Актуальность.
В последнее время все большую распространенность получают дистанционные средства исследования состояния поверхности Земли и в частности поверхности океана. Спектр задач по изучению океана чрезвычайно широк, от исследований мезомасштабных процессов, до изучения динамики его глобального уровня. До недавнего времени для решения подобных задач использовались контактные методы измерения различных океанологических характеристик с помощью научноисследовательских судов, а также дрейфующих платформ.
Появление спутниковых систем изучения океана позволило существенно улучшить качество информационного обеспечения океанографического мониторинга, поскольку методы дистанционного зондирования имеют преимущество перед традиционными контактными методами. В первую очередь из-за оперативности получения данных, охватывающих весь регион исследований практически в режиме «реального времени».
На настоящий момент методы дистанционного зондирования поверхности океана, предназначенные для определения динамических характеристик морской поверхности, можно разделить на три группы: оптические, инфракрасные и микроволновые. Последние, к которым относится и спутниковая альтиметрия, имеют ряд серьезных преимуществ перед оптическими и инфракрасными методами исследований, главное из которых — всепогодность. Для микроволновых исследований облачность не представляет собой серьезной преграды, поэтому спутниковая альтиметрия может применяться в любых погодных условиях.
Главная характеристика динамики морской поверхности, измеряемая при помощи спутниковых альтиметров — аномалии высоты морской поверхности океана, на основе которых можно рассчитать скорость и направление течений водных масс в геострофическом приближении.
Данные спутниковых альтиметров представляют собой набор измерений вдоль трека спутника с дискретностью примерно 7 км. Расстояние между соседними по времени треками для наиболее точного альтиметрического спутника TOPEX/POSEIDON составляет порядка 28°, причем минимальное время покрытия исследуемого региона альтиметрическими данными составляет почти 10 суток. Таким образом, для того, чтобы построить карту аномалий высот морской поверхности требуется проводить процедуру пространственной и временной интерполяции альтиметрических данных.
Пространственные размеры и время жизни мезомасштабных структур на средних широтах в океане находятся в пределах 50−100 км и 10−100 дней. К сожалению, на данный момент невозможно восстанавливать мезомасштабные структуры с хорошей точностью, используя данные только одного спутникового альтиметра, независимо от используемого метода интерполяции альтиметрических данных. Подобная особенность обработки информации обусловлена тем, что при разработке альтиметрических миссий было необходимо достигнуть компромисса по расстоянию между подспутниковыми треками спутника на поверхности и длинной изомаршрутного цикла. Например, для того чтобы разрешить структуру на поверхности океана размером 50-км на средних широтах, нужно использовать изомаршрутный цикл альтиметрического спутника длительностью около 2-х месяцев, что, несомненно, сильно усложнит задачу реконструкции исследуемой океанографической структуры по времени.
Поскольку сигнал спутникового альтиметра проходит через атмосферу и отражается от мгновенного уровня морской поверхности, необходимо учитывать специализированные поправки к альтиметрическому сигналу: атмосферные и на состояние подстилающей поверхности. Самой большой по амплитуде значений для альтиметрических данных является поправка на приливы. Существует несколько стандартных моделей приливных поправок (CSR 3.0, FES 95.2, GOT 99), которые позволяют убирать приливную составляющую из альтиметрических данных. Однако глобальные поправки не всегда одинаково хорошо работают во всех районах мирового океана, особенно в прибрежной зоне и в динамически активных акваториях.
Следовательно, поиск метода, обеспечивающего наименьшие ошибки интерполяции альтиметрических данных при реконструкции карт аномалий высоты поверхности океана и потенциального расчета геострофических течений, а также разработка методики его использования весьма актуальны.
Для того, чтобы провести детальную настройку алгоритма интерполяции и всестороннего изучения вопроса о количестве альтиметрических спутников, необходимых для уверенного разрешения мезомасштабных структур в океане, требуется провести численное моделирование работы предлагаемой методики на «псевдо альтиметрических» шаблонах данных спутников, спроектированных при помощи орбитальных моделей. Поскольку приливные поправки существенно влияют на достоверность данных, получаемых спутниковыми альтиметрами, требуется также оценить качество работы стандартных приливных моделей в выбранном регионе исследований и, при необходимости, предложить более эффективный способ устранения приливной составляющей из альтиметрических измерений. Цель работы.
