1. Район эксперимента Основное внимание уделено акватории

НАБЛЮДЕНИЕ ПОДВЕТРЕННЫХ ВОЛН И ВИХРЕВЫХ СТРУКТУР
ЗА ПРИРОДНЫМИ ПРЕПЯТСТВИЯМИ В АТМОСФЕРЕ ПРИ ПОМОЩИ
РАДИОЛОКАЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ
М.И. Митягина, О.Ю. Лаврова, Т.Ю. Бочарова
Институт космических исследований РАН
E-mail: [email protected]
На основе данных дистанционного зондирования, полученных с помощью радиолокаторов с синтезированной апертурой, установленных на европейских спутниках ERS-1/2,
проведено теоретическое и экспериментальное исследование пространственно-временной
структуры и динамики волн, вихрей и вихревых дорожек, образующихся в атмосфере при
обтекании воздушными потоками гор на побережье. В качестве дополнительной информации привлекались гидрометеорологические данные, карты погоды и облачности.
1. Район эксперимента
Основное внимание уделено акватории Черного моря в районе г. Геленджик. Северовосточное побережье Черного моря является уникальным природным комплексом. Здесь
отроги Кавказских гор ближе всего подходят к морю. Вытянутый вдоль побережья хребет
Кавказских гор обладает сложной структурой с большим количеством узких долин, или
«щелей», выходящих к морю. Гористая береговая линия с многочисленными узкими расщелинами, выходящими к морю, выступающими скалами, закрытыми и полузакрытыми
бухтами служит постоянным источником генерации воздушных потоков разнообразных
форм, масштабов и устойчивости во времени. В зависимости от параметров воздушного
потока на РЛИ морской поверхности могут проявляться конвективные структуры, внутренние волны, струйные и грибовидные течения, запрепятственные волны, вихри и другие
атмосферные явления. Непосредственная близость морской поверхности делает возможным их проявление на РЛИ.
Во время экспериментов ИКИ РАН в 1999–2002 гг. [1] проводились космическая радиолокационная съемка со спутника ERS-2, съемка в инфракрасном и оптическом диапазонах со спутников серии NOAA, береговые оптические измерения и измерения основных
гидрометеорологических параметров с берега и буя. За этот период было получено
35 спутниковых РЛИ северо-восточной акватории Черного моря в районе Новороссийска –
Геленджика. На них идентифицируются многие интересные проявления воздушных потоков, в том числе потоков за береговыми препятствиями. Съемка проводилась на восходящих и на нисходящих витках спутника в разное время суток (утро — нисходящие витки;
вечер — восходящие витки) при разных гидрометеорологических условиях.
Проведена систематизация накопленных экспериментальных данных и сопоставление
радиолокационных образов проявлений подветренных структур в атмосфере с данными о
географическом расположении районов съемки, орографии, сопутствующих гидрометеорологических условиях, расположении зон фронтогенеза, конвекции, облачности и осадков,
возможных непосредственных источниках наблюдаемого возмущения, стратификации пограничного слоя океан – атмосфера.
2. Отражение пространственных вариаций поля ветра
в радиолокационных изображениях морской поверхности
Проведенный анализ показал, что радиолокационные изображения морской поверхности содержат большой объем информации о динамических процессах в атмосфере этого
района. Как правило, на одном изображении регистрируются поверхностные проявления
нескольких процессов и явлений. Ярким примером служит изображение, приведенное на
НАБЛЮДЕНИЕ ПОДВЕТРЕННЫХ ВОЛН И ВИХРЕВЫХ СТРУКТУР ЗА ПРИРОДНЫМИ ПРЕПЯТСТВИЯМИ…
347
рис.1. В левой нижней части снимка видны проявления атмосферных конвективных ячеек с
характерными размерами примерно 2 км. Относящиеся к тому же времени ИКизображения спутника NOAA отражают сходную структуру облачности. На РЛИ вдоль береговой линии отмечаются сигнатуры струйных потоков воздуха, выходящих из расщелин
и распространяющихся на расстояние до 5–8 км от берега. Фотосъемка с берега в течение
трех часов, предшествовавших моменту радиолокационной съемки, позволила отметить
последовательные стадии развития этих течений и выявить зависимость темпов развития и
пространственных характеристик струй от скорости и направления ветра. Кроме того, на
РЛИ видны поверхностные проявления двух грибовидных атмосферных вихрей (структуры
‘A’ и ‘B’).
