Динамика океана по альтиметрическим измерениям Кубряков А.А. Всероссийская школа молодых океанологов «Методы и средства исследования процессов в морской среде» Севастополь, 2023
Альтиметрические измерения уровня моря Спутниковая альтиметрия – единственный инструмент, позволяющий регулярно, не зависимо от погодных условий восстанавливать динамические характеристики Мирового океана. С 1992 года точность альтиметров достигает ~ 2 c м. [Cheney et. al., 1994] и становится достаточным для исследования циркуляции океана. Появление высокоточных альтиметрических измерений привело к многочисленным открытиям в исследовании динамики океана. Течения в океане перераспределяют тепло, соль, химические и биологические элементы и значительно влияют на все процессы на нашей планете, включая климат, морские экосистемы и хозяйственную деятельность человека Скорость течения в районе Гольфстрима Изменчивость уровня Мирового Океана
Принцип альтиметрических измерений Применение альтиметрических измерений для исследования океана План лекции :
Радиолокация - активный метод зондирования, он обладает собственным источником излучения (электромагнитные импульсы излучаемые периодически). Импульсы, излученные по направлению к поверхности, после отражения принимаются той же антенной, которой они были излучены. «Полезная» информация заключена во : - времени получения отраженного импульса - форме отраженного импульса - его амплитуде и фазе Радиолокация – активные методы зондирования RADAR – RAdio Detection And Ranging
h= с T /2 Схема альтиметрических измерений Спутниковые альтиметры – активные радары, измеряющие высоту прибора над поверхностью. Альтиметры посылают импульс к поверхности в надир и по времени прихода отраженного импульса T, определяют высоту прибора h над поверхностью c~=3*10 8 – скорость ЭМ импульса Принцип альтиметрических измерений Уровень моря :
В первый момент времени отражается передний фронт импульса (в центре луча), затем часть импульса на периферии луча. Время средней мощности обратного импульса дает информацию о высоте альтиметра Альтиметр посылают в надир импульсы конечной длины τ Отражение сигнала и длина импульса Пятно облучения альтиметров Отраженный импульс представляет собой интегральный сигнал, отраженный от точек поверхности, облучаемых в определенное время h= с T /2
1) Если,,то форма отраженного сигнала диск Максимальный радиус диска равен 2) При о область отражения становится кольцом Площадь отражения остается постоянной и определяется длительностью импульса альтиметра Пространственное разрешение альтиметра зависит от площади от которой отражается импульс Для спутника ERS τ =3.125 ns, l=c* τ =0.9m, r=1.6 km, A=8km 2 Отражение сигнала и пространственное разрешение альтиметра Пятно облучения в разный момент времени
При наличии волн отражение переднего фронта происходит быстрее, а заднего медленнее Волнение увеличивает площадь отражения -> уменьшается разрешение Пятно облучения альтиметра при Н s =1, 5 и 10 м Влияние поверхностных волн Увеличение площади пропорционально двум значимым высотам волн 2Hs
Одиночные отраженные импульсы сильно зашумлены из-за : Влияния волн Отклонение антенны от положения надир Поэтому отраженные импульсы усредняют для получения гладкого сигнала Спутник TOPEX посылает 4000 импульсов в секунду Усредняют данные за 1 секунду. Разрешение уменьшается до 7-9 км в направлении пролета спутника. Осреднение отраженного сигнала
В атмосфере происходит рефракция, обусловленная электронным и молекулярным рассеянием и поглощением – увеличивается время прохождения сигнала На время прохождения сигнала влияет : Поправка на сухую тропосферу (~2.3 метра) - обусловлена рассеянием молекулами газов, входящих в состав воздуха, в первую очередь кислородом. Слабо меняется во времени, зависит от давления, которое берется по данным ECMWF 2) Поправка на влажную тропосферу (6-40 см) - поглощение электромагнитного излучения водяным паром и влагой. Определяется по измерениям микроволновых радиометров на спутнике или данных реанализов. На спутнике JASON-2 радиометр AMR измеряет на трех частотах для определения эффектов, связанных с водяным паром, влагосодержанием и осадками 3) Влияние дождя – при сильных дождях интенсивность принимаемого сигнала ослабляется и сигнал может значительно рассеиваться Эти данные выбрасывают из анализа. Для определения влияния дождя используют измерения микроволновых радиометров и разницу в измерениях альтиметров на двух частотах Атмосферная коррекция -Поправки на влияние атмосферы
