научная статья по теме О ВЕТРОВОМ РЕЖИМЕ МЕЛКОВОДЬЯ КАК ФАКТОРЕ ФОРМИРОВАНИЯ СПУТНИКОВЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ МОРЯ (НА ПРИМЕРЕ ЮЖНОГО КАСПИЯ) Геофизика

Текст научной статьи на тему «О ВЕТРОВОМ РЕЖИМЕ МЕЛКОВОДЬЯ КАК ФАКТОРЕ ФОРМИРОВАНИЯ СПУТНИКОВЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ МОРЯ (НА ПРИМЕРЕ ЮЖНОГО КАСПИЯ)»

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.

Показать целиком