О возможности акустического мониторинга неоднородностей морской среды в условиях эффекта сдвига термоклина. Численное моделирование

О возможности акустического мониторинга неоднородностей морской среды в условиях эффекта сдвига термоклина. Численное моделирование

Рассматриваются вопросы восстановления аномалии поля неоднородности методом инверсии аномалий времени лучей в вертикальные сдвиги точек профилей.

Saved in:
Bibliographic Details
Date:2013
Main Authors: Богушевич, В.К., Замаренова, Л.Н., Никонюк, Н.С., Скипа, М.И.
Format: Article
Language:Russian
Published: Морський гідрофізичний інститут НАН України 2013
Series:Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу
Subjects:
Современные методы и средства мониторинга и исследования процессов формирования и эволюции экосистемы Азово-Черноморского бассейна
Online Access:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/56907
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:О возможности акустического мониторинга неоднородностей морской среды в условиях эффекта сдвига термоклина. Численное моделирование / В.К. Богушевич, Л.Н. Замаренова, Н.С. Никонюк, М.И. Скипа // Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу: Зб. наук. пр. — Севастополь, 2013. — Вип. 27. — С. 13-17. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-56907
record_format dspace
spelling nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-569072025-02-09T21:11:59Z О возможности акустического мониторинга неоднородностей морской среды в условиях эффекта сдвига термоклина. Численное моделирование Богушевич, В.К. Замаренова, Л.Н. Никонюк, Н.С. Скипа, М.И. Современные методы и средства мониторинга и исследования процессов формирования и эволюции экосистемы Азово-Черноморского бассейна Рассматриваются вопросы восстановления аномалии поля неоднородности методом инверсии аномалий времени лучей в вертикальные сдвиги точек профилей. Розглядаються питання відновлення аномалії поля неоднорідності методом інверсії аномалій часу променів у вертикальні зсуви точок профілів. The questions of reconstruction of anomaly field of inhomogeneities by the method of time ray anomaly inversion into vertical shift of profile points are discussed. 2013 Article О возможности акустического мониторинга неоднородностей морской среды в условиях эффекта сдвига термоклина. Численное моделирование / В.К. Богушевич, Л.Н. Замаренова, Н.С. Никонюк, М.И. Скипа // Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу: Зб. наук. пр. — Севастополь, 2013. — Вип. 27. — С. 13-17. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 1726-9903 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/56907 534.21+551.463.21 ru Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу application/pdf Морський гідрофізичний інститут НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
topic Современные методы и средства мониторинга и исследования процессов формирования и эволюции экосистемы Азово-Черноморского бассейна
Современные методы и средства мониторинга и исследования процессов формирования и эволюции экосистемы Азово-Черноморского бассейна
spellingShingle Современные методы и средства мониторинга и исследования процессов формирования и эволюции экосистемы Азово-Черноморского бассейна
Современные методы и средства мониторинга и исследования процессов формирования и эволюции экосистемы Азово-Черноморского бассейна
Богушевич, В.К.
Замаренова, Л.Н.
Никонюк, Н.С.
Скипа, М.И.
О возможности акустического мониторинга неоднородностей морской среды в условиях эффекта сдвига термоклина. Численное моделирование
Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу
description Рассматриваются вопросы восстановления аномалии поля неоднородности методом инверсии аномалий времени лучей в вертикальные сдвиги точек профилей.
format Article
author Богушевич, В.К.
Замаренова, Л.Н.
Никонюк, Н.С.
Скипа, М.И.
author_facet Богушевич, В.К.
Замаренова, Л.Н.
Никонюк, Н.С.
