Исследование субмезомасштабных вихрей Балтийского, Черного и Каспийского морей по данным спутниковой радиолокации

Актуальность исследования.

Вихревые структуры — неотъемлемая часть циркуляции вод океанов и морей. Они играют существенную роль в процессах как горизонтального, так и вертикального перемешивания вод и, следовательно, участвуют в формировании гидрологической, гидрохимической и гидробиологической структуры морских вод {Harrison, 1980; Liu et al., 1988; Гинзбург, 1994; Bruce, 1995; Piontkovski etal., 1995; Graber, Limouzy-Paris, 1997; Gawarkiewicz et al., 2001; Afanasyev etal., 2002; Jayne, Marotzke, 2002; Oguz etal., 2002aBidigare et al., 2003; Pakhomov et al, 2003; Vaillancourt et al, 2003; Barbieri et al, 2004; Enriquez et al, 2005; Chow et al, 2008; Dong et al, 2009).

Субмезомасштабные вихри представляют собой наименее изученную часть океанических вихревых структур, т.к. вследствие малого масштаба и непродолжительности существования они практически недоступны для изучения контактными океанологическими методами {Лаврова, 2005; Lavrova, Bocharova, 2006; Костяной и др., 2010; Mityagina etal, 2010). Развитие спутниковых методов наблюдения за гидродинамическими процессами в поверхностном слое морских вод предоставило уникальные возможности для исследования этой категории вихрей.

В 1968 г. в ходе космической программы «Аполлон» были сделаны первые фотографии субмезомасштабных вихрей в зоне солнечного блика {Scully-Power, 1986; Stevenson, 1989, 1998; Munk et al., 2000; Eldevik, Dysthe, 2002). Эти вихревые структуры отчетливой спиралевидной формы, видимые из космоса или на спутниковых изображениях благодаря «прорисовывающим» их поверхностным пленкам, получили название «спиральные вихри» {, Scully-Power, 1986; Munk et al., 2000; Yamaguchi, Kawamura, 2009). К сожалению, это название не совсем удачное, так как спиральной структурой на поверхности обладают, пожалуй, большинство океанических вихрей. Поэтому в данной работе мы будем обозначать их термином «субмезомасштабные вихри».

В конце 1970;х годов наблюдения астронавтов были подтверждены на основе изображений, полученных РСА (Fu, Holt, 1982), а в дальнейшем с помощью анализа РЛИ и непосредственных наблюдений из космоса был выявлен повсеместный характер распространения этого типа вихрей в Мировом океане.

Несмотря на достаточно длительную историю наблюдения субмезомасштабных вихрей, до сих пор остаются малоисследованными такие аспекты, как параметры их трехмерной структуры, особенности зарождения и эволюции, характерное время жизни, физические механизмы и источники генерации, причины циклонической асимметрии, происхождение визуализирующих их на спутниковых изображениях филаментов и др. В наибольшей степени проблема выявления механизмов генерации субмезомасштабных вихрей касается открытых районов морских и океанических акваторий, для которых исключаются типичные для прибрежной зоны источники вихреобразования: влияние изрезанности береговой линии (.Гинзбург, 1992; Ivanov, Ginzburg, 2002) и неоднородностей дна (Блатов и др.,.

1983; Гинзбург, Федоров, 1984аМонин, Красицкий, 1985; Бычкова, Викторов, 1988; Гришин, 1993) — воздействие речного стока {Костяной и др., 2010) — сдвиговая неустойчивость, порожденная трением о берег {Блатов и др., 1983; Бычкова, Викторов, 1988; Гришин, 1993), и др. Как правило, в открытых частях морей субмезомасштабные вихри наблюдаются в виде обширных по площади кластеров плотноупакованных вихрей. В этом случае затруднительно даже предположить, неустойчивость какого течения могла привести к формированию такого количества вихрей.

Спутниковым РЛИ принадлежит важная роль в исследовании субмезомасштабных вихревых структур, т.к. эти изображения регулярно, независимо от наличия облачности и условий освещенности, предоставляют данные о процессах, протекающих в приповерхностном слое морских вод. Пространственное разрешение изображений, использованных в данной работе, составляет около 150 м, в то время как РСА нового поколения, такие как установленные на канадском спутнике Radarsat-2 и немецком TerraSAR-X, позволяют получать изображения с разрешением до 1 м {Александров, 2008).

