ОКЕАНОЛОГИЯ, 2015, том 55, № 1, с. 56-64
= ФИЗИКА МОРЯ
УДК 551.465
СТРУКТУРА ВОД КЕРЧЕНСКОГО ПРОЛИВА ПО ДАННЫМ КОНТАКТНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ И КОСМИЧЕСКИХ СЪЕМОК © 2015 г. А. А. Чепыженко, А. И. Чепыженко, В. М. Кушнир
Морской гидрофизический институт НАНУкраины, Севастополь e-mail: annachep87@yandex.ru, ecodevice@yandex.ru, kushnirv@yahoo.com Поступила в редакцию 03.06.2013 г., после доработки 12.11.2013 г.
Обсуждаются данные совместной экспедиции в Керченском проливе, выполненной МГИ НАН Украины и ЮНЦ РАН в сентябре 2011 г. Рассмотрена возможность и результаты применения современных измерительных средств и методов обработки космических съемок при получении количественных оценок концентрации взвеси и хлорофилла "а". Выявлены особенности динамики вод и структуры полей температуры, солености, концентрации суммарного взвешенного вещества и хлорофилла "а" в Керченском проливе в условиях переменного ветра.
Б01: 10.7868/80030157415010037
ВВЕДЕНИЕ
Керченский пролив имеет большое значение для экономического комплекса Украины и России как важнейшая транспортная магистраль между портами Азовского и Черного морей с выходом в Мировой океан, зона рыболовства, рекреации, гидротехнического строительства, освоения энергетических ресурсов. По этим и другим причинам океанологическим исследованиям Керченского пролива посвящено большое число работ, начиная с конца XIX—начала XX столетий [2, 8]. В значительной степени итоги исследований системы течений, уровня моря и турбулентного обмена в проливе, основанные на большом материале экспериментальных и теоретических работ, обобщены в монографии [1].
Исследования полей основных гидрологических параметров и течений Керченского пролива за последние 20 лет представлены в работах [8—10, 15], посвященных определению антропогенных изменений в полях гидрофизических, гидрохимических и геологических элементов в условиях декадных природных колебаний. Проблема таких изменений стала особенно актуальной после сооружения в 2003 г. дамбы от Таманского полуострова в направлении о. Коса Тузла и искусственного углубления протока между оконечностью дамбы и восточной частью этого острова. Эти искусственные изменения рельефа дна существенно повлияли на естественное поле течений, следствием чего была интенсификация процессов размыва о. Коса Тузла. Так, на протяжении 2005 г.—первой половины 2006 г. территория острова из-за отсутствия работ по его укреплению уменьшилась на 30 га. Огромные объемы донного материала, смываемые с острова, оседают в северо-восточных
районах Керченского пролива, что создает потенциальные угрозы для навигации и нарушения естественной экологии этого района Азово-Чер-номорского бассейна.
Поверхность морского дна в Керченском проливе представлена в основном слабонесущим грунтом (песок, жидкий ил), и при этом возможны значительные скорости постоянных и волновых придонных течений [15, 16]. При взаимодействии этих течений с поверхностью дна формируются сложные поля скорости и давления в виде вихре-волновых структур и мелкомасштабной турбулентности. При определенных условиях эти поля воздействуют на донный материал таким образом, что он начинает перемещаться вдоль поверхности дна и подниматься вверх, формируя профили взвешенных наносов. Эти процессы приводят к изменению структуры дна, причем в непосредственной близости от его неровностей могут формироваться глубокие промоины или зоны аккумуляции грунта (отмели), которые существенно изменяют поля естественных течений, температуры и других параметров морской среды [3, 7]. Другим следствием этих процессов является повышенная концентрация взвеси, что оказывает сильное влияние на оптические характеристики водной среды пролива и фотосинтетические процессы, которые проявляются в изменениях концентрации хлорофилла "а" (хл "а"). Концентрация взвеси и хл "а", а также температура и соленость Керченского пролива связаны между собой и с полем течений как элементы единой экосистемы. Изучение этих связей является актуальной проблемой для понимания основных механизмов формирования водной среды пролива и характеристик водообмена между Азовским и Черным
морями. Для решения этой проблемы в настоящее время появились некоторые новые возможности, связанные с созданием измерительных средств и развитием методов обработки космических съемок для количественных оценок концентрации взвеси и хл "а" в проливе. В связи с этим основной целью настоящей работы является обсуждение возможностей этих методов и результатов их непосредственного использования для изучения структуры вод Керченского пролива в комплексной экспедиции, выполненной МГИ НАН Украины и ЮНЦ РАН в сентябре 2011 г. [6, 14].
1. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
1.1. Средства контактных измерений. В последние годы в МГИ НАН Украины были разработаны несколько модификаций малогабаритных CTD-зондов со встроенной памятью, что позволяет использовать их с маломерных судов без специальных лебедок. Некоторые такие приборы оснащены датчиками дополнительных параметров, что расширяет функциональные возможности таких систем при выполнении различных специализированных проектов. Один из таких приборов, зонд "Кондор", широко используется для выполнения исследований Керченского пролива и прибрежной зоны Крыма [21].
Внешний вид зонда "Кондор" представлен на рис. 1. Зонд предназначен для оперативных исследований биофизических и гидрологических свойств вод прибрежной зоны моря.
