ХАРАКТЕРИСТИКИ ВИХРЕЙ КРУГОВОРОТА БОФОРТА ПО ДАННЫМ СПУТНИКОВЫХ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
|
Список используемых сокращений 3
Введение 4
Глава 1. Особенности океанских вихрей, района исследования и используемых спутниковых сенсоров 6
1.1. Мезо- и субмезомасштабные вихри в океане 6
1.2 Физико-географическая характеристика объекта исследования 11
1.2 Технические характеристики используемых спутниковых сенсоров... 16
Глава 2. Материалы и методы 19
2.1 Материалы, используемые в настоящей работе 19
2.2 Методика обработки данных РСА изображений 20
3. Характеристики вихрей в круговороте Бофорта по данным спутниковых радиолокационных измерений 24
3.1 Характеристики вихрей в круговороте Бофорта в 2007 и 2011 году по
данным ASAR 24
3.2 Характеристики вихрей в круговороте Бофорта в 2016 году по данным
Sentinel 1-A,B и PALSAR-2 33
3.3 Анализ характеристик вихрей в круговороте Бофорта по данным спутниковых радиолокационных измерений за 2007, 2011 и 2016 гг 39
Заключение 55
Список используемой литературы 58
Введение 4
Глава 1. Особенности океанских вихрей, района исследования и используемых спутниковых сенсоров 6
1.1. Мезо- и субмезомасштабные вихри в океане 6
1.2 Физико-географическая характеристика объекта исследования 11
1.2 Технические характеристики используемых спутниковых сенсоров... 16
Глава 2. Материалы и методы 19
2.1 Материалы, используемые в настоящей работе 19
2.2 Методика обработки данных РСА изображений 20
3. Характеристики вихрей в круговороте Бофорта по данным спутниковых радиолокационных измерений 24
3.1 Характеристики вихрей в круговороте Бофорта в 2007 и 2011 году по
данным ASAR 24
3.2 Характеристики вихрей в круговороте Бофорта в 2016 году по данным
Sentinel 1-A,B и PALSAR-2 33
3.3 Анализ характеристик вихрей в круговороте Бофорта по данным спутниковых радиолокационных измерений за 2007, 2011 и 2016 гг 39
Заключение 55
Список используемой литературы 58
На настоящий момент известно, что вихревые структуры в океане - важная составляющая его циркуляции. Вихри, генерирующиеся в Амеразийском секторе Северного Ледовитого океана (СЛО), способны переносить водные массы и соответствующие трассеры на значительные расстояния от мест их образования. Особый интерес представляет собой район антициклонического круговорота Бофорта, исследуемый в данной работе, в ядре которого наблюдается максимальная для акватории СЛО толщина слоя пресной воды, достигающая 22 - 25 м. Отмечено также, что большой запас доступной потенциальной энергии, вызванный характерным наклоном изопикн в этом районе, является одной из причин высокой встречаемости вихрей в контактных измерениях [1, 3].
Значительное очищение исследуемого района ото льда в летне-осенний период [5,6] позволяет эффективно использовать методы дистанционного зондирования для исследования мезо- и субмезомасштабных процессов в поверхностном слое СЛО в это время. Анализ поверхностных проявлений вихревых структур в изображениях РСА даёт возможность определить районы генерации вихрей, их диаметр, знак вращения, тип проявления и глубину места, соответствующую центру вихря, как для вихрей, наблюдаемых на участках чистой воды, так и для вихрей в прикромочной зоне льда и в полях разреженного льда.
В данной работе рассматриваются вихри мезо- и субмезомасштаба по данным радиолокаторов с синтезированной апертурой (РСА), так как вихри этих масштабов малоизучены из -за сравнительно небольшой продолжительности жизни и, связанной с этим, немногочисленности их контактных измерений в исследуемом районе [1-3].
Целью данной работы является восполнение пробела в области исследования вихревой динамики в районе круговорота Бофорта на основе использования спутниковых радиолокационных измерений высокого пространственного разрешения. Для достижение поставленной цели необходимо выполнить следующие задачи:
1. Определить количество вихревых структур по данным РСА в исследуемом районе;
2. Определить характеристики (диаметр, знак вращения, тип
проявления, глубину места) для каждого идентифицированного вихря;
3. Проанализировать полученные данные, включая сезонную и межгодовую пространственную изменчивость вышеуказанных характеристик, по возможности определив механизмы и места генерации вихрей.
Данная работа состоит из введения на 2 страницах, 3 глав на 48 страницах, заключения на 3 страницах, списка использованной литературы из 47 наименований, из них на русском языке - 17, на английском языке - 30.
