СПОСОБ ОЦЕНКИ ГЛУБИНЫ ВЕРХНЕГО КВАЗИОДНОРОДНОГО СЛОЯ ВЫСОКОШИРОТНЫХ МОРЕЙ В ЗИМНИЙ ПЕРИОД
METHOD OF ESTIMATING DEPTH OF TOP QUASI-HOMOGENEOUS LAYER OF HIGH-LATITUDE SEAS IN WINTER SEASON

Изобретение относится к гидрометеорологии, а именно к способам измерения параметров верхнего квазиоднородного слоя моря, и наиболее эффективно может быть использовано для сбора информации и оценки глубины верхнего квазиоднородного слоя высокоширотных морей в зимний период.
Сведения о глубине верхнего квазиоднородного слоя (ВКС) морских вод важно для различных отраслей народного хозяйства, таких как гидрометеорология (определение теплозапаса морской воды), рыбная промышленность (изучение распределения рыбных и нерыбных ресурсов) и для военно-морского флота (определение структуры распространения скорости звука по глубине для определения местонахождения подводных лодок и мин). В настоящее время известен ряд способов измерения глубины ВКС.
Известен способ определения глубины ВКС с использованием плавучих буев Арго, которые позволяют получать информацию о профилях температуры и солености (http://www.argodatamgt.org/Access-to-data/Argo-data-selection; http://www.coriolis.eu.org/cdc/dataSelection/cdcDataSelections.asp). Недостатком этого способа являются небольшие объемы информации. Способ не позволяет получить достаточно подробную информацию для определенного момента времени по всей морской акватории в связи с тем, что количество буев во всем Мировом океане ограничено и составляет около трех тысяч штук.
a
Известен способ, использующий Океаническую Биогеохимическую Модель, предложенную НАСА (NOMB), позволяющий определять гидрометеорологические параметры верхнего квазиоднородного слоя мирового океана, в том числе и его глубину. Способ осуществляют на открытых океанических участках мирового океана, глубина которых больше 200 м, а разрешение составляет 1.25° по долготе и 0.66° по широте (Modeling coccolithophores in the global oceans Watson W. Groggy*, Nancy W. Casey Deep-Sea Research Part 2 54(2007) 447-477). Способ ассимилирует в выбранном районе данные по поверхностной температуре, скорости, направлению ветра и другие гидрометеорологические параметры, получаемые со спутников, и по этим параметрам производится расчет глубины ВКС. http://gdatal.sci.gsfc.nasa.gov/daac-bin/G3/gui.cgi?instance_id=ocean_model).
Недостатком известного способа является низкое разрешение по широте и долготе исследуемого района, не позволяющее изучать ВКС в мезомасштабных синоптических вихрях, а также в более мелких гидрологических структурах. Кроме того, способ не позволяет изучать распределение ВКС в закрытых районах, глубина которых меньше 200 м, например, Японском море, так как модель, на который основан способ, построена для условий открытого океана и работает только в открытых океанических акваториях глубиной больше 200 м (http://gdatal.sci.gsfc.nasa.gov/daac bin/G3/results.cgi?wsid=126845510926169&app=latlonplot&instance_id=ocean_model&sid=126845502324938&gsid=ocean_model_62.76.7.25_1268455023&selectedMap=Blue Marble&).
Наиболее близким к заявляемому является способ измерения гидрологических параметров, в том числе глубины верхнего квазиоднородного слоя моря, с движущегося судна (SU п. №1531045, опубл. 23.12.1989 г.), который можно использовать для всех типов морей в любое время года.
При реализации способа с борта исследовательского судна опускают измерительную линию, которая содержит интегральный термопреобразователь и датчик гидростатического давления, находящийся на нижнем конце термопреобразователя. На нижнем конце измерительной линии также установлен гидродинамический заглубитель. Верхний конец измерительной линии закреплен на исследовательском судне, которое движется с некоторой скоростью. Способ включает измерение интегральной температуры в слое воды, нижняя граница которого расположена ниже глубины поверхности верхнего термоклина, и гидростатического давления на нижней границе этого слоя. Глубину измеряемого слоя изменяют заданным периодом времени в пределах слоя, включающего поверхность верхнего термоклина. По зависимости температуры от глубины выделяют моменты начала и конца перехода к квазипостоянному характеру поведения значений интегральной температуры, а по гидростатическому давлению, измеренному в эти моменты, определяют глубину квазиоднородного слоя моря.
