РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ внутренних ВОЛН ВБЛИЗИ ОДИНОЧНОЙ ВОЗВЫШЕННОСТИ В ПРОЛИВЕ ЗАПАДНАЯ СОЛОВЕЦКАЯ САЛМА БЕЛОГО МОРЯ
, ,
Санкт-Петербургский научный центр Российской академии наук, E-mail: *****@***nw. ru
В летний период 2006-2008 гг. в Белом море в проливе Западная Соловецкая Салма вблизи одиночной подводной возвышенности группой сотрудников Санкт-Петербургского научного центра Российской академии наук проводились комплексные экспедиционные исследования гидрофизических полей и динамики их изменения в зависимости от фазы прилива. Одно из направлений исследований было связано с изучением внутренних волн (ВВ), вызванных обтеканием возвышенности нестационарным течением стратифицированной жидкости. Для регистрации ВВ применялись системы распределенных датчиков температуры. Регистограммы ВВ анализировались визуально, а также с помощью математических методов обработки информации. При обработке результатов наблюдений ВВ чаще всего применяется методика спектрального анализа [1]. Однако в силу нестационарного характера приливных течений стандартные методики имеют значительные ограничения [2-4]. Альтернативой является использование вейвлет-преобразования [5]. Поэтому цель данной работы состояла в отработке методики выделения внутренних волн с использованием вейвлет-анализа и оценки их параметров.
В экспериментах применялись системы, состоящие как из одиночных распределенных датчиков температуры, так и антенных комплексов, включающих три разнесенных по горизонтали датчика. Место расположения носителя датчиков выбиралось в районе прохождения ВВ, вызванных обтеканием подводной возвышенности. Глубина погружения интегральных датчиков устанавливалась таким образом, чтобы они находились в середине термоклина. Интегральные датчики крепились на базу с использованием несущего буя и груза. База сохраняла стабильное положение в пространстве. Глубина залегания термоклина определялась по данным CTD-зондирований, выполнявшихся каждые 30 минут. Глубина расположения датчиков корректировалась каждый раз, когда положение термоклина изменялось более чем на 1 м. В результате было получено более 10 выборок показаний интегральных датчиков с длительностью реализаций от 15 минут до 2 часов.
Для обработки временных реализаций сигналов был использован пакет AutoSignal, который имеет специальные средства для построения спектрограмм сигналов, синтезированных вейвлетами. Известно большое количество классов вейвлет-функций, однако практические рекомендации по выбору базиса для обработки океанологических данных отсутствуют. Форма вейвлета: четность, доминирующая частота и степень ее локализации, - существенно влияют на вейвлет-спектры анализируемых сигналов и на возможности выделения его локальных особенностей. Поэтому на первом этапе был проведен выбор базисного вейвлета. Для этого исследовалась среднеквадратичная ошибка точности восстановления исходных данных по используемому вейвлет-спектру. Были рассмотрены вейвлеты: Морле (с номером волны от 6 до 20), Пауля (в степени от 4 до 40), производной функции Гаусса (от 2 до 80 порядка). Соответственно при минимальной ошибке разложение считалось оптимальным. Наилучшие результаты были получены для производной второго порядка функции Гаусса. С помощью данной функции были исследованы все полученные ряды наблюдений.
В качестве примера на рис.1, а) показаны данные измерений температуры интегральным датчиком за 35 мин. Полученные значения нормированы, из них удален тренд. Как видно из графика в слое термоклина прослеживаются четко выраженные колебания; при этом процесс не является стационарным. На колебания с периодом около 15 мин накладываются более короткопериодные.
Применение вейвлет-преобразования (рис.1, б) показало, что на периодах около 12,5 мин (1500 измерений) наблюдаются три аномальные зоны, что свидетельствует о наличии периодически повторяющихся процессов с этими периодами. На временных масштабах от 4 до 8,5 мин (500 до 1000 измерений) прослеживается изменение характера процесса. В начале записи выделяются колебания с периодом около 7 мин, а во второй половине - две гармоники 4 и 8,5 мин. Мелкомасштабная часть процесса с периодами менее 2 мин (120 измерений) характеризуется преобладанием случайных процессов над периодическими за исключением последних 9 мин записи.
а)
б)
Рис.1. Результаты измерений (а) и обработки (б) показаний первого датчика
26.07.07 г. за интервал времени с 23.15 до 23.50
Приведенный пример вейвлет-спектра позволяет наглядно проследить процесс трансформации внутренних волн. Подобные вариации, связанные с изменением характера процесса, регистрировались и другими авторами [1]. Однако использование вейвлет-преобразования позволило определить время изменения характера процесса и параметры внутренних волн.
Применение разработанной методики регистрации ВВ и обработки с помощью вейвлет-преобразования позволило выявить сложный характер изменчивости положения термоклина в районе подводной возвышенности. Было установлено, что наибольшую повторяемость имели волны с периодом около 6-9 мин. Они были неустойчивы во времени и часто трансформировались, распадаясь на несколько гармоник за короткие промежутки времени.
Литература:
1. Степанюк измерений характеристик морских внутренних волн. СПб: изд. РГГМУ, 2002. – 138 с.
2. Родионов гидрофизики океана. СПб: ВМА им. , 1994. – 104 с.
3. , , Соловьев течений и мелкомасштабная турбулентность в районе подводной возвышенности в проливе Западная Соловецкая Салма Белого моря // Международная конференция "Потоки и структуры в жидкостях". Санкт-Петербург, 02-05 июля, 2007 г. Материалы докладов. М: Изд. ИПМ РАН, 2007. - С.231-232.
4. , , Соловьев проведения комплексного эксперимента по исследованию возмущений слоя скачка // Труды VIII Международной конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики» - СПб.: Наука, 2006. - С.273.
5. Астафьева -анализ: основы теории и примеры применения // УФН, 1996, т.166, № 11. - С.1145-1170.
