Содержание к диссертации
Введение
1 Применение спутниковых радиолокационных станций для изучения океана 10
1.1 Физические основы радиолокационного зондирования морской поверхности 10
1.2 Технические характеристики спутниковых радиолокационных станций 18
1.3 Модели, алгоритмы и программное обеспечение, используемые для обработки спутниковых данных 19
1.4 Информационное обеспечение исследований 25
2 Изучение Японского и Охотского морей с использованием спутниковых радиолокационных станций с синтезированной апертурой (РСА) 30
2.1 Оценка эффективности применения РСА для изучения Японского и Охотского морей 30
2.2 Непериодические течения и синоптические вихри Японского моря 35
2.3 Течение Соя, сток р. Амур и области приливного перемешивания в Охотском море 48
3 Внутренние гравитационные волны в Японском и Охотском морях 61
3.1 Центральная глубоководная часть Японского моря 64
3.2 Северо-западный шельф Японского моря 68
3.3 Внутренние волны в Охотском море 78
4 Спутниковое исследование залива Петра Великого 85
4.1 Мезомасштабные особенности поля приводного ветра 86
4.2 Дрейф льда 89
4.3 Поверхностные течения 92
4.4 Нефтяное загрязнение 104
Заключение 111
Список использованных источников 112
- Модели, алгоритмы и программное обеспечение, используемые для обработки спутниковых данных
- Непериодические течения и синоптические вихри Японского моря
- Северо-западный шельф Японского моря
- Поверхностные течения
Введение к работе
Актуальность
Изображения, полученные спутниковыми радиолокационными станциями с еальной и синтезированной апертурой (РСА), являются важным, а в ряде случаев и езаменимым источником сведений о ледяном покрове, нефтяном загрязнении моря, о
елко- и мезомасштабной структуре приводного ветра. Они используются для зучения вихревых образований и внутренних волн, для оценки сдвига скорости и ивергенции поверхностных течений, для восстановления топографии морского дна на
елководьях. При общей мировой тенденции расширения сферы применения данных ггниковых РСА в океанографии, морской экологии, системах оценки, управлении и диты прибрежных ресурсов их использование в исследованиях и мониторинге
понского и Охотского морей, течений Куросио и Оясио у побережья Японии весьма граничено. Недостаточная изученность физических механизмов, влияющих на арактеристики радиолокационных (РЛ) сигналов, рассеянных подстилающей оверхностью, вызывает трудности при интерпретации вариаций яркости адиолокационных изображений. Это диктует необходимость проведения дальнейших кспериментальных исследований изменчивости спектра морского волнения под лиянием различных факторов, совершенствования моделей рассеяния
ектромагнитных волн шероховатой поверхностью, а также методов обработки и
ализа изображений РСА. При интерпретации изображений РСА важную роль играет
ание региональных характеристик океанических и атмосферных явлений, особенно ех, которые приводят к появлению на спутниковых изображениях устойчивых овторяющихся особенностей. Повторяющиеся особенности могут быть выделены ри анализе значительного количества изображений исследуемого района. Большой бъём спутниковых данных требует использования современных способов их бработки, хранения и анализа.
Цель и задачи исследования
Цель диссертационной работы состоит в исследовании разномасштабнь динамических явлений и процессов в приповерхностном слое Японского и Охотско морей на основе комплексного анализа изображений, получаемых спутниковы радиолокационными станциями с синтезированной апертурой, и сопутствующ дистанционной и контактной информации.
Для достижения этой цели потребовалось решение следующих задач:
-
Оценить целесообразность и эффективность применения спутниковой РСА к инструмента для исследования и мониторинга Японского и Охотского морей путе совместного анализа радиолокационных, инфракрасных, видимых и пассивнь микроволновых спутниковых данных.
-
Сформировать архив изображений РСА Японского и Охотского море разработать программные средства для обработки, визуализации, анализа архивирования разнородных спутниковых данных.
-
Изучить связь между положением радиолокационных контрастов, зо повышенных градиентов температуры поверхности моря и концентрации хлорофил а.
-
Исследовать характеристики и пространственное распределение внутренних вол (ВВ) в Японском и Охотском морях по данным РСА и спектрорадиометра MODIS.
-
Исследовать мезомасштабные явления и процессы в зал. Петра Великого п данным мультисенсорного спутникового зондирования высокого и средне разрешения.
Использованные данные
В работе использовались данные РСА со спутников ERS-1, ERS-2, Envisa полученные из Европейского космического агентства (European Space Agency - ES" для выполнения проектов ESA АОЗ-401, АОЗ-1291, АОЕ-391, АО Bear 2775, а так загруженные из оперативного архива ESA. Изображения РСА со спутника ALO получены из Японского аэрокосмического исследовательского агентства (Japa Aerospace Exploration Agency - JAXA) для выполнения проектов JAXA No. 356
64.Анализ радиолокационных данных проводился с использованием различных родуктов, полученных по измерениям радиометра AVHRR (спутники серии NOAA), іектрорадиометра MOD1S (спутники Terra и Aqua), тематического картографа ТМ1 путники серии Landsat), сканера цвета SeaWiFS (спутник SeaStar), скаттерометра eaWinds (спутник QuickScat).
Достоверность результатов
При изучении динамических явлений в Японском и Охотском морях на основе
ализа изображений РСА был использован опыт интерпретации самолётных и
утниковых РЛ-данных, полученных в различных районах Мирового океана за более
ем за 30-летний период, и суммированный в научных статьях и монографиях, а также
езультаты моделирования РЛ-рассеяния. Достоверность интерпретации РЛ-сигнатур
одтверждается сопоставлением изображений РСА с другими видами спутниковых
змерений и подспутниковой гидрометеорологической информацией. Результаты
аботы неоднократно обсуждались с ведущими российскими и зарубежными
ециалистами в области РЛ-зондирования океана при выполнении совместных
еждународных проектов и размещены в Интернете на ряде международных сайтов.
Положения, выносимые на защиту
-
Спутниковые изображения РСА позволяют регистрировать положение и аницы течений, вихрей и других динамических явлений на поверхности Японского и хотского морей с масштабами от 100 м до нескольких сотен километров.
