Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

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

ВАК РФ 25.00.28, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Исследование субмезомасштабных вихрей Балтийского, Черного и Каспийского морей по данным спутниковой радиолокации"

005055535

На правах рукописи

Каримова Светлана Сергеевна

ИССЛЕДОВАНИЕ СУБМЕЗОМАСШТАБНЫХ ВИХРЕЙ БАЛТИЙСКОГО, ЧЕРНОГО И КАСПИЙСКОГО МОРЕЙ ПО ДАННЫМ СПУТНИКОВОЙ РАДИОЛОКАЦИИ

Специальность 25.00.28 - Океанология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

2 2 НОЯ 2012

Москва-2012

005055535

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте космических исследований Российской академии наук

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук, доцент

Лаврова Ольга Юрьевна

Официальные оппоненты: Филюшкин Борис Никанорович,

доктор географических наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук, главный научный сотрудник

Захаров Александр Иванович,

кандидат технических наук, старший научный

сотрудник, Фрязинский филиал Федерального

государственного бюджетного учреждения науки

Института радиотехники и электроники

им. В.А. Котельникова Российской академии наук,

заведующий лабораторией

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования Российский государственный гидрометеорологический университет

Зашита состоится « 0^1 » 2012 г. в часов 00 мин. на

заседании диссертационного совета Д 002.239.02 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук по адресу: Нахимовский просп., д. 36, г. Москва, 117997.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук.

Автореферат разослан «3? » (РС/УьРСт^г^ 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат физико-математических наук/^^^Т/^^/Гинзбург Анна Ивановна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Объект исследования и актуальность темы. Субмезомасштабные вихри (с диаметром менее характерного локального радиуса деформации Россби) - наименее изученная часть спектра океанических вихревых структур. Несмотря на широкую распространенность таких вихрей спиралевидной формы в океане, которая стала очевидной благодаря наблюдениям (фотографиям) американских астронавтов с конца 1960-х гг. (Münk et al., 2000), их систематического исследования до сих не проводилось. Трудность при изучении этих вихрей определяется их малым пространственным масштабом, спонтанностью появления и малым временем жизни/проявления на поверхности (один или несколько дней), что практически исключает использование традиционных контактных методов океанологических измерений. Подобные вихри редко проявляются на оптических и инфракрасных спутниковых изображениях вследствие отсутствия оптических/тепловых контрастов или недостаточного пространственного разрешения. Известны работы по моделированию субмезомасштабных циклонических вихрей (например, Münk et al., 2000), предполагающие наличие сильного циклонического сдвига и конвергенции (фронта). Однако до сих пор остаются малоисследованными такие аспекты, как механизмы и источники генерации вихрей (особенно для глубоководных районов океана/моря), характерные для разных акваторий пространственные масштабы, частота образования, параметры их трехмерной структуры. Актуальность подобных исследований определяется первостепенной ролью вихрей (мезомасштабных и субмезомасштабных) в горизонтальном перемешивании вод и переносе загрязнений в поверхностном слое океана/моря, что особенно важно для внутренних морей, имеющих ограниченный водообмен с открытым океаном и подвергающихся возрастающему антропогенному стрессу.

Большие возможности для исследования характерных размеров, частоты образования, времени жизни субмезомасштабных вихрей и особенностей их пространственного распределения предоставляет спутниковая радиолокационная информация с высоким пространственным разрешением (в данном случае это около 150 м), не зависящая от наличия облачности. На сегодняшний день известны лишь единичные работы, посвященные анализу проявлений субмезомасштабных вихрей на ограниченном массиве

радиолокационных изображений (РЛИ) - для окраинного Норвежского моря {Dokken, Wahl, 1996; Sandven étal., 2000). В данной работе изучаются проявления субмезомасштабных вихрей трех внутренних морей на основе анализа большого массива спутниковых РЛИ.

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 Advanced Synthetic Aperture Radar (ASAR) и ERS-2 Synthetic Aperture Radar (SAR) в 2009-2010 гг.

Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи: 1) подтверждение достоверности интерпретации детектированных на РЛИ вихревых структур 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 14000 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 крупно- и 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. На основе анализа значительного массива радиолокационных данных 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 морей; исследованы особенности пространственного распределения обнаруженных вихрей; получены статистические характеристики диаметра субмезомасштабных вихревых структур; обнаружено, что продолжительность проявления наиболее крупной составляющей субмезомасштабных вихрей на спутниковых изображениях может достигать 7-8 дней.

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 визуализации на РЛИ. Полученные результаты могут быть использованы для дальнейшего изучения этих вихрей и, в частности, для проверки гипотез о механизмах их генерации.

