Океанография и морской лед

Рис. 4. Пример записи изменений вертикального профиля температуры в северной части моря Лаптевых по данным притопленной буйковой станции в период с 9 сентября 2003 г. по 6 февраля 2005 г.

Дрейфующие буйковые измерительные комплексы

Одним из перспективных направлений развития наблюдательной сети в СЛО является создание и поддержка системы автономных дрейфующих измерительных комплексов, выполненных на базе современных технических средств, позволяющих получать высокодискретные вертикальные профили гидрофизических характеристик в толще воды, осуществлять глобальное позиционирование, выполнять операции обмена данными с использованием спутниковых каналов связи. Впервые подобный подход был опробован в рамках совместного американо-канадско-японского проекта Beaufort Gyre Exploration Project (проект исследований в круговороте Бофорта). Специально для задач проекта был разработан научно-технический комплекс, получивший наименование ITP (Ice-Tethered Profiler). В период 2004–2005 гг. на дрейфующем льду моря Бофорта были установлены три прототипа ITP. Опыт эксплуатации прототипов (два из трёх сохраняли работоспособность в течение десяти месяцев с момента установки, передав на сервер разработчиков результаты профилирования температуры и солёности более чем в тысяче пунктов каждый, а также большой объём диагностической информации о состоянии прибора) позволил обосновать целесообразность дальнейшего развития проекта.

Комплекс ITP состоит из трёх основных компонентов: находящегося на поверхности льда буя, подвеса с концевым грузом и профилографа, перемещающегося в вертикальном направлении по подвесу (рис. 5). Буй представляет собой выполненный из пенопласта высокой плотности цилиндр, внутри которого размещен водонепроницаемый алюминиевый бокс с электронной аппаратурой. Набор аппаратуры включает в себя контроллер, индукционный модем, GPS-приёмник, оборудование спутниковой связи системы Iridium. Антенны GPS-приёмника и спутникового телефона размещены в верхней, выступающей за пределы пенопластового кожуха, части бокса и защищены прочным радиопрозрачным колпаком. Также в корпусе буя размещаются аккумуляторные батареи. Поздние модификации комплекса стали оснащаться пенопластовым конусом, призванным обеспечить бую дополнительную плавучесть, что позволяет производить установку на открытой воде. Конус устанавливается на лёд вершиной вниз, а на его основание монтируется блок с аппаратурой. К нижней части буя металлическим фланцем крепится кабель-трос подвеса. Кабель-трос совмещает функции направляющей движения профилографа и сигнальной линии. Для того чтобы подвес принимал вертикальное положение при значительных скоростях дрейфа, к его нижнему концу подвешивается груз весом около 100 килограмм. Верхние 5 метров кабель-троса защищены от механических воздействий льда уретановым рукавом. Кроме того, на нижнем конце рукава закреплена бронзовая контактная пластина, обеспечивающая коммуникационной схеме комплекса электрическую «землю». Перемещающийся по подвесу профилограф представляет собой пластиковый бокс цилиндрической формы, внутри которого размещены: измерительное оборудование Sea-Bird 41CP CTD, индукционный модем, электродвигатель, аккумуляторные батареи. Состав измерительного оборудования может быть расширен за счёт оснащения профилографа дополнительными датчиками. Профилограф монтируется на кабель-тросе через верхний и нижний направляющие ролики, а также ролик электродвигателя. Вращение плотно прижатого к тросу ролика электродвигателя и обеспечивает вертикальные перемещения профилографа. Коммуникационный обмен с поверхностным блоком осуществляется посредством индукционных модемов. Модем профилографа наводит в проводнике кабель-троса полезный сигнал, считываемый модемом, размещённым в корпусе буя. Заряда аккумуляторных батарей комплекса хватает не менее чем на два года непрерывной работы. Разворачивается комплекс с использованием специального оборудования силами трёх человек в течение трёх-четырёх часов.

Рис. 5. Схема (а) и процесс установки (б) элементов комплекса ITP

Начиная с 2006 года и по настоящее время на дрейфующих льдах Арктического бассейна ежегодно выставляется от трёх до двенадцати буёв ITP, а всего за рассматриваемый период в Арктике было задействовано тридцать восемь комплексов. Общее количество полученных профилей оценивается в тридцать тысяч.

