Анализ результатов натурных экспериментов с термопрофилирующими дрейфующими буями в Черном море и других районах Мирового океана
В статье рассмотрены результаты десятилетнего применения термопрофилирующих дрифтеров в качестве сегмента глобальной системы наблюдений Мирового океана. Представлены принципы построения и особенности применения термодрифтеров. Приведены сведения о дрифтерных экспериментах в Черном море и других реги...
Saved in:
| Date: | 2014 |
|---|---|
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Морський гідрофізичний інститут НАН України
2014
|
| Series: | Морской гидрофизический журнал |
| Subjects: | |
| Online Access: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/105138 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Анализ результатов натурных экспериментов с термопрофилирующими дрейфующими буями в Черном море и других районах Мирового океана / А.П. Толстошеев, Е.Г. Лунев, С.В. Мотыжев // Морской гидрофизический журнал. — 2014. — № 5. — С. 9-32. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-105138 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1051382016-08-08T03:02:45Z Анализ результатов натурных экспериментов с термопрофилирующими дрейфующими буями в Черном море и других районах Мирового океана Толстошеев, А.П. Лунев, Е.Г. Мотыжев, С.В. Анализ результатов наблюдений и методы расчета гидрофизических полей океана В статье рассмотрены результаты десятилетнего применения термопрофилирующих дрифтеров в качестве сегмента глобальной системы наблюдений Мирового океана. Представлены принципы построения и особенности применения термодрифтеров. Приведены сведения о дрифтерных экспериментах в Черном море и других регионах Мирового океана, рассмотрены методы обработки данных мониторинга. Результаты экспериментов позволили получить статистически значимые корреляционные и спектральные оценки флуктуаций полей температуры верхнего слоя моря и их связей с флуктуациями циркуляции поверхностных вод в синоптическом и мезомасштабном диапазонах пространственно-временной изменчивости. У статті розглянуто результати десятирічного застосування термопрофілюючих дрифтерів як сегменту глобальної системи спостережень Світового океану. Представлені принципи побудови та особливості застосування термодрифтерів. Наведено відомості про дрифтерні експерименти в Чорному морі та інших регіонах Світового океану, розглянуто методи обробки даних моніторингу. Результати експериментів дозволили отримати статистично значні кореляційні та спектральні оцінки флуктуацій полів температури верхнього шару моря та їх зв'язків з флуктуаціями циркуляції поверхневих вод у синоптичному і мезомасштабному діапазонах просторово-часової мінливості. Results of ten-year application of temperature-profiling drifters as a segment of the Global Ocean Observing System are considered. Principles of the drifters’ structure and features of their application are represented. Information on the experiments with thermodrifters in the Black Sea and other regions of the World Ocean is given; the methods of processing of the monitoring data are considered. The results of the experiments permit to obtain statistically significant correlation and spectral estimations of fluctuations of the sea upper layer temperature fields and their relations with spatial-temporal variability of surface water circulation in synoptic and mesoscale ranges. 2014 Article Анализ результатов натурных экспериментов с термопрофилирующими дрейфующими буями в Черном море и других районах Мирового океана / А.П. Толстошеев, Е.Г. Лунев, С.В. Мотыжев // Морской гидрофизический журнал. — 2014. — № 5. — С. 9-32. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. 0233-7584 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/105138 551.46.08 ru Морской гидрофизический журнал Морський гідрофізичний інститут НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Анализ результатов наблюдений и методы расчета гидрофизических полей океана Анализ результатов наблюдений и методы расчета гидрофизических полей океана |
| spellingShingle |
Анализ результатов наблюдений и методы расчета гидрофизических полей океана Анализ результатов наблюдений и методы расчета гидрофизических полей океана Толстошеев, А.П. Лунев, Е.Г. Мотыжев, С.В. Анализ результатов натурных экспериментов с термопрофилирующими дрейфующими буями в Черном море и других районах Мирового океана Морской гидрофизический журнал |
| description |
В статье рассмотрены результаты десятилетнего применения термопрофилирующих дрифтеров в качестве сегмента глобальной системы наблюдений Мирового океана. Представлены принципы построения и особенности применения термодрифтеров. Приведены сведения о дрифтерных экспериментах в Черном море и других регионах Мирового океана, рассмотрены методы обработки данных мониторинга. Результаты экспериментов позволили получить статистически значимые корреляционные и спектральные оценки флуктуаций полей температуры верхнего слоя моря и их связей с флуктуациями циркуляции поверхностных вод в синоптическом и мезомасштабном диапазонах пространственно-временной изменчивости. |
| format |
Article |
| author |
Толстошеев, А.П. Лунев, Е.Г. Мотыжев, С.В. |
| author_facet |
Толстошеев, А.П. Лунев, Е.Г. Мотыжев, С.В. |
| author_sort |
Толстошеев, А.П. |
| title |
Анализ результатов натурных экспериментов с термопрофилирующими дрейфующими буями в Черном море и других районах Мирового океана |
| title_short |
Анализ результатов натурных экспериментов с термопрофилирующими дрейфующими буями в Черном море и других районах Мирового океана |
| title_full |
Анализ результатов натурных экспериментов с термопрофилирующими дрейфующими буями в Черном море и других районах Мирового океана |
| title_fullStr |
Анализ результатов натурных экспериментов с термопрофилирующими дрейфующими буями в Черном море и других районах Мирового океана |
| title_full_unstemmed |
Анализ результатов натурных экспериментов с термопрофилирующими дрейфующими буями в Черном море и других районах Мирового океана |
| title_sort |
анализ результатов натурных экспериментов с термопрофилирующими дрейфующими буями в черном море и других районах мирового океана |
| publisher |
Морський гідрофізичний інститут НАН України |
| publishDate |
2014 |
| topic_facet |
Анализ результатов наблюдений и методы расчета гидрофизических полей океана |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/105138 |
| citation_txt |
Анализ результатов натурных экспериментов с термопрофилирующими дрейфующими буями в Черном море и других районах Мирового океана / А.П. Толстошеев, Е.Г. Лунев, С.В. Мотыжев // Морской гидрофизический журнал. — 2014. — № 5. — С. 9-32. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. |
| series |
Морской гидрофизический журнал |
| work_keys_str_mv |
AT tolstošeevap analizrezulʹtatovnaturnyhéksperimentovstermoprofiliruûŝimidrejfuûŝimibuâmivčernommoreidrugihrajonahmirovogookeana AT luneveg analizrezulʹtatovnaturnyhéksperimentovstermoprofiliruûŝimidrejfuûŝimibuâmivčernommoreidrugihrajonahmirovogookeana AT motyževsv analizrezulʹtatovnaturnyhéksperimentovstermoprofiliruûŝimidrejfuûŝimibuâmivčernommoreidrugihrajonahmirovogookeana |
| first_indexed |
2025-07-07T16:23:34Z |
| last_indexed |
2025-07-07T16:23:34Z |
| _version_ |
1837005972910899200 |
| fulltext |
© А.П. Толстошеев, Е.Г. Лунев, С.В. Мотыжев, 2014
Анализ результатов наблюдений
и методы расчета
гидрофизических полей океана
УДК 551.46.08
А.П. Толстошеев, Е.Г. Лунев, С.В. Мотыжев
Анализ результатов натурных экспериментов
с термопрофилирующими дрейфующими буями
в Черном море и других районах Мирового океана
В статье рассмотрены результаты десятилетнего применения термопрофилирующих дриф-
теров в качестве сегмента глобальной системы наблюдений Мирового океана. Представлены
принципы построения и особенности применения термодрифтеров. Приведены сведения о
дрифтерных экспериментах в Черном море и других регионах Мирового океана, рассмотрены
методы обработки данных мониторинга. Результаты экспериментов позволили получить ста-
тистически значимые корреляционные и спектральные оценки флуктуаций полей температуры
верхнего слоя моря и их связей с флуктуациями циркуляции поверхностных вод в синоптиче-
ском и мезомасштабном диапазонах пространственно-временной изменчивости.