Практическая значимость работы определяется тем, что полученные в ней сведения о субмезомасштабной вихревой активности в исследуемых морях создают основу для оценки вклада этих вихрей в процессы горизонтального переноса и вертикального перемешивания вод.

Достоверность полученных результатов. 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.

Личный вклад автора. Представленные в работе результаты были получены автором лично либо при его непосредственном участии. Автором лично: 1) разработана программа исследований субмезомасштабных вихрей по РЛИ; 2) проведен анализ радиолокационных данных в соответствии с намеченной программой; 3) написаны программные коды для автоматизации обработки данных на этапах, допускающих такую обработку; 4) осуществлены обобщение и анализ полученного эмпирического материала; 5) подготовлены публикации и доклады по теме работы.

Публикации по теме диссертации. Основные результаты опубликованы в 37 работах, 6 из которых - статьи в ведущих изданиях, рекомендованных ВАК, 1 - глава в книге, 4 - статьи в сборниках материалов международных конференций, 4 - статьи в сборниках материалов российских конференций, 6 -тезисы докладов на международных конференциях, 16 - тезисы докладов на российских конференциях.

Апробация работы. Результаты проведенного исследования докладывались и обсуждались на российских и международных конференциях: 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, 2007-2011 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, Тромсё, Норвегия, 2012 г.

По материалам работы были сделаны доклады на семинарах в ИКИ РАН (2010 и 2012 гг.), ИО РАН (2010 и 2012 гг.), ИПМех РАН (2011 г.).

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

Благодарности. Автор благодарит к.ф.-м.н. О.Ю. Лаврову (ИКИ РАН) за умелое руководство и чуткое наставничество; к.ф.-м.н. В.А. Арефьева (ИКИ РАН) за моральную, научную и техническую поддержку; зав. аспирантурой ИКИ РАН С.Е. Громову за доброту и участие; к.ф.-м.н. А.И. Гинзбург и д.ф.-м.н. А.Г. Костяного (ИО РАН), а также к.ф.-м.н. С.А. Лебедева (Геофизический центр РАН) за полезное обсуждение работы; к.ф.-м.н. C.B. Станичного и Д.М. Соловьева (Морской гидрофизический институт НАНУ) за ценные советы по получению и обработке спутниковых данных; д-ра Мартина Гаде (Университет г. Гамбург) за его многостороннюю помощь; к.г.н. A.B. Полякову (МГУ имени М.В.Ломоносова) и к.г.н. С.С. Семенова (НТЦ «Космонит») за неустанное стимулирование к выполнению работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении сформулирована цель исследования, обоснована актуальность и важность поставленной научной задачи, описаны методы ее решения, кратко изложено содержание диссертации, перечислены положения, выносимые на защиту.

В Первой главе представлен обзор литературы по тематике объекта и районов исследования; здесь же даны характеристики спутниковых сенсоров, данные которых использованы в работе.

В разделе 1.1 дана классификация океанических вихревых структур по пространственному масштабу и механизмам генерации. По пространственному масштабу океанические вихри подразделяются на:

- синоптические (с диаметром в сотни километров);

- мезомасштабные (с диаметров в десятки километров для внутренних морей и первые сотни - для океанических акваторий);

- субмезомасштабные (с диаметром менее локального внутреннего радиуса деформации Россби); именно эта последняя категория вихрей и является объектом исследования данной работы.

По механизмам генерации вихри подразделяются на фронтальные вихри и ринги; топографические вихри; фрикционные вихри и цепочки сдвиговых вихрей; вихри, возникающие вследствие изрезанное™ береговой линии; вихри за островами; вихри, порожденные крупномасштабными атмосферными процессами; грибовидные структуры и др.

Поскольку рассматриваемые в данной работе одиночные субмезомасштабные вихри и, в особенности, их плотные упаковки, как правило, нельзя отнести ни к одной из перечисленных групп, очевидно, они образуют отдельную категорию, и точный механизм их генерации еще предстоит выяснить.

В разделе 1.2 проведен сравнительный анализ гидрологической структуры и циркуляции поверхностных вод рассматриваемых морей. Черное море отличается самой глубокой котловиной с наиболее простыми очертаниями береговой линии. Отсутствие обособленных суббассейнов приводит к формированию здесь единой циркуляционной системы с мощным кольцевым течением, в зоне которого наблюдается подавляющее большинство мезомасштабных вихревых структур.

Балтийское море, напротив, отличается мелководностью и большим числом суббассейнов, значительной изрезанностью береговой линии и, следовательно, наименьшей устойчивостью поверхностных течений. Каспийское море по указанным параметрам занимает промежуточное положение.

