книги из ГПНТБ / Монин А.С. Изменчивость мирового океана

p. 161—179.

11.B j e r k n e s J. Atmosphere-ocean interaction during the "Little Ice Age" (se­ venteenth to nineteenth centuries A. D.). WMO—IV66 Symposium on Rese­ arch and Development Aspects of Long-Range Forecasting, WMO Tech. Note, 1965, No. 66, p. 77—88.

1.4. Методы наблюдения изменчивости океана

Масштабы изменчивости океанологических полей меня­ ются по времени от секунд и по меньшей мере до тысячелетий и по

океана. В то же время представление о пространственно-временном спектре данного океанологического поля, рассматриваемого как случайная функция от пространственных координат и времени, весьма полезно для разработки стратегии океанологических изме­ рений.

странственно-временных масштабах этой изменчивости. Например, для изучения мелкомасштабных явлений (турбулентность, поверх­ ностные и внутренние волны, тонкая структура термохалоклина) следует применять определенный класс малоинерционных приборов и небольшие пространственно-временные масштабы наблюдения, а для исследования синоптической изменчивости могут быть приме­ нены стандартные океанографические приборы с масштабами на­ блюдения порядка месяцев и сотен километров. Измерения необхо­ димо планировать так, чтобы они давали статистически значимые

20

результаты, что обеспечивается правильным выбором интервала дискретности и продолжительности наблюдений. Обычно полагают, что 4At^P^nAt/lO, где Р — период изучаемых нами колебаний,

ьAt— интервал дискретности наблюдений, п — общее число наблю­ дений.

При этом следует иметь в виду, что дискретизация наблюдений приводит к нежелательному явлению элиазинга (маскировки), за­ ключающемуся в том, что оценка истинной амплитуды колебаний

Рис. 1.4.1. Схема пространственно-временного спектра изменчивости тем­

с периодом Р искажается существующими в наблюдаемом процессе колебаниями с более короткими периодами Pm = PAt/(mP±&.t), т = = 1, 2, .. . (рис. 1.4.2). Практически это явление можно исключить путем выбора определенного соотношения между интервалом дис­ кретности и постоянной времени прибора [2].

Важным фактором планирования и выбора методики исследо­ ваний изменчивости океана является объем необходимых сил и средств, т. е. экономичность. Например, для изучения междугодич­ ной изменчивости океана естественно выбрать путь, проделанный метеорологами на суше, т. е. покрыть весь Мировой океан опти­ мально густой сетью стационарных океанографических станций, действующих многие годы. При этом первые оценки междугодичной изменчивости будут получены не ранее чем через 10—15 лет. Если

21

такая сеть должна покрывать каждый двухградусный квадрат Ми­ рового океана, то необходимо использовать около 7000 океаногра­ фических станций, ежегодная эксплуатация которых будет обхо­ диться в несколько миллиардов рублей. Очевидно, что это слишком дорогостоящий метод, и представляется реалистичным планиро­ вать сеть лишь из нескольких сотен станций, размещенных на аква­ ториях с предположительно наибольшей изменчивостью и наибо­ лее важных в практическом отношении.

At =20мин

кг

At=10MUH

Рис. 1.4.2. Спектральные плотности (спектры) температурных флюктуации, построенные по одному и тому же ряду наблю­ дений, но с разными интервалами дискретности Д< (данные фототермографных наблюдений в термоклине тропической Атлантики).

Рисунок любезно предоставлен в наше распоряжение К. Д. Сабининым.

В настоящее время в Межправительственной океанографиче­ ской комиссии (МОК) ЮНЕСКО и Всемирной Метеорологической Организации (ВМО) разрабатывается проект объединенной гло­ бальной системы океанических станций (ОГСОС), предназначен­ ной для оперативного учета океанологических условий и обес­ печения задач всемирной службы погоды. Для изучения изменчи­ вости океана в целях обеспечения практических запросов наибольший интерес представляет измерение следующих характе­ ристик: течений, температуры и солености воды, ветровых и внут­ ренних волн, турбулентности, скорости звука, электропроводности воды, оптических характеристик воды, уровня моря, приливов, ле­ довых условий.