Скипа, М.И.
author_sort Богушевич, В.К.
title О возможности акустического мониторинга неоднородностей морской среды в условиях эффекта сдвига термоклина. Численное моделирование
title_short О возможности акустического мониторинга неоднородностей морской среды в условиях эффекта сдвига термоклина. Численное моделирование
title_full О возможности акустического мониторинга неоднородностей морской среды в условиях эффекта сдвига термоклина. Численное моделирование
title_fullStr О возможности акустического мониторинга неоднородностей морской среды в условиях эффекта сдвига термоклина. Численное моделирование
title_full_unstemmed О возможности акустического мониторинга неоднородностей морской среды в условиях эффекта сдвига термоклина. Численное моделирование
title_sort о возможности акустического мониторинга неоднородностей морской среды в условиях эффекта сдвига термоклина. численное моделирование
publisher Морський гідрофізичний інститут НАН України
publishDate 2013
topic_facet Современные методы и средства мониторинга и исследования процессов формирования и эволюции экосистемы Азово-Черноморского бассейна
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/56907
citation_txt О возможности акустического мониторинга неоднородностей морской среды в условиях эффекта сдвига термоклина. Численное моделирование / В.К. Богушевич, Л.Н. Замаренова, Н.С. Никонюк, М.И. Скипа // Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу: Зб. наук. пр. — Севастополь, 2013. — Вип. 27. — С. 13-17. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.
series Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу
work_keys_str_mv AT boguševičvk ovozmožnostiakustičeskogomonitoringaneodnorodnosteimorskoisredyvusloviâhéffektasdvigatermoklinačislennoemodelirovanie
AT zamarenovaln ovozmožnostiakustičeskogomonitoringaneodnorodnosteimorskoisredyvusloviâhéffektasdvigatermoklinačislennoemodelirovanie
AT nikonûkns ovozmožnostiakustičeskogomonitoringaneodnorodnosteimorskoisredyvusloviâhéffektasdvigatermoklinačislennoemodelirovanie
AT skipami ovozmožnostiakustičeskogomonitoringaneodnorodnosteimorskoisredyvusloviâhéffektasdvigatermoklinačislennoemodelirovanie
first_indexed 2025-11-30T21:37:25Z
last_indexed 2025-11-30T21:37:25Z
_version_ 1850252878640316416
fulltext 13 УДК 534 .21+551 .463 .21 В.К .Богушевич, Л .Н .Замаренова , Н.С.Никонюк, М.И.Скипа Отделение гидроакустики Морского гидрофизического института НАН Украины, г. Одесса О ВОЗМОЖНОСТИ АКУСТИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА НЕОДНОРОДНОСТЕЙ МОРСКОЙ СРЕДЫ В УСЛОВИЯХ ЭФФЕКТА СДВИГА ТЕРМОКЛИНА. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ Рассматриваются вопросы восстановления аномалии поля неоднородности ме- тодом инверсии аномалий времени лучей в вертикальные сдвиги точек профилей. КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА : акустический мониторинг, сдвиг термоклина, восста- новление поля, аномалия времени лучей, инверсия. Дистанционные методы наблюдения, использующие прозвучивание (распространяющийся звук), обеспечивают возможность контроля морской среды и на больших расстояниях и на больших глубинах. Акустический мо- ниторинг позволяет восстанавливать поля скорости звука прозвучиваемых пространств, что обеспечивает оценивание явлений и процессов в океане. При лучевом подходе к решению задачи восстановления поля в качестве из- меряемых величин берутся времена Tm распространения сигналов по лучам Γm, которые несут информацию о неоднородностях среды, встретившихся на пути. Эти времена распространения по лучам Γm в аномальном поле скорости звука c(x, y, z, t) = co + ∆c сравниваются с временами Tm o по лучам Γm o в опорном поле co(x, y, z). Аномалия поля ∆c(x, y, z, t), восстанавливается по совокупности аномалий времён сигналов лучей ∆Tm = Tm – Tm o [1, 2]. Задача инверсии ∆Tm → ∆c(x, y, z, t) очень сложна и ее упрощают путем линеаризации. При линейной инверсии аномальные