Ключевые слова: термическая структура, термопрофилирующий дрифтер, инерционные
движения.
Удачное сочетание потенциально широких возможностей дрифтерной
технологии с ее экономической эффективностью определило задачу создания
различных специализированных дрейфующих платформ. Решение этой зада-
чи в последнее десятилетие тесно связано с инновационной деятельностью
Морского гидрофизического института (МГИ) НАН Украины по дальнейше-
му развитию дрифтерной технологии. Одним из наиболее значимых резуль-
татов этой деятельности следует считать создание термопрофилирующего
дрейфующего буя (термодрифтера), ориентированного на получение систе-
матической оперативной информации об изменчивости температуры верхне-
го слоя Мирового океана.
В статье рассматриваются результаты разработки, особенности примене-
ния термодрифтеров, методы обработки данных, приведены сведения о дриф-
терных экспериментах в Черном море и других регионах Мирового океана.
Общие сведения о термопрофилирующих дрейфующих буях. Первая
модификация термодрифтера SVP-BTC60 с термолинией до глубины около
60 м и терминалом спутниковой системы сбора данных и определения коор-
динат платформ Argos-2 (далее – Argos-2) была разработана в МГИ в 2004 г.
по проекту УНТЦ № 2241. Характеристики SVP-BTC60 и некоторые ре-
зультаты долговременного натурного эксперимента, выполненного в Чер-
ном море с опытными образцами этой модификации термодрифтера, рас-
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2014, № 5 9
смотрены в статьях [1 – 3]. В ходе эксперимента были получены уникаль-
ные систематические данные об изменчивости температуры в верхнем слое
моря в широком диапазоне пространственно-временных масштабов по-
верхностных течений, что определило интерес к термодрифтерам со сторо-
ны исследователей разных стран. К 2009 г. была разработана новая моди-
фикация SVP-BTC80RTC/GPS с термолинией до глубины около 80 м, терми-
налом спутниковой системы Iridium и приемником системы глобального по-
зиционирования GPS. В алгоритм работы дрифтера были внесены изменения,
позволившие, во-первых, синхронизировать измерения во времени; во-
вторых, оценивать поправки на отклонения термолинии от вертикали и пере-
давать данные о температуре каждого датчика совместно с данными о глуби-
не его положения во время измерения. Структура построения и внешний вид
термодрифтера SVP-BTC80RTC/GPS показаны на рис. 1, а в табл. 1 – его ос-
новные показатели назначения.
Р и с. 1. Структура (слева) и внешний вид (справа) термодрифтера SVP-BTC80RTC/GPS
Т а б л и ц а 1
Основные показатели назначения термодрифтера SVP-BTC80RTC/GPS
с терминалом спутниковой системы связи Iridium
Атмосферное
давление, гПа
Температура
воды, °С Номинальные горизонты
измерения температуры
верхнего слоя моря, м
Погрешность измерения
координат, м
|∆| µ |∆| µ по приемнику
GPS
по доплеровскому
методу системы
Iridium
≤ 1,0 0,1 ≤ 0,1 0,04
0,2; 10; 12,5; 15; 20; 25;
30; 35; 40; 45; 50; 55; 60;
65; 70; 75; 80
≤ 100
по долготе:
≤ 10000;
по широте:
≤ 1000
П р и м е ч а н и е : |∆| – погрешность измерения; µ – цена единицы младшего разряда выход-
ного кода.
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2014, № 5 10
В последующем термодрифтеры именно этой модификации наиболее
широко использовались в многочисленных международных и национальных
экспериментах, результаты которых рассмотрены в статье [4].
Анализ результатов натурных экспериментов. В период с 2004 по
2014 гг. в различных регионах Мирового океана было развернуто более 60
термодрифтеров различных модификаций. На рис. 2 показаны регионы наи-
более интенсивного использования термодрифтеров: Черное море (19 дриф-
теров по программам МГИ, Украина), Бискайский залив и Средиземное море
(19 – по программам Meteo-France, Франция), Северный Ледовитый и Юж-
ный океаны (18 и 3 соответственно – по программам Вашингтонского уни-
верситета, США). В Северном Ледовитом океане использовались специали-
зированные термодрифтеры, которые устанавливаются на ледовых образова-
ниях и ориентированы на исследование термодинамики подледного верхнего
слоя океана. На рисунке изображены также траектории дрейфов термодриф-
теров. Следует заметить, что, поскольку для ряда дрифтеров пользователи
частично или полностью ограничивают доступ к информации, на рисунке
представлены траектории только тех буев, данные с которых поступали нам в
полном объеме.
Р и с. 2. Регионы Мирового океана наиболее интенсивного применения термодрифтеров и
траектории их дрейфов
К настоящему времени технология исследования океана с помощью тер-
модрифтеров стала неотъемлемым компонентом современной системы опе-
ративных наблюдений океана. Подтверждением этого является тот факт, что
начиная с 2010 г. оперативный доступ к данным мониторинга стал возможен
на интернет-сайте http://www.meteo2.shom.fr/qctools/svp_odv контроля каче-
ства дрифтерных данных Meteo-France. На рис. 3 показан пример представ-
ления на сайте данных термодрифтера № 6200510, развернутого в Бискай-
ском заливе.
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2014, № 5 11
Р и с. 3. Представление данных термодрифтера SVP-BTC80RTC/GPS № 6200510 на сайте кон-
троля качества дрифтерных данных Meteo-France
Ниже более подробно рассмотрены результаты термодрифтерного мони-
торинга Черного моря.
Некоторые результаты черноморских экспериментов с термодриф-
терами в 2004 – 2014 гг. В черноморских экспериментах последнего десяти-
летия преследовались две основных цели: оценивание степени эффективно-
сти разработанных средств термодрифтерной технологии и исследование
термической структуры верхнего слоя моря в широком диапазоне простран-
ственно-временных масштабов движений поверхностных вод. Основные ста-
тистические сведения об экспериментах приведены в табл. 2. В таблице и да-
лее в тексте под термином «локализация» понимается определение координат
дрифтера.
На рис. 4 показана общая карта траекторий термодрифтеров, разверну-
тых в Черном море. Об эффективности применения термодрифтеров можно
судить по указанному в таблице времени продуктивной работы – времени
функционирования термодрифтера в полном объеме на глубинах не менее
номинальной длины термолинии. По данным черноморских экспериментов
по этому параметру все дрифтеры можно разделить на три приблизительно
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2014, № 5 12
равные по количеству группы с временами жизни менее 1, от 1 до 3 и свыше
3 мес. Нарушение работоспособности в течение первого месяца в большинст-
ве случаев объясняется выходом термодрифтеров в районы малых глубин
шельфовой зоны.
Т а б л и ц а 2
Общие сведения о применении термопрофилирующих дрейфующих буев
в черноморских экспериментах 2004 – 2014 гг.