В отношении гидрологической структуры поверхностных вод Черное море отличается от двух других меньшей толщиной верхнего квазиоднородного слоя в весенне-летнее время. Для центральной части Балтийского моря

характерно увеличение толщины распресненного квазиоднородного слоя с юга на север; для Черного и Каспийского морей существенно наличие зон распреснения вдоль западных побережий, устойчивая халинная стратификация в которых препятствует заглублению термоклина.

Значения бароклинного радиуса деформации Россби для Черного и Каспийского морей достаточно близки: 15-20 км и 17-22 км в глубоководных районах морей соответственно. В Балтийском море это значение не превышает 10 км.

В разделе 1.3 приведены технические характеристики спутниковых радиолокаторов с синтезированной апертурой антенны (РСА), радиометров, спектрорадиометров и скаттерометров, данные которых были использованы в работе.

Во Второй главе на основе мультисенсорного анализа спутниковых изображений исследуются особенности визуализации вихревых структур на РЛИ.

В разделе 2.1 рассматриваются, как более очевидные, принципы визуализации вихрей на спутниковых изображениях видимого и инфракрасного диапазонов.

Раздел 2.2 посвящен рассмотрению особенностей визуализации вихрей на РЛИ. Вследствие специфики формирования РЛИ водных объектов по сравнению с изображениями видимого и инфракрасного диапазонов, возможны различные механизмы проявления вихревых структур на РЛИ.

Пленочный механизм обусловлен подавлением капиллярных и коротких гравитационных волн поверхностными пленками естественного происхождения, которые концентрируются в зонах конвергенции, образуя на поверхности воды нитевидные слики, закручивающиеся в спирали, и таким образом визуализируют структуру вихря. Этот механизм проявляется при скоростях ветра от 2 до 5-7 м/с. Для краткости вихри, визуализированные с помощью этого механизма, будут в дальнейшем называться вихри I типа визуализации. Пример визуализации одиночной вихревой структуры с помощью этого механизма представлен на рис. 1а; пример плотной упаковки вихрей дан на рис. 2.

Сдвигово-волновой механизм обусловлен взаимодействием гравитационно-капиллярных волн и сдвиговых течений и проявляется в виде

закрученных в спирали или дуги областей повышенного рассеяния сигнала. Для срабатывания этого механизма требуются скорости ветра примерно от 6 до 12 м/с. Эта категория проявлений вихревых структур обозначается в данной работе как вихри II типа визуализации. Пример визуализации вихревой структуры с помощью сдвигово-волнового механизма показан на рис. 16.

а б в

Рис. 1. Визуализация на РЛИ Envisat ASAR вихревых структур с помощью различных механизмов: а) пленочного (10.05.2007 г., 07:37 UTC, Черное море); б) сдвигово-волнового (11.09.2011 г., 20:41 UTC, Каттегат); в) ледового (12.01.2010 г., 20:02 UTC, Финский залив).

Рис. 2. Визуализация плотной упаковки вихревых структур в юго-восточной части Балтийского моря на РЛИ Envisat ASAR, полученном 25.04.2009 г. в

09:09 UTC.

Также вихри могут визуализироваться на РЛИ с помощью ледовых трассеров. Соответствующий пример приведен на рис. 1 в.

Чтобы подтвердить объективность детектируемых на РЛИ вихревых структур, в работе был проведен совместный анализ серии РЛИ Envisat ASAR и изображений видимого диапазона спектрорадиометра Envisat MERIS и сканирующего радиометра Landsat ЕТМ+, полученных в периоды летнего цветения вод Балтийского моря.

В результате проведенного сравнения было установлено, что, несмотря на различия в механизмах формирования исследуемых изображений и в их пространственном разрешении, вихревые картины, отображаемые на этих изображениях, находятся в хорошем соответствии. Отсюда был сделан вывод о том, что, во-первых, спиралевидные структуры, проявляемые на РЛИ, действительно порождаются течениями в водной среде и, во-вгорых, эти течения захватывают не только граничную поверхность вода - воздух, но и более глубокие горизонты (предположительно, верхний квазиоднородный слой).

Поскольку для проявлений сдвигово-волнового механизма существует необходимость отличать их от проявлений различных атмосферных процессов, которые часто имеют сходный радиолокационный образ, для вихрей II типа визуализации был собран ряд доказательств в пользу гидродинамического, а не атмосферного происхождения этих структур.

Прежде всего был применен многосенсорный подход при интерпретации РЛИ с обнаруженными проявлениями сдвигово-волнового механизма. В рамках этого направления для ряда случаев было проведено сопоставление вихревой картины, обнаруженной на РЛИ, с соответствующей гидродинамической ситуацией, выявленной по спутниковым изображениям видимого и инфракрасного диапазонов.

