Атлас изменчивости северо-западной части Тихого океана на основе спутниковой альтиметрической информации



Скачать 85.71 Kb.
Дата18.11.2016
Размер85.71 Kb.

Атлас изменчивости северо-западной части Тихого океана на основе спутниковой альтиметрической информации


Белоненко Т.В., Фукс В.Р.

Санкт-Петербургский государственный университет
«Атлас изменчивости уровня Северо-западной части Тихого океана» является коллективным трудом сотрудников лаборатории региональной океанологии факультета географии и геоэкологии Санкт-Петербургского государственного университета и завершает цикл исследований, относящихся к использованию спутниковой альтиметрической информации для изучения межгодовой, сезонной и синоптической изменчивости уровня в северо-западной части Тихого океана и дальневосточных морей (гранты РФФИ № 96-05-65157, 98-05-64468, 04-05-64876, 08-05-07006). Информационной основой для составления карт Атласа являлись мареографные измерения уровня моря на береговых станциях и постах и спутниковая альтиметрия Северо-западной части Тихого океана (спутники GEOSAT, ERS-1, TOPEX/Poseidon, ERS-2, GFO-1, Jason-1, Envisat, OSTM/Jason-2).

Авторы дают представительное описание изменчивости уровня в Северо-западной части Тихого океана и дальневосточных морей. Это достигается путем расчета и картирования полей разнообразных характеристик колебаний уровня океана: статистических показателей (математическое ожидание, тренды, среднеквадратическое отклонение и коэффициент вариации), а также полей геострофических течений и дивергенции полных потоков – с различными масштабами осреднения (многолетнее, годовое и месячное осреднение).

На основе гармонического, спектрального и вейвлет-анализа дано описание сезонной изменчивости годовых и полугодовых колебаний уровня моря. В узлах регулярной сетки с шагом 1/3 градуса широты и долготы выделены годовые и полугодовые колебания уровня моря, картированы их амплитуды и фазы. По результатам гармонического анализа колебаний уровня и приливных течений на основе реализации приливной гидродинамической модели рассчитаны гармонические постоянные и построены котидальные карты и карты амплитуд волн приливов M2, S2, K2, N2, K1, O1, Q1, P1; котидальные карты и карты амплитуд долгопериодных приливов Mf и Mm, карты приливных колебаний . Для главных волн прилива построены карты скорости, фазы и направления максимальных приливных течений.

Колебания уровня океана представляют собой сумму эвстатических, динамических, стерических составляющих и колебаний уровня, связанных с изменениями водного баланса. К эвстатической компоненте относятся составляющие, вызываемые изменением объема океанических впадин за счет тектонических процессов. Характерное время таких изменений составляют геологические эпохи. Динамические изменения уровня вызываются, прежде всего, пространственными неоднородностями полей течений. Стерические колебания обусловлены изменениями плотности морской воды за счет соответствующих изменений ее температуры и солености. Изменения водного и ледового балансов происходят вследствие образования и таяния покровных (в том числе шельфовых) ледников, а также испарения, осадков, стока материковых вод и т.д. Колебания уровня моря постоянно привлекают внимание исследователей, их анализу посвящена обширная литература (Дуванин, 1956; Lisitsin, 1974; Pugh, 1987, 2004; Douglas, 1992; Douglas and Peltier 2002; Antonov at el, 2002; Cabanes at el, 2001; Cazenave at el, 2004; Miller and Douglas, B. 2006; Woodworth, 1984, 2006; Mitchum at el, 2001; Munk, W. 2002, 2003; Малинин, 2009; Малинин, Шевчук, 2008; Фукс, 2005).

Существуют два принципиально различных метода наблюдений за морским уровнем: во-первых, береговые футшточные или мареографные измерения уровня, по которым имеются длительные ряды наблюдений, именно на этих материалах основаны современные представления об его изменчивости, и, во-вторых, спутниковая альтиметрия. Наблюдения на мареографных станциях имеют значительно бо‘льшую продолжительность, чем ряды альтиметрических наблюдений, чья история начинается с запуска спутника Topex/Poseidon в 1992 году. В «Атласе…» мы использовали данные наблюдений за уровнем на мареографных постах Северной части Тихого океана и альтиметрические данным спутников GEOSAT (1985), ERS-1 (1991), TOPEX/Poseidon (1992), ERS-2 (1995), GFO-1 (GEOSAT Follow On) (1998), Jason-1 (2001), Envisat (2002), OSTM/Jason-2 (2008)1 .

Центр уровня моря Гавайского университета (UHSLC) предоставляет свободный доступ к архиву данных наблюдений за уровнем на мареографных станциях. Данные среднемесячных, среднесуточных и ежечасных измерений уровня моря на береговых станциях северной части Тихого океана опубликованы и постоянно пополняются на Интернет сайте: http://ilikai.soest.hawaii.edu. Архив данных JASL собирает ежечасные данные от региональных и национальных сетей наблюдения за уровнем моря. Данные проверяются и исправляются очевидные ошибки, такие как выбросы и сдвиги во времени. Продолжительность рядов в разных пунктах различна, некоторые ряды имеют значительные пропуски, связанные с различного рода причинами. Пропуски, не превышающие 25 часов, интерполируются. Количество более продолжительных пропусков можно узнать из показателя полноты ряда (Completeness index - CI), представляющего собой процентное соотношение количества имеющихся данных к общей длине ряда, включающего в себя и пропуски. Массив используемых в «Атласе…» данных включает в себя среднемесячные значения уровня моря, измеренные на 130 береговых постах JASL с продолжительностью наблюдений до 100 лет.