№
п/п
Идентификаци-
онный
номер буя
Модификация
буя
Дата Продолжи-
тельность
продуктивной
работы,
сут
Средний
период
локализаций,
ч
разверты-
вания
окончания
продук-
тивной
работы
1 49169
SVP-BTC60
(Argos-2)
23.08.04
21.12.04 120
3,0
2 49170 18.09.04 25
3 49171 02.12.04 97
4 49172 27.08.04 12.10.04 46
5 34859 04.04.05 31.07.05 118
6 34860 05.04.05 29.09.05 177 2,0
7 56092 SVP-BTC80
(Argos-2) 03.07.06
14.09.06 73
2,0
8 56093 27.09.06 86
9 33136
SVP-BTC80/GPS
(Argos-2) 15.09.07
22.09.07 7 по GPS: 4,7
по Argos: 5,6
10 33137 09.10.07 23 по GPS: 2,6
по Argos: 5,5
11 IMEI 630380/
WMO 61690
SVP-BTC80/RTC/
GPS(Iridium)
03.08.09
16.08.09 13
по GPS: 0,5 12 IMEI 630410/
WMO 61691 18.08.09 15
13 IMEI 638390/
WMO 61689 03.09.09 30
14 IMEI 248940/
WMO 61689
14.12.12
30.06.13 198
по GPS:1,1
15 IMEI 249940/
WMO 61690 04.04.13 112
16 IMEI 249940* 19.09.13 22.01.14 125 1,9
17 IMEI 247960/
WMO 61687
20.11.13
27.12.13 36 1,4
18 IMEI 248970/
WMO 61688 20.12.13 30 1,1
19 IMEI 248990/
WMO 61690 24.05.14 185 1,3
П р и м е ч а н и е : * – звездочкой обозначен номер дрифтера, развернутого повторно.
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2014, № 5 13
Р и с. 4. Общая карта дрейфов термодрифтеров по данным черноморских экспериментов
2004 – 2014 гг. (справа) и траектории термодрифтеров в границах полигона в западной части
Черного моря (слева)
Следует отметить особенности организации экспериментов, связанные с
объективными возможностями развертывания термодрифтеров, ориентиро-
ванных главным образом на исследование термической структуры верхнего
слоя глубоководной части моря. Исходя из представлений об общей схеме
циркуляции поверхностных вод в Черном море и сезонной изменчивости их
термической структуры, наиболее интересными для исследования являются:
зона континентального склона, в которой локализовано Основное Черномор-
ское течение (ОЧТ); крупномасштабные циклонические круговороты в вос-
точной и западной частях моря; квазистационарные антициклонические вих-
ри (Севастопольский, Батумский и др.). Очевидно, что доставить термодриф-
теры в указанные регионы возможно только путем целевых судовых экспе-
диций, организовать которые в настоящее время весьма сложно по известным
причинам. В какой-то степени выходом из сложившейся ситуации стало ис-
пользование попутных коммерческих судов. Поэтому большинство термо-
дрифтеров было развернуто вдоль маршрута Севастополь – Стамбул, а наи-
более представительные данные за весь период проведения черноморских
экспериментов получены для района в западной части континентального
склона, границы которого показаны на рис. 4. В этом контексте становится
очевидной эффективность использования термодрифтеров в современных
условиях. Относительная устойчивость крупномасштабной циркуляции по-
верхностных вод Черного моря, с одной стороны, и свойства термодрифтера
как квазилагранжевого долговременного автономного средства контактного
мониторинга, с другой, позволяют прогнозировать «доставку» дрифтеров в
различные районы Черного моря естественным путем. Таким образом уда-
лось, например, осуществить долговременные наблюдения за Батумским ан-
тициклоном дрифтерами, развернутыми вдоль трассы Севастополь – Стам-
бул. При планировании экспериментов повысить эффективность целевых
термодрифтерных исследований позволяет привлечение данных, получаемых
дистанционными методами.
Некоторые результаты анализа сезонной изменчивости вертикаль-
ного распределения температуры по термодрифтерным данным. Рас-
сматриваемые ниже результаты многолетних термодрифтерных эксперимен-
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2014, № 5 14
тов могут быть условно отнесены к двум блокам. Первый содержит анализ
сезонной изменчивости вертикального распределения температуры по термо-
дрифтерным данным, полученным в границах полигона, показанного на
рис. 4; второй – анализ результатов термопрофилирования, полученных в ус-
ловиях циркуляции поверхностных вод в синоптическом и мезомасштабном
интервалах изменчивости. Наибольшая сезонная изменчивость температуры
Черного моря, как показано, например, в работах [5 – 7], наблюдается на глу-
бинах от 0 до 75 м, т. е. в слое, на исследование которого ориентированы
термодрифтеры.
Границы полигона выбраны по следующим соображениям.
Во-первых, для этого района характерна наиболее высокая плотность
траекторий термодрифтеров, что в определенной степени связано с указан-
ными выше обстоятельствами. Общая продолжительность наблюдений в
этом регионе к 2014 г. составила более 35000 ч. Это позволило получить ста-
тистически обеспеченные оценки среднего за период наблюдений сезонного
хода вертикального распределения температуры верхнего слоя моря, харак-
теристик таких основных элементов вертикальной структуры, как верхний
квазиперемешанный слой (ВКС), сезонный термоклин (СТК) и холодный
промежуточный слой (ХПС). Наиболее представительные данные получены с
апреля по ноябрь 2004 – 2014 гг., т. е. в периоды формирования СТК и ослаб-
ления термической стратификации.
Во-вторых, в этом регионе, как показано, например, в работе [8], ОЧТ
наиболее устойчиво, что позволяет распространить полученные оценки на
характеристики межгодовой изменчивости вертикальной термической струк-
туры верхнего слоя Черного моря в районе западной части континентального
склона.
Следует заметить, что из-за особенностей конструкции термодрифтеров
фиксированными по глубине являются только верхние горизонты измерений
температуры: 0; 12,5 и 17,5 м для дрифтеров типа SVP-BTC60 и 0; 10; 12,5 и
15 м для дрифтеров типа SVP-BTC80. Глубины расположения датчиков тем-
пературы, размещенных ниже, зависят от условий дрейфа и оценивались по
методу, основанному на известных результатах решения задачи о поведении
однородной нерастяжимой нити в установившемся потоке [9]. Алгоритм оце-
нивания выполнен в соответствии с процедурой восстановления геометрии
термолинии с известными гидродинамическими параметрами по результатам
измерения глубины расположения ее нижнего конца. Метод технически реа-
лизован путем установки датчика гидростатического давления на нижнем
конце термолинии, конструктивно совмещенного с балластом. Геометрия
термолинии оценивалась при следующих предположениях: первое – скорость
и направление потока и плотность воды постоянны по глубине; второе – точ-
ка верхнего крепления термолинии не изменяет своего положения в верти-
кальной плоскости. Результаты воздействия на термолинию сил, возникаю-
щих при дрейфе буя, и, как следствие, изменчивость ее геометрии моделиро-
вались с привлечением метода конечных элементов [10].
После внесения поправок на горизонты измерений для последующего
анализа принимались результаты измерения каждого профиля, интерполиро-
ванные по глубине с шагом 1 м.
