= ФИЗИКА МОРЯ
УДК 551.465
СИНОПТИЧЕСКИЕ ВИХРИ В ЧЕРНОМ МОРЕ ПО ДАННЫМ СПУТНИКОВОЙ АЛЬТИМЕТРИИ © 2015 г. А. А. Кубряков, С. В. Станичный
Морской гидрофизический институт НАНУкраины, Севастополь e-mail: arskubr@gmail.com Поступила в редакцию 10.07.2013 г., после доработки 08.11.2013 г.
Для исследования синоптической вихревой динамики Черного моря используется метод автоматической идентификации вихревых структур, основанный на определении замкнутых линий тока в поле аномалий скорости течений, восстановленных по данным спутниковой альтиметрии. С помощью данного метода за период с 1992 по 2011 г. было идентифицировано более 800 вихрей различного знака с временем жизни более 4 недель и диаметром более 40 км. В работе, используя полученный массив данных, проводится анализ количества и продолжительности существования вихревых структур, их кинематических и геометрических характеристик, уточнены районы преимущественного возникновения и исчезновения вихрей, выявлены характерные траектории и скорости их перемещения, проанализирована изменчивость различных характеристик вихря как функция его "возраста".
Б01: 10.7868/80030157415010104
Синоптические вихри являются важнейшими элементами динамической структуры черноморского бассейна [1—7, 15, 16, 25, 27, 28, 30 и др.]. Большое количество работ посвящено исследованиям структуры и динамики отдельных вихрей по данным гидрологических зондирований [1, 3, 6, 7, 8, 21, 30 и др.], а также изучению характеристик вихрей, их траекторий перемещения, проявлений вихревых структур в полях температурных и оптических контрастов по спутниковым изображениям в инфракрасном (ИК) и оптическом диапазонах [1, 2, 5, 15, 16, 28 и др.].
Контактные методы имеют ряд несомненных достоинств: они позволяют получить информацию о трехмерной структуре вихрей в полях различных параметров. Недостаток контактных методов связан с нерегулярностью измерений и невозможностью проводить квазисинхронные измерения на обширной акватории; судовые наблюдения способны в лучшем случае дать информацию об эволюции 2—3 вихрей за незначительный промежуток времени в течение одного рейс. Спутниковые изображения в ИК- и оптическом диапазонах спектра характеризуются более высоким пространственным и временным разрешением. Однако, облачность препятствует получению регулярной спутниковой информации о вихревых образованиях по таким измерениям. Кроме того, не все вихри обнаруживаются в полях температурных или оптических контрастов.
В этих условиях для систематического исследования вихрей значительное преимущество име-
ют спутниковые альтиметрические измерения. Спутниковые альтиметры с 1992 г. проводят высокоточные (с точностью до 2 см) измерения топографии уровенной поверхности Мирового океана [14]. Эти данные доступны регулярно, т.к. для сигнала в микроволновом диапазоне облака являются прозрачными, и охватывают всю поверхность черноморского бассейна. Кроме того, аль-тиметрические измерения позволяют непосредственно определить динамическую структуру вихревого образования в поле уровня, в отличие от измерений в оптических и ИК-каналах, которые позволяют получить лишь изображение вихря в поле трассеров. Комбинирование вдольтрековых измерений, полученных с альтиметров нескольких спутников с помощью методов, развитых в работах [19, 23] позволяет восстанавливать карты аномалий уровенной поверхности.
Исследование синоптических вихрей в Черном море с применением данных спутниковой альтиметрии проводились ранее в работах [18, 27, 30]. Однако в этих работах авторы проводили анализ, детектируя вихри визуально; таким образом были получены преимущественно качественные результаты.
После появления массива картированных аль-тиметрических измерений начинается бурное развитие методов автоматической идентификации вихрей по данным о поле уровня [10, 17]. Эти методы позволяют автоматически по заданным критериям идентифицировать каждый индивидуальный вихрь, проявляющийся в альтиметрических
данных, за исследуемый период и далее исследовать как особенности эволюции индивидуального вихревого образования, так и статистические своИства всего ансамбля вихрей в регионе в целом. В настоящей работе проводится анализ количества вихревых структур зарегистрированных за период 1992—2011 гг., их пространственного распределения и времени существования, кинематических и геометрических характеристик, траекторий и скоростей перемещения. Анализируется эволюция различных характеристик вихря в зависимости от времени его существования.
ДАННЫЕ
Спутниковая альтиметрия. В работе использовался региональный массив картированных аномалий уровня AVISO (Archivage Validation Interprétation des données des Satellites Océanographiques) для Черного моря (http://www.aviso.oceanobs.com/) с 1992 по 2011 г. Региональный массив был создан в аген-стве CLS (Collection and Location by Satellite). Пространственное разрешение карт составляет 1/8° (~12.5 км), что в два раза выше, чем для глобального массива данных (1/4°); временное разрешение — 7 дней (delayed-time product). Картированные данные были получены по комбинированным измерениям вдольтрековых аномалий уровня с нескольких спутников с помощью методов, предложенных в [19, 23]. Поля аномалий геострофической скорости были рассчитаны по картам аномалии уровня из уравнений геострофического баланса:
'дк.
g дк
ug = ; v g =—- „
g f dy g f dx
где ug, vg — зональная и меридиональная составляющая геострофической скорости, g — ускорение свободного падения, f— параметр Кориолиса, h — аномалия уровня моря.