Обширные свидетельства объективности вихрей II типа визуализации -как прямые, так и косвенные — были получены также при анализе исключительно радиолокационных данных. В частности, были обнаружены примеры вихревых структур, визуализированные одновременно как с помощью поверхностных пленок, так и с помощью сдвигово-волнового взаимодействия.

В разделе 2.3 на основе анализа последовательных изображений Envisat ASAR и Envisat MERIS показано, что время визуализации на спутниковых

изображениях наиболее крупных из субмезомасштабных вихрей Балтийского моря может достигать 7-8 дней.

Третья глава посвящена анализу временной изменчивости количества вихревых структур, обнаруженных на РЛИ в 2009-2010 гг.

В разделе 3.1 дается характеристика массива использованных данных, который состоит из РЛИ, полученных радиолокаторами ASAR и SAR, функционировавшими на спутниках Envisat и ERS-2 соответственно. Пространственное разрешение изображений -150 м.

Распределение РЛИ по отдельным морям и режимам съемки представлено в табл. 1. Режим WSM (Wide Swath Medium Resolution) характеризуется широкой полосой обзора получаемых изображений - около 400 км, а режим IMM (Image Mode Medium Resolution) - узкой (около 105 км).

Таблица 1. Количество проанализированных РЛИ (в числителе данные для 2009 г., в знаменателе - для 2010 г.)

Море Envisat WSM Envisat IMM ERS-2 IMM Всего

Балтийское 261/500 7/15 53/128 321/643

Черное 97/125 156/134 76/100 329/359

Каспийское 147/194 14/28 0/0 161/222

Всего 505/819 177/177 129/228 811/1224

Детектирование вихревых структур на РЛИ из описанного массива проводилось вручную. Несмотря на развитие автоматических алгоритмов выделения на РЛИ фронтальных зон и областей, покрытых поверхностными пленками, эти методы на данный момент представляют лишь методическую ценность, и широкое применение их на практике затруднительно.

Для каждого детектированного вихря в программном приложении BEAM VISAT определялись географические координаты его видимого центра, перечень которых сохранялся в текстовых файлах. Содержимое этих файлов и подвергалось дальнейшему анализу.

В разделе 3.2 приводятся сведения о количестве вихревых структур, обнаруженных в рассматриваемых морях благодаря различным механизмам визуализации - за весь период наблюдения и по отдельным сезонам.

Всего за рассматриваемый период (2009-2010 гг.) было обнаружено около 14 тыс. вихревых структур. Большинство из них представляли собой либо

вихри с циклонической завихренностью, либо грибовидные структуры с выраженной циклонической асимметрией.

В среднем 79 % обнаруженных вихревых структур были визуализированы с помощью пленочного механизма (I тип визуализации), а оставшийся 21 % - с помощью сдвигово-волнового (II тип). В Балтийском море некоторый (незначительный) вклад вносят также ледовые трассеры. В Северном Каспии, несмотря на ежегодно формирующийся в нем ледяной покров, «ледовые» вихри обнаружены не были.

Межсезонная изменчивость количества обнаруженных вихрей I и II типов визуализации в различных морях продемонстрирована на рис. 3.

5000 4500 4000 '5 3500

|"зооо

а 2500 § 2000 ¿5 1500 1000 500 0

>н

•1637

Балтийское Черное Каспийское

_13има я Весна "Лето "Осень

2000 1800 1600 _ 1400 1*1200 « 1000 § 800 600 400 200 0

4<К

242 :

295

I 412

Балтийское Черное Каспийское

I- Зима ш Весна ■ Лето ■ Осень

а б

Рис. 3. Распределение обнаруженных вихрей I (а) и II (б) типов визуализации по отдельным морям и сезонам.

Выявленная межсезонная изменчивость в количестве обнаруженных вихревых структур обоих типов визуализации может быть связана, прежде всего, с межсезонной изменчивостью скорости приповерхностного ветра и наличия поверхностных пленок на морской поверхности. В холодное время года более высокие скорости приповерхностного ветра способствуют более частому срабатыванию сдвигово-волнового механизма по сравнению с пленочным. В то же время умеренные скорости ветра и большее количество поверхностно-активных веществ, наблюдаемые в теплое время года, очевидно, благоприятствуют более частому проявлению в это время пленочного механизма.

Наблюдаемые внутригодовые различия в количестве обнаруженных вихревых структур также могут объясняться большей субмезомасштабной вихревой активностью в весенне-летнее время по сравнению с осенне-зимним. В этом случае в качестве определяющего фактора, предположительно, выступает толщина верхнего квазиоднородного слова: при неглубоком залегании термоклина, характерном для теплого времени года, формирование субмезомасштабных вихрей может протекать интенсивнее.