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2014, № 5 15
Р и с. 5. Совокупность вертикальных профилей температуры воды для августа (а) и среднеме-
сячные вертикальные профили температуры (б) по данным термодрифтерных измерений в
2004 – 2009 гг. на полигоне в районе западной части континентального склона Черного моря
(римскими цифрами указаны месяцы)
Для получения оценок сезонных среднемесячных профилей первичные
данные всех термодрифтеров на участках траекторий, принадлежащих ука-
занному полигону, были сгруппированы по месяцам. На рис. 5, а показаны
совокупные первичные результаты измерений для августа по данным термо-
дрифтера SVP-BTC80. В качестве ежемесячных оценок температуры на каж-
дом горизонте принимались медианные значения интерполированных на глу-
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2014, № 5 16
бину 1 м значений температуры. Рассчитанные таким образом среднемесяч-
ные вертикальные профили температуры на рассматриваемом полигоне пока-
заны на рис. 5, б. Различие в значениях наибольших глубин профилирования
объясняется различием в длинах термолиний дрифтеров SVP-BTC60 и SVP-
BTC80, по данным которых восстановлены профили.
Сопоставление полученных результатов с аналогичными профилями,
приведенными в монографии [5], позволяет сделать следующие выводы.
Трансформация среднемесячных вертикальных профилей температуры,
восстановленных по данным термодрифтеров, в целом не противоречит пред-
ставлениям о сезонной эволюции термических процессов в верхнем слое
Черного моря. Для всех профилей, кроме августовских, среднемесячные зна-
чения температуры поверхности моря различаются не более чем на 0,5°С.
Для августа температура по дрифтерным измерениям превышает температу-
ру поверхности по данным работы [5] почти на 2°С. Среднемесячные профи-
ли температуры, построенные по дрифтерным данным (рис. 5, б), отличаются
большей глубиной нижней границы ВКС (графики VIII – XI), более низкими
минимальными температурами (графики VII – IX) и более высокими гради-
ентами температур в термоклине.
К наиболее значимым относятся те результаты черноморских экспери-
ментов, которые были получены благодаря возможностям термодрифтеров
обеспечивать регулярные долговременные автономные наблюдения с часо-
вым разрешением. С этой точки зрения на сегодняшний день в системе на-
блюдений верхнего слоя открытого моря прямыми методами практически не
существует альтернативы термодрифтерной технологии. Даже при наличии
научно-исследовательских судов организация непрерывного долговременно-
го мониторинга представляется весьма сложным и затратным предприятием.
Конечно, информационно-измерительные возможности термодрифтеров не
позволяют решить весь комплекс задач мониторинга верхнего слоя моря, но,
как показали результаты черноморских экспериментов, применение этих
средств открывает исследователю доступ к уникальным по своей статистиче-
ской значимости данным, получение которых иными способами невозможно.
Термодрифтеры дают возможность независимо от погодных условий выпол-
нять непрерывные долговременные наблюдения термических процессов с
дискретностью в несколько минут, обеспечивая при этом оперативный дос-
туп к результатам. На рис. 6 показаны обобщенные временные ряды данных
измерений с учетом поправок на положения датчиков по глубине. Данные
получены в черноморских экспериментах 2004 – 2005 гг. в условиях форми-
рования СТК и ослабления термической стратификации. Реальная изменчи-
вость вертикального распределения температуры такова, что достоверное
восстановление ее с помощью современных средств наблюдений в открытых
районах моря без привлечения термодрифтерной технологии практически
невозможно. Так, например, в монографии [6] – одной из наиболее значимых
работ по океанографии Черного моря – характеристики мезомасштабной и
синоптической изменчивости термической структуры верхнего слоя моря
оцениваются на основании наблюдений на многосуточных (от 5 до 20 сут)
автономных буйковых и гидрологических станциях. Там же приведены све-
дения о пространственно-временном расположении этих станций, из кото-
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2014, № 5 17
рых, и это отмечается авторами монографии, следует низкая статистическая
обеспеченность результатов восстановления вертикальной термической
структуры вод.
Р и с. 6. Обобщенные временные ряды результатов измерений температуры с учетом попра-
вок на положение датчиков по глубине по данным термодрифтеров № 49169 (август – декабрь)
и № 34860 (январь – апрель)
В статье [11], одной из современных работ, посвященных термодинамике
верхнего слоя Черного моря, предложена альтернативная традиционной кон-
цепции версия структуры деятельного слоя. Фактический материал, на кото-
ром основана эта версия, представляет собой результаты измерений верти-
кального распределения температуры с помощью зонда Sea Bird на 100-миль-
ном разрезе в восточной части моря. В течение полутора лет на разрезе было
выполнено 10 съемок. То есть приводимые в статье характеристики элемен-
тов термической модификации деятельного слоя рассчитаны по результатам
краткосрочных наблюдений, что, принимая во внимание возможную темпе-
ратурную изменчивость (см., например, рис. 6), может приводить к статисти-
чески необоснованным выводам. Мониторинг термодинамики верхнего слоя
моря с помощью термодрифтеров позволяет в значительной степени преодо-
леть указанные недостатки в обеспеченности исследований Черного моря
систематическими результатами контактных наблюдений.
На рис. 7 показаны графики средних ежемесячных вертикальных профи-
лей флуктуаций и градиентов температуры, зарегистрированных на рассмат-
риваемом полигоне. Исходными для расчетов этих характеристик были еже-
часные профили температуры. Горизонты измерений корректировались со-
гласно рассмотренному выше методу оценивания вертикальных смещений
горизонтов расположения датчиков температуры по глубине нижнего конца
термолинии. Результаты измерения температуры на исправленных таким
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2014, № 5 18
Р и с. 7. Графики вертикальных профилей ежемесячных средних флуктуаций температуры σT,
средних (dT/dH)aver и экстремальных (dT/dH)extr градиентов температуры, зарегистрированных
на рассматриваемом полигоне (римскими цифрами указаны месяцы)
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2014, № 5 19
образом горизонтах для каждого ежечасного профиля линейно интерполи-
ровались на глубину с шагом 1 м. По совокупным ежемесячным интерполи-
рованным данным для каждого горизонта оценивались средние квадратиче-
ские отклонения (СКО) температуры, распределения которых по глубине
принимались в качестве средних ежемесячных вертикальных профилей
флуктуаций. Профили ежемесячных градиентов температуры рассчитывались
по осредненным за соответствующий месяц ежечасным отсчетам температу-
ры, интерполированным на глубину с шагом 1 м.
Наибольшие по абсолютному значению средние ежемесячные верти-
кальные градиенты температуры сосредоточены в весенне-летний период на
глубине около 20 м. С августа максимум градиента начинает заглубляться и к
ноябрю глубина его расположения увеличивается до 32 м. Наибольшее сред-
немесячное значение градиента наблюдалось в августе на глубине 23 м и со-
ставило –2,81°C/м. В этом же месяце были зарегистрированы наименьшая
протяженность СТК по глубине (ширина слоя СТК по сравнению с июлем
уменьшилась более чем в 3 раза, главным образом за счет заглубления ниж-
ней границы ВКС) и абсолютный минимум флуктуаций в СТК в летне-осен-
ний период (СКО = 1,62°C).
В апреле, мае и июне в вертикальной структуре градиента, кроме его
максимума в СТК на глубинах 20 – 22 м, прослеживается устойчивый по глу-
бине (46 м) и значению (–0,05°C/м) максимум в ХПС. Эти результаты отли-
чаются от оценок сезонных эволюций характеристик ХПС, приведенных в
диссертации [11], где, в частности, сказано, что «сезонный цикл выражается в
… последовательном опускании ядра ХПС с глубин 20 – 30 м в марте – апре-
ле до 70 – 80 м в декабре …». Различия подтверждаются и последующими
результатами дрифтерных наблюдений. Хотя проследить характеристики
ХПС по вертикальной структуре градиента в этот период времени из-за ма-
лых различий температур верхнего слоя ХПС и нижней границей СТК слож-
но, эволюция структуры ХПС хорошо видна на графиках изотерм на рис. 8.
