Методы измерения физических параметров морской среды
Океан — это динамичная и сложная природная система. Небольшие изменения температуры, солености, течений или высоты волн могут оказать существенное влияние на экосистемы, прибрежную погоду, безопасность судоходства и даже рыболовство и разведку ресурсов. Поэтому измерение физических параметров океана является важнейшей основой для океанографии, климатологии, морской инженерии и управления прибрежными районами. В этой статье рассматриваются часто измеряемые физические параметры океана и используемые методы, включая измерения на месте (непосредственно в полевых условиях), дистанционное зондирование и моделирование.
1. Наиболее часто измеряемые физические параметры океана
Физические измерения океана обычно сосредоточены на нескольких ключевых параметрах:
1. Температура: определяет плотность морской воды, стратификацию водной толщи и процессы теплообмена между океаном и атмосферой.
2. Соленость: Наряду с температурой определяет плотность, термохалинную циркуляцию и распределение водных масс.
3. Плотность и стратификация: Объясняет стабильность водной толщи и вертикальное перемешивание.
4. Океанские течения: влияют на перенос тепла, питательных веществ, осадочных пород и организмов.
5. Волны и приливы: Определите энергию волн в прибрежных зонах, абразию и риск приливных наводнений.
6. Уровень моря: индикатор изменения климата и динамики взаимодействия океана и атмосферы.
7. Прозрачность воды и оптические свойства (как связанные с ней физические параметры): влияют на проникновение света и первичную продуктивность.
Для каждого параметра требуются различные приборы и стратегии измерения в зависимости от целей, пространственно-временного масштаба и условий воды.
2. Метод полевых измерений (на месте).
а. CTD (проводимость–температура–глубина)
CTD-зонд — это стандартный океанографический прибор для измерения проводимости (которая преобразуется в соленость), температуры и давления (глубины). CTD-зонд опускается с судна с помощью лебедки, регистрируя вертикальный профиль от поверхности до определенной глубины. Преимуществами CTD-зонда являются высокое вертикальное разрешение и хорошая точность. Для обеспечения качества данных CTD-зонд часто комбинируется с отбором проб воды с помощью розеточного пробоотборника, содержащего батометр Нискина, что позволяет калибровать значения солености в лабораторных условиях.
б. XBT (расходный батитермограф)
Квадратные термометры (XBT) измеряют температурные профили в зависимости от глубины. В отличие от CTD-зондов (CTD), XBT являются одноразовыми и более практичны для быстрых исследований с движущихся судов. Однако XBT, как правило, не измеряют соленость и имеют присущие им неопределенности в оценке глубины, если скорость погружения зонда указана неверно.
c. ADCP (акустический доплеровский профилограф течений)
Акустодоплеровские измерители скорости и направления течения (ADCP) измеряют скорость и направление течения, используя принцип доплеровского сдвига акустических волн, отражающихся от частиц в воде. ADCP могут быть установлены в следующих случаях:
– На судах (судовые ADCP) для картирования течений вдоль курса,
– На якорной стоянке (стационарном якоре) для мониторинга долговременных течений,
– На морском дне (с помощью донного зонда) для наблюдения за вертикальной структурой течений.
Преимущество ADCP заключается в том, что он позволяет получать профили течений на многих глубинных слоях одновременно, что подходит для исследований циркуляции, апвеллинга и динамики эстуария.
d. Измеритель тока и дрейфующий измеритель.
Помимо ADCP, измерения течений можно проводить с помощью точечных измерителей течений (например, роторных или электромагнитных) и дрейфующих буев (плавучих устройств, следующих за поверхностными течениями). Дрейфующие буи особенно полезны для наблюдения за лагранжевыми закономерностями поверхностного переноса, такими как распределение загрязняющих веществ или движение водных масс вокруг океанографических фронтов.
т. диафрагма и датчик давления
Приливы и уровень моря измеряются с помощью приливных манометров на пляжах или в портах. В качестве датчиков могут использоваться механические буи, радары или датчики давления. В прибрежных районах датчики давления на морском дне могут регистрировать изменения давления, связанные с изменениями уровня воды и волнами. Данные о приливах необходимы для навигации, планирования портов и анализа приливных паводков.
f. Волновой буй и волновой радар
Волны измеряются с помощью волновых буев, которые регистрируют вертикальное движение и уклон поверхности моря. Полученные параметры включают значительную высоту волны (Hs), период и направление волны. В прибрежных районах волновые радиолокационные системы или радары X-диапазона могут отображать волновое поле и поверхностные течения вокруг определенной области.
g. Измерения оптических свойств: диск Секки и датчик PAR.
