Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Пространственно-временная структура гидрофизических полей как объект подспутникового полигона

ВАК РФ 11.00.08, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Пространственно-временная структура гидрофизических полей как объект подспутникового полигона"

^ ¿С

АКАДЕМИЯ НАУК СССР -

ИНСТИТУТ ОКЕАНОЛОГИИ им. П.П. ШИРШОВА

На правах рукописи

ТАТАРАЕВ ТЕЛЬМАН МАГОМЕД ОГЛЫ УДК (551.46:551.51):(550.3:528.855):(С.43.3)

ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННАЯ СТРУКТУРА ГИДРОФИЗИЧЕСКИХ ПОЛИ! КАК ОБЪЕКТ ПОДСПУТНИКОВОГО ПОЛИГОНА 11.00.08 - Океанология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва - 1990

Работа выполнена в Научно-производственном объединении космических исследований Главносмоса СССР

Официальные- оппоненты - доктор физико-математических наук

H.A. Пантелеев (Морской гвдрофизичес-кий институт АН УССР)

доктор физико-математических наук Ю.А. Иванов (Институт океанологии АН СССР)

доктор географически*

Г.Н. Панин (Институт водных проблем

АН СССР)

Ведущая

организация -г Институт физики атмосферы АН СССР

Защита диссертации состоится " " _19_г,

в " " часов на заседании Специализированного Совета по присуждению ученой степени доктора наук Д 002.86.01 при Институте океанологии им. П.П. Ширшова АН СССР. Адрес Института: II72I8, Москва, ул. Красикова, 23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института океанологии им. П.П. Ширшова АН СССР.

Автореферат разослан " " _ 1990 г.

Ученый секретарь СпециализированнорсГ^~Ъ—» Совета, доктор географических наук /yf J

Б.II. Филкшин

I. ОВДАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Введете. Решение фундаментальных и прикладных проблем океанологии требует детального исследования всех взаимосвязанных физнческгх, химических и биологических процессов в океана и атмосфере над ним, считая эти среды единой системой. Для этих исследований необходимы новые методы и средства, обеспечивающие непрерывное поступление различной информации о процессах в системе "океан-атмосфера" ("море-атмосфера") в широком диапазоне изменения масштабов изучаемых явлений. В настоящее время успехи в комплексном исследовании системы "море-атмосфера" с целы) решения фундаментальных проблем современной геофизики в большой степени зависят от уровня развития аэрокосмическзх методов и средств, позволящих оперативно получать информацию о состоянии этой система и процессах в ней. Эффективность применения дистанционных методов связана с решением основной задачи аэрокосмической гидрофизики, которая сводится к определению систем признаков, позволяющих-однозначно выделить "образн" физических процессов и их основных гидрофизических характеристик, т.е. к классификации дешифровочвнх признаков," по которым наблюдаемые характеристики гидрофизических полей в верхних слоях '.'.оря или на его поверхности можно связывать с физическими процессами в глубинных слоях моря и атмосфере (Нелепо, Терехин, Коснырев, Х!шрев, 1283). В настоящее время, развитие аэрокссмячоских методов изучения океанов и морей сталкивается с рядом трудностей принципиального характера, без преодоления которых нельзя рассчитывать пз серьезные успехи в этой области (Викторов, 1983).

Первые в нашей страна агрономические эксперименты с применением специализированных океанографических спутников "Космос -1076" и "Космос-1151" показали пути отработки методики комплексных синхронных намерений гидрофизических параметров океана, а широкое привлечение результатов прямых измерений соответствующих гидрофизических характеристик, выполненных на специальных контрольно-калибровочных морских и океанских полигонах, позволило оценить точность дистанционных измерений и идентифицировать полученные данные с физическими процессами в океане. Несмотря на определенные успехи, результаты советских и американских спутниковых экспериментов показали, что отсутствие корректной сети подспутниковых измерений является серьезным препятствием на пути развития методов исследования океана из кос-

моса. Поэтому, одной из первостепенных задач на этом пути является- создание сети подспутниковых контрольно-калибровочных измерений, составной частью которой являются контрольно-измерительные морские полигоны (КИМП). КИМП предназначены для изучения функциональных и статистических связей гидрофизических характеристик моря с отражением, рассеянием и излучением электромагнитных волн в различных участках спектра с целью разработки методики калибровки дистанционной измерительной аппаратуры,

В настоящее время точность контактных измерений и ошибки, связанные с пространственной и временной привязкой результатов этих намерений к спутниковым, не позволяют использовать их в качестве калибровочных. Из этого следует, что при создании КИМП необходимо детальное исследование пространственно-временной структуры гидрофизических полей в широком интервале масштабов их изменчивости с целью их классификации. Большое значение, при этом, имеет изучение физических процессов, протекающих в пограничной зоне "вода-воздух", которые тем или иным образом влияют на формирование восходящих потоков излучения.

Актуальность темы диссертации. Комплексное исследование пространственно-временной структуры гидрометеорологических полей и физических процессов на границе раздела "вода-воздух", чему посвящена диссертация, является одним из наиболее актуальных направлений геофизики и имеет большое значение для разработки научных основ прогноза погоды и биологической продуктивности, разработки мер борьбы с загрязнением, обеспечения безопасности мореплавания и рядя других прикладных задач.

Одной из важнейших задач современной науки является разработка эффективных аэрокосмических методов и средств для исследования морей и океанов. Решение этой задачи связано с организацией корректной сети подспутниковых измерений, неотъемлемой частью которых являются подспутниковые КИМП. Для создания КИЩ необходимо детальное исследование пространственно-временной изменчивости гидрофизических полей и физических процессов на границе раздела "вода-воздух" в районе организации подспутникового полигона. Поэтому, результата исследования сезонной, синоптической и суточной изменчивости гидрофизических полой и их .члчисяфикация вау.ин ./да ирг.-чни-

зации эффективных подспутниковых контрольно-калибровочных измерений. Результаты изучения физических процессов на границе раздела "вода-воздух" расширяют и углубляют наши представления о механизмах мелкомасштабного взаимодействия атмосферы и моря и необходимы для определения закономерностей формирования восходящих потоков излучения в различных областях спектра электромагнитных волн. Исследование турбулентности в конкретном районе имеет большое значение как для понимания условий формирования гидрофизических полей и их изменчивости, так и для изучения закономерностей распространения в нем примесей загрязнения, которые могут быть легко обнаружены дистанционными средствами.

Результаты комплексного исследования гидрометеорологического режима всего Каспийского .моря и гидрофизических процессов в его Северо-Ашеронском районе приобретают особую актуальность в связи с разработкой Каспийского ЮШ и системы регионального и локального мониторинга. Эти результаты важны и для рёпения собственных проблем Каспийского моря.

Вышеуказанные соображения определяют актуальность теш диссератционной работы.

Цели и задачи диссертации. Основные цели исследований, которым посвящена диссертация, кратко мояно сформулировать следующим образом. Выполнить исследования пространственно-временной структуры гидрофизических полей Каспийского моря и их классификацию, изучить закономерность морской турбулентности и физических процессов в пограничной системе "море-атмосфера" в районе, предложенном для создания ИМ и на основе полученных результатов дать научные обоснования возможности создания подспутникового полигона на Каспийском море.

При постановке задач исследований использовалась современные представления об изменчивости океана и атмосферы над ним, основные положения теории турбулентности, физические основы мелкомасштабного взаимодействия моря и атмосферы и принципы дистанционного зондирования моря.

Исходя из вышеизложенного,'для достижения поставленных целей, в диссертации сформулированы следующие основные научные задачи:

I. Исследование оообенностей полей ветра, температуры поверхностного слоя, поверхностных волн и течений на Каспийском море и их классификация по синоптическим условиям, а также

научное обоснование выбора района создания полигона.

2. Экспериментальное исследование некоторых характеристик турбулентной диффузии в море и расчет схем распространения примесей в Северо-Алшеронском районе Каспийского моря, для типичных синоптических ситуаций.

3. Исследование особенностей приводного слоя атмосферы и влияния ветровых волн на него, а таюее их влияния на рассеяние влектромагнитннх и звуковых волн.

4. Проведение экспериментальных работ по изучения как температурного режима приповерхностного слоя воды в лабораторных

и натурных условиях, так и влияния нефтяной пленки на температурный рзяиы поверхностного слоя воды и испарение.

5. Определение задач КИМП и требований, предъявляемых к ним, определение основных гидрофизических параметров и разработка требований к их измерении, а такке разработка методики проведения аэрокосмических экспериментальных работ на морских полигонах.

6. Научное обоснование необходимости исследования и учета пространственно-временной структуры гидрофизических полей при организации подспутниковых контрольно-калибровочных работ.

При решении перечисленных задач возникла необходимость разработки методики проведения экспериментальных работ с использованием неподвижных морских свайных платформ и создания стационарной экспериментальной станции в открытой части Каспийского моря, а также устройств для исследования поля температуры в приповерхностном слое воды.