Изотермы построены по данным термодрифтера № 56093, полученным с 4
июля по 23 августа 2006 г. В этот период толщина слоя, ограниченного свер-
ху и снизу изотермой 8,0°С, уменьшилась с 50 до 40 м, главным образом за
счет заглубления верхней его границы. Обращает на себя внимание резко не-
однородный характер поведения верхней изотермы 6,8°С, глубина которой в
начале третьей декады июля изменялась со скоростью приблизительно
0,3 м/ч, что могло быть связано с резким прогревом в этот период поверхно-
сти моря, температура которой за неделю увеличилась на 2,5°С. К концу ию-
ля ширина ядра ХПС по этой изотерме уменьшилась с 30 до 10 м и впослед-
ствии до конца наблюдений менялась незначительно. Минимальное значение
температуры в ядре ХПС было зафиксировано 9 июля на глубине 50 м и со-
ставило 6,6°С.
С меньшей определенностью полученные данные позволяют оценить ха-
рактеристики других элементов вертикальной термической структуры. При-
чины этого две. Первая связана с конструктивными особенностями термо-
дрифтера и состоит в том, что количество горизонтов расположения датчиков
температуры не достаточно для восстановления изменчивости температуры в
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2014, № 5 20
пограничных слоях. В частности, это затрудняет получение статистически
значимых оценок нижней границы ВКС. Вторая причина обусловлена тем,
что вследствие естественной изменчивости вертикального распределения
температуры в ряде случаев границы слоев определить оказалось вообще не-
возможно, во всяком случае в рамках традиционных представлений. Тем не
менее анализ показанных на рис. 8 графиков позволяет обнаружить в сезон-
ной эволюции ВКС некоторые отличия от результатов, опубликованных, на-
пример, в монографиях [5, 6]. Эти отличия касаются главным образом измен-
чивости толщины ВКС в период формирования СТК. Оценки толщины ВКС,
рассчитанные по термодрифтерным данным, на качественном уровне совпа-
дают с данными работ [5, 6] только для апреля, когда она уменьшается почти
до нуля. В последующем до августа, как показано в [6], «толщина ВКС слабо
растет или остается приблизительно на одном уровне, не превышая 10 м». По
данным термодрифтеров (см. рис. 5, б и рис. 7) близкий к нулю градиент тем-
пературы в приповерхностном слое наблюдается только начиная с августа:
около –0,015°C/м в слое толщиной 10 м. До августа средние вертикальные
градиенты температуры в приповерхностном слое составляли –0,1°C/м в мае
и июне; –0,04°C/м в июле. С июля в этом слое наблюдается снижение СКО
температуры до 1°C.
Р и с. 8. Термическая структура ХПС (по данным термопрофилирующего дрифтера № 56093
с 4 июля по 23 августа 2006 г.)
Несмотря на то, что в термолинии последующих модификаций термо-
дрифтера SVP-BTC80 был добавлен датчик температуры на горизонте 10 м,
очевидно, что для более детального исследования ВКС необходимо проведе-
ние измерений с более высоким пространственным разрешением профиля
температуры приповерхностного слоя. Здесь следует отметить, что задача
увеличения количества горизонтов в слое между подводным парусом и по-
плавком к настоящему времени не нашла приемлемого технического реше-
ния. С одной стороны, используемый в термодрифтере «однопроводный» ин-
терфейс позволяет достаточно просто увеличить количество горизонтов из-
мерения температуры; с другой, – конструктивные особенности термодриф-
тера затрудняют практическую реализацию этой задачи. Последнее обстоя-
тельство связано с тем, что участок линии, связывающий поплавок с парусом,
является грузонесущим. В термодрифтере этот участок реализован на основе
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2014, № 5 21
каротажного кабеля типа КГ-1. Интегрирование в него датчиков температуры
приведет к существенному увеличению диаметра кабеля и, следовательно, к
неизбежному ухудшению свойств термодрифтера как трассировщика по-
верхностных течений.
К числу наиболее значимых результатов термодрифтерного мониторинга
относятся результаты исследования относительно мелкомасштабных неодно-
родностей вертикального распределения температуры. Локальная мезомас-
штабная изменчивость термических процессов в верхнем слое открытых рай-
онов моря изучена гораздо меньше, чем крупномасштабные их свойства.
Возможности термодрифтеров осуществлять долговременные систематиче-
ские наблюдения с малым интервалом времени между измерениями наряду
со статистически значимыми оценками средних характеристик распределе-
ния температуры позволили зарегистрировать и относительно краткосрочные
термические процессы, наблюдение которых иными способами возможно
только в результате случайного стечения обстоятельств. Анализ долговре-
менных рядов систематических дрифтерных данных позволяет, в частности,
обнаружить относительно краткосрочные аномалии высокочастотной измен-
чивости, информация о существовании и эволюции которых может значи-
тельно расширить и уточнить представления о термических процессах в
верхнем слое моря. Примерами таких наблюдений могут служить профили
градиентов температуры, в которых были зафиксированы экстремальные в
пределах каждого месяца значения градиентов ((dT/dH)extr на рис. 7). Экстре-
мальные флуктуации градиентов, превышающие их среднемесячные оценки в
несколько раз, в весенне-летний период располагались на границе раздела
ВКС и СТК, а в период ослабления термической стратификации наблюдались
в нижней части ВКС. Так, в октябре и ноябре абсолютные максимумы гради-
ентов были зарегистрированы на глубинах 20 и 22 м, при этом наибольшие
среднемесячные флуктуации температуры были сосредоточены на 30 и 33 м
соответственно. Таким образом, очевидны существенные различия в оценках
сезонной и мезомасштабной изменчивости вертикального распределения
температуры, игнорирование которых в процессе ассимиляции данных в про-
гностических моделях может приводить к снижению эффективности морских
оперативных прогнозов.
Анализ результатов термопрофилирования в синоптическом и мезо-
масштабном диапазонах циркуляции поверхностных вод. Объединение
свойств термопрофилемера и квазилагранжевого носителя в термодрифтере
позволяет рассматривать его как принципиально новое средство исследова-
ния изменчивости термических процессов в условиях циркуляции поверхно-
стных вод в широком диапазоне пространственно-временных масштабов. Ре-
зультаты совместного анализа изменчивости циркуляции поверхностных вод
и их термической структуры к настоящему времени представлены слабо, что
отмечается, в частности, в статье [12]. В той же статье опубликованы резуль-
таты исследования взаимосвязи между сезонной изменчивостью полей тем-
пературы поверхности моря и геострофических скоростей. Первичными дан-
ными для анализа служили массивы гидрологических данных океанографи-
ческих банков МГИ НАН Украины и Севастопольского отделения ФГБУ
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2014, № 5 22
«Государственный океанографический институт им. Н.Н. Зубова», а также
масссивы спутниковых наблюдений температуры поверхности моря за
1986 – 2002 гг. Массивы данных интерполировались на узлы регулярной
сетки 18 × 18 км. Понятно, что пространственная и временная дискретности
исходной информации ограничивали возможности авторов установлением
взаимосвязей только температуры поверхности моря с циркуляцией по-
верхностных вод в диапазоне сезонной изменчивости. В отличие от этого
термодрифтерный мониторинг обеспечивает исследования долговременны-
ми рядами систематических комплексных измерений параметров верхнего
слоя моря, а характеристики измерений позволяют получать статистически
значимые оценки процессов и их взаимосвязей в широком диапазоне про-
странственно-временных масштабов.