Тем не менее, несмотря на очевидные преимущества РЛИ для визуализации гидродинамических структур, до сих пор было предпринято весьма небольшое количество попыток использования этих данных для обобщающего исследования субмезомасштабных вихрей морских акваторий. В частности, две работы такого рода были выполнены для вихрей Норвежского моря {Dokken, Wahl, 1996; Sandven etal., 2000). В первой из этих работ на основе анализа 350 изображений, полученных радиолокатором ERS-1 Synthetic Aperture Radar (SAR), были обобщены сведения о 61 вихревой структуре. В некотором объеме эти исследования были повторены в работе {Sandven et al., 2000), в которой было проанализировано 70 изображений ERS-2 SAR. В данной диссертационной работе было использовано свыше 2000 РЛИ ERS-2 SAR и Envisat Advanced Synthetic Aperture Radar (ASAR) с обнаружением около 14 тыс. вихрей.

Значительный научный интерес представляет также исследование принципов проявления вихревых структур на РЛИ. Помимо относительно хорошо известного механизма визуализации вихрей с помощью поверхностных пленок {Alpers, Huhnerfuss, 1989; Johannessen et al., 1994), существуют также и иные механизмы. Один из них обусловлен тем, что в областях горизонтального сдвига течения происходит усиление образования гравитационно-капиллярных волн, ответственных за рассеяние радиолокационного сигнала, поэтому такие сдвиговые области выглядят на РЛИ как более светлые участки {Dokken, Wahl, 1996; Johannessen etal., 1996; Ivanov, Ginzburg, 2002). Этот механизм визуализации вихрей на РЛИ особенно плохо изучен. Еще два возможных механизма — с помощью плавучего льда и из-за неоднородностей характеристик приповерхностного ветра над гидрологическими термическими фронтами {Dokken, Wahl, 1996; Johannessen etal, 1994) — также недостаточно хорошо изучены, и их вклад в визуализацию вихревых структур на РЛИ различных морей требует уточнения.

Следует отметить, что спутниковые изображения видимого диапазона с высоким пространственным разрешением (такие, как получаемые со спутников Ikonos, QuickBird, WorldView-1, WorldView-2 и др.) также могли бы быть хорошей основой для исследования субмезомасштабных вихрей во внутренних морях при отсутствии облачного покрова и наличия в поверхностных водах трассеров {Костяной и др., 2010). Однако, к сожалению, в отличие от радиолокационных данных, они предоставляются потребителям только на коммерческой основе.

Дополнительную актуальность представленным здесь исследованиям придает тот факт, что почти все имеющиеся сведения о субмезомасштабных вихрях относятся к акваториям либо открытых океанов, либо окраинных морей {Dokken, Wahl, 1996; Munk et al, 2000; DiGiacomo, Holt, 2001; Bassin et al., 2005; Yamaguchi, Kawamura, 2009; Marmorino etal, 2010). В данной же работе в качестве районов исследования были выбраны акватории трех внутренних морей, значительно различающихся по физико-географическим, климатическим, гидрологическим, гидробиологическим и др. параметрам. Таким образом, данное исследование позволяет провести сравнительный анализ процессов субмезомасштабного вихреобразования в различных физических, гидрологических и гидрометеорологических условиях.

Цель и задачи исследования

.

Данная работа направлена на исследование пространственно-временной изменчивости проявления субмезомасштабных вихревых структур на РЛИ Балтийского, Черного и Каспийского морей, полученных радиолокаторами Envisat ASAR и ERS-2 SAR в 2009;2010 гг.

Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:

1) подтверждение достоверности интерпретации детектированных вихревых структур на РЛИ путём сравнения с квазисинхронными изображениями видимого диапазона;

2) выявление временной изменчивости количества вихревых структур, обнаруженных на РЛИ, и определяющих ее факторов;

3) анализ пространственного распределения обнаруженных вихревых структур и выявление факторов, определяющих его изменчивость;

4) статистический анализ пространственного масштаба обнаруженных вихревых структур и его межсезонной изменчивости.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. На основе анализа свыше 2000 радиолокационных изображений Балтийского, Черного и Каспийского морей установлено, что субмезомасштабные вихри являются типичным и самым массовым элементом циркуляции поверхностных вод этих морей. Преобладающее большинство из 14 000 обнаруженных вихрей либо циклонические по знаку их вращения, либо представляют собой вихревые диполи с циклонической асимметрией.