Основные научные результаты. Основные научные результаты, приведенные в диссертации, могут быть изложены в ваде следующих выводов:

I. tío данным наблюдений и результатам расчетов по барическому поли получены карты скоростей ветра над Каспийским морем для типичных синоптических условий и исследована их сезонная изменчивость. Рассчитаны величины дивергенции и завихренности резулътирупцаго ветра и изучена их пространственно-временная изменчивость. Рассчитаны поля ветровых волн на Каспийском море с учетом влияния глубины и построены их карты, классифицированных по С, СЗ и Ю, ЮВ направлениям ветра. Получены сезонные карта температуры поверхностного слоя моря и проведена их

классификация по синоптическим условиям. Исследована синоптическая и сезонная изменчивость поля разности температур вода-воздух. Определены масштабы изменчивости полученных полей гидрометеорологических параметров.

2. По материалам комплексной съемки Каспийского моря 1986 г. исследована структура поля температуры и построены карты распределения температуря на горизонтах 0,5, 10, 15, 20, 25, 30 и 50 м. Выполнен модельный расчет течений по данным указанной съемки я получены карты течений для СЗ и ЮВ ветров. В Среднем и ханом Каспии обнаружены несколько вихревых образований.

3. Проанализированы методика и результаты полигонных исследований в океанах и морях, проведении в Советском Союза и за рубежом, и обоснована целесообразность организации морских подспутниковых полигонных измерений на Каспийском море. Исходя из требований, предъявляемых к районам морских полигонных исследований и результатов специальных исследований для создания Каспийского КИМП предложен его Северо-Апшеронский район.

4. Проведены экспериментальные работы по изучению турбулентной диффузии в море методами дискретных частиц и непрерывных индикаторов с использованием неподвижных морских платформ. По данным диффузионных опытов с дискретными частицами исследована зависимость коэффициента турбулентной диффузии от масштаба явления. Отклонения полученных зависимостей от "закона 4/3" теории локально-изотропной турбулентности объяснены особенностями энергоснабжения вод в Северо-Апшеронском районе. По данным опытов со струями флюоресцирующих красителей в Каспийском море определена зависимость параметров струи от времени диффузии,оценено время перехода от квадратического режима к кубическому и получена зависимость диссипации турбулентной энергии от высоты ветровых волн. По материалам диффузионных экспериментов в Черном, Балтийском и Каспийском морях исследована вертикальная и горизонталхг-ная анизотропия процесса диффузии.

5. По фондовым материалам и данным специальных экспедиционных работ получены детальные схемы течений в Северо-Апшеронском районе Каспийского моря для основных типов ветра. Выполнен детальный анализ изменчивости полей ветровых волн и температуры

в исследуемом районе. Осуществлен модельный расчет распространения примесей от непрерывного точечного источника в Северо-Апшеронском районе для получешшх схем течений.

6. Проанализированы методы учета влияния атмосферы на результаты дистанционного зондирования. Получены поля радиационной температуры поверхности Каспийского моря дая четырех сезонов года с учетом передаточной функции атмосферы.

7. Выполнен большой комплекс экспериментальных работ по изучению взаимодействия пограничных слоев атмосферы и моря. Исследована вертикальная структура поля ветра в приводном слое атмосферы. По данным экспериментальных работ определена зависимость профиля ветра в приводном слое воздуха от стадии развития ветровых волн. Оценены отклонения профиля средней скорости от логарифмического закона и определена их зависимость от высоты в стадии развития ветровых волн. Проанализировано влияние "возраста" волн на рассеяние электромагнитных и звуковых волн

в приводном слое атмосферы. По данным измерений получены спектры турбулентности в приводном слое атмосферы, показаны их особенности при различных условиях волнения в зависимости от высоты. Проведено экспериментальное исследование зависимости коэффициента турбулентного теплообмена в приводном слое атмосферы от стратификации, скорости ветра и стадии развития ветровых волн, а также зависимость структурной характеристики температурного поля от высоты и разности температур вода-воздух.

8. По данным измерений на неподвижных платформах получены частотные спектры ветровых волн при глубинах 6,7, 12 и 40 м в различных условиях и исследовано влияние глубины на них. По данным этих измерений показано, что частотные спектры на глубинах 6-12 м заметно отклоняются от закона ¿¡(ш) ~ в диапазоне частот 0,15 £ } £ 0,35 П* и хорошо аппроксимируются законом ~ ш . Проведены синхронные измерения флуктуаций атмосферного давления в приводном слое воздуха и ветровых волн в Северо-Апшеронском районе Каспийского моря. Получены спектры волнения, пульсаций давления и их когерентности на высотах 1,53 и 3,53 м.

9. Проанализированы условия образования приповерхниитииго слоя воды, рассчитаны величины перепадов температуры в приповерхностном слое Каспийского моря и построены их поля для четырех сезонов года. Разработаны методика и измерительный комплекс для исследования температурного режима в приповерхностном слоо водц в лабораторных и натурных условиях. Получглш профили температуры ни гр-'шкцо раздела иоля-иоздух в ¡¡.ч^л/чшг/ усл'жилх.

Проведено экспериментальное исследование связи меязду величинами радиационной температуры поверхности моря и кинетической температуры поверхностного слоя в условиях открытого моря.

10. Проведено экспериментальное исследование влияния нефтяной пленки на температурный режим поверхностного слоя воды и испарение. Получены зависимости этого влияния от толщины пленки, времени суток, разности температур воды с нефтяной пленкой и без нее и от скорости ветра.

11. Проанализированы трудности на пути развития дистанционных методов исследования моря, определены место и задачи КИМП

в системе подспутниковых контрольно-калибровочных измерений. Определены требования к точности измерения основных информативных гидрофизических параметров на.КИМП. Сформулированы основные требования к создания КИМП и предложена методика проведения аэрокосмических экспериментов с их использованием.

12. Научно обоснована необходимость учета пространственно-временной структуры гидрофизических полей при организации подспутниковых контрольно-калибровочных измерений. По данным наблюдений определены оптимальные расстояния между точками измерений Каспийского КИМП и дискретность измерений в зависимости от пространственно-временной структуры поля ветра в районе создания полигона.

Научная новизна исследований, достоверность подученных результатов и научных выводов. Исследование пространственно-временной структуры гидрофизических полей Каспийского моря, выполненное в диссертации, привело к ряду принципиально новых результатов, основными из которых можно считать следующие:

1. Выполнена единая классификация полей основных гидрофизических параметров моря по синоптическим условиям, оценены масштабы юс изменчивости. Рассчитаны поля дивергенции и завихренности результирующего ветра над Каспийским морем. Проведено сравнение их рассчитанных характеристик с данными наблюдений

и результатами комплексной съемки моря.

2. Впервые проведены комплексные исследования характеристик турбулентности в приводном слое атмосферы и верхнем слое моря

с использованием неподвижных свайных платформ в открытой части моря при различных условиях.

3. Разработаны методика и измерительный комплекс дога исследования структура температуры в приповерхностном слое воды

в лабораторных и натурвнх условиях.

4. Анализ результатов работ но дистанционному зондирование мора к полигонных работ в океане в морях позволил четко сформулировать задачи КИШ и требований в ним и на их основе предложить методику аерокосмнчесхих экспериментальных работ на морских подгонах.

5. На основе исследования пространственно-временной структуры гидрофизических полей и результатов экспериментальных работ по изучению физических процессов в пограничном слое "море-атыо-офера" показана веоахрдшюстъ их учета при организации подспут-нииониг контрольно-калибровочных измерений.

Результаты исследования распределения и изменчивости гидрофизических полей проверялись как данными натурных намерений, так и сопоставлением с результатами других авторов, полученных другими методами и средствами. Отдельные результаты, полученные расчетным путем, неоднократно проверялись при проведении международных аэрокосмических экспериментов Тюнешп.

Научные выводы, полученные до экспериментальным данный, обеспечены использованием результатов измерений калибровочными приборами с необходимым контролем их тарировочных характеристик как в лабораторных, так и в морских условиях. Статистическая обработка основывалась на обеспеченных выборках анализируемых данных, что позволяло получать достоверные статистические оценки характеристик.

Результаты и научные выгоды, полученные в диссертации, основаны на обработка, анализе и обобщении материалов наблюдений и специальных экспериментальных работ, выполненных с участием автора в течение более 10 лет.

Практическая значимость работы. Результаты работы имеют важное значение для понимания процессов формирования гэдро-фиаических полей, процессов перемешивания и энерго- и массооб-мева между амо сферой и морем. Полученные результаты могут быть использованы при разработке и совершенствовании моделей эволюции верхнего слоя моря и приводного слоя атмосферы и, тем самым, способствовать улучшению методов прогноза погоды.

Результаты по изучению пространственно-временной структуры гидрофизических полей могут быть использованы при решении различных практических задач, связанных с мореплаванием, развитием рыбного промысла, нефтедобычи в море и других. Большое'

значение при исследовании загрязнения Каспийского кора к разработке мер борьбы с ним имеет результат, полученные в диссертации по изучении закономерностей распространения примесей в море.

Научные результаты исследования физических процессов на границе раздела "вода-воздух" имеют большое значение для дешифрования данных дистанционного зовдирования иоря. Основные принципы создания КИШ и проведения на них аэрокоомических экспериментов могут быть использованы при соаданкв сети подспутниковых контрольно-калибровочных измерений.

