Июл 07 2001

Гидроакустические методы в задачах передачи информации и оценки динамики морской среды

Опубликовано в 13:51 в категории Экология Черного моря

Гидроакустические методы в задачах передачи информации и оценки динамики морской среды

(на примере западной части Черного моря)

О.Р. Андрианова, М.И. Скипа

Отделение гидроакустики Морского гидрофизического института

Национальной академии наук Украины, г. Одесса, Украина

The hydroacoustic methods in the tasks of the transferring of the information and the valuation of the sea dynamics

(on the example of the western part of Black sea)

M.I. Skipa, O.R.Andrianova.

Hydroacoustic Branch of the Marine hydrophysical institute of the NASU

The principles of the development of the hydroacoustic system of a fast valuation of the dynamics the sea water of the shelf regions of the World Ocean are estimated. The results of the researches of the features of the space-temporary variability of the hydrophysical characteristics in the western part of the Black sea are given. The theoretical bases of the simulation and prediction of the dynamics of the sea water are determined. The methods of an information communication on acoustic channels are developed.

Шельфовые районы Мирового океана содержат основную часть его запасов полезных ископаемых; их экосистемам свойственны наибольшие биоразнообразие и биопродуктивность. Сбалансированное, эффективное освоение живых и неживых ресурсов шельфа Мирового океана возможно лишь при условии создания систем мониторинга состояния водной среды, охватывающих наблюдениями целые регионы, попадающие под влияние этой деятельности.

Современная концепция построения гидроакустической системы быстрой оценки динамики морской среды допускает комплексное ис-

пользование спутниковых и наземных (т.н. "подспутниковых") технологий наблюдений. Создание региональных систем подспутниковых наблюдений с использованием одних только традиционных способов гидрологического и экологического мониторинга требует чрезвычайно высоких затрат. В настоящее время широкое распространение нашли также наземные дистанционные способы получения информации о характеристиках водной среды. Так, в частности, наблюдения за динамикой полей скорости звука и плотности морской воды в масштабах океанических регионов, могут осуществляться с помощью акустического прозвучивания. К числу перспективных способов подспутниковых наблюдений относится также радиолокационный, обеспечивающий оперативное получение информации о характеристиках волнения, степени загрязнения поверхностного микрослоя изучаемой акватории и т.д.

Одним из путей снижения стоимости "подспутниковых" комплексов для океанских регионов может быть комплексное использование контактных способов наблюдения за состоянием водной среды с упомянутыми системами дистанционного мониторинга. Создание подобных комплексов, оптимально объединяющих системы первого и второго типа, позволит значительно сократить количество точек, в которых состояние среды следует контролировать с помощью контактных способов (это и создает указанный эффект).

Суть проблемы состоит в усовершенствовании способов обработки гидрофизической информации, обеспечивающей возможность решения задач регионального гидроакустического мониторинга (РГМ), разработке принципов построения гидроакустических систем, которые реализуют эти способы обработки, а также их оптимального сочетания с контактными и дистанционными технологиями подспутниковых наблюдений.

Для решения этой проблемы необходимо усовершенствование математических моделей интерпретации принимаемых сигналов, учитывающих особенности формирования их в шельфовых регионах. Особенности этих моделей непосредственно определяются имеющимися данными о пространственно-временной изменчивости поля скорости звука в водной среде шельфового региона. Поэтому их разработку следует сопровождать океанологическими исследованиями соответствующих регионов.

Изучение возможностей реализации этой концепции проводится на примере северо-западного шельфа Черного моря. В этом регионе проблема создания систем РГМ является особенно актуальной в связи с тем, что, во-первых, – современные экосистемы находятся в критическом состоянии, а во-вторых, на примере этого региона накоплен определенный опыт по исследованию и прогнозированию особенностей и закономерностей развития гидрофизических процессов.

Использование гидроакустического мониторинга в мелководных зонах Черного моря имеет свои особенности, связанные с существенной пространственно-временной изменчивостью гидроакустических параметров морской среды. Для успешного освоения системы гидроакустического мониторинга в западной части Черного моря, нами изучалась климатическая изменчивость гидрометеорологических параметров этого региона по данным морских и прибрежных станций, и составлялись прогностические характеристики их временного хода для топологических точек.

По предварительной оценке долгопериодной изменчивости термохалинных характеристик по отдельным станциям в деятельном слое вод западной части Черного моря за 1970-1994гг. выделены 2-3 и 4-5(6)-летние колебания. На рис. 1 приведены результаты анализа межгодового хода значений этих характеристик на поверхности (а) и горизонте 50 м (б) Для более наглядного выделения тенденций (трендов) в межгодовой изменчивости рассматриваемых рядов была проведена фильтрация высокочастотных колебаний построенных кривых (рис. 1, кривые 1) путем пятилетнего скользящего осреднения ежегодных данных (кривые 2 на рис. 1). Можно заметить, что выделяемые тренды являются нисходящими или восходящими ветвями весьма долгопериодных колебаний.

