Введение к работе
Введение. Решение фундаментальных и прикладных проблем океанологии требует детального исследования всех взаимосвязанных физических, химических и биологических процессов в океане 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 це-лыэ решения фундаментальных проблем современной геофизики в большой степени зависят от уровня развития аэроносмических методов и средств, позволящих оперативно получать информацию о состоянии этой системы и процессах в ней. Эффективность применения дистанционных методов связана с решением основной задачи аэро-космической гидрофизики, которая сводится к определению систем признаков, позволяющих.однозначно выделить "образы" физических процессов и их основных гидрофизических характеристик, т.е. к классификации дешифровочннх признаков; по которым наблюдаемые характеристики гидрофизических полей в верхних слоях моря или на его поверхности можно связывать с физическими прецесс&!.ш в глубинных слоях моря и атмосфере (Нелепо, Терехин, Коснырев, Хіяпзев, 1983). В настоящее время, развитие аэрокссмяческих 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 стране агрономические эксперименты с применением специализированных океанографических спутников "Космос -1076" и "Космос-1151" показали пути отработки методики комплексных синхронных измерений 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 (КИШ). КИШ 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 КОДП 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 ряде, 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, результаты исследования сезонной, синоптической и суточной изменчивости гидрофизических полой и их ;'л.'і<:сжГмкацкя jvatni! .нда "іп'.'иш-
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-Алшеронском районе приобретают особую актуальность в связи с разработкой Каспийского ЮШ и системы регионального и локального мониторинга. Эти результаты важна и для рёиения собственных проблем Каспийского моря.
Вышеуказанные соображения определяют актуальность темы диссератционной работы.
Цели и задачи диссертации. Основные цели исследований, которым посвящена диссертация, кратко могло сформулировать следующим образом. Выполнить исследования пространственно-временной структуры гидрофизических полей Каспийского моря и иге классификацию, изучить закономерность морской турбулентности и физических процессов в пограничной системе "море-атмосфера" в районе, предложенном для создания ЮМ и на основе полученных результатов дать научные обоснования возможности создания подспутникового полигона на Каспийском море.
При постановке задач исследований использовались 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.
-
Экспериментальное исследование некоторых характеристик турбулентной диффузии в мора и расчет схем распространения примесей в Северо-Апшеронском района Каспийского моря, для типичных синоптических ситуаций.
-
Исследование особенностей приводного слоя атмосферы и влияния ветровых волн на него, а такеє их влияния на рассеяние електромагнитных и звуковых волн.
-
Проведение экспериментальных работ по изучении как температурного режима приповерхностного слоя воды в лабораторных
и натурных условиях, так и влияния нефтяной пленки на температурный рзяим поверхностного слоя воды и испарение.
-
Определение задач КИМП и требований, предъявляемых к ним, определение основных гидрофизических параметров и разработка требований к их измерении, а такае разработка методика проведения аэрокосмических экспериментальных работ на морских полигонах.
-
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 виде следующих выводов:
I. По данным наблюдений и результатам расчетов по барическому полк получены карты скоростей ветра над Каспийским морем для типичных синоптических условий и исследована их сезонная изменчивость. Рассчитаны величины дивергенции и завихренности результирующего 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 саноптичес-кая и сезонная изменчивость ноля разности температур вода-воздух. Определены масштабы изменчивости полученных полей гидрометеорологических параметров.
-
По материалам комплексной съемки Каспийского моря 1986 г. исследована структура поля температуры и построены карты распределения тзьшбратуры на горизонтах 0,5, 10, 15, 20, 25, 30 и 50 м. Выполнен модельный расчет течений по данным указанной съемки и получены карты течений для СЗ и ИВ ветров. В Среднем и ханом Каспии обнаружены несколько вихревых образований.
-
Проанализированы методика и результаты полигонных исследований в океанах и морях, проведенных в Советском Союзе 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.
-
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 объяснеш особенностями энергоснабжения вод в Северо-Апшеронском районе. По данным опытов со струями флюоресцирующих красителей в Каспийском море определена зависимость параметров струи от временя 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 горизонтальная анизотропия процесса диффузии.
-
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.
-
Проанализированы методы учета влияния атмосферы на результаты дистанционного зондирования. Получены поля радиационной температуры поверхности Каспийского моря для четырех сезонов года с учетом передаточной функции атмосферы.
-
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 и 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.
