научная статья по теме ПОВЕРХНОСТНЫЕ ПРОЯВЛЕНИЯ ВНУТРЕННИХ ВОЛН ПО ДАННЫМ ВИДЕОСИСТЕМЫ БЕРЕГОВОГО БАЗИРОВАНИЯ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ПОВЕРХНОСТНЫЕ ПРОЯВЛЕНИЯ ВНУТРЕННИХ ВОЛН ПО ДАННЫМ ВИДЕОСИСТЕМЫ БЕРЕГОВОГО БАЗИРОВАНИЯ»

ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2013, том 49, № 3, с. 364-369

УДК 551.466

ПОВЕРХНОСТНЫЕ ПРОЯВЛЕНИЯ ВНУТРЕННИХ ВОЛН ПО ДАННЫМ ВИДЕОСИСТЕМЫ БЕРЕГОВОГО БАЗИРОВАНИЯ

© 2013 г. О. Г. Константинов*, В. В. Новотрясов**

*Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева ДВО РАН 690041 Владивосток, ул. Балтийская, 43 **Дальневосточный федеральный университет 690091 Владивосток, ул. Суханова, 8 E-mail: vadimnov@poi.dvo.ru Поступила в редакцию 24.02.2012 г., после доработки 16.04.2012 г.

Приводятся результаты обработки оптических изображений поверхности в прибрежной зоне Японского моря с проявлениями внутренних гравитационных волн (ВГВ) в районе полуострова Гамов, а также результаты анализа натурных наблюдений за полем ВГВ в этом районе. По результатам обработки изображений определены параметры ВГВ: их длины и фазовые скорости. С помощью математической модели, учитывающей натурные даные о вертикальной стратификации прибрежных вод и нелинейность волнового процесса, выполнены расчеты параметров ВГВ в районе наблюдений. Сравнение параметров ВГВ, полученных с помощью модельных расчетов, с параметрами, полученными в результате обработки оптических изображений, показало их хорошее совпадение.

Ключевые слова: внутренние волны, поверхностные проявления, прибрежная зона, окраинное море.

DOI: 10.7868/S0002351513030097

ВВЕДЕНИЕ

Внутренние гравитационные волны (ВГВ) наблюдаются в прибрежной зоне океанов повсеместно, включая прибрежную зону Японского моря. Большая часть информации об этих волнах получена с помощью буйковых станций, измеряющих гидрологические параметры на нескольких горизонтах. Традиционные контактные средства регистрации ВГВ трудоемки и дороги [1]. В последние годы получили развитие дистанционные методы исследования поверхностных проявлений внутренних волн (ППВВ) с помощью аппаратуры, установленной на самолетах и спутниках [2]. В данной работе представлены результаты обработки оптических изображений морской поверхности с ППВВ, полученных в ходе натурных наблюдений 21.09.2011 г. за полем ВГВ у полуострова Гамов с помощью береговой видеосистемы. Карта-схема района исследования приведена на рис. 1а. По результатам обработки оптических изображений ППВВ определены, длины и фазовые скорости этих волн. С помощью математической модели, учитывающей натурные данные о вертикальной стратификации прибрежных вод, рассчитаны параметры ВГВ в районе эксперимента. Выполнено сопоставление этих парамет-

ров с аналогичными параметрами, полученными в результате обработки ППВВ.

АППАРАТУРА И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

В течение ряда лет в Тихоокеанском океанологическом институте им. В.И. Ильичева ДВО РАН в районе полуострова Гамов (рис. 1а) проводятся исследования внутренних гравитационных волн (ВГВ) [3, 4]. В сентябре 2011 г. с помощью двух притопленных автономных буйковых станций (ПБС), разнесенных на расстояние ~6.0 км, было организовано наблюдение за полем ВГВ. С использованием ПБС-2, 3 на горизонтах: г = 34, 28, 18 метров, термографами, разработанными компанией Onset, с частотой опроса 1 цикл/мин проводились измерения температуры с точностью ±0.2°С и разрешающей способностью 0.02°С. Во время эксперимента в точке с координатами: 42°35.04' N и 131°7' E была сделана суточная станция (цифра 4 на рис. 1а), на которой с 8 ч 23 мин зондом CTD Sea-Bird SBE19plus. с дискретностью 1 ч было выполнено 25 вертикальных зондирований температуры и электропроводности морской воды. Ошибки измерений зондом не превышали 0.005°С по температуре и 0.0005 Сим/м по электропроводности. Расчет условной плотности и

Рис. 1. а — Карта-схема района проведения осеннего эксперимента 2011 г. Цифрами 1, 2, 3, 4 обозначены места постановки береговой оптической системы, притопленных буйковых и суточной станций, соответственно. Отрезками прямых отмечено положение фронтов яркости. б — Панорамное изображение прибрежной зоны полуострова Гамов с поверхностным проявлением внутренних волн (ППВВ), спроецированное на горизонтальную поверхность.

частоты плавучести проводился по формулам UNESCO [7].

Для изучения поверхностных проявлений внутренних волн (ППВВ) использовалась береговая панорамная видеосистема контроля состояния морской поверхности (ВКМП), установленная на полуострове Гамов на высоте 92 м над ур. моря в точке с координатами: 42°34.9' N и 131°9.34' Е. ВКМП включает панорамную поляризационную камеру, регистрирующий элемент которой состоит из собственно видеокамеры в безкорпусном исполнении, размещенной в промышленном термокожухе К15/5-70-12 ОЛЕВС. Кожух с камерой жестко закреплен на оси шагового двигателя, установленного на треугольной панели. Технические характеристики ВКМП, размещенной на полуострове Гамов, представлены в таблице.