траектории Γm заменя- ют на опорные Γm o и, полагая малость их отличия и малость отличия времен ∆t(Γm, Γm o), получают приближенное, в линеаризованном по ∆c виде, выра- жение ∆Tm ≈ – ∫co –2∆c ds [1, 2]. Ошибка вычисления согласно этим уравне- ниям в первую очередь определяется отличием траекторий Γm и Γm o и раз- ницей времён ∆t(Γm, Γm o). Эта разница и определяет точность восстановле- ния поля и саму возможность применения линейной инверсии – требование ∆t(Γm, Γm o) << ∆Tm. Но это требование выполняется не всегда. Его выполне- ние зависит от многих условий [2]. В значительной степени величина ∆t(Γm, Γm o) зависит от эффекта сдвига термоклина (велоклина). Существует ряд неоднородностей среды, которые не только исключают возможность применения линейной инверсии для восстановления их поля, но и крайне осложняют саму возможность такого восстановления. Такими являются неоднородности, у которых аномалия выражается в изменениях глубины слоёв с высокими значениями градиента скорости звука (темпера- туры) – велоклина (термоклина). В Чёрном море это вихревые образования, внутритермоклинные линзы и опускание тёплых вод в потоке ОЧТ. Верти- кальный сдвиг велоклина, как одна из форм проявления аномалии поля ско-  В .К .Богушевич , Л .Н .Замаренова , Н .С .Никонюк , М .И .Скипа , 2013 14 рости звука, представляет собой особый случай в задачах инверсии, когда теряется однозначная связь между величинами аномалии поля, сдвига глу- бины клина, формой луча и его аномалией времени. В случаях, когда в об- щей аномалии времени ∆Tm преобладает составляющая, связанная с разли- чием траекторий аномального и опорного лучей ∆t(Γm, Γm o), определяемая в первую очередь отличием глубин их верхних точек заворота ∆zm +, для вос- становления поля не применима линейная инверсия, использующая зависи- мость ∆c от ∆Tm [3]. Для решения задачи инверсии и восстановления профилей в случаях сдвига велоклина было предложено использовать зависимость аномалии времени ∆Tm не от аномалии поля ∆c, а от сдвига клина ∆z, – сдвига по глу- бине точек аномального и опорного профилей скорости звука, имеющих одни и те же значения скорости. Были определены зависимости ∆Tm от ∆zm + и предложена методика восстановления профилей [3]. Эта методика позво- лила восстановить аномальные профили при сдвиге термоклина в потоке ОЧТ в условиях постоянного по трассе волновода [3]. Эту же методику можно использовать и в условиях малоизменяющегося по трассе волновода. Но в случаях неоднородностей с большой горизонтальной изменчивостью аномалии поля применимость метода инверсии ∆T → ∆z оказывается под вопросом. Возможности применения предложенной методики восстановле- ния аномальных профилей для восстановления аномалий полей неоднород- ностей рассматривались в [4]. Но ограниченность числа лучей, используе- мых для восстановления, и характер аномалии поля неоднородности (не- большие значения горизонтального градиента) не позволили в должной степени рассмотреть этот вопрос. Целью работы является оценка применимости метода инверсии анома- лий времени в вертикальные сдвиги точек аномальных профилей для вос- становления аномалий поля неоднородностей в переменном по трассе вол- новоде. Задача решается методом численного моделирования лучевой и временной структуры в опорном и аномальном поле в переменных по трас- се волноводах. Для решаемой задачи выбрана неоднородность с большими горизонтальными градиентами аномалии – поле температуры в потоке ОЧТ для осеннего разреза с горизонтальным размером L = 14,5 км, – восстанов- ление которой не очень успешно решалось методами линейной инверсии [5]. Профили скорости звука в сечениях неоднородности показаны на рис.1, изолинии аномалии поля температуры – на рис.2. Основные положения восстановления профилей методом сдвига. Для восстановления изменения глубин велоклина неоднородности при аку- стическом лучевом зондировании нужно обеспечить ее сканирование луча- ми, верхние точки заворота которых ВТЗ+ распределены по ее длине L и по интервалу глубин клина. Чем больше этих точек, тем с большей точностью можно восстановить вертикальные сдвиги клина, профили скорости звука в сечениях неоднородности и аномалию ее поля. Для этого можно использо- вать достаточно крутые лучи с длинами циклов, большими горизонтального размера неоднородности, Dц > L. При таком подходе можно восстановить сдвиги глубин ∆z в верхней и средней части клина. Сдвиг ∆z в нижней части клина восстановить непосредственно по аномалиям времён лучей не представ- 15 Р и с . 