Целью данного исследования является разработка и создание методики расчета карт аномалий высот морской поверхности методом интерполяции спутниковых альтиметрических данных сплайнами типа «тонкой пластины». Задачи исследования 1. Определение оптимальных параметров методики восстановления мезомасштабной изменчивости океана с минимально возможными ошибками;
2. Проведение численного моделирования по реконструкции различных заданных поверхностей методом интерполяции сплайнами типа «тонкой пластины»;
3. Определение разрешающей способности метода сплайн-интерполяции по восстановлению структур на поверхности океана;
4. Обоснование необходимого минимума альтиметрических спутников, данные которых необходимо использовать для уверенной реконструкции мезомасштабных структур на поверхности океана;
5. Разработка метода устранения приливной компоненты из альтиметрических данных;
6. Проведение проверки достоверности карт аномалий высот поверхности океана по картам аномалий, реконструированных методом «объективного анализа», а так же картам концентрации хлорофилла «а» и температуры поверхности океана.
7. Реконструкция карт геострофических течений по спутниковым альтиметрическим данным;
8. Оценка возможности комплексного использования данных дистанционного зондирования океана и данных промысловой статистики при практическом использовании результатов диссертационной работы.
Научная новизна.
1. Впервые проанализирована возможность применения метода интерполяции альтиметрических данных сплайнами типа «тонкой пластины» для реконструкции карт аномалии морской поверхности;
2. Разработана методика восстановления карт аномалий морской поверхности методом интерполяции сплайнами «тонкой пластины» по данным спутниковой альтиметрии;
3. Впервые проведен численный эксперимент по восстановлению различных поверхностей методом интерполяции сплайнами «тонкой пластины» по данным «псевдо» альтиметрических шаблонов данных различных спутниковых систем;
4. Разработан метод прямого устранения приливной компоненты из спутниковых альтиметрических данных.
Практическая ценность работы.
Практическая ценность работы состоит в создании предложенной методики восстановления карт аномалий высоты морской поверхности сплайнами типа «тонкой пластины». Данная методика позволяет реконструировать мезомасштабные структуры в океане с приемлемой точностью и небольшими ресурсными вычислительными затратами, а также получать карты геострофических течений. Подобные карты позволяют непосредственно решать различные океанографические, океанологические, климатологические и другие задачи. Разработанная методика внедрена в Атлантическом научно-исследовательском институте рыбного хозяйства и океанографии (АтлантНИРО) и Сахалинском научно-исследовательском институте рыбного хозяйства и океанографии (СахНИРО), что подтверждается актами о внедрении.
Положения, выносимые на защиту.
1. Результаты анализа применения метода сплайнов «тонкой пластины» для восстановления карт аномалий морской поверхности по данным спутниковой альтиметрии;
2. Методика реконструкции карт аномалии высоты морской поверхности по данным спутниковой альтиметрии методом интерполяции сплайнами типа «тонкой пластины»;
3. Метод прямого устранения приливной составляющей из данных альтиметрического зондирования;
4. Результаты проверки достоверности карт аномалий высоты морской поверхности, реконструированных методом «От-сплайн» интерполяции по картам аномалий высоты морской поверхности, полученных методом объективного анализа", а так же по картам температуры поверхности океана и концентрации хлорофилла «а».
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на XLIV ежегодной научной конференции в Московском физико-техническом институте, на XI Всероссийской и XII международной конференциях по промысловой океанологии, на XII Всероссийской школе-конференции по дифракции и распространению радиоволн, Тихоокеанской конференции по дистанционному зондированию (Pacific Ocean Remote Sensing Conference) Гоа (Индия 2000), на четвёртом международном совещании по цвету океана (4 International Workshop on Ocean Color, Berlin, 2001), на XXVII Генеральной ассамблее Европейского геофизического сообщества Ницца (Франция 2002) и 19-ом международном симпозиуме по Охотскому морю и ледяному покрову (The 19th international symposium on Okhotsk sea & sea ice) (Япония 2004), а так же были представлены на международных симпозиумах по наукам о Земле и дистанционному зондированию (International Geoscience and Remote Sensing Symposium) в Сиднее (Австралия 2001) и Торонто (Канада 2002).
Основные результаты диссертационной работы изложены в следующих публикациях:
1. Романов А. А, Матвеев С. В., Романов Ал. А. Спутниковая альтиметрия: Исследование динамической топографии морской поверхности. // Тезисы докладов XI Всероссийской конференции по промысловой океанологии (Калининград, 14−18 сентября 1999 г.) / Москва: Издательство ВНИРО 1999, с. 152−179.