Принципиально новые, уникальные возможности исследований полей уровня Мирового океана в широком диапазоне пространственно-временных масштабов открыло развитие спутниковой альтиметрии. Альтиметрия даёт почти глобальное покрытие (66◦S–66◦N широты) и высокую точность измерений. Для уточнения альтиметрических данных широко используются измерения уровня моря на береговых станциях. Сравнение мареографных и альтиметрических измерений проводилось для разных спутников и показало, что они достаточно хорошо согласуются друг с другом, как в глобальном масштабе (Cheney et al, 1994, Fu et al, 1994; Haines et al, 1998; Cazenave et al, 1998; Chambers et al, 1998; Mitchum, 1994, 2000), так и на локальном уровне (Morris and Gill 1994; White et al. 1994) .

Альтиметры обеспечивают измерения вдоль подспутниковых треков с временной дискретностью в 1 секунду, что, исходя из средней скорости полёта спутника, соответствует пространственной дискретности измерений примерно в 7 км. Тем не менее, пространственное разрешение этих измерений для Земного шара ограничивается близостью треков друг к другу, а промежуток времени между измерениями в одной и той же точке зависит от цикла повторяемости треков спутника. Так, например, повторяемость треков TOPEX/Poseidon составляет 9.9156 суток, а расстояния между треками на экваторе – 310 км. Для спутников ERS1/2 эти показатели: 35 суток и 80 км, а для GEOSAT и GFO: 17 суток и 165 км соответственно, то есть чем короче цикл повторяемости треков, тем меньше пространственное разрешение измерений.

Используемый в «Атласе…» массив альтиметрической информации был получен из банка данных AVISO2 (Archiving, Validation and Interpretation of Satellite Oceanographic data) проекта DUACS (Data Unification and Altimeter Combination System), который является частью сегмента обработки данных мультимиссионной спутниковой альтиметрии (SSALTO), реализуемый Французским Космическим Агентством (CNES). Система обрабатывает данные спутников Jason-1/2, TOPEX/Poseidon, Envisat, GFO-1, ERS1/2, GEOSAT, и предоставляет их пользователю в двух видах: вдольтрековые данные, полученные в хронологической последовательности по измерениям отдельных спутников, и данные в узлах регулярной сетки. Это массив, объединяющий измерения со всех вышеперечисленных спутников, представляет собой однородный по времени и по пространству набор данных о возвышениях уровня моря. В AVISO доступны два вида пространственного разрешения сетки: высокое разрешение (1/3°x1/3°, сетки Меркатора) и низкое разрешение (1°x1°, сетки Меркатора). Также доступны данные в декартовой сетке 1/4°x1/4°. Процесс генерации данных состоит из 4 шагов: анализ данных повторяемых треков, перекрёстная проверка, фильтрация и генерация исходных альтиметирических массивов, причем каждый из шагов представляет задачу, требующую больших вычислительных затрат. Процедура пересчёта вдольтрековых измерений в узлы регулярной сетки основана на комбинировании данных с разных спутников методом оптимальной интерполяции с реалистичными корреляционными функциями (Le Traon and Dibarboure, 1999; Le Traon et al., 2001; Pascual et al., 2006).

В Атласе анализируются два типа данных: абсолютная динамическая топография ADT (Absolute Dynamic Topography) и относительная динамическая топография SLA (Sea Level Anomaly) – аномалии уровня моря. Абсолютная динамическая топография (ADT) характеризует отклонение высоты морской поверхности от геоида (за поверхность геоида принимается геопотенциальная поверхность океана), а относительная динамическая топография (SLA)это отклонение высоты поверхности моря от средних ее значений, полученных осреднением за несколько лет (1993-1999)3.

Точное представление абсолютной динамической топографии до сих пор остаётся сложной задачей, что связано с существующими проблемами определения высоты геоида (Nerem, 1994; Rio et al, 2006). Одним из путей решения этой проблемы является оценка, наряду с SLA, средней динамической топографии (Mean Dynamic Topography - MDT), которая может быть оценена различными методами (LeGrand et al, 2003; Niiler et al, 2003; Rio and Hernandez, 2004). В AVISO в качестве MDT используется модель Rio05 (Rio and Hernandez, 2004).

Сегодня спутниковые альтиметрические измерения высоты морской поверхности при точности 2-3 см дают пространственное вдольтрековое разрешение 5-7 км с периодичностью 3-35 суток. Подробное описание возможностей спутниковой альтиметрии, процедуры получения данных и их обработки, включая поправки на влияние атмосферы, ионосферы и на состояние подстилающей поверхности с дальнейшей корректировкой данных выходит за рамки Атласа. В отечественной литературе эти вопросы очень хорошо изложены С.А.Лебедевым, А.Г.Костяным (2005). Использование спутниковой альтиметрии в океанологических исследованиях привёло к значительному прогрессу в наших знаниях о динамике океана в различных регионах Мирового океана (Fu and Cazenave, 2001; Лебедев, Костяной, 2005; Белоненко и др., 2009).

