ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2009, № 5, с. 72-79
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОСМИЧЕСКОЙ ^^^^^^^^^^ ИНФОРМАЦИИ О ЗЕМЛЕ
УДК 551.465:629.783
СПУТНИКОВЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ ВИХРЕВЫХ И ВОЛНОВЫХ ПРОЦЕССОВ В ПРИБРЕЖНОЙ ЗОНЕ СЕВЕРО-ВОСТОЧНОЙ ЧАСТИ
ЧЕРНОГО МОРЯ © 2009 г. М. И. Митягина*, О. Ю. Лаврова
Институт космических исследований РАН, Москва *Е-таИ: mityag@mx.iki.rssi.ru Поступила в редакцию 20.01.2009 г.
Приведены результаты совместного анализа данных спутниковой радиолокации морской поверхности и данных оптических и инфракрасных (ИК) сенсоров космического базирования, полученных для северо-восточной части Черного моря в 2006—2007 гг. Большой объем данных позволил провести обобщения и получить статистически достоверные результаты о возникновении и развитии мелкомасштабных вихревых структур в прибрежной зоне. Обсуждается сезонная изменчивость их проявления. На основе данных дистанционного зондирования (ДЗ) выявлены случаи поверхностных проявлений цугов внутренних волн неприливного происхождения, локализованных в окрестностях вихревых структур.
Ключевые слова: сенсоры, прибрежная зона, мелкомасштабный вихрь, спутниковые наблюдения, внутренние волны, радиолокационное зондирование, оптический диапазон.
ВВЕДЕНИЕ
Главным элементом циркуляции вод Черного моря является Основное черноморское течение (ОЧТ). Это направленное против часовой стрелки течение охватывает все море по его периферии и характеризуется высокой гидродинамической нестабильностью (Stanev, 2005; Korotaev et al., 2006), которая под влиянием синоптической изменчивости ветра и особенностей рельефа дна приводит к меандрированию ОЧТ и образованию циклонических и антициклонических вихрей с обеих сторон основного стержня. В данных спутникового дистанционного зондирования (ДЗ) видимого и инфракрасного (ИК) диапазонов основная струя ОЧТ может быть различима в зимние и весенние месяцы, тогда как в летний период вихревая активность столь высока, что практически полностью маскирует ОЧТ, которое может быть определено только как некая усредненная траектория движения мезомасштабных вихревых структур.
На рис. 1 представлена карта температуры морской поверхности (ТМП), восстановленная на основе данных сенсора MODIS ИСЗ Aqua. Темная линия схематично отображает усредненное положение основного стержня ОЧТ. На изображении также хорошо различимы мезомасштабные вихревые структуры разных знаков.
Спутниковые наблюдения вихревой активно -сти в северо-восточной части акватории Черного моря традиционно проводились при помощи сенсоров видимого и ИК- диапазонов. На основе получаемых данных оценивались пространственные
размеры вихревых структур, и с помощью серии изображений прослеживалось их распространение и время жизни (Гинзбург и др., 2001; Гинзбург и др., 2008). Было показано (Овчинников, Титов, 1990), что между стержнем ОЧТ и берегом существует зона антициклонической завихренности поля течений. Здесь формируются прибрежные антициклонические вихри (ПАВ). Формированию ПАВ способствует гидродинамическая неустойчивость ОЧТ, проявлением которой является его меандри-рование. В экологическом аспекте ПАВ, обладая свойством конвергентности, являются своеобразным аккумулятором загрязненных прибрежных вод, способствуя их самоочищению.
Разрешающая способность изображений, получаемых при помощи сенсоров MODIS ИСЗ Aqua/Terra и AVHRR ИСЗ NOAA, позволяет изучать только мезомасштабные вихревые структуры с диаметрами более 30 км при отсутствии облачного покрова. Привлечение же к исследованию данных спутниковой радиолокации и продолжительные радиолокационные (РЛ) наблюдения морской поверхности в северо-восточной части акватории Черного моря (Булатов, 2004) дали нам возможность выявить наличие вихревых структур значительно меньших масштабов, чем описанные выше ПАВ. Вследствие их небольших размеров эти вихри невозможно обнаружить с помощью спутниковых сенсоров видимого и ИК-диапазо-нов (Lavrova et al., 2008).
Рис. 1. Элементы поверхностной циркуляции вод, проявляющиеся в поле ТМП, восстановленном по данным сенсора MODIS Aqua от 20.06.2007 г., 11:10 UTC. Темная линия схематично отображает усредненное положение основного стержня ОЧТ. На координатной сетке по оси ординат даны град, с.ш., а по оси абсцисс — град, в.д.
РЛ-НАБЛЮДЕНИЯ ПРИБРЕЖНЫХ ВИХРЕЙ МАЛОГО МАСШТАБА
Наше исследование вихрей малых масштабов базировалось на данных радиолокатора с синтезированной апертурой (SAR) ИСЗ ERS-2 и усовершенствованного радиолокатора с синтезированной апертурой (ASAR) ИСЗ Envisat, пространственное разрешение которых достигает 25 м.
Анализ полученных данных показал, что на радиолокационных изображениях (РЛИ) морской поверхности детектируется большое количество вихрей относительно малых размеров, с диаметрами от нескольких километров до десятков километров (причем на их периферии могут развиваться вихри меньших размеров). Вихри этого типа имеют, как правило, спиралеобразный вид и в подавляющем большинстве случаев являются циклоническими по направлению вращения.