Научные результаты работа могут быть весьма полезными при разработке и создании система регионального в локального мониторинга Каспийского моря.

JfagCTift тгтгатг «Mffl« и тту^РТТ^ т^рур^-р" ■nurtrmi.

Диссертационная работа является результатом обобщения многолетних экспериментальных исследований автора, выполненных в Институте географии АН Азерб.ССР я НПО Космических восладовааяй. Злу принадлежат формулировка и постановка задач комплексного исследования верхнего слоя моря к приводного слоя атмосферы и их взаимодействия с использованвем неподвижных морских платформ. По инициативе и при непосредственном участии автора в открытой части Каспийского иоря на глубине 40 м была создана спецваль--ная экспериментальная база на неподвижной свайной платформе, а также измерительный комплекс дм исследования структуры температурного поля в приповерхностном слое води.

Автор непосредственно участвовал в проводимых исследованиях на всех этапах, начиная с планирования и проведения измерений в экспедиционных работах, и кончая обработкой, анализом и теоретической интерпретацией полученных результатов. Экспериментальные данные, составившие основу для проведения исследований, представленных в диссертации, получены в многочисленных экспедициях, большинством из которых автор руководил.

Представленные в диссертации фактические данные, количественные оценки параметров исследуемых процессов, научные результаты и выводы получены лично автором или при его непосредственном участии.

Основные результаты исследований, полученные в диссертации опубликованы в 30 научных работах. Совместная публикация большинства научных результатов и выводов объясняется коллективным характером экспедиционных работ.

Ашшобапия работы. Результаты, полученные в диссертации, были доложены на Международном симпозиуме по исследованию турбулентности и процессов диффузии примеси в океане (Москва, 1976), на пленумах комиссии по проблемам Мирового океана АН СССР (Баку, 1983; Батуми, 1984), на первой Всесоюзной конференции "Биосфера и климат по данным космических исследований" (Баку, 1982), на Ш съезде советских' океанологов (Ленинград, 1987), на УШ, II, I (Баку, 1970; 1971; 1973) конференциях молодых ученых ИГ АН Азерб. ССР, а также на семинарах ИГ АН Азер. ССР, ШО КИ и Лаборатории морской турбулентности и отдала экспериментальной космической океанологии АН СССР.

D. СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения и списка использованной литературы. Она содержит 270 страниц машинописного текста (без рисунков), 93 рисунка и 14 таблиц. Список литература содержит 291 название, в том числе 40 иностранных.

Введение посвящено краткому изложению современного состояния развития методов дистанционного зондирования. Рассматриваемся актуальность теш диссертации, обосновывается необходимость исследования, пространственно-временной структуры гидрофизических полей при организации подспутниковых контрольно-калибровочных работ, формируются основные цели и задачи работы, а также приведено краткое изложение содержания отдельных глав.

ШВА I. ИЗМЕНЧИВОСТЬ ПЩРШЕГГЕОРОЛОЮТЕСКИХ ПОЛЕЙ КАСПИЙСКОГО МОРЯ

Большая изменчивость природных условий Каспийского моря, связанная с его изолированностью от Мирового океана, которая обуславливает зависимость всех процессов и явлений в нем от воздействия внешних факторов, требует постоянного слежения за его состоянием. Результаты исследований изменчивости условий и характеристик Каспийского моря и их прогнозирования описаны в работах U.M. Книловича, В.Б. Штокмана, A.A. Мадат-заде, К.К. Тюля, О.Д. Кошинского и др.

г1ба!ул '¡MTiKv/i-ro'nfifirfimnnrj/ni условия Каспийского моря и со-

стояние их изменчивости анализируются в первом параграфе. Показана важность исследования изменчивости гидрометеорологического режима моря для народного хозяйства всего региона я разработки методов дистанционного зондирования.

Одним из основных факторов, определяющих гвдрофизические процессы и явления в Каспийском море является ветер, которого посвящен второй параграф. В работах Мадат-заде (1959), Иконниковой (1960) и Кошвского (1964) исследованы режимные характеристики ветрового поля и даны его классификации в зависимости от направления и величин скорости.

Для проведения аэрокоскических экспериментов в контролируемых условиях необходима классификация гидрометеорологических полей на единой основе. Поскольку, как отмечено вшсе, поле ветра оказывает огромное влияние на формирование полей других параметров Каспийского моря, то представляется естественным выполнение такой классификации на основе ветрового поля и его изменчивости. Анализ литературных и фондовых данных, а также материалов экспедиций за 1961-1980 г.г., позволил получить карты полей ветра, объединенных по С, СЗ и Ю, Ш направлениям для февраля, апреля, июля и ноября месяцев. При построении полей ветра, кроме данных каблвдений использовалась результаты расчета ветра по полю давления с учетом стратпфтсащи (по разности температур вода-воздух). Полученные карты показывают, что область поешзнных значений скорости ветра при С, СЗ направлениях располагается в районе Апшерона, а при Ю, ЮВ направлениях она перемещается на северо-западную часть Среднего Каспия.

Дивергенция и завихренность поля ветра являются важнейшими характеристиками его изменчивости. Эти характеристики полей ветра над Каспием рассчитаны для результирующего ветра. Полученные поля показали их существенную пространственную и сезонную изменчивость.

В третьем параграфе показывается важность исследования полей ветровых волн и их изменчивости. С использованием полученных средних полей ветра С, СЗ и Ю, Ю направлений и карты полей СЗ ветра для скоростей 21-25 м/с Кошинского рассчитаны поля волн с учетом влияния глубины моря. Для учета шшяния "эффекта конечности глубины" била использована методика,- предложенная Кршювна, Стрекаловым п Цщиухикым (1576). Полученные

карты показали, что для средних полей ветра "эпицентр" небольших значений параметров волн расположен в центральной части моря и имеет форму эллипса, вытянутого с СЗ и ЮВ, а дои ветров 21-25 и/с он расположен в районе Аппюрона.

Исследовании температурного поля в поверхностном слое посвящен четвертый параграф главы. Как известно, температура является одним из важнейших гидрофизических параметров, определяющих процессы взаимодействия моря и атмосферы, и-.поле температуры может служить своеобразным "индикатором" различных явлений в системе "море-атмосфера" при их дистанционном исследовании. Поэтому, большой интерес вызывает исследование изменчивости поля температуры по сезонам и синоптическим условиям. В этом параграфе анализируются поля температуры поверхностного слоя моря для четырех сезонов года, классифицированных по С, СЗ и Ю, ЮВ направлениям ветра. Показано существенное отличие полученных таким методом полей температуры от карт, построенных без учета направления ветра. В этом же параграфе обсуждаются результаты расчетов полей еще одного из основных параметров взаимодействия атмосферы и моря - разности температур "вода-воздух", характеризующей стратификацию приводного слоя и турбулентный обмен между ними. Анализ полученных полей этой разности показал, что они в большой степени зависят от типа атмосферной циркуляции над Каспием. Поля разности температур "вода-воздух" построены на основе статистического анализа связей между ними по всш квадратам моря при различных типах ветра.

Современные представления о циркуляции вод в Каспийском море, которые обсуждаются в пятом параграфе, основаны на исследованиях Н.М. Книловича (1921), А.И. Михалевского (1931), В.Б. Штокмана (1938), В.А. Леднева (1943) и других. Следует ответить,, что схемы течений, впервые полученные Книповичем, в дальнейшем лишь дополнялись и подвергались частичным изменениям в зависимости от изменения степени влияния того или иного фактора, общая же картина циркуляции при этом практически сохранялась. При разработке аэрокосмических методов большое значение имеет исследование циркуляции вод для различных типов ветра. Такая задача с применением метода полных потоков (Фель-зенбаум, 1960) была решена Бахмаловым (1969). Исследование циркуляции вод Каспийского моря с использованием климатических

полей плотности и ветра, а также рельефа дна, проведенное Бадаловым (1586) по диагностической модели Саркисяна (1977), показало, что интегральная циркуляция вод моря, в целом определяется бароклинностью вод и рельефом дна, а ветер играет доминирующую роль только в Еерхнем 30 метровом слое. На основе этих результатов Бадаловым была разработана и использована двуслойная трехмерная тврмогидродинамике екая модель, позволяющая проводить расчет циркуляции вод на малые сроки с учетом реальных полей ветра. Дня расчета циркуляции вод в Каспийском море по комплексной съемке в августе 1986 г. в настоящей работе использованы данные измерений для двух синоптических ситуаций (при СЗ в Ш ветрах). Анализ температуры воды на всей акватории показал, что термический режим Среднего Каспия, по сравнению с другими частями моря, характеризуется гораздо большей пространственно-временной изменчивостью. Дня исследования особенностей режима течений по данным съемки методами математического моделирования была использована двуслойная трехмерная термогадро-динамическая модель (Бадаяов, 1986). Аяапз результатов, показал, что в обеих ситуациях манду атмосферными процессами и динамикой деятельного слоя существует тесная связь. Кроме того,' результаты расчетов показали, что под влиянием северных ветров к концу 3-х суток в море наблюдается несколько вихревых образований: в районах Махачкала-Дербент и Баку-Апшерон - антициклони-ческяо, а в остальных - циклонические. Результаты этих исследований и других авторов показывают возможность классификации циркуляции в Каспийском море по синоптическим ситуациям, что очень важно дая организации контрольно-калибровочных подспутниковых работ.

