Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2022, T. 503, № 2, стр. 166-171

В течение последних трех десятилетий в развитых странах мира в приоритетном порядке развиваются исследования в области оперативной океанологии – новой ветви океанологической науки. Результатом развития оперативной океанологии являются создание сети оперативных наблюдений и внедрение систем прогноза состояния морской среды, своеобразных “служб погоды” в Мировом океане [1]. Наблюдательная и прогностические системы дают надежную информацию о трехмерных полях температуры и солености морской воды, а также скорости течений в любой точке Мирового океана [2]. Знание текущего состояния морской среды позволяет повысить эффективность принятия управленческих решений при реализации проектов промышленного освоения ресурсов Мирового океана и обеспечивать безопасность морского судоходства.

Созданная в последнее время глобальная сеть оперативных наблюдений основывается на сочетании дистанционных наблюдений с ИСЗ и контактных наблюдений со свободно-дрейфующих платформ. Использование автономных свободно-дрейфующих платформ в качестве носителей измерительных комплексов существенно сокращает стоимость обслуживания наблюдательной сети. Комбинация контактных наблюдений, производящихся на поверхностных дрейфующих буях (дрифтерах), и дистанционных наблюдений поверхности океана в ИК-диапазоне спектра позволяет с высокой точностью восстанавливать глобальное распределение температуры поверхности океана (ТПО). Наблюдения ТПО исключительно важны для производства качественных морских прогнозов, поскольку даже лучшие модели метеорологических прогнозов воспроизводят потоки тепла на океанской поверхности с заметными погрешностями. Еще большей проблемой является надежное воспроизведение влагообмена атмосферы и океана моделями оперативных метеорологических прогнозов. В итоге возникают заметные сложности в точности расчета поверхностной солености в моделях морских прогнозов. Частичное решение этой проблемы дают спутниковые измерения поверхностной солености по данным дистанционных измерений с ИСЗ в микроволновом диапазоне спектра электромагнитного излучения океана [3]. Однако эти наблюдения имеют довольно грубое пространственное разрешение, что не позволяет с хорошей подробностью воспроизводить характеристики фронтальных разделов в океане. Кроме того, использование микроволновых наблюдений затруднительно в прибрежных районах, окраинных и внутренних морях, т.к. боковые лепестки радиометров захватывают сушу и вносят неконтролируемые погрешности.

В этой связи перспективным подходом для наблюдений поверхностной солености является использование дрифтеров. Сеть дрифтеров-солемеров должна дать такой же эффект в оперативном уточнении распределения солености поверхностного слоя моря, как и при измерениях ТПО. Данные наблюдений с дрифтеров позволяют проводить наблюдения с высоким временным разрешением, что выгодно отличает их от буев-профилемеров программы АРГО, восстанавливающих профиль солености раз в семь–десять дней и не всегда в приповерхностном слое моря. Высокое временное разрешение дает возможность фильтровать высокочастотные сигналы, возмущающие данные измерений с буев-профилемеров и достоверно воспроизводить характеристики поверхностных халинных фронтов. Таким образом, размещение на дрифтерах надежных средств наблюдений солености морской воды дает возможность значительно повысить точность восстановления поверхностной солености и соответственно улучшить качество воспроизведения влагообмена атмосферы и океана в моделях морских и метеорологических прогнозов.

Однако проведение долговременных автономных наблюдений солености морской воды традиционными измерительными средствами оказывается затруднительным. В реализованных на настоящее время дрифтерах-солемерах [4–8], где соленость вычисляется традиционным методом по данным прямых измерений электропроводимости и температуры, наиболее часто используются модули SBE 37 или SBE 47 (Sea-Bird Electronics, США). Характеристики этих модулей позволяют вычислять соленость с погрешностью не более 0.003‰. Однако реальная погрешность определения солености оказывается много большей и может достигать нескольких промиллей согласно данным работ [4–7]. В отмеченных работах выделяются как долговременные тренды характеристик измерителей по причине загрязнения и биологического обрастания измерительной ячейки датчика электропроводимости, так и выбросы, связанные с попаданием пузырьков воздуха. Используя доступные наблюдения со спутников или буев Арго, удается провести отбраковку или коррекцию наблюдений с дрифтеров [4]. К сожалению, эти процедуры не допускают автоматической обработки [5].

