ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2007, № 3, с. 37-46
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОСМИЧЕСКОЙ ^^^^^^^^^^ ИНФОРМАЦИИ О ЗЕМЛЕ
УДК 551.46.06(551.466.820)
ВНУТРЕННИЕ ВОЛНЫ В ЯПОНСКОМ МОРЕ: ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ПО ДАННЫМ СПУТНИКОВОГО ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ1
© 2007 г. В. А. Дубина*, Л. М. Митник
Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева ДВО РАН Тел. (4232)-31-28-54, e-mail: dubina@poi.dvo.ru Поступила в редакцию 12.05.2006 г.
Исследованы пространственная и временная изменчивости поверхностных проявлений внутренних волн в Японском море на основе анализа изображений, полученных РЛС с синтезированной апертурой (РСА) со спутников ERS-1, ERS-2 и Envisat и спектрорадиометрами среднего разрешения MO-DIS со спутников Terra и Aqua. Результаты анализа изображений, полученных в оптическом и радиодиапазоне, в сочетании с имеющимися литературными данными обобщены в виде наиболее полной и детальной карты, показывающей пространственное распределение поверхностных проявлений внутренних волн в Японском море.
ВВЕДЕНИЕ
Внутренние волны (ВВ) - колебания внутри устойчиво стратифицированной жидкости - повсеместное явление в озерах, морях и океанах. Диапазон частот ВВ охватывает область между инерционной частотой и частотой Вяйсяля-Брен-та. Частотные спектры колебаний температуры океана и горизонтальных компонентов скорости течений во внутренних волнах в пределах этого диапазона не имеют выраженных пиков, что свидетельствует об одновременном присутствии в океане волн со случайными фазами и амплитудами [1, 2]. На диапазон волновых чисел ВВ не существует ограничений, подобных частотным, а пространственные спектры также не имеют выраженных пиков и монотонно спадают с ростом волнового числа с показателем, лежащим в диапазоне -1...-4. Данные натурных наблюдений свидетельствуют о климатической горизонтальной изотропии ВВ [1, 2].
Причины генерации внутренних волн столь разнообразны, что ".имеется некоторая неопределенность в отношении способа передачи энергии к ВВ и не из-за недостатка соответствующих механизмов, а скорее из-за избытка их" [3]. Предполагается, что наиболее распространены пакеты внутренних волн, сгенерированные при взаимодействии приливной волны с шельфом. Каждое индивидуальное колебание в таких пакетах имеет несинусоидальную форму с преобладанием смещения пикноклина вниз (волны понижения). Амплитуды волн в пакете, их длина и длина греб-
ня уменьшаются от лидирующей волны пакета к конечной. Количество волн в пакете увеличивается на одну с периодом Вяйсяля-Брента (рис. 1, табл. 1).
Актуальность детального исследования ВВ с учетом региональной специфики акваторий не вызывает сомнения как с точки зрения развития теоретических представлений о генерации и распространении внутренних волн в открытом океане и в прибрежной зоне, так и для многочисленных приложений. Упомянем в связи с этим, что с ВВ связана передача энергии через континентальный шельф, механизм которой изучен пока недостаточно. Вв приводят к сильным вариациям распространения акустических волн, они оказывают серьезное влияние на транспорт наносов, биологию прибрежных зон, на подводные инженерные сооружения.
ВВ практически не проявляются на поверхности в изменении ее уровня, но генерируют трехмерное поле течений, под влиянием которого в
L--
Cr
CoT
l
1 Основное содержание данной работы было доложено на Третьей всероссийской конференции "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса", Москва, 14-17 ноября 2005 г.
dark llight
Рис. 1. Схематическое представление пакета внутренних волн, сгенерированного на шельфе приливной волной (адаптированное из [5]). Расшифровка символов представлена в табл. 1.
X
о
Таблица 1. Характеристики внутренних волн
Характеристика Символ
Длина волнового пакета L
Количество волн в пакете N
Скорость перемещения V
Максимальная длина волны в пакете ^max
Минимальная длина волны в пакете
Длина гребня лидирующей волны Cr
Ширина области повышенной яркости на РЛ-изображении внутренней волны ¿light
Ширина области пониженной яркости на РЛ-изображении внутренней волны ¿dark
толще океана и на его поверхности возникают процессы, делающие возможным дистанционную регистрацию ВВ в видимом, инфракрасном (ИК) и микроволновом диапазонах. Глубина проникновения электромагнитных волн в ИК- и микроволновом диапазонах не превышает 1 мм, и поэтому на изображениях в указанных участках спектра регистрируются изменения характеристик самого тонкого поверхностного слоя. В иК-диапазоне -это измеряемые сотыми долями градуса вариации температуры, обусловленные ВВ [4], а в микроволновом диапазоне - вариации шероховатости поверхности моря (спектра поверхностного волнения), определяющие уровень рассеянного радиолокационного сигнала и приращение яркост-ной температуры. Горизонтально-неоднородные поверхностные течения изменяют характеристики ветрового волнения (амплитуду волн, распределение уклонов, скорость распространения и т.д.) вследствие взаимодействия волн с течением, перераспределения концентрации пленок поверхностно-активных веществ в зонах дивергенции и конвергенции течений, а также вариаций коэффициента турбулентного обмена [5-8]. В видимом диапазоне глубина проникновения волн может составлять метры - первые десятки метров, и поэтому ВВ могут быть зарегистрированы как по изменениям шероховатости поверхности, так и по изменениям интенсивности восходящего излучения вследствие перераспределения в фотическом слое взвешенных неорганических частиц и планктона под влиянием волновых движений в термоклине.
