Июн 12 2002

Обоснование выбора топологических точек

Обоснование выбора топологических точек

в западной части Черного моря

для дистанционного контроля морской среды

О.Р. Андрианова, М.И. Скипа

Отделение гидроакустики Морского гидрофизического института

НАН Украины, г. Одесса, Украина

При современном уровне возможностей исследования и контроля состояния морской среды на передний план выходят дистанционные методы наблюдений. К числу таких методов относятся спутниковые наблюдения и акустическое прозвучивание. Если спутниковые методы дают представление об излучении с поверхностного слоя моря и возникает задача идентификации этих данных [1,2], то в случае акустического прозвучивания может быть получена информация об определенном (прозвучиваемом) слое [3], что в совокупности со спутниковыми данными может дать представление о состоянии толщи вод моря. Таким образом, возникает сразу несколько задач, для решения которых необходимо привлекать различные методы математического моделирования. Это, во-первых – идентификация спутниковых данных, то есть их привязка к реальному состоянию поверхностного слоя морской среды, во-вторых – восстановление гидрофизической структуры моря в слое между поверхностью и прозвучиваемым горизонтом и, в-третьих – прогнозирование особенностей вод на близлежащие районы с областью прозвучивания. Эти задачи, в свою очередь, могут быть решены поэтапно, в зависимости от формулирования начальных условий. Например, для решения второй задачи начальными условиями могут быть либо спутниковые данные и данные контактных измерений в отдельных точках, либо данные акустического прозвучивания и отдельных гидрологических измерений или даже только данные неконтактных измерений (спутниковые наблюдения, данные акустического прозвучивания) и прогностические данные в топологических точках. Из сути этих задач следует, что для их упрощения и решения целесообразно выделить общие вопросы, исследовав которые можно затем использовать эту информацию для решения нескольких из сфор-

мулированных задач. В частности, необходимо выделить зоны прозвучивания, согласованные с траекториями спутниковых данных, установить особенности распределения гидрофизических характеристик по трассам прозвучивания, определить топологические точки, по которым прогнозировать структуру вод и т.д. Подобные задачи возникают в любом регионе Мирового океана, в котором возникает необходимость контроля состояния морской среды, поэтому их поэтапное решение может быть положено в основу создания методики организации региональных гидроакустических мониторингов.

Целью предлагаемого вниманию исследования явилось обоснование выбора топологических точек в западной части Черного моря, для дистанционного контроля состояния морской среды и передачи информации по акустическим каналам.

Используя базу данных гидрологических наблюдений в Черном море с 1966 по 1992 годы, собранную в Отделении гидроакустики МГИ НАН Украины, были проанализированы многочисленные сведения (карты пространственного распределения, вертикальные широтные и меридиональные разрезы) о гидрологической и акустической структуре вод западной части Черного моря по различным годам и сезонам. Поскольку для задач контроля состояния морской среды нас интересовал северо-западный район, находящийся под непосредственным воздействием антропогенных факторов, то анализ регионально был ограничен глубоководным краем материкового склона. Для этого района по сезонным особенностям распределения гидрофизических характеристик и динамических процессов были выделены две зоны, отличающиеся характерными особенностями гидрофизических полей и профилей скорости звука. Это мелководный северо-западный шельф с глубинами до 50м и зона материкового склона моря. На шельфе наиболее ощутимо влияние внешних воздействий, которые отражаются в перестройке структуры вод – это ветровое воздействие, речной сток, изменение температуры воздуха, осадки. Поэтому в этой зоне только в зимнее время года, когда распределение температуры становится гомогенным – охлаждение охватывает весь шельф, практически до дна, возможно прозвучивание по подводному звуковому каналу (ПЗК), который в соответствие со структурой вод выходит на поверхность. В другие сезоны подводный звуковой канал на мелководном шельфе отсутствует. В зоне материкового склона, напротив, подводный звуковой канал проявляется в распределении скорости звука практически весь год. Известно [3], что глубина оси ПЗК в Черном море совпадает с глубиной залегания минимальной температуры воды в холодном промежуточном слое. Поэтому нами для дальнейшего анализа использовалась рассчитанная по термохалинным характеристикам (эмпирической формуле Медвина) скорость звука в оси ПЗК, повсеместно совпадающая с глубиной залегания минимальной температуры воды. Именно эта акустическая характеристика вод в Черном море могла быть наиболее достоверно получена из имеющейся базы данных.