На РЛИ данные вихри визуализируются благодаря сликовым полосам, образованным пленками поверхностно-активных веществ естественного происхождения, постоянно присутствующим на морской поверхности, особенно в теплое время года. Источники происхождения этих органических пленок пространственно и по времени возникновения распределены по поверхности акватории моря. Пленки обладают способностью избирательного гашения гравитационно-капиллярной составляющей поверхностного волнения в силу неравномерного распределения поверхностного натяжения в местах их скопления и тем самым уменьшают величину обратно рассеянного сигнала. Вовлекаясь в орбитальные движения, пленки
естественного происхождения как бы "прорисовывают" вихри на РЛИ преимущественно в условиях слабого и умеренного приповерхностного ветра (Ареге, НиЬпег!^ , 1989; Лаврова, 2005). Благодаря присутствию на поверхности пленок поверхностно активных веществ, средства радиолокации позволяют регистрировать вихревые структуры малых размеров. Пример РЛИ спиралеобразного циклонического вихря в прибрежной зоне представлен на рис. 2. РЛИ выявляет тонкую структуру вихря, поэтому появляется возможность оценить долю пленок биогенного происхождения, вовлеченных в вихревую структуру в целом и сконцентрированных в зонах конвергенции.
Рис. 2. Фрагмент Envisat ASAR изображения, полученного 10.05.2007 г. в 07:36:59 UTC. Циклонический вихрь с диаметром 25 км. Большая (mi) и малая (mj) оси имеют длины 26.6 и 23.5 км соответственно.
СЕЗОННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ
ПРОЯВЛЕНИЯ ПРИБРЕЖНЫХ ВИХРЕЙ МАЛОГО МАСШТАБА
В 2006—2007 гг. лаборатория аэрокосмической радиолокации Института космических исследований РАН (ИКИ РАН) принимала участие в спутниковом мониторинге состояния вод прибрежной полосы российского сектора Азовского и Черного морей, обеспечивая прием, обработку и интерпретацию РЛ-данных (Кровотынцев и др., 2007). В периоды с апреля по октябрь принимались и обрабатывались РЛИ высокого разрешения сенсора ASAR со всех пролетов спутника Envisat над акваторией северо-восточной части Черного моря (периодичность пролетов составляла 12—72 ч). Накопленный таким образом большой объем данных позволил получить статистически достоверные результаты о возникновении и развитии мелкомасштабных вихревых структур в прибрежной зоне северо-восточной части Черного моря.
Каждое РЛИ подвергалось визуальному анализу с целью обнаружения на нем структур, с определенностью принадлежащих к классу спиральных вихрей малых размеров (DiGiacomo, Holt, 2001). Для каждой такой вихревой структуры определялись ее диаметр, координаты центра и направление вращения. В качестве диаметра вихря принималось среднее геометрическое значение длин его малой и большой осей (см. рис. 2), проведенных через центр.
Выявленные вихри в прибрежной зоне были нанесены на карту, представленную на рис. 3. Оказа-
лось, что нанесенные на карту точки естественным образом распались на два непересекающихся множества, на рисунке соответственно отмеченные белым и черным цветом. Вихри, помеченные черным цветом, соответствуют данным, полученным в относительно холодный сезон — до середины мая и после середины сентября. Белым цветом помечены точки, соответствующие данным, полученным в теплый летний период. Кривая, разделяющая эти два множества, совпадает с усредненным положением основной струи ОЧТ (точечная линия). Видно, что в теплый период вихревые структуры малых масштабов возникают и распространяются в области между основной струей ОЧТ и береговой чертой, тогда как в холодный период мелкомасштабные вихри располагаются мористее основной струи ОЧТ.
Все сказанное выше подводит к выводу о наличии сезонной изменчивости вихревых движений в прибрежной зоне северо-восточной части Черного моря. Для выявления основных отличительных особенностей развития и проявления мелкомасштабной вихревой активности в прибрежной зоне для теплого и холодного сезонов к анализу были привлечены данные спутниковых сенсоров видимого и ИК-диапазонов.
В теплый сезон на РЛИ детектируются изолированные вихри малых размеров диаметрами 2—6 км, расположенные в непосредственной близости от береговой черты и отличающиеся непродолжительными временами жизни. Примеры мелкомасштабных вихрей, выявляемых на РЛИ морской по-
Рис. 4. Фрагменты (15 км х 20 км) изображений, полученных радиолокатором ASAR ИСЗ Envisat, отображающие спиралевидные мелкомасштабные вихри, характерные для теплого сезона: a — два циклонических вихря с диаметрами 3.75 км (A) и 3 км (B); б — циклонический вихрь с диаметром 3.5 км (С); в — циклонический вихрь с диаметром 2.5 км (D); г — циклонический вихрь с диаметром 5.3 км (E).
верхности в летний период, представлены на рис. 4. Эти вихри являются преимущественно циклоническими по знаку вращения квазидвумерными структурами, осуществляющими перемешивание в горизонтальной плоскости. Есть основания полагать, что для образования вихрей небольших масштабов воздействие ветра (прямое и опосредованное) является определяющим. Вихри этого типа детектируются только на РЛИ морской поверхности и вследствие своих небольших размеров неразличимы
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.