Шестой параграф главы посвящен обоснованию выбора района гидрофизических полигонных исследований в Каспийском море. Характерной особенностью гидрофизических полей в океане является ах большая пространственно-временная изменчивость в широких масштабах. Исследование изменчивости гидрофизических полей в каждом определенном интервале масштабов требует разработку конкретной методики измерений и соответствующих требований к приборам (Озмидов, 1968; Озмидов, Беляев, Любимцев, Пака, 1974). Комплексное исследование изменчивости океанологических полей в достаточно широком интервале требует проведения специальных

"полигонных" работ в различных районах океанов (морей). Впервые "полигонные" морские исследования были выполнены В.Б.Шток-маном в 1935 г. на Каспийском море. Они позволили выявить ряд особенностей морской турбулентности и динамики вод (Штокман, 1936; 1941). В дальнейшем полигонные исследования позволили советским ученым вскрыть ряц новых явлений и особенностей Мирового океана (Озмидов, 1962; Штокман, Котляков, Озмидов, Фомин, Ямпольский, 1969; Бреховскшс, Коиляков, Федоров, Фомин, Ямполь-ский, 1971), среди которых следует отметить открытие синоптических вихрей. Новые интереснейшие особенности структуры и динамики океанских вихрей били выявлены по материалам американского трехмесячного эксперимента МОДЕ и грандиозного советско-американского 13-месячного эксперимента ПОЛИМОДЕ (Каменкович; Котляков, Монин, 1982).

Создание КИШ для организации сети контрольно-калибровочных подспутниковых измерений в связи с необходимостью изучать физические процессы, протекающие в пограничной системе "море-атмосфера", выдвигает новые требования к полигонным работам. Они определяются необходимостью проведения экспериментальных работ по изучению процессов на границе раздела вода-воздух на уровне лабораторных. Выполнение таких работ в море возможно только при использовании неподвижных свайных платформ, где обеспечена неподвижность г точная фиксация датчиков.

Хорошая изученность гидрофизических условий Северо-Апшерон-ского района Каспийского моря и удовлетворение в этом районе всех требований, предъявляемых к .акваториям проведения морских полигонных работ, позволил автору научно обосновать целесообразность создания на нем КИМП. По инициативе и при непосредственном участии автора -в 1972-73 г. в этом районе на неподвижной свайной платформе была создана специальная морская экспериментальная станция в открытой части моря на глубине 40 м. Результаты экспериментальных исследований, проведенных в этом районе, с использованием станции, изложены в соответствующих разделах диссертации.

ГЛАВА П. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТУРБУЛЕНТНОЙ ДИФФУЗИИ В МОРЕ

Как уже было отмечено, при разработке подспутниковых полигонов одним из главных вопросов является детальное исследование и классификация гидрофизических полей и их изменчивости. Распределение и изменчивость гидрофизических, гидрохимических и гидробиологических параметров в большой степени зависит от характеристик турбулентности в исследуемом районе. Поэтому изучение турбулентности имеет большое значение для определения гидрофизических условий в районе создания морского полигона л их классификации.

В первом параграфе рассматривается современное состояние изученности процессов турбулентной диффузии. Приводится краткий обзор работ, посвященный теории турбулентности.

Известно, что проблема турбулентности еще не сформулирована единственным образом, т.к. нет единой теории, способной охватить все аспекты этого сложного явления. Тем не менее, существует ряд теорий, способных достаточно объективно объяснить основные особенности турбулентного обмена (Конин, Яглом 1967, 1968; Озмидов, 1968; Монин и Озмидов, 1931). Ддя решения конкретных диффузионных задач широко используется полуэмпирическое ¿^равнение турбулентной диффузии. Сопоставление решений полуэмпирического уравнения диффузии с постоянными коэффициентами (Роберте, 1923) с экспериментальными данными показало, что коэффициенты турбулентной диффузии меняются в очень больших пределах: от нескольких сгл^/сек з небольших трубах до 10^ зм^/сек в процессах общей циркуляции атмосферы. Возрастание коэффициентов диффузии с увеличением масштабов показывает, что /равнения диффузии с постоянными коэффициента'® не могут бить .трименены для описания диффузии в турбулентном потоке. Поэтому различными авторами предложены выражения для зависимости к от масштаба явления 1 и от времейи (Озмидов, 1968, 1986). Сравнение различных решений этих уравнений (Йозеф и Сенднер, 1958; Озмидов, 1958; Обухов, 1959; Окубо, 1962; Окубо и Прит-чард, 1962) показывает, что ввиду сложности турбулентной диффузии ни одно из этих решений не может описать процессы всех масштабов. Каждое из этих решений, по-видимому, лучше описывает турбулентную диффузию в определенном интервале пространст-

венно-временных масштабов. Далее в параграфе рассматривается Лагранжев метод изучения турбулентной диффузии, анализируются основные результаты теории диффузии в поле однородной турбулентности (Тейлор, 1935; Кампье де Ферье, 1939; Бэтчелор,1940).

Плотностная стратификация оказывает существенное влияние на турбулентную диффузию примеси. Известно, что океан (море), как правило, стратифицирован устойчиво. Поэтому вертикальное перемешивание вод требует дополнительных затрат энергии на преодоление сил Архимеда. Критерий -существования турбулентности в устойчиво стратифицированном потоке определяется путем приравнивания безразмерного числа Ричардсона ££ к некоторому критическому значению. Приводится краткий обзор работ по изучению турбулентной диффузии в стратифицированных средах. Влияние плотностной стратификации на турбулентный обмен в океане было исследовано Р.В. Озмвдовым (1965) на основании его схемы энергоснабжения, согласно которой в океане существуют отдельные зоны, в которых происходит основной приток энергии к океану. Это энергоснабжение имеет резко выраженный анизотропный характер.

Анализ экспериментальных данных показал, что при достижении. пятном размеров

где у? - плотность воды, € - диссипация энергии, У - постоянная, процесс диффузии становится существенно анизотропным. Результаты диффузионных опытов на Черном (1966) и Каспийском (1973-1975 г.г.) морях показали резкую анизотропию процесса диффузии. Отношение максимальных горизонтальных и вертикальных размеров пятен по данным различных опытов менялось в пределах от 10 : I до 50 : I.

Экспериментальным методам исследования турбулентности и турбулентной диффузии в море посвящен второй параграф. Как известно, в этих экспериментальных работах применяются как косвенные, так и-прямые методы. В косвенных методах проводятся измерения средних значений полей термогидродинамических величин и эти поля различными полуэмпирическими приемами связываются

с турбулентными характеристиками. В основе.прямых методов лежат измерения мгновенных значений полей различных величин. На начальном этапе, в основном, применялись косвенные метода оценки коэффициентов турбулентного обмена путем сравнения среднего распределения субстанций с решениями полуэмпирического уравнения диффузии (Якобсен, 1913; Джефрис, 1926; Штокман, 1936;1946). Позднее для расчета коэффициентов турбулентного обмена начали использовать данные о пульсации составляющих полей (Штокман, 1941; Озыидов, 1962; Гезенцвей, 1961). Обсувдаются методы и приборы для исследования мелкомасштабной турбулентности (Бенилоз, 1969; Пантелеев, 1979; Монин и Озмидов, 1981; Лозовацкнй, 1987)

При экспериментальном исследовании турбулентной диффузии примесей в море применяются как дискретные индикаторы, так и непрерывно распределенные субстанции.

Впервые метод дискретных частиц оыл применен Ричардсоном и Стоммелом (1948) для исследования коэффициента турбулентного обмена от масштаба явления. Озмцдов (1957, 195Э) использовал этот метод для изучения турбулентной диффузии в диапазона масштабов от десятка сантиметров до нескольких километров. Показано, что несмотря на простоту и доступность этого метода для исследования трехмерной турбулентной диффузии более универсальным является метод непрерывно распределенных индикаторов. Приводится краткий обзор экспериментальных работ с применением этих методов.

В третьем параграфе обсувдается зависимость коэффициента турбулентной диффузии от масштаба явления. Как известно, анализируя имеющиеся данные по диффузии в атмосфере, Ричардсон (1926) установил следующую зависимость

где к - коэффициент пропорциональности.

Теоретически эта зависимость, именуемая законом "степени 4/3", была получена Обуховым (1941). Коротко излагается схема возрастания коэффициента турбулентной диффузии в зависимости от масштаба явления, исходящая из существования отдельных зон усиленного энергоснабжения (Озмцдов, 1965, 1966).