2. В результате анализа полученных карт пространственного распределения субмезомасштабных вихрей выявлено, что эти вихревые структуры встречаются во всех частях акваторий исследуемых морей. Выдвигается предположение, что элементы крупнои мезомасштабной поверхностной циркуляции морей и особенности их береговой и «донной топографии не являются определяющими в пространственном распределении субмезомасштабных вихрей.

3. Выявленные особенности пространственно-временной изменчивости встречаемости вихрей на РЛИ, а также межсезонной изменчивости среднего диаметра вихрей позволяют полагать, что устойчивая плотностная стратификация поверхностных вод является одним из факторов, способствующих образованию субмезомасштабных вихрей.

4. В результате статистической обработки значений диаметра обнаруженных вихрей определены характерные размеры субмезомасштабных вихрей в рассматриваемых морях: 2,5 км в Балтийском и 5,5 км в Черном и Каспийском морях, что примерно в 3−4 раза меньше типичных для открытых районов этих морей значений локального радиуса деформации Россби.

Научная новизна работы.

В данной работе на основе анализа значительного массива радиолокационных данных впервые были получены важные обобщающие сведения о субмезомасштабных вихрях внутренних морей. В частности, в результате проведенного исследования впервые:

— оценен вклад различных механизмов в визуализацию вихрей на РЛИ Балтийского, Черного и Каспийского морей;

— выявлена и объяснена временная изменчивость количества вихревых структур, обнаруживаемых на РЛИ этих морейисследованы особенности пространственного распределения детектированных вихрей;

— получены статистические характеристики диаметра субмезомасштабных вихревых структур;

— выявлено, что продолжительность проявления на спутниковых изображениях наиболее крупной составляющей субмезомасштабных вихрей может достигать 7−8 дней.

Фактический материал и достоверность полученных результатов.

Фактический материал работы состоит из свыше 2000 РЛИ, полученных со спутников Европейского космического агентства Егтэа1 и ЕЯ8−2. Правильность интерпретации анализируемых в работе радиолокационных сигнатур основана на том, что помимо собственного опыта автора при детектировании вихревых структур был использован опыт интерпретации самолетных и спутниковых радиолокационных данных, накопленный исследователями за более чем тридцатилетний период и суммированный в многочисленных научных публикациях. Дополнительно достоверность интерпретации РЛИ подтверждается их сопоставлением с квазисинхронными спутниковыми изображениями видимого диапазона. На всех этапах выполнения работы ее результаты обсуждались с ведущими специалистами в области дистанционного зондирования океана и исследования вихревых структур по спутниковым изображениям.

Научная и практическая значимость работы.

Научная значимость работы состоит в получении и обобщении экспериментальных данных о наименее изученной категории океанических вихревых структур — субмезомасштабных вихрях — и выявлении факторов, определяющих пространственно-временную изменчивость их формирования и проявления на РЛИ. Полученные результаты могут быть использованы для дальнейшего изучения этих вихрей, проверки гипотез о механизмах их генерации, верификации модельных данных и т. д.

Практическая значимость работы определяется тем, что полученные в ней сведения о субмезомасштабной вихревой активности в исследуемых морях могут быть полезны для оценки вклада этих вихрей в процессы горизонтального переноса и вертикального перемешивания вод. Как известно, вертикальное перемешивание имеет большое значение при функционировании морских экосистем, т.к. благодаря ему происходит поставка питательных элементов для фитопланктона, повышая тем самым его биопродуктивность. Процессы горизонтального перемешивания, в свою очередь, важны для повышения возможностей морских экосистем к самоочищению. Эти процессы особенно актуальны для внутренних морей, подвергающихся значительному антропогенному стрессу (Graber, Limouzy-Paris, 1997; Титов, Прокопов, 2002; Коновалюк, 2005; Lavrova, Bocharova, 2006; Lavrova etal., 2008). Вклад в них субмезомасштабных вихрей на данный момент неизвестен, но считается, что он может быть сопоставим с вкладом мезомасштабных вихрей (Lapeyre, Klein, 2006; Митягина, Лаврова, 2008, 2009; Серебряный, Лаврова, 2008).

Личный вклад автора.

Представленные в работе результаты были получены автором лично либо при его непосредственном участии. В частности, автором лично:

— разработана программа исследований субмезомасштабных вихрей по.

РЛИ;

— проведен анализ радиолокационных данных в соответствии с намеченной программой;

— написаны программные коды для автоматизации обработки данных на этапах, допускающих такую обработку;

— осуществлены обобщение и анализ полученного эмпирического материала;

— подготовлены публикации и доклады по теме работы.