-
Анализ изображений РСА и MODIS показал, что внутренние волны в Японском Охотском морях наблюдаются почти повсеместно, в том числе в глубоководных
айонах. Максимальная повторяемость ВВ в Японском море отмечается в августе-ктябре в районах с глубинами от 30 до 3500 м. Максимальная повторяемость ВВ в хотском море наблюдается в июне и сентябре в районах с глубинами менее 1000 м. шимальные длины ВВ не превышают 100 м, а максимальные достигают 14,5 км в поиском море и 6 км - в Охотском. Длина гребней ВВ в Японском море превышает 00 км, а в Охотском -100 км.
3. Характерная мезомасштабная изменчивость приводного ветра над зал. Петра
Великого, обусловленная организованной конвекцией и орографией, восстановлен!!; по РЛ-данным, составляет 3-5 м/с на горизонтальных масштабах 5-Ю км. 4. Анализ спутниковых изображений высокого пространственного разрешен!
ПОЗВОЛИЛ ВЫЯВИТЬ ПОВТОрЯЮЩИеСЯ Особенности ЦИркуЛЯЦИИ ПОВерХНОСТНЫХ ВОД В 3'
Петра Великого, обусловленные характером общей циркуляции вод в северо-западн части Японского моря.
Научная новизна результатов
-
Впервые выполнена классификация явлений в океане и атмосфере в Японском Охотском морях по их отпечаткам в поле РЛ-рассеяния на изображениях РСА.
-
Выявлена разномасштабная пространственная структура вихревых образовани (от 2-3 до 70-100 км), внутренних волн (от 100 до 14.5 км), и других динамичесі явлений в Японском море.
-
Показана сопряженность положения РЛ-контрастов, зон максимальн градиентов температуры поверхности моря (ТИМ) и концентрации хлорофилла а.
-
Доказано, что внутренние волны в Японском и Охотском морях наблюдают практически повсеместно. Определены характеристики ВВ, в том числе, в районах, г они ранее не отмечались.
-
Впервые получены количественные оценки мезомасштабной изменчивост поверхностных течений, ледяного покрова и приводного ветра в зал. Петра Великого.
Научная и практическая значимость
Сформированный и пополняемый архив изображений РСА со спутников ERS-ERS-2 и Envisat в сочетании с программным комплексом для их обработки визуализации является ценным источником информации о пространственных временных характеристиках различных океанических и атмосферных явлений Японском и Охотском морях, таких как внутренние атмосферные и океаничесі волны, вихревые образования различных масштабов, фронтальные разделы и др.
Полученные характеристики внутренних гравитационных волн (длина и ширин гребней, расстояние между ними, скорости перемещения, величин радиолокационного контраста и др.) являются источником сведений при разработке
алидации математических моделей распространения и трансформации ВВ.
Полученные оценки мезомасштабной изменчивости поверхностных течений, едяного покрова и приводного ветра в зал. Петра Великого могут быть использованы ри проектировании и строительстве нефтяных и газовых терминалов, мостов, а также ри планировании развития и во время эксплуатации рекреационной зоны в заливе, езультаты работы были использованы при выполнении НИР по грантам РФФИ: 02-7-90354-в, 06-05-65177-а, 06-05-96076-р_восток_а, 06-05-96131-р_восток_а и
НТАС: INTAS-99-0242 (ADI'DAS), INTAS-03-51-4987 (SIMP).
Апробация работы
Основные результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались и обсуждались на 0 международных и российских конференциях, включая: CREAMS (Владивосток, 000), PICES (Владивосток, 2003); ESA ERS - Envisat Symposium (Ґетеборг, Швеция, 000 г.; Зальцбург, Австрия, 2004; Монтрё, Швейцария, 2007), Specialist Meeting on
icrowave Remote Sensing (Рим, Италия, 2004), Pan Ocean Remote Sensing Conference ORSEC (Бали, Индонезия, 2002; Чили, 2004), "Современные проблемы истанционного зондирования Земли из космоса" (Москва, ИКИ РАН, 2003; 2004; 006), International Symposium on the Okhotsk Sea and Sea Ice (Момбецу, Япония, 2000; 001; 2002; 2003; 2005), Internat. Geoscience and Remote Sensing Symposiums IGARSS Сеул, Корея, 2005; Денвер, США, 2006), Радиолокационное исследование природных
ед (С.-Петербург, 2006); "Достижения в спутниковой океанографии: изучение и ониторинг окраинных морей Азии " (Владивосток, 2007).
Реализация результатов
Результаты работы использовались при выполнении плановых тем института, в роектах «Спутниковая океанология» и ФЦП «Мировой океан», а также в еждународных проектах и размещены в интернете на сайтах:
"The tropical and subtropical ocean viewed by ERS SAR" (при поддержке вропейского космического агентства) ():
"Advanced Detection and Interpretation of Oceanic and Atmospheric Signatures in Dual
Polarization Airborne and Spaceborne Radar Imagery (ADI'DAS)" (1NTAS-99-024 ():
"Slicks as indicators of marine processes (SIMP)" (INTAS-03-51-498 (, );
"Oil spill monitoring by remote sensing" (в рамках Программы ООН по окружающс среде (UNEP)) ():
Все аннотированные изображения РСА, полученные со спутников ERS-1 и ERS-интегрированы в корпоративную океанологическую информационно-аналитическуі систему ТОЙ, сконструированную на основе интернет/интранет технологи ().
Публикации
По теме диссертации опубликовано 39 научных работ, приведенных в конц автореферата: из них 7 статей в рецензируемых журналах, в том числе 5 в журнале списка ВАК, 4 главы в трех монографиях и 28 статей в трудах российских международных конференций.
Личный вклад автора
Результаты, изложенные в диссертации, получены автором самостоятельно или н равных правах с соавторами. Автор принимал непосредственное участие планировании и проведении подспутниковых экспериментов, анализе интерпретации спутниковых и натурных измерений. Автору принадлежи программное обеспечение для обработки, архивирования, анализа и визуализаци разнородной спутниковой и сопутствующей информации.