Экспериментальное определенно зависимости коэффициента

(2)

диффузии в море от масштаба явления в вышеуказанных работах было сделано по данным опытов с дискретными частицами. Коэффициент диффузии подсчитывался при этом по формуле:

где а£ - изменение расстояний между частицами за интервал времени V . По значениям определялась зависимость

р (С) . Опыты Стоммела и Ричардсона, показали наличие зависимости коэффициента турбулентной диффузии от I , описываемой законом "степени 4/3". Однако в этих опытах число определений I) было недостаточным. Результаты опытов с дискретными частицами Озмидова (1957, 1959), Заца (1964), Толмазина (1972) и других показали, что в условиях этих опытов имеет место отклонение от закона "степени 4/3".

Для исследования зависимости коэффициента турбулентной диффузии от масштаба и времени диффузии в 1971-75 г.г. автором были организованы опыты с дискретными частицами и красителями в Северо-Апшеронском районе Каспийского моря, а такие использованы данные диффузионных опытов с красителями, осуществленных ранее в Черном и Балтийском морях. Анализ данных опытов с красителями осуществлялся в рамках полуэмпирического уравнения диффузии. Аппроксимация экспериментальных кривых решениями уравнения диффузии позволяет определить величины кх и и их зависимость от масштаба и времени диффузии, а также анизотропию процесса диффузии. По Каспийским опытам с использованием буйков с радиолокационными отражателями получено, что показатель степени зависимости коэффициента диффузии от масштаба явления меняется в пределах от 1,15 до 1,29, а коэффициент пропорциональности от 0,02 до 0,7.

Отклонения полученных зависимостей от закона "степени 4/3", очевидно, связаны с особенностями энергоснабжения вод и сложными механизмами взаимодействия господствующего в этом районе юго-восточного течения с северо-западным поверхностным течением, которое имело место во время опытов.

В четвертом параграфе обсуждаются результаты экспериментального исследования зависимости дисперсии струп примоси от времени диффузии и пахнглетров волненм но ддшшм опытов, про-

веденных на Черном мэре 1968 и на Каспии в 1971 и 1973 г.

Как известно из теории относительной диффузии в поле локально-изотропной турбулентности, если размер источника С-превышает внутренний микромасштаб турбулентности, го лллждп наблюдаться два режита расширения струи. Сначала поперечная дисперсия струи растет по закону

а при временах, когда > • • • >

¿'(к) = Сх • & -Ь3 (5)

е*

Здесь с-0 - начальная дисперсия струи, € - скорость диссипации турбулентной энергии, и сл - универсальные постоянные, равные, соответственно, 1.19 и 0.28 (Ыонин и Летом, 1967). Данные экспериментов показали наличие этих режимов. Это свидетельствует о существовании инерционного интервала турбулентности в диапазоне времени диффузии от одной минуты до Ю мин. В зависимости от состояния поверхности моря указанные границы и время

при котором квадратичный переход в кубический, смещались в ту или иную сторону. При этом, однако величина

практически не изменялась. Сравнение экспериментальных данных с теоретическими зависимостями позволило оценить диссипацию турбулентной энергии € . Величины £ при изменении высоты волн в пределах 0,15 - 0,79 м оказались меняющимися от 1,71 Ю-3 до 2,78 Ю-2 см2/^3.

ШВА Ш. РАСЧЕТ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПРИМЕСЕЙ В СЕВЕРО-АПШЕРОНСКОМ РАЙОНЕ КАСПИЙСКОГО МОРЯ

В этой главе изложены особенности гидрометеорологических процессов в Северо-Аншеронском районе, предложенном для организации полигона, а также закономерности распространения в нем пассивных примесей. Результаты изучения закономерностей распространения примесей в регионе могут быть весьма полезными при классификации гидрофизических условий и их дистанционном по загрязненности определении.

Первый параграф посвящен исследованию полей течений, температуры и волнения в Северо-Аншеронском районе. Дан краткий обзор исследований, посвященных гидрометеорологическому режиму этого района. Подробно описана методика специальных экспедиционных работ, проведенных в 1971-74 г.г. под руководством автора. В этих работах измерения скорости течения с помощью Ы1В-2 проводились по специально выбранным разрезам на 51 станции. Кроме того, проводились длительные измерения.скорости течения с использованием неподвижных свайных платформ и Северной эстакады о.Артема. Многократные измерения скорости течений на выбранных судовых станциях и на неподвижных платформах позволили получить средние величины скорости течения на этих точках для различных гидрометеорологических условий. Эти измерения сопровождались определением температуры воды на различных горизонтах и общими гидрометеорологическими наблюдениями. По материалам указанных экспедиций, с использованием фондовых и литературных данных, исходя из принятой классификации поля ветра, получены семь типичных схем течений. Подробно описывается пространственная структура поля скорости течений для всех схем. Проанализированы поля температуры и ветровых волн в исследуемом районе и их изменчивость.

Во втором параграфе кратко изложена методика расчета примеси, разработанная Ю.Г. Филипповым (1974). В ней предполагается, что из .точечного непрерывного источника в поле течений выбрасываются маркера одинакового веса, которые переносятся полем средней скорости заданной в узлах неподвижной сетки. Диффузионное рассеивание•маркеров обеспечивается случайными слагаемыми к средним величинам скорости.

Координаты каждого маркера определяются из решения уравно-

ний:

(х.у,2)+и' (6)

& Y1 t (7)

где и V - значения средней скорости, а и.' ж V -пульсации скорости. Условие на твердой границе области определяется полным или частичным поглощением маркеров. Для определения средней скорости течений использованы схемы течений,полученные в предыдущем параграфе. Если считать, что пульсации скорости течений подчиняются нормальному закону распределения, то характерной случайной составляющей поля скоростей будет среднеквадратичное отклонение • Значение (э определялось по выражению К — С- é по результатам диффузионных опытов с дискретными частицами, описанных в разделе 2.3. Величины среднеквадратичес-ких отклонений, полученных по значениям é , оказались равными около 5 см/сек для пульсаций скорости течения, перпендикулярной к береговой черте и 10 см/сек для вдольбереговой компоненты.

Расчет распространения примесей в Северо-Апшеронском районе был осуществлен для четырех схем течений. Причем для схемы 2 расчет выполнялся для двух типов задания граничных условий на берегу: I) полное прилипание примеси ( d = I); 2) частичное поглощение ( oL = 1/400) примеси. Расчет для Схемы 2 велся для моментов времени é = 60, 120, 180 и 240 час. с момента начала работы источника. Для остальных схем расчет осуществлялся для моментов времени i = 60 и 120 часов. Анализ результатов расчета, приведенный в третьем параграфе, показал, что они хорошо согласуются с данными диффузионных экспериментов, проведенных в этом районе, и наблюдений над реальными загрязнениями, а также с результатами серии международных аэрокосмических экспериментов "Гюнеш", проведенных на Каспийском море в 1984-86 г.г.

ГЛАВА 1У. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ПРИВОДНОГО СЛОЯ АТМОСФЕРЫ

Практика отечественных ("Космос-1076", "Космос-1151") и зарубежных ( „ 6ео$ -3", „Sea.sa.-i " ) аарокосмических экспериментов показала, что дая решения фундаментальных и прикладных задач океанологии возможности дистанционных методов не могут быть реализованы до конца в связи с недостаточной изученностью физических закономерностей формирования восходящих потоков излучения системы "океан-атмосфера". Поэтому, очень важно исследование тех процессов,, протекающих в этой системе, которые тем или иным образом влияют на излучение морской поверхности.

В первом параграфе анализируется влияние атмосферы на результаты дистанционного зондирования. Как известно, учет влияния атмосферы можно осуществить с помощью передаточной функции атмосферы Р= (о) , определяемой как отношение

интенсивности радиации (о*) частоты т) на верхней границе атмосферы ( 2 —*• ) к интенсивности (о) на уровне подстилающей поверхности (Малкевич, 1975). При определении температуры по ИК излучению, метод передаточной функции является наиболее простым, но требует большого объема априорной информации, т.к. она имеет значительную пространственную и временную изменчивость. Относительно простой и удобный для применения метод определения температуры морской поверхности с помощью передаточной функции разработан в ГосНИЦИПРе (Копрова, Соловьев, 1983), который был использован для построения карт широтной и сезонной изменчивости передаточной функции северного полушария Земли. Первый параграф посвящен анализу пространственно-временной структуры поля радиационной температуры поверхности Каспийского моря, полученного по зтой методике с использованием данных ИСЗ "Метеор", и их сравнению с полями температуры поверхностного слоя моря. Для построения этих карт были использованы результаты исследований влагосодержания атмосферы над Каспийским морем и связи между радиационной и кинетической температурой, проведенных в НПО космических исследований.