В «Атласе…» карты сопровождаются пояснениями, содержащие указания на источник информации о картируемой характеристике, алгоритмам преобразования этой информации и короткую интерпретацию содержания карты. Необходимые дополнения можно получить, используя соответствующие библиографические ссылки, включая авторские публикации по этим проблемам.

«Атлас изменчивости уровня Северо-западной части Тихого океана» является коллективным трудом сотрудников лаборатории региональной океанологии факультета географии и геоэкологии Санкт-Петербургского государственного университета и завершает этап целого ряда исследований, относящихся к использованию спутниковой альтиметрической информации для изучения межгодовой, сезонной и синоптической изменчивости уровня в северо-западной части Тихого океана и дальневосточных морей (гранты РФФИ № 96-05-65157, 98-05-64468, 04-05-64876). Руководитель всех этих проектов – доктор географических наук, профессор Виктор Робертович Фукс.

Все необходимые расчеты для построения карт «Атласа…» выполнены к.г.н. Р.И. Маем. Большинство карт построены А.В. Колдуновым и Р.И. Маем и с использованием программы GMT (Wessel, P. and W. H. F. Smith, 1991. Первая глава написана А.В. Колдуновым и к.г.н. Д.К.Старицыным, введение и главы 2, 3, 4, 6 написаны к.г.н. Т.В.Белоненко и Д.К. Старицыным, параграфы 2.4, 3.5 и 4.4 – совместно с В.Р.Фуксом, 5 глава – к.г.н. В.В.Колдуновым, 7 и 8 главы – В.Р.Фуксом и Р.И.Маем, печатная подготовка карт принадлежит к.г.н. А.В.Рубчене. Авторы признательны заведующему кафедрой океанологии СПбГУ, к.г.н. В.В. Ионову за научное редактирование текста «Атласа…» и научному сотруднику лаборатории региональной океанологии В.В. Голосову за редактирование и помощь в подготовке рукописи, а также перевод части текста на английский язык.

Полное содержание «Атласа…» представлено на прилагаемом к изданию CD-диске, в печатном варианте воспроизведены наиболее важные карты.

Теоретические основы разработки «Атласа изменчивости уровня Северо-западной части Тихого океана» подробно изложены в монографии авторов, вышедшей при поддержке РФФИ (грант № 08-05-07006) –

Белоненко Т.В., Колдунов В.В., Старицын Д.К., Фукс В.Р., Шилов И.О. "Изменчивость уровня Северо-западной части Тихого океана". Монография. Издательство СМИО-ПРЕСС, Санкт-Петербург. 2009. 309 с.,

а также в работах:



Белоненко Т.В., Фукс В.Р. и др. «Истоки Ойясио». Под ред. В.Р.Фукса, А.Н.Мичурина. СПб. 1997. 247 с.;

Oceanographic Atlas of the South Kurilean Region of the Pacific Ocean / Intergovernmental Oceanographic Comission UNESCO. Editors: Prof.V.R.Foux, Prof. L.G.Karlin. SPb. St. Petersburg University publishing. 1998. 218 p.



Океанографический атлас Южно-Курильского района Тихого океана / Межправительственная океанографическая комиссия Юнеско. Под ред. В.Р. Фукса, Л.Н. Карлина. СПб., Издательство санкт-Петербургского университета. 1998. 218 с.

Белоненко Т.В., Захарчук Е.А., Фукс В.Р. «Градиентно-вихревые волны в океане». СПб.: Издательство С.-Петербургского ун-та, 2004. 215 с.

и в работе:



Колдунов В.В., Старицын Д.К., Фукс В.Р. «Изменчивость уровня Японского и Охотского морей по данным спутниковых альтиметрических измерений» / В кн.: «Дальневосточные моря России: в 4 кн. Кн.1: Океанологические исследования / отв. ред. В.Б. Лобанов, В.А. Лучин. Тихоокеанский океанологический ин-т им. В.И. Ильичева ДВО РАН. – М.: Наука, 2007. С.184-231.

Белоненко Т.В. «Северо-западная часть Тихого океана. Исследование изменчивости уровня океана в системе вод Куросио - Ойясио на основе спутниковой альтиметрической информации. Монография. 228 с. LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. 2010.

Belonenko T. V., Foux V.R., Zakharchuk E.A. "Gradient-vorticity waves in the World Ocean” Монография. 408 с. LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. 2010.


2 http://www.aviso.oceanobs.com/

3 Средние значения высоты морской поверхности, полученные осреднением за несколько лет (1993-1999), хранятся в массиве MSSH (Mean Sea Surface Height) и вычисляются по формуле: SLA = SSH – MSSH


База данных защищена авторским правом ©bezogr.ru 2016
обратиться к администрации

    Главная страница