ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2015, № 4, с. 25-29
== == ДИСТАНЦИОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ^^^^
ОКЕАНСКИХ ПРОЦЕССОВ В ПОЛЯРНЫХ РЕГИОНАХ
ПОЛЕ ВЕТРОВОГО ВОЛНЕНИЯ В АРКТИКЕ ПО ДАННЫМ СПУТНИКОВОЙ АЛЬТИМЕТРИИ © 2015 г. П. А. Голубкин1*, В. Н. Кудрявцев1, Б. Шапрон12
1 Российский государственный гидрометеорологический университет, Санкт-Петербург
21¥ВЕЫЕВ,, Брест, Франция *Е-шаП: pgolubkin@rshu.ru Поступила в редакцию 16.05.2014 г.
Представлены результаты исследования ветрового волнения в Карском, Лаптевых и Восточно-Сибирском морях по данным альтиметров Еп^аг КА-2 и БАКЛЬ/АШКа. Для анализа были отобраны полностью изолированные свободные ото льда области, что позволило исключить присутствие зыби и рассматривать только ветровое волнение. Для этих областей была создана база альтиметриче-ских измерений высот волн и скорости ветра за период 2002—2013 гг. Анализ данных проведен в терминах зависимости безразмерной высоты волн от безразмерной площади области моря свободной ото льда. Масштабирование высот волн и площади моря проведено с использованием измеренной скорости ветра и ускорения свободного падения. Полученные зависимости сопоставлены с известными эмпирическими зависимостями развития ветровых волн при ограниченных разгонах.
Ключевые слова: ветровые волны, Арктика, альтиметрические измерения высот волн и ветра, Ептаг КЛ-2, БЛКЛЬ/ЛШКа
DOI: 10.7868/S0205961415030045
ВВЕДЕНИЕ
Ледовый покров Северного Ледовитого океана рассматривается как один из важнейших индикаторов климатических изменений, а сокращение его площади связывается с глобальным потеплением (Stroeve et al., 2011; Comiso, 2012). Сокращение ледового покрова Арктических морей предоставляет не только новые возможности, в частности, для повышения эффективности судоходства по северному морскому пути, но и порождает новые проблемы. Увеличение площади морской поверхности, свободной ото льда, увеличивает роль ветровых волн в Арктическом бассейне. Рост наблюдаемых в регионе высот волн, обусловленный увеличением пространственных масштабов их генерации (разгона волн), несет в себе угрозу платформам по добыче углеводородов на континентальном шельфе, судам, идущим по Северному морскому пути или его участкам, а также береговым сооружениям, в том числе за счет увеличения скорости эрозии берега. Особую важность представляет и взаимодействие ветровых волн с морским льдом. При штормовых ветрах возможно развитие сильного волнения, способного разрушить лед и сместить границы кромки льда на тысячи километров, образовав тем самым положительную обратную связь, еще больше увеличив доступный для волн масштаб разгона. В частности, в районе Чукотского моря и моря Бофорта по
описанному сценарию в августе 2012 г. площадь ледового покрова сократилась на 106 км2 за четверо суток в результате ветровых волн, образовавшихся при прохождении через район двух циклонов (Parkinson, Comiso, 2013).
Однако, несмотря на несомненно важную роль, ветровые волны в Арктике изучены слабо, поскольку контактные измерения в этом регионе крайне ограничены ввиду его труднодоступности. Таким образом, единственными инструментами, обеспечивающими обширное пространственное покрытие и временное разрешение, являются спутниковые альтиметры. Именно на альтиметри-ческих измерениях и основывается данная работа.
ДАННЫЕ И МЕТОДЫ
В работе рассматриваются ветровые волны на свободных ото льда участках морской поверхности, принадлежащих одному из трех арктических морей — Карскому, Лаптевых или Восточно-Сибирскому. Для исключения влияния зыби анализируются только изолированные участки моря, площадь которых ограничена морским льдом или, частично, береговой линией. Такие участки были выбраны по полям концентрации льда, полученным по данным радиометров SSM/I и SSMIS, находящихся на спутниках DMSP F13 и F17 соответственно (http://nsidc.org/). На рис. 1 представлен пример исследуемой области за 18 июня 2013 г.,
26
ГОЛУБКИН и др.
+55'
+90°
Рис. 1. Пример исследуемой области за 18 июня 2013 г. Отмечены рассматриваемые участки моря, свободные ото льда. Более темным цветом (1) обозначено поле льда (концентрация >1%). Показаны значения высоты значимых волн по данным альтиметра АШКа. Обозначения на шкале соответствуют метрам.
на котором отображены три рассматриваемых свободных ото льда участка (два в море Лаптевых, один в Карском море), а также нанесены имеющиеся за соответствующие сутки данные по высоте значимых волн (далее — высота волн).
Оценки высот волн и скорости ветра получены по данным альтиметров ЯА-2 (установленного на спутнике Епу1ва1; http://globwave.ifremer.fr/) и АШКа (http://www.aviso.altimetry.fr/). Еще одним альтиметром, имеющим наклонение орбиты, близкое к 90°, и достигающим высоких широт, является Б1КАЬ на борту спутника С1уоБа^2. Однако в рассматриваемых нами регионах этот альтиметр переходит в режим радара синтезированной апертуры, при котором получение "стандартных продуктов" по высоте волн и скорости ветра невозможно. По этой причине данные с С1уоБа^2 в работе не используются. Данные ИА-2 доступны за период 2002—2012 гг. и все они были использованы в данной работе. АШКа является новым альтиметром (запущен 25 февраля 2013 г. на борту спутника БАЯАЬ), поэтому данные с этого спутника ограничены периодом за 2013 г.