В общем случае ВВ проявляются на спутниковых видимых и РЛ-изображениях в виде дугообразных квазипериодических структур. В области гребня волны яркость изображения может быть как выше, так и ниже фоновой; могут наблюдаться и две полосы с разным знаком контраста относительно фона [7, 8], (рис. 1). Первые изображения ВВ из космоса были получены в 1975 г. [9]. В последующие годы съемка в видимом участке спектра со спутников серий Landsat и SPOT и зон-
дирование океана РЛС с синтезированной апертурой (РСА) с американского (Seasat), российских (Космос-1870, Алмаз-1), европейских (ERS-1, ERS-2 и Envisat), японского (JErS-1) и канадского (RADASAT) космических аппаратов позволили накопить обширный материал по поверхностным проявлениям внутренних волн. На основе анализа судовых и спутниковых данных появились обобщающие работы, дающие представление о пространственном распределении и характеристиках ВВ в мировом океане [2, 10-11].
В Японском море измерения ВВ осуществлялись путем регистрации колебаний изотерм на суточных гидрологических станциях [12]. Специализированные эксперименты по оценке их динамических характеристик по данным буйковых станций, буксируемых термодатчиков и измерителей течений проводились в основном на юге Приморья и у побережья Корейского п-ова [2, 1317]. Изображения РСА с отпечатками пакетов ВВ у побережья Кореи были проанализированы в [18, 19], а в работе [20] приведены изображения РСА Татарского пролива, полученные с интервалом 30 мин со спутников Envisat и ERS-2, на которых видны пакеты ВВ у юго-западного побережья о. Сахалин. 14 случаев поверхностных проявлений внутренних волн в Японском море отмечено в атласе [10]. Они были выявлены на радиолокационных и видимых изображениях Корейского пролива, прибрежных зон Корейского п-ова и Приморья.
ДАННЫЕ
Анализ пространственной и временной измен-чивостей ВВ в Японском море проводился с использованием архива РСА-изображений, полученных со спутников ERS-1, ERS-2 и Envisat (~350 кадров), и изображений в видимом диапазоне, полученных спектрорадиометром MODIS со спутников Terra и Aqua. Исходные двухбайтовые РЛ-изображения в формате PRI (Precision Image) преобразовывались в два файла: однобайтовый растр в графическом формате JPG и двумерный массив значений удельной эффективной площади рассеяния (УЭПР) в линейном масштабе. Расчет УЭПР по исходным значениям амплитуды рассеянного сигнала, содержавшимся в PRI-файле, выполнялся с помощью стандартного набора утилит SAR TOOLBOX (последняя версия называется BEST), разработанных в Европейском космическом агентстве (http://envisat.esa.int/services/best/software/download.ht-ml). При обработке разрешение обоих файлов изменялось с 12.5 до 100 м. Результирующий пиксел графического файла рассчитывался по матрице 8 х 8 бикубической интерполяцией, а значение УЭПР просто усреднялось окном того же размера. Графический файл затем подвергался процедуре эквализации путем коррекции гистограммы. При необходимости проводилась также
коррекция тренда яркости в зависимости от угла визирования. Такая пара файлов обеспечивает получение достоверной количественной информации о РЛ-контрасте при оптимальной визуализации изображения.
Архив РСА-изображений вместе с метаданными, в которые включены результаты интерпретации изображений, интегрирован в океанографическую географическую информационную систему (ГИС), созданную на основе технологий Интернета и являющуюся корпоративным ресурсом компьютерной сети нескольких институтов Дальневосточного отделения РАН [21]. Пользователи, обладающие требуемым уровнем доступа, могут просматривать каталог и РСА-изображения, а также получать выборку данных по комплексным запросам, включающим географические координаты, интервалы времени, характеристики спутников, номера орбит, явления в океане и в атмосфере и т.д.
Результаты сканирования Японского моря спектрорадиометром MODIS отбирались и загружались через портал MODIS Rapid Response Project http://rapidfire.sci.gsfc.nasa.gov/ центра космических полетов им. Годдарда (Goddard Space Flight Center - GSFC) в NASA. Для анализа использовались изображения в истинном цвете с разрешением 250 м, которые создавались комбинацией спектральных каналов 1 (длина волны X = 0.645 мкм, разрешение 250 м), 4 (X = 0.555 мкм, разрешение 500 м) и 3 (X = 0.469 мкм, разрешение 500 м). Для надежной регистрация ВВ при географической коррекции изображений устранялся эффект "bowtie" ("галстук-бабочка"), возникающий из-за перекрытия последовательных сканов прибора на кр
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.