Структура и объем работы
Модели, алгоритмы и программное обеспечение, используемые для обработки спутниковых данных
При использовании данных РСА применяются многочисленные методы и алгоритмы, но на первоначальном этапе выполняется экспертная оценка изображения РСА, т.е. визуальный анализ графического представления результатов РЛ-зондирования с привлечением всей возможной опорной (квазисинхронные спутниковые и гидрометеорологические наблюдения) и априорной (полученной до съёмки) информации. Этот анализ основан на знании механизмов РЛ-рассеяния и его целью является аннотирование изображения. Пример интерпретации изображения РСА приведён в конце раздела 1.1 и на рисунке 1.5.
При наличии сопутствующей информации, как спутниковой, так и полученной иными методами, интерпретация вариаций яркости на изображениях РСА во многих, но не во всех случаях является однозначной. Эта интерпретация базируется на хорошо установленных закономерностях и многочисленных сопоставлениях в различных физико-географических условиях [102, 109, ПО, 132, 133] и подкреплена результатами моделирования РЛ-контрастов [ЮЗ].
Серьезные трудности возникают, однако, при наложении отпечатков нескольких океанических и атмосферных явлений, но и в этом случае знание характерных РЛ-сигнатур различных явлений позволяет дешифрировать наблюдаемые вариации яркости.
Для расчета УЭПР по указанному алгоритму используют программный комплекс BEST -пакет прикладных программ, который был разработан для обработки данных, поступающих с РСА ERS - 1,2 и Envisat (www. esrin.esa.int).
Геофизические модельные функции CMOD4 и CMOD5
Спутниковые РСА с широкой полосой обзора (400-500 км) в настоящее время являются единственным эффективным инструментом для изучения тонкой структуры поля приводного ветра как в открытом океане, так и в прибреисной зоне. Для восстановления поля скорости ветра по данным радиолокационного зондирования используются различные геофизические модельные функции (ГМФ) вида: с = fJ,q ,Q,v,p). ГМФ описывают связь удельной эффективной площади рассеяния (УЭПР) а морской поверхности со скоростью W и направлением ср ветра и углом визирования 0 для заданной частоты v и поляризации р радиолокационного сигнала. Коэффициенты, входящие в ГМФ, находятся эмпирически при сопоставлении значений а с характеристиками приводного ветра в широком диапазоне изменений скорости ветра и углов визирования. Для восстановления полей ветра по полям о, измеренным РСА, установленным на спутниках ERS-1, ERS-2 и Envisat применяют, как правило, ГМФ CMOD4 [144] или CMOD5 [99]. Эти функции разработаны для длины волны 5,6 см и вертикальной поляризации РЛ-сигнала при излучении и приеме.
В этих выражениях V - скорость ветра в м/с, ср - относительный угол зондирования (угол между направлением ветра и направлением зондирования. Равен нулю, когда ветер «дует в локатор»), 8 - угол зондирования в градусах, сі, с2...,с18 - эмпирические коэффициенты.
Функция CMOD5 обеспечивает более высокую точность оценки для скорости ветра W 20 м/с [99].
Моделирование РЛ-рассеяния (Модель M4S) [137]
Модель M4S разработана в университете г. Гамбурга Роландом Ромайзером, представляет собой набор программных модулей для численного моделирования изображения РСА океанических и атмосферных неоднородностей в полях поверхностных течений и приводного ветра, которые проявляются на изображениях РСА благодаря гидродинамической и аэродинамической модуляции спектра поверхностного волнения. Как и все подобные модели, состоит из двух частей. Первая часть описывает рассеяние радиоволн при известных статистических характеристиках морской поверхности, а вторая- отклик этих характеристик на атмосферное и/или океаническое динамическое явление. Расчётная сетка в версии ЗЛО состоит из 1001x1001 точек.
Моделирование процессов, происходящих с нефтяным пятном ADIOS2 "программный комплекс, разработанный по заказу правительства США в NASA. Предназначен для моделирования поведения пятна нефтепродукта в море. Для различных входных данных (тип нефти, гидрометеорологические условия) рассчитывает изменение плотности, вязкости и даёт бюджет потерь нефти за счёт испарения, диспергирования и эмульгирования. Эта модель позволяет проследить поведение нефтепродуктов в воде, при различных погодных условиях в течение пяти дней с момента их поступления. ADI0S2 является зарегистрированной товарной маркой американского правительства (http://response.restoration.noaa.gov/software/adios/).
Программа Glance (http://satellite. dvo. ги/)- автор Е. Фомин, ИАПУ ДВО РАН. Программа для визуализации и конвертирования данных AVHRR в форматах ЦКП регионального спутникового мониторинга окружающей среды ДВО РАН.
Аналитические средства ОИАС ТОЙ для анализа спутниковых наблюдений.
Универсальная компьютерная программа обработки изображений «ImProc». Программа реализует большую совокупность методов обработки изображений: различные виды преобразований локального контраста, алгоритмы линейной и нелинейной пространственной фильтрации, различные виды пространственно-частотной фильтрации на основе ортогональных преобразований.
Компьютерная программа морфологического анализа изображений «Morpho». Программа ориентирована на выделение в изображениях структурных элементов - объектов, описание геометрических свойств объектов и закономерностей их взаимного расположения.
Программа Spectrum - [14] - предназначена для корреляционно-спектрального анализа изображений. Программа эффективно рассчитывает и визуализирует двумерный Фурье-спектр и двумерную автокорреляционную функцию изображения, позволяет производить различные виды измерений в спектральной и корреляционной областях, рассчитывает информативные системы количественных характеристик для параметризации изображения, решает задачу идентификации корреляционно-спектральной модели случайного поля, представленного изображением.
Одно из эффективных средств анализа - «динамические операции», реализуемые с помощью быстрого преобразования Фурье.
