ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2014, том 50, № 1, с. 30-40
УДК 551.46;556.54
ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ И МОНИТОРИНГ ГИДРОФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ ЧЕРНОГО МОРЯ
© 2014 г. В. А. Иванов
Морской гидрофизический институт НАНУкраины, 99011 Украина, Севастополь, ул. Капитанская, 2
E-mail: vaivanov@inbox.ru Поступила в редакцию 22.02.2013 г., после доработки 15.05.2013 г.
В рамках российско-украинской программы "Черное море как имитационная модель океана" рассматривается задача мониторинга морской среды с помощью современных измерительных систем. На основе исторических и современных данных наблюдений дается оценка пространственно-временных масштабов доминирующих процессов в Черном море. Описываются основные измерительные системы, использующиеся для наблюдения структуры и изменчивости гидрофизических полей. Приводятся примеры, характеризующие специфику процессов, протекающих в Черном море.
Ключевые слова: Черное море, мониторинг, пространственно-временные масштабы, движения, вергентные образования, дрифтеры.
Б01: 10.7868/80002351513060084
1. ВВЕДЕНИЕ
Исследования процессов гидродинамики Черного и Азовского морей, проводимые в рамках российско-украинского проекта "Черное море как имитационная модель океана", включают два компонента: натурные наблюдения и математические модели. Основной чертой бурно развивающихся в последние годы теоретической и оперативной океанографии является сочетание методов анализа данных наблюдений и гидродинамических прогнозов [1—17]. В статье [1] отмечено формирование нового этапа оперативной океанографии, связанного с созданием информационно-вычислительных комплексов (ИВК) для морских гидродинамических прогнозов. В нашей работе основное внимание уделяется развитию ИВК с точки зрения инструментального мониторинга морской среды. Приводится оценка пространственно-временных масштабов черноморской динамики и описываются основные измерительные системы, использующиеся для наблюдения структуры и изменчивости гидрофизических полей. Приводятся примеры, характеризующие специфику процессов, протекающих в Черном море.
При создании наблюдательной системы для Азово-Черноморского бассейна основной задачей является разработка и верификация базовой технологии оперативного мониторинга и прогно-
за состояния Черного и Азовского морей. Наряду с текущими прогнозами морской гидродинамики, технология должна обеспечивать решение ряда острых проблем региона, таких как сохранение естественного экологического баланса, прогноз опасных ситуаций, предотвращение или минимизация последствий катастрофических явлений и т.д.
Базовая технология оперативного мониторинга и прогноза состояния Азово-Черноморского бассейна основывается на теоретических и практических разработках, которые проводились на протяжении нескольких десятков лет [3, 4, 8—10]. Характерной особенностью современного этапа развития инструментального мониторинга является значительное увеличение массивов наблюдений за счет измерений со спутников и плавающих буев: дрифтеров, профилирующих буев Арго и т.д. С одной стороны, анализ новых данных позволяет улучшить наше понимание процессов, протекающих в природной среде, в том числе в Черном и Азовском морях. С другой стороны, новые массивы данных наблюдений требуют усовершенствования методов их обработки и анализа, включая методы статистической и вариационной ассимиляции данных в численных моделях. Увеличение пространственно-временного разрешения и точности данных наблюдений дает основание надеяться на успешное решение таких важных практических задач, как мониторинг текущего состояния, прогноз
ч м
я =к
о <ч о ч о
1-ч
Бароклинные волны Россби СВВО
ю :
Р*1
к{ + к2 + к32
ю
вк1
к12 + к22
Ю2 = Ж2е089 + /ТЗШб
- т ~ т/
т 6 ■ 104 < т < 102 с
Мелкомасштабная турбулентность
10
10
109
108
107
106
105
104
103
102
101
10°
Время, с
Рис. 1. Пространственно-временные масштабы волновых движений в Черном море (по оси абсцисс — время в секундах).
опасных явлений, оценка рисков морских катастроф [11].
С практической точки зрения технологию оперативного мониторинга и прогноза состояния Азово-Черноморского бассейна можно будет использовать в Центре морских прогнозов МГИ НАНУ, подразделениях гидрометеослужбы, МЧС, экологического контроля Украины и России, а также в качестве составной части системы мониторинга Мирового океана. В перспективе эта технология должна дать надежную и оперативную информацию о состоянии морской среды для принятия решений по вопросам управления прибрежными территориями, экспертизы проектов прибрежного строительства, освоения морских энергетических, минеральных и продовольственных ресурсов, развития аквакультуры, обеспечения безопасности морских перевозок. Технология контроля и прогноза морской среды позволит повысить экологическую и навигационную безопасность операций на море, минимизировать или избежать негативных последствий природных катастроф (экстремальные штормовые волны, сложные ледовые условия, загрязнения) и бесконтрольной хозяйственной деятельности человека.
2. ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫЕ МАСШТАБЫ ИЗМЕНЧИВОСТИ ПРОЦЕССОВ В ЧЕРНОМ МОРЕ
Энергонесущие движения в Черном море имеют характерные пространственно-временные масштабы, соответствующие длинам волн от 10 м до
100 км и более и временным периодам от 1—3 мин до 100 сут и более. Характерные глубины в Черном море изменяются от 100 до 2000 м, причем нижний предел соответствует характерной глубине шельфа моря, ширина которого меняется от 5 до 40 км, а в северо-западной части моря становится более 100 км. Тангенсы уклонов дна а в Черном море изменяются от 0.02—0.04 в шельфовой зоне, 0.05—0.07 в зоне свала глубин до 0.001—0.005 в центральных районах моря.
Диапазон изменения частоты Вяйсяля—Брента N(z), характеризующей интенсивность вертикальной плотностной стратификации вод в Черном море, по среднемноголетним данным следующий:
— в сезонном термоклине (глубины 0—50 м) 25.0-30.0 цикл/ч;
— в главном пикноклине (постоянном галокли-не, глубины 50—200 м) 7.0—10.0 цикл/ч;
— в глубоководной зоне моря (глубины 200— 2000 м) 0.8—1.0 цикл/ч.
Такие изменения N дают верхнюю оценку средней по всей толще вод частоты Вяйсяля— Брента N = 2 цикл/ч. Частота Кориолиса (/) в пределах Черного моря меняется от 0.054 до 0.061 цикл/ч, т.е. за среднее значение можно принять / = 0.058 цикл/ч, что соответствует периоду 17.2 ч. На рис. 1 приведены характеристики наблюдаемых синоптических вихре-волновых образований (СВВО) в Черном море в диапазоне временной изменчивости от 1 с до нескольких лет [9].
Анализ данных наблюдений показывает, что для описания климатической структуры гидрофи-
зических полей и динамики СВВО в Черном море следует использовать пространственную сетку с разрешением 0.1—1—5 км по горизонтали (прибрежная циркуляция, субмезомасштабные образования, синоптическая изменчивость и климатическая структура) и 0.1—1 м (в слое сезонного и главного пикноклина) по вертикали. Для описания изменчивости по времени следует учитывать, что масштабы процессов изменяются от нескольких минут (внутренние волны) до нескольких месяцев (бароклинные волны Россби) и более (климатические структуры).
3. СПУТНИКОВЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ И ВЕРГЕНТНЫЕ ОБРАЗОВАНИЯ
За последнее десятилетие данные дистанционного зондирования стали неотъемлемой частью наблюдательных систем контроля состояния морских акваторий и земной поверхности. Основное преимущество данных дистанционного зондирования — их обзорность, т.е. возможность за короткий промежуток времени (время пролета спутника над исследуемым районом) получить данные о пространственном распределении интересующих параметров на обширных территориях. Современные приборы, установленные на искусственных спутниках земли (ИСЗ), позволяют получать информацию о состоянии подстилающей поверхности в различных диапазонах электромагнитных волн: СВЧ, инфракрасном и оптическом, причем зондирование в СВЧ диапазоне может осуществляться как в пассивном режиме (измерение собственного излучения поверхности), так и в активном (радиолокационные системы).
Основными параметрами, определяющими сигналы дистанционных датчиков в СВЧ диапазоне, являются влажность и геометрические характеристики грунтов и растительного покрова, волнение, скорость ветра и поверхностные загрязнения морских акваторий. В ИК-диапазоне сигнал формируется собственной температурой подстилающей поверхности и ее излучательными свойствами. Формирующими сигнал параметрами в оптическом диапазоне являются отражательные и рассеивающие свойства суши и водных масс.
Параметры, контролируемые с помощью спутниковых данных, включают [2]:
— температуру подстилающей поверхности,
— характеристики растительного покрова, атмосферы и грунтов,
— биооптические характеристики водной среды,
— скорость ветра над акваториями и характеристики волнения,
— изменение уровня моря.
Указанные параметры морской среды позволяют изучать следующие процессы:
— особенности динамики течений в шельфо-вой зоне, определяющие обмен с глубоководной частью бассейна (апвеллинги, вихри и диполи, фронтальная неустойчивость, струйные течения и т.д.);
— изменение оптических свойств водной среды под воздействием загрязнений, биологических и минеральных примесей, влияющих на состояние экосистемы;
— состояние растительного покрова суши и эстуариев в процессе вегетации;
— образование ледового покрова и его трансформацию;
— наносы и эрозию берегов;
— гидрометеорологические особенности в прибрежной зоне;
— возникновение и распространение загрязнений;
— долгопериодные изменения в экосистеме моря и т.д.
Этот далеко не полный список показывает значимость спутниковых данных в системе наблюдений морских акваторий и возможности их использования как для решения задач оперативной океанографии, так и задач гидрометеорологии, экологии и сельского хозяйства, морской геологии, навигации и т.д.
Температура поверхности моря является одним из первых океанографических параметров, которые начали измерять с борта ИСЗ. Она рассчитывается по данным о радиояркостной температуре, измеряемой ИК- и СВЧ-радиометрами (включая
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.