Ионосферная коррекция 4) Ионосферная коррекция (0-20 см) Верхние слои атмосферы ионизированы из-за жесткого солнечного излучения. В ионосфере происходит рассеяние радиоимпульса альтиметра свободными электронами и ионами. Количество свободных электронов связано с интенсивностью солнечного излучения (дневной ход, 11-летний цикл, солнечные вспышки) Количество пятен на солнце 5) Поправка, связанная с шероховатостью поверхности ( sea state bias) Подошвы волн лучше отражают, чем гребни : 1) Форма волн несимметрична – гребни уже, чем подошвы 2) На гребнях волн образуются капиллярные волны, которые рассеивают энергию, а не отражают Замедление сигнала в ионосфере различно для волн разной частоты - используют измерения в 2 каналах
Шаг 1. Высота орбиты Высота орбиты отсчитывается от поверхности референц -эллипсоида в грубом приближении, описывающий форму Земли. Отклонение морской поверхности от референц -эллипсоида SSH =L-S, где L- высота орбиты Высота орбиты спутника значительно колеблется из-за : Неоднородности гравитационного поля Земли Сплюснутость Земли у полюсов вызывает перемещение ИС3 вдоль геостационарной орбиты почти до 9,8° в год, приводит к периодическим возмущениям по высоте и наклонению с амплитудой до 3 км и др. - спутник находиться то ближе, то дальше от Земли 2) Трения об атмосферу 3) Возмущающего действия гравитационных полей Луны и Солнца 4) Давления солнечного излучения - вызывает долгопериодические движения ИС3 вдоль орбиты до 100 км и по высоте до 10 километров для сравнительно лёгких, но крупных ИС3 Геоид Необходима постоянная коррекция орбиты – осуществляется двигателями на спутниках
Для определения уровня моря с необходимой точностью (2 см!) необходимо определять высоту орбиты с высокой точностью. Для этого используют : 1) Лазерный рефлектор - система зеркал, которые отражают лазерный сигнал от наземных станций. 2) DORIS- антенна, принимающая сигнал с наземных станций на двух радиочастотах. Поскольку приемник движется относительно источника – происходит эффект Доплера – смещение частот, которое позволяет определить скорость спутника. 3) GPS- приемник использует данные спутников GPS для определения высоты орбиты с точностью ~10 см По скорости спутника определяют высоту орбиты с точностью 2.5 см. Большое количество станций обеспечивает чрезвычайную важность DORIS для точности определения орбиты. Определяет положение орбиты с максимальной точностью – несколько мм. Ограничение – мало наземных станций, погодные условия. Точное определение орбиты спутника
Ошибка определения высоты поверхности для различных альтиметрических спутников Вклад различных эффектов в неточность измерений альтиметра Вклад различных эффектов в неточность измерений альтиметра
Спутник Jason-2 включает в себя приборы : Альтиметр Poseidon-3, работающий на двух частотах 13.575 и 5.3 GHz – основной прибор Микроволновый радиометр AMR, работающий на частотах 18.7, 23.8 и 34 GHZ для учета эффекта водяного пара и влаги Для точного определения высоты орбиты используются : Система DORIS для точного определения высоты орбиты спутника Лазерный рефлектор GPS приемник Альтиметр Jason-2
Геофизические коррекции
Тогда геострофические скорости течений на поверхности можно рассчитать по градиентам динамического уровня : На достаточно больших временных ( ~10 дней) и пространственных масштабах ( ~10 км) в уравнении Навье-Стокса важны только два члена : градиенты давления и сила Кориолиса Геострофические скорости и динамический уровень Динамическая топография h – отклонение уровня моря относительно геоида Морской геоид N – эквипотенциальная поверхности силы тяжести, которая соответствует положению океана в состоянии покоя - неизвестен Альтиметр меряет высоту спутника, относительно морской поверхности. Динамическая топография ?