Интегральная пространственная характеристика (ИПХ) представляет собой распределение спектральной энергии в системе угловых секторов. ИПХ представляется в форме круговой диаграммы, по виду которой можно оценить свойства анизотропности структурных неоднородностей выделенного диапазона размеров на данном изображении. Применялась для определения доминирующих направлений распространения внутренних волн и направления перемещения волн зыби в случаях слабых или многокомпонентных РЛ контрастов на изображениях РСА.
Широко используется для описания характеристик внутренних гравитационных волн в океане, которые регистрируются на спутниковых изображениях высокого разрешения [64, 134 136]. Уравнение описывает распространение длинной волны вдоль оси х в двухслойной жидкости, в которой верхний слой толщиной hi имеет постоянную плотность рь а нижний слой толщиной Ьг имеет постоянную плотность р2 [136]. На изображениях РСА ВВ проявляются в виде дугообразных квазипериодических структур в виде чередующихся полос повышенной и пониженной яркости. Поперечный масштаб радиолокационного контраста, обусловленного поверхностным проявлением внутренних волн, зависит от характерного горизонтального масштаба ВВ [142]: D=1.32L, где D- расстояние между максимальным и минимальным значениями УЭПР.
В работе также использовалось авторское программное обеспечение для обработки, визуализации и хранения разнородной спутниковой и сопутствующей информации.
Непериодические течения и синоптические вихри Японского моря
Японское море является глубоководным окраинным морем, отгороженным от океана и окружающих морей мелководными проливами: Корейским, Сангарским, Лаперуза и Невельского. Водобмен с океаном осуществляется в основном через первые три пролива.
В рельефе дна Японского моря выделяют три основные котловины- Центральную (Японскую), Цусимскую (Уллындо) и Хонсю (Ямато). В центре моря располагается банка Ямато с минимальными глубинами менее 300 м. Генеральная циркуляция Японского моря имеет циклонический характер и её основные элементы, как правило, сохраняются в течение всего года. К ним относятся теплые Цусимское и Восточно-Корейские течения и холодные- Шренка (Лимапское), Приморское и Северо-Корейское (рисунок 2.5) [9, 75]. К устойчивым элементам циркуляции Японского моря относится субарктический фронт, разделяющий теплые и солёные субтропические воды южной части моря и холодные распреснённые субарктические воды северной и северо-западных областей. На рисунке 2.5 представлены климатические положения оси субарктической фронтальной зоны для 12 месяцев года, рассчитанные по глобальному массиву климатических данных GDEM.
Появление спутниковой информации в инфракрасном (ИК) диапазоне позволило существенно уточнить картину поверхностной циркуляции Японского моря, пространственную и временную изменчивость её основных элементов. На рисунке 2.6 представлено композиционное изображение, составленное по результатам сканирования радиометром AVHRR. Для южной части моря использованы ИК изображения за 11-15 сентября 1995 г., а для северной- 21-25 октября 1999 г. Композиция подвергнута процедуре эквализации с применением адаптивной гистограммы. Это изображение демонстрирует квазипостоянные синоптические антициклональные особенности в районе о. Уллындо, возвышенности Оки, банки Ямато, полуострова Ното и в Восточно-Корейском заливе, известные по судовым и спутниковым данным. Появление приборов активного спутникового зондирования (альтиметров и РЛ станций бокового обзора с реальной и синтезированной апертурой) предоставило мощный инструмент для мониторинга океана в любое время суток и независимо от наличия облачности. РЛС с синтезированной апертурой (РСА) позволяют исследовать океанические процессы, которые проявляются в поле шероховатости поверхности и имеют масштабы от метров до сотен километров.
Мористые границы Цусимского и Восточно-корейского течений благодаря кинематическим факторам визуализируются в виде тонких дугообразных полос повышенной относительно фона яркости, пониженной или в виде двух прилегающих полос, с разным знаком контраста. Максимальные РЛ-контрасты в южной части моря наблюдаются к востоку от побережья Кореи в области конвергенции Восточно- и Северо-Корейского течений.
Композиционная карта ТПО за 26 сентября 1999 г. иллюстрирует глубокое проникновение теплых вод ВКТ на север выше 40 с.ш. (рисунок 2.7а). Северо-Корейское течение отодвигает ВКТ от побережья Кореи, распространяясь на юг до 36.5 с.ш. Карта аномалий уровня моря за 22-28 сентября показывает положительные значения в зоне ВКТ до 20-25 см (рисунок 2.76). Максимальные градиенты ТПО наблюдались в зонах смешения субтропических и субарктических вод на западной периферии ВКТ вдоль 130 в.д. и на севере в районе 31.5с.ш. (рисунок 2.7в). ERS-2 SAR изображение, состоящее из 10 фреймов и принятое 27 сентября 1999г. в 2:01 Гр., почти целиком охватывает зону ВКТ. На фреймах 2853 и 2851 РЛ-сигнатура в виде яркой дугообразной полосы отмечает западную границу ВКТ в районе меандра, образованного взаимодействием течения с водами СКТ. На фреймах 2799 и 2817 отобразились границы ВКТ на 40 с.ш., где поток сузился до 50 км.
Гр. В водах Цусимского течения к востоку, югу и западу от банки Ямато наблюдались три тёплых антициклональных вихря размером 100-200 км и с положительными аномалиями уровня более 30 см (рисунок 2.86). Субарктическая фронтальная зона располагалась по северной периферии этих вихрей, образуя на 134 в.д. циклонический меандр (рисунок 2.8в). Фреймы 2789 и 2817 зафиксировали положение меандрирующего субарктического фронта с циклоническими вихрями диаметром около 15 км в субтропическом секторе фронта (рисунок 2.8г). Чёрная линия на композиционной карте ТПО показывает ось субарктической фронтальной зоны.
Приморское течение имеет максимум скорости на глубине около 100 м и следует вдоль кромки шельфа на чґФ? расстоянии от берега [75]. Ближняя к берегу граница
На рисунке цитируемой работе за суммарные течения принимаются приливные с учётом непериодических течений, которые наблюдались при скорости приводного ветра менее 5 м/с. Кроме ветви Цусимского течения, в Татарском пр. выделяют течение Шренка (Лиманное) и Западно-Сахалинское.