Значительное очищение исследуемого района ото льда в летне-осенний период [5,6] позволяет эффективно использовать методы дистанционного зондирования для исследования мезо- и субмезомасштабных процессов в поверхностном слое СЛО в это время. Анализ поверхностных проявлений вихревых структур в изображениях РСА даёт возможность определить районы генерации вихрей, их диаметр, знак вращения, тип проявления и глубину места, соответствующую центру вихря, как для вихрей, наблюдаемых на участках чистой воды, так и для вихрей в прикромочной зоне льда и в полях разреженного льда.
В данной работе рассматриваются вихри мезо- и субмезомасштаба по данным радиолокаторов с синтезированной апертурой (РСА), так как вихри этих масштабов малоизучены из -за сравнительно небольшой продолжительности жизни и, связанной с этим, немногочисленности их контактных измерений в исследуемом районе [1-3].
Целью данной работы является восполнение пробела в области исследования вихревой динамики в районе круговорота Бофорта на основе использования спутниковых радиолокационных измерений высокого пространственного разрешения. Для достижение поставленной цели необходимо выполнить следующие задачи:
1. Определить количество вихревых структур по данным РСА в исследуемом районе;
2. Определить характеристики (диаметр, знак вращения, тип
проявления, глубину места) для каждого идентифицированного вихря;
3. Проанализировать полученные данные, включая сезонную и межгодовую пространственную изменчивость вышеуказанных характеристик, по возможности определив механизмы и места генерации вихрей.
Данная работа состоит из введения на 2 страницах, 3 глав на 48 страницах, заключения на 3 страницах, списка использованной литературы из 47 наименований, из них на русском языке - 17, на английском языке - 30.
Используя большой набор данных РСА по вихревым стуктурам в открытом океане и в ПЗЛ, проведена первая оценка характеристик мезо и субмезомасштабных вихрей в районе Амеразийского сектора Северного Ледовитого Океана.
В общей сложности идентифицировано 7749 проявлений вихрей на изображениях РСА с июня по октябрь в 2007, 2011 и 2016 годах, где 4078 вихрей, зарегистрированы в районах открытой воды, и 3671 вихрь - в ПЗЛ или вблизи кромки льда.
Наиболее заметной особенностью полученных результатов является то, что циклонические вихри значительно преобладают над антициклоническими: в среднем около 65-70% циклонических вихрей против 30-35% антициклонов. Большая часть вихрей также наблюдается в форме грибовидных структур (диполей), что согласуется с механизмом бароклинной нестабильности [38, 39).
Наибольшее количество вихрей в открытой воде обнаружено в августе и сентябре, когда регион имеет минимальную протяженность ледяного покрова. Данные результаты несколько отличаются от результатов, полученных для морей Евразийской Арктики, где наибольшее количество вихрей приходилось на июль [40]. Максимальное количество вихрей ПЗЛ зарегистрировано в сентябре, когда прикромочная зона льда хорошо развита и охватывает 5-7 градусов широты.
Диапазон вихревых диаметров в открытой воде распределён от 0,5 км до 61 км. Однако значения диаметров около 94% вихрей открытой воды не превышают 10 км со средним значением 4,7 км. Вихри ПЗЛ обычно больше по размеру со средним диаметром около 7 км и более широким диапазоном диаметров от 0,3 до 106 км. Можно сделать вывод, что средний диаметр антициклонических вихрей обычно несколько больше, чем у циклонических, как для вихрей открытой воды, так и для вихрей в ПЗЛ.
Межгодовая изменчивость количества идентифицированных вихрей говорит о том, что наибольшее количество вихрей в открытой воде и в ПЗЛ зарегистрировано в 2016 году по сравнению с 2007 и 2011 годами. Данная межгодовая изменчивость согласуется с широкими изменениями содержания пресной воды в круговороте Бофорта в течение последнего десятилетия [25].
Известно, что вихри играют важную роль в накоплении и распространении пресной воды [41, 42], в связи с этим было выдвинуто предположение, что вихри способствуют уравновешиванию круговорота Бофорта и, следовательно, более энергичный круговорот с более высоким содержанием пресной воды должен интенсифицировать вихревое поле в данном районе [41]. Однако на данный момент набора данных исследования недостаточно для выявления связи между интенсификацией круговорота и количеством зарегистрированных вихревых структур.
Стоит отметить, что Мануальный метод идентификации может содержать различные отклонения, которые могут быть уменьшены при дальнейшей его автоматизации. Однако, насколько нам известно, такие методы не всегда доступны для анализа многоцелевых космических данных РСА.
