис. 2, довольно подробно отображают структуру зарегистрированной фронтальной зоны с системой резко заглубляющихся фронтальных разделов на границах между разнородными водными массами. Но представлена она только в плоскости верти-
кального сечения. Для полноты же картины в интересах правильной интерпретации результатов измерений зачастую бывает необходима еще и горизонтальная панорама, которая собственно и составляет суть любых наблюдений за океаном из космоса. Можно поэтому ожидать, что совместное использование тех и других данных принесет качественно новые результаты, позволит расширить круг решаемых задач и повысить эффективность спутниковых наблюдений.
Справедливость такого утверждения можно проиллюстрировать результатами эксперимента, проведенного в 21-м рейсе НИС "Академик М.А. Лаврентьев". В Охотском море и прику-рильском районе Тихого океана выполнялась съемка, включающая глубинные зондирования температуры и солености, а также непрерывные
акустические наблюдения синхронно на двух частотах по всему маршруту следования судна. Судовые измерения сопровождались спутниковыми наблюдениями. Информация принималась с полярно-орбитальных метеорологических спутников Земли NOAA в режиме высокого разрешения HRPT в диапазоне 1.7 гГц в виде цифровых данных, которые обрабатывались на базе специального спутникового комплекса, созданного в Институте автоматики и процессов управления ДВО PAH (Владивосток) [2]. Перечень спутниковых данных, использованных в работе, приведен в таблице.
В процессе обработки, кроме одиночных ИК-изображений (рис. 3), строились карты поверхностной температуры с пространственным разрешением 1 км и оценивалась скорость поверхностных течений путем отслеживания характерных неоднородностей от одного изображения к другому. Отдельные серии последовательных снимков, кроме того, обрабатывались методом построения ориентированных текстур, позволяющим выделить и идентифицировать фронты, вихри, течения и другие процессы и явления по их проявлениям в поле температуры на свободной поверхности океана [1].
Использованные в работе цифровые изображения ин-фракрасного-ИК (теплового) диапазона спутников NOAA
Год/месяц/число Время по Гринвичу № спутника NOAA № витка
1994/08/05 05:19:51.48 11 0206
1994/08/05 07:00:56.82 11 0207
1994/08/05 08:54:53.98 12 6749
1994/08/13 21:32:55.14 12 6870
1994/08/15 22:30:16.98 12 6903
На рис. 4 приведена схема расположения разрезов и станций, пронумерованных в последовательности их выполнения. Здесь же представлена карта динамической топографии, построенная по результатам гидрологических измерений. Сопоставляемая часть этих измерений была выполнена в период с 10 по 20 августа 1994 г. Обобщенные же данные спутниковых наблюдений, максимально согласованные по времени с судовыми измерениями (с 5 по 15 августа 1994 г. (таблица)), показаны на рис. 5. Из сравнения видно, что результаты судовых и дистанционных наблюдений
48°
ИАПУ ДВО PAH 5.08.94 8:54:53 GR N26749 (4)
Рис. 3. ИК-изображение южной части Охотского моря по данным спутника КОАА-12 за 05.08.1994 г. (виток < 674
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.