Течение Шренка является одним из самых устойчивых элементов циркуляции Японского моря [75]. Из-за небольших скоростей (0.1-0.15 м/с) течение не видно на РЛ изображениях в кинематических контрастах, но оно хорошо визуализируется зимой и весной в поле битого льда, как, например, на изображении РСА ERS-1, принятом 9 марта 1992 г. в 01:30 Гр. (рисунок 2.9). Ширина полосы битого льда, смещающегося к югу, примерно 40 км. На границе течения, над кромкой шельфа образуются циклонические вихри диаметром около 10 км.
Неоднородности поля поверхностного течения в сочетании с резкими температурными контрастами послужили причиной появления значительных (до 20 дБ) радиолокационных контрастов на изображениях РСА, принятых со спутников Envisat и ERS-2 4 октября 2003 г. в 12:11 и 12:41 Гр. Границы изображений, каждое из которых состоит из нескольких последовательных фреймов показаны на рисунке 2.10.
На рисунке 2.11 представлено РЛ изображение с РСА спутника Envisat о. Сахалин и окружающих его вод ТП и Охотского моря, включая Амурский лиман и пр. Лаперуза. Изображение принято на горизонтальной поляризации в режиме широкой полосы обзора (405 км). Примерно через 30 минут после этого была выполнена съёмка РСА со спутника ERS-2, перекрывающая первое изображение над пр. Соя и участком Татарского пр. в полосе 100 км (чёрные прямоугольники на рисунке 2.11 обозначают границы 5 последовательных фреймов ERS-2). На обоих изображениях присутствуют РЛ сигнатуры, обусловленные проявлением на морской поверхности атмосферных и океанических процессов. Точная географическая привязка изображений, имеющих высокое пространственное разрешение, позволяет оценить скорости перемещения РЛ контрастов в течение 30 минут [90].
Скорость ветра на береговых станциях Сахалина в 12:00 Гр составляла 3 м/с. (рисунок 2.11). При скорости приводного ветра 2-2.5 м/с чистая морская поверхность выглядит чёрной на изображениях РСА С-диапазона. Слабые ветры наблюдались в средней части Татарского пр., что следует из присутствия темной полосы переменной ширины на изображении Envisat и подтверждается данными скаттерометра QuikSCAT. Остальная часть Татарского пр. на изображении ASAR выглядит в градациях серого цвета, что соответствует скоростям ветра более 3 м/с и также согласуется со скаттерометрическими измерениями. Температура поверхности (ТПО) пролива в целом уменьшалась от 17С около острова Ришири до 12С в пр. Невельского. В то же время, вдоль юго-западного побережья Сахалина наблюдалась узкая полоса холодной воды, в которой ТПО уменьшалась с севера на юг от 9С на 50с.ш до 6С около мыса Крильон. Локальный минимум (около 2С) располагался в районе 48.5с.ш. и 142в.д. в заливе Делангля (рисунок 2.12). Разница температур вода-воздух в этой области изменялось от -1.1 до 6С. Эта холодная полоса регулярно наблюдается около юго-западного берега Сахалина в теплый сезон [8].
На карте геострофических течений, рассчитанной по измерениям нескольких альтиметров для 4 октября в Татарском проливе отмечается восточный поток вдоль 47.25с.ш. со скоростью 0.1-0.2 м/с. Этот поток является ветвью Цусимского течения. У побережья Сахалина течение поворачивает к югу, проходит между островом Монерон и Сахалином и втекает в пр. Соя (рисунок 2.13).
Изображения РСА зафиксировали повышенную шероховатость морской поверхности вдоль обоих берегов ТП (рисунок 2.11). Яркие РЛ сигнатуры круговой формы с тёмными пятнами внутри, обозначенные буквой S на рисунке 2.11 - весьма вероятно поверхностные отпечатки дождевых ячеек. Это предположение подтверждается данными ADEOS-H AMSR принятыми примерно за 40 минут до зондирования ASAR. Положение конвективных дождевых ячеек, которые характеризуются пониженными значениями яркостных температур на частоте 89.0 ГГц на вертикальной и горизонтальной поляризациях совпадают с областью S.
Северо-западный шельф Японского моря
Внутренние волны на северо-западном шельфе Японского моря ранее исследовались с применением CTD зондирования, буксируемых и заякоренных распределённых датчиков температуры (РДТ), долговременных наблюдений в точке скорости течения и вертикальной термической структуры воды, одновременного измерения РДТ и лазерного деформографа [15, 31, 55, 64, 131]. В ходе этих наблюдений выяснилось, что глубина залегания термоклина на шельфе колеблется с полусуточным, субинерционным и синоптическим периодами. На фоне этих колебаний регистрируются короткопериодные внутренние гравитационные волны с периодами 4-60 мин. Измерения, выполненные на расстоянии 200 м от берега, зарегистрировали короткопериодные волны высотой 2-20 м (с типичной высотой около 5 метров) [64]. Длины волн находились в интервале 60-510 м, а периоды 4-17 мин. На границе шельфа зарегистрированы колебания с горизонтальным масштабом 1-2 км. На глубинах 60-45 м происходит резкое увеличение амплитуд коротковолновых колебаний, а длины волн уменьшаются до 200-500 м. С помощью лазерного дефармографа, установленного на МЭС «Мыс Шульца», обнаружены низкочастотные микросейсмы с периодами 8-13 мин, которые связывают с прохождением по шельфу ВВ тех же периодов [15]. Волны регистрировались с июля по октябрь.
