ОКЕАНОЛОГИЯ, 2011, том 51, № 5, с. 807-817
= ФИЗИКА МОРЯ
УДК 551.465
О ВЕТРОВОМ РЕЖИМЕ МЕЛКОВОДЬЯ КАК ФАКТОРЕ ФОРМИРОВАНИЯ СПУТНИКОВЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ МОРЯ (НА ПРИМЕРЕ ЮЖНОГО КАСПИЯ)
© 2011 г. Г. С. Карабашев, М. А. Евдошенко
Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва e-mail: genkar@mail.ru Поступила в редакцию 28.12.2010 г., после доработки 16.05.2011 г.
Используя оценки приводного ветра по скаттерометру QuickScat и определения спектральных нормализованных яркостей сканером цвета океана SeaWiFS за 2000—2004 гг., мы построили пару сред-немноголетних изображений полигона в Южном Каспии при ветрах западного и восточного направлений, соответствующих условиям сгона и нагона на восточном мелководье в границах полигона. Установлено, что "сгонная" и "нагонная" яркости растут с приближением к берегу, но первая из них почти вдвое превышает вторую посредине мелководья с глубинами 10—15 м, тогда как на мористой границе мелководья и в прибрежье их разность близка к нулю независимо от длины волны солнечного излучения. Эти и другие закономерности объясняются тем, что донные осадки, взмученные дрейфовым течением, быстрее диффундируют в приповерхностный слой при сгонном ветре, чем при нагонном, благодаря наклону дна мелководья. Результаты работы указывают на универсальность влияния взмучивания донных осадков на распределение яркостей мелководных акваторий и необходимость его учета для совершенствования биооптических алгоритмов оценки примесей в толще мелководий по спутниковым данным .
ВВЕДЕНИЕ
Акватория считается оптически мелководной, если яркость солнечного излучения, проникшего в воду и обратно рассеянного в атмосферу, зависит как от эффектов на границе раздела вода—воздух и взаимодействия света с составляющими морской воды, так и от диффузного рассеяния света на границе раздела вода—грунт и на частицах взвеси, взмученной придонными течениями. Именно яркость водной поверхности определяет структуру ее спутниковых изображений. Поэтому появление дополнительных факторов изменчивости яркости затрудняет определения хлорофилла, взвеси и прочих примесей на мелководье по сравнению с глубоким бассейном. С другой стороны, проявления таких факторов на снимках мелководий представляют интерес как источник информации об их природе.
Было показано [6], что толщина слоя формирования 90% восходящей яркости моря обратно пропорциональна показателю ослабления солнечного излучения Кй. Он зависит от длины волны X и минимален в "окне прозрачности" (ОП) морской воды, т.е. в спектральном интервале наименьшего ослабления света с глубиной. Вода как таковая настолько сильно поглощает красный свет (X > 660 нм), что он проникает не глубже 1—2 м на любой акватории независимо от наличия светопоглощающих примесей в морской воде. В сине-фиолетовой области (X < 480 нм) поглощение света водой ничтожно по сравнению со светопоглощением естествен-
ными примесями в природной водной среде. Главными среди них являются стойкие окрашенные растворенные органические вещества (ОРОВ). Их способность поглощать свет экспоненциально убывает с длиной волны излучения, а концентрация в морской среде меняется на 2—3 порядка своей величины в зависимости от речного стока и продуктов разложения морской биоты. Поэтому коротковолновая граница ОП смещается по шкале длин волн в "красную" сторону при росте Ка вслед за содержанием ОРОВ в воде. Как следствие, в открытом океане с предельно низким содержанием ОРОВ "окно прозрачности" приходится на интервал 470 < X < 490 нм, где Ка составляет 0.02—0.03 м-1, и восходящая яркость образуется в поверхностном слое глубиной до нескольких десятков метров. Глубина такого слоя не превышает нескольких метров в предустьевых районах и зонах высокой биопродуктивности, где ОП смещается к 530-560 нм.
Таким образом, оптически мелководные акватории крайне разнообразны по географии и океанологическим характеристикам. Они представляют интерес своими минеральными, пищевыми и рекреационными ресурсами и активно изучаются по спутниковым данным на протяжении последних десятилетий [5]. При всех успехах, ряд аспектов оптики мелководий недостаточно изучен. Как выяснилось [2], изменения очертаний и локализация спектрально-яркостных контрастов над обособленным элементом рельефа дна мелководья, обуслов-
У У
Рис. 1.1 — изобаты рельефа дна полигона согласно батиметрической модели Са8ру-30 для Каспийского моря при уровне моря —27 м. 2 — местоположение полигона (пунктир) в Каспийском море. X и У — расстояния, км, по долготе и широте относительно точки 36°30' с.ш., 46°36' в.д.
ленные взмучиванием и переносом осадков придонными течениями, могут быть обнаружены действующими сканерами цвета океана. Ветровой режим считается главным фактором изменчивости течений в Каспийском море [1, 8 и др.], поэтому важно определить его влияние на спутниковые изображения каспийских мелководий в масштабах, превышающих протяженность отдельных элементов рельефа дна.