На рис. 6 с цветовой дифференциацией по годам представлены пункты акватории Арктического бассейна, в которых было выполнено профилирование комплексами ITP. Как видно, наибольшая концентрация точек профилирования достигнута в акватории моря Бофорта, в соответствии с первоначальными целями проекта. Однако и в центральной части Арктического бассейна были задействованы двенадцать буёв ITP, в том числе в период МПГ в рамках российских арктических экспедиций на НЭС «Академик Федоров» были установлены в 2007 году пять комплексов, в 2008 году – 4 комплекса ITP.

Рис. 6. Положение пунктов в Арктическом бассейне СЛО, в которых с буев ITP выполнялось профилирование в период 2004–2010 гг.

Дрейфующие комплексы ITP являются автономными платформами, обеспечивающими регулярное поступление оперативной океанографической информации в течение всего года. Поздние модификации буёв выполняют термохалинное профилирование до шести раз в сутки. Наличие приёмника GPS позволяет рассматривать комплекс как источник информации высокого временного разрешения о характере дрейфа морского льда в месте нахождения буя. В случаях удачного выбора района постановки, когда льдина-носитель оказывается вовлечённой в продолжительный дрейф и в течение долгого времени не разрушается и не выносится из Арктического бассейна, комплекс ITP несколько лет может служить поставщиком океанографических данных (рис. 7).

Рис. 7. Пример записи изменений вертикального профиля температуры в приполюсном районе по данным ITP-буя № 14 в период с 13 сентября по 5 ноября 2007 г.

Накопленный опыт использования ITP позволил выявить и устранить ряд технологических недостатков, оптимальным образом реализовать заложенные на этапе проектирования комплекса идеи. Таким образом, можно считать, что наиболее затратный в экономическом отношении период опытной эксплуатации преодолён. Стоимость производства и развёртывания комплекса невелика в сравнении с затратами на организацию океанографических наблюдений с других платформ, таких как научно-исследовательские суда и дрейфующие станции. Конечно, ITP не обеспечивает комплексную регистрацию дополнительных параметров, характеризующих состояние снежно-ледяного покрова и атмосферы. Этот недостаток может быть устранён путём использования ITP в составе автономных дрейфующих обсерваторий, включающих также автоматические метеостанции, балансомерные ледовые буи и другое измерительное оборудование. Ввиду особенностей конструкции, обусловленных необходимостью адаптации комплекса к усреднённым характеристикам ледяного покрова и батиметрическим условиям на целевой акватории, ITP не может получать информацию о поверхностном слое воды до глубины 5–7 метров и выходить на мелководные участки Арктического бассейна. Тем не менее, с помощью ITP-комплексов может осуществляться мониторинг пространственного расположения струи Атлантических вод и термохалинных характеристик в их ядре. Поскольку совокупность перечисленных параметров определяет один из основных климатообразующих факторов арктического региона, дальнейшее развитие программы ITP на всей глубоководной части акватории СЛО представляется перспективным направлением научных исследований в Арктике.

Заключение

Подводя итог обзора автономных измерительных комплексов можно отметить, что если заякоренные комплексы нацелены в основном на изучение гидрологических процессов, то задачам мониторинга гидрофизического состояния СЛО в большей степени отвечают дрейфующие буйковые станции. Современные модификации дрейфующих комплексов позволяют осуществлять их постановку как на открытую воду, так и на дрейфующий лед. Наряду с этим надежность разработанных и уже используемых комплексов доказывает высокую экономическую эффективность их дальнейшего использования в Арктике вне зависимости от направленности климатических изменений и состояния ледяного покрова. Кроме этого дрейфующие буйковые станции являются единственными автономными платформами, обеспечивающими оперативное поступление океанографической информации в течение круглого года. В экономическом отношении они значительно выигрывают у дрейфующих ледовых станций, организация, обеспечение и эвакуация которых приводит к высоким финансовым затратам.

