ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2007, № 5, с. 50-60
УДК 551.463.6:629.783(265.53)
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ О ЗЕМЛЕ
ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ ОХОТСКОГО МОРЯ ПО СПУТНИКОВЫМ ДАННЫМ
© 2007 г. Е. Г. Новиненко, Г. В. Шевченко
Сахалинский институт рыбного хозяйства и океанографии, Южно-Сахалинск E-mail: george@sakhniro.ru, shevchenko@sakhniro.ru Поступила в редакцию 29.03.2007 г.
Проанализирован десятилетний ряд наблюдений за температурой поверхности Охотского моря (1997-2006 гг.), полученный со спутников серии NOAA при помощи приемной станции TeraScan. Для исключения вызванных влиянием облачности и ледяного покрова пропусков и получения регулярного массива данные наблюдений осреднены по квадратам 15' х 15' по пространству и по 15-суточ-ным интервалам времени. Пространственная структура сезонных вариаций ТПО исследовалась с применением метода естественных ортогональных функций (ЕОФ). Изучены особенности пространственной изменчивости четырех низших мод, из которых первая и четвертая имеют меридиональные, а вторая и третья - зональные структуры. Проанализирован временной ход амплитуд этих векторов.
ВВЕДЕНИЕ
Исследование термического режима различных акваторий является одной из важнейших океанологических задач, так как пространственно-временная изменчивость температуры воды отражает сложные процессы формирования, трансформации и динамики водных масс. Помимо этого, температура является одним из ключевых параметров, определяющих условия существования и развития большинства видов гидробионтов, поэтому изучение данной проблемы имеет ключевое значение для гидробиологии. Районирование акваторий по характеру температурных условий, а также их прогнозирование с учетом особенностей сезонной и межгодовой изменчивости является важной научной задачей, имеющей выраженный прикладной аспект, связанный с тем обстоятельством, что к зонам раздела водных масс с различными характеристиками приурочены скопления некоторых видов промысловых рыб.
В последние годы, наряду с обобщениями больших массивов судовых наблюдений [1], широкое распространение получили методы, основанные на анализе материалов спутниковых наблюдений за морской поверхностью [2]. Их очевидными преимуществами является регулярный характер наблюдений и полнота охвата изучаемой акватории, что в определенной мере компенсирует тот недостаток, что они отражают условия сравнительно тонкого поверхностного слоя. В научной печати регулярно появляется большое число работ, посвященных различным аспектам пространственно-временной изменчивости температуры поверхности океана (ТПО), чего, одна-
ко, нельзя сказать о таком важном в промысловом отношении бассейне, как Охотское море, которое отличается к тому же сложным характером термического режима. Прежде всего, здесь следует отметить работу [3], посвященную выделению термических фронтов на его акватории.
Данные спутниковых наблюдений за поверхностью Охотского моря за 1992-1995 гг. анализировались в работе [4], основное внимание в которой было сосредоточено на оценке скорости его прогрева и ее межгодовой изменчивости. Сезонные колебания ТПО с применением метода естественных ортогональных функций (ЕОФ) исследовались в [5], однако в указанной работе использовались данные наблюдений всего за два года, что недостаточно для надежных выводов и в принципе не позволяет рассмотреть межгодовые вариации, которые для температуры как воды, так и атмосферного воздуха проявляются прежде всего в виде низкочастотной модуляции годового цикла. Столь малое число работ, посвященных анализу термических условий данного бассейна по спутниковым данным, обусловлено, скорее всего, значительными пропусками в материалах наблюдений, обусловленных влиянием облачности. Как отмечалось в [5], на большей его части количество среднесуточных значений ТПО составляло 20-25% от их возможного числа и только в северной его части несколько увеличивалось.
Хотя по Охотскому морю накоплен значительный объем экспедиционных исследований, и количество CTD-станций составляет десятки тысяч [6, 7], они крайне неравномерно распределе-
ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ ТЕМПЕРАТУРЫ
51
ны по его акватории, а также по сезонам - в холодный период года из-за наличия ледяного покрова и сложных погодных условий количество съемок невелико. Указанные обстоятельства делают задачу изучения пространственно-временной структуры температуры воды весьма сложной, поэтому в [6] приведено лишь качественное описание сезонного хода без применения методов статистического анализа.