Исследуя пространственное распределение глубины залегания минимальной температуры воды можно косвенно судить о характере и интенсивности гидродинамических процессов, протекающих в западной части Черного моря [1]. Положение этого параметра отражает вертикальное распределение термохалинных характеристик: глубина залегания минимальной температуры воды в районе материкового склона увеличивается, а к центру циклонического круговорота медленно уменьшается. Для анализа сезонной изменчивости минимальной температуры воды, глубины ее залегания, а также соответствующей ей солености были построены графики их годового хода для указанных станций (рис. 2). Зимняя конвекция в центре циклонического круговорота, а затем нисходящие по куполу пикноклина плотностные течения являются главными источниками пополнения и обновления вод холодного промежуточного слоя (ХПС) [2]. Установлено, что в весенний сезон, подъем вод ХПС по шельфу и выход их к берегам в районах, находящихся под влиянием речного стока затруднен присутствием холодных распресненных вод. Таким образом, вдоль свала глубин по краю обширного северо-западного шельфа наблюдается взаимодействие холодных распресненных вод зимнего происхождения и вод открытого моря. Летом слой температурного скачка опускается глубже, а мощность слоя зимних холодных вод становится все меньше. К осени на шельфе холодные распресненные воды исчезают полностью, а сохраняются только холодные воды с соленостью более 18‰, образовавшиеся в центральных частях моря.

Оценка периодичностей и выявление циклов во временном ходе рассматриваемых характеристик проводилась по автокорреляционным функциям и спектральной плотности для данных по шести выбранным станциям. Расчеты выполнялись таким образом, что годовая волна гасилась при обработке фактических данных годовым осреднением. Несмотря на то, что автокорреляционная функция является результатом сложения нескольких гармоник с разными периодами, ее анализ не позволяет достаточно надежно выявить долгопериодные колебания, за исключением отдельных случаев, когда четко вырисовывается преобладающая волна. На всех графиках спектральной плотности ярко выражены квазидвух- и трехлетние колебания, а также волны, периоды которых приблизительно равны пяти и семи годам, что согласуется с полученными нами результатами анализа межгодовой изменчивости термохалинных характеристик, а также с известными литературными данными по другим параметрам [3-5].

Таким образом, использование накопленной гидрологической информации может быть первым шагом в развитии теоретических основ научных исследований в решении проблемы оптимального создания системы стационарного гидроакустического прозвучивания на основе качественно разнообразных способов контактного и дистанционного наблюдения экологического состояния шельфовых регионов Мирового океана.

В дальнейшем будут проводиться теоретические исследования возможностей системы быстрой оценки состояния водной среды, основанной на акустическом прозвучивании и идентификации полученной информации в соответствие с гидрофизическими параметрами среды, а также развиваться методы передачи информации по акустическим каналам. Количественные оценки по идентификации полученной информации о состоянии морской среды можно проводить, используя накопленные сведения по западной части Черного моря, и на основе математического моделирования возможного развития гидрофизических процессов. В результате будут оценены реальные возможности системы построения пространственной структуры полей скорости звука с использованием гидроакустического прозвучивания, а также с учетом их априорной неопределенности. Для этого разрабатывается компьютерная модель принимаемого сигнала, учитывающая особенности распространения упругих волн в водной среде.

Рис.1. Межгодовой ход осредненных значений температуры воды на Н=0 м (а), Н=50 м (б) и соответствующей ей солености (в,г) для станции с координатами 43°40¢ с.ш. и 31°00¢ в.д. (1 – фактические значения, 2 – значения, сглаженные пятилетним осреднением).

Рис.2. Сезонный ход минимальной температуры воды (а), соответствующей ей солености (б) и глубины ее залегания (в) на станциях в западной части Черного моря.

Совместное использование акустического прозвучивания и прогностических значений скорости звука предоставляет уникальные возможности для создания системы быстрой оценки состояния морской среды.

Новизна предлагаемых нами подходов состоит в привлечении для решения поставленной задачи максимально полной априорной информации о местонахождении и характеристиках источников зондирующих сигналов, (что представляется возможным в результате совместного использования гидроакустических и радиотехнических сигналов).

Литература

1. Овчинников И.М., Попов Ю.И. К вопросу о формировании холодного промежуточного слоя в Черном море. ДАН АН СССР. 1984, т.279, вып.4, с.986-989.

2. Андрианова О.Р., Овчинников И.М. Особенности трансформации распресненных вод в западной части Черного моря. Метеорология и гидрология. 1991. N 7, с.74-79.

3. Белевич Р.Р., Орлова И.Г. Особенности межгодовой изменчивости гидролого-гидрохимических характеристик вод на северо-западном шельфе Черного моря в последние десятилетия 60-90-е годы. Морской гидрофиз. журн. 1996. N2, с.62-73.

4. Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР. Т.IV. Черное море. Вып.1. Гидрометеорологические условия. С.-Пб. Гидрометеоиздат. 1991. 430с.

5. Овчинников И.М., Осадчий А.С. Вековая изменчивость климатических условий, определяющих особенности гидрологического режима Черного моря. - Изменчивость экосистемы Черного моря: естественные и антропогенные факторы. М. Наука. 1991. С.85-89.

Нет пока ответов

Комментарии закрыты.