Ниже рассмотрены некоторые результаты взаимного статистического ана-
лиза движения поверхностных вод и термических процессов в верхнем слое
Черного моря, полученные по данным термопрофилирующих дрифтеров. Ана-
лиз был направлен на выявление статистических взаимосвязей между флук-
туациями температуры в верхнем слое моря и составляющими вектора скоро-
сти течения в условиях синоптической и мезомасштабной циркуляций поверх-
ностных вод. Временные ряды скорости рассчитывались по данным траектор-
ных измерений дрифтеров, которые, при необходимости, подвергались предва-
рительной обработке в соответствии с методикой, приведенной в статье [13]. В
качестве временных рядов температуры принимались исправленные по глуби-
не и интерполированные на номинальные горизонты профили температуры.
Синоптическая изменчивость. Наиболее представительные данные, ка-
сающиеся синоптической изменчивости, были получены во время дрейфа
термодрифтера SVP-BTC60 (Argos-2) № 49169. На протяжении 104 сут с
23 августа по 4 декабря 2004 г. траектория дрифтера, как можно видеть на
рис. 9, а, определялась антициклоническим вихрем, двигавшимся с северо-
востока на юго-запад в границах полигона, показанного на рис. 4. За этот пе-
риод было выполнено более 2000 измерений профилей температуры верхнего
слоя моря. Среднее значение интервала времени между измерениями соста-
вило 1,2 ч. Траектория дрифтера восстанавливалась по координатам, изме-
ренным по доплеровскому методу, реализованному в системе Argos. Среднее
время между последовательными локализациями составило 3 ч; средний
класс локализаций – 2, что соответствует радиусу ошибок 350 м. С учетом
таких параметров траекторных измерений предварительная подготовка дан-
ных заключалась в простой линейной интерполяции результатов измерений
координат. Необходимо сделать пояснения относительно результатов восста-
новления реальных горизонтов измерений температуры. На некоторых участ-
ках траектории дрейф буя сопровождался значительными отклонениями тер-
молинии от вертикали, что приводило к частичной потере данных о темпера-
туре на нижних горизонтах. Поэтому для последующего анализа привлека-
лись результаты термопрофилирования до глубины 55 м. Скорректированные
по глубине результаты измерений температуры линейно интерполировались
на горизонты от 0 до 55 м с интервалом 5 м.
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2014, № 5 23
Р и с. 9. Фрагмент траектории термодрифтера SVP-BTC60 (Argos-2) № 49169 (а), а также вре-
менные ряды вектора скорости дрейфа (б), профилей температуры (в), зональной составляю-
щей скорости (г) и температур на горизонтах 20 м (д) и 40 м (е) в синоптическом антицикло-
ническом вихре (индексом «f» обозначены временные ряды после фильтрации – линии черного
цвета)
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2014, № 5 24
Составляющие скорости дрейфа рассчитывались по интерполированным
координатам. Графики вектора скорости и исправленных профилей темпера-
туры показаны на рис. 9, б, в. Поскольку, как видно из векторной диаграммы,
движение дрифтера наряду с переносом синоптическим вихрем в значитель-
ной степени определялось относительно высокочастотными мезомасштаб-
ными флуктуациями скорости течения, для выделения синоптических компо-
нентов временные ряды температур и составляющих скорости подвергались
фильтрации. В качестве фильтра использовался полосовой фильтр Баттервор-
та с частотами среза 0,05 и 0,33 цикл/сут. Фильтрация выполнялась с помо-
щью реализованной в среде MATLAB функции filtfilt, позволяющей путем
двунаправленной обработки сигнала компенсировать фазовый сдвиг, вноси-
мый при обычной фильтрации, т. е. без добавления временной задержки в
результат фильтрации. На рис. 9 показаны результаты такой фильтрации для
зональной составляющей скорости (г) и температур на горизонтах 20 м (д) и
40 м (е). Горизонты выбраны из тех соображений, что эволюции температур
на этих глубинах наиболее полно отражают изменчивость термических про-
цессов в верхнем и нижнем слоях профилирования.
В эволюциях скорости и температуры отчетливо различимы два участка,
граница между которыми обусловлена резким выхолаживанием верхнего
слоя после 12 октября. На рис. 9, в это хорошо видно по заглублению ВКС до
30 – 35 м, а на графиках рис. 9, г, д, е – по резкому изменению характера
флуктуаций как составляющей скорости, так и температур на горизонтах 20 и
40 м. Визуально различимые особенности поведения измеряемых параметров
на этих двух участках подтверждаются статистическими оценками, значи-
мость которых обеспечивается продолжительностью наблюдений: каждый
массив данных включает в себя приблизительно 1200 наблюдений с часовым
разрешением.
Частотная структура флуктуаций скорости и температуры оценивалась
по спектральным плотностям мощности (СПМ), которые рассчитывались по
методу усреднения модифицированных периодограмм, или методу Уэлча.
Исходный временной ряд данных разбивался на перекрывающиеся сегменты,
и данные каждого полученного сегмента умножались на оконную функцию
Парзена. Для взвешенных таким образом сегментов вычислялись модифици-
рованные периодограммы. Полученная оценка СПМ представляет собой ре-
зультат усреднения периодограмм всех сегментов. Такой метод обеспечивает
получение гладких и статистически устойчивых оценок по конечному ряду
данных. Оценивание СПМ выполнялось по программе, реализованной в сре-
де MATLAB, с помощью функции pwelch.
В СПМ всех рассматриваемых процессов на обоих участках статистиче-
ски значимые максимумы наблюдаются на периоде 14,2 сут. В то же время на
первом участке в СПМ флуктуаций температуры на горизонте 40 м и компо-
нент скорости имеется локальный максимум на периоде 8,5 сут. Возможные
объяснения полученным оценкам СПМ можно найти в статье [14].
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2014, № 5 25
Результаты сопоставления изменчивости глубины СТК с флуктуациями
компонент скорости дрейфа обнаруживают наличие когерентной связи между
этими процессами также на периоде 14,2 сут. Связь между этими процессами
во временной области можно видеть на графике функции взаимной корреля-
ции флуктуаций глубины термоклина и зональной компоненты скорости, по-
казанного на рис. 10. Амплитудное значение функции составляет 0,63 при
отрицательном сдвиге в 8 ч флуктуаций компоненты скорости относительно
флуктуаций глубины, т. е. СТК заглубляется при движении дрифтера пре-
имущественно в южном направлении.
Р и с. 10. Функция взаимной корреляции флуктуаций глубины СТК и зональной компоненты
скорости дрейфа
Мезомасштабная изменчивость. Информация, получаемая с помощью
термопрофилирующих дрифтеров, дает возможность распространить резуль-
таты исследования взаимных связей термических процессов с циркуляцией
поверхностных вод на область мезомасштабной изменчивости. Временные
ряды термодрифтерных данных с дискретностью 1 ч, а в некоторых экспери-
ментах – 30 мин, обеспечивают статистически значимые оценки таких взаи-
мосвязей в условиях инерционных и полусуточных колебаний.