Для оценки частоты встречаемости вихрей на РЛИ в разделе 3.3 также рассмотрена доля РЛИ с вихревыми структурами в общем числе проанализированных РЛИ. В среднем около 39 % всех имеющихся изображений содержало какие-либо проявления вихревых структур. Для этого параметра также была выявлена значительная межсезонная изменчивость: в среднем зимой доля РЛИ с обнаруженными вихрями составила 28,0 %, весной -45,2 %, летом - 44,1 %, осенью - 35,5 %.

Поскольку рассмотренные выше показатели встречаемости вихрей на РЛИ - общее количество вихрей и доля РЛИ с обнаруженными вихрями -зависят от площади покрываемой ими поверхности исследуемых морей, в разделе 3.4 анализируется временная изменчивость еще одного параметра -среднего числа вихрей на единицу РЛИ морской поверхности.

Для определения этого параметра для каждого месяца было рассчитано количество вихрей, детектированных в этот период, и вычислена площадь участков РЛИ, полученных для поверхности интересующего нас моря. Затем число вихрей было поделено на полученное значение площади РЛИ. Графически изменчивость среднего числа вихрей на единицу площади РЛИ для рассматриваемых морей за весь период наблюдений представлена на рис. 4.

В целом вихри I типа визуализации обнаруживались значительно чаще, чем вихри II типа (рис. 4). Вихри I типа визуализации также демонстрировали большую изменчивость их среднего количества, чем вихри II типа.

При анализе межсезонных различий значений исследуемого параметра можно отметить, что наибольшее количество вихрей I типа визуализации наблюдалось в летне-осеннее время в 2009 г. и особенно в 2010 г. Некоторые пики отмечаются на графиках изменчивости количества этих вихрей также в весеннее время.

Сравнение внутригодовой изменчивости среднего числа вихрей на единицу площади РЛИ с соответствующей изменчивостью средней скорости ветра над рассматриваемыми морями выявило, что в целом количество обнаруженных вихрей I типа визуализации обратно пропорционально средней скорости ветра за рассматриваемый период, т.е. наблюдаемые межсезонные различия в количестве детектируемых вихрей могут определяться соответствующей изменчивостью благоприятных для визуализации вихрей ветровых условий.

-Балтийское

---Черное

--- Каспийское

/ \ / \/ » ' V V <\А <■ *

I ^__• /, А— \

т-1-1-1-1-1

123456789 10 11 12 123456789 10 11 12 2009 2010

3^

в 8

« Ч

X, ^

-Балтийское

---Черное

---Каспийское

^ / \

1 234567891011121 23456789101112 2009 2010

б

Рис. 4. Изменчивость среднего числа вихрей I (а) и II (б) типов визуализации на 10000 км2 РЛИ в 2009-2010 гг.

Чтобы выявить возможное влияние изменчивости количества биогенных пленок, присутствующих на морской поверхности, на количество обнаруживаемых вихрей, было проведено аналогичное сравнение графиков среднего количества вихрей I типа визуализации на единицу площади РЛИ с графиками средней концентрации хлорофилла а, что выявило пропорциональность анализируемых параметров для Каспийского моря.

Как указывалось ранее, в качестве фактора, определяющего межсезонную изменчивость количества наблюдаемых вихрей, также могла выступить внутригодовая изменчивость субмезомасштабной вихревой активности, определяемая толщиной верхнего квазиоднородного слоя.

В 2010 г. во всех трех морях было обнаружено большее количество вихрей, чем в 2009 г. (рис. 4). При этом скорость приповерхностного ветра между этими годами различалась незначительно, а концентрация хлорофилла а была в целом выше в 2009 г. По-видимому, наблюдаемые межгодовые различия в числе детектированных вихрей определяются уже не особенностями визуализации вихрей на РЛИ, а изменчивостью самой вихревой активности, обусловленной изменением стратификации вод в приповерхностном слое. Как известно, примечательной чертой гидрометеорологических условий 2010 г. была повышенная температура воздуха летом этого года над Европейской частью России. Как следствие, температура поверхностных вод европейских морей в 2010 г. также была выше, чем в 2009 г., что подтверждается анализом данных радиометров NOAA Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR). В результате интенсивного прогрева поверхностных вод в теплое время 2010 г. должен был сформироваться резкий и неглубокий термоклин, что, предположительно, способствовало более активному образованию субмезомасштабных вихрей в этот период.

Наибольшие значения среднего числа вихрей - как I, так и II типов визуализации - на единицу площади РЛИ были получены для Черного моря (рис. 4). Как указывалось ранее, Черное море среди рассматриваемых морей отличается наименьшей толщиной верхнего квазиоднородного слоя в весенне-летний период. Таким образом, наблюдаемые различия субмезомасштабной вихревой активности между рассматриваемыми акваториями, возможно, также объясняются различиями вертикальной гидрологической структуры поверхностных вод.