-
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 S(u>) ~ ш в диапазоне частот 0,15 } 0,35 1ц и хорошо аппроксимируются законом 5(ш) ~ ш ~J . Проведены синхронные измерения флуктуации 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.
-
Проанализированы условия образования приповерхниитпиги 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 води в лабораторных и натурных условиях. Полуклш профили температури ни гр-'їнкцо раздела иоля-иоядул в р.ч:іл.ічшг/ усл'жилх.
Проведено экспериментальное исследование связи между величинами радиационной температуры поверхности моря и кинетической температуры поверхностного слоя в условиях открытого моря.
-
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.
-
Проанализированы трудности на пути развития дистанционных методов исследования моря, определены место и задачи КИШ
в системе подспутниковых контрольно-калибровочных измерений. Определены требования к точности измерения основных информативных гидрофизических параметров на.КИШ. Сформулированы основные требования к создании КИШ и предложена методика проведения аэрокосмических экспериментов с их использованием.
12. Научно обоснована необходимость учета пространственно-
временной структуры гидрофизических полей при организации под
спутниковых контрольно-калибровочных измерений. По данным наблю
дений определены оптимальные расстояния между точками измерений
Каспийского КИМП и дискретность измерений в зависимости от про
странственно-временной структуры поля ветра в района создания
полигона.
Натчная новизна исследований, достоверность подученных результатов и научных выводов. Исследование пространственно-временной структуры гидрофизических полей Каспийского моря, выполненное в диссертации, привело к ряду принциплально новых результатов, основными из которых можно считать следующие:
1. Выполнена единая классификация полей основных гидрофи
зических параметров моря по синоптическим условиям, оценены
масштабы их изменчивости. Рассчитаны поля дивергенции и завих
ренности 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 для ис
следования структури температуры в приповерхностном слое воды
в лабораторных и натурных условиях.
-
Анализ результатов работ со дистанционному зондированию моря е полигонных работ в океане и морях позволил четко сформулировать задачи КИШ и требований в ним и на их основе предложить методику аероносмнческих экспериментальных работ на морских полигонах.
-
На основе исследования пространственно-временной структура гидрофизических полей и результатов экспериментальных работ по изучению физических процессов в пограничном слое "море-атмосфера" показана необходимость их учета при организации подспутниковых контрольно-калибровочных измерений.
Результаты исследования распределения и изменчивости гидрофизических поле! проверялись как данными натурных измерений, так и сопоставлением с результатами других авторов, полученных другими методами и средствами. Отдельные результаты, полученные расчетным путем, неоднократно проверялись при проведении международных аэрокосмических экспериментов "Гшеш".
Научные выводы, полученные по экспериментальным данным, 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 выводы, полученные в диссертации, основаны на обработке, анализе и обобщении материалов наблвдений 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 гидрофизических полей, процессов перемешивания и зверго- и массооб-мева между атмосферой и морем. Полученные результаты могут быть использованы при разработке и совершенствовании моделей эволюции верхнего слоя моря и приводного слоя атмосферы и, тем самым, способствовать улучшение методов прогноза погоды.
Результаты по изучении 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*
-II -
значение при исследовании загрязнения Каспийского нора в разработке мер борьбы с ним имеют результаты, полученвне в диссертации по изучению закономерностей распространения примесей в море.
Научные результаты исследования физических процессов на границе раздела "вода-воздух" выев? большое значение для дешифрования данных дистанционного зондирования иоря. Основные принципы создания КИМП в проведення ва ввх аэрокосмических экспериментов могут быть использованы при созданки сети подспутниковых контрольно-калибровочных измерений.
Научные результаты работы могут быть весьма полезными при разработке в создаввв свстеш регионального в локального мониторинга Каспийского моря.
Диссертационная работа является результатом обобщения многолетних экспериментальных исследований автора, выполненных в Институте географии АН Ааерб.ССР я НПО Космических исследований. йяу принадлежат формулировка в постановка задач комплексного исследования верхнего слоя иоря ж приводного слоя атмосферы в вх взаимодействия с нспользованвем неподвижных морских платформ. По инициативе в при непосредственном участив автора в открытой части Каспийского моря ва глубине 40 м была создана специальная експериментальная база ва неподвижной свайной платформе, а также измерительный комплекс для исследования структуры температурного поля в приповерхностном слое вот.
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 вывода 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.
Атгообапия 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, IX, X (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 отдела экспериментальной космической океанологии АН СССР.