``` Референц-эллипсоид Орбита спутника L N S h Геоид SSH=L-S - SSH SSH=N+h - h=L-S-N SLA=SSH-<SSH> T =h-<h> T ; <h> T SLA <SSH> T MSS Динамическая топография высота морской поверхности ( SSH) N – геоид ; h –динамическая топография N – неизвестно! Предполагаем, что N=const, и находим аномалию уровня
Динамическая топография h=SSH-N требуется с точностью несколько см на 10 км Морской геоид N - неизвестен с достаточным пространственным разрешением и меняется на десятки метров Для выделения полезного сигнала рассчитывается отклонение SSH от среднего за определенный период времени - аномалия уровня моря - SLA SLA= SSH -< SSH >= h+N - < h >-< N> 1992-2012 = =h - < h > Здесь <h> 1992-2012 – средняя динамическая топография ( СДТ ) Альтиметры позволяют определять SLA – изменяющуюся часть динамической топографии относительно неизвестного среднего ( СДТ ) Аномалия уровня моря <h> - средняя динамическая топография– ключевая геофизическая поправка к данным альтиметрии, которая соответствует среднему полю уровня за период осреднения
Основные подходы к решению задачи об определении средней динамической топографии: использование спутниковой гравиметрии для расчета точного геоида и построения абсолютной динамической топографии на его основе [Johannessen J.A. et al., 2003]; расчет средней топографии на основе климатических данных или на основе численного моделирования с ассимиляцией данных [ Levitus S. et al., 2001 ; Кныш В.В. и др., 2002] “синтетическая” климатология [ Rio M.-H, 2003 ] – обратная задача H=h-SLA [ Rio, M-H, et. al., 2013] [Kubryakov A.A., Stanichny S.V., 2011] Коррекция 1. Средняя динамическая топография
Приливы значительным образом влияют на уровень моря (изменчивость до 10 метров), но не влияют на геострофические скорости Для фильтрации приливов используют модели FES_2012 [ Carrère, L., & Lyard, F. (20 12 ) ] и GOT_4.8 [Ray, 1999] Модели ассимилируют данные альтиметрии для расчета приливов. До появления альтиметрических данных знание приливов ограничивалось береговыми наблюдениями. Усвоение альтиметрических данных привело к значительному уточнению данных о приливах в океане - точность 1-2 см Амплитуда прилива M2 Коррекция 2. Приливная коррекция
Для фильтрации сигналов, связанных с быстрыми баротропными изменениями уровня моря (например сейши, сгоны/нагоны и т.д.) применяется динамическая атмосферная коррекция - баротропная модель MOG2D [ Carrère, L., & Lyard, F. (2003) ] Сетка модели MOG2D для Черного моря Эффект обратного барометра – отклонение морской поверхности ~ на 1 см при увеличении давления на 1 мб Это изменение не влияет на геострофические течения Для низких частот ( > 60 дней ) применяется коррекция на эффект обратного барометра (1-20 см) Геострофическое приближение работает на достаточно больших временных ( ~10 дней) и пространственных масштабах ( ~10 км). Коррекция 3. Динамическая атмосферная коррекция ( MOG2D+IB ) h=<h>+SLA-IB-Tides-HF Для исследования геострофической динамики океана используются все перечисленные коррекции Для исследования изменчивости полного уровня моря (например, исследований метеоцунами, сгонов-нагонов) используется продукт без вычитания динамической атмосферной коррекции
Альтиметры меряют высоту уровня в надир вдоль трека спутника – нет ширины скана – вдольтрековые измерения. Орбиты альтиметров выбираются таким образом, чтобы альтиметр пролетал над одной и той же точкой через равное время. T=10 дней T= 35дней Примеры вдольтрековых измерений спутников Jason-1 ( слева) и Envisat (справа) Вдольтрековые измерения альтиметров
Разрешение вдольтрековых данных составляет ~ 7 км Однако, вблизи берега качество альтиметрических данных падает из-за невозможности точно рассчитать атмосферную коррекцию и влияние отражения от суши Вдольтрековые измерения в районе Карских ворот По вольтрековым данным можно определить только компоненту скорости течений поперек трека Скорости возле побережья Туниса, полученные по вдольтрековым измерениям SLA Вдольтрековые измерения альтиметров
Комбинирование вдольтрековых измерений современных альтиметров позволяет рассчитывать карты аномалий уровня моря. Методы картирования основаны на методах пространственно-временной оптимальной интерполяции [Le Traon, P.- Y. et al.., 2001; Pascual, A., et al.., 2006 ]. В разное время для получения картированных данных использовались измерения от двух до шести альтиметрических спутников Каждому измерению дается свой вес в карте в соответствии с корреляционной функцией : Пространственное разрешение 1/8°-1/4°, Временное разрешение 1 сутки, Доступный период с 1992 по наше время Level3 - Картирование аномалий уровня