Второй параграф главы посвящен исследованию вертикальной структуры поля ветра в приводном слое атмосферы. По данным измерений на неподвижной платформе проанализированы закономерности отклонения средней скорости ветра от логарифмического зако-

на. Экспериментальные данные показали,что при с/и.^ £ 20 наблюдается уменьшение, при с/«, >, 30 увеличение скорости ветра по высоте и только в интервале 20 £ с/ц.,% 30 выполнение логарифмического закона, где с - фазовая скорость волн, - динамическая скорость. Эти результаты находятся

в хорошем согласии с классификацией Волкова (1969). Выполнено исследование вертикальной изменчивости отклонений средней скорости от логарифмического закона Л и, (х) , рассчитанных по формуле

и(2) + '8)

где первое слагаемое характеризует невозмущенную скорость логарифмического вида. Результаты измерений в различных условиях показали, что отклонения л и.(2) при С/иф >30 отрицательны, а при с/^ < 30 положительны. Нормированные отклонения довольно хорошо укладываются на универсальную кривую, которая может быть описана простым степенным законом ~§л/ 5 •

Решение ряда общефизических и прикладных задач, связанных с разработкой точных дистанционных методов и средств зондирования океана и атмосферы, требует детального исследования особенностей распространения электромагнитных и звуковых волн в приводном слое атмосферы над взволнованной морской поверхностью. Как известно, для описания рассеяния плоской электромагнитной или звуковой волны на объеме V , содержащем турбулентность, необходимо определить среднее значение (¿6 - эффективного сечения рассеяния этого объема (для любого направления ^ ). Величина определяется по формулам (Монин, Яглом,1967):

¿6 -X / . ГдлГйГТ-А/ +

. к ■ ып, ¿[Л т „(9)

в случае электромагнитных волн и

- 26 -

и -1 Т > С,(Г* ыЧ).

в случав звуковых волн, где К ~ АЗ"/Л _ волновое число, оС -угол между векторами ~р ( "р - единичный вектор, перпендикулярный направлению распространения волны и характеризующий ее поляризацию) и , с, - постоянная, равная_1,5, Со - средняя скорость распространения звука в воздухе, Мг и -параметры, характеризующие скорости выравнивания неоднородностей температуры и удельной влажности, чУ - угол рассеяния

Й = 106(?з ■ £■){<+ В -7т/(н Вфё),

Т - абсолютная средняя температура, £ - средняя удельная влажность, .2 - телесный угол, £ - средняя скорость диссипации турбулентной энергии, В & и В ^ - числовые постоянные порядка единицы. В этом параграфе приведены результаты исследования влияния режима волнения на рассеяние электромагнитных и звуковых волн в приводном слое атмосферы по данным измерений на вышеуказанной морской экспериментальной базе. Результаты выполненных расчетов показали, что с возрастанием параметра с!и.* рассеяние электромагнитных и звуковых волн различных длин.по воем направлениям заметно, уменьшается.

В третьем параграфе обсуждаются результаты исследования спектров турбулентности в приводном слое атмосферы по данным Каспийской экспедиции ИФА АН СССР и ИГ АН Азерб.ССР, проведенной в 1973 г. Выполнен анализ полученных спектров пульсаций скорости ветра и их сравнение со спектрами, полученных другими авторами. Полученные спектры пульсаций вертикальной и горизонтальной Р^и. компонент скорости ветра, спектры пульсаций удельной влажности Р^ , температуры Ртт , вертикального турбулентного потока тепла Кги-т и влаги Р^ , а также коспектр влажности и температуры в зависимости

от У/Тн • гДе У* ~ частота, на которой спектр морского волнения тлеет максимум, позволили выявить влияние волнения и его изменчивость по высоте. Влияние морского волнения в каждом из исследуемых спектров проявляется по разному.

Отмечается заметное увеличение спектральной плотности на частотах морского волнения в спектрах Риг иг и и не~

значительные изменения в спектрах Ртт и Я^ . Для взаимных спектров на этих частотах наблюдается уменьшение спектральной плотности в спектрах , , /¡^ и . Влияние морского волнения быстро затухает с высотой и на высоте 13 м становится незначительным. Исключением являются спектры Р'пгг -

В четвертом параграфе изложены некоторые результаты экспериментального исследования процессов турбулентного теплообмена в приводном слое атмосферы. Как известно, турбулентные потоки импульса V , тепла Н и влаги Е определяются коэффициентами сопротивления Сш , теплообмена С^ и влагообмена се . Поэтому, при исследовании процессов обмена между морем и атмосферой очень важно знание их зависимости от внешних условий. Данные измерений показали, что с.и, при неустойчивых условиях медленно увеличивается до значения = 9,3 м/с, а затем

заметно уменьшается. Исследование зависимости с^/с^. от параметра с/ ал показало, что при развивающемся волнении

I при развитом ¿У/Са ^ I и при затухающем волнении си./сгг>I. Отсюда видно, что аналогия Рейнольдса с«. = - се. выполняется только при развитых режимах волнения.

Мелкомасштабные пульсации, температуры в приводном слое определяются структурной характеристикой С*. , являющейся размерным коэффициентом в "законе 5/3" Обухова для пульсаций температуры:

(II)

л

Важность определения Сг еще диктуется тем, что через нее легко можно определить структурную характеристику поля коэффици-

х,

ента преломления С«,

с;

Результаты измерений С*'(2) при различных условиях стратификации показали, что она может быть представлена в виде С*(2) ~ 2 , а величина ^ меняется от значений близких к 4/3 при < О до близких к 2/3 при ~ О и стремится к нулю при > О ( /&."*- число Ричардсона с учетом стратификации влажности). Исследование ог от разности температур вода-воздух -Л Т^-а, при всех трех режимах волнения показало, что с увеличением Л величины Сг увеличиваются.

В пятом параграфе обсуждаются некоторые результаты экспериментального исследования особенностей ветровых волн на мелководье и их влияние на турбулентный пограничный слой атмосферы. Изучение трансформации ветровых волн в прибрежной зоне имеет важное значение для разработки систем дистанционного зондирования моря. Важнейшей характеристикой ветровых волн является их частотный спектр, по которому легко могут быть вычислены средние значения основных элементов волн (Китайгородский, 1970; Ефимов, 1981). Однако до настоящего времени определение формы спектра остается нерешенной задачей и требует дополнительного исследования. Экспериментальные данные показывай?, что в глубоководьях закон "минус пять"Фшшшса удовлетворительно выполняется. В то же время имеется ряд измерений, показывающих на систематические отклонения от этого закона (Дрейр, 1973; Гаджиев и Красицкий, 1978). В работе Бенилова, Заславского и Китайгородского (1978) закон "минус пять" был обобщен следующим образом:

<*'*, (13)

где и)к - ^(Н/^ - безразмерная частота, со^) - некоторая универсальная функция, учитывающая влияние глубины, причем Ф (— •/ при ^¿-►м и —»- при и'^-,0. При иг^-г о из формулы (9) следует

что соответствует экспериментальном результатам Дрейра и Гаджи-ева и Красицкого.

В этом пь.^ аграфе детально анализируются частотные спектры волнения, полученные по данным измерений струнным волнографом с использованием неподвижных свайных платформ на глуоинах б, 7, 12 и 40 м. Исследование зависимости = 5(ш) • и>^ от

частоты у юказало, что резко увеличивается до

^ = 0,35 Гц, а функция У ¡(и/) - начиная от 0,2 до 0,35 Гц остается постоянной, что объясняется влиянием глубины моря, то есть в интервале частот 0,21 - 0,35 хорошо удовлетворяется закон иг'3 , а в итервале 0,35у ^ 0,5 ш) сравнительно постоянна, а ^(и/) уменьшается, что свидетельствует о выполнимости закона иг . Кроме того, данные измерений показали, что при частотах ^ 0,5 наблюдаются отклонения как от закона ш ~5 , так и от ш . Этот факт свидетельствует о необходимости комплексного исследования характеристик зыби и течения совместно с поверхностными волнами для,окончательного решения проблемы.

В данном параграфе излагаются некоторые результаты синхронных измерений фяуктуаций атмосферного давления и поверхностных волн при различных ветровых и волновых условиях, а также результаты определения волновых возмущений с применением теории фильтрации стационарных процессов. Для измерения пульсаций атмосферного давления был использован датчик давления, созданный по принципу механотрона. Совместный анализ спектров волнения , давления Ррр(р) и когерентности показал, что вблизи максимума спектров волнения форма спектров атмосферного давления заметно отклоняется от закона и! , впервые полученного Обуховым (1949). Значение этих отклонений зависит от степени развития ветрового волнения и от высоты измерений. При этом формирование наклонов обоих спектров определяется влиянием глубины.

ГЛАВА У. ТЕРМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПРИПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ МОРЯ

В связи с развитием' дистанционных методов и средств изучения температуры морской поверхности возникла необходимость в детальном исследовании перепада температуры в приповерхностном слои поды и ого зависимости от внешних условий с целью устране-

ния несоответствия результатов дистанционного и контактного измерений температуры.

В первом параграфе детально обсуждаются условия образования приповерхностного слоя воды на основе анализа физических процессов теплообмена на границе раздела вода-воздух. Приводится краткий обзор работ, посвященных исследованию приповерхностного слоя воды и его температурному режиму (БортковскаК и др., 1974; Федоров и др., 1977, 1981; Панин, 1985; Федоров и Гинзбург, 1988). Излагаются результаты расчетов среднего перепада температуры в приповерхностном слое воды на Каспийском море для четырех характерных месяцев сезонов года по данным наблюдений. Результаты расчетов по среднесезонным полям гидрометеорологических элементов для различных ветровых условий показали, что перепад температуры в приповерхностном слое и его распределение от направления ветра не зависят.