На спутниковых изображениях северо-западного шельфа Японского моря внутренние волны регистрируются не так часто и не столь ярко, как на шельфе юго-восточной Азии или на восточном шельфе Сахалина. Причины- особенности стратификации вод зал. Петра Великого и его морфологии. На рисунке 3.6 представлено пространственное распределение поверхностных проявлений ВВ, зарегистрированных на 11 изображениях РСА, принятых со спутников ERS-2 и Envisat. Самое раннее по времени года изображение получено 28 августа, а самое позднее- 1 ноября. Внутренние волны наблюдались, как правило, пакетами по 5-7 ранжированных волн. Расстояние между гребнями изменялось в пределах 100-2600 м. Кроме внутренних волн, показанных на рисунке 3.6, в период с августа по октябрь ещё на десяти изображениях зарегистрированы слабоконтрастные и/или мелкомасштабные ВВ. При построении схемы, показанной на рисунке 3.6, рассматривались только те ВВ, которые хоть как-то пересекали границу зал. Петра Великого- линию, соединяющую устье р. Туманная и м. Поворотный. Как показано в предыдущем разделе, в августе-октябре почти на всей акватории Японского моря присутствуют поверхностные проявления ВВ, в том числе и над Центральной котловиной моря, где пакеты ВВ перемещаются практически во всех направлениях. Значительная часть этих волн смещается в сторону зал. Петра Великого. В указанный период года поверхностные проявления ВВ с длиной волны 3-8 км и шириной гребня порядка 500-600 м повсеместно наблюдаются на видимых и РСА изображениях вдоль границы залива, но на самом шельфе практически не встречаются. Очевидно, что ВВ открытого моря при взаимодействии с рельефом дна на материковом склоне либо разрушаются, либо трансформируются так, что перестают быть различимыми на спутниковых изображениях.
На рисунке 3.7 показано изображение спектрорадиометра MODIS в видимом диапазоне, принятое со спутника Aqua 04:10 Гр. 22 сентября 2004 г. В тот же день на 90 мин ранее было получено аналогичное изображение со спутника Terra. На следующий день было осуществлено зондирование РСА со спутника Envisat в первой узкой полосе обзора (угол падения 14.4 - 22.3) на нисходящем (01:36 Гр.) и восходящем (12:54 Гр.) витках на поляризациях ВВ и ГГ. Пересекающиеся фрагменты этих изображений представлены на рисунках 3.7а и 3.76. Промежуток времени между зондированием с Aqua и дневным витком Envisat составил 21 ч 26 мин (1286 мин). Время между съёмками со спутника Envisat 23 сентября 2004 г. - 11 ч 18 мин (678 мин). На изображениях MODIS к югу от зал. Петра Великого наблюдаются многочисленные ВВ, среди которых надёжно на обоих изображениях регистрируются группы волн A-D (рисунок 3.7). Скорость перемещения всех ВВ отмеченных на рисунке 3.7 за время между съёмками с Aqua и Terra составили примерно 1 м/с. Пакет Д в котором различимы две волны, находится в границах залива.
Гребень лидирующей волны в пакете D выгнут в сторону, противоположную направлению движения. Среднее расстояние между волнами в этом пакете составляет 3 км. Расстояние между четырьмя видимыми волнами в пакете А примерно 7.5 км. Зелёной линией показано положение лидирующей волны пакета А через 1268 минут, рассчитанное в предположении сохранения скорости распространения в 1 м/с. На изображении РСА за 01:36 Гр. в этом месте наблюдаются две ВВ (А1 иА2 на рисунке 3.8а), расстояние между которыми 8.5-9.5 км, а ширина гребня примерно 500-600 м. Перед лидирующей волной и через неё проходят волны других направлений.
Судя по ИК-изображению, принятому в предыдущий день (рисунок 3.8 в), в рассматриваемый период Приморское течение придерживалось материкового склона и захватывало поверхностный слой. Взаимодействие ВВ с этим потоком, вероятно, объясняет искривление западной части гребня А1.
Над материковым склоном, где в правой части рисунка 3.8а полосы сликов трассируют поверхностное течение, ВВ не наблюдаются. В центральной части залива, за изобатой 100 м в сторону берега зафиксирован пакет из не менее 11 внутренних волн (В на рисунке 3.8а). Ширина гребней у этих волн примерно 250 м, а расстояние между ними от фронта к тылу цуга уменьшается от 1300 до 300 м. Между о-вами Римского-Корсакова и п-овом Гамова, а также к северу от о. Б. Пелис наблюдаются слабоконтрастные мелкомасштабные ВВ с параметрами, типичными для этого района и отмеченными ниже.
На изображении РСА, принятом через 678 мин на восходящем витке (рисунок 3.86), в центре с левого края наблюдается группа ВВ С. Лидирующая волна С1 отделена от группы на расстояние более чем 7 км, но средняя длина волны в основном пакете - 2.0-2.5 км. Если предположить, что волна С1- это сместившаяся А1, то средняя скорость распространения за период между двумя РЛ съёмками составляет 0.75 м/с. Ширина гребней в пакете С составляет примерно 350 м.
Для расчётов по модели КдВ были выбраны параметры двухслойной модели, основанные на результатах гидрологических наблюдений, выполненных в 20 рейсе НИС «Гагаринский» (28 сен-тября-2 октября 1997) [61], когда гидрологический режим был схож с ситуацией, сложившейся в заливе 23 сентября 2004 г.: Pi=1024.20 кг/м3, р2=1027.33 кг/м3, hi=37.8 м, Н=3000 м, L=D/1.32= 417 м.
По модели КдВ линейная фазовая скорость солитона равна 1.06 м/с, нелинейная 1.51 м/с, а амплитуда солитона - 33 м. При сохранении амплитуды солитона и уменьшении глубины до 1000 м, нелинейная фазовая скорость станет 1.48 м/с, а полуширина L=318 м. Эти расчёты хорошо совпадают со спутниковыми наблюдениями и подтверждают гипотезу о трансформации пакета ВВ при взаимодействии с Приморским течением, которая выразилась в уменьшении скорости перемещения волн, уменьшении расстояния между ними, и изменении ориентации их гребней.