Альтернативный метод вычисления солености основан на прямых измерениях скорости звука [8, 9], однако из-за низкой точности таких измерений его реализация до недавнего времени не находила широкого применения на практике. В последние годы появилась возможность использования высокоточных измерителей скорости звука, что существенно меняет ситуацию.

В Морском гидрофизическом институте РАН в рамках государственного задания по теме “Развитие методов и средств оперативной океанологии для исследований изменчивости полей Черного моря” Программы фундаментальных научных исследований президиума РАН № 20 “Новые вызовы климатической системы Земли” на 2019 г. на основе высокоточного измерителя скорости звука разработан новый измерительный комплекс, позволяющий при относительно невысокой стоимости проводить качественные автономные наблюдения поверхностной солености с сохранением метрологических характеристик измерительных каналов в условиях загрязнения, биологического обрастания и других воздействующих факторов в течение длительного времени. Соленость при этом вычисляется по результатам измерений скорости звука и температуры морской воды [10].

В измерителе скорости звука, SVT-модуле, используется двухбазовый акустический датчик, конструкция которого позволяет обеспечить его защиту от биологического обрастания простыми пассивными методами. При финансовой и технической поддержке научно-производственного предприятия ООО “Марлин-Юг” были проведены долговременные лабораторные и натурные испытания модуля SVT при интенсивном биологическом обрастании. По результатам лабораторных испытаний установлено, что диапазон отклонений результатов измерений скорости звука составил ±0.02 м/с, погрешность измерений температуры – не более 0.004°С, а диапазон отклонений результатов вычислений солености в морской воде ±0.03‰ [11]. Таким образом, разработанный новый измерительный модуль SVT, будучи размещенным на дрифтере, является перспективным инструментом для долговременных автономных наблюдений поверхностной солености с высоким временным разрешением.

После завершения лабораторных и натурных испытаний модули SVT были установлены на два автономных дрифтера-солемера SVT-SSS, изготовленных ООО “Марлин-Юг” за счет средств проекта государственного задания. Внешний вид дрифтера-солемера показан на рис. 1 слева вверху. SVT-модули расположены на горизонтах 3 м (SVT-SSS № 3) и 5 м (SVT-SSS № 4). Как видно на рис. 1, изготовленные дрифтеры имеют простейшую конструкцию. Выбранный сознательно упрощенный дизайн позволяет проводить измерения в водных массах с различными термохалинными свойствами, поскольку на дрифтер помимо морских течений воздействует ветер.

Рис. 1.

Внешний вид дрифтера-солемера SVT-SSS (вверху слева) и траектории дрейфов дрифтеров SVT-SSS № 3 и № 4 на 02.08.2021.

Оба дрифтера были запущены 14.04.2021 в восточной части Черного моря. В течение их автономного дрейфа в реальном масштабе времени через систему “Иридиум” с интервалом 1 ч передавались результаты синхронных измерений скорости звука, температуры и рассчитанной по этим параметрам солености в приповерхностном слое моря. Траектории дрейфа буев представлены на рис. 1. Буй SVT-SSS № 4 передавал измерения вплоть до 9.05.2021. Буй SVT-SSS № 3 продолжает проводить измерения более четырех месяцев.

В течение всего времени совместных наблюдений двух буев температура как на глубине 3 м, так и на глубине 5 м демонстрировала линейный рост во времени в силу сезонного прогрева. Отметим, что скорость прогрева на глубине 5 м была несколько меньшей, чем на глубине 3 м. Отклонения значений температуры от линейного тренда представлены на рис. 2а. На рисунке видны синхронные колебания этих отклонений на двух горизонтах, где проводились измерения. На рис. 2б представлена восстановленная соленость воды в течение всего времени совместных наблюдений.