В целом основные особенности термического режима поверхностного слоя вод Охотского моря -такие, как зоны апвеллинга в районе банки Каше-варова, Ямских о-вов, Средних Курил и т.д., - достаточно хорошо известны и подробно описаны в [7, 8]. В то же время более тонкие особенности сезонного хода в отдельных районах моря изучены пока недостаточно и количественно не оценены, соответственно именно эти задачи и составляли основную цель настоящей работы.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
В 1996 г. Сахалинским институтом рыбного хозяйства и океанографии (СахНИРО) была приобретена и установлена антенна системы TERAS-CAN для приема информации с искусственных спутников Земли серии NOAA. Основной целью организации дистанционных исследований являлось выявление особенностей температуры поверхности океана в зоне уверенного приема спутниковой информации - Охотское море, северная часть Японского моря, прилегающая к Курильским о-вам часть акватории Тихого океана. Для накопления спутниковой информации был выделен район, ограниченный параллелями 42° и 60° северной широты и меридианами 135° и 163° восточной долготы. В этом районе фиксировалось поле точек (1000 х 1022), в которых определялись значения изучаемого параметра. В качестве информационной основы для данной работы служили материалы, полученные с искусственных спутников Земли серии NOAA за десятилетний период (1997-2006 гг.)
По получаемым со спутников данным пассивного многоканального радиометра высокого разрешения рассчитывалась температура поверхности моря. Области, занятые облачным и ледовым покровом, отфильтровывались при помощи алгоритма многоканальной фильтрации. Расчет температуры производился по двум инфракрасным каналам с использованием рекомендуемого алгоритма. По данным, полученным за серию пролетов спутников в течение суток, определялась среднесуточная температура поверхности в каждой фиксированной точке. Полученные значения заносились в базу данных и использовались для дальнейшего анализа.
Для применения методов пространственного статистического анализа необходимы ряды регулярных данных, не содержащие пропусков. С этой целью исходный массив среднесуточных значений подвергся процедуре осреднения по времени (по полумесячным интервалам) и пространству - по четвертьградусным квадратам. Выбор такого временного интервала позволяет оценивать только сезонные и более низкочастотные вариации. Таким образом, процессы синоптического диапазона в данной работе не рассматривались.
Для анализа пространственно-временной изменчивости гидрометеорологических полей широкое распространение получил метод разложения параметра по естественным ортогональным функциям [9], различные модификации которого также эффективно используются для восстановления пропусков в данных [2], что актуально для исследуемого района ввиду сильного искажающего влияния облачности. В отличие от работ [5, 10], в которых для исследования сезонной изменчивости ТПО также использовался этот метод, область исследования была сужена до акватории только самого Охотского моря, прилегающая же часть Тихого океана и Татарский пролив Японского моря были исключены. Это было сделано потому, что методы ЕОФ очень чувствительны к пространственным масштабам исследуемого объекта, в частности, наличие внешних по отношению к Охотскому морю районов может затруднить интерпретацию структуры получаемых пространственных распределений.
Акватория исследуемого бассейна содержала 3200 четвертьградусных квадратов, в каждом из которых имелось 240 полумесячных значений ТПО. Расчет собственных значений производился по ковариационной матрице, после чего, в порядке ранжирования этих значений, вычислялись собственные векторы - взаимно ортогональные пространственные функции (моды ЕОФ). Путем интегрирования этих функций с каждым из 240 "временных слоев" получены соответствующие им амплитуды, которые одинаковы для всех пространственных точек, а пространственное распределение значений самих векторов характеризует различие сезонного хода температуры поверхности моря в тех или иных районах изучаемого района. В дальнейшем считается, что векторы имеют размерность °С, а амплитуды безразмерны, что не имеет принципиального значения и допускает выбор противоположного характера.
Полученные собственные векторы ковариационной матрицы рассчитываются таким образом, чтобы максимум дисперсии исходного поля значений был описан с помощью минимального количества мод, что характерно для случаев сжатия, восстановления и экстраполяции значений
10 9 8 7 6
новиненко, шевченко 140° 148° 156°
140° 148° 156°
Рис. 1. Пространственное распределение первой моды ЕОФ (°С).
2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0 0.5
Год
Рис. 2. Амплитуда первой моды ЕОФ.
изучаемого параметра. При необходимости более наглядной интерпретации результатов ЕОФ рекомендуется согласно [11] применить процедуру вращения начальных, наиболее значимых собственных векторов. Полученное после вращения разложение описывает ту же долю дисперсии исходного ряда, собственные векторы сохраняют свойства ортогональности, но при этом решения принимают более "простую" пространственную структуру. Для анализа ТПО в статье использовалось вращение с критерием уапшах по алгоритму, предложенному в [12].
ПЕРВАЯ МОДА
На рис. 1 представлено пространственное распределение первой моды ЕОФ, а на рис. 2 - график соответствующей ей амплитуды. Все значения первого вектора имеют одинаковый знак, что вполне ожидаемо, так как общий характер годового хода ТПО в пределах моря идентичен. В силу специфики метода, который настраи
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.