S.A. Kirillov[8 - Arctic and Antarctic Research Institute], K.V. Filchuk[9 - Arctic and Antarctic Research Institute]. The anchored and drifted observational platforms for continuous registration of seawater parameters in the Arctic Ocean

Аbstract

The anchored and drifted observational platforms are considered as the main autonomous techniques which gains information on hydrophysical state of the Arctic Ocean. The advantages and disadvantages of both methods are discussed along with the perspectives of their further using for the observational network in the Arctic.

Е.В. Блошкина[10 - Арктический и антарктический научно-исследовательский институт, Санкт-Петербург, Россия], А.К. Платонов[11 - Арктический и антарктический научно-исследовательский институт, Санкт-Петербург, Россия], Н.А. Куссе-Тюз[12 - Арктический и антарктический научно-исследовательский институт, Санкт-Петербург, Россия], В.И. Дымов[13 - Арктический и антарктический научно-исследовательский институт, Санкт-Петербург, Россия], Т. А. Пасечник[14 - Арктический и антарктический научно-исследовательский институт, Санкт-Петербург, Россия], В.В. Алексеев[15 - Арктический и антарктический научно-исследовательский институт, Санкт-Петербург, Россия]

Возможности и перспективы мониторинга и изучения гидрологических условий Северного Ледовитого океана по данным спутниковых измерений

Аннотация

Статья посвящена возможностям использования спутниковой информации для мониторинга и изучения гидрологических условий Северного Ледовитого океана и его морей. Приводятся основные технические характеристики некоторых космических спутников и аппаратов дистанционного зондирования Земли. Рассматриваются особенности космического зондирования для определения температуры поверхности океана и уровня моря. Обсуждается вопрос использования спутниковой альтиметрической информации для верификации моделей ветрового волнения и её усвоение (ассимиляция) моделями ветрового волнения в оперативной практике. На конкретном примере показывается, что спутниковые данные по морскому волнению не всегда подходят для оперативной ассимиляции. Наблюдения за проявлениями на поверхности моря сложных динамических метеорологических и океанографических явлений, пятен поверхностных загрязнений позволяют проводить радиолокаторы с синтезированной апертурой, установленные на борту космических спутников.

Введение

Результаты анализа изменений гидрометеорологических процессов различных пространственно-временных масштабов, наблюдающихся в последние десятилетия в Арктическом бассейне Северного Ледовитого океана (СЛО), позволяют судить о современном состоянии и дальнейшем развитии глобальной климатической системы. Данных, получаемых различными контактными методами для изучения этих изменений, недостаточно. В связи с этим, важной задачей современных полярных исследований является применение спутниковой информации для мониторинга различных гидрологических характеристик и ее использование в прогностических и диагностических моделях. Основными преимуществами данных дистанционного зондирования (ДДЗ) над контактными методами является их относительная доступность, оперативность, высокое пространственное и временное разрешение. К факторам, затрудняющим применение части ДДЗ в Арктическом бассейне, можно отнести сезонные ограничения, связанные с распределением ледяного покрова и освещённостью поверхности моря, а также частым экранным эффектом облачности.

Температура поверхности океана

Одним из важнейших гидрологических параметров является температура воды. На сегодняшнем этапе развития космической океанологии спутниковые методы позволяют получать только данные распределения температуры поверхности океана (ТПО). Но уже сейчас существуют модели, позволяющие на основе данных дистанционного зондирования рассчитывать вертикальное распределение этой характеристики.

Первый спутник серии TIROS-N агентства NOAA, несущий на себе радиометр AVHRR, измеряющий ТПО в инфракрасном (ИК) диапазоне, был запущен еще в 1978 году [http://ngdc.noaa.gov (http://ngdc.noaa.gov/)]. Наиболее широкое использование методов получения ТПО из космоса начинается с 1990-х годов. На данный момент наилучшие ИК-данные по ТПО предоставляются радиометрами MODIS (спутники Aqua и Terra) и AVHRR/3.

Огромным достижением в развитии данного направления спутниковой океанологии стала возможность использования приборов, измеряющих ТПО в микроволновой части спектра (спутник TRMM с камерой TMI (1997 г.) [http://trmm.gsfc.nasa.gov (http://trmm.gsfc.nasa.gov/)], спутник Aqua с радиометром AMSR-E (2002 г.)).