Рис. 1. Фрагмент 100×70км радиолокационного изображения, полученного с помощью ERS-2 SAR в
районе Цемесской бухты 4 октября 1999 г. Отчетливо проявляются радиолокационные образы грибовидных течений, щелевых потоков и ячейковой конвекции
Решающую роль в формировании воздушных потоков играет стратификация пограничного слоя атмосфера — морская поверхность. Под устойчивой стратификацией будем
понимать ситуацию, когда вертикальный градиент температуры в приводном слое воздуха
не превышает сухоадиабатического. Это имеет место в том случае, когда тепловой поток
направлен от воздуха к воде, т.е. температура морской поверхности ниже, чем температура
прилежащего воздуха. При обратной ситуации можно говорить о неустойчивой стратификации пограничного слоя. Другим важным фактором является ветер — его скорость,
направление и длительность воздействия.
2.1. Внутренние волны в атмосфере
Сочетание устойчивой стратификации и сильного ветра с берега порождает обширное поле орографических внутренних атмосферных волн. Эти волны носят также название
стоячих, подветренных или феновых волн и представляют значительный интерес для диагноза течений большого масштаба [2]. Когда воздушный поток натекает, например, на пер348
М.И. МИТЯГИНА, О.Ю. ЛАВРОВА, Т.Ю. БОЧАРОВА
пендикулярный к нему горный хребет, то, по мере усиления ветра до 9–10 м/с и более, ламинарное обтекание переходит в волнообразное или в возникновение за хребтом подветренных вихрей. За счет того, что внутренние гравитационные волны в атмосфере модулируют приповерхностный ветер, который, в свою очередь, меняет параметры
поверхностного волнения, появляется возможность использовать радиолокационные методы для индикации и исследования внутренних волн в атмосфере над океаном. Известны
примеры регистрации и последующей интерпретации проявлений атмосферных внутренних волн на радиолокационных изображениях морской поверхности, см., например[3, 4].
Если рассмотреть задачу обтекания хребта с характерным пространственным масштабом r0 невязким устойчивым адиабатическим потоком со скоростью U при вертикальном градиенте температуры γ, то решение будет существенно зависеть от безразмерного
параметра ξ0:
ξ0 =
r0
U
g
rω
(γ0 − γ) = 0 ,
T
U
где ω — частота гравитационных колебаний Брента-Вясааля.
При ξ0 < 0,4 возникающие подветренные волны очень слабы.
При ξ0 = 1 (рис. 2) за хребтом возникают волны, в которых чередуются по высоте и по
горизонтали области восходящих и нисходящих движений.
При ξ0 > 2 за хребтом образуются замкнутые вихри.
Рис. 2. Орографическое возмущение течений воздуха хребтом цилиндрического профиля при ξ0 = 1.
Пунктиром обозначены линии тока, сплошная линия — линии равных w / | v |.
В метеорологии существует эмпирическое соотношение
λ
= aξ0−b exp( − cξ0 ) , где
r0
a = 7,5; b = 0,72 и c = 0,178; λ — расстояние между гребнями волн.
Возможность определения величины λ из радиолокационных данных позволяет проводить приближенные оценки параметров набегающего потока на основе дистанционных
наблюдений.
Иллюстрацией служит фрагмент РЛ-изображения, приведенный на рис. 3, на котором
отчетливо выделяются поверхностные проявления подветренных атмосферных внутренних
НАБЛЮДЕНИЕ ПОДВЕТРЕННЫХ ВОЛН И ВИХРЕВЫХ СТРУКТУР ЗА ПРИРОДНЫМИ ПРЕПЯТСТВИЯМИ…
349
волн с длиной волны около 2 км. Данное изображение было получено 11.08.2000 г., температура воздуха составляла 29 °С, температура воды — около 24 °С (т. е. наблюдалась устойчивая стратификация системы океан – атмосфера), скорость ветра достигала 10 м/с, порывы — до 17 м/с.
Рис. 3. Фрагмент 30×35 км радиолокационного изображения, полученного с помощью ERS-2 SAR в районе
Цемесской бухты 11 августа 2000 г. Пример проявления подветренных внутренних волн в атмосфере.