Следует отметить, что в ряде работ показано, что алгоритм картирования альтиметрических данных, который проводится с применением процедуры оптимальной интерполяции, приводит к определенному сглаживанию полей уровня и занижению орбитальных скоростей в синоптических вихрях. Можно ожидать, что коэффициент занижения будет максимален (~1.5) для небольших вихрей с радиусом ~20 км, и близок к единице в крупных вихрях с радиусом более 50 км [11].
Температура морской поверхности. В работе использовались данные о температуре поверхности, полученные по измерениям радиометров Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR) с пространственным разрешением 1 км в отделе дистанционного зондирования Морского гидрофизического института (http://dvs.net.ua/).
МЕТОД АВТОМАТИЧЕСКОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ ВИХРЕВЫХ СТРУКТУР ПО АЛЬТИМЕТРИЧЕСКИМ ИЗМЕРЕНИЯМ
В настоящей работе в основе алгоритма автоматической идентификации вихревых структур по альтиметрическим измерениям использовался метод "угол намотки" ("winding angle" — англ.). Этот метод, предложенный в работе [24], основан на выделении зон акватории, ограниченных замкнутыми линиями тока. Впервые он был успешно использован для автоматического выделения синоптических вихрей по данным спутниковой альтиметрии в работе [10] и далее применялся в нескольких работах (см. например [12]). Как показано в [10, 26], использование данного метода для идентификации вихрей предпочтительнее, чем по критическому параметру Окубо-Вяйса [22, 29], широко применяемого в метеорологии для выделения атмосферных вихрей по полю давления, поскольку последний может приводить к появлению большого количества ложных вихрей.
Наиболее часто (за редким исключением [1, 30]) синоптические вихри наблюдаются в зоне Основного черноморского течения (ОЧТ). Такие вихри не обязательно будут характеризоваться замкнутыми линии тока, вследствие чего идентификация вихрей по полям полной скорости течений затруднена. Поэтому в настоящей работе используются поля аномалий скорости, восстановленные по альтиметрическим аномалиям уровня. Такой подход, стандартно применяемый и в других районах Мирового океана приводит, однако, к тому, что меандры ОЧТ также идентифицируются как вихревые образования. Следует сказать, что четкого разделения на меандры и вихри в зоне ОЧТ не существует, в большинстве работ эти понятия перекликаются. Например, согласно распространенной точке зрения, вихри возникают из меандров ОЧТ, причем однозначный переход от одного понятия к другому не описан [18].
Автоматическая идентификация вихревых структур с помощью метода "угол намотки" проходит в три этапа. Первый этап заключается в идентификации узлов сетки, которые находятся в зоне вихря. Для этого в каждом узле сетки запускается виртуальная частица, траектория которой рассчитывается по численной схеме Эйлера:
rn+\(x,y, t) = r„(x,y, t -1) + v'(x,y)dt,
здесь r — радиус-вектор частицы, v' (x, y) — стационарное во времени поле аномалии геострофической скорости за конкретную дату, dt — шаг по времени. На каждом шаге работы алгоритма рассчитывается суммарный угол отклонения частицы, собственно "угол намотки". Превышение суммарным углом величины 360° означает, что частица совершила круговой оборот и находится на замкну-
той линии тока, т.е. соответствующий узел сетки находится в вихревом образовании.
Следующий шаг алгоритма состоит в разделении найденных областей на индивидуальные вихри. Идентифицированные узлы сетки в простейшем случае представляли собой отдельные кластеры, соответствующие индивидуальным вихрям. В более сложных ситуациях один кластер частиц мог соответствовать нескольким вихрям различных знаков. Для отделения циклонов от антициклонов частицы с разными знаками рассчитанной завихренности течений разделялись. Для разделения нескольких вихрей одного знака использовался следующий метод: для каждой частицы определялся центр траектории, примерно соответствующий центру вихря. Далее проводилась процедура кластирования по центрам траекторий. Частицы, обращающиеся вокруг двух различных кластеров центров, соответствовали разным вихрям. Последние ситуации наблюдались нередко, т.е. идентифицировался антициклон с двумя ядрами, окруженный общей ячейкой циркуляции.
Третий этап: после того как вихревые образования выделены, проводится процедура определения траекторий отдельных вихрей. Для нахождения двух последовательных положений одного и того же вихря рассчитывается расстояние между центром вихря за данную дату и на следующий момент времени (через 7 дней). Двум последовательным положениям вих
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.