Средняя динамическая топография + MDT = Абсолютная динамическая топография Mapped Sea Level Anomaly Скорости геострофических течений Поле течений по измерениям альтиметров
Уравнение геострофического баланса можно представить в комплексном виде Lagerloef et al., 1999 где Берем производную по y, считаем, что f= β y – приближение бетта плоскости Ub – скорость у экватора в приближении бетта плоскости Вблизи экватора (y<5°) считают Ub, в более высоких широтах Uf Планый переход Ub -> Uf осуществляется с помощью весовых функций Wb, Wf Wb =1 на экваторе (y=0) и Wb ->0 при увеличении широты Определение скоростей течений вблизи экватора
Карты температуры и концентрации хлорофилла А за 19 июня 2003 года Vx Vy Пример сопоставления скоростей, полученных по данным дрифтера #342353 и по данным альтиметрии Валидация геострофических скоростей
Часть 2. Исследование динамики океана по альтиметрическим измерениям
Динамическая топография океана Средняя динамическая топография мирового океана
Рост уровня моря Уровня океана по альтиметрическим измерениям постоянно растет на +3мм/год Важные причины роста уровня : Стерическое расширение Таяние льдов и ледников Однако, на западе Тихого океана уровень моря падает на -2 мм/год, на востоке уровень растет со скоростью +8 мм/год. [ Merrifield, M. A., & Maltrud, M. E. (2011) ] Тренды уровня моря по альтиметрическим измерениям Такая изменчивость вероятно связана с динамическими факторами : усилением пассатных ветров, сгоняющих воду на запад
Уровень Черного моря растет быстрее на периферии, чем в центре, вследствие интенсификации циклонических течений [Kubryakov A.A, Stanichny S.V, 201 3] Рост уровня Черного моря Изменчивость трендов уровня Черного моря Величина тренда не постоянна во времени: -в 1992-1999 гг. уровень рос со скоростью +26.2 мм/год, -в 2000-2007 он падал со скоростью -3 мм/год, -в 2007-2015 гг. он начал расти на +10 мм/год. Рост уровня, в первую очередь, связан с изменением водного баланса (Иванов, Горячкин, 2006)
Циркуляция в Северном Атлантическом океане Средняя скорость течений и поле уровня в Северной Атлантике Постоянные интенсивные течения сосредоточены в очень узкой части Мирового океана
Изменчивость течений в океане Вихревая кинетическая энергия (СКО скорости течений) СКО скорости течений показывает наиболее динамически активные места в океане
Основные течения в океане Гольфстрим Куросио
Слияние Бразильского и Фолклендского течений Изменчивость уровня в Южной Атлантике В этой зоне холодное Фолклендское течение и теплое Бразильское течение сталкиваются
Слияние Бразильского и Фолклендского течений Слияние двух течений приводит к одной из самых динамически активных зон в океане
Транспорт течений Зависимость между транспортом Куросио и градиентом уровня поперек течения Изменчивость транспорта Куросио по данным спутниковой альтиметрии [I mawaki et al, 2001] На основе контактных измерений можно определить связь транспорта течений и альтиметрического уровня
Смещение основных течений Изменение скорости течений в Северной Атлантике за 1992-2015 гг. Гольфстрим смещается южнее от своего положения Смещение Гольфстрима приводит к значительному опреснению северной части Атлантики Тренды солености на глубине 200 метров по данным Арго
Антарктическое Циркумполярное Течение Мгновенная и средняя скорость в районе Южной части Индийского океана
Фронты течений По градиентам (дивергенции) уровня можно выделять фронты течений и отслеживать их смещения В АЦТ разделяют 3 фронта : Субантарктический, Полярный и Южный фронт АЦЦ Kim and Orsi, 2014 Фронты смещаются к югу из-за расширения циркуляции в Индийском океане Положение фронтов в АЦЦ
Течения в морях Карта скоростей течений за 4 сентября 2002 года Карта скоростей течений за 3 сентября 2003 года Динамика морей характеризуется значительной межгодовой изменчивостью Межгодовые изменения кинетической энергии течений Черного моря и завихренности ветра над бассейном