2.2. Струйные течения в атмосфере
На радиолокационных изображениях морской поверхности, полученных в районе
эксперимента, нередко регистрируются сигнатуры воздушных потоков, спускающихся по
расщелинам и распространяющихся в приповерхностном слое атмосферы. Подобные
струйные течения возникают при наличии провалов в рельефе местности. Их ширина в общем случае может варьироваться от десятков метров до ста километров и более, а высота от десятков метров до километра и более. Струйные течения характеризуются большим
сдвигом скорости ветра по вертикали. Скорость ветра, как правило, пропорциональна пе350
М.И. МИТЯГИНА, О.Ю. ЛАВРОВА, Т.Ю. БОЧАРОВА
репаду давления и достигает максимума на выходе из щелей. В качестве простейшего соотношения, связывающего вариации скорости ветра и давления, можно использовать уравнение Бернулли для ламинарного потока в канале постоянного наклона в отсутствие трения. Ускорение ветра, полученное таким способом, будет всегда сильно завышенным,
поскольку здесь не учитывается ни трение о поверхность, ни перемешивание воздушных
слоев на верхней границе потока [5].
При устойчивой стратификации и слабом стационарном ветре с берега наблюдаются
поверхностные проявления ветровых струй из расщелин береговой горной гряды протяженностью до 20 км, направление которых соответствует направлению среднего ветра.
Между струями могут возникать вихревые структуры с характерным размером, соответствующим расстоянию между соседними расщелинами (около 5 км). На рис. 4 представлен
пример РЛИ с четкими сигнатурами струйных потоков.
Рис. 4. Фрагмент 30×38 км радиолокационного изображения, полученного с помощью ERS-2 SAR
18 сентября 2000 г. Пример проявления щелевых потоков и вихрей в атмосфере
НАБЛЮДЕНИЕ ПОДВЕТРЕННЫХ ВОЛН И ВИХРЕВЫХ СТРУКТУР ЗА ПРИРОДНЫМИ ПРЕПЯТСТВИЯМИ…
351
В случае неустойчивой стратификации и ветре с побережья воздушные потоки из щелей, выходящих к морю, гораздо короче и не превышают 5 км. Между этими потоками
также образуются вихревые течения, ограниченные в размере расстояниями между соседними щелями.
2.3. Атмосферная конвекция
Для условий неустойчивой стратификации пограничного слоя характерны конвективные движения в атмосфере. Их проявления часто присутствуют на РЛИ морской поверхности. Они подразделяются на два вида — валы и ячейки [6]. Конвективные валы преобладают в условиях слабой неустойчивости, т.е. малой разницы температур воды и
воздуха, тогда как ячейки развиваются при более сильной неустойчивости.
Конвективные валы регистрируются на спутниковых РЛИ довольно редко [7]. Причина состоит, вероятно, в том, что периоды слабой неустойчивости сами по себе коротки, а
радиолокационная съемка со спутника производится через большие интервалы времени.
Если валы присутствуют на РЛИ, то, как правило, на этом же снимке на некотором расстоянии от них обнаруживаются и ячейки. На рис. 5 приведен пример такого снимка. Буквами a и b обозначены области, соответственно, слабой и сильной неустойчивости. В этом
случае у берега температура воздуха была 25,8 °C, а воды 26,1 °C, что обусловило режим
слабой неустойчивости и появление валов (a). Очевидно, что с удалением от берега разница
температур воды и воздуха росла и тем самым усиливалась неустойчивость пограничного
слоя океан – атмосфера, что привело к появлению конвективных ячеек (b).
Кроме того, степень интенсивности проявлений конвективных процессов в атмосфере
над океаном может зависеть от наличия загрязнений поверхности моря пленками поверхностно активных веществ [8]. В частности, на одном из РЛИ несмотря на неустойчивую
стратификацию приповерхностного слоя воздуха вблизи берега, наблюдается обширная (до
60 км шириной) область, в которой проявления конвективных ячеек значительно слабее,
чем вдали от берега. Возможно, это связано с выносом загрязнений из Цемесской бухты
(см. рис. 6).
Заключение
Полученные нами результаты показывают, что спутниковые РЛИ морской поверхности могут быть использованы для исследования закономерностей и особенностей атмосферных процессов над морем, а также процессов взаимодействия океана и атмосферы.