АШКа представляет собой первый спутниковый альтиметр, работающий в Ка-диапазоне (длина радиоволн около 8 мм). За счет этого достигается преимущество в пространственном разрешении измерений и в точности определения высоты уровня моря. Недостатком же измерений
в Ка-диапазоне является сильная зависимость измерений от водяного пара и жидкокапельной влаги. В распространяемых стандартных продуктах скорость ветра по измерениям AltiKa рассчитывается по алгоритму, созданному для Ku-диапазона (в котором спутниковые альтиметры работали, начиная еще с 1970-х гг.). Как показано в работе (Lillibridge et al., 2014), использование этого алгоритма приводит к существенным завышениям восстановленной скорости ветра. Для получения достоверных значений скорости ветра, в данной работе измерения УЭПР морской поверхности альтиметром AltiKa были пересчитаны в скорость ветра с использованием эмпирических моделей ослабления и отражений радиоволн в Ка-диапазо-не, предложенных в работе (Lillibridge et al., 2014).
На рис. 2 представлен пример данных альти-метрических измерений скорости ветра и высот волн вдоль трасс, проходящих через два рассматриваемых участка площадью 106 и 2 х 104 км2 в море Лаптевых, показанных на рис. 1. На этом же рисунке приведен расчет высоты волн для полностью развитого ветрового волнения. Высота волн Hs, в этом случае определялась по классической формуле
gHjülo = 0.2,
где U10 — скорость ветра на высоте 10 м (Pierson, Moskowitz, 1964). Сопоставляя расчеты высот
Рис. 2. Пример альтиметрических измерений в рассматриваемых участках моря, свободных ото льда, площадью: а — 106 км2, б — 2 х 104 км2. Сплошной линией показана высота значимых волн, пунктирной линией — высота значимых волн для полностью развитого волнения, линия из точек обозначает скорость ветра. Значениям скорости ветра соответствует правая ось.
волн для развитого волнения с измерениями, можно отметить, что измеренные Н\ систематически ниже рассчитанных высот волн для полностью развитого волнения. Это показывает, что высоты ветровых волн существенно зависят от пространственного масштаба поверхности моря, свободной ото льда, и эта зависимость исследуется ниже на всем объеме собранных альтиметриче-ских измерений.
На рис. 3 данные альтиметрических измерений представлены в безразмерных переменных, следующих из теории подобия (1). Видно, что данные альтиметрических измерений, полученные в широком диапазоне изменений скорости ветра, площади моря, свободной ото льда и высот волн, эффективно группируются при их представлении в безразмерных переменных, демон-
РЕЗУЛЬТАТЫ
База данных за 2002—2013 гг. содержала 2152 набора измерений, включающих значения площади поверхности моря, свободной ото льда (по данным радиометров SSM/I и SSMIS), и значения высоты значимых волн и скорости ветра, усредненные по соответствующей области моря. Поскольку открытые ото льда области появлялись, начиная с апреля, в Карском, и, начиная с конца мая, в море Лаптевых и в Восточно-Сибирском море, база данных охватывает период с апреля по середину ноября, когда ледяной покров рассматриваемых морей становился сплошным. Анализ этих данных проводился в терминах теории подобия для развивающегося волнения, предложенной Китайгородским (Китайгородский, 1962)
H = f (l), (1)
где Ës = gHs/UiQ — безразмерная высота значимых волн; g — ускорение свободного падения; U10 —
скорость ветра; s = gS12 / U^ — безразмерный масштаб генерации волн, построенный на основе площади моря S, свободной ото льда; f (x) — универсальная функция, подлежащая определению.
Безразмерная энергия 10-2
10-3
10-
10-
10-
6_I_I.........I_I_L_i_
102
Ellouhaily et al.
----- Donelan et al.
----JONSWAP
• Komen et al. ■■■■■ Pierson Moskowitz
103
104 105 106
Безразмерная площадь
Рис. 3. Зависимость безразмерной энергии ветровых волн от безразмерной площади моря, свободной ото льда. Точки — данные альтиметрических измерений, линии — эмпирические зависимости, заимствованные из литературы (см. пояснения к кривым).
28
ГОЛУБКИН и др.
Безразмерная длина волны
101
100
10-
- Elfouhaily et al.
----- Donelan et al.
----JONSWAP
Komen et al. ■■■■■ Pierson Moskowitz
_i_i.........i_i_■ ■
102 103 104 105 106 Безразмерная площадь
Рис. 4. Зависимость безразмерной длины волны от безразмерной площади моря, свободной ото льда. Точки — оценки длин волн на основе альтиметриче-ских измерений высот волн, линии — эмпирические зависимости, заимствованные из литературы (см. пояснения к кривым).
стрируя при этом определенную зависимость безразмерных высот волн от безразмерной площади моря, на которой происходит генерация ветровых волн. При больших площадях, высоты волн находятся в соответствии с ожидаемыми значениями Hs для полностью развитого волнения (Pierson, Mosk-owitz, 1964). С уменьшением площади моря, сво
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.