ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2011, № 2, с. 40-48
СПУТНИКОВЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ ПРОЯВЛЕНИЙ ВНУТРЕННИХ ВОЛН В КАСПИЙСКОМ МОРЕ
© 2011 г. О. Ю. Лаврова1*, М. И. Митягина1, К. Д. Сабинин1,2, А. Н. Серебряный1,2
Учреждение Российской академии наук Институт космических исследований РАН, Москва 2Акустический институт им. акад. Н.Н. Андреева, Москва *Е-таИ: olavrova@iki.rssi.ru Поступила в редакцию 16.06.2010 г.
Представлены результаты спутниковых наблюдений поверхностных проявлений внутренних волн в Каспийском море. Высказывается предположение, что возможным механизмом генерации выявленных внутренних волн являются одноузловые сейши, узловая линия которых находится вблизи Апшеронского порога. Определены основные характеристики внутренних волн в Каспийском море, имеющие вид классических цугов солитонов. Выявлена сезонная зависимость в поверхностных проявлениях внутренних волн. Сделаны оценки скоростей горизонтальных течений в солитонах у поверхности, которые составляют ~0.2 м/с, что вполне достаточно для модуляции ветровой ряби.
Ключевые слова: внутренние волны, спутниковые изображения, радиолокация морской поверхности, сейши, Каспийское море
ВВЕДЕНИЕ
Использование данных спутникового дистанционного зондирования (ДЗ) морской поверхности существенно расширило наше представление о таком важном явлении, как внутренние волны (ВВ) в океане. В последнее время удалось выявить поверхностные проявления ВВ не только в хорошо изученных и подробно описанных в научной литературе районах Мирового океана, но и в замкнутых бассейнах: морях и больших озерах. Наблюдаемые ВВ в бесприливном бассейне существенно менее интенсивны, чем их аналоги в океане или морях с приливами, однако более разнообразны с точки зрения механизмов своего происхождения. Начиная с 70-х годов прошлого века, в шельфовых зонах Каспийского и Черного морей на протяжении многих лет проводились длительные и детальные исследования ВВ с помощью контактных методов (Коняев, 1975; Иванов и др., 1981; Иванов, Серебряный, 1982, 1983, 1985), в частности, с применением пространственных антенн распределенных датчиков температуры (Коняев, Сабинин, 1973), которые позволили не только подробно исследовать пространственно-временные характеристики волн, но также и изучить процессы, ответственные за генерацию цугов интенсивных ВВ. Главной особенностью поля ВВ в бесприливном море является относительно невысокий уровень амплитуд ВВ по сравнению со своими аналогами в океане. Эта особенность
впервые была продемонстрирована в работе (Иванов, Серебряный, 1982) путем сравнения измеренных частотных спектров короткопериод-ных ВВ Черного моря (измерения проводились на шельфе и в глубоководной части моря) с модельным спектром Гарретта—Манка (Garrett, Munk, 1972). Другая выявленная особенность — широкое распространение эффектов нелинейности во ВВ на шельфе бесприливного моря, аналогично тому, как это имеет место в море с приливами (Серебряный, 1990, 1993). Эффекты нелинейности (вертикальная и горизонтальная асимметрия профилей волн), а также "солитоноподобность" волн проявляются в интенсивных волнах, входящих в цуги, генерируемых при определенных обстоятельствах.
" Определенные обстоятельства" представляют собой совокупность процессов, ответственных за генерацию интенсивных ВВ в бесприливном море. Эти процессы были выявлены путем длительных наблюдений, проведенных со стационарных платформ в Каспийском и Черном морях. Эффективным механизмом генерации цугов интенсивных ВВ в бесприливном море служат выходы на шельф длинных ВВ — внутренних сейш и квазиинерционных ВВ (Иванов и др., 1981; Иванов, Серебряный, 1985), появляющихся, как правило, в послештормовую погоду. Выходящие на шельф длинные ВВ в бесприливном море играют ту же роль, что и внутренние приливы на шельфе океана. По мере распространения к
Рис. 1. Покрытие фреймами ASAR Envisat Wide Swath в мае 2009 г.
берегу, они сначала претерпевают нелинейную эволюцию, превращаясь из квазисинусоидальных в нелинейные волны, а затем генерируют пакеты солитоноподобных ВВ. В условиях узкого приглубого шельфа генерация волн максимальных амплитуд связана с подходом в прибрежную зону локальных фронтов сгонно-нагонного происхождения, наблюдающихся в периоды снятия ветрового напряжения и восстановления нарушенной сгоном или нагоном стратификации (Иванов, Серебряный, 1985; Власенко и др., 1997). В условиях широкого шельфа возможна генерация интенсивных ВВ движущейся поверхностной интрузией распресненных прибрежных вод (Иванов, Серебряный, 1983; Kao et 1978).
Изучению поверхностных проявлений ВВ в Черном море посвящена работа (Лаврова и др., 2009), в которой описан еще один новый выявленный механизм генерации ВВ в бесприливных морях, а именно генерация волн нестационарным фронтом (движущимся и/или подверженным инерционным колебаниям), связанным с прохождением холодного вихря.
В настоящей работе рассматриваются проявления ВВ в бесприливном Каспийском море.
ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДАННЫЕ
Лаборатория аэрокосмической радиолокации Института космических исследований (ИКИ РАН) с февраля 2009 г. по настоящее время проводит оперативный мониторинг морской поверхности Каспийского моря на основе данных радиолокатора ASAR, установленного на ИСЗ Envisat и сканирующего радиометра ETM+ ИСЗ Landsat-7. РЛИ были получены в подавляющем большинстве случаев в широкой полосе обзора (WSM) 430 х 400 км, с разрешением в точке 75 м на горизонтальной поляризации излучения и приема сигнала. На рис. 1 представлен пример покрытия акватории Каспийского моря фреймами ASAR Envisat WSM изображений в мае 2009 г. В остальные месяцы 2009 г. картина покрытий была примерно такой же, т.е. практически отсутствовали данные по Южному Каспию, что, возможно, сказалось на полученных результатах. С мая по сентябрь 2009 г., в период, благоприятный для фор-
Рис. 2. Характерные пространственные характеристики ППВВ в Каспийском море. Фрагмент ASAR Envisat изображения (65 х 65 км), полученного 24.07.2009 г. в 18:23 UTC с разрешением 75 м.
мирования ВВ, было получено 100 радиолокационных изображений (РЛИ), 28 из которых содержали РЛ-образы поверхностных проявлений ВВ. Данные сканирующего радиометра ETM + ИСЗ Landsat-7 были получены с открытого Интернет-ресурса http://glovis.usgs.gov. Данный сенсор функционирует в восьми каналах: (1) 0.450-0.515 мкм; (2) 0.525-0.605 мкм; (3) 0.6300.690 мкм; (4) 0.760-0.900 мкм, (5) 1.550-1.750 мкм; (6) 10.400-12.500 мкм; (7) 2.080-2.350 мкм; (8) 0.520-0.900 мкм. Разрешение 1-5 и 7 каналов состовляет 30 м, канала 6-60 м, монохроматические данные канала 8-15 м. Для решения задачи выявления поверхностных проявлений внутренних волн (ППВВ) использовались композиты каналов 3, 2 и 1. В рассматриваемый период (с мая по сентябрь 2009 г.) было проанализировано 21 изображение ETM + ИСЗ Landsat-7, на четырех из них выявлены ППВВ.
Кроме того, для интерпретации РЛИ привлекались данные сенсоров MODIS ИСЗ Aqua/Terra, MERIS ИСЗ Envisat и AVHRR ИСЗ NOAA оптического и ИК-диапазонов, несущие информацию о полях температуры морской поверхности и ме-зомасштабной динамике вод. Карты температуры поверхности моря, а также данные прибрежных метеостанций использовались для выявления возможных зон апвеллинга, релаксация которого, как было указано выше, является одним из механизмов генерации ВВ в неприливных морях.
Поскольку контактных подспутниковых измерений с судна летом 2009 г. не проводилось, то для оценки гидрологической обстановки использовались данные контактных измерений температуры, солености, плотности морской воды, накопленные за многие десятилетия на кафедре океанологии МГУ им. М.В. Ломоносова и любезно предоставленные нам для анализа доцентом кафедры В.С. Тужилкиным.
Всего за время наблюдений было получено и обработано более 500 спутниковых изображений морской поверхности исследуемых районов. Большой объем экспериментального материала позволил не только впервые обнаружить ППВВ в Каспийском море, но и восстановить картину их пространственной и временной изменчивости. Кроме того, комплексное использование данных, различных по своей физической природе (активное и пассивное микроволновое зондирование, оптические и ИК-данные), пространственному разрешению и ширине полосы съемки дало уникальную возможность восстановить целостную картину метеорологических и гидродинамических явлений и процессов в исследуемом районе. На основе анализа всей совокупности параметров, полученных из данных ДЗ, определены возможные факторы, приводящие к генерации наблюдаемых ВВ неприливного происхождения, и сделаны оценки пространственных характеристик выявленных ВВ.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Характеристики выявленных ВВ
ППВВ в Каспийском море, выявленные на спутниковых изображениях, отличаются большим разнообразием. На одном кадре РЛИ (430 х х 400 км) часто выявляется несколько цугов ВВ, что свидетельствует о наличии нескольких мест генерации, расположенных на относительно небольшом расстоянии. ППВВ, наблюдаемые в Каспийском море, имеют вид классических цугов солитонов. Для взаимодействующих цугов наблюдаются характерные для нелинейных взаимодействий искривления фронтов, фазовые сдвиги и пр. Как правило, цуги распространяются к берегу и наблюдаются над глубинами 50—200 м. Длина ведущей волны в цуге может достигать 1.5 км, а протяженность фронтов до 50 км (рис. 2). Ширина цуга зависит от количества волн, входящих в него, в среднем она составляет 2.5 км, но может достигать и 6 км. Основные характеристики ППВВ, выявленных на спутниковых изображениях, описаны в таблице.
Достаточно часто фронты в цуге представляют собой концентрические дуги, что дает возможность с определенной точностью выявить район генерации данного цуга. Как правило, это неод-
Характеристики ВВ, выявленных на спутниковых изображениях
Дата Время, итс Число пакетов Местоположение пакетов Глубина места, м Ширина пакета, м Максимальная длина Число волн в пакете
на снимке волны, м
22.08.2003 06:45 >6 38°22' с.ш.; 51°58' в.д. 80 различная 1500 различное
04.07.2007 18:26 3 40°00'—41°00' с.ш.; 50°07'—52°00' в.д. 140-200 3500; 1900; 1500 1500;
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.