Планетарные волны Россби т.е. скорость волн Россби направлена на запад и убывает с широтой , где Скорость волн Россби равна В океане наблюдается большое количество динамических структур, которые перемещаются на запад со скоростями волн Россби [ Early J. J., et al., 2011] Аномалия уровня моря
Наблюдения за волнами Россби по альтиметрическим данным На анимации скоростей течений отчетливо видны распространяющиеся на запад динамические сигналы - волны Россби Длительное образование в виде меандра мигрирует на запад. Vy Двумерные спектры уровня, Vy ( f,kx) и dSST/dx по спутниковым данным. Красная линия – прямая соответствующая скорости бароклинных волн Россби 1-ой моды в приближении длинных волн Vy Vy Osychny, Cornillon, 2004 Бароклинные волны Россби 1-й моды вносят основной вклад в энергию колебаний меридиональной скорости ( Chelton, Schlax, 1996; Killworth et al., 1997; Osychny, Cornillon, 2004 )
Быстрые и медленные волны Россби в Тихом океане Период волн значительно возрастает с широтой от 0.1 на 15° до 3-5 на 45° Волны в зональных градиентах температуры на широте 48° Карта периода волн Используя методы спектрального анализа можно получить карту периодов волн Россби Волны в поле меридиональной скорости на широте 15° На широте 45° период составляет ~ 3 года 1 волна за 3 года со скоростью менее 1 см/с На широте 15° период составляет ~ 0.1 года ~ 10 волн в год
Зональные течения в океане Зональные течения в океане [Maximenko et al., 2005, 2008] Если усреднить скорости течений за длительный период времени, то мы увидим, что весь океан представляет собой чередующиеся полосы течений различного знака. Природа этих зональных течений до конца не известна
Течения в районе восточных апвеллингов Вместе с развитием Калифорнийского апвеллинга в весенний период на его фронте возникают интенсивные течения и вихри, которые начинают перемещаться на восток SST и геострофическая скорость течений по спутниковым измерениям
Эль-Ниньо и Ла-Нинья в поле уровня Эль-Ниньо и Ла-Нинья - ослабление /усиление экваториального апвеллинга, связанное с ослаблением /усилением интенсивности пассатов Развитие Эль-Ниньо (слева) и Ла-Ниньо (справа) в 1997-1998 гг. в поле аномалии уровня Во время Эль-Ниньо пассаты ослабевают и вода притекает обратно к восточному побережью Тихого океана. Во время Ла-Ниньо - наоборот
Эль-Ниньо и тропические волны После ослабления Ла-Нинья вблизи Экватора часто можно наблюдать цепочки вихрей – тропические волны
Вихревая динамика [ Kolodziejczyk et al., 2012] [ Athié et. al., 2012] Между двумя вихрями различного знака возникает дивергенция течений и наблюдаются значительные глубинные течения Петлевое течение в Мексиканском заливе
Автоматическая идентификация вихрей Метод основан на выделении замкнутых линий тока в поле скорости Вихри с временем жизни > 3 месяцев Методы автоматической идентификации вихрей позволяют идентифицировать каждый вихрь в поле скорости и исследовать как его свойства, так и свойства всего статистического ансамбля вихрей в регионе
3) Нахождение замкнутых линий тока (winding-angle) в поле скорости (Sadarjoen, Post, 2000 ; Chaigneau et al., 2008) 1) Параметр Окуба-Вяйса ( Okubo, 1970; Weiss, 199; Isern-Fontanet et al., 2003) 2) Нахождение локальных минимумов в поле уровнеяи выделение точек, для которых существует этот минимум. (Fang, Morrow, 2003; Chelton et al., 2011) Многие другие и их комбинации Faghmous, J. H., Frenger, I., Yao, Y., WLe Vu B., Stegner A., Arsouze T. Angular momentum eddy detection and tracking algorithm (AMEDA) and its application to coastal eddy formation //Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. – 2018. – Т. 35. – №. 4. – С. 739-762. armka, R., Lindell, A., & Kumar, V. (2015). A daily global mesoscale ocean eddy dataset from satellite altimetry. Scientific data, 2 (1), 1-16. …. Пример валидации методов из работы ( Chaigneau et al., 2008) Методы автоматической идентификации вихрей
Частота наблюдения вихрей в Северном Тихом океане Вихревая пустыня ( Chelton, 2007 ) Алеутские вихри Ринги Куросио Вихри у Гавайев Калифорнийский апвеллинг
Вихри на континентальном склоне В районе глубоководных желобов образуются очень мощные и долгоживущие вихри с временем жизни >5 лет : Алеутские вихри, вихри у Курильских островов Батиметрия Тихого океана Аномалия уровня в районе Берингова моря
