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.