В границах указанного выше полигона (рис. 4) почти все траектории
дрифтеров воспроизводят колебания на частотах, близких к инерционным.
Здесь мы рассмотрим некоторые результаты, полученные по данным термо-
дрифтера SVP-BTC80 (Argos-2) № 56093, дрейфовавшего в центральной части
западного циклонического круговорота с 3 июля по 27 сентября 2006 г. Тра-
ектория дрифтера, более подробно показанная на рис. 11, а, в этот период
была ограничена площадью 122 км по долготе и 56 км по широте и определя-
лась практически непрерывными инерционными колебаниями на фоне анти-
циклонической и циклонической циркуляций.
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2014, № 5 26
Р и с. 11. Траектория термодрифтера SVP-BTC80 (Argos-2) № 56093 (а), а также временные
ряды вектора скорости дрейфа (б) и профилей температуры (в) на участке траектории с 3 по
14 июля 2006 г. (цифрами на графике (в) отмечены изотермы 7 и 8°С)
За время дрейфа было выполнено около 2000 измерений профилей тем-
пературы и координат дрифтера. Данные о температуре поступали с номи-
нальной дискретностью отсчетов 1 ч. Координаты дрифтера измерялись по
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2014, № 5 27
доплеровскому методу системы спутниковой связи Argos. Среднее значение
периода локализаций составило 1,5 ч; средний класс локализаций – 2 (радиус
ошибок 350 м). Такие погрешности позиционирования позволяют, как было
показано выше, получать статистически значимые оценки характеристик
циркуляции поверхностных вод в синоптическом диапазоне изменчивости,
но приводят к значительным погрешностям результатов восстановления по
траектории дрифтера колебаний мезомасштабного диапазона. В связи с этим
временные ряды координат дрифтера подвергались предварительной интер-
поляции в соответствии с методом, описание которого приведено в статье
[13]. По полученным таким образом рядам координат оценивались состав-
ляющие скорости дрейфа, которые интерполировались на временную шкалу
отсчетов профилей температуры.
Поскольку в данном случае интерес представляют взаимосвязи термиче-
ских процессов с циркуляцией поверхностных вод в области инерционных
колебаний, последующему статистическому анализу подвергались фильтро-
ванные временные ряды температур и составляющих скорости. В качестве
фильтра использовался полосовой фильтр Баттерворта с частотами среза
0,85fi и 1,15fi, где fi – частота инерционных колебаний, номинальное значе-
ние которой на рассматриваемом участке дрейфа составляет приблизительно
1/17,5 цикл/ч.
Ниже приведены результаты анализа данных дрифтера № 56093, полу-
ченных на участке дрейфа c 3 по 14 июля 2006 г. (рис. 11, а). На рис. 11, б
показана диаграмма вектора скорости дрейфа, рассчитанная по траектории
дрейфа на этом участке. Как видно из графиков на рис. 11, в, на фоне колеба-
ний вблизи инерционной частоты наблюдались практически все основные
элементы вертикальной термической структуры верхнего слоя: ВКС глуби-
ной от 10 до 12 м; СТК с максимумом вертикального градиента на средней
глубине 15 м; слой подповерхностного минимума температур, характеристи-
ки которого были рассмотрены выше (см. пояснения к рис. 8).
По данным термодрифтера № 56093 в пространственно-временных мас-
штабах, соизмеримых с инерционными, оценивались: взаимные корреляци-
онные функции флуктуаций температур на фиксированных горизонтах слоя
профилирования и составляющих скорости дрейфа; взаимные корреляцион-
ные функции флуктуаций глубин изотерм и составляющих скорости дрейфа;
СПМ флуктуаций температур на фиксированных горизонтах слоя профили-
рования и составляющих скорости дрейфа.
Основные результаты статистического анализа во временной области со-
стоят в следующем:
1) наибольшее значение коэффициента взаимной корреляции между со-
ставляющими скорости на сдвиге, приблизительно равном четверти периода
инерционных колебаний Ti, равно 0,87;
2) в распределении по глубине амплитуд взаимных корреляционных
функций флуктуаций температур и зональной составляющей скорости, как
можно видеть на рис. 12, а, отчетливо различимы слои со значимыми корре-
ляциями: в верхнем слое, расположенном приблизительно между нижней
границей ВКС и средней глубиной СТК, амплитуды функций взаимных кор-
реляций составляют 0,67 – 0,70, а флуктуации температуры запаздывают от-
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2014, № 5 28
носительно флуктуаций зональной составляющей скорости на 6 ч; в нижнем,
расположенном глубже 45 м, амплитуды составляют 0,33 – 0,52, а флуктуа-
ции температуры сдвинуты относительно флуктуаций зональной составляю-
щей скорости на 3 – 6 ч в сторону опережения. На рис. 11, в видно, что гра-
ничным между этими двумя слоями является ХПС, в пределах которого
взаимосвязь флуктуаций скорости и температуры мала, а на глубине ядра
ХПС практически отсутствует;
Р и с. 12. Распределение по глубине амплитудных значений функций взаимных корреляций
флуктуаций температур и зональной составляющей скорости и профиль средних значений
температуры T(H)mean (а), а также функции взаимных корреляций флуктуаций глубин изотерм
и зональной составляющей скорости (б) по данным термодрифтера SVP-BTC80 (Argos-2)
№ 56093 (индексами «up» и «down» обозначены изотермы 7,6°С выше и ниже ядра ХПС)
3) свойства ХПС как пограничного слоя проявляются также и в поведе-
нии функций взаимных корреляций флуктуаций глубин изотерм и состав-
ляющих скорости, графики которых показаны на рис. 12, б. Фазы флуктуаций
глубин всех изотерм, расположенных выше ХПС и на его верхней границе,
постоянны и сдвинуты относительно флуктуаций зональной составляющей
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2014, № 5 29
скорости на 3 ч в сторону опережения. С увеличением глубины наблюдается
незначительное снижение амплитуд взаимных корреляций при увеличении
сдвига до 6 ч для функции взаимной корреляции флуктуаций глубины «ниж-
ней» изотермы 7,6°С и составляющей скорости.
СПМ рассчитывались так же, как при анализе синоптической изменчиво-
сти. Доверительные интервалы оценок с вероятностью 0,95% лежат в грани-
цах (0,5 – 2,6) СПМ. Из графиков, показанных на рис. 13, видно, что наклоны
СПМ как для составляющей скорости, так и для температур на всех горизон-
тах на частотах выше инерционной пропорциональны f –2. Максимумы энер-
гий колебаний зональной и меридиональной составляющих скорости сосре-
доточены на периодах 17,1 и 16,6 ч соответственно, что несколько меньше
периода инерционных колебаний Ti, среднее значение которого на этом уча-
стке дрейфа составляет 17,5 ч.
Р и с. 13. СПМ флуктуаций зональной составляющей скорости дрейфа u и температур на го-
ризонтах от 10 до 60 м (а) по данным термодрифтера SVP-BTC80 (Argos-2) № 56093, а также
профиль средних значений температур и распределение по глубине периодов колебаний, соот-
ветствующих максимумам СПМ, по тем же данным (б); рядом с метками указаны значения
отношения «период / максимум СПМ» (вертикальные штриховые линии соответствуют часто-
те fi (а) и периоду Ti (б) инерционных колебаний на средней широте дрейфа)
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2014, № 5 30
В распределении СПМ температур обращает на себя внимание устойчи-
вое значение периодов максимумов энергии на горизонтах от 15 до 30 м.