Между о-вом Б. Пелис и п-овом Гамова наблюдаются мелкомасштабные ВВ, которые несколькими пересекающимися цугами распространяются в сторону б. Бойсмана (рисунок 3.8 б). Ширина гребней волн в этих пакетах 100-150 м, а максимально расстояние - 500 м - наблюдается между двумя лидирующими волнами, прошедшими между о-вами Дурново и Матвеева. К юго-востоку и к востоку от о-вов Римского-Корсакова прослеживаются многочисленные тёмные линейные периодические структуры, пересекающиеся под различными углами (S на рисунке 3.86). Причиной такой РЛ- картины является, скорее всего, суперпозиция множества пакетов ВВ с длинами 200-1500 м, распространяющихся в придонном пикноклине в различных направлениях. Белые стрелки на рисунке 3.86 показывают доминирующие направления распространения ВВ, рассчитанные с применением ИПХ. Похожие РЛ сигнатуры прослеживаются на изображениях, принятых 28 сентября 2006 г. в 12:54 Гр. со спутника Envisat и 1 ноября 2000 г. в 01:58 Гр. со спутника ERS-2 (не показаны).
На рисунке 3.9 приведен фрагмент изображения РСА со спутника Envisat, принятого 7 октября 2005 г. в 01:25 Гр. На акватории зал. Петра Великого наблюдался дождь переменной интенсивности. Ветер был северный 1-2 м/с. На изображении хорошо различимы два цуга внутренних волн: примерно в 22 км к югу от п-ова Шульца (в 15 км к юго-западу от каньона Посьета (КП)) (А на рисунке 3.9) и между островами Стенина и Желтухина (В на рисунке 3.9). Кроме них, изображение зафиксировало ещё три слабоконтрастных пакета ВВ: примерно в 7 км к востоку от о. Б. Пелис (С на рисунке 3.9) и к северо-востоку от о. Фуругельма (р, Е на рисунке 3.9).
Поверхностные течения
В отчёте по НИР [65] обобщены печатные и рукописные материалы, в которых содержатся сведения о циркуляции вод в зал. Петра Великого. Из анализа этих данных следует вывод о противоречивости предложенных схем непериодических и ветровых течений, что объясняется низкими значениями скоростей и неустойчивостью потоков. Не вызывает сомнения тот факт, что динамика вод зал. Петра Великого определяется общей циркуляцией Японского моря, а таюке приливами, ветровым режимом и речным стоком. Принимая во внимание сезонную и межгодовую изменчивость динамики вод Японского моря, а также муссонный характер атмосферной циркуляции над ним, можно предположить, что в картине течений в заливе, меняющейся под воздействием упомянутых факторов, должны отображаться повторяющиеся особенности. К повторяющимся особенностям динамики вод залива относятся антициклонические вихри размером 50-100 км, которые проявляются в полях ТПО и цвета океана на изображениях, полученных радиометрами AVHRR и SeaWiFS. Они видны в основном к югу от залива и редко в самом заливе [37]. Антициклоны формируются либо при развитии апвеллинга у южного побережья Приморского края [26, 31], либо при адвекции субтропических вод, поступающих через Корейский пролив в северо-западную часть Японского моря [53]. Центры последних практически никогда не смещаются на шельф, то есть в пределы зал. Петра Великого. Однако их северная периферия часто охватывает мелководный зал. Петра Великого, обуславливая в нём циркуляцию.
Качественная и количественная информация о водообмене зал. Петра Великого с водами северо-западной части Японского моря может быть получена из измерений радиометров AVHRR и SeaWiFS. Регулярно поступающие данные этих радиометров позволяют осуществлять мониторинг фронтов, вихрей, зон апвеллинга, ледяного покрова, речного стока, обширных областей цветения водорослей и др. [1, 40, 41]. Их пространственное разрешение, однако, недостаточно для того, чтобы исследовать связь динамики вод в заливе с изменением режима циркуляции Японского моря. (Индикаторами динамики вод в заливе могут быть ледяные поля размером меньше 2-3 км, волны зыби, внутренние волны, природные и антропогенные пленки поверхностно-активных веществ и др.). Поэтому основное внимание было уделено анализу спутниковых данных с высоким пространственным разрешением.
Изображения, полученные тематическим картографом со спутников Landsat примерно в один сезон с разницей в 10 лет 8 октября 1991 г. и 25 сентября 2001 г. (рисунок 4.4), зарегистрировали удивительно похожие гидрологические условия в заливе. В трансформированных субтропических водах, проникнувших в залив с юго-запада, сформировались три теплых спиральных циклонических вихря с холодными ядрами. Центр первого вихря диаметром примерно 25 км в 1991 г. находился на 42.39с.ш., 131.06в.д. (1 на рисунке 4.4 а). В 2001 г. диаметр вихря составлял примерно 15 км, и он находился на 10 км ближе к м. Гамова (координаты центра 42.46с.ш., 131.13в.д.) (рисунок 4.4 б). Центр второго вихря диаметром примерно 40 км в 1991 г. располагался на 42.51с.ш., 131.64в.д. (2 на рисунке 4.4 а), а в 2001 г. - на 14 км к северо-северо-западу, вглубь залива (координаты центра 42.64с.ш., 131.67в.д.). Третий циклонический вихрь диаметром примерно 20 км в 1991 г. находился под о. Аскольд, а в 2001 г. - на 12 км восточнее. К югу от центральной части залива за пределами шельфа в обоих случаях наблюдался еще один циклонический вихрь (4 на рисунках 4.4а, б).
В 1991 г. его диаметр составлял 15 км, а центр располагался на 42.26с.ш., 131.80в.д. В 2001 г. вихрь имел диаметр 20 км и был зарегистрирован на 20 км восточнее (координаты центра 42.28с.ш., 132.08в.д.). Масштаб самого крупного вихря 2 можно уверенно отнести к синоптическому [33]. Океанографические объекты таких размеров регистрируются на изображениях, получаемых радиометрами AVHRR, сканером цвета океана SeaWiFS и спектрорадиометром MODIS, но в рассматриваемых случаях идентификация вихря приборами с пространственным разрешением 1 км была затруднена из-за малого температурного и цветового контраста вихря на окружающем фоне.