Вихри часто наблюдаются вблизи батиметрических объектов, таких как континентальные шельфы, склоны и Чукотское плато, однако также они в достаточной мере присутствуют и в глубоководных частях исследуемой акватории. Вихри, зарегистрированные над глубоководьем, имеют несколько большие диаметры, что может означать, что они либо генерировались на границах течений и перемещались вглубь круговорота [43], либо генерировались посредством бароклинной нестабильности самого круговорота [41].
Настоящая работа одобрена и принята в печать рецензируемым журналом Journal of Geophysical Research: Oceans [22], а также представлена на ряде конференций [44,45,46,47] в том числе: ESA Living Planet Symposium 2019 и КИМО 2018 и 2019, где была удостоена диплома за лучший стендовый доклад.
Автор выражает благодарность кандидату физико-математических наук Козлову Игорю Евгеньевичу за оказанную помощь и возможность участия в приведенном исследовании.
В общей сложности идентифицировано 7749 проявлений вихрей на изображениях РСА с июня по октябрь в 2007, 2011 и 2016 годах, где 4078 вихрей, зарегистрированы в районах открытой воды, и 3671 вихрь - в ПЗЛ или вблизи кромки льда.
Наиболее заметной особенностью полученных результатов является то, что циклонические вихри значительно преобладают над антициклоническими: в среднем около 65-70% циклонических вихрей против 30-35% антициклонов. Большая часть вихрей также наблюдается в форме грибовидных структур (диполей), что согласуется с механизмом бароклинной нестабильности [38, 39).
Наибольшее количество вихрей в открытой воде обнаружено в августе и сентябре, когда регион имеет минимальную протяженность ледяного покрова. Данные результаты несколько отличаются от результатов, полученных для морей Евразийской Арктики, где наибольшее количество вихрей приходилось на июль [40]. Максимальное количество вихрей ПЗЛ зарегистрировано в сентябре, когда прикромочная зона льда хорошо развита и охватывает 5-7 градусов широты.
Диапазон вихревых диаметров в открытой воде распределён от 0,5 км до 61 км. Однако значения диаметров около 94% вихрей открытой воды не превышают 10 км со средним значением 4,7 км. Вихри ПЗЛ обычно больше по размеру со средним диаметром около 7 км и более широким диапазоном диаметров от 0,3 до 106 км. Можно сделать вывод, что средний диаметр антициклонических вихрей обычно несколько больше, чем у циклонических, как для вихрей открытой воды, так и для вихрей в ПЗЛ.
Межгодовая изменчивость количества идентифицированных вихрей говорит о том, что наибольшее количество вихрей в открытой воде и в ПЗЛ зарегистрировано в 2016 году по сравнению с 2007 и 2011 годами. Данная межгодовая изменчивость согласуется с широкими изменениями содержания пресной воды в круговороте Бофорта в течение последнего десятилетия [25].
Известно, что вихри играют важную роль в накоплении и распространении пресной воды [41, 42], в связи с этим было выдвинуто предположение, что вихри способствуют уравновешиванию круговорота Бофорта и, следовательно, более энергичный круговорот с более высоким содержанием пресной воды должен интенсифицировать вихревое поле в данном районе [41]. Однако на данный момент набора данных исследования недостаточно для выявления связи между интенсификацией круговорота и количеством зарегистрированных вихревых структур.
Стоит отметить, что Мануальный метод идентификации может содержать различные отклонения, которые могут быть уменьшены при дальнейшей его автоматизации. Однако, насколько нам известно, такие методы не всегда доступны для анализа многоцелевых космических данных РСА.
Вихри часто наблюдаются вблизи батиметрических объектов, таких как континентальные шельфы, склоны и Чукотское плато, однако также они в достаточной мере присутствуют и в глубоководных частях исследуемой акватории. Вихри, зарегистрированные над глубоководьем, имеют несколько большие диаметры, что может означать, что они либо генерировались на границах течений и перемещались вглубь круговорота [43], либо генерировались посредством бароклинной нестабильности самого круговорота [41].
Настоящая работа одобрена и принята в печать рецензируемым журналом Journal of Geophysical Research: Oceans [22], а также представлена на ряде конференций [44,45,46,47] в том числе: ESA Living Planet Symposium 2019 и КИМО 2018 и 2019, где была удостоена диплома за лучший стендовый доклад.
Автор выражает благодарность кандидату физико-математических наук Козлову Игорю Евгеньевичу за оказанную помощь и возможность участия в приведенном исследовании.