1 .Профили скорости звука аномальные, опорные в сечениях неоднородности. Р и с . 2 .Изолинии аномалии поля тем- пературы, НИС «Трепанг», 12.10 1997 г. Р и с . 3 .ВТЗ лучей: опорные (○), аномальные (□) и расчетные (♦). ляется возможным, как из-за малости длин циклов, Dц < L, так и из-за траек- торно-временной неоднозначности [5]. Решить задачу восстановления в этом интервале глубин клина можно по восстановленной его верхней и средней части и по горизонтальному разрезу аномалии, полученному при горизонтальном сканировании неоднородности лучами, отражающимися от поверхности [4]. В результате можно получить оценочное значение поля аномалии во всём интервале глубин и дальностей. Возможности восстановления на «длинной» трассе. Обеспечить большое число сканирующих лучей, имеющих ВТЗ+ во всём интервале дальностей и глубин неоднородности, на трассах большой протяжённости можно при использовании нескольких точек излучения и (или) приёма. При нахождении неоднородности на трассе длиной r = 170 км в интервале даль- ностей от rн = 19,0 км до rк = 33,5 км (L = 14,5 км) высокое пространственное разрешение при восстановлении обеспечивается при трёх точках излучения, zu = 350, 750 и 1000 м, и пяти точках приёма, zпр = 200, 500, 700, 900 и 1100 м. Положение некоторых ВТЗ+ опорных и аномальных лучей для верхней части клина и рассчитанные по аномалиям времени ∆Tm вертикальные сдвиги ∆z приведены на рис.3. Слева от зоны гидрофронта, r < 21 км (рис.2, 3), рас- считанные значения ∆z превышают фактические, справа от зоны, r > 22,2 км – меньше фактических. Аномальный луч, заворачивающий в зо- не гидрофронта (r = 21,9 км, рис.2), имея прогнозируемое положение ВТЗ+, имеет крайне высокие значения аномалии ∆Tm и сдвига ∆z. Результат объ- ясняется значительными изменениями формы луча (χo, Dц, zm –) и времени распространения по лучу ∆ta после верхней точки заворота в аномальной области – уменьшением ВТЗ+ с 22 м до 14,5 м и увеличением пути луча в высокоскоростном слое (рис.4). 16 Р и с . 4 .Изменение формы луча после аномальной точки заворота Р и с . 5 .Верхние точки заворота сканирующих лучей При принятой методике инверсии ∆Tm → ∆t → ∆z [3], предполагающей многократность последовательных приближений δ∆t → δ∆z и сведение «к нулю» ошибки ∆t, отличие фактических значений ∆Tm от значений ∆t, опре- деляемых вертикальным сдвигом ∆z, их завышение или занижение, не влия- ет на результат восстановления, а только меняет число приближений. Если, конечно, аномалия ∆Tm не меняет знак, и не возникают нетипичные анома- лии ∆Tm. Поэтому метод восстановления поля ∆Tm → ∆z можно считать при- годным для большинства случаев «длинных» трасс и наиболее подходящим способом восстановления в случаях сдвигов высокоградиентных велоклинов. Однако, когда изменения формы луча и времени по лучу после верхней точки заворота в аномальной области оказываются значительными (рис.4) больше, чем аномалия, связанная со сдвигом ∆z, ∆ta ≥ ∆t(∆zm +), и при этом меняется знак общей аномалии времени ∆Tm, восстановление поля по алгоритму ∆Tm → ∆z для таких лучей оказывается невозможным. При этом возникает вопрос о возможностях применимости алгоритма на более коротких трассах. Возможности восстановления на «короткой» трассе. В переменном волноводе заворот луча определяется вертикальным gв и горизонтальным gг градиентами скорости звука. От соотношения