Прозрачность воды измеряется простым способом — с помощью диска Секки, белого диска, опускаемого до тех пор, пока он не перестанет быть виден. Этот метод недорог и быстр, хотя на него влияют условия освещения и субъективность наблюдателя. Для более детальных исследований используется датчик ФАР (фотосинтетически активного излучения) или турбидиметр для измерения проникновения света и мутности как индикаторов физического состояния воды.
3. Дистанционное зондирование
а. Спутник температуры поверхности моря (SST)
Спутники с инфракрасными и микроволновыми датчиками могут измерять температуру поверхности моря (ТПМ). Данные о ТПМ полезны для мониторинга крупномасштабных явлений, таких как Эль-Ниньо–Ла-Нинья, апвеллинг и температурные фронты. К преимуществам инфракрасных измерений относятся широкий охват и высокая частота, однако инфракрасные измерения затруднены из-за облаков и отражают только поверхностный слой.
б. Спутниковая альтиметрия для измерения уровня моря
Спутниковые альтиметры измеряют высоту поверхности моря, излучая радиолокационные импульсы и измеряя время их отражения. Это позволяет им определять аномалии уровня моря, связанные с геострофическими течениями и изменчивостью климата. Альтиметрия имеет решающее значение для понимания глобальной циркуляции, но ее разрешение ограничено в сложных прибрежных районах.
c. Спутники для измерения ветра и волн
Скорость ветра над морем можно оценить с помощью скаттерометров, а параметры волн — с помощью альтиметров и моделей ассимиляции данных. Эта информация широко используется в морском прогнозировании погоды и смягчении последствий стихийных бедствий.
d. Ограничения дистанционного зондирования
Дистанционное зондирование отличается широким пространственным охватом, но, как правило, отображает только поверхностные условия. Поэтому спутниковые данные в идеале должны быть подтверждены измерениями на месте, чтобы обеспечить точность и пригодность для дальнейшего анализа.
4. Швартовка, автоматические станции и долгосрочные наблюдения.
Для понимания долгосрочных тенденций необходимы непрерывные наблюдения. Якорные станции представляют собой систему приборов, установленных на утяжеленных тросах на морском дне и буях на поверхности. Такие приборы, как CTD-логгеры, ADCP и датчики температуры, могут записывать данные в течение месяцев или лет. В прибрежных районах автоматизированные станции (например, метеорологические и океанографические буи) могут отслеживать ветер, волны, температуру и течения в режиме реального времени, поддерживая системы раннего предупреждения и морские информационные службы.
5. Численное моделирование и ассимиляция данных
В дополнение к прямым измерениям, современная океанография опирается на численные модели для моделирования течений, температуры, солености и даже волн. Такие модели, как ROMS, HYCOM или SWAN, используют уравнения гидродинамики и работают на основе данных о ветре, приливах и граничных условиях. Для повышения точности модели используется ассимиляция данных, включающая в модель наблюдения (CTD-зонды, буи, спутники). Такой подход позволяет создавать более полные карты физических параметров океана, включая области, которые трудно измерить напрямую.
6. Проблемы и передовые методы
Измерение физических параметров океана сопряжено с такими проблемами, как коррозия от соленой воды, обрастание биоматериалами (прикрепление растений/организмов), погодные катаклизмы и быстрые временные изменения. Для повышения качества данных следует внедрить ряд передовых методов:
– Калибровка приборов до и после проведения обследования.
– Стандартизация процедур сбора данных,
– Контроль качества (проверка на наличие ошибок, скачков, дрейфа датчика),
– Сочетание методов (натурные + спутниковые + модель), дополняющих друг друга.
– Полные метаданные (время, местоположение, погодные условия, настройки инструмента), позволяющие воспроизводить и сравнивать данные.
заключение
Методы измерения физических параметров океана эволюционировали от простых приборов, таких как диски Секки, до сложных систем, таких как CTD-зонды, ADCP, автоматизированные буи и спутниковая альтиметрия. Каждый метод имеет свои преимущества и ограничения, поэтому выбор метода должен соответствовать целям исследования, масштабу наблюдений и полевым условиям. В эпоху изменения климата и роста морской активности интеграция измерений на месте, дистанционного зондирования и численного моделирования является наиболее эффективной стратегией для всестороннего понимания динамики океана и поддержки принятия решений на основе научных данных.