Недостатком известного способа является его трудоемкость и дороговизна, связанная с оплатой судового времени для получения информации о глубине ВКС на всей исследуемой акватории (например, по акватории всего Японского моря), длительность и недостаточный объем получаемых гидробиологических характеристик.
Задачей изобретения является разработка нового способа определения ВКС высокоширотных морей в зимний период.
Технический результат - снижение трудоемкости, повышение оперативности и информативности, а также удешевление способа.
chl
Поставленная задача решается способом оценки глубины верхнего квазиоднородного слоя высокоширотных морей в зимний период, включающим определение в исследуемом районе дистанционным методом концентраций общей взвеси и хлорофилла, вычисление хлорофилльного индекса I по отношению концентрации хлорофилла к концентрации биомассы водорослей, равной концентрации общей взвеси за вычетом концентрации неорганических взвешенных частиц, определенной эмпирически,
chl
I=chl ос 3/(tsm clark - 0.25),
где
вкс
chl ос 3 - концентрация хлорофилла, tsm clark - концентрация общей взвеси и последующее вычисление глубины верхнего квазиоднородного слоя Н, равного
вкс
chl
Н=КI+B,
где
К и В - коэффициенты линейного регрессионного уравнения, предварительно определенные по методу наименьших квадратов из экспериментальных значений глубины верхнего квазиоднородного слоя в нескольких точках исследуемого моря и величине хлорофилльного индекса, вычисленного по величинам концентраций общей взвеси и хлорофилла, определенных в этих же точках дистанционным методом.
Автором впервые обнаружена зависимость между глубиной ВКС и гидробиологическими характеристиками фитопланктонного сообщества, характеризующимися введенным автором параметром «хлорофилльный индекс». Данная зависимость была выявлена при анализе экспериментально полученных судовых данных по распределению концентрации общей взвеси, хлорофилла и биомассы водорослей в Японском море в зимний период, полученные в ходе рейса НИС «Академик М.А.Лаврентьев» в 2005 г. Были сопоставлены данные по концентрации общей взвеси, полученные дистанционным методом по спутниковым данным, и судовые экспериментальные данные по концентрации общей взвеси, определенные в рейсе. Проведенный анализ выявил, что концентрация общей взвеси, полученная экспериментально, и спутниковые данные, полученные с использованием программы Glance для тех же точек, показали удовлетворительную связь. Коэффициент корреляции был значимым для доверительного интервала 0,999 и положительным (0,479) для 46 измерений, что подтверждает возможность использования алгоритма Clark для определения концентрации обшей взвеси в исследуемом районе. Отношение между средними значениями этих параметров (взвесь по судовым и взвесь по спутниковым данным) составило 0,67 (Джонсон, Лион, М., Мир, 1980 г., с.560).
Также было установлено, что экспериментальные измерения концентрации хлорофилла и концентрации хлорофилла, определенные спутниковыми дистанционными методами, согласуются между собой, что позволяет использовать спутниковые данные по концентрации хлорофилла для оценочной характеристики распределения фитопланктонного сообщества (Hooker S.B. Meclain C.R. The calibration and validation of Sea WIFS data//Progress in Oceanography 2000, Vol.45, №3-4, р. 427-465).
chl
При изучении распределения экспериментально определенных концентраций общей взвеси, хлорофилла и биомассы водорослей в исследуемом районе была выявлена тесная взаимосвязь между отношением концентрации хлорофилла, определенного спутниковым методом, к концентрации биомассы водорослей, названного «хлорофилльным индексом» (I), и глубиной верхнего квазиоднородного слоя моря. За биомассу принималась величина, равная концентрации общей взвеси, определенной дистанционным методом по спутниковым данным, за вычетом концентрации неорганических взвешенных частиц, определяемых эмпирически. Концентрация неорганической взвеси вычисляется как разница между концентрацией общей взвеси и концентрацией биомассы микроводорослей, определенной по судовым данным. При этом для открытых районов Японского моря в зимний период по экспериментальным данным она составляет около 0,25 мг/л. Эта величина неорганической взвеси может меняться, например, в зависимости от поступления пыли из атмосферного аэрозоля, что необходимо учитывать для более точных оценок, но в первом приближении ее оценка 0,25 мг/л является допустимой (Mishukov V.F., Medvedev A.N., Neroda Pacific Oceanography. 2004. V.2, №3. Р.109-116; Букин О.Ф., Павлов П.А., Салюк Ю.Н. и др. Оптика атмосф. и океана. 2007. Т.20, №4. С.341-348).