с.ш.

а б

Рис. 6. Карты пространственного распределения вихрей I (а) и II (б) типов визуализации, обнаруженных в Черном море в 2009-2010 гг.

Поскольку полученные таким образом карты пространственного распределения вихрей находятся под влиянием неравномерности покрытия акваторий РЛИ, была проделана процедура их нормализации на количество покрывающих РЛИ. Районы интереса были аппроксимированы

В Четвертой главе описывается методика построения карт плотности субмезомасштабных вихрей рассматриваемых морей и проводится их анализ.

Прежде всего, центры обнаруженных вихрей были обозначены точками на картах соответствующих морей (рис. 5-7). Анализу этих карт посвящен раздел 4.1.

_ -1 П°п тт 14° 90° ЧГ>° ''О0 1П°п П

54° с.иг.

а б

Рис. 5. Карты пространственного распределения вихрей I (а) и II (б) типов визуализации, обнаруженных в Балтийском море в 2009-2010 гг.

прямоугольными матрицами, и для каждого пикселя этих матриц были определены, во-первых, число детектированных вихревых структур, а во-вторых, плотность покрытия РЛИ. Затем первый показатель был поделен на второй. Анализ полученных карт нормализованной плотности вихрей проводится в разделе 4.2.

4б°в.д. 48° 50° 52° 54° 56°4б° 48° 50° 52° 54° 56°в.д.

48° с.ш.

46° 44° 42° 40° 38°

36° с.ш.

а б

Рис. 7. Карты пространственного распределения вихрей I (а) и II (б) типов визуализации, обнаруженных в Каспийском море в 2009-2010 гг. Точки, оказавшиеся на суше, относятся к заливу Кара-Богаз-Гол.

Полученные нормализованные карты были сопоставлены с пространственным распределением различных параметров, которые могли бы быть определяющими в пространственном распределении вихрей. Это сравнение показало, что:

- донная и береговая топография рассматриваемых морей не оказывает определяющего влияния на наблюдаемое распределение вихревых структур;

- большинство вихрей, визуализированных с помощью сдвигово-волнового взаимодействия, наблюдается в районах наиболее сильных поверхностных течений; при распределении вихрей, проявляющихся с помощью поверхностных пленок, крупно- и мезомасштабные элементы поверхностной циркуляции не являются определяющими;

- в Черном и Каспийском морях наиболее часто вихревые структуры были детектированы в зонах распреснения с устойчивой халинной (и, следовательно, также термической в период весенне-летнего прогрева) приповерхностной стратификацией;

- в Каспийском море максимальные значения плотности вихрей, визуализированных с помощью поверхностных пленок, отмечаются в районах с максимальной концентрацией хлорофилла а (и, следовательно, пленок биогенного происхождения), а также с максимальной концентрацией пленок нефтяного происхождения в окрестностях Апшеронского полуострова;

- области интенсивного летнего цветения вод в Балтийском море и максимальной плотности вихрей, визуализированных с помощью поверхностных пленок, не демонстрируют взаимного соответствия.

Раздел 4.3 посвящен статистическому анализу пространственного масштаба вихрей. Для наиболее хорошо проявленных вихревых структур (таких оказалось около 8250) был определен их диаметр. Измерения проводились вручную: в приложении Adode Photoshop определялось расстояние в пикселях между двумя наиболее удаленными точками на видимой границе вихря, затем расстояние в пикселях пересчитывалось в расстояние в километрах.

В целом диаметр обнаруженных вихрей варьировался в достаточно широких пределах - от 1 до 75 км. В то же время размер 99 % всех вихрей оказался в пределах 1-20 км.

Для определения наиболее часто встречающегося значения (моды) диаметра для различных групп вихрей были построены частотные гистограммы значений диаметра этих вихрей.

Некоторые характеристики полученных значений диаметра вихрей, а также результаты их сравнения со значениями бароклинного радиуса деформации Россби, характерными для шельфовых (LRS) и открытых (¿да) районов морей, приведены в табл. 2.

Поскольку сдвигово-волновое взаимодействие не способно визуализировать мелкомасштабные вихри (с диаметром менее 3-4 км), то характерный размер (мода значений диаметра) вихрей I типа визуализации во всех морях меньше, чем размер вихрей II типа (табл. 2). Тем не менее, даже при объединении двух групп вихрей - I и II типов визуализации - получаемый в

результате характерный размер вихрей во всех трех морях в 3-4 раза меньше значений радиуса деформации Россби, типичных для открытых районов морей, и сопоставим с его значениями в шельфовых районах. Таким образом, рассматриваемые вихревые структуры действительно относятся к категории субмезомасштабных.