Каждый из двух методов измерения ТПО имеет свои недостатки. Для инфракрасного излучения непреодолимой преградой является облачность любого типа, что не позволяет получать данные о ТПО в районах закрытых облаками. Также определенную негативную роль играет наличие в атмосфере различных аэрозолей, газов, водяного пара и состояние водной поверхности.

При сканировании морской поверхности в микроволновом диапазоне важную роль играют различные атмосферные явления, такие как осадки, сильный ветер, некоторые виды облачности, которые могут приводить к существенным ошибкам при измерении ТПО. Из-за малого разрешения снимка становится невозможным качественное определение ТПО вблизи берегов и кромки льда.

ИК и микроволновое излучения проникают под водную поверхность только на глубину порядка 1 мм, что также влияет на точность значений ТПО из-за наличия скин-слоя.

В общем случае на качестве спутниковой информации сильно сказываются угол сканирования камеры, положение конкретного пиксела на снимке, наличие солнечных бликов.

Пространственное разрешение данных, получаемых с ИК и микроволновых радиометров, очень отличается. Для ИК-камер оно достигает 1 км, для микроволновых радиометров – 50 км. Поэтому, при решении различных задач необходимо учитывать особенности этих методов измерения ТПО. Также, в некоторых случаях, возможно совместное использование данных, полученных как в инфракрасном, так и микроволновом диапазонах. Технические характеристики и точность измерения различных космических аппаратов и измерительных приборов представлены в таблице 1 [http://gis-lab.info/projects/ss/ss.html (http://gis-lab.info/projects/ss/ss.html)], (Гарбук, Гершензон, 1997).

Таблица 1. Технические характеристики спутников и приборов, измеряющих ТПО

Возможность получения данных о ТПО по всей акватории Северного Ледовитого океана зависит от распространения ледяного покрова. Площадь, освещенная информацией, ограничена районами чистой воды, т. е. для областей, покрытых льдом, данные отсутствуют.

Достаточно большое количество результатов обработки измерений ТПО со спутников находятся в свободном доступе, как в цифровой форме, так и в виде изображений в сети Интернет. Для оценки возможности использования таких результатов обработки был проведен сравнительный анализ данных о ТПО, полученных CTD-зондированием (зонд SBE-19 plus) в экспедиции «БАРКАЛАВ-2008», организованной в рамках Международного Полярного года (МПГ), и со спутника AQUA камерой AMSR-E. На рис. 1 представлены карты распределения ТПО для полигонов в Карском море и море Лаптевых. Для построения этих карт использовались данные в цифровой форме (сайт ftp://podaac.jpl.nasa.gov/pub/GHRSST/data/L2P_GRIDDED/AMSRE/).

Рис. 1. Карты распределения ТПО: на полигоне в Карском море (а, б) (август 200 года), на полигоне в море Лаптевых (в, г) (сентябрь 200 года); а), в) – по данным CTD-зондирования; б), г) – по данным спутниковых измерений

Рис. 1 (продолжение). Карты распределения ТПО: на полигоне в Карском море (а, б) (август 2008 года), на полигоне в море Лаптевых (в, г) (сентябрь 2008 года); а), в) – по данным CTD-зондирования; б), г) – по данным спутниковых измерений

Положение фронтальных зон на полигонах хорошо согласуется друг с другом. Расхождения в значениях ТПО лежат в пределах ошибки измерения спутника. Коэффициент корреляции достигает 0,9. Необходимо отметить наличие систематической ошибки: данные дистанционного зондирования превышают значения ТПО, полученные контактными методами примерно на 0,2 °С. Наличие такой ошибки может быть связано с несовершенством методики обработки спутниковых измерений для СЛО. Такие методики разрабатываются и модернизируются на основе натурных данных, преимущественно полученных для тропических районов. Для большинства же районов акватории СЛО область покрытия регулярными измерениями мала по сравнению с другими областями Мирового океана, что, возможно, и приводит к наличию систематической ошибки в значениях ТПО. Поэтому данные, полученные в экспедициях «БАРКАЛАВ–2007» и «БАРКАЛАВ–2008», организованные в рамках МПГ, можно рассматривать как подспутниковый эксперимент, проведенный на акватории СЛО. Подробные площадные съемки Карского моря и моря Лаптевых дают возможность использовать эти данные для усовершенствования методик обработки спутниковой информации о ТПО для Арктического бассейна.