2. Ю. В. Фефилов, Алексей А. Романов, Александр А. Романов Возможность совместного использования данных различных спутниковых сенсоров для прогнозирования рыбопромысловой обстановки // Тезисы докладов XLIV Научной конференции.
Московского физико-технического института (23−30 ноября 2001 г.) / Москва, 2001 г., ч. З, с. 66.
3. A. Romanov, Y. Fefilov, A. Romanov Multi-satellite Oceanographic Monitoring in Far East Region as a Part of Monitoring, Control and Surveillance System for Russian Fisheries Fleet: Preliminary results //Proceedings of 4 International Workshop on Ocean Color, Berlin, 2001, P. 225−234.
4. А. А. Романов, Ю. В. Фефилов Совместное использование данных дистанционного зондирования и промысловой статистической информации. // Труды XII Всероссийской школы-конференции по дифракции и распространению радиоволн (Москва, 19−23 декабря 2001 г., Российский новый университет), М.: Московский физико-технический институт (государственный университет), т.2. с 421—422.
5. Alexey A. Romanov, Vyacheslav Е. Kunitsyn, Alexander A. Romanov The approach of dynamic topography maps reconstruction by local spline-approximation. // European Geophysical Society XXVII General Assembly (Nice, France, 21 — 26 April 2002) / EGS XXVII General Assembly Abstracts, V4,2002, p.l.
6. Романов A.A., Романов Ал.А. Исследование возможности использования карт динамической топографии поверхности океана по данным спутниковой альтиметрии для решения промысловых задач в районах ЦВА и ЮВА. //Тезисы докладов XII международной конференции по промысловой океанологии (Светлогорск, 9−14 сентября 2002 г.) /Калининград: Издательство АтлантНИРО 2002, с.212−213.
7. Романов А. А., Романов Ал.А., Фефилов Ю. В. Исследование возможности совместного использования данных дистанционного зондирования и промысловой статистической информации на основе судовых суточных донесений //Тезисы докладов XII международной конференции по промысловой океанологии (Светлогорск, 9−14 сентября 2002 г.) /Калининград: Издательство АтлантНИРО 2002, с.209−210.
8. Куницын В. Е., Романов А. А. Восстановление карт поверхности океана методом локальной сплайн аппроксимации с хаотично расположенными узлами. // Радиотехника и электроника, 2004. Т. 49, № 4. С. 466−480.
9. Шевченко Г. В., Романов А. А. Определение характеристик прилива в Охотском море по данным спутниковой альтиметрии. // Исследование земли из космоса, 2004, № 1, с. 49−62.
Ю.Шевченко Г. В., Романов А. А. Пространственная структура прилива в Охотском море на основе данных спутниковой альтиметрии. «Колебания уровня в морях». Сборник научных статей. Российский гидрометеорологический университет. Санкт-Петербург,.
Гидрометеоиздат, 2003, с. 92−110.
11 .Romanov А.А., Sedaeva O.S., Shevchenko G.V. Seasonal and tidal sea level oscillations comparison from altimetry data and coastal tide gauges between Hokkaido and Sakhalin islands // The 19th international symposium on Okhotsk Sea & Sea Ice, 2004, pp. 294−303.
12.Romanov A.A., Mandych A.T., Novinenko E.G., Shevchenko G.V. Eddies determination in the Northern Kurils area from remote sensed data and direct CTD measurements // The 19th international symposium on Okhotsk Sea & Sea Ice, 2004, pp. 276−281.
1 З. Романов A.A. Методика восстановления карт аномалий морской поверхности методом «От-сплайнов». Электронный журнал «Исследовано в России», 042. С. 454−463, 2004 г. http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2004/042.pdf.
Заключение
.
Диссертационная работа посвящена созданию методики расчета карт аномалии высоты морской поверхности методом интерполяции сплайнами типа «тонкой пластины». В результате проведенного исследования были получены следующие основные результаты.
Предложена методика реконструкции карт аномалий высоты морской поверхности методом интерполяции альтиметрических данных сплайнами типа «тонкой пластины».
Найдены значения оптимальных параметров методики восстановления аномалий высоты морской поверхности для региона Дальнего Востока: RM = 1.4, Дб = 6иЛГ=150.
Проведено численное моделирование восстановления методом сплайн интерполяции различных стационарных и зависящих от времени функций. Метод интерполяции «От-сплайнами» показал очень хорошие результаты при реконструкции стационарных функций. Ошибки восстановления составили 8с = 0.37, a SL- 0.14.