Таблица 2. Статистические показатели пространственного масштаба вихрей и их сравнение со значениями радиуса деформации

Группа вихрей N Диапазон, км Мода, км Lrs,km Lrh, KM

Балтийское I тип 2826 1,2-48 2,5 1-6 7-10

Балтийское II тип 1114 2,3-32 6,5

Балтийское всего 3940 1,2-48 2,5

Черное I тип 1329 1,1-66 5,5 8-12 15-20

Черное II тип 621 1,5-32 7,5

Черное всего 1950 1,1-66 5,5

Каспийское I тип 1456 1,2-38 4,5 3-8 17-22

Каспийское II тип 461 2,8-33 7,5

Каспийское всего 1917 1,2-38 5,5

Примечание: N— количество вихрей

В разделе 4.4 рассмотрена межсезонная изменчивость среднего диаметра вихревых структур и показано, что в весенне-летнее время размер вихрей в целом больше, чем в осенне-зимнее. Большая развитость вихрей в теплое время года может быть связана с меньшей толщиной верхнего квазиоднородного слоя в этот период, что подтверждает гипотезу о влиянии характеристик стратификации поверхностных вод на формирование субмезомасштабных вихрей.

В Заключении сформулированы основные результаты и выводы работы.

На основе совместного анализа РЛИ Envisat ASAR и оптических изображений Envisat MERIS (дающих интегральную информацию о цвете моря в верхнем десятке метров) в работе показано, что спиральные структуры, визуализируемые на РЛИ, не являются проявлениями каких-либо исключительно поверхностных процессов, а имеют вертикальный масштаб, соответствующий, по-видимому, толщине верхнего квазиоднородного слоя.

При анализе свыше 2000 РЛИ Балтийского, Черного и Каспийского морей было установлено, что субмезомасштабные вихри являются типичным и самым

массовым элементом циркуляции поверхностных вод этих морей. Преобладающий знак вращения для обнаруженных вихрей - циклонический.

Наиболее часто вихревые структуры проявлялись благодаря пленочному механизму (71 % всех случаев); оставшиеся 29 % приходятся на сдвигово-волновое взаимодействие.

Большее количество вихревых структур, обнаруживаемых в теплое время года по сравнению с холодным, было объяснено преобладанием в это время меньших скоростей приповерхностного ветра над рассматриваемыми акваториями, способствующим проявлению большего числа вихрей, и уменьшением толщины прогретого квазиоднородного слоя, способствующим образованию большего числа вихрей.

Максимальное число вихрей было детектировано в зонах распреснения. Вихри, визуализированные с помощью сдвигово-волнового взаимодействия, чаще всего детектируются в районах с наиболее интенсивными поверхностными течениями.

На пространственно-временную изменчивость числа вихрей, визуализированных с помощью поверхностных пленок, может оказывать влияние биопродуктивность фитопланктона.

Характерный размер субмезомасштабных вихрей в Балтийском море составил 2,5 км, в Черном и Каспийском - 5,5 км. Обнаружено, что продолжительность проявления наиболее крупной составляющей субмезомасштабных вихрей на спутниковых изображениях может достигать 7-8 дней.

Список основных публикаций по теме диссертации

1. Каримова С. С. О проявлении вихревых структур на радиолокационных изображениях // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2010. Т. 7. № 3. С. 152-160.

2. Mityagina M.I., Lavrova O.Y., Karimova S.S. Multi-sensor study of eddy and internal wave dynamics in the north-eastern Black Sea coastal waters // Int. J. Remote Sens. 2010. Vol. 31. Nos. 17-18. P. 4779-4790.

3. Каримова C.C. Исследование нестационарных вихревых структур Черного моря по данным инфракрасных и оптических изображений // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2011. Т. 8. № 4. С. 228-244.

4. Каримова С.С., Лаврова О.Ю., Соловьев Д.М. Наблюдение вихревых структур Балтийского моря с помощью радиолокационных и

радиометрических спутниковых данных // Исследование Земли из космоса. 2011. №5. С. 1-9.

5. Каримова С.С. Статистический анализ субмезомасштабных вихрей Балтийского, Черного и Каспийского морей по данным спутниковой радиолокации // Исследование Земли из космоса. 2012. № 3. С. 31-47.

6. Karimova S.S. Spiral eddies in the Baltic, Black and Caspian seas as seen by satellite radar data // Adv. Space Res. 2012. Vol. 50. No. 8. P. 1107-1124.