Таким образом, на основе данных дистанционного зондирования можно получать оперативную информацию о положении температурных фронтов, об их изменчивости в пределах различных временных масштабов. Использование абсолютных значений ТПО для акватории СЛО требует усовершенствования методов обработки результатов спутниковых измерений.

Уровень океана

При исследовании динамических процессов важной характеристикой является уровень океана. В настоящее время существует очень мало измерений этой характеристики на открытой акватории СЛО. С развитием спутниковой океанологии появилась возможность получать в реальном времени данные о динамической топографии океана, что открыло широчайшие перспективы в исследовании динамики морей и океанов.

Изначально задачей альтиметрии являлось уточнение формы геоида и гравитационной модели Земли. Первые спутники (Skylab, Geos, Seasat), несущие на себе альтиметры, были запущены в США в 1970-х годах. Широкое внедрение спутниковой альтиметрии началось в 1990-х годах, когда были запущены два европейских космических аппарата ERS-1 и ERS-2 и спутник Topex/Poseidon, созданный в рамках французско-американского проекта для изучения циркуляции Мирового океана. Для продолжения миссии Topex/Poseidon в 2001 г. был запущен новый спутник Jason-1, а в 2008 г. – спутник Jason-2 (Фукс, Блошкина, 2007). Технические характеристики спутников и приборов представлены в таблице 2.

Таблица 2. Технические характеристики спутников и альтиметров

Первые спутниковые альтиметры имели точность около 1 м, а более современные альтиметры позволяют измерять уровень океана с точностью 2–3 см, с пространственным разрешением 5–6 км и периодичностью 3–35 суток. Основное ограничение точности измерений спутниковой альтиметрии определяется параметрами горизонтального разрешения при сканировании поверхности океана, высокой скоростью движения спутника и неполнотой знаний об изменении скорости распространения электромагнитных волн в различных слоях атмосферы. Полученные со спутника данные усваиваются в гидродинамической модели и пересчитываются в аномалии уровня в узлах регулярной сетки (Лебедев, Костяной, 2005). Карты аномалий уровня и данные в цифровом виде доступны в сети Интернет. Продукты обработки спутниковой альтиметрии по уровню океана можно разбить на две группы:

– вдольтрековые;

– результат пространственно-временной интерполяции измерений в узлы регулярной сетки.

Чаще всего для проведения пространственно-временной интерполяции одновременно анализируются данные с максимально возможного количества спутников, что позволяет уменьшить ошибки. На рис. 2 представлена область покрытия такими данными акватории СЛО за 1 августа 2007 г. Для построения карт были использованы данные в цифровом виде с сайта AVISO (http://www.aviso.oceanobs.com/ (http://www.aviso.oceanobs.com/)).

Рис. 2. Карта распределения аномалий уровня для некоторых регионов СЛО, 1 августа 2007 г.

Как видно из рис. 2, большая часть акватории СЛО не освещена информацией, что скорее всего связано с особенностями обработки материалов измерений. Для получения информации для таких районов необходима работа с первичными снимками или вдольтрековыми данными. Также следует отметить, что точность данных в прибрежных зонах недостаточно высока и требует дополнительной верификации.

Сравнение альтиметрических измерений для акватории СЛО с фактическими значениями уровня сделать сложно из-за отсутствия данных непосредственных измерений уровня моря в областях покрытия данных.

На основе результатов обработки спутниковой альтиметрии можно получать оперативную информацию о динамических фронтах, их движении и трансформации в пределах различных пространственно-временных масштабов только для определенных районов СЛО. Для использования измерений в прибрежных зонах необходима разработка методов адаптации данных применительно к этим районам морей. Освещение остальных областей СЛО требует привлечения первичных снимков и вдольтрековых данных.