Наибольшие значения СПМ в этом слое наблюдались на периоде, равном пе-
риоду максимума СПМ зональной составляющей скорости, – 17,1 ч. При
этом энергия колебаний спадала с глубиной от 336,33 до 0,23 (°С)2/(цикл/ч)
практически по экспоненте. Такой же период колебаний температуры наблю-
дался под нижней границей ХПС на глубине 60 м. На средней глубине ядра
ХПС (40 м) был зафиксирован локальный минимум энергии колебаний тем-
пературы 0,01 (°С)2/(цикл/ч).
По результатам выполненного анализа можно сделать следующие выводы:
1) анализируемые массивы термодрифтерных данных по своей продол-
жительности и дискретности измерений координат и температур позволяют
получать статистически значимые оценки процессов, частоты которых сопос-
тавимы с частотами инерционных колебаний;
2) значимая взаимосвязь между флуктуациями температур и составляю-
щих скорости дрейфа наблюдалась в слое СТК и ниже ХПС. При наличии
отчетливо выраженного ХПС фазы функций взаимных корреляций на глуби-
нах выше и ниже слоя различны;
3) периоды энергетически значимых колебаний составляющих скорости
течений смещены относительно инерционных в сторону увеличения;
4) в пределах ВКС преобладают более низкочастотные колебания темпе-
ратуры с близкими к суточным периодами энергетических максимумов;
5) ниже границы раздела ВКС и СТК преобладающими являются колеба-
ния температуры с периодами, меньшими инерционных. Среднее значение
смещения составило –0,9 ч;
6) наибольшая энергия колебаний температуры сосредоточена на глубине
СТК. По данным дрифтера № 56093 частота максимума СПМ на глубине тер-
моклина совпадает с частотой колебаний зональной составляющей скорости;
7) наименьшая амплитуда СПМ колебаний температуры наблюдалась на
глубине ядра ХПС, а уменьшение амплитуд максимумов СПМ с глубиной
близко к экспоненциальному.
Полученные оценки следует рассматривать как предварительные, отра-
жающие в большей степени возможности термопрофилирующих дрифтеров
как новых средств мониторинга в составе глобальной системы наблюдений
океана. Предложенная методика подготовки и обработки первичной термо-
дрифтерной информации направлена главным образом на повышение досто-
верности результатов измерений траекторий дрифтеров и профилей темпера-
туры и должна рассматриваться как составляющая комплексного специаль-
ного методологического и математического подхода к анализу синоптиче-
ских и мезомасштабных процессов в верхнем слое океана.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Толстошеев А.П., Лунев Е.Г., Коротаев Г.К. и др. Термопрофилирующий дрейфующий
буй // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное ис-
пользование ресурсов шельфа. – Севастополь: МГИ НАН Украины, 2004. – Вып. 11. –
С. 143 – 154.
2. Лунев Е.Г., Толстошеев А.П., Мотыжев С.В. Особенности информационного обеспе-
чения термопрофилирующих дрейфующих буев // Там же. – Севастополь: МГИ НАН
Украины, 2004. – Вып. 11. – С. 132 – 142.
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2014, № 5 31
3. Толстошеев А.П., Лунев Е.Г., Мотыжев С.В. Исследование верхнего слоя Черного мо-
ря с помощью термопрофилирующих дрейфующих буев // Там же. – Севастополь: МГИ
НАН Украины, 2008. – Вып. 16. – С. 116 – 123.
4. Толстошеев А.П. Использование термопрофилирующих дрейфующих буев для изуче-
ния верхнего слоя Черного моря // Там же. – Севастополь: МГИ НАН Украины, 2011. –
Вып. 24. – С. 273 – 278.
5. Иванов В.А., Белокопытов В.Н. Океанография Черного моря. – Севастополь: МГИ НАН
Украины, 2011. – 209 с.
6. Блатов А.С., Булгаков Н.П., Иванов В.А. Изменчивость гидрофизических полей Черно-
го моря. – Л.: Гидрометеоиздат, 1984. – 239 с.
7. Белокопытов В.Н. Термохалинная и гидролого-акустическая структура вод Черного
моря: Дис. ... канд. геогр. наук. – Севастополь: МГИ НАН Украины, 2004. – 160 с.
8. Stanev E.V. Understanding Black Sea dynamics // Oceanography. – 2005. – 18, № 2. – P. 56 – 75.
9. Меркин Д.Р. Введение в механику гибкой нити. – М.: Наука, 1980. – 240 с.
10. Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы. – М.: Мир, 1984. – 428 с.
11. Прокопов О.И. Внутригодичная изменчивость структуры вод в поле градиентов темпера-
туры (северо-восточная часть моря) // Комплексные исследования северо-восточной час-
ти Черного моря / Под ред. А.Г. Зацепина, М.В. Флинта. – М.: Наука, 2002. – С. 40 – 47.
12. Артамонов Ю.В., Белокопытов В.Н., Бабий М.В. и др. Особенности сезонной изменчи-
вости температуры поверхности и циркуляции вод Черного моря // Тр. ЮгНИРО. –
Керчь: ЮгНИРО, 2008. – 46. – С. 102 – 109.
13. Толстошеев А.П. Метод восстановления траекторий дрейфующих буев // Экологиче-
ская безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресур-
сов шельфа. – Севастополь: МГИ НАН Украины, 2007. – Вып. 15. – С. 392 – 396.
14. Журбас В.М., Зацепин А.Г., Пулейн П.-М. Статистический анализ скорости течений в
Черном море по дрифтерным данным // Комплексные исследования северо-восточной
части Черного моря / Под ред. А.Г. Зацепина, М.В. Флинта. – М.: Наука, 2002. –
С. 105 – 118.
Морской гидрофизический институт НАН Украины, Материал поступил
Севастополь в редакцию 06.02.14
Е-mail: marlin@marlin-yug.com После доработки 12.03.14
АНОТАЦІЯ У статті розглянуто результати десятирічного застосування термопрофілюючих
дрифтерів як сегменту глобальної системи спостережень Світового океану. Представлені
принципи побудови та особливості застосування термодрифтерів. Наведено відомості про
дрифтерні експерименти в Чорному морі та інших регіонах Світового океану, розглянуто ме-
тоди обробки даних моніторингу. Результати експериментів дозволили отримати статистично
значні кореляційні та спектральні оцінки флуктуацій полів температури верхнього шару моря
та їх зв'язків з флуктуаціями циркуляції поверхневих вод у синоптичному і мезомасштабному
діапазонах просторово-часової мінливості.
Ключові слова: термічна структура, термопрофілюючий дрифтер, інерційні рухи.
ABSTRACT Results of ten-year application of temperature-profiling drifters as a segment of the
Global Ocean Observing System are considered. Principles of the drifters’ structure and features of
their application are represented. Information on the experiments with thermodrifters in the Black Sea
and other regions of the World Ocean is given; the methods of processing of the monitoring data are
considered. The results of the experiments permit to obtain statistically significant correlation and
spectral estimations of fluctuations of the sea upper layer temperature fields and their relations with
spatial-temporal variability of surface water circulation in synoptic and mesoscale ranges.
Keywords: thermal structure, temperature-profiling drifter, inertial motions.
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2014, № 5 32
mailto:marlin@marlin-yug.com
Анализ результатов наблюдений
и методы расчета
гидрофизических полей океана
|