Рис. 2.

Отклонения температуры морской воды от линейного тренда (а); изменение солености морской воды (б). Черная линия – на глубине 3 м, синяя линия – на глубине 5 м.

На этом рисунке видно, что колебания солености на двух горизонтах также происходят почти синхронно вплоть до 5 мая. Синхронность колебаний температуры и солености по измерениям на обоих буях показывает, что они все это время находились в водных массах с близкими термохалинными характеристиками. Это позволяет провести оценку точности измерений солености. С этой целью вычислена разность синхронных наблюдений солености на двух глубинах. В среднем соленость на глубине 5 м оказалась выше ее значения на глубине 3 м на 0.04‰. Это указывает на наличие небольшого вертикального градиента солености в верхнем слое моря. Среднеквадратичное отклонение при этом оказалось равным 0.0156‰. Предполагая полную однородность водной массы, в которой дрейфовали буи, и независимость ошибок измерений каждого из датчиков, получим оценку точности измерений в 0.011‰. Это значение хорошо соответствует диапазону отклонений результатов вычислений солености в морской воде в ±0.03‰, полученному на основе предварительных лабораторных и натурных испытаний.

Как отмечалось выше, буй SVT-SSS № 3 продолжает успешную работу более четырех месяцев. Накопленный длинный ряд прямых наблюдений солености поверхностного слоя вод Черного моря позволяет продемонстрировать эффективность предлагаемого измерительного комплекса для повышения качества оперативных морских прогнозов. На рис. 3 приведено изменение солености морской воды по данным измерений дрифтером-солемером в сопоставлении с аналогичными значениями солености морской воды на горизонте 2.5 м, построенными на основе анализов службы морских прогнозов программы “Коперник” (Copernicus Marine Environmental Monitoring Service, CMEMS) [12].

Рис. 3.

Наблюденные (черная линия) и восстановленные по данным анализов CMEMS (синяя линия) изменения солености поверхностного слоя вод Черного моря вдоль траектории движения дрифтера SVT-SSS № 3 с середины апреля по начало августа 2021 г.

На рис. 3 видно, что общие тенденции изменения солености поверхностного слоя вод Черного моря вдоль траектории дрейфа буя достаточно хорошо соответствуют друг другу. В мае, когда дрифтер находился вблизи центра восточного круговорота, соленость поверхностных вод имеет наибольшие значения. В обоих наборах данных выделяется пересекаемый дрифтером фронтальный раздел со значительным понижением солености. Затем, по мере смещения дрифтера к центру западного круговорота, наблюдается постепенное повышение солености вдоль траектории буя.

Однако следует отметить ряд существенных отклонений анализов CMEMS от наблюдений с дрифтера, возможно, обусловленных качеством воспроизведения влагообмена в метеорологических прогнозах, используемых в качестве граничных условий в модели циркуляции вод Черного моря. Так, соленость вблизи центра восточного круговорота по данным анализов CMEMS оказывается завышенной примерно на 0.3–0.5‰, что весьма существенно. Также заметно превышение солености по результатам анализов CMEMS над наблюдениями при продвижении буя к центру западного черноморского круговорота примерно на 0.3‰. На графиках, представленных на рис. 3, видно также, что результаты анализа CMEMS неточно воспроизводят положения выделяющихся по наблюдениям фронтальных разделов, причем отдельные фронты вообще не воспроизводятся. В итоге в этих районах рассчитанная в анализах соленость отличается от наблюденной на несколько десятых промилле. На рис. 3 видно также, что прогностическая модель, используемая в CMEMS, завышает ширину фронтов. Развертывание сети дрифтеров-солемеров предложенной уникальной конструкции, позволяющих проводить долговременные измерения солености морской воды с хорошей достоверностью, позволит посредством ассимиляции избавить морские анализы и прогнозы от подобных ошибок и таким образом значительно повысить их качество.