В портативном зонде "Кондор" наряду с традиционным СТD-каналами и измерителем течений были включены оптические каналы показателя ослабления света (ПОС) в трех диапазонах видимого спектра — сине-фиолетовом (405 нм), зеленом (532 нм) и красном (660 нм). Дискретность измерений по глубине составляет 10 см, ча-
Рис. 1. Гидрофизический зонд "Кондор".
стота измерений — 15 Гц. Основные характеристики измерительных каналов представлены в таблице.
Прибор применяется в двух вариантах — кабельном и автономном, при котором данные сохраняются на флеш-памяти, расположенной в корпусе зондируемого прибора. Достоинством автономного варианта является возможность применения электрической мини-лебедки типа ЛГЭ и кевларовой нити-тросса, позволяющих осу-
Основные характеристики гидрофизического зонда "Кондор"
Характеристика Диапазон Цена единицы наименьшего разряда Суммарная погрешность измерения
Температура, °С —2...35°С 0.02 °С ±0.1
Электропроводность, отн. ед.
(мСм/см)
— 1-й диапазон от 0 до 0.9(42) 2. 44 х 10—4 ±1 х 10—3
— 2-й диапазон от 0.62(26.6) до 1.6(69) (0.0105) (0.04)
Гидростатическое давление, МПа 0.1 0.001 ±0.003
(глубина погружения) до 100 м 0.1 м
Показатель ослабления света 0.01—2 0.002 ±0.005
(ПОС), м-1 на длинах волн 405,
532 и 660 нм
Квантовая облученность, 0.002—2000 0.001 ±10%
мкЭ/м2•с
Скорость течения, см/с 0.2—100 0.05 0.15
Направление течения, град 0—360 0.5 2
ществлять зондирование до глубин 120—150 м со скоростью до 100 м/мин.
Оптический канал 660 нм комплекса " Кондор" используется для косвенных измерений концентрации общей (минеральной и органической) взвеси (С8, г/м3) в морской среде. Принцип измерения С8 в соответствии со спектрофотомет-рической методикой основан на измерении ПОС в красной области спектра, т.е. на длине волны 660 нм. Это связано с тем, что в данной области спектра ослабление определяется главным образом двумя характеристиками: чистой водой, для которой ПОС является практически постоянной величиной, и показателем рассеяния взвесью. Относительный вклад последней в изменчивость ПОС в различных водах может составлять до 100% [4, 11].
Оптические каналы комплекса " Кондор" в сине-фиолетовой и зеленой частях видимого спектра (X = 405 нм) и (X = 532 нм) использованы для косвенных измерений концентрации хл " а" (мг/м3). Основанием для таких измерений являются известные данные об изменениях перепада ПОС на указанных длинах волн при изменениях концентрации хл "а". В частности, по модели Восса [20], ПОС (С(X)) на длине волны X равен:
С(Х) = Сц(А) + 0.39ССы7(1.563 - 1.149 х 10 А), (1)
где Сц (А) = ац (А) + Ьц (А) — ПОС для чистой воды, ац (А), Ьц (А) — соответственно показатели поглощения и рассеяния, ССЫ — концентрация хл "а", мг/м3.
Для зонда "Кондор" Сц (405) = 0.01665 м-1, Сц (532) = 0.05172 м-1 [21]. После преобразований:
С(405) 0.01665 + 0.428С057 _ , поп,л0.0467 - =-Стт = 1.0293СШ ,
С(532) 0.05172 + 0.371СС«7
или lg ^i405^ = 0.0125 + 0.0467lg CChl.
(2)
C(532)
Таким образом, логарифм отношения ПОС на указанных длинах волн пропорционален концентрации хлорофилла.
Для измерения характеристик течений в Керченском проливе использовался ADCP WHM1200 (акустический доплеровский измеритель течений с рабочей частотой 1200 кГц) производства TRDI США. Прибор был установлен на штанге, жестко прикрепленной к борту маломерного судна так, чтобы глубина положения его преобразователей составляла 0.5 м на спокойной воде. Запись данных производилась непрерывно в течение каждого дня с 26 по 28 сентября. Параметры работы ADCP устанавливались следующие: дискретность по глубине — 0.5 м; дискретность по времени — 0.2 с, с осреднением по 5 ансамблям; дальность опции Bottom Track (BT — отслеживание дна) — 20 м. Слой измерений по глубине составлял от 1.5 м от
поверхности моря до 1—2 м от дна. Обработка данных выполнялась с учетом влияния корпуса судна на показания магнитного компаса прибора, на основе GPS- и BT-данных [12]. Детально методические аспекты проведения измерений в мелководных бассейнах и вопросы обработки ADCP-дан-ных рассмотрены в работе [13].
1.2. Космические съемки. В период проведения совместных экспедиционных работ 26—28 сентября были безоблачные дни, что позволило использовать космические съемки Керченского пролива, выполненные системой цветовых сканеров MODIS (спутники Aqua & Terra) и свободно распространяемые NASA по сети INTERNET (http://ladsweb.nascom.nasa.gov/data/search.html). Первичная обработка была выполнена на основе программы Beam VISAT и включала: отбор двух каналов, соответствующих длинам волн 0.645 и 0.8585 мкм; выделение области, содержащей Керченский пролив и прилегающую часть Черного м
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.