Глобальное распределение характеристик вихрей Глобальное распределение характеристик вихрей Глобальное исследование вихрей по автоматической идентификации проведено в Chelton et al., 2011 Глобальное распределение амплитуды вихрей Количество идентифицированных вихрей Глобальное распределение EKE Места образования вихрей
Для всех вихрей с временем жизни >4 месяца Для всех вихрей, которые двигаются на восток Для всех вихрей с временем жизни более 2 лет Циклоны смещаются к полюсу Антициклоны – к экватору Адвекция завихренности Влияние средних течений (градиент завихренности) Влияние ветра Траектории вихрей
Разница между скоростью вихрей и скоростью линейных бароклинных волн Россби (Chen et al., 2022) 4 Скорости смещения вихрей существенно отличаются от линейной теории в высоких широтах. Длина волны Россби и размеры вихрей Россби меняется по широте гораздо медленнее бароклинного радиуса Россби Размер вихрей меняется в 2.5 раза на широтах 60-10°. Радиус Россби меняется в 25 раз. (Chelton et al., 2011) Широтное распределение размеров вихрей и радиуса Россби Недостатки существующих теоретических представлений о вихрях
Трехмерная структура и транспорт вихрей Трехмерная структура аномалий температуры, солености и скорости в вихрях в районе Чилийского побережья Композитное поле аномалии температуры в вихре, точками показаны положения измерений АРГО Композитный анализ данных о местоположении вихрей и измерений буев Арго позволяет получить информацию о трехмерной структуре вихрей, их влияние на транспорт тепла и соли [Chagneaux et al., 2011] Радиальная структура аномалии солености в антициклонах и циклонах Черного моря (Kubryakov et al., 2018) S CE S AE S CE S AE [Chagneaux et al., 2011] Глобальное распределение транспорта вод синоптическими вихрями (Zhang et al., 2017) Изменения профиля аномалии солености в вихрях от его амплитуды
Траектории перемещения вихревых образований в Черном море Траектории перемещения вихрей : справа – характерные, слева – для всех вихрей с временем жизни более 30 недель Трансформация Батумского антициклона в вихрь открытого моря
Временная изменчивость и причины образования вихрей в Черном море Сезонная изменчивость количества вихревых структур Межгодовая изменчивость количества антициклонов При ослаблении MKE начинается р азвитие интенсивных антициклонических вихрей Энергия антициклонических вихрей VS MKE Kubyakov, Stanichny, 201 5 ]
Применение лагранжевых методов для исследования океана Сопоставление траекторий SVP-B дрифтера и виртуального “ альтиметрического ” дрифтера в Черном море и Мексиканском заливе (Кубряков, Станичный, 2013) Liu et al., 2014 Альтиметрические измерения позволяют описывать перемещения дрифтера на относительно коротких промежутках времени
Распространение биологических объектов Путешествие черепах ( Chelonia mydas ) [ Girard C. et. al. 2005] Рассчитанные траектории движения медуз [ Bouffard et. al., 2011] Траектории движения личинок лангуста в годы с Эль-Ниньо и без [Rudorff. et. al. 2009]
Полеты большого фрегата и показатель Ляпунова Большой фрегат Фрегаты летают над зонами с большим показателем Ляпунова – океаническими фронтами Фрегаты видят фронты, богатые зоопланктоном и рыбой? Lehahn, Y., d'Ovidio, F., & Koren, I. (2018). A Satellite-Based Lagrangian View on Phytoplankton Dynamics. Annual review of marine science, 10, 99-119. Tew Kai et al., 2009 Prantz et al., 2018 Зоны вылова сардины (Prantz et al., 2018)
Диффузия трассеров Мерой диффузии потока может служить увеличение расстояние между двумя частицами первоначально близко расположенными Taylor (1921) Тогда коэффициент диффузии К можно определить как Запуская множество виртуальных дрифтеров, с некоторой разницей во времени или пространстве, можно рассчитать пространственное распределение коэффициентов диффузии в океане Карта коэффициента вихревой диффузии Abernathey, R. P., & Marshall, J. (2013) Широтное распределение коэффициента вихревой диффузии Abernathey, R. P., & Marshall, J. (2013)
Геострофические течения Ветер = Полные поверхностные течения + V surf =V geo +V wind-driven Скорость поверхностных течений равна сумме геострофической и дрейфовой компоненты скорости Расчет полных скоростей течений
Применение : Расчёт траекторий нефтяных загрязнений <V>=0.54 м/с <V>=0. 03 м/с Данные о поверхностях скоростях могут быть использованы для расчета перемещения нефтяных загрязнений Данные компании Scanex Полученные траектории хорошо совпадают с данными радиолокации о положении пленок