Второй параграф главы посвящен некоторым методическим вопросам экспериментального исследования изменчивости температуры в приповерхностном слое воды. Для изучения вертикальной структуры поля температуры в приповерхностно!.: слое были разработаны специальные устройства. Разработана методика экспериментального изучения температурного режима в приповерхностном слое воды с применением разработанных устройств в лабораторных и натурных условиях. С помощью математического моделирования показаны возможные отличия измеренной температуры от фактической температуры воды при движении термометра сверху вниз и сложности расшифровки этих показаний. Проведен анализ измерений профиля температуры в приповерхностном слое воды по данным лабораторных экспериментов. Эти данные показали, что наличие насыщенного пара у поверхности воды может оказать заметное влияние на результаты измерения профиля температуры в приповерхностном слое воды, при зондировании из воздуха в воду.

Анализу результатов экспериментального исследования перепада температуры з поверхностном слое моря посвящен третий параграф главк. В ней обсуждаются результаты синхронных измерений ИК излучения морской поверхности с помощью радиометра и кинетической температуры воды на глубинах 0,1 и 0,5 м с помощью термометр-] сопротивления, на неподвижной платформе в сентябре 1979 г. Во всех 125 случнях ио.ичйны температурных перепадов

оказались отрицательными. Среднее значение перепада составило -1,3°С, а максимальное значение по срочным наблюдениям достигало -- 2,2°С. Образование холодной температурной пленки в этот период года связано с отрицательным балансом теплообмена на границе вода-воздух.

По данным гидрометеорологических наблюдений в период измерений были рассчитаны величины перепада температуры в. приповерхностном слое вода по формулам Малевского-Малевича (1969) г Хассе (1971). Их сравнение с данными измерений показало, что во всех случаях рассчитанные значения й Т ниже измеренных. Более высокие значения измеренных величин перепада температуры объясняются тем, что сентябрь является месяцем, в течение которого наблюдается ярко выраженная приповерхностная температурная пленка, а расчетные формулы дают сглаженную среднюю картину распределения термической пленки. Эти результаты показывают необходимость более глубокого изучения природы температурной приповерхностной пленки с помощью комплексных экспериментальных работ в различных условиях и в различные сезоны года.

Нефть и продукты ее переработки занимают одно из первых мест среди веществ, загрязняющих водную среду. Нефтяное загрязнение оказывает существенное влияние на физико-химические взаимодействия между морем и атмосферой. Большое практическое значение имеет исследование влияния нефтяной пленки на формирование температурного режима поверхностного слоя вода и процессы тепло- и влагообмена между морем и атмосферой. В четвертом параграфе главы обсуждаются некоторые результаты экспериментальных работ по изучению указанных вопросов. Анализ полученных данных показал, что ввиду резкого уменьшения интенсивности процесса испарения величина Д^ , где и - температура воды

загрязненной нефтью и чистой, зависит от толщины пленки, солнечной радиации и других факторов. Наибольшие значения л 6 наблюдаются в 14-00, а наименьшие в 20-00 часов. В начальный период появления иесртяной пленки (первые 4-5 суток) л й возрастает, а потом происходит постепенное уменьшение. Изучение зависимости величины л Е = Ее - Е„ , где Ее и Ен - скорости испарения соответственно чистой воды и загрязненной нефтью от показало, что для малых значений й ~Ь она линейна, а при значениях лЬ становится квадратичной.. По данным эксперз-

ментов получены зависимости отношения Е( / Ен от времени "жизни" пленки и от скорости ветра. В начальный период Ее/Еи резко возрастает (в зависимости от толщины пленки может достигать до 70), а потом в связи с разрушением пленки уменьшается, асимптотически приближаясь к I.

ГЛАВА П. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ ПОДСПУТНИКОВЫХ

КОНТРОЛЬНО-КАЛИБРОВОЧНЫХ ИЗМЕРЕН® И ОСОБЕННОСТЕЙ ИХ НА КАСПИЙСКОМ МОРЕ

Получение огромных потоков оперативной информации о процессах в системе "океан-атмосфера" в широком диапазоне изменения масштабов изучаемых явлений, необходимых для решения научных и практических задач океанологии, может быть осуществлено только с помощью аэрокосмических методов и средств.

В первом параграфе главы подробно обсуждаются основные принципиальные трудности на пути развития дистанционных методов исследования океана и показаны некоторые пути их устранения. Проанализированы ошибки, возникающие при обычном измерении температуры вода о помощью судов и при использовании этих данных с целью калибровки дистанционных измерений. Обоснована необходимость организации широкой сети контрольно-калибровочных измерений, неотъемлемой частью которой является КИМП. Четко определен круг задач, решаемых на КИМП, являющихся цриродно-техническими комплексами, включающих в себя природные образования определенного региона моря, искусственные сооружения, суда, самолеты, вертолеты, информационно-измерительные средства получения, обработки и передачи информации о состоянии моря и процессах в пограничной системе "море-атмосфера". Показаны возможности эффективного использования КИМП для решения ряда дополнительных научно-технических и народнохозяйственных задач.

В связи со спецификой задач, решаемых на КИМП, к акватории его организации, к е о структуре и к измерении параметров предъявляются определенные требования, которые обсуждаются во втором параграфе. Важнейшим требованием к акватории КИШ является хорошая изученность его физико-географических условий, особенно гидрометеорологического режима. В параграфе подробно анализируются весь комплекс требований, предъявляемых к районам создания КИМП. При его создании необходимо решить основную задачу спутниковой

гидрофизики для выбранного района. Решение этой задачи требует детального исследования пространственно-временной структуры полей гидрофизических, гидрохимических и гидробиологических параметров и соответствующих игл полей восходящих потоков излучений-в видимом, ПК и СВЧ диапазонах электромагнитных волн с последующим составлением их каталогов. Исходя из анализа решаемых задач и требований к его созданию, автор предлагает структуру КИМП, включающую в себя эталонный, экспериментальный, отраслевой и подвижна тестовые участки. На каждом из указанных тестовых участков ^шается определенный комплекс задач. Определены комплекс измерений на КИМП и основные информативные гидрофизические параметры, а также общие требования к их измерению.

Третий параграф главы посвящен методике аэрокосмических экспериментальных работ на море. Вышеупомянутые советские и американские экспериментально-методические исследования с целью определения возможностей систем дистанционного зондирования показали, что на первом этапе необходимо проведение большого комплекса разнохарактерных аэрокосмических экспериментов. Подробно анализируются цели и задачи аэрокосмических экспериментов и методы их проведения. Важное место в указанных экспериментах принадлежит КИМП, на которых решается определенный класс задач, входящих в общую программу аэрокосмических экспериментов. Основной задачей, решаемой на КИМП, является изучение характеристик пространственно-временной изменчивости гидрофизических полей и потоков восходящих излучений на тестовых участках. Кратко изложена методика экспериментальных работ на КИМП. Исходя из общих задач подспутниковых контрольно-калибровочных измерений, автором предложена методика и схема комплексных аэрокосмических экспериментов на КИМП с•использованием других средств получения информации.

Одним из основных требований, предъявляемых к акватории создания КИМП, как отмечено выше, является детальное исследование его гидрометеорологических условий и изменчивости гидрофизических полой. Структур;! к1г.1п и расположение точек измерений ин-форттшшнх гидрофизических параметров, а также частота этих Пит-рении опрсдслытсм прострппе'гг'опло-^ремпшоц структурой са-Л'ЛХ ••»•■•»•в. чотгср .Ч'.м и;Н\!Грпфо изложены резуль-

г-.ги л. .\-.i\v: > •;••• ':''<'>'•' ''а1 о''сук*\\рк подл рот-

ра в районе, предложенном для создания КИМП с целью определения оптимальных расстояний между точками измерений и временной дискретности измерений. Для этой цели использован метод Дроздова и Шепелевского (1946), основанный на статической структуре поля ветра. Определение оптимальных расстояний между точками и частотами измерений связано с минимизацией ошибки интерполяции. При предположении равенства точности линейной интерполяции с точностью измерений можно получить следующее уравнение:

(15)

1/ /—'

где ч - мера ошибки измерений, - ошибка интерполяции

и ~ нормированная корреляционная функция. В работе ис-

пользовано простое обобщение метода Дроздова-Шепелевского для меры ошибки интерполяции в центр квадрата со стороной б , которое при аппроксимации корреляционной функции ^(ъ) линейной функцией приводит к выражению

для определения допустимого расстояния между измерительными станциями. Результаты расчетов по данным наблюдений показали, что временные корреляционные функции скорости ветра достаточно хорошо аппроксимируются линейным законом /г (V) — /— £/3* 11 тлеют четкую зависимость от сезона года. Дяя определения радиусов корреляции использована гипотеза Тейлора о замороженной турбулентности. Минимальные расстояния мевду точками измерений 29,1 км и время между измерениями 1,17 час получается для октября месяца, а максимальные их значения 41,1 км и 1,67 час наблюдаются в августе. Определение величин I- и "С различными формулами показало необходимость учета пространственно-временной структуры полей при определении расстояния между точками измерений на КИМП и их дискретности с целью получения калибровочных данных.