Настоящая работа посвящена исследованию на подступах к решению этой задачи. Ее рекогносцировочный характер обусловлен многочисленными трудностями, начиная с отсутствия прямых предшественников. Изучению каспийских мелководий препятствовала недоступность цифровой батиметрии моря. Ситуация изменилась с появлением цифровой модели рельефа Каспия Савру-30, которая содержит высотные данные Каспийского региона на сетке с шагом 30 секунд. Модель создана в Лаборатории Каспийского моря ИВП РАН (Ьйр://са8-pi.ru/) и используется нами для визуализации рельефа дна Южного Каспия после проверки на элементах рельефа дна, описанных в [2].
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Рекогносцировочное исследование целесообразно выполнить на примере морского мелководья, свойства которого благоприятны для распознавания эффектов, влияющих на амплитуду, очертания и простирание спектрально-яркостных контрастов на изображениях акватории. В этом отношении каспийское юго-восточное мелководье (КЮВ-мел-ководье) представляется наилучшим из таковых в морях европейской части России. Оно протянулось с юга на север на 200 км и на востоке ограничено берегом вдоль меридиана (1 на рис. 1). С запада КЮВ-мелководье очерчено резким свалом глубин (изобаты 20—30 м) с почти линейным отрезком в интервале 80 км < У < 180 км вдоль направления ССЗ-ЮЮВ. Направление свала меняется на ССВ-ЮЮЗ на отметке У ~ 190—200 км (точка перегиба). Изобата 10 м, почти параллельная восточному берегу, отстоит от него на 20—30 км, тогда как западная граница КЮВ-мелководья на юге приближаются к береговой черте. Расположение изобат на рис. 1 означает, что к югу от точки перегиба дно акватории наклонено преимущественно на запад и что крутизна наклона дна существенно убывает с юга на север, а широтное простирание мелководья растет с
уменьшением наклона дна. Такая форма дна акватории благоприятна для выявления связи между структурой изображений КЮВ-мелководья и ветрами с азимутами Az ~ 90° (нагон) и Az ~ 270° (сгон).
Прозрачность вод Южного Каспия вне мелководий и прибрежий заметно выше, чем в остальных его регионах, и характеризуется глубиной видимости белого диска до 15—20 м в теплое время года [1]. В отличие от мелководий в предустьевых районах крупных рек (Волги на Каспии, Дуная в Черном море и др.), на юге в Каспий впадают лишь несколько сравнительно маловодных горных рек, уступающих равнинным рекам по содержанию ОРОВ. Эти реки и местная биота поставляют умеренные количества ОРОВ в воду, что упрощает истолкование неодно-родностей яркости морской поверхности. Прозрачность вод южно-каспийского бассейна и резкий спад глубины между ним и КЮВ-мелководьем обеспечивают максимальную чувствительность изображений акватории к смещениям вод поперек свала глубин, когда яркость КЮВ-мелководья усилена благодаря местным факторам. По-видимому, такое усиление происходит постоянно, так как яркостный максимум на мелководье характерен для большинства спутниковых снимков Южного Каспия, но очертания, структура и простирание яркостного максимума на мелководье крайне изменчивы.
С учетом изложенного было решено ограничиться оценками среднемноголетних распределений спектральных нормализованных яркостей на юго-восточном мелководье Каспийского моря раздельно при ветрах восточного (нагон) и западного (сгон) направлений. Для этого были сформированы массивы нормализованных яркостей и векторов приводного ветра за 2000—2004 гг. Первый из них объединил цифровые изображения Каспия, зарегистрированные сканером цвета океана SeaWiFS и полученные с сайта NASA http://oceancolor.gsfc. nasa.gov/ (данные уровня L2, версия 5.3, с размерами пикселей на местности 1.1 х 1.1 км при наблюдении в надир для нормализованных яркостей L на длинах волн X = 412, 443, 490, 510, 555 и 670 нм). Во второй массив вошли оценки поля приводного ветра на сетке с шагом 15' по данным скаттерометра QuickScat для первой половины суток. Они были загружены с адреса http://poet.jpl.nasa.gov. в виде табличных файлов, строки которых содержат географические координаты узлов сетки и оценки меридиональной и зональной составляющих скорости ветра вместе с ее модулем.
Чтобы получить реалистичное представление о распределениях яркостей и скорости ветра на мелководье, данные SeaWiFS^ и QuickScat^ за один и тот же день года вместе с батиметрией дна отображались в виде совмещенных карт для полигона на рис. 1. Для совместного анализа полей ветра и яркости отбирались данные для дней года, когда (1) средняя скорость сгонно-нагонного ветра на поли-
гоне была не ниже 3.5 м/с, что уменьшило влияние погрешностей скаттерометра на качество отбора исходных данных; (2) изображение полигона приходилось на среднюю часть полосы обзора сканера, а пиксели с яркостью, свободной от влияния облачности и прочих помех, занимали не менее трети площади полигона. Дни года при ветрах с азимутом 67°30' < Ах < 112°30' относили к выборкам данных при нагоне (Нг), а при 247°30' < Ах < 292°30' - к данным при сгоне (Сг). Чтобы повысить достоверность разделения данных по направлению ветра, в эти выборки включали только дни года, когда число определений вектора скорости на полигоне составляло не менее половины от чис
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.