Таким образом, выявленная закономерность позволила составить уравнение для характеристики распределения фитопланктонного сообщества для высокоширотных морей в зимний период как
chl
I=chl ос 3/(tsm clark - 0.25).
Эта закономерность, выявленная для высокоширотных морей в зимнее время, объясняется тем, что в зимний период происходит конвективное перемешивание водной поверхности. В эвфотическую зону (зона фотосинтеза) поступают биогенные элементы, и развитие фитопланктона в основном ограничивается глубиной ВКС, связанной с освещенностью. При большой глубине ВКС преимущество в развитии получают мелкие микроводоросли, успевающие за время медленного парения пройти цикл деления клетки. При этом для природных сообществ морского фитопланктона высокоширотных морей характерна следующая закономерность: более мелкие водоросли, как правило, обладают более высоким хлорофилльным индексом, то есть более высоким отношением концентрации хлорофилла к концентрации биомассы водорослей. В другие временные сезоны наряду с этой зависимостью на развитие фитопланктона и хлорофилльный индекс оказывают влияние другие факторы - это исчерпание биогенных элементов, быстрое изменение ВКС, связанное с таянием льда и иным поступлением распресненных вод, а также весенний прогрев и осеннее охлаждение водной поверхности.
вкс
chl
вкс
chl
Дальнейший анализ результатов показал, что между глубиной ВКС (Н) и хлорофилльным индексом (I) существует эмпирическая зависимость, выраженная следующим соотношением Н=КI+В,
где
К и В - эмпирические коэффициенты, определяющие связь между глубиной ВКС и хлорофилльным индексом.
К и В - коэффициенты линейного регрессионного уравнения, предварительно определенные по методу наименьших квадратов из экспериментальных значений глубины верхнего квазиоднородного слоя в нескольких точках исследуемого моря и величине хлорофилльного индекса, вычисленного по величинам концентраций общей взвеси и хлорофилла, определенных в этих же точках дистанционным методом.
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.
вкс
По данным, полученным в ходе рейса, или по буям Арго, расположенным в исследуемом море в нескольких точках с известными координатами, определяют экспериментально глубину Н. Для этих же точек с использованием, например, спутниковых данных, которые ежедневно выставляются на сайте НАСА (http://oceancolor.gsfc.nasa.gov/cgi/browse.pl?sen=am), используя алгоритм Clark, вычисляют концентрацию хлорофилла и концентрацию общей взвеси, а также определяют концентрацию биомассы водорослей, равную концентрации общей взвеси за вычетом концентрации неорганических взвешенных частиц, которая определена предварительно эмпирически и равна 0.25. По этим данным вычисляют хлорофилльный индекс для данных точек по формуле
chl
I=chl ос 3/(tsm clark - 0.25).
вкс
chl
Затем по методу наименьших квадратов составляют линейное регрессионное уравнение зависимости глубины ВКС от хлорофилльного индекса вида: Н=КI+В, решая которое вычисляют коэффициенты К и В, где коэффициент К показывает, на сколько метров меняется глубина ВКС при изменении хлорофилльного индекса на единицу, а коэффициент В - глубину ВКС при нулевом значении хлорофилльного индекса.
Так например, и Японского моря по экспериментально полученным данным в ходе экспедиции и для Берингова моря по буям Арго были определены К, равные, соответственно, 5,61 м и 19,98 м, и В, равные, соответственно, 71 м и 13 м.
chl
Найденные значения коэффициентов К и В считают постоянными для данных морей, т.к. корреляция между глубиной ВКС и хлорофилльным индексом положительна и значима при доверительном интервале 0,999, и используют далее для оценки глубины верхнего квазиоднородного слоя на всей акватории исследуемого высокоширотного моря в зимний период по величинам хлорофилльного индекса I, который вычисляют по данным концентраций общей взвеси и хлорофилла, полученных дистанционным методом, например с сайта НАСА.