Кроме перечисленных вихрей, на рисунке 4.4 на ИК-изображении (в поле ТПО) и на видимом изображении (в поле мутности поверхностного слоя воды) наблюдаются ещё несколько циклонических образований с диаметрами 5-Ю км: присоединенные циклоны на периферии вихря 2 (рисунки 4.4 а-в); у западного побережья в б. Баклан и между бухтами Бойсмана и Астафьева. Следует также отметить циклоническую циркуляцию вод в северной части Уссурийского зал., которая образуется поворотом узкого прибрежного течения (шириной 2-3 км) у северо-западного берега вглубь залива (рисунок 4.4 в).
Циркуляция в вихре 2 вовлекает в него прибрежные воды с повышенной биологической продуктивностью (рисунок 4.4 в). При благоприятных погодных условиях (скорость приводного ветра в диапазоне 2-6 м/с) на поверхности богатых планктоном вод появляются плёнки поверхностно-активных веществ (ПАВ), которые служат трассерами, визуализирующими различные океанографические явления на спутниковых изображениях РСА и на изображениях в видимом диапазоне. На изображении РСА, полученном со спутника ERS-2 27 сентября 1999 г. (рисунок 4.5), виден циклонический вихрь такого же размера и в том же месте зал. Петра Великого, что и 25 сентября 2001 г. (рисунки 4.4 б, в). Положение и конфигурация тёмных «волокнистых» линий и полос - биогенных сликов, закручивающихся спирально к центру вихря, свидетельствует о том, что в систему циклонического круговорота в центре залива через проливы между южными островами поступают воды западного побережья залива. Судя по ориентации сликов в проливах Босфор- Восточный и Старка, поверхностные течения в них направлены на запад.
Почти во всех частях зал. Петра Великого обнаружены спиральные циклонические вихри диаметром от 1.5 до 10 км. Они выявлены на спутниковых изображениях РСА по темным полосам сликов. Наиболее часто вихри появляются в районе о-вов Римского-Корсакова, особенно с южной стороны. На рисунке 4.6 представлено изображение РСА, полученное со спутника Envisat 5 сентября 2005 г. В 5 км к юго-востоку ив 18 км к юго-юго-западу от о. Б. Пелис расположены два циклонических вихря диаметром примерно 7 км. Циклонические вихри размером 3-5 км наблюдаются также в потоке, проникающем в залив через его юго-восточную границу. В этом потоке отчётливо прослеживаются две квазиламинарные струи: одна, шириной примерно 10 км, направлена с востока от 4235 с.ш. в центральную область залива, где встречается со второй струёй, шириной примерно 7-8 км, которая на 132в.д. заходит с юга на шельф. В центральной части залива объединённый поток разветвляется на южную и северную ветви. Северная ветвь доходит до о. Русский и поворачивает на восток вдоль 43с.ш., образуя в Уссурийском зал. область конвергенции. В зоне конвергенции спектр ветрового волнения меняется, что проявляется на РЛ-изображении в виде двух тонких линейных сигнатур (А, В на рисунке 4.6). Поле распределения хлорофилла а, построенное по данным MODIS (рисунок 4.6, нижняя врезка), хорошо соответствует картине течений в восточной части залива, выявленной на изображении РСА. Пространственное разрешение спектрорадиометра MODIS (1 км), однако, недостаточно для регистрации фронтальных разделов в Амурском зал., которые различимы на изображении РСА в виде тонких криволинейных сигнатур, повторяющих очертания западного берега на расстоянии примерно 1.5-2.0 км от п-овов Песчаный, Ломоносова и Янковского (С, D на рисунке 4.6). Эти фронты появляются с мористой стороны узкого прибрежного потока распреснённых вод вдоль западного берега Амурского зал. во время паводков реки Раздольная. В проливе Босфор Восточный поверхностное течение направлено на восток, а в западной части пролива образовался циклонический вихрь диаметром не более 2 км (рисунок 4.6, верхняя врезка).
Слики на изображениях РСА, полученных со спутников ERS-2 и Envisat 20 сентября 2004 г. с разницей во времени примерно 29 мин, послужили маркерами при расчёте векторов поверхностных течений. Векторы наложены на изображение РСА, полученное со спутника ERS-2 в 01:59 Гр. (рисунок 4.7). Во время спутникового РЛ-зондирования проводились измерения гидрометеорологических параметров у п-ва Гамов, в средней части Амурского зал., на о. Попова и к югу от о. Б. Пелис. Скорость ветра северных румбов везде не превышала 2-3 м/с.
На изображениях РСА природные слики также трассируют спиральные циклонические вихри диаметром примерно 4 км к югу от о-вов Римского-Корсакова (см. рисунок 28 б в работе [48]). Спиральный циклон размером примерно 16 км расположен на краю шельфа. Его центр находится на 42с.ш., 13235 в.д., то есть там, где на предыдущем изображении сходятся две струи. В конфигурации сликов на рисунке 4.7 эти струи не видны, но векторы течений, рассчитанные по измерениям 20 сентября 2004 г., соответствуют ориентации сликов на изображении за 5 сентября 2005 г. (рисунок 4.6). Скорость течения в струях составила 0.3-0.4 м/с. Скорость течения вдоль западного побережья залива была заметно ниже - всего 0.1-0.2 м/с. На остальной акватории залива типичные величины скоростей составляли 0.2-0.3 м/с. Максимальная скорость (0.6 м/с) была зафиксирована на входе в пролив между о. Рейнеке и о. Попова. В центральной части Уссурийского зал. в виде тонкой контрастной линии наблюдался фронтальный раздел, начинавшийся почти в том же месте у о. Русский как и на изображении за 5 сентября 2005 г., но ориентированной не вдоль широты, а на юго-восток (А на рисунке 4.7). Океанографические условия, похожие на те, которые представлены рисунками 4.6 и 4.7, зарегистрированы также на изображении РСА, принятого со спутника Envisat 21 июля 2007 г. в 12:51 Гр. (не показано). Благодаря плёнкам ПАВ, на изображении виден поток шириной 12-13 км, расположенный севернее, чем на рисунках 4.6 - 4.7. Поток разветвляется у самого побережья о. Русский, и две его ветви образуют антициклоническую циркуляцию в южной части Уссурийского залива и циклоническую- в центральной области зал. Петра Великого.