Международный рабочий комитет по ОГСОС, организованный в 1969 г. при Межправительственной океанографической комиссии

22

ЮНЕСКО, уже провел большую подготовительную работу. Для разработки ОГСОС установлены следующие принципы:

1) ОГСОС должна быть глобальной океанической системой и должна состоять из национальных средств, обеспечиваемых участ­ вующими странами при координации и поддержке со стороны МОК и других отделов ЮНЕСКО, ВМО и других международных и ре­ гиональных организаций;

2) ОГСОС должна удовлетворять оперативным и исследователь­ ским потребностям, согласованным участвующими странами, и должна использовать наиболее современную технику наблюдения, связи и обработки;

3)ОГСОС должна быть динамичной системой, с достаточной гибкостью приспосабливающейся к научно-техническим достиже­ ниям;

4)ОГСОС должна планироваться и эксплуатироваться в тесном взаимодействии со всемирной службой погоды и с работами по Программе исследований глобальных атмосферных процессов (ПИГАП). Информация, собираемая ОГСОС, должна предостав­ ляться в распоряжение всех стран, и притом в форме, удобной для использования.

Составными частями ОГСОС будут являться глобальные си­ стемы наблюдений, телесвязи, обработки,- хранения и распростра­

(ледяные поля, дрейфующие буи и др.), системы спутников и под­ водные кабели, используемые для океанографических наблюдений, попутные наблюдения с судов и самолетов. Средства телеуправле­ ния и связи ОГСОС должны обеспечивать систематический техни­ ческий контроль автоматических средств наблюдения, сбор океано­ графической и сопутствующей метеорологической информации на наблюдательных станциях и передачу ее в центры сбора и обра­ ботки данных. План распределения выделенных для нужд океано­ графии частот должен основываться на схеме размещения глобаль­ ной сети наблюдений, характере технических средств связи и условиях прохождения радиоволн. Всемирная административная конференция по радио (ВАКР) с июля 1969 г. выделила для пере­ дачи океанографических данных следующие шесть частотных по­ лос: 4162,5—4166,0, 6244,5—6248,0, 8328,0—8331,5, 12479,5—12483,0, 16636,5—16640,0, 22160,5—22164,0 кГц.

В 1969 г. на V I сессии МОК была утверждена программа первой стадии ОГСОС, которая включает организацию систематического сбора данных попутных судовых гидрометеорологических наблюде­ ний со всех исследовательских, торговых и промысловых судов, про­ ведение в течение 1972 г. эксперимента по сбору и обмену термоба-

23

второй стадии ОГСОС, осуществление которой определяется сро­ ками готовности технических средств. Не менее важной проблемой второй стадии ОГСОС является разработка принципов и методов планирования оптимального размещения буйковых океанографиче­ ских станций. Авторы надеются, что настоящая книга сможет по­ служить исходной теоретической базой для планирования исследо­ ваний ОГСОС.

Мы не будем здесь рассматривать используемые в океанологиче­ ских исследованиях приборы, технические средства и методические приемы, а отошлем читателя, например, к «Руководству по гидро­ логическим работам в океанах и морях» [3]. Рассмотрим лишь не­ которые вопросы тактики исследований изменчивости океана в со­ ответствии с изложенной выше классификацией.

Для изучения мелкомасштабной изменчивости целесообразно измерять флюктуации полей температуры, скорости звука, электро­ проводности, оптических свойств и ветровые волны. Здесь не требу­ ется измерений на больших акваториях океана, и статистически зна­ чимые ряды могут быть накоплены в течение периодов от несколь­ ких минут до нескольких часов. Изучение мелкомасштабных явлений целесообразно провести в ряде точек океана, типичных в климатическом и динамическом отношении. Для таких исследо­ ваний удобным средством могут быть «искусственные острова» или «океанографические башни», а также дрейфующие или заякорен­ ные океанографические станции типа «ФЛИП» или обитаемого буя Кусто, имеющие минимальную амплитуду вертикальных колебании (не более нескольких сантиметров) при штормовом волнении. Ос­ новным требованием к аппаратуре для подобных измерений явля­ ется малоинерционность и малогабаритность датчиков.

приливообразующими силами Луны и Солнца и инерционными коле­ баниями, зависящими от географической широты. Таким образом, мезомасштабные явления должны изучаться во всех климатических зонах океана. Наиболее рациональным путем изучения мезомасштабных явлений следует признать выполнение многосуточных на­ блюдений с «искусственных островов» или заякоренных буйковых станций, снабженных измерителями основных гидрологических ха­ рактеристик. По-видимому, именно для изучения мезомасштабных явлений удобны свободно дрейфующие притопленные поплавки нейтральной плавучести с телеметрией, разработанные Своллоу. Для изучения приливов очень перспективны длительные постановки донных мареографов.