Поскольку нас интересовала задача выбора топологических точек, которые можно использовать при создании системы регионального мониторинга вод в Черном море, то мы попытались определить степень зависимости межгодового хода скорости звука в оси ПЗК между определенными районами. Исходя из этого, и возможности сформировать наиболее длинные сравнимые ряды данных, были выбраны для анализа следующие точки, расположенные на меридиане 31°00¢в.д.: по зоне северо-западного шельфа – точки с координатами 45°20¢с.ш. и 45°40¢с.ш.; по зоне материкового склона - 44°20¢с.ш. и 45°20¢с.ш. По этим точкам были собраны ряды данных для всех сезонов года, которые оказались различными по длине (от 15 значений до 24). Наиболее простой способ установления прогностических зависимостей, это построение регрессионных уравнений. При допущении, что существует линейная зависимость между двумя анализируемыми рядами значений межгодового хода скорости звука в оси ПЗК для соответствующих сезонов попарно взятых точек в каждой зоне, были построены такие уравнения. Однако степень их достоверности оказалась различной. Для зимнего времени года получено, что коэффициент корреляции между межгодовым ходом значений минимальной температуры воды в указанных точках шельфовой зоны составил 0,87 (рис.1), а зоны материкового склона – 0,84, то есть, был определенно значим. Поэтому и составленный прогноз по уравнению регрессии для этого сезона имел высокую оправдываемость – 86 %, что и подтверждается приведенным ходом прогностических и фактических значений (рис.2). Весной коэффициент корреляции для точек шельфовой зоны и материкового склона составил соответственно 0,32 и 0,72. Таким образом, весной получение прогностических значений по шельфу на основании уравнении регрессии не оправдано, в то время как по району материкового склона этот способ может быть применен.

В летний сезон коэффициент корреляции для материкового склона был еще значим – 0,51, а по шельфовому району – 0,22, что также исключает возможность использовать уравнение линейной регрессии для прогноза. Наиболее неожиданным оказался результат для осени, в это время года для точек на материковом склоне коэффициент корреляции составил – -0,15, а для шельфовой зоны – 0,66.

Рис.1. Корреляционная связь между значениями скорости звука в оси ПЗК между станциями с координатами 45°20¢с.ш. 31°00¢в.д. и 45°40¢с.ш. 31°00¢в.д. в феврале

Рис.2. Межгодовой ход фактических (ряд1) и прогностических (ряд2) значений скорости звука в оси ПЗК в феврале на станции с координатами 45°40¢с.ш. 31°00¢в.д

Представляется интересным в перспективе рассмотреть не только один, хоть и характеристический параметр (в данном случае скорость звука в оси ПЗК), а, например – межгодовую изменчивость профилей скорости звука в многомерном регрессионном анализе или с нахождением более сложных статистических зависимостей. Тем не менее, полученные результаты для двух рассматриваемых зон позволяют сделать выводы, что выбор топологических точек может быть осуществлен даже на основании статистического анализа линейных зависимостей характерных параметров, определяемых в соответствии с поставленными задачами. Использование прозвучивания в северо-западной части Черного моря, а также прогностических зависимостей оправдано в зимний сезон. В другие сезоны это возможно, начиная с района материкового склона.

Литература

1. Бычкова И.А., Викторов С.В., Виноградов В.В. Дистанционное определение температуры моря. – Л.:Гидрометеоиздат, 1988. – 233с.

2. Тимофеев Н.А. Анализ алгоритмов восстановления температуры поверхности океана на основе наблюдений с оперативных спутников NOAA и ERS-1// Исследование Земли из космоса. – 1992. - №3. – с.35-41.

3. Андрианова О.Р., Холопцев А.В. О стратификации вод западной части Черного моря// Океанология. – 1992. - вып.2. - т.32. – с.234-240.

Нет пока ответов

Комментарии закрыты.