Апробация результатов работы и публикации.

Основные результаты работы изложены в 37 публикациях, из них:

— статьи в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК — 6;

— главы в книги — 1 ;

— статьи в сборниках материалов международных конференций — 4;

— статьи в сборниках материалов российских конференций — 4;

— тезисы докладов международных конференций — 6;

— тезисы докладов российских конференций — 16.

Результаты проведенного исследования докладывались и обсуждались на российских и международных конференциях. Среди них:

— IV-IX Конференции молодых ученых, посвященные Дню космонавтики, ИКИ РАН, Москва, 2007;2012 гг.;

— V-IX Всероссийские открытые конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса», ИКИ РАН, Москва, 20 072 011 гг.;

— XV, XVII и XVIII Международные конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов», МГУ, Москва, 2008, 2010, 2011 гг.;

— Pan Ocean Remote Sensing Conference (PORSEC), Гуанчжоу, Китай, 2008 г.;

— 38th COSPAR Scientific Assembly, Бремен, Германия, 2010 г.;

— Российская научная конференция «Зондирование земных покровов радарами с синтезированной апертурой», БНЦ СО РАН, Улан-Удэ, 2010 г.;

— Pan Ocean Remote Sensing Conference (PORSEC), Килунг, Тайвань, 2010 г.;

— Международная научно-практическая конференция «Прикладные аспекты геологии, геофизики и геоэкологии с использованием современных информационных технологий», МГТУ, Майкоп, 2011 г.;

— International Conference of Young Scientists «Land-Ocean-Atmosphere interactions in the Changing World», Балтийск, Россия, 2011 г.;

— Tenth International Conference on the Mediterranean Coastal Environment (MEDCOAST), Родос, Греция, 2011 г.;

— 4th International Workshop SeaSAR, Тромсе, Норвегия, 2012 г.

По материалам диссертационной работы также были сделаны доклады на семинарах соответствующих отделов ИКИ РАН (2010 г., 2012 г), ИО РАН (2010 г., 2012 г.), ИПМех РАН (2011 г.).

Структура и объем диссертации

.

Представленная работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Общий объем работы 187 стр., включая 72 рисунка и 15 таблиц. В списке литературы приведено 260 источников, из них 152 иностранных.

Краткое содержание работы.

В первой главе приведена современная классификация океанических вихревых структур и показано место, занимаемое в ней изучаемыми в данной работе субмезомасштабными вихрямиздесь же проведена сравнительная характеристика циркуляции и гидрологической структуры поверхностных вод исследуемых морей и типичных для них значений бароклинного радиуса деформации Россби. В заключительном разделе главы даны краткие сведения о спутниковых сенсорах, данные которых использованы в работе.

Во второй главе рассмотрены механизмы визуализации вихревых структур на РЛИ и изображениях видимого и инфракрасного (ИК) диапазонов, а также представлены результаты их совместного анализа с целью подтверждения верности интерпретации анализируемых в работе радиолокационных сигнатур вихрей. В этой же главе на основе анализа последовательных изображений, полученных РСА Envisat ASAR и спектрометром Envisat Medium Resolution Imaging Spectrometer (MERIS) для юго-восточной части Балтийского моря в июле — начале августа 2008 г., проведена оценка длительности визуализации субмезомасштабных вихревых структур на спутниковых изображениях.

В третьей главе приведена характеристика массива используемых радиолокационных данных и проанализированы полученные сведения о межсезонной и межгодовой изменчивости количества вихрей, детектируемых на РЛИдоли РЛИ с обнаруженными вихревыми структурами в общем количестве проанализированных РЛИ и др. статистических параметров.

В четвертой главе описывается методика получения схем пространственного распределения обнаруженных вихревых структур и проводится их анализ с выявлением причин, обусловивших наблюдаемую пространственно-временную неоднородность в распределении вихрей.

В этой же главе приводятся результаты статистического анализа пространственного масштаба вихревых структур. Для различных групп вихрей получены выборочные статистики диаметра вихрей (объем выборки, среднее, мода, медиана, среднеквадратическое отклонение) — выявлены особенности частотных гистограмм распределения полученных значений диаметров вихрейрассмотрена межсезонная изменчивость среднего диаметра вихрей.

В заключении перечислены основные полученные результаты.