При реконструкции поверхностей искусственно зашумленных 10% гауссовским шумом при помощи процедуры пространственно временной интерполяции ошибки составили 8С = 0.44, а <^=0.14.
Минимальные размеры восстанавливаемых неоднородностей не должны быть меньше 1° - 1.5°, этого вполне достаточно для восстановления мезо-масштабных явлений на поверхности океана;
Результаты моделирования подтверждают, что невозможно восстанавливать высокоэнергитичные мезомасштабные структуры с хорошей точностью, основываясь на данных только одной альтиметрической миссии. Ошибки восстановления при использовании шаблона данных одного спутника TOPEX/POSEIDON при восстановлении (3.2.1) составили: 8С =.
6.52, SL =1.38 и невязка 7.21 см.
В случае использования данных двух спутников TOPEX/POSEIDON и ERS-2 продемонстрированы хорошие возможности по восстановлению модельных функций. Ошибки восстановления составили 8С = 1.41, 5L-0.46 и невязка 2.37 см. Для исходных данных трех спутников ошибки составили 8С = 1.12, SL =0.25 и невязка 1.23 см соответственно (при восстановлении функции (3.2.1)). При реконструкции функции (3.2.2) для случая одновременного использования данных двух альтиметрических спутников, ошибки составили 8С = 0.28, SL =0.18 и невязка 0.14 см, а для трех -8С= 0.22,.
SL =0.16 и невязка 0.11 см, соответственно.
Представлен метод прямого устранения приливной составляющей из альтиметрических данных спутников TOPEX/POSEIDON и ERS-2. Проведено сравнение с полученными ранее моделями приливов для Охотского моря. Показано, что предложенный метод хорошо описывает приливную структуру Охотского моря. В качестве иллюстрации работы метода, рассчитаны карты аномалий для региона Северных Курил. Показано, что после устранения приливов разработанным методом, достигается хорошее соответствие между картами аномалий высоты морской поверхности и съемками температуры морской поверхности со спутника NOAA и картами концентрации хлорофилла «А» со спутника SeaWiFS, полученными в выбранном регионе.
Проведена оценка качества восстановления карт аномалии высоты морской поверхности методом «От-сплайнов». Приведены результаты проверки достоверности полученных результатов по карте аномалий высоты морской поверхности, полученной методом «объективного анализа». По результатам проведенного исследования можно утверждать, что качество восстановления данных сплайнами типа «тонкой пластины» выше, чем у метода «объективного анализа», что подтверждается проведенным сравнением вдольтрекового реального и восстановленного наборов данных.
Проведена проверка достоверности карт аномалии высоты морской поверхности, полученных методом сплайн-интерполяции по картам температуры поверхности океана и концентрации хлорофилла «А». Показано хорошее соответствие между местоположением и формой регистрируемых неоднородностей на поверхности океана.
Показана возможность реконструкции карт геострофических течений по данным спутниковых альтиметров.
В результате анализа совместного использования различных данных дистанционного зондирования (карт аномалий высоты морской поверхности и концентрации хлорофилла «а») и статистической промысловой информацией продемонстрировано:
• для решения задач океанологического мониторинга акваторий морей Тихого океана (Японского и Охотского морей), данные о первичной биопродуктивности, полученными со спутника SeaWiFS, необходимо дополнять данными об аномалиях высоты морской поверхности с альтиметрических спутников. В данном случае используется информация со спутника TOPEX/POSEIDON, для исследования поверхности океана на акваториях покрытых облаками в момент исследования, так как данные SeaWiFS для таких регионов недоступны, кроме того, использование нескольких источников океанологической информации повышает достоверность проведенного анализа;
• полученные карты концентрации хлорофилла «а» и аномалий высоты морской поверхности вполне можно использовать для информационной поддержки промыслового прогнозирования в Мировом океане.
Автор выражает искренние благодарности: научному руководителю, доктору физико-математических наук, профессору В. Е. Куницыну и доктору технических наук, профессору А. А. Романову за помощь в постановке задачи и в и всестороннюю поддержку во время работы над диссертациейсотруднику СахНИРО, кандидату физико-математических наук Г. В. Шевченко за успешное и плодотворное сотрудничество, а так же полезные советы при работе над диссертациейсотруднику СахНИРО Г. Новиненко за предоставленные карты температуры поверхности океана и концентрации хлорофилла «а" — Ю. В. Фефилову за предоставленные карты концентрации хлорофилла «а» и полезные замечания в процессе написания работы, а так же всем коллегам, принимавшим участие в обсуждении результатов исследования.