вкс
chl
Н=КI+В
Так например, для Берингова и Японского морей были определены К, равные, соответственно, 5,61 м и 19,98 м, и В, равные, соответственно, 71 м и 13 м.
На фиг.1 и 2 представлены таблицы связи между глубиной ВКС и хлорофилльным индексом в зимний период для Японского и Берингова морей соответственно, где Lon (°Е) - это восточная долгота, a Lat (°N) - северная широта. Коэффициенты корреляции между глубиной ВКС и хлорофилльным индексом составляют 0,618805212 и 0,446 для Японского и Берингова морей соответственно. На фиг.3 изображен антициклонический вихрь в северо-западной части Японского моря, где 1 - периферия вихря, 2 - центр вихря.
3
3
Например, была рассмотрена такая мезомасштабная гидрологическая структура, как антициклонический вихрь в северо-западной части Японского моря с координатами центра вихря 133.5° восточной долготы и 40,7 северной широты (фиг.1). Для центральной части вихря концентрация хлорофилла и концентрация общей взвеси, определенная дистанционным методом, по спутниковым данным, с использованием алгоритма Clark составили, соответственно 0,387 мг/м и 0,327 мг/л. Для периферии вихря эти параметры были равны для хлорофилла 0,481 мг/м, концентрации общей взвеси 0,371 мг/л.
Произведя вычитание концентрации неорганических взвешенных частиц, которую считают постоянной величиной для высокоширотных морей в зимнее время и равной 0.25 мг/л, и разделив концентрацию хлорофилла на концентрацию биомассы водорослей, находим хлорофилльный индекс, равный для центра и периферии вихря 5,03 и 3,98 соответственно.
ВКС
chl
вкс
вкс
Подставляя рассчитанные значения хлорофилльного индекса и предварительно вычисленные по Японскому морю значения коффициентов К и В, соответственно равные 19,98 м и 13 м (в формулу Н=КI+В), получаем средние значения глубины ВКС для центральной части и периферии вихря соответственно. Н=19,98 5,03+13=113,5 м и Н=11,98 3,98+13=92,6 м.
Квазисинхронные экспериментальные измерения глубины ВКС, выполненные на 4-х станциях в центре и на 4-х станциях периферии вихря, показали соответственно следующие значения: 167,5±43,1 м и 85±62,4 м.
Рассчитанные по этим значениям хлорофилльного индекса средние значения глубины ВКС для центральной части и периферии вихря составили по предлагаемой формуле соответственно 113,5±11,7 м и 92,6±32,8 м. Экспериментальные измерения глубины ВКС, выполненные на 4-х станциях в центре и на 4-х станциях периферии вихря, показали соответственно следующие средние значения: 167,5±43,1 м и 85±62,4 м.
Как показал статистический анализ результатов, полученных для акватории Японского моря, среднеквадратическое отклонение восстановленных значений глубин нулевой изотермы от их значений, определенных по данным зондирования, оказывается порядка 20%, то есть погрешность предлагаемого способа соизмерима с погрешностью экспериментального зондирования, однако при реализации способа не требуется выполнять большое количество дорогостоящих рейсов, а достаточно использовать данные, например, с регулярно действующих искусственных спутников Земли.
Заявляемый способ по сравнению с прототипом, на основе экспериментально выявленной закономерности между глубиной ВКС и хлорофилльным индексом с использованием дистанционных спутниковых данных, позволяет оперативно, не выполняя большого количества экспериментальных замеров в дорогостоящих рейсах, определять одномоментное распределение ВКС по обширным акваториям высокоширотных морей в зимний период.
Достоинствами заявляемого способа является уменьшение трудоемкости и увеличение оперативности, а также увеличение объема данных о гидробиологических характеристиках фитопланктонного сообщества для оценки глубины верхнего квазиоднородного слоя.
Таким образом, предлагаемый способ является перспективным и может найти широкое практическое применение для оценки глубины верхнего квазиоднородного слоя высокоширотных морей в зимний период.