Они также могут быть полезны для уточнения метеорологических предсказаний и рекомендаций для судовой и самолетной навигации в конкретном районе.
Сложный горный рельеф побережья имеет определенные преимущества с точки зрения информативности данных радиолокационной съемки. Такой рельеф способствует возникновению различных процессов в приповерхностном слое атмосферы, а, следовательно,
увеличению количества их сигнатур на РЛИ.
Перспективным направлением работы представляется разработка методики извлечения количественной информации о параметрах воздушных потоков, обтекающих природные препятствия, по их проявлениям на РЛИ. Решение этой задачи предполагает установление взаимосвязи вариаций радиолокационного сигнала с геометрией сигнатур
запрепятственных потоков, скоростью и направлением потока, стратификацией среды и
особенностями топографии местности при различных сочетаниях угла визирования и направления ветра.
Данная работа выполнена при частичной финансовой поддержке международных
проектов CRDF RG1-2341-MO-02 и INTAS 03-51-4987.
352
М.И. МИТЯГИНА, О.Ю. ЛАВРОВА, Т.Ю. БОЧАРОВА
Рис. 5. Фрагмент 50×100 км радиолокационного изображения ERS-2 SAR, зарегистрированного 16 августа 2002 г. и содержащего радиолокационные образы атмосферных конвективных валов (а) и конвективных ячеек (b)
НАБЛЮДЕНИЕ ПОДВЕТРЕННЫХ ВОЛН И ВИХРЕВЫХ СТРУКТУР ЗА ПРИРОДНЫМИ ПРЕПЯТСТВИЯМИ…
353
Рис. 6. Фрагмент 60×75 км радиолокационного изображения ERS-2 SAR, зарегистрированного 15 августа
2000 г. Проявления конвекции ослаблены в районе Цемесской бухты предположительно из-за выноса
загрязнений
Литература
1. Кравцов Ю.А., Булатов М.Г., Кузьмин А.В., Митягина М.И., Поспелов М.Н., Раев М.Д., Скворцов Е.И., Трохимовский Ю.Г., Есин Н.В., Никитин О.Р., Сабинин К.Д., Фурдуев А.В. Микроволновое зондирование морской поверхности: результаты экспедиций
ИКИ РАН 1999 и 2000 гг. // Вестник РФФИ. 2001. № 1(23). С. 32–42.
2. Хргиан A.X. Физика атмосферы. Т. 1, 2. Л.: Гидрометеоиздат, 1978.
3. Спиридонов Ю.Г., Пичугин А.П., Шестопалов В.П. Радиолокационные наблюдения
из космоса атмосферных внутренних гравитационных волн // ДАН СССР. 1987. Т. 296.
№ 2. С. 317–320.
354
М.И. МИТЯГИНА, О.Ю. ЛАВРОВА, Т.Ю. БОЧАРОВА
4. Alpers W., Stilke G. Observaytion of a nonlinear wave disturbance in the marine atmosphere by the synthetic aperture radar aboard the ERS-1 satellite // J. Geophys. Res. 1996. V. 101.
N C3. P. 6513–6525.
5. Госсард Дж., Хук У. Волны в атмосфере. М.: Мир, 1979.
6. Mityagina M.I., Bocharova T., Lavrova O.Y., Pungin V. Intensity of atmospheric motions
in the MABL retrieved from ocean surface radar imagery // Proc. SPIE Intern. Soc. Opt. Eng.
4899. 2003. P. 124–131.
7. Alpers W., Brummer B. Imaging of atmospheric boundary layer rolls by the synthetic aperture radar abord the european ERS-1 satellite // Proc. of IGARSS’93, Tokyo, 1993. P. 540–542.
8. Булатов М.Г., Кравцов Ю.А., Кузьмин А.В., Лаврова О.Ю., Митягина М.И., Раев М.Д., Скворцов Е.И. Микроволновые исследования морской поверхности в прибрежной
зоне (Геленджик 1999-2000). М.: КДУ, 2003. 143 с.
НАБЛЮДЕНИЕ ПОДВЕТРЕННЫХ ВОЛН И ВИХРЕВЫХ СТРУКТУР ЗА ПРИРОДНЫМИ ПРЕПЯТСТВИЯМИ…
355