Спутниковая соленость ( Aquarius) в Карском море в 2011г Расчет распространения речных вод по модели (слева) и Расчитанная концентрация виртуальных частиц (справа) SSS Для расчета движения плюма в точках вблизи устьев рек располагаются постоянные источники виртуальных частиц, которые каждые 6 часов выпускают “ частицу плюма ” Приложения - расчет распространения речных плюмов [ Зацепин и др., 2015 ; Kubryakov et al., 2016] Плюмы рек несут пресные и богатые биогенами воды в океан
Распространение радиоактивных веществ после аварии на Фукусиме 11 марта 2011 г. после 9-бального землетрясения цунами сильно повредило АЭС на Фукусиме. В воду было выброшено огромное количество радиоактивных веществ Зоны c большим содержанием 137 Cs (желтый цвет) (Prantz et al., 2018) Распространение радиоактивных вод (Repina et al., 2018)
Биоразнообразие фитопланктона и Лагранжева динамика На основе спутниковых оптических измерений и алгоритма PHYSAT были идентифицированы места доминирования фитопланктона различного типа Обитание фитопланктона расположен значительно неоднородно в океане Лагранжевы методы позволили описать причины пространственного распределения фитопланктона и выделить места х начального развития (d’Oviedo et al., 2010)
Спасибо за внимание!
Влияние синоптических вихрей на температуру и соленость по спутниковым данынм Аномалии температуры в антициклонах и циклонах Тихого океана (Кубряков и др., 2018) Композитный анализ спутниковых измерений уровня, солености и температуры дает возможность определить особенности структуры вихрей в поле этих параметров Аномалии температуры и солености в вихрях индийского океана ( Melnichenko et al., 2017) Основные механизмы : Меридиональная адвекция 2) Подъем/опускание вод 3) Взаимодействие вихрей и атмосферы 4) Субмезомасштабные движения на периферии вихрей Механизмы влияния вихрей на температуру/Хл
Влияние синоптических вихрей на характеристики атмосферы Синоптические вихри вызывают Изменения напряжения трения ветра из-за движения вод Изменения устойчивости нижнего слоя атмосферы из-за изменений температруы Этот эффект влияет на экмановскую накачку и вызывает дивергенцию вод и апвеллинг, который может приводит к ослаблению антициклонов Зависимость экмановской накачки от аномалии температуры и скорости вихря Вклад течений и температуры в изменение Экмановской накачки ( Gaube et al., 2015) Механизмы влияния течений и SST на ветер Аномалия экмановской накачки в вихрях разного знака
Трехмерная структура и транспорт вихрей Трехмерная структура аномалий температуры, солености и скорости в вихрях в районе Чилийского побережья Композитное поле аномалии температуры в вихре, точками показаны положения измерений АРГО Трехмерная структура вихрей на основе альтиметрии и данных буев Арго Композитный анализ данных о местоположении вихрей и измерений буев Арго позволяет получить информацию о трехмерной структуре вихрей, их влияние на транспорт тепла и соли [Chagneaux et al., 2011] Радиальная структура аномалии солености в антициклонах и циклонах Черного моря (Kubryakov et al., 2018) S CE S AE S CE S AE [Chagneaux et al., 2011] Глобальное распределение транспорта вод синоптическими вихрями (Zhang et al., 2017) Изменения профиля аномалии солености в вихрях от его амплитуды
Траектории вихрей Траектории вихрей с временем жизни > 4 месяцев [Chelton et. Al, 2011]: а) Всех б) Только двигающихся на восток Траектории вихрей с временем жизни > 2 лет :
Меридиональное отклонение вихрей различных знаков Меридиональный дрейф циклонов и антициклонов [Morrow et al., 2004; Chelton et. al., 2013] Из уравнения сохранения завихренности следует, что [ Коротаев, 19 8 0 ]: Циклонические вихри отклоняются к полюсу, Антициклонические вихри отклоняются к экватору
Трехмерная структура и транспорт вихрей Зная, где находится каждый вихрь можно выделить профили Арго, которые были в вихре и восстановить его трехмерную структуру в поле T и S S AE S CE По данным альтиметрии можно рассчитать сколько вихрей прошло через определенный разрез Суммарный перенос соли антициклонами : - 1. 6 *10 5 тонн соли/год Суммарный перенос соли циклонами : +0. 17*105 тонн соли/год Аномалия солености Аномалия температуры S AE S С E Т AE Т С E
Благодарю за внимание!