Синоптическая изменчивость океана связана с образованием в нем волн Россби и вихрей с масштабами в десятки и сотни кило­ метров. Гидродинамическая неустойчивость течений и влияние рельефа дна приводят к меандрированию течений. Изучение этих явлений требует организации продолжительных измерений (по меньшей мере порядка 3—б месяцев) на больших площадях океана. Такие измерения целесообразно проводить методом «гидрофизиче-

24

ских полигонов», т. е. методом постановок на длительное время кус­ тов заякоренных буйковых станций с измерителями течений и тем­ пературы . Каждый такой полигон может служить макетом будущей

будут описаны в главе 5) и особенно эксперимент на советском гидрофизическом полигоне в 1970 г. в тропической Атлантике пока­ зали большую перспективность этого способа изучения синоптиче­ ской изменчивости океана.

Учитывая трудоемкость и большую стоимость подобного рода океанографических работ, океанологические исследования методом долговременных гидрофизических полигонов должны проводиться избирательно, в различных в климатическом и динамическом отно­ шении районах Мирового океана. К таким районам в первую оче­ редь следует отнести зоны сильных пограничных течений, океаноло­ гические фронты, области подъема и опускания вод.

Для изучения сезонной и междугодичной изменчивости физиче­ ских полей в океане необходимы многолетние наблюдения в посто­ янных пунктах или районах океанов. Практически здесь применя­ ются выборочные наблюдения с дискретностью порядка месяца или даже 3—6 месяцев, в зависимости от климатической зоны (напри­ мер, в экваториальной зоне, где годовой ход гидрофизических ха­ рактеристик невелик, для изучения междугодичной изменчивости считается достаточным иметь наблюдения, выполненные в летний и зимний сезоны). При этом возникает проблема исключения иска­ жающего влияния короткопериодных колебаний. Например, для ис­ ключения приливных и инерционных колебаний достаточно ежечас­ ных наблюдений в течение нескольких суток. При производстве измерений на океанографических разрезах исключение короткопе­ риодных возмущений может быть достигнуто специальным разме­ щением станций и горизонтов наблюдений, а также сглаживанием данных, например, по методике, разработанной Кошляковым [4].

Наконец, оценку сезонной и междугодичной изменчивости основ­ ных гидрофизических полей (температуры, солености, скорости те­ чения) можно проводить по интегральным характеристикам тепло- и солесодержания вод, определяемым, например, раз в месяц или

чете интегральных характеристик автоматически исключается вли­ яние мелкомасштабной изменчивости. Кортом [6] был предложен проект изучения междугодичной изменчивости теплового режима Северной Атлантики на базе «стандартных термических разрезов». На рис. 1.4.3 показана схема стандартных термических разрезов, распространенная на весь Мировой океан; в ее основу положены существующие в океанах стандартные разрезы, наблюдения на которых выполняются более или менее систематически, а также дополнительные разрезы, наблюдения на которых следовало бы организовать, чтобы получить достаточно полное представление о

25

теплообмене в океанах. Существенным требованием к наблюдениям на термических разрезах является выполнение их в единые периоды времени. Длина термических разрезов должна перекрывать макси­ мальную амплитуду горизонтальных меандров течений. Наблюде­ ния за температурой (а в случае использования термосолезондов и за соленостью) должны проводиться до нижней границы бароклинного слоя океана. Сбор информации по такой сети термических раз­ резов потребует затраты минимальных усилий и средств и может выполняться по календарю «гидрологических дней» как исследова­

Рис. 1.4.3. Схема размещения стандартных термических разрезов в Мировом океане.

/ — существующие стандартные разрезы, 2 — проектируемые.

В последние годы в оперативную практику вошло составление и передача по радио ряда оперативных карт (например, температуры поверхности океана, волнения и т. д.). В качестве примера на рис. 1.4.4 показана карта средней декадной температуры воды на по­ верхности океана (по данным термобатиграфных наблюдений, со­ бираемых на ходу рыбопромысловыми и торговыми судами).

В табл. 1.4.1 приводится краткая сводка данных, передаваемых

Широкие перспективы для исследования Мирового океана и ос­ воения его ресурсов открывает использование искусственных спут­ ников Земли (ИСЗ). Помимо их значения для навигации судов (спутниковая навигация может обеспечить определение места судна

26

Т а б л и ц а 1.4.1. Сводка океанографической информации и прогнозов, передаваемых различными странами

ежесуточно

28

29