3.13. Аппаратура и методика измерения гидрометеорологических характеристик в морских условиях

3.13.1 Задачи и специфика измерений

Основной задачей океанографических наблюдений и измерений является получение надежной информации о количественных характеристиках термогидродинамических полей в океане и в атмосфере над ним. Такая информация требуется при решении главной проблемы — разработке теории и проверке практических методов прогноза этих характеристик, необходимых для удовлетворения запросов различных отраслей народного хозяйства, связанных в своей деятельности с морем.

Прямые измерения в океане имеют свои особенности и предъявляют специфические требования к аппаратуре и методике их проведения. Морская вода является агрессивной средой, что ведет к необходимости применения соответствующих химически стойких датчиков. Высокие давления, особенно на больших глубинах, при всех измерениях, кроме самого давления, являются помехой, для исключения которой измерительные системы должны быть механически прочными и надежно герметизированными, а датчики защищенными от резких колебаний внешнего давления. Волнение на поверхности моря вносит дополнительные трудности в методику и обработку большинства других параметров термогидродинамических полей. Сильное волнение вообще исключает производство любых измерений контактными методами.

Для наблюдений в море требуется наличие дорогостоящих вспомогательных средств для размещения и установки измерительных систем: судов с высокими мореходными качествами, самолетов для дистанционных измерений, плавающих и жестко установленных платформ и буев, кораблей погоды, специальных искусственных спутников и др.

Для полной информации о процессах, протекающих в воде и в воздухе, требуются комплексные измерения основных параметров термогидродинамических полей в океане и в атмосфере. В задачах термики такими параметрами являются: для атмосферы — потоки коротковолновой солнечной и длинноволнового теплового излучения океана и атмосферы, скорость ветра, температура и влажность воздуха, состояние облачности; для океана — поглощение потока лучистой энергии, скорость течения, температура, соленость, прозрачность воды и состояние поверхности. Эти сведения достаточны для характеристики средних полей. При изучении тонкой структуры и турбулентности необходимо проведение пульсационных измерений, расчет по ним статистических характеристик и установление связи со средними параметрами. Такие измерения в океане имеют свою специфику и очень малочисленны для обобщающих выводов.

3.13.2. Общие требования к аппаратуре и методике

Выполнение полного комплекса совместных измерений в воде и в воздухе над морем представляет сложную и трудоемкую работу. Но она дает наиболее ценные данные для исследования общих закономерностей и влияния различных факторов на формирование термогидродинамического режима пограничных слоев океана и атмосферы в процессе их взаимодействия.

Основой методики океанографических измерений служит использование физических зависимостей количественных характеристик исследуемого поля от других легко измеряемых параметров. По воздействию на датчик измерительного прибора различают две группы методов: контактные и дистанционные или бесконтактные. В первом случае датчик находится в прямом контакте и равновесном состоянии с окружающей средой. Типичным примером такой методики является использование термометров сопротивления, которые осуществляют преобразование изменений температуры в изменение электрического сопротивления датчиков, термоанемометров постоянного тока или постоянной температуры для измерения скоростей движений г водных и воздушных потоках. Во втором случае непосредственный контакт датчика со средой отсутствует, и измеряемая характеристика поля определяется по косвенному воздействию на него, например через потоки излучения при измерениях температуры поверхности воды радиометрическими методами.

Аппаратура и методика для океанографических измерений должна обладать следующими общими качествами:

а) высокой чувствительностью всей измерительной системы к регистрируемой характеристике и малой зависимостью от влияния других факторов;

б) малой инерционностью измерительной системы для возможности регистрации быстрых колебаний измеряемой характеристики;

в) линейностью или возможностью компенсации нелинейных эффектов измерительной системой;

г) стабильностью, воспроизводимостью, простотой и надежностью всей измерительной системы, обеспечением максимального отношения полезного сигнала к шуму на выходе и возможностью представления сигнала в форме, удобной для автоматизированной обработки.

Выполнение всех этих требований зависит от характеристики исходного датчика — преобразователя сигнала. Физическими свойствами датчика определяются максимальная чувствительность, минимальная инерционность и пространственное разрешение всей системы. Поэтому при разработке аппаратуры и оценке ее достоинств главное внимание должно обращаться именно на первичный преобразователь.

Океанографические измерения подразделяются на два класса: стандартные и специализированные. К стандартным относятся измерения характеристик средних полей с единообразной аппаратурой и методикой, выполняемые на стационарных станциях, разрезах, полигонах, повторяемые в определенные сроки и ведущиеся длительное время. На их основе составляются карты распределения и атласы количественных характеристик фоновой изменчивости этих полей для региональных областей и всего Мирового океана и атмосферы в целом. Стандартные измерения — основной источник гидрометеорологической информации о прошлом состоянии океана и атмосферы и тенденции их изменения во времени. Они же служат для проверки теоретических моделей климата и погоды. Аппаратура, методика измерений и обработки подробно описаны в руководствах по таким измерениям и мы на них останавливаться не будем.

Специализированные измерения выполняются для детального исследования: турбулентности, тонкой структуры и микроструктуры, синоптической изменчивости, фронтальных зон и других, главным образом, короткопериодных колебаний характеристик различных полей. Для них разрабатываются оригинальная аппаратура и методика, иногда в единичных исполнениях, в зависимости от конкретных целей исследования и масштабов изучаемых процессов.