Дополнительные слайды
Коэффициент усиления и диаграмма направленности Коэффициент усиления (КУ) антенны (Gain) —весовой коэффициент мощности приема излучения из данного телесного угла Диаграмма направленности— графическое представление зависимости коэффициента усиления антенны или коэффициента направленного действия антенны от направления антенны в заданной плоскости Антенна принимает часть сигнала боковыми лепестками – помеха при анализе радиолокационных данных
Альтиметрия, - излучение радиоволн в надир, позволяющее определять уровень океана и высоты волн по времени появления отраженного сигнала и форме импульса. Скаттерометрия, - излучение радиоволн под наклонными углами, позволяющее определить рассеивающие свойства поверхности необходимые в первую очередь для восстановления поля ветра Радары синтезированной апертуры - изображения поверхности высокого разрешения, отображающие «мелкомасштабную» структуру рассеивающих свойств поверхности, которые дают информацию о различных процессах в океане( течения, волны, нефтяные пленки и т.д.) Типы спутниковой радиолокации для ДЗЗ :
Материалы по курсу Martin, S. (2014). An introduction to ocean remote sensing. Cambridge University Press. Robinson, I. S. (2004). Measuring the oceans from space: the principles and methods of satellite oceanography. Springer Science & Business Media. Лаврова, О. Ю., Костяной, А. Г., Лебедев, С. А., Митягина, М. И., Гинзбург, А. И., & Шеремет, Н. А. (2011). Комплексный спутниковый мониторинг морей России. М.: ИКИ РАН. Robinson, I. S. (2010). Discovering the Ocean from Space: The unique applications of satellite oceanography. Springer Science & Business Media. Fundamentals of Remote Sensing // Natural Resources Ressources naturelles Canada Нелепо, Б. А., & Сагдеев, Р. Ж. (1983). Спутниковая гидрофизика. Изд-во" Наука,". Полезные ссылки : лекции лаборатории спутниковой океанографии РГГМУ http://solab.rshu.ru/ru/education/ - MetED - Онлайн уроки по метерологиии и океанографии https://www.meted.ucar.edu/ При подготовке использовались презентации Станичного С.В., Кудрявцева В.Н., Козлова И.Е., Митника, Л.М., Копелевича О.В., З аболотских Е. В., Троицкой Ю.И., Shapron.B., Robinson I., Collard F. и др.
Большинство радиолокационных систем работают в микроволновом диапазоне на длинах волн 0.5-75 см: • Ku-band: ~ 2cm, altimeters:Topex, Jason; scatterometrs : QuikScat, Oscat • X-band: 2.4 - 3.75 cm (12.5 - 8 GHz). C оветские спутники серий Космос, Terra-SAR. • C-band: 3.75 - 7.5 cm (8 - 4 GHz). Спутники серий ERS, RADARSAT, ENVISAT, Sentinel-1, altimeters Topex, Jason, scatterometer ASCAT. • S-band: 7.5 - 15 cm (4 - 2 GHz). Советский РСА Almaz. • L-band: 15 - 30 cm (2 - 1 GHz). SEASAT, JERS, scatterometr AQUARIUS • P-band: 30 - 100 cm (1 - 0.3 GHz). Самолетные измерительные системы Влияние атмосферы на радиолокационные импульсы мало : Основное влияние оказывают водяной пар, свободные электроны ионосферы и осадки Диапазон работы радиолокаторов