градиентов gг/gв и зависит от- личие характеристик луча (χo, Dц, zm, t) до и после точки заворота в аномаль- ной области. При gг > 0 текущее значение угла скольжения луча χi увеличи- вается, его ВТЗ+ смещается вверх и назад, большим становится значение χi на выходе из зоны аномалии и значения zm – и Dц (рис.4). При gг < 0 происходят обратные процессы. Формируемая отличием левой и правой частей луча ано- малия времени ∆ta обычно увеличивается с увеличением горизонтального градиента gг, зависит от положения неоднородности на трассе и ее длины. Для выяснения влияния длины трассы и положения неоднородности на аномалию времени ∆ta, были выполнены расчеты для короткой трассы. На короткой трассе, r = 35 км, задача сканирования области сдвига велоклина неоднородности (rн = 9,5 км, rк = 24,0 км, L = 14,5 км) большим числом лу- чей (рис.5) решается с помощью нескольких точек излучения, zu = 200, 500, 700, 900 и 1100 м, и многих точек приёма, zпр = 100, 200, …, 1300 м (верти- кальная цепочка гидрофонов). Положение некоторых ВТЗ+ опорных и ано- мальных лучей и рассчитанные по аномалиям времени ∆Tm вертикальные сдвиги ∆z приведены на рис.6. Аналогично случаю длинной трассы (рис.3) слева от зоны гидрофронта, r < 11,8 км, рассчитанные значения z∆ превы- шают фактические, справа от зоны, r > 12,6 км, они меньше фактических. 17 Аномальный луч, заворачивающий в зоне гидрофронта, r = 11,8 км, имеет сильное смещение ВТЗ+ по дальности (∆r = 0,62 км), но вполне удовлетворительное значение ано- малии ∆Tm и рассчитанное значе- ние ∆z. Как и в случае длинной трассы, результат объясняется зна- чительными изменениями формы луча в аномальной области. На ко- роткой трассе уже нет неправдопо- добных аномалий ∆Tm и нет пре- пятствий к использованию для восстановления всех зондирующих лучей. Выводы. Показана возможность применения в условиях переменного по трассе волновода метода инверсии аномалий времени лучей в вертикаль- ные сдвиги точек аномальных профилей и возможность восстановления по- ля температуры ОЧТ в условиях эффекта сдвига термоклина. Направление продолжения работ состоит в исследованиях влияния го- ризонтальных градиентов аномалии поля на аномалии времени сканирую- щих лучей и возможностей восстановления полей неоднородностей с боль- шими градиентами аномалии. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Munk W., Wunsch C. Ocean acoustic tomography: A scheme for large scale monitoring // Deep-Sea Res.– 1979.– 26.– P.123-161. 2. Гончаров В.В., Зайцев В.Ю., Куртепов В.М., Нечаев А.Г., Хилько А.И. Акусти- ческая томография океана.– Н. Новгород: ИПФ РАН, 1997.– 254 с. 3. Богушевич В.К., Никонюк Н.С., Скипа М.И. Восстановление полей неоднород- ностей морской среды при акустическом лучевом зондировании в условиях эффекта сдвига термоклина // Системы контроля окружающей среды.– Сева- стополь: МГИ НАН Украины, 2012.– вып.18.– С.15-24. 4. Богушевич В.К., Замаренова Л.Н., Скипа М.И. Особенности акустического мо- ниторинга поля температуры Основного черноморского течения в летний пе- риод // Системы контроля окружающей среды.– Севастополь: МГИ НАН Ук- раины, 2012.– вып.17.– С.132-139. 5. Богушевич В.К., Замаренова Л.Н., Каташинская Н.С., Скипа М.И. Акустиче- ский мониторинг поля температуры Основного черноморского течения // Эко- логическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное исполь- зование ресурсов шельфа.– Севастополь: ЭКОСИ-Гидрофизика, 2012.– вып.26. – С.78-89. Материал поступил в редакцию 11 .06 .2013 г . После доработки 25 .08 .2013 г . АНОТАЦ IЯ Розглядаються питання відновлення аномалії поля неоднорідності методом інверсії аномалій часу променів у вертикальні зсуви точок профілів. ABSTRACT The questions of reconstruction of anomaly field of inhomogeneities by the method of time ray anomaly inversion into vertical shift of profile points are discussed. Р и с . 6 .ВТЗ лучей: опорные (○), ано- мальные (□) и расчетные (♦).

Similar Items