7. Каримова C.C. Исследование субмезомасштабных вихрей Черного и Балтийского морей по радиолокационным и радиометрическим спутниковым данным // Электронный сборник докладов Российской научной конференции «Зондирование земных покровов радарами с синтезированной апертурой». М.: Издательство JRE, 2010. С. 148-159.

8. Каримова С. С. Исследование нестационарных вихревых структур Черного моря по спутниковым данным // Прикладные аспекты геологии, геофизики и геоэкологии с использованием современных информационных технологий: Материалы Международной научно-практической конференции. - Майкоп: Изд-во «Магарин О.Г.», 2011. С. 107-116.

9. Karimova S.S. Eddy statistics for the Black Sea by visible and infrared remote sensing // In book "Remote Sensing of the Changing Oceans". D. Tang (Ed.). Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, 2011. P. 61-76.

10.Karimova S.S. Satellite observations of eddies in coastal zones // Proc. Tenth International Conference on the Mediterranean Coastal Environment (MEDCOAST 2011), 25-29 October 2011, Rhodes, Greece. Dalyan, Mugla, Turkey, 2011. Vol. II. P. 965-976.

11..Karimova S. SAR observations of spiral eddies in the inner seas // Proc. 4th International Workshop SeaSAR 2012. 18-22 June 2012. Tromse, Norway.

Yl.Lavrova O., Karimova S., Mityagina M. Eddy activity in the Baltic Sea retrieved from satellite SAR and optical data // Proc. Third International Workshop SeaSAR 2010. 25-29 January 2010. ESRIN, Frascati, Italy.

Список цитируемой литературы

1. Dokken S.T., Wahl Т. Observations of spiral eddies along the Norwegian Coast in ERS SAR images. FFI Rapport 96/01463, 1996. 34 p.

2. Munk W„ Armi L., Fischer K„ Zachariasen F. Spirals on the sea // Proc. R. Soc. bond. 2000. Vol. 456. P. 1217-1280.

3. Sandven S„ Johannessen J.A., Kloster К., Hamre Т., Scetre H.J. Satellite studies of ocean fronts and eddies for deepwater development in the Norwegian Sea // Proc. Tenth International Offshore and Polar Engineering Conference (ISOPE-2000). Seattle, USA, May 28-June 2,2000. P. 166-170.

Подписано в печать: 22.10.2012 Объем: 1,0 п. л. Тираж: 150 экз. Заказ № 679 Отпечатано в типографии «Реглет» 119526, г. Москва, пр-т Вернадского, д. 39 (495) 363-78-90; www.reglet.ru

Содержание диссертации, кандидата географических наук, Каримова, Светлана Сергеевна

Введение.

Глава 1. Характеристика океанических вихрей, районов интереса и используемых спутниковых сенсоров.

1.1. Классификация океанических вихрей.

1.2. Характеристика циркуляции и гидрологического режима поверхностных вод Балтийского, Черного и Каспийского морей.

1.3. Характеристика используемых спутниковых сенсоров.

1.4. Выводы по главе 1.

Глава 2. Особенности визуализации вихревых структур на радиолокационных и оптических изображениях.

2.1. Визуализация вихревых структур на изображениях видимого и инфракрасного диапазонов.

2.2. Визуализация вихревых структур на радиолокационных изображениях.

2.3. Оценка максимальной длительности визуализации вихревых структур на последовательных спутниковых изображениях.

2.4. Выводы по главе 2.

Глава 3. Временная изменчивость количества вихревых структур, обнаруженных на радиолокационных изображениях.

3.1. Характеристика массива используемых данных.

3.2. Количество обнаруженных вихревых структур.

3.3. Доля радиолокационных изображений с обнаруженными вихревыми структурами.

3.4. Среднее число вихрей на единицу площади радиолокационных изображений и факторы, определяющие его изменчивость.

3.5. Выводы по главе 3.

Глава 4. Пространственное распределение и пространственный масштаб вихревых структур.

4.1. Анализ схем пространственного распределения вихрей.

4.2. Построение и анализ карт плотности вихрей.

4.3. Статистические характеристики диаметров вихревых структур.

4.4. Межсезонная изменчивость среднего диаметра вихрей.

4.5. Выводы по главе 4.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "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 étal., 1995; Graber, Limouzy-Paris, 1997; Gawarkiewicz et al., 2001; Afanasyev etal., 2002; Jayne, Marotzke, 2002; Oguz etal., 2002a; Bidigare 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, 1984а; Монин, 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 étal., 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, Hühnerfuss, 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; Münk 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 14000 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 крупно- и 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 морей; исследованы 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, 20072011 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 вихрями; здесь 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 РЛИ; доли 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 вихрей; рассмотрена межсезонная изменчивость среднего диаметра вихрей.

В заключении перечислены основные полученные результаты.