Угол поворота камеры при формировании отдельных кадров и количество кадров, определяющее угловые размеры панорамы, задавался программой управления камерой. В конструкции видеосистемы предусмотрены юстировочные узлы для позиционирования матрицы камеры — такие, чтобы горизонтальные стороны видеоматрицы лежали в плоскости вращения шагового двигателя, который позволяет использовать метод дискретного углового позиционирования видеосистемы. При таком позиционировании каждый фрагмент панорамы "захватывается" при одно-

значно определенном угле визирования. Поскольку в каждый момент захвата изображения известна ориентация видеосистемы относительно географической системы координат и высота расположения камеры, то легко рассчитать матрицу перехода из одной системы в другую и спроецировать изображение на горизонтальную плоскость, осуществив его привязку к географической системе координат. На рис. 1б показано панорамное изображение района эксперимента, спроецированное на горизонтальную поверхность с привязкой к географической системе координат. Применение методов цифровой обработки к упорядоченной по времени системе изображений с привязкой к географической системе координат

Технические характеристики ВКМП, размещенной на полуострове Гамов

Угол поля зрения в вертикальной плоскости 9°

Угол поля зрения в единичном кадре панора- 7.2°

мы в горизонтальной плоскости

Угловой шаг сканирования 7.2°

Высота расположения над ур. моря 92 м

Расстояние до кромки моря 500 м

Ориентация поляризатора-анализатора Р

Время формирования одной панорамы (120°), с 9

Рис. 2. Фрагменты четырех изображений морской поверхности, полученных 21.09.2011 г с интервалом ~13 мин. Ф1, Ф2, Фз — обозначения фронтов яркости.

позволяет оценить пространственные размеры и скорость перемещения изучаемых объектов.

АНАЛИЗ ДАННЫХ

Для анализа оптических изображений поверхностных проявлений ВГВ, полученных береговой ВКМП, использовались результаты панорамной видеосъемки (сектор обзора 265°, период регистрации панорамных изображений составляет 17 с, угловое разрешение камеры 1.75 град/пикс). В работе использованы четыре снимка, полученные 21.09.2011 г. в 10:31; 10:44; 10:57; и 11:11 местного времени (рис. 2а—2г). Снимки представляют последовательные панорамные изображения с разрешением (1/5) пикс/м прямоугольных фрагментов морской поверхности со сторонами: 4 и 1.9 км в районе полуострова Гамов. На рис. 2а хорошо различима черно-белая фронтальная полоса с повышенным уровнем яркости на общем фоне с резкой квазилинейной границей раздела яркости, выделенной нами темной линией, обозначенной Ф1. Стрелками отмечен поперечный пространственный масштаб (1/2)Х ~ 140 м. На последующих снимках указанная полоса смещается на северо-запад, сохраняя свою форму. При этом различные участки фронта Ф1 распространяются с постоянной скоростью под углом ~26° к меридиану. За время наблюдения полоса сместилась на расстояние ~1170 м так, что скорость его распространения составила величину Уф ~ 0.486 м/с. На

рис. 2г в тыловой части фронта Ф1 на расстоянии Я ~ 1050 м сформировалась еще одна область с резкими границами раздела яркости Ф2 и Ф3, разделенными расстоянием г ~ 250 м.

Во время наблюдений за ППВВ была выполнена суточная станция с целью определения фонового состояния гидрологических полей в районе эксперимента. По полученным данным были рассчитаны глубины залегания изотерм 12°С и 9°С, расположенных в окрестности одного из измерителей температуры. Анализ смещений изотерм показал, что их среднеквадратичное отклонение от положения (г = 27 м и г = 32 м соответственно) составляет А ~ 2 м. На рис. 3а представлены среднесуточные профили температуры Т(г) и частоты плавучести N(1). Проведенные расчеты показали, что среднее значение градиента температуры в нем составило ~1°С/м, а перепад температуры, создаваемый смещением изотерм в зоне термоклина, составляет ~4°С.

С использованием среднесуточного профиля N(1) численно была рассчитана зависимость длины волны первой моды от ее периода X = Х(Т) и распределение по глубине амплитудной функции горизонтальной компоненты орбитальной скорости частиц жидкости указанной моды. На рис. 3б представлены расчетные зависимости горизонтальной и(г) и вертикальной компонент скорости орбитального движения жидких частиц в зависимости от глубины в районе суточной

ПОВЕРХНОСТНЫЕ ПРОЯВЛЕНИЯ ВНУТРЕННИХ ВОЛН

367

(а)

10

Й 20 я

ю

30

40 И, м

С

10 20 N цикл/ч

(б)

0

(в)

1 ] / Щ(?) \ Щ ?)

10

20

м

а, н и б 30 - /

40 /

л Я

л

о

в а

я

и

750

500

250

0.46 (м/с)

И, м

0 10 20 30

Период, мин/цикл

Рис. 3. Среднесуточные профили температуры и частоты плавучести прибрежных вод в районе эксперимента (а). Дисперсионная зависимость X = Х(Т) первой моды ВГВ (б). Нормированные горизонтальная и вертикальная Ж(1) компоненты скорости орбитального движения частиц жидкости первой моды ВГВ в этом районе (в).

1

станции первой моды ВГВ, распространяющейся с фазовой скоростью Сф = 0.46 м/с, нормированные на максимальные значения. Из рисунка следует, что максимум вертикальной скорости располагается в районе максимума частоты плавучести. Более сложную форму имеет зависимость горизонтальной компоненты скорости от

глубины. Из рис. 3б следует, что ее главный максимум располагается в приповерхностном слое. Учитывая, что амплитуды вертикальных смещений А и

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