Таким образом, выполнешнл; и дксоерт.-мига дотальшн; ;ш;ич!:< цространственао-кремешюй ст^ог-уу: гид1«.>уи:«ич'л:г.иу. и'«:ои ¡.'.-к;-

пийского моря и результаты экспериментального исследования физических процессов на границе раздела вода-воздух показали необходимость их обязательного учета при организации подспутниковых контрольно-калибровочных измерений с использованием морских полигонов.

В заключении сформулированы главные научные выводы диссертационной работы, которые приведены в разделе автореферата "Основные научные результаты".

Основные научные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. О зависимости между среднемесячными величинами абсолютной влашости в прибрежных районах Каспийского моря. - Сб. трудов УШ конференции молодых ученых ИГ АН Азерб.ССР, Изд."Элм", Баку, 1979, с. 42-45 (совместно с Утургаури Л.Г.).

2. О применимости модели дымовой струи Гиффорда к исследованию турбулентной диффузии в море. Материалы IX научной конференции ИГ АН Азерб.ССР, Изд. "Элм", г.Баку, 1971, с. 146-149.

3. Об исследовании турбулентной диффузии в море фотограмматическим методом. .Мат. X научн.конф. ИГ АН Азерб.ССР, Изд. "Элм", г.Баку, IS73, с. 33-37.

4. Экспериментальное исследование диффузии искусственно вносимых в море примесей. - Сб. "Исслед.океанической турбулентности". М. "Наука", 1973, с. 64-78 (совместно с Озмидовым Р.Б., Гезевдвей А.Н., Ле-Куанг-Тоай, Муравьевым С.С.).

5. Экспериментальное исследование турбулентной диффузии струй примеси в поверхностном слое моря. Океанология, 1975, т. 15, вып. 4, с. 6II-6I5 (совместно с Журбасом В.А., Муравьевым С.С.).

6. Исследование турбулентной диффузии примесей применительно к проблеме борьбы с загрязнением прибрежных районов Каспийского моря. Автореферат канд.диссертации. Ы. 1975, 16 с.

7. Исследование спектров атмосферной турбулентности над морем на Каспийской надводной сташ&и. - Изв. АН СССР, ФАО, т. 12, й 3, 1976, с. 244-254 (совместно с Вальтером Г.В., Зубковским С.П., Холмянским М.З., Цвангом Л.Р.).

8. Исследование процессов диффузии примеси в прибрежной зоне моря. - Коорд.центр.стран - ол.СЭВ по проблеме "Изучение

гол., физ., биол., и др. процессов важнейших районов Мирового

океана". Инф.бюлл. & 5, М., 1977, стр. 157-162 (совместно с Журбасом В.А., Мамедовым Р. )

9. Изучение основных факторов, влияющих на температуру поверхности водоемов при измерении дистанционными средствами. I Всесоюзная конф. Биосфера и климат по данным космических ис-след. Тезисы докл. Изд. "Элм", Баку, 1982, с. 80-82 (совместно с Абакаровым М.И., Гумбатовым А.И., Дубинкиной Л.И., Утургаури Л.Г.).

10. Поля волн Каспийского моря при преобладающих направлениях ветра. I Всесоюзн.конф. Биология и климат по данным космич. исслед. Тез. докл. Изд. "Элм", Баку, 1982, с. 19-20 (совместно

с Гадниевым Я.З., Утургаури Л.Г.).

11. О коэффициенте турбулентного теплообмена в приводном слое воздуха. I Всесоюзн.конф. Биология и климат по данным космич.исслед. Тез. докл. Изд. "Элм", Баку, 1982, с. 82-85 (совместно с Алекперовым И.А., Алиевым A.C.).

12. Прибор для определения спектральной плотности температурных пульсаций над морем. I Всесоюзн.конф. Биология и клиъгат по данным космич. исслед. Тез.докл. Изд. "Элм", Баку, 1982,

с. 317-319 (совместно с Алекперовым И.А., Алиевым A.C.).

13. Трансформация спектра ветровых волн в мелководной зоне. - Сб. "Оптика океана и атмосферы". Изд. "Элм", Баку, 1983, с. 196-200 (совместно с Гадаиевым Я.З., Гумбатовым А.И.).

14. Некоторые особенности рассеяния электромагнитных и звуковых волн в приводном слое атмосферы. - Сб. "Оптика океана и атмосферы". Изд. "Элм", Баку, 1983, с. 351-355 (совместно с Га-даиевым Я.З., Гумбатовым А.И.).

15.0 коэффициенте теплообмена в приводном слое атмосферы. Сб. "Оптика океана и атмосферы" Изд. "Элм", Баку, 1983, с.201-205 (совместно с Алекперовы;.! И.А., Алиевым A.C.).

16. Экспериментальное исследование влияния пленки нефти на испарение и поверхностную температуру водоемов. - Изв. АН Азерб. ССР, сер. наук о Земле, 1983, \1 6, с. 47-52 (совместно с Абакаровым М.И., Абдурахмановым Ч.А., Гумбатовым А.И., Дубинкиной Л.И.).

17. Экспериментальное исследование равновесного интервала в частотных спектрах ветровых волн в море конечной глубины. Изв. АН Азерб.ССР, сер.наук о Земле, 1984, № 6, с. II9-I23 (совместно с Алекперовым И.А., Ахмедовым Н.И., Гумбатовым а!И.,

Исмайловым A.C., Магеррамовой С.Г.).

18. Учет загрязнения и многократного отражения в оптике морской поверхности. Сб. "Оптика моря и атмосферы", Тез.докл.

1., 1984, с. 205-206 (совместно с Гардашовым Р.Г., Шифриным К.С.)

19. Некоторые результаты экспериментальных исследований коэффициента турбулентного теплообмена в приводном слое воздуха. -Изв. АН Азерб.ССР, сер. наук о Земле, 1986, № 3, с. 148-152 (совместно с Алиевым A.C., Алекперовым И.А.).

20. Результаты синхронных измерений поверхностных волн и микропульсаций атмосферного давления над морем. - Изв. АН СССР, ФАО, 1986, т. 22, !ё 8, с. 850-856 (совместно с Алекперовым И.А., Ахмедовым Н.И., Гумбатовым А.И., Исмайловым A.C., Мамедовым P.M.)

21. Нестационарная модель развития турбулентного пограничного слоя над морем конечной глубины при генерации поверхностного ветрового волнения. - Океанология, 1987, т. 31, вып. I, с. 52-56 (совместно с Ахмедовым Н.И., Гаджиевым Я.З., Гумбатовым

А.И.).

22. К вопросу измерения температуры на границе раздела "вода-атмосфера". - Сообщение НПО КИ, Баку, 1987, вып. I, с. 65-71 (совместно со Шпаковым В.Л.).

23. Коэффициент яркости морской поверхности. - Тезисы докл. Ш съезда Сов. океанологов. Секция физика и химия океана. Ленинград, 1987, с. 99-100 (совместно с Ахмедовым Л.И., Гардашовым

Р.Г., Шифриным К.С.),

24. Поля поверхностной термической пленки на Каспийском море. - Препринт НПО КИ, Баку, 1988, № 51, 12 с. (совместно с Абакаровым М.И., 1^мбатовым А.И., ?.1урабовым Б.Б,).

25. О метрологии измерения температуры поверхностного слоя воды при движении термометра из воздуха в воду. - Препринт

НПО КИ, Баку, 1988, & 52, 15 с (совместно со Шпаковым В.Л.).

26. Некоторые результаты экспериментального исследования горизонтальной диффузии и течений в море с помощью радиолокационного метода. - Препринт НПО КИ, Баку, 1988, J« 57, 30 с. (совместно с Гардашовым Р.Г., Гумбатовым А.И., Мурадовым Б.Б.).

27. Рисчот дивергенции и завихренности скорости результирующего петрл п; 1д К;н:ш!йсктл г.;орем. - Преш^пт НПО Kil, Баку, 1985,

г,и. :.;:J с (сого.кч'тио с .'u'.-iir.-iiH'iv::.. ..;."., Cy.neiL'umonoü ¿.С., У 'i\) pi .■ у pu ... Г. ).

'¿а. устройство для непрерывного измерения температуры поверхностного слоя воды. - Авт. свид. СССР, Js 4281434, 1989, (совместно с Аллахвердовым Ф.М., Шлаковым В.Л.).

29. Методика получения калибровочных данных о приводном ветре на полигоне. - Препринт НПО КИ, Баку, 1989, № 76, 28 с. (совместно с Абдурахмановым Ч.А., Алиевой СЛ., Ахмедовым Н.И., Гумбатовым А.И., Мурадовым Б.Б.).

30. Контрольно-измерительные морские,полигоны и некоторые вопросы их долговечности. Прецринт ШО КИ, Баку, 1989, № 81, 24 с (совместно с Абакаровым М.И., Ганиевым H.A., Зейналовым А.К.).

— "1/16 Т-Ог^З1». Подписано к печати 24.01.1990 года. 1еч.л.2,375. Зак.У5. Тираж 100.

Институт океанологии им.П.П.Ширшова Академии наук СССР Москва, ул.Красикова, дом 23.